潞宁煤矿瓦斯抽采线路智能排渣放水器的研究

郭乐宏

（潞宁煤业有限责任公司，山西 忻州 036700）

目前在高瓦斯矿井中，一般都通过瓦斯抽采来满足瓦斯治理的要求，但因抽采负压，煤、岩层中的水、渣不可避免地会进入抽采管道中，另一方面，因温差原因，管道里的水汽也会凝结成水。在管道中的水、渣如不及时处理，将会影响瓦斯抽采系统，严重时可能造成井下瓦斯超限，因此要及时清理管道内的水、渣[1]。

山西潞安集团潞宁煤矿根据高瓦斯的要求，于2014 年5 月建成了地面瓦斯抽采系统，并于2015年9 月通过省厅验收。该系统主要针对回采工作面进行抽采，采用本煤层预抽、高位钻孔裂隙带抽采和上隅角采空区埋管三种抽采方式。在井下瓦斯抽采过程中，经常出现瓦斯抽采管路积水、沉渣现象，严重影响了该矿井瓦斯抽采效率。因此急需设计一套耐用、不堵塞、能耗低的智能排渣放水器。

1 智能排渣放水器设计

1.1 放水器结构设计

手动放水器依靠工人去判断放水时机，不仅工人的劳动强度大、成本高，而且在放水不及时的情况下，将会造成管路堵塞，影响瓦斯抽采及煤矿井下安全生产。浮球式自动放水器依靠浮力与磁力相结合的原理进行工作，但是因煤泥的存在，不能很好地完成自动放水工作，大多只能手动进行放水，而且放水器的安装也有严格要求。其他自动放水器因设计问题，放水口容易堵塞[2]。

基于上述缺点和潞宁煤矿实际情况，本文对放水器进行重新设计，增大了储水容积，使其在瓦斯抽采管路的总、支路都适用，使用先进的水位传感器代替浮球检测水位，并将放水器进、出气口尽可能做大，但不能影响抽采效率，另外全部阀门都使用电磁阀。详细结构如图1 所示。

图1 放水器结构图

放水器形状为长方形，中间设置隔板将箱体分成上下两个部分，两箱体通过电磁阀C 连通，底部安装有可以锁死的滚轮，便于井下搬运，减轻工人负担，并且可随时随地锁死，保证其安全稳定运行。

1.2 放水器的工作原理

智能排渣放水器被安装在潞宁煤矿瓦斯抽采系统管路易积水的地方，它的进气口A、出气口B、上下箱体连通口C、放水口D 和气压平衡口E 均用电磁阀，由单片机控制阀门的开闭，完成对抽采管路中水渣的收集和排放。

其工作原理是：进、出气口都与抽采管路相连，阀门处于常开状态，上下箱体连通口的电磁阀C 常开，放水口的阀门D 和气压平衡口的阀门E 常闭。管路里的水和煤渣将通过阀门C 进入下箱体，随着箱体水位的上升，当下位箱体中的水位传感器检测达到最大水位时，单片机控制系统将电磁阀C 关闭，使上、下箱体暂时隔绝，新来的水渣暂时存储在上箱体中。此时气压平衡口的电磁阀E 首先被打开，随即电磁阀D 也被打开，水、渣在重力作用下被迅速排出。当水位传感器检测达到最低水位时，控制系统将电磁阀E、D 关闭，将连通上下箱体的电磁阀C 打开，暂存的水、渣流入下部水箱，如此往复实现自动放水。由于设计放水器的放水口比较大，而且放水口上部为斜面，煤渣不易沉积，容易随积水一块排除，因此放水口不易被堵塞。

2 智能排渣放水器控制系统的设计

2.1 控制系统硬件设计

控制系统具体包括控制芯片、人机交互界面、继电器和控制台等电气部件，其中核心部分为控制芯片，有单片机、PLC[3]两种内核可供选择。因井下对功耗的要求，所以选用功耗相对较小的单片机[4]。控制系统主要有数字量输入和输出两类信号，其中输入信号为水位传感器的高、低限位和手动控制信号，输出信号为五个电磁阀的开闭。人机交互界面和上位机通过通讯口与单片机直接相连，单片机、操作屏和继电器等辅助器件集成在控制台内，控制台使用隔爆外壳。单片机各模块连接方式如图2 所示。

图2 单片机各信号连接图

系统稳定程度与单片机质量直接相关，本设计使用ST 公司的STM32F103 型号单片机为核心，完成对放水器工作情况、水位等数据的采集，控制各阀门的开闭，并把各信息通过RS485 接口显示在人机交互界面，同时把信号传递到潞宁煤矿调度室的上位机，实现数据的存储和追溯。供电电源可使用本安电池或用变压器将交流电转换为本安电源给系统供电。

2.2 控制系统软件设计

系统需要软硬件相互配合才能完成指定功能，硬件质量好，系统才能耐用，软件完善，功能齐全，系统才能正常运行，因此要有合理的软件架构。

控制系统核心使用C 语言进行编程，自动完成对放水器水位参数及工作状态的采集、转换和控制，并将信息显示在人机界面，同时还可以转换为手动控制，用于设备检修及故障排除。程序主流程如图3 所示。

图3 单片机控制程序流程图

程序初始化后判断是否转为手动控制，如果需要，则调用手动控制子程序，通过人机交互界面单独控制各阀门的开闭，否则调用数据采集子程序，判断水位变化并返回放水器的工作状态。若达到设定最大水位，则调用放水子程序，若达到设定最小水位，则调用储水子程序。

3 实际应用效果

根据设计要求，采购相应的元器件，按照设计图纸进行组装。将组装好的智能排渣放水器，安装在22117 综采工作面运输和回风顺槽的瓦斯抽采管路系统中容易积水的地点。安装后，井下各放水器可以通过电缆将自身工作状态传到调度室的上位机，如图4，用以监控和远程操作各放水器。自安装以来，各放水器运行状态良好，故障次数少。

图4 放水器布置示意图

通过使用该智能排渣放水器，有效杜绝了瓦斯抽采过程中水、渣在瓦斯抽采管路中沉积影响瓦斯抽采效果的现象，实现了瓦斯抽采过程中水渣和气的分离，提高了井下瓦斯抽采效果，避免瓦斯超限，确保了工作面的安全生产，而且使用过程中故障率极低，未出现放水口堵塞现象。由于该智能排渣放水器是自主设计制作的，使用的材料都比较常见，加上人工成本共需2 万左右，每套可节约成本2 万元左右，在为矿上解决问题的同时，也为矿上节省了成本。

4 结语

根据潞宁煤矿瓦斯抽采线路积水、沉渣的问题，设计了智能排渣放水器，其控制系统以单片机为控制核心，用电磁阀取代浮球，能够远程监控水位及自身工作状态，解决了传统自动放水器易堵塞、易损坏、维修难、能耗大等问题。通过在煤矿现场应用该智能排渣放水器，成功解决了潞宁煤矿井下瓦斯抽采管路积水、沉渣、排渣等难题，有效地提升了矿井瓦斯抽采效率，节约了成本，保证了井下生产安全。