潞寧煤礦瓦斯抽采線路智能排渣放水器的研究

郭樂宏

（潞寧煤業有限責任公司，山西 忻州 036700）

目前在高瓦斯礦井中，一般都通過瓦斯抽采來滿足瓦斯治理的要求，但因抽采負壓，煤、巖層中的水、渣不可避免地會進入抽采管道中，另一方面，因溫差原因，管道里的水汽也會凝結成水。在管道中的水、渣如不及時處理，將會影響瓦斯抽采系統，嚴重時可能造成井下瓦斯超限，因此要及時清理管道內的水、渣[1]。

山西潞安集團潞寧煤礦根據高瓦斯的要求，于2014 年5 月建成了地面瓦斯抽采系統，并于2015年9 月通過省廳驗收。該系統主要針對回采工作面進行抽采，采用本煤層預抽、高位鉆孔裂隙帶抽采和上隅角采空區埋管三種抽采方式。在井下瓦斯抽采過程中，經常出現瓦斯抽采管路積水、沉渣現象，嚴重影響了該礦井瓦斯抽采效率。因此急需設計一套耐用、不堵塞、能耗低的智能排渣放水器。

1 智能排渣放水器設計

1.1 放水器結構設計

手動放水器依靠工人去判斷放水時機，不僅工人的勞動強度大、成本高，而且在放水不及時的情況下，將會造成管路堵塞，影響瓦斯抽采及煤礦井下安全生產。浮球式自動放水器依靠浮力與磁力相結合的原理進行工作，但是因煤泥的存在，不能很好地完成自動放水工作，大多只能手動進行放水，而且放水器的安裝也有嚴格要求。其他自動放水器因設計問題，放水口容易堵塞[2]。

基于上述缺點和潞寧煤礦實際情況，本文對放水器進行重新設計，增大了儲水容積，使其在瓦斯抽采管路的總、支路都適用，使用先進的水位傳感器代替浮球檢測水位，并將放水器進、出氣口盡可能做大，但不能影響抽采效率，另外全部閥門都使用電磁閥。詳細結構如圖1 所示。

圖1 放水器結構圖

放水器形狀為長方形，中間設置隔板將箱體分成上下兩個部分，兩箱體通過電磁閥C 連通，底部安裝有可以鎖死的滾輪，便于井下搬運，減輕工人負擔，并且可隨時隨地鎖死，保證其安全穩定運行。

1.2 放水器的工作原理

智能排渣放水器被安裝在潞寧煤礦瓦斯抽采系統管路易積水的地方，它的進氣口A、出氣口B、上下箱體連通口C、放水口D 和氣壓平衡口E 均用電磁閥，由單片機控制閥門的開閉，完成對抽采管路中水渣的收集和排放。

其工作原理是：進、出氣口都與抽采管路相連，閥門處于常開狀態，上下箱體連通口的電磁閥C 常開，放水口的閥門D 和氣壓平衡口的閥門E 常閉。管路里的水和煤渣將通過閥門C 進入下箱體，隨著箱體水位的上升，當下位箱體中的水位傳感器檢測達到最大水位時，單片機控制系統將電磁閥C 關閉，使上、下箱體暫時隔絕，新來的水渣暫時存儲在上箱體中。此時氣壓平衡口的電磁閥E 首先被打開，隨即電磁閥D 也被打開，水、渣在重力作用下被迅速排出。當水位傳感器檢測達到最低水位時，控制系統將電磁閥E、D 關閉，將連通上下箱體的電磁閥C 打開，暫存的水、渣流入下部水箱，如此往復實現自動放水。由于設計放水器的放水口比較大，而且放水口上部為斜面，煤渣不易沉積，容易隨積水一塊排除，因此放水口不易被堵塞。

2 智能排渣放水器控制系統的設計

2.1 控制系統硬件設計

控制系統具體包括控制芯片、人機交互界面、繼電器和控制臺等電氣部件，其中核心部分為控制芯片，有單片機、PLC[3]兩種內核可供選擇。因井下對功耗的要求，所以選用功耗相對較小的單片機[4]。控制系統主要有數字量輸入和輸出兩類信號，其中輸入信號為水位傳感器的高、低限位和手動控制信號，輸出信號為五個電磁閥的開閉。人機交互界面和上位機通過通訊口與單片機直接相連，單片機、操作屏和繼電器等輔助器件集成在控制臺內，控制臺使用隔爆外殼。單片機各模塊連接方式如圖2 所示。

圖2 單片機各信號連接圖

系統穩定程度與單片機質量直接相關，本設計使用ST 公司的STM32F103 型號單片機為核心，完成對放水器工作情況、水位等數據的采集，控制各閥門的開閉，并把各信息通過RS485 接口顯示在人機交互界面，同時把信號傳遞到潞寧煤礦調度室的上位機，實現數據的存儲和追溯。供電電源可使用本安電池或用變壓器將交流電轉換為本安電源給系統供電。

2.2 控制系統軟件設計

系統需要軟硬件相互配合才能完成指定功能，硬件質量好，系統才能耐用，軟件完善，功能齊全，系統才能正常運行，因此要有合理的軟件架構。

控制系統核心使用C 語言進行編程，自動完成對放水器水位參數及工作狀態的采集、轉換和控制，并將信息顯示在人機界面，同時還可以轉換為手動控制，用于設備檢修及故障排除。程序主流程如圖3 所示。

圖3 單片機控制程序流程圖

程序初始化后判斷是否轉為手動控制，如果需要，則調用手動控制子程序，通過人機交互界面單獨控制各閥門的開閉，否則調用數據采集子程序，判斷水位變化并返回放水器的工作狀態。若達到設定最大水位，則調用放水子程序，若達到設定最小水位，則調用儲水子程序。

3 實際應用效果

根據設計要求，采購相應的元器件，按照設計圖紙進行組裝。將組裝好的智能排渣放水器，安裝在22117 綜采工作面運輸和回風順槽的瓦斯抽采管路系統中容易積水的地點。安裝后，井下各放水器可以通過電纜將自身工作狀態傳到調度室的上位機，如圖4，用以監控和遠程操作各放水器。自安裝以來，各放水器運行狀態良好，故障次數少。

圖4 放水器布置示意圖

通過使用該智能排渣放水器，有效杜絕了瓦斯抽采過程中水、渣在瓦斯抽采管路中沉積影響瓦斯抽采效果的現象，實現了瓦斯抽采過程中水渣和氣的分離，提高了井下瓦斯抽采效果，避免瓦斯超限，確保了工作面的安全生產，而且使用過程中故障率極低，未出現放水口堵塞現象。由于該智能排渣放水器是自主設計制作的，使用的材料都比較常見，加上人工成本共需2 萬左右，每套可節約成本2 萬元左右，在為礦上解決問題的同時，也為礦上節省了成本。

4 結語

根據潞寧煤礦瓦斯抽采線路積水、沉渣的問題，設計了智能排渣放水器，其控制系統以單片機為控制核心，用電磁閥取代浮球，能夠遠程監控水位及自身工作狀態，解決了傳統自動放水器易堵塞、易損壞、維修難、能耗大等問題。通過在煤礦現場應用該智能排渣放水器，成功解決了潞寧煤礦井下瓦斯抽采管路積水、沉渣、排渣等難題，有效地提升了礦井瓦斯抽采效率，節約了成本，保證了井下生產安全。