佘影，　羅明華，　張海峰

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

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淺析煤礦井下排水系統(tǒng)引水方式

佘影，羅明華，張海峰

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶400039)

根據(jù)煤礦項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了當(dāng)前煤礦排水系統(tǒng)中常用的引水方式，詳細(xì)介紹了各種引水方式的基本組成、工作原理和適用環(huán)境，研究并闡述了不同引水方式在自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法，分析總結(jié)了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為煤礦自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提供了技術(shù)參考。

煤礦排水； 引水方式； 自動(dòng)控制； 監(jiān)控系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1024.008.html

0　引言

目前，我國(guó)煤礦井下主排水系統(tǒng)中使用的水泵主要是礦用耐磨離心泵。離心泵是利用葉輪旋轉(zhuǎn)使水發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)來(lái)工作的，在水泵啟動(dòng)前，必須使泵殼和吸水管內(nèi)充滿水。使水充滿泵殼和吸水管的方法，被稱作水泵的引水方式。離心泵引水方式主要有有底閥引水、無(wú)底閥引水2類[1]。有底閥引水又分為壓力管引水、高架水箱引水、水上底閥引水，無(wú)底閥引水又分為射流引水、真空泵引水、真空罐引水、子母泵引水、正壓引水、自吸引水。由于煤礦井下環(huán)境條件限制，煤礦井下排水系統(tǒng)常用的引水方式主要是壓力管引水、射流引水、真空泵引水、真空罐引水等。

1　壓力管引水

壓力管引水是有底閥引水方式中最常用的一種，利用排水管內(nèi)的存水來(lái)為水泵灌引水[2]，如圖1所示。

圖1　壓力管引水方式

井下水泵排水管上基本都裝有逆止閥，排水管內(nèi)都有存水。在逆止閥和調(diào)節(jié)閘閥的兩側(cè)加裝旁通閥，可將排水管內(nèi)的存水引入泵體，實(shí)現(xiàn)水泵灌引水。啟泵前，打開(kāi)旁通閥和排氣閥，排水管內(nèi)的存水通過(guò)旁通閥進(jìn)入泵體和吸水管，空氣通過(guò)排氣閥排出，當(dāng)排氣管內(nèi)有水流出時(shí)，關(guān)閉旁通閥和排氣閥，合閘啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

該引水方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、易于使用；缺點(diǎn)是底閥處于水倉(cāng)底部，容易被異物卡住，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，影響灌水，也不便于檢修維護(hù)，而且底閥處水頭損失較大，排水效率不高。

在設(shè)計(jì)自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需將旁通閥和排氣閥更換為電動(dòng)閥，以實(shí)現(xiàn)程序控制；在排氣管上加裝液位開(kāi)關(guān)，用于監(jiān)測(cè)是否有水流出。

2　射流引水

射流引水是利用壓力水通過(guò)射流器時(shí)產(chǎn)生的真空將泵體內(nèi)空氣逐漸帶走，水倉(cāng)水沿吸水管自下而上充滿泵殼的一種引水方式。該方式主要采用射流器、射流閥、真空閥、真空表等設(shè)備，如圖2所示。

圖2　射流引水

使用該方式引水時(shí)，首先同時(shí)打開(kāi)射流閥和真空閥，壓力水經(jīng)射流閥進(jìn)入射流器并驅(qū)動(dòng)其吸氣室內(nèi)形成真空，泵體內(nèi)的空氣經(jīng)真空閥進(jìn)入射流器吸氣室，并逐步排空，當(dāng)真空表負(fù)壓值達(dá)到啟泵所需壓力時(shí)，關(guān)閉真空閥和射流閥，合閘啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

射流引水方式是目前煤礦井下應(yīng)用最廣的無(wú)底閥引水方式，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、安裝方便、易于維護(hù)；缺點(diǎn)是引水效率不夠高，需要大量的壓力水作為動(dòng)力。為避免壓力水不足時(shí)整個(gè)泵房癱瘓，通常泵房?jī)?nèi)至少保留1臺(tái)帶有底閥的水泵。

設(shè)計(jì)自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，需將射流閥、真空閥更換為電動(dòng)閥，同時(shí)在真空表處利用三通接入負(fù)壓傳感器，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)射流控制和負(fù)壓判斷。壓力水是射流引水得以正常工作的關(guān)鍵，為進(jìn)一步增加系統(tǒng)可靠性，通常還在射流閥前面增加2～3臺(tái)選擇閥，以實(shí)現(xiàn)排水管及消防水等多個(gè)壓力水源的選擇。

3　真空泵引水

真空泵引水方式采用水環(huán)式真空泵的偏心結(jié)構(gòu)，周期性地形成負(fù)壓，抽取水泵和吸水管內(nèi)的空氣，并通過(guò)循環(huán)水箱的汽水分離功能實(shí)現(xiàn)水箱水的循環(huán)使用，逐漸排空泵體內(nèi)的空氣[3]。該方式主要采用真空泵、循環(huán)水箱、真空閥、注水閥及真空表等設(shè)備，如圖3所示。

圖3　真空泵引水

使用該方式引水時(shí)，需保證循環(huán)水箱內(nèi)有一定量的存水。水泵啟動(dòng)前，打開(kāi)注水閥，循環(huán)水箱內(nèi)的水在重力作用下流入真空泵。當(dāng)水位淹沒(méi)真空泵葉輪時(shí)，啟動(dòng)真空泵并打開(kāi)真空閥，使真空泵吸氣口與離心泵泵體連通，以抽取離心泵泵殼內(nèi)的空氣?？諝夂退谡婵毡脙?nèi)混合，經(jīng)汽水混流管重新流入循環(huán)水箱，然后空氣被排入大氣中，循環(huán)水繼續(xù)從循環(huán)水箱底部流入真空泵，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。真空泵啟動(dòng)后，需持續(xù)觀察真空表數(shù)值，當(dāng)負(fù)壓滿足水泵啟動(dòng)條件時(shí)，合閘啟動(dòng)水泵電動(dòng)機(jī)并關(guān)閉真空泵及抽真空相關(guān)閥門。

該引水方式的優(yōu)點(diǎn)是抽真空效率高，不需要壓力水源，缺點(diǎn)是需要為真空泵提供額外動(dòng)力，并需要一定的設(shè)備安裝空間，設(shè)備成本較高。為降低設(shè)備成本并節(jié)省空間，泵房?jī)?nèi)通常只配備一主一備2臺(tái)真空泵，多水泵通過(guò)管路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)真空泵共享。

真空泵需要少量的水作為媒介才能實(shí)現(xiàn)抽真空操作，因此，必須確保真空泵內(nèi)有足夠的水。設(shè)計(jì)自動(dòng)排水系統(tǒng)時(shí)，通常采用2種方式來(lái)確保真空泵內(nèi)有水。方式1：在循環(huán)水箱內(nèi)增加水位開(kāi)關(guān)，在水箱上方增加補(bǔ)水管道和補(bǔ)水閥，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水箱的水位監(jiān)測(cè)和補(bǔ)水操作；方式2：取掉水箱，直接將真空泵注水管接到水泵排水管上，利用排水管內(nèi)大量的存水為真空泵提供水源，汽水混流管內(nèi)的水直接排到水泵房水倉(cāng)。此外，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水控制，除更換電動(dòng)閥和增加負(fù)壓傳感器外，還需為水環(huán)式真空泵提供狀態(tài)采集接口和控制輸出接口。

4　真空罐引水

真空罐引水方式在水泵吸水口與吸水管之間加密閉的水箱，啟泵前水箱內(nèi)加滿水并保持密閉；啟泵時(shí)水泵抽取真空罐內(nèi)的水，造成罐內(nèi)負(fù)壓；隨著真空度的增加，吸水管內(nèi)的空氣逐漸被吸入真空罐，最后水倉(cāng)內(nèi)的水被吸入真空罐，水泵正常運(yùn)行。該方式主要采用真空罐、注水閥等設(shè)備，如圖4所示。

圖4　真空罐引水

理論上，真空罐引水方式只需要為真空罐灌水一次，但實(shí)際上，由于受設(shè)備漏水等因素的影響，每隔一段時(shí)間都要檢查真空罐內(nèi)的水位。該引水方式的優(yōu)點(diǎn)是水泵啟動(dòng)時(shí)不需要每次都進(jìn)行灌引水操作，使用方便快捷；缺點(diǎn)是水箱占用空間較大，其體積一般不小于水泵吸水管體積的3倍。

該引水方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)真空罐水位的監(jiān)測(cè)和電動(dòng)注水。通常有2種設(shè)計(jì)思路：一種是將水箱的注水閥更換為電動(dòng)閥，并在吸水管位置增加一組排氣閥和水位開(kāi)關(guān)，每次啟泵前都執(zhí)行注水操作；另一種是在真空罐上加裝水位傳感器，精確測(cè)量真空罐水位，僅在水位超低時(shí)才執(zhí)行注水操作。

5　其他引水方式

除以上常用的引水方式外，煤礦井下還有子母泵、正壓水倉(cāng)、自吸泵及潛水泵等引水(排水)方式。

子母泵是水泵正壓?jiǎn)?dòng)的一種，是將小型潛水泵(子泵)加裝在離心泵(母泵)吸水管上，通過(guò)子泵為母泵提供引水的一種引水方式。離心泵啟動(dòng)前，首先啟動(dòng)小型潛水泵，由潛水泵向離心泵吸水管打水，之后啟動(dòng)離心泵；待離心泵正常運(yùn)行后，停止?jié)撍?。該方式的?yōu)點(diǎn)是母泵的啟動(dòng)速度和成功率高，缺點(diǎn)是潛水泵檢修維護(hù)不方便。

正壓水倉(cāng)方式是將水倉(cāng)建造在高于離心泵的位置，在水泵吸水管上加裝進(jìn)水閘閥，水泵啟動(dòng)前打開(kāi)進(jìn)水閘，水倉(cāng)內(nèi)的水在重力作用下自動(dòng)充滿泵殼。該方式的優(yōu)點(diǎn)是啟泵流程簡(jiǎn)單，對(duì)水泵氣密性要求低；缺點(diǎn)是水倉(cāng)建設(shè)難度大，存在一定危險(xiǎn)性，為排出水倉(cāng)積水，需與負(fù)壓水倉(cāng)同時(shí)建設(shè)。

自吸泵通過(guò)水泵自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水泵的灌引水操作。在水泵運(yùn)轉(zhuǎn)前，需在泵腔內(nèi)存有一定量的水，自吸泵啟動(dòng)后，由于葉輪的旋轉(zhuǎn)作用，使吸水管路的空氣和水充分混合，并被排到汽水分離室。汽水分離室上部的氣體溢出，下部的水返回葉輪，重新和吸入管路的剩余氣體混合，直到把泵及進(jìn)水管路內(nèi)的氣體全部排盡，完成自吸，使水泵進(jìn)入正常工作狀態(tài)。該方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的引水裝置，控制流程簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是泵體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，井下檢修維護(hù)困難。

潛水泵是離心泵的一種特殊形式，可直接在水下使用，其優(yōu)點(diǎn)是啟停控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是水泵長(zhǎng)期浸泡于礦井水下，故障后難以檢修維護(hù)。

6　結(jié)語(yǔ)

煤礦井下排水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)，水泵能否順利啟動(dòng)直接關(guān)系到排水系統(tǒng)的運(yùn)行效果。由于煤礦井下空間、水質(zhì)等條件的限制，井下水泵更適合選擇設(shè)備簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便的引水方式。隨著煤礦自動(dòng)化水平的提高，煤礦對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行效率的要求越來(lái)越嚴(yán)格，根據(jù)泵房實(shí)際情況選擇合適的引水方式，是有效提高排水系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要保證。

[1]上海市政工程設(shè)計(jì)研究院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3冊(cè)):城鎮(zhèn)給水[M].2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]水浩然,李樹(shù)斌.水泵引水裝置淺析[J].給水排水,1995(10):25-29.

[3]吳文珍,謝勇. 試論水泵引水方式[J]. 江西銅業(yè)工程,1998(4):59-63.

[4]楊榮.多PLC煤礦排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(11):1417-1418.

[5]馬勝利,溫國(guó)棟.嵌入式技術(shù)在煤礦排水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,29(1):93-96.

Analysis of water directing styles of underground drainage system

SHE Ying,LUO Minghua,ZHANG Haifeng

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

Based on project experience of coal mine, water directing styles of coal mine drainage system were counted, and their basic compositions, working principles and applicable environment were described particularly. Implementation methods of different water directing styles on automatic drainage system were studied and expressed. Advantages and disadvantages of the different styles were compared and summarized to provide technical reference for automatic drainage system.

coal mine drainage; water directing style; auto control; monitoring system

2016-01-20；

2016-04-26；責(zé)任編輯：胡嫻。

佘影(1978-)，男，四川巴中人，工程師，主要研究方向?yàn)槊旱V有線/無(wú)線通信、控制技術(shù)等，E-mail:sysysy.boy@163.com。

TD636

B網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:24