煤礦巷道自動排水裝置的應(yīng)用探析

武彥理

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

1 煤礦巷道自動排水裝置分析

目前，大部分煤礦開采單位都使用氣動隔膜泵以及電動潛水泵作為排水裝置，通過人工操作控制水泵，完成煤礦巷道的排水工作。但是這種排水方式受人為因素影響較大，難以取得理想的排水效果。因此，煤礦開采企業(yè)需要進(jìn)行自動排水裝置的設(shè)計(jì)。本文主要將氣動隔膜泵以及電動潛水泵作為對象，進(jìn)行自動排水裝置的分析研究。

1.1 氣動隔膜泵自動排水裝置

此種自動排水裝置主要通過機(jī)械方式，應(yīng)用氣動隔膜泵的控制閥門，實(shí)現(xiàn)排水的自動化。在進(jìn)行自動排水裝置的設(shè)計(jì)時，開采單位可以在下面三種方案中選擇最合適的一種：（1）應(yīng)用導(dǎo)軌聯(lián)動機(jī)構(gòu)以及浮漂連桿機(jī)構(gòu)，通過對水桶重量的調(diào)節(jié)，在水位升高一定程度時，拉繩的移動會開啟氣動隔膜泵的控制閥門，當(dāng)水位降低到一定程度時，閥門自動關(guān)閉，該方案的排水控制效果較為顯著，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度與成本相對較高；（2）在自動排水裝置中應(yīng)用快速開關(guān)閥，利用滑移連桿以及遙桿進(jìn)行閥門的控制，但是快速開關(guān)閥需要外購，成本相對較高；（3）通過液壓支架實(shí)現(xiàn)閥門的控制，通過液壓支架的快開快關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)閥門的精準(zhǔn)實(shí)時控制，自動化程度相對較高，制造成本相對較低。

在實(shí)際的應(yīng)用中，煤礦開采單位首先選擇第三種方案作為自動排水裝置的制作方案（具體的設(shè)計(jì)如圖1所示），工作人員可以采用廢舊材料（開光廢棄彈簧或者廢舊圓鋼等材料）進(jìn)行液壓支架的制作，避免煤礦巷道開采過程中出現(xiàn)失爆現(xiàn)象，減少排水裝置對電源的依懶性。通過對氣動隔膜泵的改造，大大節(jié)約了自動排水裝置應(yīng)用成本，還能夠節(jié)約井下風(fēng)資源。

1.2 電動潛水泵自動排水裝置

此種自動排水裝置主要包括防爆開關(guān)、浮漂以及支架等設(shè)備組成，在水位上升及下降作用力的作用下，利用交流接觸器、繼電器以及防爆行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)電動潛水泵的控制。在水窩水位上升到一定程度時，浮漂會移動到上水位，撞桿在浮漂運(yùn)動的作用下開啟防爆行程開關(guān)，從而啟動電動潛水泵，完成排水；在水窩水位下降到一定程度時，浮漂下降，撞桿在浮漂運(yùn)動的作用下關(guān)閉防爆行程開關(guān)，關(guān)閉電動潛水泵。電動潛水泵自動排水裝置的控制便捷，能夠保障巷道開采的安全性。電動潛水泵自動排水裝置的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本相對較低，而且具備較高的安全性，能夠有效避免電動潛水泵被燒毀，可以廣泛應(yīng)用于巷道開采工作中，有助于開采單位經(jīng)濟(jì)效益的提升。因此，本文將上述兩種自動排水裝置作為基礎(chǔ)，結(jié)合同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司的具體開采狀況，進(jìn)行自動排水裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析[1]。

圖1 氣動隔膜泵自動排水裝置設(shè)計(jì)圖

2 煤礦巷道自動排水裝置的應(yīng)用

2.1 工程概況

同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司在投產(chǎn)之后，礦井涌水量逐年增加，其礦坑總排水量最高為462.9m3/h。煤礦礦井涌水主要來自于采掘工作面以及采空區(qū)等區(qū)域。因?yàn)槊旱V內(nèi)部巷道錯綜復(fù)雜，排水區(qū)域相對較多，難以通過人工排水方式完成。在同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司投入生產(chǎn)之后，最大涌水量為300m3/h，該礦初期通過人工排水方式進(jìn)行排水，不僅浪費(fèi)了大量的人力資源，排水效果也不理想，而且很容易對煤礦的供電系統(tǒng)造成不利影響。

人工排水方式的不足主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）開采安全性相對較差。大部分煤礦巷道的長度較長，需要通過多級排水方式，才可保障開采的順利進(jìn)行，但是由于水泵空轉(zhuǎn)或積水溢出等問題，從而對水泵造成損壞，當(dāng)積水嚴(yán)重時還會對井下供電系統(tǒng)造成破壞；（2）人力成本較高。在實(shí)際的煤礦開采工作中，多級排水系統(tǒng)需要多個工作人員，需要花費(fèi)大量的人力成本，而且水泵工的工作量相對較大，工作效率低下，難以取得良好的排水效果。

因此，該礦在投入生產(chǎn)一年之后，決定對排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過自動排水裝置的應(yīng)用，提高巷道的排水效果，保障煤礦的高效生產(chǎn)。該礦將6305膠順排水點(diǎn)作為排水系統(tǒng)的安裝部位，因?yàn)樵搮^(qū)域的環(huán)境最為復(fù)雜，溫濕度以及瓦斯含量相對較高，排水難度較高，安全性較差，需要安裝自動排水裝置[2]。

2.2 自動排水裝置的組成

6305膠順排水點(diǎn)的涌水量約為40m3/h，該礦為了避免排水點(diǎn)因變壓器掉電或者其他原因出現(xiàn)涌水外流問題，根據(jù)電動潛水泵自動排水裝置的設(shè)計(jì)原理，選擇雙回路供電系統(tǒng)，通過兩組不同變壓器的應(yīng)用，為自動排水裝置供電，并在排水系統(tǒng)中增設(shè)了一組手動排水泵，大大提高了自動排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。自動排水裝置主要包括啟動器、電纜、自動控制箱、隔爆型液位控制器、水泵、電極以及低壓防爆開關(guān)等設(shè)備組成。其中，隔爆型液位控制器由電源電路、傳感器電路、控制電路以及執(zhí)行電路等電路組成，傳感器是將兩個干簧管安裝于一段封死的PVC管內(nèi)，將其插入水中，實(shí)現(xiàn)水位的探測，其具體的電氣控制如圖2所示。

圖2 電氣控制原理圖

在自動排水裝置的應(yīng)用過程中，隔爆型液位控制器連接于低壓防爆開關(guān)的控制回路，并將電極沉沒于水中，在水位上升到液位控制器的上限時，防爆型液位控制器的上限和電極形成回路，開啟防爆型液位控制器，在延時一段時間之后（延時的目的在于防止開關(guān)與水泵在液位波動的狀況下，出現(xiàn)頻繁啟動現(xiàn)象，對自動排水裝置造成損壞，常用的延時時間在5～10s），液位控制器通過調(diào)節(jié)低壓防爆開關(guān)啟動水泵，完成巷道自動排水；在水位下降到液位控制器的下限時，防爆型液位控制器的下限和電極間的回路斷開，在延時5～10s時間之后，水泵停機(jī)。

該礦的自動排水裝置采用電極式電路傳感器，大大增強(qiáng)了傳感器的信號，可以有效控制液位的高低，而且電極式電路傳感器的安裝與維護(hù)較為簡便，能夠調(diào)節(jié)具體的液位高低差。與此同時，如果自動控制電路出現(xiàn)故障，或者煤礦巷道需要緊急排水，開采人員可以通過手動操作控制自動排水裝置的運(yùn)行；如果開采人員忘記關(guān)閉自動排水裝置，自動排水系統(tǒng)內(nèi)部的保護(hù)電路能夠自動停機(jī)，避免自動排水裝置將水窩的水排干，導(dǎo)致水泵空轉(zhuǎn)，在很大程度上延長了自動排水裝置的使用壽命。

在實(shí)際的煤礦巷道自動排水裝置應(yīng)用中，工作人員需要將啟動器與電源系統(tǒng)進(jìn)行連接，并通過電纜將啟動器和自動控制箱及水泵進(jìn)行連接；通過電纜將自動控制箱與隔爆型液位控制器進(jìn)行連接。具體的自動排水裝置安裝示意圖如圖3所示。

圖3 自動排水裝置安裝示意圖

2.3 自動排水裝置的應(yīng)用效果

在該礦應(yīng)用自動排水裝置以來，真正實(shí)現(xiàn)了煤礦巷道水窩排水的自動化，有效解決了該礦存在的采空區(qū)涌水、回采巷道與掘進(jìn)工作面存在的涌水、倒流、積水以及淋水問題，能夠及時將煤礦巷道的積水排出，為開采人員的煤礦開采提供了便利。與此同時，該礦之前需要安排三班專業(yè)人員負(fù)責(zé)排水點(diǎn)的看護(hù)，在自動排水裝置投入使用之后，只需要一班人員進(jìn)行巡回檢查即可，大大節(jié)約了人力成本。另外，自動排水裝置能夠有效避免開采設(shè)備因?yàn)榉e水浸泡出現(xiàn)故障，有效保障了開采人員的人身安全，促進(jìn)了煤礦巷道管理的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，大大提高了煤礦開采的安全性，保障了煤礦開采的質(zhì)量。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在自動排水裝置投入使用之后，該礦每年能夠節(jié)約近十萬元的設(shè)備運(yùn)維費(fèi)用以及十多萬元的勞動費(fèi)用。觀察自動排水裝置在該礦中的應(yīng)用效果，總結(jié)出自動排水裝置以下優(yōu)勢：

（1）能夠有效解決自動控制和手動控制之間存在的聯(lián)鎖問題，如果積水水位超過上限，而水位上限控制器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致自動排水裝置不能正常應(yīng)用時，開采人員可以通過手動操作，開啟自動排水裝置的開關(guān)；（2）自動排水裝置的設(shè)備設(shè)計(jì)較為可靠，不會因?yàn)槁╇姛龤Э刂谱儔浩?，延長了自動排水裝置的使用壽命；（3）支持聯(lián)鎖控制，在兩臺水泵運(yùn)行的過程中，能夠通過兩臺水泵上限的控制高度的調(diào)節(jié)，保障自動排水裝置的自動化控制；（4）和磁懸浮式液位控制器相比，該礦巷道自動排水裝置選用的自動控制方式具備更高的可靠性及安全性；（5）自動排水裝置的結(jié)構(gòu)相對簡單，制造工藝與工作原理簡便，成本相對較低，還能夠節(jié)約人力資源成本；（6）自動排水裝置的排水效果顯著，不會受到人為因素的影響，排水動作靈敏可靠[3]。

3 結(jié)論

通過本文的分析可知，煤炭開采企業(yè)需要認(rèn)識到自動排水裝置的重要作用，應(yīng)用液位控制器、防爆開關(guān)以及水泵等設(shè)備進(jìn)行自動排水裝置的設(shè)計(jì)，并根據(jù)煤礦巷道水窩的具體狀況，合理設(shè)置控制高度，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道水窩水位的有效控制，避免煤炭開采設(shè)備及供電系統(tǒng)受到不利影響，提高開采單位的經(jīng)濟(jì)效益。自動排水裝置的應(yīng)用可以保障煤炭開采工作的有序進(jìn)行，值得推廣應(yīng)用。