煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化

許東明

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)布爾臺(tái)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

地下水的存在造成煤礦內(nèi)部部分巖石結(jié)構(gòu)和地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，這是由于在水的不斷侵蝕作用下巖石層會(huì)表現(xiàn)出很大的脆性，而一旦煤礦施工人員進(jìn)入這些危險(xiǎn)區(qū)域便很可能由于塌陷和滲漏的問(wèn)題而出現(xiàn)生命危險(xiǎn)。目前大部分煤礦施工單位針對(duì)地下水問(wèn)題，采用的都是安裝自動(dòng)排水系統(tǒng)將地下水及時(shí)排除。但是如果缺少有效的節(jié)能技術(shù)，那么在排水的過(guò)程中便會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)和能源消耗，因此深入研究煤礦井下作業(yè)的自動(dòng)排水節(jié)能優(yōu)化技術(shù)具有非常重要的意義[1]。

1 煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在意義

由于煤礦井下作業(yè)所使用的排水系統(tǒng)既要求排水的速度應(yīng)該滿足煤礦井下作業(yè)的施工速度要求，同時(shí)為了盡可能提高排水的效果，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大自動(dòng)排水系統(tǒng)的排水量和提高排水設(shè)備的運(yùn)行功率。因此為了確保自動(dòng)排水系統(tǒng)的功能更加完善，性能更加優(yōu)良，在煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的不斷發(fā)展過(guò)程中所表現(xiàn)出最大特點(diǎn)，便是該系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、設(shè)備元件也越來(lái)越精密。而精密的設(shè)備結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的系統(tǒng)內(nèi)置所帶來(lái)的弊端，便是該系統(tǒng)在運(yùn)行工作的過(guò)程中所消耗的電能水平非常高。另外，自動(dòng)排水系統(tǒng)主要通過(guò)繼電器對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作效率進(jìn)行控制，而以電子系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備作為主導(dǎo)的控制路徑，往往在長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)荷工作狀態(tài)下更容易產(chǎn)生損壞的問(wèn)題。同時(shí)，煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)在日常使用過(guò)程中最常見(jiàn)的故障，還包括排水管道堵塞、系統(tǒng)零部件損耗過(guò)大和設(shè)備過(guò)熱導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行受阻等，而這些問(wèn)題也是在自動(dòng)排水系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中急需解決的重要問(wèn)題[2]。

自動(dòng)排水系統(tǒng)對(duì)于保障煤礦井下作業(yè)的施工安全和有關(guān)施工單位的財(cái)產(chǎn)安全，始終發(fā)揮著不可替代的重要作用。在運(yùn)用排水系統(tǒng)構(gòu)建礦井排水體系的過(guò)程中，其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)便是如何科學(xué)地選擇排水泵的類型以及合理設(shè)置排水的位置和路徑。水泵與排水路徑的選擇不合理，將會(huì)嚴(yán)重影響到地下水排放的速度，進(jìn)而加大了在煤礦井下作業(yè)的施工人員所處環(huán)境中的危險(xiǎn)系數(shù)。另外，排水系統(tǒng)和水泵之間匹配不合理，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中便會(huì)造成更大的能量損耗與能源浪費(fèi)，而排水系統(tǒng)能耗過(guò)大導(dǎo)致施工經(jīng)濟(jì)效益無(wú)法得到保障的問(wèn)題，也是一直以來(lái)困擾煤礦施工單位的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。

2 影響煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)運(yùn)行效率與能耗的原因分析

2.1 自動(dòng)排水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不佳

自動(dòng)排水設(shè)備是構(gòu)成自動(dòng)排水系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，而排水系統(tǒng)的運(yùn)行工作則是通過(guò)各個(gè)設(shè)備之間相互連接與配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。排水系統(tǒng)的能耗與排水設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)之間，都有著非常緊密的聯(lián)系，如果排水系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)便很容易導(dǎo)致超負(fù)荷工作而造成系統(tǒng)能耗進(jìn)一步提高。另外，如果排水設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)超出了設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的要求，那么同樣也會(huì)導(dǎo)致排水系統(tǒng)的運(yùn)行效率急劇下降，各設(shè)備之間由于需要克服其他外在因素的不良影響，因此在相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)行工作所消耗的電能也會(huì)隨之升高。而由于煤礦井下作業(yè)的施工現(xiàn)場(chǎng)周圍的環(huán)境以及自然條件通常都比較惡劣，再加上自動(dòng)排水系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備長(zhǎng)期處于潮濕陰冷的環(huán)境下，極易引發(fā)設(shè)備中精密度較高的電子元件發(fā)生嚴(yán)重的磨損或毀壞現(xiàn)象。同時(shí)沉悶的地下施工環(huán)境也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致施工人員精神狀態(tài)不佳、工作質(zhì)量下滑，因此很多不規(guī)范的操作行為也加劇了對(duì)自動(dòng)排水系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的不良影響，進(jìn)而產(chǎn)生的后果便是縮短了自動(dòng)排水系統(tǒng)的使用壽命和提高了能耗[4]。

2.2 排水系統(tǒng)及設(shè)備技術(shù)水平低下

由于煤礦井下作業(yè)的惡劣環(huán)境以及復(fù)雜的地質(zhì)條件影響，因此施工單位想要確保在煤礦開發(fā)施工過(guò)程中排放地下水的效率和質(zhì)量能夠達(dá)到更高的要求水準(zhǔn)，那么就必須要采用能夠克服不良工作環(huán)境并且保持良好運(yùn)行效率的排水系統(tǒng)及設(shè)備。但是目前就國(guó)內(nèi)大部分煤礦企業(yè)而言，受到我國(guó)在自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)展起步較晚的不良影響，因此很大一部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中銷售的自動(dòng)化排水設(shè)備往往由于技術(shù)水平較低，導(dǎo)致很難適應(yīng)施工難度系數(shù)較高的煤礦井下作業(yè)工程項(xiàng)目。因此企業(yè)便需要花費(fèi)更多的成本去購(gòu)買國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)化排水系統(tǒng)與設(shè)備，這種不良現(xiàn)象便造成了開發(fā)企業(yè)在煤礦工程項(xiàng)目中所需要投入的成本進(jìn)一步提高。另外，地下水大多包含有較多的雜質(zhì)和污染物，而在排除地下水時(shí)很多雜質(zhì)便會(huì)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行而進(jìn)入到各個(gè)排水設(shè)備中，因此如果不及時(shí)對(duì)排水設(shè)備中由于水壓沖擊而吸附在設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)與污染物進(jìn)行有效清理，便會(huì)伴隨著大量的雜質(zhì)積累而加大了對(duì)排水系統(tǒng)及設(shè)備零部件的磨損。

2.3 排水管道及排水路徑設(shè)計(jì)不科學(xué)

排水管道的設(shè)計(jì)是否合理以及排水路徑的設(shè)置是否科學(xué)，對(duì)于煤礦井下作業(yè)地下水排放的效果和效率影響非常關(guān)鍵，在很多煤礦作業(yè)施工項(xiàng)目中往往都會(huì)由于排水管道堵塞而造成地下水排放受阻，進(jìn)而嚴(yán)重影響到施工進(jìn)度和工期安排。在對(duì)地下水進(jìn)行排放的過(guò)程中，排水管道內(nèi)徑的大小以及內(nèi)壁的光滑程度是決定排水量和排水效率的關(guān)鍵因素：如果排水管道內(nèi)徑過(guò)小便會(huì)導(dǎo)致排水的效率很難得到提高，因此也無(wú)法滿足煤礦井下作業(yè)的施工速度要求；同時(shí)如果排水管道的內(nèi)徑過(guò)大，那么很容易導(dǎo)致與排水系統(tǒng)所配備的水泵功率大小不匹配，這樣在排除地下水時(shí)由于排水管道內(nèi)部沒(méi)有充滿而無(wú)法保持足夠的動(dòng)量關(guān)系，因此會(huì)造成水流速度受到重力和摩擦阻力的影響過(guò)大、排水的效率進(jìn)一步降低。同理，排水管道內(nèi)壁的光滑程度也是影響排水過(guò)程中水流受到摩擦阻力大小的重要因素，排水管道內(nèi)壁粗糙將會(huì)造成地下水中的雜質(zhì)與淤泥等留存并吸附在管道內(nèi)壁上，這樣既減小了排水管道的內(nèi)徑，同時(shí)也增大了地下水流過(guò)排水管道時(shí)受到的摩擦阻力。而排水阻力的增大以及水流速度的降低，勢(shì)必會(huì)引起排水系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行效率無(wú)法滿足施工要求，同時(shí)克服阻力所消耗的電能也會(huì)進(jìn)一步增多。最后，排水路徑設(shè)置不合理將會(huì)導(dǎo)致排水路線的長(zhǎng)度以及排除地下水的過(guò)程中克服重力所做的功，相較于標(biāo)準(zhǔn)的排放路徑要提高很多，因此，只有通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化排水路徑和提高排水管道設(shè)計(jì)水平，才能夠更好地保障排水效率和能耗被控制在合理范圍內(nèi)[5]。

2.4 排水泵的超負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)象

通常煤礦施工單位為了確保能夠及時(shí)完成不同工期階段所安排的施工任務(wù)，因此會(huì)通過(guò)壓縮地下水排放施工時(shí)間的方式來(lái)提高工作效率，那么在這種情況下便會(huì)造成排水泵由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工作而產(chǎn)生超負(fù)荷現(xiàn)象，進(jìn)而造成設(shè)備過(guò)熱而消耗更多的電能和加劇了設(shè)備磨損程度。另外，由于煤礦施工項(xiàng)目的工程量較大，因此通常都會(huì)采用分工的形式在不同時(shí)間段安排多項(xiàng)施工任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，以此來(lái)提高施工的效率和保障工期安排順利完成。而在不分時(shí)間段由于不同的施工項(xiàng)目中同時(shí)運(yùn)行的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備數(shù)量較多，因此引發(fā)的用電高峰也是非常容易引發(fā)排水泵超負(fù)荷運(yùn)行的主要原因。

3 煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的有效措施

3.1 提高排水系統(tǒng)的技術(shù)水平

為了更好地解決自動(dòng)排水系統(tǒng)效率低下以及節(jié)能效果不佳的問(wèn)題，有關(guān)研究人員需要通過(guò)采用性能更好的設(shè)備材料和引進(jìn)更先進(jìn)的排水技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了改善傳統(tǒng)的排水管道阻力過(guò)大并且使用壽命較短的問(wèn)題，因此可以采用更好的耐腐蝕材料來(lái)制作排水管道的內(nèi)壁；同時(shí)還可以運(yùn)用PLC控制系統(tǒng)配合變頻控制技術(shù)，確保自動(dòng)排水系統(tǒng)在工作量不大的情況下可以通過(guò)變頻控制盡可能降低不必要的電能損耗。另外對(duì)老舊的控制元件和排水設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的更換和維修，也是保障煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、進(jìn)一步降低電能損耗和資源消耗的有效途徑。

3.2 采用科學(xué)的排水方法

由于礦井內(nèi)部的不同情況需要采用不同的排水方法，而通過(guò)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的方案，可以使得能量耗損成本盡可能最低，因此方案設(shè)計(jì)尤其重要。通常排水設(shè)計(jì)方案中可以包含壓力式、抽水式以及兩者并存的抽水方式。在水面位于泵的吸嘴高度之上時(shí)，更適合采用壓力式排水方法，這種方式下的操作更為簡(jiǎn)便，開啟泵的發(fā)動(dòng)機(jī)后緩慢打開閘閥，再無(wú)需其他引水裝置亦可排凈。另一種方法稱為吸入排水法，相比較壓力式排水法啟動(dòng)操作較為復(fù)雜，也會(huì)提高能量損耗成本。在水面較低，未到達(dá)泵的吸嘴高度時(shí)，更適合采用這種方法—吸入排水法。除此之外，如果是對(duì)兩個(gè)水面高度不同的水室進(jìn)行排水時(shí)，則需要兩種方式共同使用，兩個(gè)水室一個(gè)采用壓力式，一個(gè)使用抽水式，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，相輔相成，簡(jiǎn)化了泵的啟動(dòng)程序，也提高了該設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)遵循因地制宜，針對(duì)不同的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的排水方案，使得能源耗損成本降為最低。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用科學(xué)的排水方法和科技水平更高的排水系統(tǒng)，是提高煤礦井下作業(yè)地下水排放質(zhì)量的最有效途徑，同時(shí)也是更好的控制能源損耗和電能浪費(fèi)的最優(yōu)方法。有關(guān)技術(shù)人員要根據(jù)自動(dòng)化排水系統(tǒng)存在的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化和調(diào)整，以確保排水設(shè)備的運(yùn)行效率與節(jié)能效果能夠進(jìn)一步滿足未來(lái)煤礦開發(fā)行業(yè)的發(fā)展需求。