智能排水控制系統(tǒng)在下山掘進(jìn)巷道中的應(yīng)用

郭趙虎 弋伍余

（兗礦集團(tuán)楊村煤礦 山東 兗州 272118）

0 前言

楊村煤礦位于充州煤田的西北緣，北鄰楊莊煤礦，東鄰興隆莊煤礦，東南鄰鮑店煤礦，南鄰田莊煤礦和橫河井田，西以煤系露頭為邊界。根據(jù)礦井生產(chǎn)規(guī)劃，為保證礦井的原煤產(chǎn)量和工作面的正常接續(xù)，礦井準(zhǔn)備開拓十采區(qū)。

1 采區(qū)水文地質(zhì)概況

十采區(qū)位于楊村井田的南翼東部，為下山采區(qū)。主采16上煤層、17煤層，直接充水含水層為十下灰，間接充水含水層為十三-十四灰含水層、奧灰含水層。十采區(qū)為走向NE～SW、傾向SE的單斜構(gòu)造，煤（巖）層傾角4～15°，平均為8°，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

采區(qū)內(nèi)含水層有：第四系含水砂層、石炭系太原組十下層石灰?guī)r、本溪組第十三～十四層石灰?guī)r和奧陶系石灰?guī)r。其中直接充水含水層為太原組十下層石灰?guī)r。各含水層之間以粘土、粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖和泥巖等為隔水層，水力聯(lián)系較差。

1.1 第四系含水砂層

第四系厚度180.80～211.60m，平均厚度192.15m，南薄北厚，分上、中、下三組，上組、下組為含水層組，中組為隔水層組。

第四系上組厚約56.50～65.10m，平均厚58.65m，為棕黃色粘土、砂質(zhì)粘土與粘土質(zhì)砂、砂礫等相間組成，粘土類厚度占55%左右。本組較穩(wěn)定的含水層2～4層，屬孔隙型潛水、承壓水，以地表水為補(bǔ)給水源。上組與下部基巖含水層無直接的補(bǔ)泄關(guān)系，采動對上組水基本無影響。

第四系下組厚51.67～64.22m，平均厚60.79m，由淺灰、白色、灰綠色粘土、砂質(zhì)粘土與粘土質(zhì)砂、砂礫等相間組成，粘土類厚度占55%左右。據(jù)含水性可分為上、下兩段，均為弱含水層，屬孔隙型承壓水。下段含水層（“三含”含水層）厚4.38～8.10m，平均6.24m。下段含水層通過風(fēng)化帶與基巖各含水層之間有直接的水力聯(lián)系，是煤系含水層的主要補(bǔ)給水源。

1.2 太原組第十下層石灰?guī)r

厚度5.07～7.29m，平均厚度6.14m，十下灰透水性強(qiáng)，連通性好，富水性中等至弱，屬溶洞裂隙承壓水，以靜儲量為主。十下灰是16上煤層開采的主要充水含水層。

1.3 本溪組第十三、十四層石灰?guī)r

十三灰、十四灰在十采區(qū)合并為一個(gè)含水層，厚6.69～16.97m，平均厚度12.19m。單位涌水量q=0.000316（L14-8）～0.001027L/s.m（YSO-1），滲透系數(shù)K=0.007286m/d(YSO-1)～0.0376m/d（L14-8），水質(zhì)類型為HCO3--Ca2+.Na+型，2006年10月底水位為-81.94m（L14-9孔）。十三、十四灰是下組煤開采的間接充水含水層。

1.4 奧陶系石灰?guī)r

奧灰由多層厚層狀石灰?guī)r組成，距離頂界面50m以下的半晶質(zhì)石灰?guī)r中,發(fā)育較多的小溶洞及半閉合狀裂隙，含水較強(qiáng)，屬裂隙溶洞承壓水。采區(qū)內(nèi)奧灰上部含水層富水性中等至弱，單位涌水量q=0.0203（YS0-1）～0.061L/s.m(L14-8)，滲透系數(shù)K=0.03688（YS0-1）～2.80m/d(L14-8)，水質(zhì)類型以型為主，2006年10月底水位為+25.89m（O-5）。

2 問題的提出

根據(jù)十采區(qū)水文地質(zhì)情況，綜合考慮相鄰采區(qū)水文條件以及井下消防灑水等因素，十采區(qū)涌水量預(yù)計(jì)為：Q正常= 110m3/h；Q最大=335m3/h。十采區(qū)皮帶下山設(shè)計(jì)長度為670m，沿15度下山掘進(jìn)，十采皮帶下山上變坡點(diǎn)與下變坡點(diǎn)實(shí)際落差為116m，巷道掘進(jìn)過程中最大涌水量可達(dá)到30m3/h。施工過程中采用二級排水方式進(jìn)行排水。迎頭使用2臺風(fēng)泵不間斷的向緊跟迎頭排水箱里排水，人工通過控制電泵開關(guān)將水箱內(nèi)積水通過電泵排至中間水倉硐室內(nèi)，后通過37kW電泵將水倉硐室內(nèi)積水排到排水管路。水箱內(nèi)電泵每隔2分鐘需要啟動一次，水倉硐室內(nèi)37kW電泵每隔10分鐘需要啟動一次，每班必須安排兩名職工專門負(fù)責(zé)排水工作，造成極大的人力資源浪費(fèi)。

3 有效方案的確定

3.1 方案一

1）基本構(gòu)成

該系統(tǒng)由浮漂、導(dǎo)向裝置、觸發(fā)裝置、行程開關(guān)等幾部分組成。浮漂和觸發(fā)裝置連接為一體，導(dǎo)向裝置固定在排水箱一側(cè)或水倉硐室一幫。

2）工作原理

導(dǎo)向裝置固定在排水箱一側(cè)或水倉硐室一幫，浮漂隨水位上升和下降帶動觸發(fā)裝置觸動行程開關(guān)來控制電泵，實(shí)現(xiàn)自動排水。正常狀況下，行程開關(guān)1處于打開狀態(tài)，行程開關(guān)2處于閉合狀態(tài)，當(dāng)浮漂隨著水位上升到設(shè)定位置時(shí)，同浮漂連接的觸發(fā)器觸動行程開關(guān)1，使行程開關(guān)1閉合，電泵進(jìn)行排水工作；當(dāng)浮漂隨水位降低時(shí)，行程開關(guān)1、行程開關(guān)2處于閉合狀態(tài)，電泵處于工作狀態(tài)。當(dāng)浮漂隨水位下降到一定位置，觸發(fā)器觸動行程開關(guān)2，行程開關(guān)1、2均斷開，水泵斷電，停止排水工作。水泵停止工作后行程開關(guān)2自動恢復(fù)閉合狀態(tài)。

3）智能排水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）控制準(zhǔn)確有效。該系統(tǒng)由簡單的機(jī)械構(gòu)件和行程開關(guān)組合而成，提前設(shè)定好行程開關(guān)的位置，就能夠準(zhǔn)確的控制電泵，在水箱或水倉硐室內(nèi)積水達(dá)道最大設(shè)計(jì)水位時(shí)啟動電泵，當(dāng)水箱或水倉硐室內(nèi)積水達(dá)道設(shè)計(jì)最低水位時(shí)關(guān)閉電泵。

（2）全自動控制，節(jié)省人力。利用水箱內(nèi)水位的變化控制37kW電泵的工作，不需要專職看泵的工作人員，節(jié)省人力。

（3）成本低，可重復(fù)使用。

（4）使用壽命長，日常維修方便。

3.2 方案二

1）基本組成：自動排水系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制箱、接近式水位開關(guān)、磁力啟動器等組成。

2）工作原理：通過控制系統(tǒng)的接近式水位開關(guān)內(nèi)置式電子探頭，對水位進(jìn)行檢測，由水位專用檢測芯片對檢測到的信號進(jìn)行處理。當(dāng)被測水體的水位到達(dá)動作點(diǎn)時(shí)，芯片通過輸出高電平或低電平，來啟動或關(guān)閉磁力啟動器，控制水泵的開啟，實(shí)現(xiàn)水泵的自動化控制。

3）關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)造點(diǎn)

控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的內(nèi)置式電子探頭和芯片，體積小，安裝簡單，精度高，具有很好的可靠性。通過排水自動化改造，實(shí)現(xiàn)排水泵自動化排水，根據(jù)實(shí)際水位情況及避峰填谷要求，自動控制水泵的開停，水泵的倒換，并可以做到無人值守。

4 使用效果、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益

從現(xiàn)場使用效果看，方案一適宜井下出水量較大掘進(jìn)工作面或采煤工作面臨時(shí)水倉排水；方案二也適合于采區(qū)小型水倉排水。

方案一成本費(fèi)用260元。月度節(jié)約費(fèi)用6000元，年度節(jié)約費(fèi)用72000元。

方案二成本費(fèi)用680元。月度節(jié)約費(fèi)用6000元，年度節(jié)約費(fèi)用72000元。

5 結(jié)語

經(jīng)過一年的運(yùn)行證明：智能排水控制系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，故障率低，操作簡單。智能排水控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代化礦井，符合現(xiàn)代礦井高產(chǎn)高效、減員增效、節(jié)能降耗的要求；根據(jù)水位自動開停水泵，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性；同時(shí)，提升了礦井整體自動化、信息化水平，對礦井今后安全、高效、和諧發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。