煤矿井下排水系统的自动化分析

孔令成

摘   要：本文首先介绍了煤矿井下排水系统的现状和主要存在的问题，接着分析了煤矿井下自动化排水系统的具体组成，包括地面控制中心、以太网控制中心和水仓检测控制系统等，接着从煤矿井下排水系统自动化软件设计和硬件设计两方面进行了研究，最后探讨了煤矿井下排水系统自动化功能的具体实现。希望通过本文的研究能够带动我国煤矿井下作业的发展，进而促进我国煤矿资源的发展。

关键词：煤矿  井下排水系统  自动化

对煤矿排水自动化控制系统是煤矿安全生产中极为重要的环节之一，要想保证煤矿作业的稳定发展，就必须做好井下排水系统工作，尤其必须根据矿井的实际情况进行设计和安装，这样才能保证煤矿排水工作更加可靠，同时能有效提升矿井排水效率，降低工人的平均劳动强度。

1  煤矿井下排水系统概述

煤矿井下排水系统是煤矿六大主要系统之一，担负着将井下积水排出的重任，煤矿井下系统的高效稳定运行是保证煤矿安全运行的基础和前提。据研究调查，煤矿井下水的组成成分主要包括地表水和地下水，其中地表水主要包括矿井附近的江河、湖泊以及降雨、水库的积水;地下水主要包括地下水层中含有的水分。在煤矿开采的过程中，会破坏地层结构，导致地层中的地下水流入到矿井当中，如果矿井中的水积累到一定程度又无法顺利排出就会使整个矿井陷入危险环境，甚至影響井下工人的生命安全。

1.1 煤矿井下排水系统主要结构

煤矿井下排水系统的结构主要包括离心泵、射流泵、闸阀、止回阀、管道和压力表，另外排水电气控制系统则主要包括防爆电动机、磁力启动器、高低压开关柜以及软启动器等。

（1）离心式水泵：煤矿井下排水系统中主要排水设备有很多种，其中我国矿井中最为常用的是离心式水泵。离心式水泵的主要工作原理是叶片在电动机的带动下进入高速旋转模式，此时矿井下的液体就会顺着排水管排出水仓，在开启电动机之前应该确保其吸水管和叶轮内部都已灌满液体，开启电动机后液体跟随叶轮做高速旋转运动，高速旋转的液体在离心力的作用下做离心运动脱离泵体，最后在出水口聚集沿出水口流出矿井。

（2）闸阀：闸阀的位置位于止回阀的右下方，是排水管路上的重要结构。对于闸阀来说，作用主要包括：第一，控制通过离心泵排出井下水的相关参数，例如单位时间的排水流量以及离心泵排水扬程等。第二，在将离心泵开启时，应该保证闸阀是关闭状态，这样在启动电机时，通过电机的电流会降低，电机运转负载相应下降，泵轴功率也会相应下降。闸阀在开启和关闭时所受压力较小，且在安装过程中不需要核对方向问题，安装简单，不存在安反等情况，如果有必要排水量和扬程还可以随意调节。但闸阀也存在一些劣势问题：例如闸阀的体积通常较大，且闸阀内部密封面较易受损，闸阀的内部结构十分复杂，一旦出现问题，维修成本相对较高。

（3）逆止阀：排水系统中安装逆止阀能够有效防止水在下落过程中降速过快，导致下降时高速流水对水泵和管路产生过大的冲击力。如果水泵在运行过程中突然停转，逆止阀会迅速感应并自动返回到关闭状态，这样管路中的水不会形成高压，降低了水泵和管路受破坏的可能性。

（4）压力表与真空表：安装在排水系统中排水管路上的表是压力表，通常来说排水系统中主排水管路和分排水管路都会安装一个压力表，这样能够及时的测量出各个管路中水压的大小。而安装在水泵和吸水管上的是真空表，真空表的主要作用是监测排水系统运行过程中吸水管的真空度。

（5）射流泵与真空泵：在排水系统进行水下排水时，首先要保证泵腔内和吸水管内都已注满水后才能启动离心泵，只有这样才能保证水泵能被正常启动。相反，如果泵腔内和吸水管内没有注满水，还存在空气，吸水管内部与水仓的压力就是相同的，吸水管内水压较大，外部的水就不会被压入吸水管内部。水泵运行时候就会出现水量不足的情况，产生的热量就会影响到水泵的正常使用寿命。另外在对真空泵进行抽空时通常使用射流泵，具体操作过程是在主排水管路上加开一条旁路，利用射流泵带动泵内空气流动，在高速射流的带动下，会形成“虹吸”，水流会逐渐由水仓被吸入到吸水管和泵腔内部。值得注意的是，真空泵和射流泵的工作原理存在一定的差异，通常情况下，人们选择使用射流泵为排水系统进行抽真空，而选择真空泵为辅助抽空装置。

以上五部分为煤矿自动排水系统的主要组成部分，并且当前为了实现节约能源以及降低排水系统水泵停止时管路中的水流以过快的速度流向底阀，造成事故现象，大多数煤矿都选择使用无底阀排水系统。

1.2 煤矿井下排水系统的现状

通过大数据调查显示，当前我国已有较大一部分煤矿实现了自动化排水操作，仍存在一小部分矿井采用传统的人工排水方式。虽然二者的主要排水原理都是利用离心泵进行抽排，但是人工方式明显较自动系统落后，如果使用人工排水方法，水泵的启动和停止无法被自动监测和控制，只能通过技术人员的个人经验以及定时观察实现，一旦水仓内积水过多也无法快速及时作出反应。人工操作的具体步骤是：首先技术人员通过定时观察发现水仓水位较高，已达到设定开启水泵高度，这时操作人员需要及时将排水系统中的闸阀关闭。第二步应该人工开启射流泵，通过射流泵作用对水泵进行抽空处理，操作人员在该过程中应实时监测气压表，当空气压力值符合要求时开启水泵，同时观察离心泵出水口的水压值，当水压值达到设定标准时将闸阀打开，自动排水系统即可自动运转。总结来说，自动化排水方式可以分为全自动控制模式、半自动控制模式和手动控制模式，其中全自动控制模式中，排水系统能够自动对水泵开启和关闭时间进行分析测定，通常来说监测数据更为准确稳定;手动控制模式中通常系统中存在开启和关闭水泵的按钮，技术操作人员可以通过手动按键的方式人为控制水泵开启和关闭的时间。手动控制模式通常应用在一些特殊情况中，例如需要人工控制开启水泵台数时，或者在对水泵进行修理维护时更适宜选择手动控制方式。

2  煤矿井下自动化排水系统组成

2.1 地面控制中心

地面控制中心是煤矿井下自动化排水系统的重要组成部分，它通常设置在调度中心内部，并选择高性能的工控机作为自身的操控台对煤矿井下的所有水仓和相关设备进行监控。另外，地面控制中心还负责向控制器中传达相应的参数和命令，以及数据图形报表的储存和展示等。

2.2 以太网络控制中心

以太网络控制中心是为了适应数字化矿山建设和自动化排水需要建设的控制中心，当前我国一些矿山中的以太网络控制中心以太环网带宽已经可以达到千兆以上，各个不同的监测分站能够通过光纤工业以太网实现与地面控制中心的通信与连接。

2.3 水仓检测控制系统

我国煤矿井下排水水仓按照水仓类型划分可以分为小水仓和中转水仓，其中小水仓内部的积水可以通过水泵作用排入到中转水仓内，中转水仓中水积攒到一定程度后可以使用大功率的水泵，将水排入到主水仓中。

3  煤矿井下排水系统自动化控制方案

3.1 排水系统自动监控

煤矿井下排水系统的自动化运行主要是通过PLC得以实现的，运用PLC技术实现自动监控的方式同样有三类，第一类是进行半自动控制，即在系统运作时通过半自动触屏和半自动调度实现对系统的集中控制。第二类是就地控制，就地控制方式能够最大程度的保证排水系统的安全性，降低系统发生危险的情况，保证排水系统自动化设施的稳定运行。第三类就是全自动控制，全自动控制指的是整个系统都采用PLC技术，对煤矿井下系统进行自动化的运行和监控，整个煤矿井下排水工程不需要耗费任何人工，同时也降低了井下排水的人工成本。

3.2 排水系统中央泵房设计

井下自动排水系统的核心装置就是中央泵房，中央泵房的存在使排水系统拥有足够的水动力，同时中央泵房的安全运行也是整个排水系统稳定运行的基础和前提。在对中央泵房进行设计时，主要采用的是单台水泵设计，在安装时要对安装泵的型号进行选择和核对，减少因为型号不匹配影响中央泵房运行的情况。另外，在中央泵房的出口应该安装压力检测设备，根据水压表显示对水泵做出及时的调整，这样才能确保整个井下自动化排水系统的安全运行。

4  煤矿井下排水系统自动化设计

4.1 煤矿井下排水系统自动化软件设计

（1）设计操作方式：对煤矿井下排水自动化系统的软件设计，存在一定的设计要求，首先PLC应该符合井下排水自动化设计，在进行具体操作时能够根据具体情况进行准确的切换。另外，在设计PLC操作系统时，需要對系统的操作情况做出判断，只有水泵处于停运的状态时，才能转换操作方式，如果水泵还在运作就启动了操作转换，PLC系统就会发出警报对操作人员做出相应的提示。

（2）设计水泵的启停：由于水泵的启停对排水系统的运行安全有绝对性的影响，因此煤矿企业都十分注重对水泵启停方面的设计。PLC常见的启停设计包括：PLC软件与地面监控中心接入，人们能够通过地面监控中心实时对水泵的运行状况进行监控，从而控制水泵的启停;在PLC系统中设计出手动启停装置，保证能够人为控制水泵的启停;PLC系统中设计就地自排程序，如遇特殊情况能够进行就地自排。

4.2 煤矿井下排水系统自动化硬件设计

煤矿井下排水系统自动化硬件设计相对于软件设计来说，稍显简单一些，首先要实现对PLC的选型应用，设计人员应该根据具体的煤矿井下情况选择合适的PLC类型，通过PLC硬件提升排水系统的控制力。其次，要实现传感器分配设计，状态良好的传感器能够保证井下自动化排水监控系统准确运行，进而保证排水系统的实用性能。

5  结语

煤矿企业应当积极研究探索井下排水系统的自动化设计，运用PLC技术和自动化控制理念，对排水系统进行优化，使煤矿井下排水运行达到最佳状态，最大程度的提升排水系统效率，进而保证煤矿生产安全。

参考文献

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