淺析煤礦井下排水系統引水方式

佘影，　羅明華，　張海峰

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

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淺析煤礦井下排水系統引水方式

佘影，羅明華，張海峰

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400039)

根據煤礦項目經驗，統計了當前煤礦排水系統中常用的引水方式，詳細介紹了各種引水方式的基本組成、工作原理和適用環境，研究并闡述了不同引水方式在自動排水監控系統中的實現方法，分析總結了其各自的優缺點，為煤礦自動排水監控系統建設提供了技術參考。

煤礦排水； 引水方式； 自動控制； 監控系統

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1024.008.html

0　引言

目前，我國煤礦井下主排水系統中使用的水泵主要是礦用耐磨離心泵。離心泵是利用葉輪旋轉使水發生離心運動來工作的，在水泵啟動前，必須使泵殼和吸水管內充滿水。使水充滿泵殼和吸水管的方法，被稱作水泵的引水方式。離心泵引水方式主要有有底閥引水、無底閥引水2類[1]。有底閥引水又分為壓力管引水、高架水箱引水、水上底閥引水，無底閥引水又分為射流引水、真空泵引水、真空罐引水、子母泵引水、正壓引水、自吸引水。由于煤礦井下環境條件限制，煤礦井下排水系統常用的引水方式主要是壓力管引水、射流引水、真空泵引水、真空罐引水等。

1　壓力管引水

壓力管引水是有底閥引水方式中最常用的一種，利用排水管內的存水來為水泵灌引水[2]，如圖1所示。

圖1　壓力管引水方式

井下水泵排水管上基本都裝有逆止閥，排水管內都有存水。在逆止閥和調節閘閥的兩側加裝旁通閥，可將排水管內的存水引入泵體，實現水泵灌引水。啟泵前，打開旁通閥和排氣閥，排水管內的存水通過旁通閥進入泵體和吸水管，空氣通過排氣閥排出，當排氣管內有水流出時，關閉旁通閥和排氣閥，合閘啟動電動機。

該引水方式的優點是設備簡單、易于使用；缺點是底閥處于水倉底部，容易被異物卡住，導致密封不嚴，影響灌水，也不便于檢修維護，而且底閥處水頭損失較大，排水效率不高。

在設計自動排水監控系統時，需將旁通閥和排氣閥更換為電動閥，以實現程序控制；在排氣管上加裝液位開關，用于監測是否有水流出。

2　射流引水

射流引水是利用壓力水通過射流器時產生的真空將泵體內空氣逐漸帶走，水倉水沿吸水管自下而上充滿泵殼的一種引水方式。該方式主要采用射流器、射流閥、真空閥、真空表等設備，如圖2所示。

圖2　射流引水

使用該方式引水時，首先同時打開射流閥和真空閥，壓力水經射流閥進入射流器并驅動其吸氣室內形成真空，泵體內的空氣經真空閥進入射流器吸氣室，并逐步排空，當真空表負壓值達到啟泵所需壓力時，關閉真空閥和射流閥，合閘啟動電動機。

射流引水方式是目前煤礦井下應用最廣的無底閥引水方式，其優點是設備簡單、安裝方便、易于維護；缺點是引水效率不夠高，需要大量的壓力水作為動力。為避免壓力水不足時整個泵房癱瘓，通常泵房內至少保留1臺帶有底閥的水泵。

設計自動排水監控系統時，需將射流閥、真空閥更換為電動閥，同時在真空表處利用三通接入負壓傳感器，通過程序實現射流控制和負壓判斷。壓力水是射流引水得以正常工作的關鍵，為進一步增加系統可靠性，通常還在射流閥前面增加2～3臺選擇閥，以實現排水管及消防水等多個壓力水源的選擇。

3　真空泵引水

真空泵引水方式采用水環式真空泵的偏心結構，周期性地形成負壓，抽取水泵和吸水管內的空氣，并通過循環水箱的汽水分離功能實現水箱水的循環使用，逐漸排空泵體內的空氣[3]。該方式主要采用真空泵、循環水箱、真空閥、注水閥及真空表等設備，如圖3所示。

圖3　真空泵引水

使用該方式引水時，需保證循環水箱內有一定量的存水。水泵啟動前，打開注水閥，循環水箱內的水在重力作用下流入真空泵。當水位淹沒真空泵葉輪時，啟動真空泵并打開真空閥，使真空泵吸氣口與離心泵泵體連通，以抽取離心泵泵殼內的空氣。空氣和水在真空泵內混合，經汽水混流管重新流入循環水箱，然后空氣被排入大氣中，循環水繼續從循環水箱底部流入真空泵，實現循環使用。真空泵啟動后，需持續觀察真空表數值，當負壓滿足水泵啟動條件時，合閘啟動水泵電動機并關閉真空泵及抽真空相關閥門。

該引水方式的優點是抽真空效率高，不需要壓力水源，缺點是需要為真空泵提供額外動力，并需要一定的設備安裝空間，設備成本較高。為降低設備成本并節省空間，泵房內通常只配備一主一備2臺真空泵，多水泵通過管路設計實現真空泵共享。

真空泵需要少量的水作為媒介才能實現抽真空操作，因此，必須確保真空泵內有足夠的水。設計自動排水系統時，通常采用2種方式來確保真空泵內有水。方式1：在循環水箱內增加水位開關，在水箱上方增加補水管道和補水閥，以實現循環水箱的水位監測和補水操作；方式2：取掉水箱，直接將真空泵注水管接到水泵排水管上，利用排水管內大量的存水為真空泵提供水源，汽水混流管內的水直接排到水泵房水倉。此外，要實現自動排水控制，除更換電動閥和增加負壓傳感器外，還需為水環式真空泵提供狀態采集接口和控制輸出接口。

4　真空罐引水

真空罐引水方式在水泵吸水口與吸水管之間加密閉的水箱，啟泵前水箱內加滿水并保持密閉；啟泵時水泵抽取真空罐內的水，造成罐內負壓；隨著真空度的增加，吸水管內的空氣逐漸被吸入真空罐，最后水倉內的水被吸入真空罐，水泵正常運行。該方式主要采用真空罐、注水閥等設備，如圖4所示。

圖4　真空罐引水

理論上，真空罐引水方式只需要為真空罐灌水一次，但實際上，由于受設備漏水等因素的影響，每隔一段時間都要檢查真空罐內的水位。該引水方式的優點是水泵啟動時不需要每次都進行灌引水操作，使用方便快捷；缺點是水箱占用空間較大，其體積一般不小于水泵吸水管體積的3倍。

該引水方式實現自動控制的關鍵是如何實現真空罐水位的監測和電動注水。通常有2種設計思路：一種是將水箱的注水閥更換為電動閥，并在吸水管位置增加一組排氣閥和水位開關，每次啟泵前都執行注水操作；另一種是在真空罐上加裝水位傳感器，精確測量真空罐水位，僅在水位超低時才執行注水操作。

5　其他引水方式

除以上常用的引水方式外，煤礦井下還有子母泵、正壓水倉、自吸泵及潛水泵等引水(排水)方式。

子母泵是水泵正壓啟動的一種，是將小型潛水泵(子泵)加裝在離心泵(母泵)吸水管上，通過子泵為母泵提供引水的一種引水方式。離心泵啟動前，首先啟動小型潛水泵，由潛水泵向離心泵吸水管打水，之后啟動離心泵；待離心泵正常運行后，停止潛水泵。該方式的優點是母泵的啟動速度和成功率高，缺點是潛水泵檢修維護不方便。

正壓水倉方式是將水倉建造在高于離心泵的位置，在水泵吸水管上加裝進水閘閥，水泵啟動前打開進水閘，水倉內的水在重力作用下自動充滿泵殼。該方式的優點是啟泵流程簡單，對水泵氣密性要求低；缺點是水倉建設難度大，存在一定危險性，為排出水倉積水，需與負壓水倉同時建設。

自吸泵通過水泵自身結構實現水泵的灌引水操作。在水泵運轉前，需在泵腔內存有一定量的水，自吸泵啟動后，由于葉輪的旋轉作用，使吸水管路的空氣和水充分混合，并被排到汽水分離室。汽水分離室上部的氣體溢出，下部的水返回葉輪，重新和吸入管路的剩余氣體混合，直到把泵及進水管路內的氣體全部排盡，完成自吸，使水泵進入正常工作狀態。該方式的優點是不需要額外的引水裝置，控制流程簡單；缺點是泵體結構復雜，井下檢修維護困難。

潛水泵是離心泵的一種特殊形式，可直接在水下使用，其優點是啟停控制簡單，缺點是水泵長期浸泡于礦井水下，故障后難以檢修維護。

6　結語

煤礦井下排水系統是煤礦安全生產中不可或缺的環節，水泵能否順利啟動直接關系到排水系統的運行效果。由于煤礦井下空間、水質等條件的限制，井下水泵更適合選擇設備簡單、操作維護方便的引水方式。隨著煤礦自動化水平的提高，煤礦對排水系統運行效率的要求越來越嚴格，根據泵房實際情況選擇合適的引水方式，是有效提高排水系統運行效率的重要保證。

[1]上海市政工程設計研究院.給水排水設計手冊(第3冊):城鎮給水[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,2003.

[2]水浩然,李樹斌.水泵引水裝置淺析[J].給水排水,1995(10):25-29.

[3]吳文珍,謝勇. 試論水泵引水方式[J]. 江西銅業工程,1998(4):59-63.

[4]楊榮.多PLC煤礦排水自動控制系統的設計[J].化工自動化及儀表,2013,40(11):1417-1418.

[5]馬勝利,溫國棟.嵌入式技術在煤礦排水系統中的應用[J]. 西安科技大學學報, 2009,29(1):93-96.

Analysis of water directing styles of underground drainage system

SHE Ying,LUO Minghua,ZHANG Haifeng

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

Based on project experience of coal mine, water directing styles of coal mine drainage system were counted, and their basic compositions, working principles and applicable environment were described particularly. Implementation methods of different water directing styles on automatic drainage system were studied and expressed. Advantages and disadvantages of the different styles were compared and summarized to provide technical reference for automatic drainage system.

coal mine drainage; water directing style; auto control; monitoring system

2016-01-20；

2016-04-26；責任編輯：胡嫻。

佘影(1978-)，男，四川巴中人，工程師，主要研究方向為煤礦有線/無線通信、控制技術等，E-mail:sysysy.boy@163.com。

TD636

B網絡出版時間：2016-06-01 10:24