煤礦井下自動排水裝置設(shè)計(jì)分析

（山西陽煤集團(tuán)五礦 山西 045000）

引言

隨著我國煤炭行業(yè)的不斷發(fā)展，煤礦井下的排水自動化系統(tǒng)在安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面都會存在諸多不足。本文以某煤礦為例來設(shè)計(jì)出一種礦井主排水自動控制系統(tǒng)，為的是讓自動排水裝置在煤礦井下發(fā)揮更好的作用。

1.研究背景

一般，在實(shí)際開采煤炭的過程中，諸多地層結(jié)構(gòu)會直接被破壞，這不僅使得采取和儲水層之間會直接連通，更會讓地下水流入巷道和工作面內(nèi)部，最終不僅會發(fā)生突水事故，更會使得井下生產(chǎn)受到阻礙，不僅使得施工安全性能降低，嚴(yán)重時(shí)會誘發(fā)更多的安全事故，最終會給礦井下工作人員的生命和財(cái)產(chǎn)帶來威脅，更會嚴(yán)重阻礙企業(yè)的運(yùn)行[1]。因此，必要時(shí)需要將流入巷道內(nèi)部的積水排至地表或者水倉內(nèi)部，最終讓煤礦安全生產(chǎn)更好地進(jìn)行。

目前，煤礦井下巷道和工作面內(nèi)部的排水工作一般都是采用人工控制排水的方法。如果碰到積水較多的地方，則需要在第一時(shí)間開啟抽水泵。等到完成抽水作業(yè)以后，則應(yīng)該在第一時(shí)間關(guān)閉抽水泵。在實(shí)際使用人工控制的方法時(shí)，則需要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的安全管理規(guī)范，否則則會因?yàn)樽鳂I(yè)人員自身的疏忽而誘發(fā)安全事故。

例如，在實(shí)際操作的過程中會經(jīng)常出現(xiàn)如下幾個(gè)方面的問題：第一，在完成抽水作業(yè)之后經(jīng)常會忘記關(guān)閉抽水泵，這樣就會使得完成抽水工作之后對水泵造成損害。第二，水泵在使用的過程中會在短時(shí)間內(nèi)燒毀。第三，如果水位直接升高或者積水較多時(shí)，根本也無法在第一時(shí)間直接開啟水泵，最終使得設(shè)備內(nèi)部浸水。因此，一定要讓諸多自動排水裝置具備一定的排水功能。

2.系統(tǒng)總體框架

多數(shù)煤礦井下的自動排水系統(tǒng)最根本的就是要先對水倉的水位進(jìn)行監(jiān)測和管理，為的是第一時(shí)間排出足夠的水分。目前煤礦井下存在自動排水系統(tǒng)主要是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的。其中，硬件系統(tǒng)主要是由主控制器和排水變阻系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)則需要是由PLC主控系統(tǒng)、水泵和自動排水軟件構(gòu)成[2]。這一系統(tǒng)最根本的就是要有效地判斷故障點(diǎn)。另外，故障記錄和數(shù)據(jù)查詢也可以發(fā)揮重要的作用。

3.硬件設(shè)計(jì)

(1)主控制器

本工程主要通過利用西門子PLC作為系統(tǒng)內(nèi)部的主要控制器，一方面是為了更好的調(diào)節(jié)水泵開關(guān)，另外一方面則需要根據(jù)信號燈來調(diào)整整個(gè)排水管道，最終是為了更好地恢復(fù)半自動開關(guān)和恢復(fù)信號自身的位置。因此，需要先將水泵內(nèi)部的承載量得以細(xì)化，并在第一時(shí)間記錄倉庫水位、水口壓力和其他不同的內(nèi)容。

(2)排水變阻系統(tǒng)

所有的排水變阻系統(tǒng)是通過分析水溫的變化來掌握水壓運(yùn)行的情況。但是，多數(shù)井下的排水量實(shí)際是非常不穩(wěn)定的，因此，所有測試的程序不僅需要連續(xù)地測試水溫排水的情況，更需要將輸出的訊號輸入到PLC程序內(nèi)部。如果真的出現(xiàn)了水位異常的現(xiàn)象，則需要在第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警信號，最終就能夠讓程序管理人員在第一時(shí)間監(jiān)測排水的狀況[3]。圖1顯示了PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部的各模塊的結(jié)構(gòu)。

圖1 PLC系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，PLC系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)主要是由水泵電機(jī)開關(guān)、電磁閥開關(guān)、警鈴開關(guān)和點(diǎn)動閥開關(guān)共同組成。不同的結(jié)構(gòu)聯(lián)合在一起才能夠讓PLC系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中主要借助特制的軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中最大的特點(diǎn)就是能夠?qū)λ貌僮鞯沫h(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并借助主要控制系統(tǒng)內(nèi)部的程序來進(jìn)行模擬和采集，最終的目的是能夠?qū)λ煤退苓M(jìn)行智能化運(yùn)行和報(bào)警。

(1)PLC主控制系統(tǒng)軟件

PLC主程序主要是由初始化方式和運(yùn)行方式組成的。整個(gè)程序主要包括自動、半自動和手工三種主要的方式。也只有設(shè)置優(yōu)質(zhì)的人工掌控方法和優(yōu)先權(quán)才能夠讓程序變得更加可靠。在執(zhí)行具體程序之后，需要讓人工系統(tǒng)有效地進(jìn)行運(yùn)行，并通過利用PLC來直接控制排水量、水泵流量和警鈴開關(guān)信號。此外，可以借助與電磁閥和電動閥相關(guān)的工作狀態(tài)來更好地報(bào)警。工作人員也正是因?yàn)樵谡J(rèn)真分析這些信息之后才能夠發(fā)出合適的指令。

(2)水泵排水控制軟件

在實(shí)際控制水泵的過程中，需要先開啟正確的控制程序和水泵來確定合適的開啟水泵的正確數(shù)量，之后再借助運(yùn)行的水泵來控制整個(gè)水泵。整個(gè)水泵自動排水控制的流程主要由“開啟水泵電機(jī)”“啟動水泵”“排水管電動閥關(guān)閉”“水泵電機(jī)關(guān)閉”和“停泵”幾個(gè)部分組成。

5.實(shí)際應(yīng)用

整個(gè)全自動控制流程如圖2所示：如果讓PLC讀取水位內(nèi)部的倉值時(shí)，則表明水倉位會比最低的水位都要低。但是，如果水泵機(jī)組不能夠直接被使用時(shí)，其內(nèi)部的水位則會直接超過H3，時(shí)間則為平段。如果一臺水泵會直接被使用，當(dāng)水位上漲到H2時(shí)，則需要配合另外一臺水泵機(jī)組直接發(fā)揮作用。

但是，如果一臺機(jī)組實(shí)際處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，水位仍然會上漲到H1的位置。如果此時(shí)再投入另外一臺機(jī)器，水位其實(shí)仍然會上漲，此時(shí)就需要讓更多的水泵發(fā)揮實(shí)際的作用。但是如果當(dāng)后續(xù)水位下降到H4時(shí)，水泵機(jī)組則會不再進(jìn)行運(yùn)行。

實(shí)踐表明，也確實(shí)只有遵照圖2中的自動控制策略流程圖才能夠讓自動控制的過程進(jìn)行的更加順利。

圖2 自動控制策略流程圖

該裝置整體使用浮力和電磁感應(yīng)原理完成，最終的目的是為了更好地自動排水。當(dāng)水倉內(nèi)部的水位上升到一定高度之后，安裝在浮體頂部的傳感器會直接發(fā)出磁信號，并直接被存在于上部的開關(guān)得以接收[4]。水泵控制開關(guān)也可以高效地實(shí)現(xiàn)吸合，整個(gè)水泵就可以在第一時(shí)間排出水。

6.實(shí)際應(yīng)用煤礦井下自動排水裝置的意義

(1)提升煤礦企業(yè)的節(jié)能效果

當(dāng)前，我國煤礦企業(yè)在實(shí)際運(yùn)作的過程中會出現(xiàn)大量涌水的現(xiàn)象。不僅排水設(shè)備用量很多，更會消耗很多電量。在能源極度缺乏的情況下，我們需要通過正確運(yùn)用合理的水泵來提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，最終自然可以更好地提升煤礦企業(yè)的節(jié)能效果。

(2)實(shí)現(xiàn)礦井的指揮和決策

目前，多數(shù)水泵房內(nèi)部的排水系統(tǒng)已經(jīng)成為了礦井內(nèi)部重要的一個(gè)部分。排水系統(tǒng)不僅能夠有效地分析排水內(nèi)容和耗能內(nèi)容，更能夠有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行，整體具有很重要的意義。在未來，自然也會對礦井的生產(chǎn)和輔助有實(shí)際的意義。從實(shí)踐的過程可以看出，整個(gè)礦井的指揮和決策也確實(shí)變得更加順利。

(3)全面實(shí)現(xiàn)自動化控制

多數(shù)排水系統(tǒng)能夠在發(fā)揮自動控制功能和監(jiān)測功能的基礎(chǔ)上發(fā)揮監(jiān)測、設(shè)備維護(hù)和耗能分析等多個(gè)方面的內(nèi)容。在其被投入使用之后就可以提升泵房內(nèi)部排水系統(tǒng)的安全性，最終才能夠在提升排水能力的基礎(chǔ)上降低事故發(fā)生率，最終可以實(shí)現(xiàn)無人值守的水泵房[5]。從實(shí)際使用的過程來看，自動化控制確實(shí)也是未來煤礦井下控制的主要和重要的趨勢。

7.結(jié)束語

綜上所述，本文以PLC系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了專業(yè)的煤礦井下自動排水控制系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)用的過程中，更可以利用水泵本身來連接整個(gè)系統(tǒng)，最終才能夠在監(jiān)測水倉水位變化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)井下的自動排水，這自然也能夠?yàn)槊旱V安全生產(chǎn)提供有效的保證。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在煤礦井下被廣泛地使用。多數(shù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行的過程非常平穩(wěn)，操作的方法也非常方便，在使用的過程中也確實(shí)可以滿足井下自動排水的需要。