智能排水控制系統在下山掘進巷道中的應用

郭趙虎 弋伍余

（兗礦集團楊村煤礦 山東 兗州 272118）

0 前言

楊村煤礦位于充州煤田的西北緣，北鄰楊莊煤礦，東鄰興隆莊煤礦，東南鄰鮑店煤礦，南鄰田莊煤礦和橫河井田，西以煤系露頭為邊界。根據礦井生產規劃，為保證礦井的原煤產量和工作面的正常接續，礦井準備開拓十采區。

1 采區水文地質概況

十采區位于楊村井田的南翼東部，為下山采區。主采16上煤層、17煤層，直接充水含水層為十下灰，間接充水含水層為十三-十四灰含水層、奧灰含水層。十采區為走向NE～SW、傾向SE的單斜構造，煤（巖）層傾角4～15°，平均為8°，地質構造簡單。

采區內含水層有：第四系含水砂層、石炭系太原組十下層石灰巖、本溪組第十三～十四層石灰巖和奧陶系石灰巖。其中直接充水含水層為太原組十下層石灰巖。各含水層之間以粘土、粉砂巖、鋁質泥巖和泥巖等為隔水層，水力聯系較差。

1.1 第四系含水砂層

第四系厚度180.80～211.60m，平均厚度192.15m，南薄北厚，分上、中、下三組，上組、下組為含水層組，中組為隔水層組。

第四系上組厚約56.50～65.10m，平均厚58.65m，為棕黃色粘土、砂質粘土與粘土質砂、砂礫等相間組成，粘土類厚度占55%左右。本組較穩定的含水層2～4層，屬孔隙型潛水、承壓水，以地表水為補給水源。上組與下部基巖含水層無直接的補泄關系，采動對上組水基本無影響。

第四系下組厚51.67～64.22m，平均厚60.79m，由淺灰、白色、灰綠色粘土、砂質粘土與粘土質砂、砂礫等相間組成，粘土類厚度占55%左右。據含水性可分為上、下兩段，均為弱含水層，屬孔隙型承壓水。下段含水層（“三含”含水層）厚4.38～8.10m，平均6.24m。下段含水層通過風化帶與基巖各含水層之間有直接的水力聯系，是煤系含水層的主要補給水源。

1.2 太原組第十下層石灰巖

厚度5.07～7.29m，平均厚度6.14m，十下灰透水性強，連通性好，富水性中等至弱，屬溶洞裂隙承壓水，以靜儲量為主。十下灰是16上煤層開采的主要充水含水層。

1.3 本溪組第十三、十四層石灰巖

十三灰、十四灰在十采區合并為一個含水層，厚6.69～16.97m，平均厚度12.19m。單位涌水量q=0.000316（L14-8）～0.001027L/s.m（YSO-1），滲透系數K=0.007286m/d(YSO-1)～0.0376m/d（L14-8），水質類型為HCO3--Ca2+.Na+型，2006年10月底水位為-81.94m（L14-9孔）。十三、十四灰是下組煤開采的間接充水含水層。

1.4 奧陶系石灰巖

奧灰由多層厚層狀石灰巖組成，距離頂界面50m以下的半晶質石灰巖中,發育較多的小溶洞及半閉合狀裂隙，含水較強，屬裂隙溶洞承壓水。采區內奧灰上部含水層富水性中等至弱，單位涌水量q=0.0203（YS0-1）～0.061L/s.m(L14-8)，滲透系數K=0.03688（YS0-1）～2.80m/d(L14-8)，水質類型以型為主，2006年10月底水位為+25.89m（O-5）。

2 問題的提出

根據十采區水文地質情況，綜合考慮相鄰采區水文條件以及井下消防灑水等因素，十采區涌水量預計為：Q正常= 110m3/h；Q最大=335m3/h。十采區皮帶下山設計長度為670m，沿15度下山掘進，十采皮帶下山上變坡點與下變坡點實際落差為116m，巷道掘進過程中最大涌水量可達到30m3/h。施工過程中采用二級排水方式進行排水。迎頭使用2臺風泵不間斷的向緊跟迎頭排水箱里排水，人工通過控制電泵開關將水箱內積水通過電泵排至中間水倉硐室內，后通過37kW電泵將水倉硐室內積水排到排水管路。水箱內電泵每隔2分鐘需要啟動一次，水倉硐室內37kW電泵每隔10分鐘需要啟動一次，每班必須安排兩名職工專門負責排水工作，造成極大的人力資源浪費。

3 有效方案的確定

3.1 方案一

1）基本構成

該系統由浮漂、導向裝置、觸發裝置、行程開關等幾部分組成。浮漂和觸發裝置連接為一體，導向裝置固定在排水箱一側或水倉硐室一幫。

2）工作原理

導向裝置固定在排水箱一側或水倉硐室一幫，浮漂隨水位上升和下降帶動觸發裝置觸動行程開關來控制電泵，實現自動排水。正常狀況下，行程開關1處于打開狀態，行程開關2處于閉合狀態，當浮漂隨著水位上升到設定位置時，同浮漂連接的觸發器觸動行程開關1，使行程開關1閉合，電泵進行排水工作；當浮漂隨水位降低時，行程開關1、行程開關2處于閉合狀態，電泵處于工作狀態。當浮漂隨水位下降到一定位置，觸發器觸動行程開關2，行程開關1、2均斷開，水泵斷電，停止排水工作。水泵停止工作后行程開關2自動恢復閉合狀態。

3）智能排水系統的優點

（1）控制準確有效。該系統由簡單的機械構件和行程開關組合而成，提前設定好行程開關的位置，就能夠準確的控制電泵，在水箱或水倉硐室內積水達道最大設計水位時啟動電泵，當水箱或水倉硐室內積水達道設計最低水位時關閉電泵。

（2）全自動控制，節省人力。利用水箱內水位的變化控制37kW電泵的工作，不需要專職看泵的工作人員，節省人力。

（3）成本低，可重復使用。

（4）使用壽命長，日常維修方便。

3.2 方案二

1）基本組成：自動排水系統主要由現場控制箱、接近式水位開關、磁力啟動器等組成。

2）工作原理：通過控制系統的接近式水位開關內置式電子探頭，對水位進行檢測，由水位專用檢測芯片對檢測到的信號進行處理。當被測水體的水位到達動作點時，芯片通過輸出高電平或低電平，來啟動或關閉磁力啟動器，控制水泵的開啟，實現水泵的自動化控制。

3）關鍵技術及創造點

控制系統采用先進的內置式電子探頭和芯片，體積小，安裝簡單，精度高，具有很好的可靠性。通過排水自動化改造，實現排水泵自動化排水，根據實際水位情況及避峰填谷要求，自動控制水泵的開停，水泵的倒換，并可以做到無人值守。

4 使用效果、經濟效益、社會效益

從現場使用效果看，方案一適宜井下出水量較大掘進工作面或采煤工作面臨時水倉排水；方案二也適合于采區小型水倉排水。

方案一成本費用260元。月度節約費用6000元，年度節約費用72000元。

方案二成本費用680元。月度節約費用6000元，年度節約費用72000元。

5 結語

經過一年的運行證明：智能排水控制系統運行安全可靠，故障率低，操作簡單。智能排水控制系統應用于現代化礦井，符合現代礦井高產高效、減員增效、節能降耗的要求；根據水位自動開停水泵，提高了設備運行的可靠性；同時，提升了礦井整體自動化、信息化水平，對礦井今后安全、高效、和諧發展奠定良好基礎。