無電源氣動(dòng)排水定時(shí)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王文勝， 馬 雋， 王璟耀， 彭東林

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046102）

引言

供電和排水一直是我國煤礦的一大難題[1-2]，在煤礦安全規(guī)章中可知，在回風(fēng)巷、機(jī)械提升的進(jìn)風(fēng)井等位置不應(yīng)當(dāng)設(shè)置電纜，以保障工作面的安全，但不設(shè)置電纜無法使得井下排水系統(tǒng)工作，同時(shí)在煤礦井下具有爆炸危險(xiǎn)性的回風(fēng)、微風(fēng)等巷道環(huán)境中，沒有供電設(shè)備和設(shè)施，老空、頂板來的積水無法得到有效的治理，因此，提出采用風(fēng)流作為動(dòng)力進(jìn)行井下水的排放，考慮到采用壓縮空氣作為動(dòng)力的風(fēng)泵排水，會(huì)對(duì)巷道的低洼地帶造成積水點(diǎn)多的問題[3-4]，在傳統(tǒng)的浮球氣動(dòng)排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套智能的氣動(dòng)排水控制系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)氣動(dòng)排水方式存在的問題

傳統(tǒng)的氣動(dòng)排水系統(tǒng)靠著壓風(fēng)管路進(jìn)行動(dòng)力的獲取，由于系統(tǒng)氣室中存在一定的壓差使得液體產(chǎn)生排出和吸入的工序。氣動(dòng)排水泵通過配氣閥來實(shí)現(xiàn)排液的正向流動(dòng)，同時(shí)為了保證氣動(dòng)水泵的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在系統(tǒng)同的進(jìn)風(fēng)口的調(diào)壓閥設(shè)定工作風(fēng)壓。但在實(shí)際的操作過程中，傳統(tǒng)氣動(dòng)排水方式會(huì)存在一定的問題。

1）人員勞動(dòng)強(qiáng)度和安全問題：系統(tǒng)在未安裝任何自動(dòng)控制裝置時(shí)，由于工作強(qiáng)度較大，管理工作的不到位等原因，使得積水的排放需要安排專人或?qū)Ｈ搜不囟〞r(shí)操作水泵，專人沒有定時(shí)操作排水泵時(shí)，使得井下出現(xiàn)積水存積過多、工作人員行動(dòng)較為不暢等安全隱患，同時(shí)由于巡回排水工的工作勞動(dòng)強(qiáng)度較大，使得工作人員本身存在嚴(yán)重的人身安全隱患。

2）安裝傳統(tǒng)浮球閥存在的問題：當(dāng)水面接觸浮球達(dá)到一定的浮力，浮球閥門打開，水泵有工作動(dòng)力開始工作，一但浮力下降到浮球閥門關(guān)閉，水泵便停止工作，浮力大小的變化快慢取決于積水面積的大小，對(duì)于井下有限的巷道安全要求和積水坑面積來說，積水面積是很小的，因此該浮力的變化非?？欤恳淮闻潘^程對(duì)排水時(shí)間、排水量有一定的限制，排水次數(shù)的頻率很高，每次排水還排不干凈。

3）設(shè)備壽命問題：傳統(tǒng)浮球控制技術(shù)中，浮球閥門和水泵頻繁的啟動(dòng)和停止會(huì)對(duì)元件本身產(chǎn)生一定的沖擊，隨著沖擊次數(shù)的不斷增加，元件本身的使用精度及使用壽命逐步減小，同時(shí)設(shè)備的使用壽命受到元件使用壽命的制約，也會(huì)降低。

2 傳統(tǒng)氣動(dòng)排水系統(tǒng)的優(yōu)化無電源氣動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了提升傳統(tǒng)的浮球自動(dòng)排水系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)提升礦井工作面的自動(dòng)化程度，對(duì)傳統(tǒng)的浮球自動(dòng)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的方案如圖1所示。

圖1 無電源氣動(dòng)排水定時(shí)智能控制技術(shù)原理簡(jiǎn)圖

對(duì)比未經(jīng)優(yōu)化前的氣動(dòng)排水系統(tǒng)，優(yōu)化后的氣動(dòng)排水系統(tǒng)在傳統(tǒng)的浮球控制原理基礎(chǔ)上，將“儲(chǔ)能釋放延時(shí)和壓差原理”運(yùn)用于控制技術(shù)中，在系統(tǒng)中增加一個(gè)儲(chǔ)存氣壓罐以下簡(jiǎn)稱氣壓罐）以及一個(gè)兩位三通氣控閥（以下簡(jiǎn)稱氣控閥，氣控閥的工作壓力可調(diào)，和氣源壓力存在一定的壓差）。浮球閥選用性能更加優(yōu)越的兩位三通機(jī)械閥（以下簡(jiǎn)稱浮球閥），用于對(duì)控制氣控閥的工作和氣壓罐的泄氣。在系統(tǒng)的氣壓罐上安裝一個(gè)可調(diào)節(jié)氣壓釋放快慢的閥門，氣壓罐內(nèi)的氣壓控制氣控閥的打開或關(guān)閉，接通或關(guān)閉氣動(dòng)排水泵（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)泵）的動(dòng)力氣源；儲(chǔ)存氣壓的大小通過氣壓的釋放改變，氣壓變化的快慢由氣壓釋放的快慢決定，因此通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣罐上的泄氣閥門，可調(diào)節(jié)氣壓變化的快慢時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是確定水泵針對(duì)某一處積水每次排放的工作時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)閥門打開，氣源接通，浮球閥控制的氣源作為氣控閥的工作動(dòng)力源，氣控閥控制的氣源作為風(fēng)泵的動(dòng)力源，排水時(shí)先試排一次，確定排一次水所需要的時(shí)間，以這個(gè)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)泄壓閥門，設(shè)定好氣壓罐內(nèi)氣源壓力值下降到氣控閥工作壓力值的時(shí)間。

3 無電源氣動(dòng)排水系統(tǒng)的工作原理

1）氣泵啟動(dòng)排水過程：積水坑內(nèi)的積水上漲到一定水位后，浮球閥在浮球2 浮力的作用下工作，接通氣壓罐的充氣管路，氣源開始向儲(chǔ)氣罐充氣，當(dāng)氣壓罐內(nèi)氣壓達(dá)到氣控閥工作壓力時(shí)，氣控閥動(dòng)作，接通風(fēng)泵的工作氣源，風(fēng)泵工作，開始排水，同時(shí)氣源繼續(xù)向氣壓罐內(nèi)充氣，使罐內(nèi)氣壓與氣源壓力相等。

2）氣泵延時(shí)排水過程：當(dāng)浮力下降到一定值時(shí)，浮球閥關(guān)閉氣壓罐進(jìn)氣管路的同時(shí)，接通氣壓罐泄氣管路，氣壓罐開始泄氣釋放壓力，此時(shí)氣控閥還在氣罐內(nèi)氣壓的作用下繼續(xù)保持打開狀態(tài)，風(fēng)泵繼續(xù)工作排水。

3）氣泵停止排水過程：當(dāng)氣壓罐內(nèi)氣壓下降到小于氣控閥的工作值時(shí)，氣控閥關(guān)閉，積水按照設(shè)定排水時(shí)間一次性排完。

4 無電源氣動(dòng)排水系統(tǒng)應(yīng)用效果

1）該項(xiàng)技術(shù)巧妙應(yīng)用氣壓儲(chǔ)能延時(shí)和壓差原理，利用調(diào)節(jié)氣壓罐氣壓釋放的時(shí)間確定積水坑水量的排放時(shí)間，排水時(shí)長(zhǎng)與浮力無關(guān)，浮球僅對(duì)開始排水起作用。

2）該控制技術(shù)于2016 年開始在潞安環(huán)能公司常村煤礦投入應(yīng)用，解決了無電源的回風(fēng)巷道中需要人工定時(shí)排水、人身安全隱患、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及采用傳統(tǒng)浮球控制原理自動(dòng)排水中存在的排水設(shè)備頻繁工作、積水排不完全、資源浪費(fèi)、降低設(shè)備使用壽命等問題，尤其對(duì)深水坑或水井更為適用。

3）該控制技術(shù)制作簡(jiǎn)單、使用方便、費(fèi)用低廉，延長(zhǎng)了水泵的工作時(shí)段和壽命，節(jié)約了能源，消除了安全隱患，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度和管理難度，提升了煤礦無人化開采、智能化控制技術(shù)，2017 年取得了國家實(shí)用新型專利，可被推廣使用到采用氣動(dòng)排水技術(shù)的其他領(lǐng)域。