孔令成

摘? ?要：本文首先介紹了煤礦井下排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和主要存在的問(wèn)題，接著分析了煤礦井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)的具體組成，包括地面控制中心、以太網(wǎng)控制中心和水倉(cāng)檢測(cè)控制系統(tǒng)等，接著從煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行了研究，最后探討了煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化功能的具體實(shí)現(xiàn)。希望通過(guò)本文的研究能夠帶動(dòng)我國(guó)煤礦井下作業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)煤礦資源的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤礦? 井下排水系統(tǒng)? 自動(dòng)化

對(duì)煤礦排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中極為重要的環(huán)節(jié)之一，要想保證煤礦作業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，就必須做好井下排水系統(tǒng)工作，尤其必須根據(jù)礦井的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，這樣才能保證煤礦排水工作更加可靠，同時(shí)能有效提升礦井排水效率，降低工人的平均勞動(dòng)強(qiáng)度。

1? 煤礦井下排水系統(tǒng)概述

煤礦井下排水系統(tǒng)是煤礦六大主要系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著將井下積水排出的重任，煤礦井下系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行是保證煤礦安全運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。據(jù)研究調(diào)查，煤礦井下水的組成成分主要包括地表水和地下水，其中地表水主要包括礦井附近的江河、湖泊以及降雨、水庫(kù)的積水;地下水主要包括地下水層中含有的水分。在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，會(huì)破壞地層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地層中的地下水流入到礦井當(dāng)中，如果礦井中的水積累到一定程度又無(wú)法順利排出就會(huì)使整個(gè)礦井陷入危險(xiǎn)環(huán)境，甚至影響井下工人的生命安全。

1.1 煤礦井下排水系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

煤礦井下排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括離心泵、射流泵、閘閥、止回閥、管道和壓力表，另外排水電氣控制系統(tǒng)則主要包括防爆電動(dòng)機(jī)、磁力啟動(dòng)器、高低壓開(kāi)關(guān)柜以及軟啟動(dòng)器等。

（1）離心式水泵：煤礦井下排水系統(tǒng)中主要排水設(shè)備有很多種，其中我國(guó)礦井中最為常用的是離心式水泵。離心式水泵的主要工作原理是葉片在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)模式，此時(shí)礦井下的液體就會(huì)順著排水管排出水倉(cāng)，在開(kāi)啟電動(dòng)機(jī)之前應(yīng)該確保其吸水管和葉輪內(nèi)部都已灌滿液體，開(kāi)啟電動(dòng)機(jī)后液體跟隨葉輪做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，高速旋轉(zhuǎn)的液體在離心力的作用下做離心運(yùn)動(dòng)脫離泵體，最后在出水口聚集沿出水口流出礦井。

（2）閘閥：閘閥的位置位于止回閥的右下方，是排水管路上的重要結(jié)構(gòu)。對(duì)于閘閥來(lái)說(shuō)，作用主要包括：第一，控制通過(guò)離心泵排出井下水的相關(guān)參數(shù)，例如單位時(shí)間的排水流量以及離心泵排水揚(yáng)程等。第二，在將離心泵開(kāi)啟時(shí)，應(yīng)該保證閘閥是關(guān)閉狀態(tài)，這樣在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，通過(guò)電機(jī)的電流會(huì)降低，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載相應(yīng)下降，泵軸功率也會(huì)相應(yīng)下降。閘閥在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)所受壓力較小，且在安裝過(guò)程中不需要核對(duì)方向問(wèn)題，安裝簡(jiǎn)單，不存在安反等情況，如果有必要排水量和揚(yáng)程還可以隨意調(diào)節(jié)。但閘閥也存在一些劣勢(shì)問(wèn)題：例如閘閥的體積通常較大，且閘閥內(nèi)部密封面較易受損，閘閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，維修成本相對(duì)較高。

（3）逆止閥：排水系統(tǒng)中安裝逆止閥能夠有效防止水在下落過(guò)程中降速過(guò)快，導(dǎo)致下降時(shí)高速流水對(duì)水泵和管路產(chǎn)生過(guò)大的沖擊力。如果水泵在運(yùn)行過(guò)程中突然停轉(zhuǎn)，逆止閥會(huì)迅速感應(yīng)并自動(dòng)返回到關(guān)閉狀態(tài)，這樣管路中的水不會(huì)形成高壓，降低了水泵和管路受破壞的可能性。

（4）壓力表與真空表：安裝在排水系統(tǒng)中排水管路上的表是壓力表，通常來(lái)說(shuō)排水系統(tǒng)中主排水管路和分排水管路都會(huì)安裝一個(gè)壓力表，這樣能夠及時(shí)的測(cè)量出各個(gè)管路中水壓的大小。而安裝在水泵和吸水管上的是真空表，真空表的主要作用是監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中吸水管的真空度。

（5）射流泵與真空泵：在排水系統(tǒng)進(jìn)行水下排水時(shí)，首先要保證泵腔內(nèi)和吸水管內(nèi)都已注滿水后才能啟動(dòng)離心泵，只有這樣才能保證水泵能被正常啟動(dòng)。相反，如果泵腔內(nèi)和吸水管內(nèi)沒(méi)有注滿水，還存在空氣，吸水管內(nèi)部與水倉(cāng)的壓力就是相同的，吸水管內(nèi)水壓較大，外部的水就不會(huì)被壓入吸水管內(nèi)部。水泵運(yùn)行時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)水量不足的情況，產(chǎn)生的熱量就會(huì)影響到水泵的正常使用壽命。另外在對(duì)真空泵進(jìn)行抽空時(shí)通常使用射流泵，具體操作過(guò)程是在主排水管路上加開(kāi)一條旁路，利用射流泵帶動(dòng)泵內(nèi)空氣流動(dòng)，在高速射流的帶動(dòng)下，會(huì)形成“虹吸”，水流會(huì)逐漸由水倉(cāng)被吸入到吸水管和泵腔內(nèi)部。值得注意的是，真空泵和射流泵的工作原理存在一定的差異，通常情況下，人們選擇使用射流泵為排水系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，而選擇真空泵為輔助抽空裝置。

以上五部分為煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)的主要組成部分，并且當(dāng)前為了實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源以及降低排水系統(tǒng)水泵停止時(shí)管路中的水流以過(guò)快的速度流向底閥，造成事故現(xiàn)象，大多數(shù)煤礦都選擇使用無(wú)底閥排水系統(tǒng)。

1.2 煤礦井下排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

通過(guò)大數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)前我國(guó)已有較大一部分煤礦實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化排水操作，仍存在一小部分礦井采用傳統(tǒng)的人工排水方式。雖然二者的主要排水原理都是利用離心泵進(jìn)行抽排，但是人工方式明顯較自動(dòng)系統(tǒng)落后，如果使用人工排水方法，水泵的啟動(dòng)和停止無(wú)法被自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，只能通過(guò)技術(shù)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)以及定時(shí)觀察實(shí)現(xiàn)，一旦水倉(cāng)內(nèi)積水過(guò)多也無(wú)法快速及時(shí)作出反應(yīng)。人工操作的具體步驟是：首先技術(shù)人員通過(guò)定時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)水倉(cāng)水位較高，已達(dá)到設(shè)定開(kāi)啟水泵高度，這時(shí)操作人員需要及時(shí)將排水系統(tǒng)中的閘閥關(guān)閉。第二步應(yīng)該人工開(kāi)啟射流泵，通過(guò)射流泵作用對(duì)水泵進(jìn)行抽空處理，操作人員在該過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣壓表，當(dāng)空氣壓力值符合要求時(shí)開(kāi)啟水泵，同時(shí)觀察離心泵出水口的水壓值，當(dāng)水壓值達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將閘閥打開(kāi)，自動(dòng)排水系統(tǒng)即可自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化排水方式可以分為全自動(dòng)控制模式、半自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式，其中全自動(dòng)控制模式中，排水系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)水泵開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行分析測(cè)定，通常來(lái)說(shuō)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確穩(wěn)定;手動(dòng)控制模式中通常系統(tǒng)中存在開(kāi)啟和關(guān)閉水泵的按鈕，技術(shù)操作人員可以通過(guò)手動(dòng)按鍵的方式人為控制水泵開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間。手動(dòng)控制模式通常應(yīng)用在一些特殊情況中，例如需要人工控制開(kāi)啟水泵臺(tái)數(shù)時(shí)，或者在對(duì)水泵進(jìn)行修理維護(hù)時(shí)更適宜選擇手動(dòng)控制方式。

2? 煤礦井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)組成

2.1 地面控制中心

地面控制中心是煤礦井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)的重要組成部分，它通常設(shè)置在調(diào)度中心內(nèi)部，并選擇高性能的工控機(jī)作為自身的操控臺(tái)對(duì)煤礦井下的所有水倉(cāng)和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。另外，地面控制中心還負(fù)責(zé)向控制器中傳達(dá)相應(yīng)的參數(shù)和命令，以及數(shù)據(jù)圖形報(bào)表的儲(chǔ)存和展示等。

2.2 以太網(wǎng)絡(luò)控制中心

以太網(wǎng)絡(luò)控制中心是為了適應(yīng)數(shù)字化礦山建設(shè)和自動(dòng)化排水需要建設(shè)的控制中心，當(dāng)前我國(guó)一些礦山中的以太網(wǎng)絡(luò)控制中心以太環(huán)網(wǎng)帶寬已經(jīng)可以達(dá)到千兆以上，各個(gè)不同的監(jiān)測(cè)分站能夠通過(guò)光纖工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與地面控制中心的通信與連接。

2.3 水倉(cāng)檢測(cè)控制系統(tǒng)

我國(guó)煤礦井下排水水倉(cāng)按照水倉(cāng)類型劃分可以分為小水倉(cāng)和中轉(zhuǎn)水倉(cāng)，其中小水倉(cāng)內(nèi)部的積水可以通過(guò)水泵作用排入到中轉(zhuǎn)水倉(cāng)內(nèi)，中轉(zhuǎn)水倉(cāng)中水積攢到一定程度后可以使用大功率的水泵，將水排入到主水倉(cāng)中。

3? 煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制方案

3.1 排水系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控

煤礦井下排水系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行主要是通過(guò)PLC得以實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控的方式同樣有三類，第一類是進(jìn)行半自動(dòng)控制，即在系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)通過(guò)半自動(dòng)觸屏和半自動(dòng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的集中控制。第二類是就地控制，就地控制方式能夠最大程度的保證排水系統(tǒng)的安全性，降低系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)的情況，保證排水系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。第三類就是全自動(dòng)控制，全自動(dòng)控制指的是整個(gè)系統(tǒng)都采用PLC技術(shù)，對(duì)煤礦井下系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化的運(yùn)行和監(jiān)控，整個(gè)煤礦井下排水工程不需要耗費(fèi)任何人工，同時(shí)也降低了井下排水的人工成本。

3.2 排水系統(tǒng)中央泵房設(shè)計(jì)

井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的核心裝置就是中央泵房，中央泵房的存在使排水系統(tǒng)擁有足夠的水動(dòng)力，同時(shí)中央泵房的安全運(yùn)行也是整個(gè)排水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。在對(duì)中央泵房進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用的是單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)，在安裝時(shí)要對(duì)安裝泵的型號(hào)進(jìn)行選擇和核對(duì)，減少因?yàn)樾吞?hào)不匹配影響中央泵房運(yùn)行的情況。另外，在中央泵房的出口應(yīng)該安裝壓力檢測(cè)設(shè)備，根據(jù)水壓表顯示對(duì)水泵做出及時(shí)的調(diào)整，這樣才能確保整個(gè)井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4? 煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)

4.1 煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)操作方式：對(duì)煤礦井下排水自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，存在一定的設(shè)計(jì)要求，首先PLC應(yīng)該符合井下排水自動(dòng)化設(shè)計(jì)，在進(jìn)行具體操作時(shí)能夠根據(jù)具體情況進(jìn)行準(zhǔn)確的切換。另外，在設(shè)計(jì)PLC操作系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)的操作情況做出判斷，只有水泵處于停運(yùn)的狀態(tài)時(shí)，才能轉(zhuǎn)換操作方式，如果水泵還在運(yùn)作就啟動(dòng)了操作轉(zhuǎn)換，PLC系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)對(duì)操作人員做出相應(yīng)的提示。

（2）設(shè)計(jì)水泵的啟停：由于水泵的啟停對(duì)排水系統(tǒng)的運(yùn)行安全有絕對(duì)性的影響，因此煤礦企業(yè)都十分注重對(duì)水泵啟停方面的設(shè)計(jì)。PLC常見(jiàn)的啟停設(shè)計(jì)包括：PLC軟件與地面監(jiān)控中心接入，人們能夠通過(guò)地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)對(duì)水泵的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，從而控制水泵的啟停;在PLC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出手動(dòng)啟停裝置，保證能夠人為控制水泵的啟停;PLC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)就地自排程序，如遇特殊情況能夠進(jìn)行就地自排。

4.2 煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化硬件設(shè)計(jì)相對(duì)于軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，稍顯簡(jiǎn)單一些，首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的選型應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)具體的煤礦井下情況選擇合適的PLC類型，通過(guò)PLC硬件提升排水系統(tǒng)的控制力。其次，要實(shí)現(xiàn)傳感器分配設(shè)計(jì)，狀態(tài)良好的傳感器能夠保證井下自動(dòng)化排水監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確運(yùn)行，進(jìn)而保證排水系統(tǒng)的實(shí)用性能。

5? 結(jié)語(yǔ)

煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極研究探索井下排水系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用PLC技術(shù)和自動(dòng)化控制理念，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使煤礦井下排水運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，最大程度的提升排水系統(tǒng)效率，進(jìn)而保證煤礦生產(chǎn)安全。

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