煤礦井下自動排水裝置設計分析

（山西陽煤集團五礦 山西 045000）

引言

隨著我國煤炭行業的不斷發展，煤礦井下的排水自動化系統在安全性、可靠性和經濟性方面都會存在諸多不足。本文以某煤礦為例來設計出一種礦井主排水自動控制系統，為的是讓自動排水裝置在煤礦井下發揮更好的作用。

1.研究背景

一般，在實際開采煤炭的過程中，諸多地層結構會直接被破壞，這不僅使得采取和儲水層之間會直接連通，更會讓地下水流入巷道和工作面內部，最終不僅會發生突水事故，更會使得井下生產受到阻礙，不僅使得施工安全性能降低，嚴重時會誘發更多的安全事故，最終會給礦井下工作人員的生命和財產帶來威脅，更會嚴重阻礙企業的運行[1]。因此，必要時需要將流入巷道內部的積水排至地表或者水倉內部，最終讓煤礦安全生產更好地進行。

目前，煤礦井下巷道和工作面內部的排水工作一般都是采用人工控制排水的方法。如果碰到積水較多的地方，則需要在第一時間開啟抽水泵。等到完成抽水作業以后，則應該在第一時間關閉抽水泵。在實際使用人工控制的方法時，則需要嚴格執行相關的安全管理規范，否則則會因為作業人員自身的疏忽而誘發安全事故。

例如，在實際操作的過程中會經常出現如下幾個方面的問題：第一，在完成抽水作業之后經常會忘記關閉抽水泵，這樣就會使得完成抽水工作之后對水泵造成損害。第二，水泵在使用的過程中會在短時間內燒毀。第三，如果水位直接升高或者積水較多時，根本也無法在第一時間直接開啟水泵，最終使得設備內部浸水。因此，一定要讓諸多自動排水裝置具備一定的排水功能。

2.系統總體框架

多數煤礦井下的自動排水系統最根本的就是要先對水倉的水位進行監測和管理，為的是第一時間排出足夠的水分。目前煤礦井下存在自動排水系統主要是由硬件系統和軟件系統組成的。其中，硬件系統主要是由主控制器和排水變阻系統組成。軟件系統則需要是由PLC主控系統、水泵和自動排水軟件構成[2]。這一系統最根本的就是要有效地判斷故障點。另外，故障記錄和數據查詢也可以發揮重要的作用。

3.硬件設計

(1)主控制器

本工程主要通過利用西門子PLC作為系統內部的主要控制器，一方面是為了更好的調節水泵開關，另外一方面則需要根據信號燈來調整整個排水管道，最終是為了更好地恢復半自動開關和恢復信號自身的位置。因此，需要先將水泵內部的承載量得以細化，并在第一時間記錄倉庫水位、水口壓力和其他不同的內容。

(2)排水變阻系統

所有的排水變阻系統是通過分析水溫的變化來掌握水壓運行的情況。但是，多數井下的排水量實際是非常不穩定的，因此，所有測試的程序不僅需要連續地測試水溫排水的情況，更需要將輸出的訊號輸入到PLC程序內部。如果真的出現了水位異常的現象，則需要在第一時間發出預警信號，最終就能夠讓程序管理人員在第一時間監測排水的狀況[3]。圖1顯示了PLC控制系統內部的各模塊的結構。

圖1 PLC系統內部結構

從圖1可以看出，PLC系統內部的結構主要是由水泵電機開關、電磁閥開關、警鈴開關和點動閥開關共同組成。不同的結構聯合在一起才能夠讓PLC系統發揮更大的作用。

4.系統軟件設計

在實際設計的過程中主要借助特制的軟件來進行設計，其中最大的特點就是能夠對水泵操作的環節進行調節，并借助主要控制系統內部的程序來進行模擬和采集，最終的目的是能夠對水泵和水管進行智能化運行和報警。

(1)PLC主控制系統軟件

PLC主程序主要是由初始化方式和運行方式組成的。整個程序主要包括自動、半自動和手工三種主要的方式。也只有設置優質的人工掌控方法和優先權才能夠讓程序變得更加可靠。在執行具體程序之后，需要讓人工系統有效地進行運行，并通過利用PLC來直接控制排水量、水泵流量和警鈴開關信號。此外，可以借助與電磁閥和電動閥相關的工作狀態來更好地報警。工作人員也正是因為在認真分析這些信息之后才能夠發出合適的指令。

(2)水泵排水控制軟件

在實際控制水泵的過程中，需要先開啟正確的控制程序和水泵來確定合適的開啟水泵的正確數量，之后再借助運行的水泵來控制整個水泵。整個水泵自動排水控制的流程主要由“開啟水泵電機”“啟動水泵”“排水管電動閥關閉”“水泵電機關閉”和“停泵”幾個部分組成。

5.實際應用

整個全自動控制流程如圖2所示：如果讓PLC讀取水位內部的倉值時，則表明水倉位會比最低的水位都要低。但是，如果水泵機組不能夠直接被使用時，其內部的水位則會直接超過H3，時間則為平段。如果一臺水泵會直接被使用，當水位上漲到H2時，則需要配合另外一臺水泵機組直接發揮作用。

但是，如果一臺機組實際處于運行狀態時，水位仍然會上漲到H1的位置。如果此時再投入另外一臺機器，水位其實仍然會上漲，此時就需要讓更多的水泵發揮實際的作用。但是如果當后續水位下降到H4時，水泵機組則會不再進行運行。

實踐表明，也確實只有遵照圖2中的自動控制策略流程圖才能夠讓自動控制的過程進行的更加順利。

圖2 自動控制策略流程圖

該裝置整體使用浮力和電磁感應原理完成，最終的目的是為了更好地自動排水。當水倉內部的水位上升到一定高度之后，安裝在浮體頂部的傳感器會直接發出磁信號，并直接被存在于上部的開關得以接收[4]。水泵控制開關也可以高效地實現吸合，整個水泵就可以在第一時間排出水。

6.實際應用煤礦井下自動排水裝置的意義

(1)提升煤礦企業的節能效果

當前，我國煤礦企業在實際運作的過程中會出現大量涌水的現象。不僅排水設備用量很多，更會消耗很多電量。在能源極度缺乏的情況下，我們需要通過正確運用合理的水泵來提升系統運行的經濟性，最終自然可以更好地提升煤礦企業的節能效果。

(2)實現礦井的指揮和決策

目前，多數水泵房內部的排水系統已經成為了礦井內部重要的一個部分。排水系統不僅能夠有效地分析排水內容和耗能內容，更能夠有效地實現機電設備運行，整體具有很重要的意義。在未來，自然也會對礦井的生產和輔助有實際的意義。從實踐的過程可以看出，整個礦井的指揮和決策也確實變得更加順利。

(3)全面實現自動化控制

多數排水系統能夠在發揮自動控制功能和監測功能的基礎上發揮監測、設備維護和耗能分析等多個方面的內容。在其被投入使用之后就可以提升泵房內部排水系統的安全性，最終才能夠在提升排水能力的基礎上降低事故發生率，最終可以實現無人值守的水泵房[5]。從實際使用的過程來看，自動化控制確實也是未來煤礦井下控制的主要和重要的趨勢。

7.結束語

綜上所述，本文以PLC系統為基礎設計了專業的煤礦井下自動排水控制系統。在實際運用的過程中，更可以利用水泵本身來連接整個系統，最終才能夠在監測水倉水位變化的基礎上實現井下的自動排水，這自然也能夠為煤礦安全生產提供有效的保證。目前，該系統已經在煤礦井下被廣泛地使用。多數實踐的經驗表明，該系統運行的過程非常平穩，操作的方法也非常方便，在使用的過程中也確實可以滿足井下自動排水的需要。