煤礦井下水泵房自動排水系統(tǒng)

趙龍

摘 要：煤炭是我國最重要的化石能源，由于我國煤炭大多被深埋在地底，因此在開采過程中存在一定安全風險，透水就是一項常見的煤礦礦難。煤炭開采過程中常出現(xiàn)礦井涌水現(xiàn)象，若無法及時排水可能造成煤礦開采受阻，甚至威脅到工作人員的生命安全。隨著科學技術(shù)不斷進步，現(xiàn)今煤礦井下排水工作已經(jīng)由傳統(tǒng)排水技術(shù)向自動排水系統(tǒng)發(fā)展。文章就煤礦井下水泵房自動排水系統(tǒng)展開研究。

關(guān)鍵詞：煤礦；井下；水泵房；排水；自動排水系統(tǒng)

煤礦井下水泵房是煤礦六大系統(tǒng)之一，其主要作用是將井下水倉積水輸送至地面處理，是煤礦開采重要的安全保障。傳統(tǒng)煤礦排水系統(tǒng)主要通過人力完成排水需求，無論排水量、排水速度、操作速度等均已難以適應現(xiàn)代煤礦排水需求，基于此需對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進行改造，引進自動排水系統(tǒng)，提高煤礦井下水泵房排水效率的同時提高安全性。

1 傳統(tǒng)煤礦排水系統(tǒng)存在的問題

1.1 效率低，可靠性不強

傳統(tǒng)礦井排水系統(tǒng)人為因素占據(jù)主導地位，當?shù)V井需要排水時工人需按照預先設(shè)定好的順序進行設(shè)備操作，結(jié)合排數(shù)實際狀況選擇相應參數(shù)，大多操作通過經(jīng)驗完成。排水泵開關(guān)臺數(shù)也由經(jīng)驗決定。此種方法不僅可靠性不強，還會影響排水效率。操作排水設(shè)備人員必須具備一定責任心和吃苦耐勞精神。若在排水中出現(xiàn)差池則會對整個煤礦的生產(chǎn)造成威脅。

1.2 排水勞動強度大，工作人員多

傳統(tǒng)煤礦井下排水主要由人工操作，操作人員需要根據(jù)水位變化實時調(diào)整相關(guān)參數(shù)，因此操作人員需要一直在水泵房工作。操作人員需要完成關(guān)閉閘閥、開關(guān)水泵、觀察水位、調(diào)整水壓等工作，尤其是閥門轉(zhuǎn)動過程需要較大力矩才能實現(xiàn)，因此往往需要數(shù)人配合才可完成閥門的開關(guān)。由此可見傳統(tǒng)煤礦井下排水工作強度較大。

1.3 排水設(shè)備維護檢修困難

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)組成較為復雜，由多個設(shè)備組合而成，當排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時需要對其進行原因分析，此時需要對所有設(shè)備進行逐個排查，工作強度大，維修效率低。其次在日常維護保養(yǎng)中需對所有組成部分進行維護，不僅工作強度較大，還易導致一些問題未被及時發(fā)現(xiàn)而導致不良后果。

2 煤礦井下水泵房自動排水系統(tǒng)

為研究煤礦井下水泵房自動排水系統(tǒng)中的應用，文章以某煤礦為例展開分析。

2.1 選擇排水設(shè)備

煤礦井下排水系統(tǒng)的排水設(shè)備是設(shè)備核心，我國相關(guān)規(guī)定中對排水設(shè)備及其排水管路等有一定要求。煤礦井下排水需要將水輸送至地面，因此對排水設(shè)備功率有一定要求。在進行控制系統(tǒng)的設(shè)置前需對排水設(shè)備選型進行計算，其次結(jié)合市場選擇合適信號的水泵，對管路進行設(shè)計和布置，同時計算允許吸水高度及排水時間，結(jié)合現(xiàn)有電機容量及需求，設(shè)計水箱大小。如某礦井在正常排水時其水泵排水能力為：QB?1.2q=1.2×550=660（m3/h），其中q為最大涌水量。井深536m，礦井車場與最低吸水面標高差為4m，出水口高出進口高度為1m，取管路效率為0.9-0.89，所以其揚程為H=541/（0.9-0.89）=601.1-607.9m，設(shè)定水泵額定流量為450（m3/h），因此水泵數(shù)量為660/450=1.47，因此數(shù)量選2臺。另需備用1臺，檢測一臺，共需水泵4臺。

2.2 管路及管路布置

根據(jù)礦井排水實際情況，某煤礦井在排水時采用三條管路展開工作，正常排水情況下需使用2臺排水泵同時作業(yè)，每臺排水泵均占據(jù)一條排水管路。剩余一條排水管路作為備用。當?shù)V井出現(xiàn)大量涌水時采用3臺排水泵作業(yè)，三條管路同時排水，排水量達到最大，可滿足排水需求。煤礦排水示意圖見圖1。

為保證排水系統(tǒng)穩(wěn)定運行，其流速應保持適中，流速一般取Vp=1.5-2.2（m/s），在此基礎(chǔ)上進行排水管直徑的計算：

2.3 自動控制系統(tǒng)

煤礦井下水泵房自動排水系統(tǒng)可由多種系統(tǒng)進行控制，當前應用最廣的是PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機控制技術(shù)，以煤礦井下水位參數(shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)實現(xiàn)對排水系統(tǒng)的智能控制?？刂葡到y(tǒng)包括數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、自動保護系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分。從功能上來看主要包括控制部分、監(jiān)控部分、自動報警等，功能模塊由眾多設(shè)備結(jié)合軟件組成，某煤礦井下水泵房自動排水系統(tǒng)采用西門子PLC中的S7-300系列。PLC控制前需檢查其是否存在故障，若可正常工作則再對設(shè)備進行排查，若有故障則需進行故障排除。系統(tǒng)可良好運行后選擇操作模式，共有自動、半自動、手動三種模式，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性基礎(chǔ)上選擇自動控制模式。正常情況下可選擇自動控制，僅需值班人員即可，其他操作部分均可自動完成，且完成效果遠好于傳統(tǒng)排水系統(tǒng)，真正實現(xiàn)“減員增效”。

煤礦井下泵房是煤礦要害場所，該處排水是否良好將直接影響到礦山生產(chǎn)安全性。通過自動化控制系統(tǒng)可有效解決系統(tǒng)運行存在的監(jiān)管問題。在設(shè)置自動化控制系統(tǒng)時需保證系統(tǒng)可滿足水泵機組自動開關(guān)、故障處理、數(shù)據(jù)處理等需求，這些過程無需人員干預便可達到排水需求。針對煤礦實際需求，在建立水泵房自動排水系統(tǒng)時可保證實現(xiàn)以下內(nèi)容：（1）系統(tǒng)可自動控制排水過程，并可應對一些自發(fā)狀況；（2）控制中心設(shè)置于地面，通過地面控制中心可對煤礦井下水泵房排水過程進行實時監(jiān)控，并可調(diào)閱各項參數(shù)，實現(xiàn)遠程控制；（3）可通過地面控制中心對井下工作部分進行實時控制，實現(xiàn)井下無人的遠程控制，同時提高了礦井排水安全性。當PLC自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過手動操作避免出現(xiàn)安全事故，同時保證煤礦井下水泵房排水過程穩(wěn)定性；（4）為進一步保證系統(tǒng)運行可靠性，在PLC自動控制和地面遠程控制基礎(chǔ)上，還應保留現(xiàn)場手動控制功能，同時設(shè)定PLC自動控制系統(tǒng)核心部件被損壞情況下的備選方案，保證排水系統(tǒng)運行不中斷；（5）系統(tǒng)會自動對每臺水泵的運行時間進行調(diào)控，PLC設(shè)置單臺水泵在正常情況下其運行超出12H便會被另一臺水泵取代，該水泵將進入“休息”狀態(tài)。特殊情況下可通過人為控制改變這一控制狀態(tài)。

某煤礦井下水泵房自動排水系統(tǒng)需根據(jù)實際情況實現(xiàn)水泵的自動切換，該過程主要通過自動控制程序?qū)崿F(xiàn)。該程序中分別采用兩個存儲器作為泵組系統(tǒng)當前控制字，輪換后順序控制字變化。以此類推?？刂菩盘枮橄嚓P(guān)參數(shù)（水涌高度、水壓、流速等）。若在循環(huán)過程中水泵程序出現(xiàn)異常則在允許范圍內(nèi)啟動被用泵，并將相關(guān)信息發(fā)送至地面控制中心，技術(shù)人員將根據(jù)系統(tǒng)自動監(jiān)測到的數(shù)據(jù)判斷故障原因，如有必要工作人員可下井觀察，及時解決問題。

3 結(jié)束語

煤礦對我國經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定有重要作用，提高煤礦井下水泵房排水系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性是煤礦生產(chǎn)前提，基于此需實現(xiàn)煤礦井下水泵房自動化排水系統(tǒng)，通過自動控制提高排水安全性、可靠性、穩(wěn)定性，為煤礦排水及安全生產(chǎn)奠定堅實基礎(chǔ)。

參考文獻

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