煤礦井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)

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(fēng)險(xiǎn)，透水就是一項(xiàng)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(shí)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(xué)技術(shù)不斷進(jìn)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(dòng)排水系統(tǒng)發(fā)展。文章就煤礦井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)展開研究。

關(guān)鍵詞：煤礦；井下；水泵房；排水；自動(dòng)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(yīng)現(xiàn)代煤礦排水需求，基于此需對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，引進(jìn)自動(dòng)排水系統(tǒng)，提高煤礦井下水泵房排水效率的同時(shí)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(qiáng)

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

1.2 排水勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)時(shí)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(dòng)過程需要較大力矩才能實(shí)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(qiáng)度較大。

1.3 排水設(shè)備維護(hù)檢修困難

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)組成較為復(fù)雜，由多個(gè)設(shè)備組合而成，當(dāng)排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)需要對其進(jìn)行原因分析，此時(shí)需要對所有設(shè)備進(jìn)行逐個(gè)排查，工作強(qiáng)度大，維修效率低。其次在日常維護(hù)保養(yǎng)中需對所有組成部分進(jìn)行維護(hù)，不僅工作強(qiáng)度較大，還易導(dǎo)致一些問題未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致不良后果。

2 煤礦井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)

為研究煤礦井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)中的應(yīng)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(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)置前需對排水設(shè)備選型進(jìn)行計(jì)算，其次結(jié)合市場選擇合適信號的水泵，對管路進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，同時(shí)計(jì)算允許吸水高度及排水時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)有電機(jī)容量及需求，設(shè)計(jì)水箱大小。如某礦井在正常排水時(shí)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(biāo)高差為4m，出水口高出進(jìn)口高度為1m，取管路效率為0.9-0.89，所以其揚(yáng)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(tái)。另需備用1臺(tái)，檢測一臺(tái)，共需水泵4臺(tái)。

2.2 管路及管路布置

根據(jù)礦井排水實(shí)際情況，某煤礦井在排水時(shí)采用三條管路展開工作，正常排水情況下需使用2臺(tái)排水泵同時(shí)作業(yè)，每臺(tái)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(dāng)?shù)V井出現(xiàn)大量涌水時(shí)采用3臺(tái)排水泵作業(yè)，三條管路同時(shí)排水，排水量達(dá)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(yùn)行，其流速應(yīng)保持適中，流速一般取Vp=1.5-2.2（m/s），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排水管直徑的計(jì)算：

2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

煤礦井下水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)可由多種系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)前應(yīng)用最廣的是PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，以煤礦井下水位參數(shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)的智能控制。控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)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(dòng)報(bào)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(dòng)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(jìn)行排查，若有故障則需進(jìn)行故障排除。系統(tǒng)可良好運(yùn)行后選擇操作模式，共有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種模式，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性基礎(chǔ)上選擇自動(dòng)控制模式。正常情況下可選擇自動(dòng)控制，僅需值班人員即可，其他操作部分均可自動(dòng)完成，且完成效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)排水系統(tǒng)，真正實(shí)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(dòng)化控制系統(tǒng)可有效解決系統(tǒng)運(yùn)行存在的監(jiān)管問題。在設(shè)置自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)需保證系統(tǒng)可滿足水泵機(jī)組自動(dòng)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(yù)便可達(dá)到排水需求。針對煤礦實(shí)際需求，在建立水泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)時(shí)可保證實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：（1）系統(tǒng)可自動(dòng)控制排水過程，并可應(yīng)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可調(diào)閱各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；（3）可通過地面控制中心對井下工作部分進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)井下無人的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)提高了礦井排水安全性。當(dāng)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過手動(dòng)操作避免出現(xiàn)安全事故，同時(shí)保證煤礦井下水泵房排水過程穩(wěn)定性；（4）為進(jìn)一步保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，在PLC自動(dòng)控制和地面遠(yuǎn)程控制基礎(chǔ)上，還應(yīng)保留現(xiàn)場手動(dòng)控制功能，同時(shí)設(shè)定PLC自動(dòng)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(yùn)行不中斷；（5）系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對每臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)控，PLC設(shè)置單臺(tái)水泵在正常情況下其運(yùn)行超出12H便會(huì)被另一臺(tái)水泵取代，該水泵將進(jìn)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(dòng)排水系統(tǒng)需根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)切換，該過程主要通過自動(dòng)控制程序?qū)崿F(xiàn)。該程序中分別采用兩個(gè)存儲(chǔ)器作為泵組系統(tǒng)當(dāng)前控制字，輪換后順序控制字變化。以此類推。控制信號為相關(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(dòng)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(dòng)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(shí)解決問題。

3 結(jié)束語

煤礦對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)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(shí)現(xiàn)煤礦井下水泵房自動(dòng)化排水系統(tǒng)，通過自動(dòng)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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