煤礦井下自動排水系統的節能優化

許東明

(國家能源集團神東煤炭集團布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

地下水的存在造成煤礦內部部分巖石結構和地層結構穩定性較差，這是由于在水的不斷侵蝕作用下巖石層會表現出很大的脆性，而一旦煤礦施工人員進入這些危險區域便很可能由于塌陷和滲漏的問題而出現生命危險。目前大部分煤礦施工單位針對地下水問題，采用的都是安裝自動排水系統將地下水及時排除。但是如果缺少有效的節能技術，那么在排水的過程中便會造成大量的資源浪費和能源消耗，因此深入研究煤礦井下作業的自動排水節能優化技術具有非常重要的意義[1]。

1 煤礦井下自動排水系統發展現狀及存在意義

由于煤礦井下作業所使用的排水系統既要求排水的速度應該滿足煤礦井下作業的施工速度要求，同時為了盡可能提高排水的效果，還需要進一步擴大自動排水系統的排水量和提高排水設備的運行功率。因此為了確保自動排水系統的功能更加完善，性能更加優良，在煤礦井下自動排水系統的不斷發展過程中所表現出最大特點，便是該系統內部結構越來越復雜、設備元件也越來越精密。而精密的設備結構及復雜的系統內置所帶來的弊端，便是該系統在運行工作的過程中所消耗的電能水平非常高。另外，自動排水系統主要通過繼電器對系統的運行狀態和工作效率進行控制，而以電子系統及相關設備作為主導的控制路徑，往往在長時間的高負荷工作狀態下更容易產生損壞的問題。同時，煤礦井下自動排水系統在日常使用過程中最常見的故障，還包括排水管道堵塞、系統零部件損耗過大和設備過熱導致系統運行受阻等，而這些問題也是在自動排水系統未來的發展過程中急需解決的重要問題[2]。

自動排水系統對于保障煤礦井下作業的施工安全和有關施工單位的財產安全，始終發揮著不可替代的重要作用。在運用排水系統構建礦井排水體系的過程中，其中非常重要的一個環節便是如何科學地選擇排水泵的類型以及合理設置排水的位置和路徑。水泵與排水路徑的選擇不合理，將會嚴重影響到地下水排放的速度，進而加大了在煤礦井下作業的施工人員所處環境中的危險系數。另外，排水系統和水泵之間匹配不合理，在系統運行的過程中便會造成更大的能量損耗與能源浪費，而排水系統能耗過大導致施工經濟效益無法得到保障的問題，也是一直以來困擾煤礦施工單位的關鍵問題[3]。

2 影響煤礦井下自動排水系統運行效率與能耗的原因分析

2.1 自動排水設備運行狀態不佳

自動排水設備是構成自動排水系統的主體結構，而排水系統的運行工作則是通過各個設備之間相互連接與配合來實現的。排水系統的能耗與排水設備的運行狀態以及運行時長之間，都有著非常緊密的聯系，如果排水系統長時間處于工作狀態便很容易導致超負荷工作而造成系統能耗進一步提高。另外，如果排水設備的運行狀態超出了設備運行標準環境的要求，那么同樣也會導致排水系統的運行效率急劇下降，各設備之間由于需要克服其他外在因素的不良影響，因此在相同時間內運行工作所消耗的電能也會隨之升高。而由于煤礦井下作業的施工現場周圍的環境以及自然條件通常都比較惡劣，再加上自動排水系統及相關設備長期處于潮濕陰冷的環境下，極易引發設備中精密度較高的電子元件發生嚴重的磨損或毀壞現象。同時沉悶的地下施工環境也會進一步導致施工人員精神狀態不佳、工作質量下滑，因此很多不規范的操作行為也加劇了對自動排水系統及設備運行狀態的不良影響，進而產生的后果便是縮短了自動排水系統的使用壽命和提高了能耗[4]。

2.2 排水系統及設備技術水平低下

由于煤礦井下作業的惡劣環境以及復雜的地質條件影響，因此施工單位想要確保在煤礦開發施工過程中排放地下水的效率和質量能夠達到更高的要求水準，那么就必須要采用能夠克服不良工作環境并且保持良好運行效率的排水系統及設備。但是目前就國內大部分煤礦企業而言，受到我國在自動化機械設備的研究和生產領域中發展起步較晚的不良影響，因此很大一部分國內市場中銷售的自動化排水設備往往由于技術水平較低，導致很難適應施工難度系數較高的煤礦井下作業工程項目。因此企業便需要花費更多的成本去購買國外先進的自動化排水系統與設備，這種不良現象便造成了開發企業在煤礦工程項目中所需要投入的成本進一步提高。另外，地下水大多包含有較多的雜質和污染物，而在排除地下水時很多雜質便會隨著系統的運行而進入到各個排水設備中，因此如果不及時對排水設備中由于水壓沖擊而吸附在設備內部結構中的雜質與污染物進行有效清理，便會伴隨著大量的雜質積累而加大了對排水系統及設備零部件的磨損。

2.3 排水管道及排水路徑設計不科學

排水管道的設計是否合理以及排水路徑的設置是否科學，對于煤礦井下作業地下水排放的效果和效率影響非常關鍵，在很多煤礦作業施工項目中往往都會由于排水管道堵塞而造成地下水排放受阻，進而嚴重影響到施工進度和工期安排。在對地下水進行排放的過程中，排水管道內徑的大小以及內壁的光滑程度是決定排水量和排水效率的關鍵因素：如果排水管道內徑過小便會導致排水的效率很難得到提高，因此也無法滿足煤礦井下作業的施工速度要求；同時如果排水管道的內徑過大，那么很容易導致與排水系統所配備的水泵功率大小不匹配，這樣在排除地下水時由于排水管道內部沒有充滿而無法保持足夠的動量關系，因此會造成水流速度受到重力和摩擦阻力的影響過大、排水的效率進一步降低。同理，排水管道內壁的光滑程度也是影響排水過程中水流受到摩擦阻力大小的重要因素，排水管道內壁粗糙將會造成地下水中的雜質與淤泥等留存并吸附在管道內壁上，這樣既減小了排水管道的內徑，同時也增大了地下水流過排水管道時受到的摩擦阻力。而排水阻力的增大以及水流速度的降低，勢必會引起排水系統及相關設備運行效率無法滿足施工要求，同時克服阻力所消耗的電能也會進一步增多。最后，排水路徑設置不合理將會導致排水路線的長度以及排除地下水的過程中克服重力所做的功，相較于標準的排放路徑要提高很多，因此，只有通過進一步優化排水路徑和提高排水管道設計水平，才能夠更好地保障排水效率和能耗被控制在合理范圍內[5]。

2.4 排水泵的超負荷運行現象

通常煤礦施工單位為了確保能夠及時完成不同工期階段所安排的施工任務，因此會通過壓縮地下水排放施工時間的方式來提高工作效率，那么在這種情況下便會造成排水泵由于長時間運行工作而產生超負荷現象，進而造成設備過熱而消耗更多的電能和加劇了設備磨損程度。另外，由于煤礦施工項目的工程量較大，因此通常都會采用分工的形式在不同時間段安排多項施工任務同時進行，以此來提高施工的效率和保障工期安排順利完成。而在不分時間段由于不同的施工項目中同時運行的自動化機械設備數量較多，因此引發的用電高峰也是非常容易引發排水泵超負荷運行的主要原因。

3 煤礦井下自動排水系統節能優化的有效措施

3.1 提高排水系統的技術水平

為了更好地解決自動排水系統效率低下以及節能效果不佳的問題，有關研究人員需要通過采用性能更好的設備材料和引進更先進的排水技術來實現。為了改善傳統的排水管道阻力過大并且使用壽命較短的問題，因此可以采用更好的耐腐蝕材料來制作排水管道的內壁；同時還可以運用PLC控制系統配合變頻控制技術，確保自動排水系統在工作量不大的情況下可以通過變頻控制盡可能降低不必要的電能損耗。另外對老舊的控制元件和排水設備進行及時的更換和維修，也是保障煤礦井下自動排水系統穩定運行、進一步降低電能損耗和資源消耗的有效途徑。

3.2 采用科學的排水方法

由于礦井內部的不同情況需要采用不同的排水方法，而通過設計科學合理的方案，可以使得能量耗損成本盡可能最低，因此方案設計尤其重要。通常排水設計方案中可以包含壓力式、抽水式以及兩者并存的抽水方式。在水面位于泵的吸嘴高度之上時，更適合采用壓力式排水方法，這種方式下的操作更為簡便，開啟泵的發動機后緩慢打開閘閥，再無需其他引水裝置亦可排凈。另一種方法稱為吸入排水法，相比較壓力式排水法啟動操作較為復雜，也會提高能量損耗成本。在水面較低，未到達泵的吸嘴高度時，更適合采用這種方法—吸入排水法。除此之外，如果是對兩個水面高度不同的水室進行排水時，則需要兩種方式共同使用，兩個水室一個采用壓力式，一個使用抽水式，充分發揮各自優勢，相輔相成，簡化了泵的啟動程序，也提高了該設備運行的穩定性。因此，應遵循因地制宜，針對不同的實際需求，設計科學合理的排水方案，使得能源耗損成本降為最低。

4 結語

綜上所述，采用科學的排水方法和科技水平更高的排水系統，是提高煤礦井下作業地下水排放質量的最有效途徑，同時也是更好的控制能源損耗和電能浪費的最優方法。有關技術人員要根據自動化排水系統存在的實際問題進行針對性的優化和調整，以確保排水設備的運行效率與節能效果能夠進一步滿足未來煤礦開發行業的發展需求。