无电源气动排水定时智能控制系统的设计与应用

王文胜， 马 隽， 王璟耀， 彭东林

（潞安环能股份公司常村煤矿， 山西 长治 046102）

引言

供电和排水一直是我国煤矿的一大难题[1-2]，在煤矿安全规章中可知，在回风巷、机械提升的进风井等位置不应当设置电缆，以保障工作面的安全，但不设置电缆无法使得井下排水系统工作，同时在煤矿井下具有爆炸危险性的回风、微风等巷道环境中，没有供电设备和设施，老空、顶板来的积水无法得到有效的治理，因此，提出采用风流作为动力进行井下水的排放，考虑到采用压缩空气作为动力的风泵排水，会对巷道的低洼地带造成积水点多的问题[3-4]，在传统的浮球气动排水系统的基础上优化设计了一套智能的气动排水控制系统。

1 传统气动排水方式存在的问题

传统的气动排水系统靠着压风管路进行动力的获取，由于系统气室中存在一定的压差使得液体产生排出和吸入的工序。气动排水泵通过配气阀来实现排液的正向流动，同时为了保证气动水泵的稳定运行，需要在系统同的进风口的调压阀设定工作风压。但在实际的操作过程中，传统气动排水方式会存在一定的问题。

1）人员劳动强度和安全问题：系统在未安装任何自动控制装置时，由于工作强度较大，管理工作的不到位等原因，使得积水的排放需要安排专人或专人巡回定时操作水泵，专人没有定时操作排水泵时，使得井下出现积水存积过多、工作人员行动较为不畅等安全隐患，同时由于巡回排水工的工作劳动强度较大，使得工作人员本身存在严重的人身安全隐患。

2）安装传统浮球阀存在的问题：当水面接触浮球达到一定的浮力，浮球阀门打开，水泵有工作动力开始工作，一但浮力下降到浮球阀门关闭，水泵便停止工作，浮力大小的变化快慢取决于积水面积的大小，对于井下有限的巷道安全要求和积水坑面积来说，积水面积是很小的，因此该浮力的变化非常快，每一次排水过程对排水时间、排水量有一定的限制，排水次数的频率很高，每次排水还排不干净。

3）设备寿命问题：传统浮球控制技术中，浮球阀门和水泵频繁的启动和停止会对元件本身产生一定的冲击，随着冲击次数的不断增加，元件本身的使用精度及使用寿命逐步减小，同时设备的使用寿命受到元件使用寿命的制约，也会降低。

2 传统气动排水系统的优化无电源气动排水系统的设计

为了提升传统的浮球自动排水系统的使用寿命，同时提升矿井工作面的自动化程度，对传统的浮球自动排水系统进行优化，优化后的方案如图1所示。

图1 无电源气动排水定时智能控制技术原理简图

对比未经优化前的气动排水系统，优化后的气动排水系统在传统的浮球控制原理基础上，将“储能释放延时和压差原理”运用于控制技术中，在系统中增加一个储存气压罐以下简称气压罐）以及一个两位三通气控阀（以下简称气控阀，气控阀的工作压力可调，和气源压力存在一定的压差）。浮球阀选用性能更加优越的两位三通机械阀（以下简称浮球阀），用于对控制气控阀的工作和气压罐的泄气。在系统的气压罐上安装一个可调节气压释放快慢的阀门，气压罐内的气压控制气控阀的打开或关闭，接通或关闭气动排水泵（以下简称风泵）的动力气源；储存气压的大小通过气压的释放改变，气压变化的快慢由气压释放的快慢决定，因此通过调节储气罐上的泄气阀门，可调节气压变化的快慢时间，这个时间就是确定水泵针对某一处积水每次排放的工作时长。当阀门打开，气源接通，浮球阀控制的气源作为气控阀的工作动力源，气控阀控制的气源作为风泵的动力源，排水时先试排一次，确定排一次水所需要的时间，以这个时间为标准，调节泄压阀门，设定好气压罐内气源压力值下降到气控阀工作压力值的时间。

3 无电源气动排水系统的工作原理

1）气泵启动排水过程：积水坑内的积水上涨到一定水位后，浮球阀在浮球2 浮力的作用下工作，接通气压罐的充气管路，气源开始向储气罐充气，当气压罐内气压达到气控阀工作压力时，气控阀动作，接通风泵的工作气源，风泵工作，开始排水，同时气源继续向气压罐内充气，使罐内气压与气源压力相等。

2）气泵延时排水过程：当浮力下降到一定值时，浮球阀关闭气压罐进气管路的同时，接通气压罐泄气管路，气压罐开始泄气释放压力，此时气控阀还在气罐内气压的作用下继续保持打开状态，风泵继续工作排水。

3）气泵停止排水过程：当气压罐内气压下降到小于气控阀的工作值时，气控阀关闭，积水按照设定排水时间一次性排完。

4 无电源气动排水系统应用效果

1）该项技术巧妙应用气压储能延时和压差原理，利用调节气压罐气压释放的时间确定积水坑水量的排放时间，排水时长与浮力无关，浮球仅对开始排水起作用。

2）该控制技术于2016 年开始在潞安环能公司常村煤矿投入应用，解决了无电源的回风巷道中需要人工定时排水、人身安全隐患、劳动强度大以及采用传统浮球控制原理自动排水中存在的排水设备频繁工作、积水排不完全、资源浪费、降低设备使用寿命等问题，尤其对深水坑或水井更为适用。

3）该控制技术制作简单、使用方便、费用低廉，延长了水泵的工作时段和寿命，节约了能源，消除了安全隐患，减轻了劳动强度和管理难度，提升了煤矿无人化开采、智能化控制技术，2017 年取得了国家实用新型专利，可被推广使用到采用气动排水技术的其他领域。