矿井排水系统的应用研究与探讨

刘 燕

（山西平舒煤业有限公司， 山西 晋中 030600）

引言

矿井排水系统是矿井生产中四大重要系统之一，随着煤矿生产现代化、自动化的发展，对矿井排水系统的自动化程度和可靠性提出了更高的要求，传统的继电器式人工操作排水泵进行排水的排水系统已无法满足生产需求，基于PLC控制的新型矿井排水系统已逐步应用在实际生产中[1]。

1 矿井排水系统

矿井排水系统主要由水仓、排水设备、排水管道及PLC控制系统组成，如图1所示。

图1 矿井排水系统

水仓在矿井排水系统中起储水和沉淀过滤的作用，入口应布置在车场或大巷的最低点，根据正常涌水时的涌水量计算确定水仓的容量。水仓断面的大小应根据布置条件，容量等参数进行设计，高度一般不超过2 m，长度不宜过长。重要水仓应设置主仓和副仓，保证最少有一个水仓可以正常使用，水仓最低点应设置集水坑，用于清仓时排出积水。

排水设备是矿井排水系统中的核心设备，由水泵、电动机、管路附件等组成，如图2所示。离心泵靠电动机带动，泵轴和叶轮旋转产生吸力，将水仓中的水抽出。滤水器安装在吸水口处，防止杂质进入泵及管道内堵塞通道。调节闸阀安装在出水口，用来调节管道通径控制流量和扬程，也可在关闭水泵时防止水锤现象产生。引水漏斗和放气栓用来给水泵灌水排气，真空表检测水泵真空度，防止发生气蚀，损坏水泵。

图2 排水设备示意图

基于PLC的排水控制柜是整个排水系统的大脑，是矿井排水系统自动化的关键[2]。控制柜中的主要电气元件有PLC模块、接触器、继电器等。PLC使用方便，抗干扰能力强，功能强大，已被广泛运用到矿山设备中。PLC采用存储逻辑，可以随时根据生产工艺需要进行更新，柔化性和扩展性好。在矿井排水系统中，系统可以根据编制好的逻辑程序，通过接收传感器信息，实现排水泵的自动开启和关闭，从而实现自动化排水。系统流程如下页图3所示。

水仓中需要设置三条水位线及相应的传感器，分别为停机水位线、排水水位线与报警水位线。当水位上升至排水水位线时，PLC接收到水位传感器的信号，对排水设备发出启动信号，排水设备启动并将状态信息反馈至PLC，在显示屏上显示水泵开启。若未收到排水设备的反馈信号，则自动向备用排水设备发出信号，启动备用排水设备。排水至停机水位线后，PLC接收到传感器信号，对排水设备发出停机信号，排水设备关闭并将状态信息反馈至PLC，在显示屏上显示水泵关闭。若排水速度低于涌水速度，达到报警水位线，PLC接收到传感器信号，启动声光报警器发出警报，并启动备用水泵加快排水速度，水位下降至停机水位以下时，解除警报，并关闭排水设备。每组水泵的实时状态信息、流量信息、压力信息都会被采集并显示到显示屏上。另外，系统有独立的紧急启动功能，由人工操作，发生紧急情况时，按下紧急启动按钮，立即开启所有排水设备进行排水。

图3 系统流程图

2 排水泵的选择

排水泵是整个排水系统中的动力源，其性能直接影响排水系统的排水效率，因此要根据实际情况进行选型。目前矿井排水主要采用离心泵和潜水泵。

2.1 离心泵

离心泵是矿井排水系统中最常采用的排水泵，依靠外接电机作为动力源，叶轮旋转产生离心力，形成低压区，靠大气压将吸水口的水压入泵中，属于叶片泵。随着矿井深度的不断增加，对大扬程、大流量的水泵需求日益增长，采用多级离心泵可有效提高扬程。

自平衡多级离心泵采用对称式叶轮布置，使运行中产生的轴向力基本互相抵消，摆脱了传统平衡盘式结构的束缚，采用双支撑结构承受载荷，降低了轴向力载荷对系统的干扰，提高了整体可靠性。在实际应用中，能适应多种恶劣工况，使用和维护方便，适用于大部分的矿井排水系统，具备很大的推广价值。

2.2 潜水泵

潜水泵的电机与水泵连为一体，最大的优点是可以整体浸没在水中进行抽水，极大的提高了井底泵房抗水灾的能力。潜水泵与离心泵相比，可以直接安装在水仓中，无需设置专用水泵房，但其结构较复杂，维护成本高，一般在发生事故应急救援时采用。

3 传感器的选择

PLC的逻辑控制离不开各种信号的采集与反馈，传感器的选择对整个排水系统的运行具有较大影响。

3.1 水位传感器

常用的水位传感器有超声波液位传感器和投入式液位传感器。

3.1.1 超声波液位传感器

超声波液位传感器采用非接触式测量方法，安装简便，故障率低。超声波液位传感器的测量原理是通过脉冲发射器发射超声波，超声波被液面发射回来被接收器接收，根据发射和接收的时间差反映出传感器安装位置与被测液面间的距离[3]。超声波的传播速度与环境温度、介质特性有关，因此在投入使用前要经过现场调试，排除环境因素的干扰，达到理想的测量精度。超声波液位传感器与液面间不能有障碍物阻挡。

3.1.2 投入式传感器

投入式传感器采用接触式测量方法，传感头浸没在液面下方，通过传感头上的压敏元件，将液体静压转换成电压信号，液体静压与液面高低存在线性关系，电压信号通过数学转换即可获得液面位置信息。投入式液位传感器需要由特定的防水通气电缆连接，将大气与感压膜片的背压腔连通。

在选用水位传感器时，要根据现场实际情况，并且同一个水位的测量至少需要两个水位传感器，两者差值不超过设定值时水位取两者均值，超过设定值时发出故障报警信号通知值班人员。

3.2 流量传感器

流量传感器安装在排水泵出口干管上，用来监测排水泵的实时流量，反应水泵的工作状态。一般选用电磁流量计测量出水流量。电磁流量计结构简单，由变换器、转换器、显示仪组成，采用导电体在磁场中运动产生感应电动势的原理进行流量的检测。变换器将液体流量转化成感应电动势，转换器将感应电动势转换为电信号，在显示仪上显示流量信息。电磁流量计是体积流量测量仪表，测量结果可靠，受环境因素干扰较小，测量范围大，不会引起管道的压力损失，适用于矿井排水系统。

4 结语

基于PLC控制的自动化矿井排水系统通过传感器采集需要的信息，由PLC进行数据处理，能够实现自动排水的功能，并能实时显示整个系统的状态信息，方便技术人员对系统进行监测，遇到紧急情况时可以一键启动整个排水系统，及时排出矿水。