礦井排水系統的應用研究與探討

劉 燕

（山西平舒煤業有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

礦井排水系統是礦井生產中四大重要系統之一，隨著煤礦生產現代化、自動化的發展，對礦井排水系統的自動化程度和可靠性提出了更高的要求，傳統的繼電器式人工操作排水泵進行排水的排水系統已無法滿足生產需求，基于PLC控制的新型礦井排水系統已逐步應用在實際生產中[1]。

1 礦井排水系統

礦井排水系統主要由水倉、排水設備、排水管道及PLC控制系統組成，如圖1所示。

圖1 礦井排水系統

水倉在礦井排水系統中起儲水和沉淀過濾的作用，入口應布置在車場或大巷的最低點，根據正常涌水時的涌水量計算確定水倉的容量。水倉斷面的大小應根據布置條件，容量等參數進行設計，高度一般不超過2 m，長度不宜過長。重要水倉應設置主倉和副倉，保證最少有一個水倉可以正常使用，水倉最低點應設置集水坑，用于清倉時排出積水。

排水設備是礦井排水系統中的核心設備，由水泵、電動機、管路附件等組成，如圖2所示。離心泵靠電動機帶動，泵軸和葉輪旋轉產生吸力，將水倉中的水抽出。濾水器安裝在吸水口處，防止雜質進入泵及管道內堵塞通道。調節閘閥安裝在出水口，用來調節管道通徑控制流量和揚程，也可在關閉水泵時防止水錘現象產生。引水漏斗和放氣栓用來給水泵灌水排氣，真空表檢測水泵真空度，防止發生氣蝕，損壞水泵。

圖2 排水設備示意圖

基于PLC的排水控制柜是整個排水系統的大腦，是礦井排水系統自動化的關鍵[2]?？刂乒裰械闹饕姎庠蠵LC模塊、接觸器、繼電器等。PLC使用方便，抗干擾能力強，功能強大，已被廣泛運用到礦山設備中。PLC采用存儲邏輯，可以隨時根據生產工藝需要進行更新，柔化性和擴展性好。在礦井排水系統中，系統可以根據編制好的邏輯程序，通過接收傳感器信息，實現排水泵的自動開啟和關閉，從而實現自動化排水。系統流程如下頁圖3所示。

水倉中需要設置三條水位線及相應的傳感器，分別為停機水位線、排水水位線與報警水位線。當水位上升至排水水位線時，PLC接收到水位傳感器的信號，對排水設備發出啟動信號，排水設備啟動并將狀態信息反饋至PLC，在顯示屏上顯示水泵開啟。若未收到排水設備的反饋信號，則自動向備用排水設備發出信號，啟動備用排水設備。排水至停機水位線后，PLC接收到傳感器信號，對排水設備發出停機信號，排水設備關閉并將狀態信息反饋至PLC，在顯示屏上顯示水泵關閉。若排水速度低于涌水速度，達到報警水位線，PLC接收到傳感器信號，啟動聲光報警器發出警報，并啟動備用水泵加快排水速度，水位下降至停機水位以下時，解除警報，并關閉排水設備。每組水泵的實時狀態信息、流量信息、壓力信息都會被采集并顯示到顯示屏上。另外，系統有獨立的緊急啟動功能，由人工操作，發生緊急情況時，按下緊急啟動按鈕，立即開啟所有排水設備進行排水。

圖3 系統流程圖

2 排水泵的選擇

排水泵是整個排水系統中的動力源，其性能直接影響排水系統的排水效率，因此要根據實際情況進行選型。目前礦井排水主要采用離心泵和潛水泵。

2.1 離心泵

離心泵是礦井排水系統中最常采用的排水泵，依靠外接電機作為動力源，葉輪旋轉產生離心力，形成低壓區，靠大氣壓將吸水口的水壓入泵中，屬于葉片泵。隨著礦井深度的不斷增加，對大揚程、大流量的水泵需求日益增長，采用多級離心泵可有效提高揚程。

自平衡多級離心泵采用對稱式葉輪布置，使運行中產生的軸向力基本互相抵消，擺脫了傳統平衡盤式結構的束縛，采用雙支撐結構承受載荷，降低了軸向力載荷對系統的干擾，提高了整體可靠性。在實際應用中，能適應多種惡劣工況，使用和維護方便，適用于大部分的礦井排水系統，具備很大的推廣價值。

2.2 潛水泵

潛水泵的電機與水泵連為一體，最大的優點是可以整體浸沒在水中進行抽水，極大的提高了井底泵房抗水災的能力。潛水泵與離心泵相比，可以直接安裝在水倉中，無需設置專用水泵房，但其結構較復雜，維護成本高，一般在發生事故應急救援時采用。

3 傳感器的選擇

PLC的邏輯控制離不開各種信號的采集與反饋，傳感器的選擇對整個排水系統的運行具有較大影響。

3.1 水位傳感器

常用的水位傳感器有超聲波液位傳感器和投入式液位傳感器。

3.1.1 超聲波液位傳感器

超聲波液位傳感器采用非接觸式測量方法，安裝簡便，故障率低。超聲波液位傳感器的測量原理是通過脈沖發射器發射超聲波，超聲波被液面發射回來被接收器接收，根據發射和接收的時間差反映出傳感器安裝位置與被測液面間的距離[3]。超聲波的傳播速度與環境溫度、介質特性有關，因此在投入使用前要經過現場調試，排除環境因素的干擾，達到理想的測量精度。超聲波液位傳感器與液面間不能有障礙物阻擋。

3.1.2 投入式傳感器

投入式傳感器采用接觸式測量方法，傳感頭浸沒在液面下方，通過傳感頭上的壓敏元件，將液體靜壓轉換成電壓信號，液體靜壓與液面高低存在線性關系，電壓信號通過數學轉換即可獲得液面位置信息。投入式液位傳感器需要由特定的防水通氣電纜連接，將大氣與感壓膜片的背壓腔連通。

在選用水位傳感器時，要根據現場實際情況，并且同一個水位的測量至少需要兩個水位傳感器，兩者差值不超過設定值時水位取兩者均值，超過設定值時發出故障報警信號通知值班人員。

3.2 流量傳感器

流量傳感器安裝在排水泵出口干管上，用來監測排水泵的實時流量，反應水泵的工作狀態。一般選用電磁流量計測量出水流量。電磁流量計結構簡單，由變換器、轉換器、顯示儀組成，采用導電體在磁場中運動產生感應電動勢的原理進行流量的檢測。變換器將液體流量轉化成感應電動勢，轉換器將感應電動勢轉換為電信號，在顯示儀上顯示流量信息。電磁流量計是體積流量測量儀表，測量結果可靠，受環境因素干擾較小，測量范圍大，不會引起管道的壓力損失，適用于礦井排水系統。

4 結語

基于PLC控制的自動化礦井排水系統通過傳感器采集需要的信息，由PLC進行數據處理，能夠實現自動排水的功能，并能實時顯示整個系統的狀態信息，方便技術人員對系統進行監測，遇到緊急情況時可以一鍵啟動整個排水系統，及時排出礦水。