煤矿井下自动排水装置设计分析

（山西阳煤集团五矿 山西 045000）

引言

随着我国煤炭行业的不断发展，煤矿井下的排水自动化系统在安全性、可靠性和经济性方面都会存在诸多不足。本文以某煤矿为例来设计出一种矿井主排水自动控制系统，为的是让自动排水装置在煤矿井下发挥更好的作用。

1.研究背景

一般，在实际开采煤炭的过程中，诸多地层结构会直接被破坏，这不仅使得采取和储水层之间会直接连通，更会让地下水流入巷道和工作面内部，最终不仅会发生突水事故，更会使得井下生产受到阻碍，不仅使得施工安全性能降低，严重时会诱发更多的安全事故，最终会给矿井下工作人员的生命和财产带来威胁，更会严重阻碍企业的运行[1]。因此，必要时需要将流入巷道内部的积水排至地表或者水仓内部，最终让煤矿安全生产更好地进行。

目前，煤矿井下巷道和工作面内部的排水工作一般都是采用人工控制排水的方法。如果碰到积水较多的地方，则需要在第一时间开启抽水泵。等到完成抽水作业以后，则应该在第一时间关闭抽水泵。在实际使用人工控制的方法时，则需要严格执行相关的安全管理规范，否则则会因为作业人员自身的疏忽而诱发安全事故。

例如，在实际操作的过程中会经常出现如下几个方面的问题：第一，在完成抽水作业之后经常会忘记关闭抽水泵，这样就会使得完成抽水工作之后对水泵造成损害。第二，水泵在使用的过程中会在短时间内烧毁。第三，如果水位直接升高或者积水较多时，根本也无法在第一时间直接开启水泵，最终使得设备内部浸水。因此，一定要让诸多自动排水装置具备一定的排水功能。

2.系统总体框架

多数煤矿井下的自动排水系统最根本的就是要先对水仓的水位进行监测和管理，为的是第一时间排出足够的水分。目前煤矿井下存在自动排水系统主要是由硬件系统和软件系统组成的。其中，硬件系统主要是由主控制器和排水变阻系统组成。软件系统则需要是由PLC主控系统、水泵和自动排水软件构成[2]。这一系统最根本的就是要有效地判断故障点。另外，故障记录和数据查询也可以发挥重要的作用。

3.硬件设计

(1)主控制器

本工程主要通过利用西门子PLC作为系统内部的主要控制器，一方面是为了更好的调节水泵开关，另外一方面则需要根据信号灯来调整整个排水管道，最终是为了更好地恢复半自动开关和恢复信号自身的位置。因此，需要先将水泵内部的承载量得以细化，并在第一时间记录仓库水位、水口压力和其他不同的内容。

(2)排水变阻系统

所有的排水变阻系统是通过分析水温的变化来掌握水压运行的情况。但是，多数井下的排水量实际是非常不稳定的，因此，所有测试的程序不仅需要连续地测试水温排水的情况，更需要将输出的讯号输入到PLC程序内部。如果真的出现了水位异常的现象，则需要在第一时间发出预警信号，最终就能够让程序管理人员在第一时间监测排水的状况[3]。图1显示了PLC控制系统内部的各模块的结构。

图1 PLC系统内部结构

从图1可以看出，PLC系统内部的结构主要是由水泵电机开关、电磁阀开关、警铃开关和点动阀开关共同组成。不同的结构联合在一起才能够让PLC系统发挥更大的作用。

4.系统软件设计

在实际设计的过程中主要借助特制的软件来进行设计，其中最大的特点就是能够对水泵操作的环节进行调节，并借助主要控制系统内部的程序来进行模拟和采集，最终的目的是能够对水泵和水管进行智能化运行和报警。

(1)PLC主控制系统软件

PLC主程序主要是由初始化方式和运行方式组成的。整个程序主要包括自动、半自动和手工三种主要的方式。也只有设置优质的人工掌控方法和优先权才能够让程序变得更加可靠。在执行具体程序之后，需要让人工系统有效地进行运行，并通过利用PLC来直接控制排水量、水泵流量和警铃开关信号。此外，可以借助与电磁阀和电动阀相关的工作状态来更好地报警。工作人员也正是因为在认真分析这些信息之后才能够发出合适的指令。

(2)水泵排水控制软件

在实际控制水泵的过程中，需要先开启正确的控制程序和水泵来确定合适的开启水泵的正确数量，之后再借助运行的水泵来控制整个水泵。整个水泵自动排水控制的流程主要由“开启水泵电机”“启动水泵”“排水管电动阀关闭”“水泵电机关闭”和“停泵”几个部分组成。

5.实际应用

整个全自动控制流程如图2所示：如果让PLC读取水位内部的仓值时，则表明水仓位会比最低的水位都要低。但是，如果水泵机组不能够直接被使用时，其内部的水位则会直接超过H3，时间则为平段。如果一台水泵会直接被使用，当水位上涨到H2时，则需要配合另外一台水泵机组直接发挥作用。

但是，如果一台机组实际处于运行状态时，水位仍然会上涨到H1的位置。如果此时再投入另外一台机器，水位其实仍然会上涨，此时就需要让更多的水泵发挥实际的作用。但是如果当后续水位下降到H4时，水泵机组则会不再进行运行。

实践表明，也确实只有遵照图2中的自动控制策略流程图才能够让自动控制的过程进行的更加顺利。

图2 自动控制策略流程图

该装置整体使用浮力和电磁感应原理完成，最终的目的是为了更好地自动排水。当水仓内部的水位上升到一定高度之后，安装在浮体顶部的传感器会直接发出磁信号，并直接被存在于上部的开关得以接收[4]。水泵控制开关也可以高效地实现吸合，整个水泵就可以在第一时间排出水。

6.实际应用煤矿井下自动排水装置的意义

(1)提升煤矿企业的节能效果

当前，我国煤矿企业在实际运作的过程中会出现大量涌水的现象。不仅排水设备用量很多，更会消耗很多电量。在能源极度缺乏的情况下，我们需要通过正确运用合理的水泵来提升系统运行的经济性，最终自然可以更好地提升煤矿企业的节能效果。

(2)实现矿井的指挥和决策

目前，多数水泵房内部的排水系统已经成为了矿井内部重要的一个部分。排水系统不仅能够有效地分析排水内容和耗能内容，更能够有效地实现机电设备运行，整体具有很重要的意义。在未来，自然也会对矿井的生产和辅助有实际的意义。从实践的过程可以看出，整个矿井的指挥和决策也确实变得更加顺利。

(3)全面实现自动化控制

多数排水系统能够在发挥自动控制功能和监测功能的基础上发挥监测、设备维护和耗能分析等多个方面的内容。在其被投入使用之后就可以提升泵房内部排水系统的安全性，最终才能够在提升排水能力的基础上降低事故发生率，最终可以实现无人值守的水泵房[5]。从实际使用的过程来看，自动化控制确实也是未来煤矿井下控制的主要和重要的趋势。

7.结束语

综上所述，本文以PLC系统为基础设计了专业的煤矿井下自动排水控制系统。在实际运用的过程中，更可以利用水泵本身来连接整个系统，最终才能够在监测水仓水位变化的基础上实现井下的自动排水，这自然也能够为煤矿安全生产提供有效的保证。目前，该系统已经在煤矿井下被广泛地使用。多数实践的经验表明，该系统运行的过程非常平稳，操作的方法也非常方便，在使用的过程中也确实可以满足井下自动排水的需要。