煤矿井下自动排水系统的节能优化

许东明

(国家能源集团神东煤炭集团布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

地下水的存在造成煤矿内部部分岩石结构和地层结构稳定性较差，这是由于在水的不断侵蚀作用下岩石层会表现出很大的脆性，而一旦煤矿施工人员进入这些危险区域便很可能由于塌陷和渗漏的问题而出现生命危险。目前大部分煤矿施工单位针对地下水问题，采用的都是安装自动排水系统将地下水及时排除。但是如果缺少有效的节能技术，那么在排水的过程中便会造成大量的资源浪费和能源消耗，因此深入研究煤矿井下作业的自动排水节能优化技术具有非常重要的意义[1]。

1 煤矿井下自动排水系统发展现状及存在意义

由于煤矿井下作业所使用的排水系统既要求排水的速度应该满足煤矿井下作业的施工速度要求，同时为了尽可能提高排水的效果，还需要进一步扩大自动排水系统的排水量和提高排水设备的运行功率。因此为了确保自动排水系统的功能更加完善，性能更加优良，在煤矿井下自动排水系统的不断发展过程中所表现出最大特点，便是该系统内部结构越来越复杂、设备元件也越来越精密。而精密的设备结构及复杂的系统内置所带来的弊端，便是该系统在运行工作的过程中所消耗的电能水平非常高。另外，自动排水系统主要通过继电器对系统的运行状态和工作效率进行控制，而以电子系统及相关设备作为主导的控制路径，往往在长时间的高负荷工作状态下更容易产生损坏的问题。同时，煤矿井下自动排水系统在日常使用过程中最常见的故障，还包括排水管道堵塞、系统零部件损耗过大和设备过热导致系统运行受阻等，而这些问题也是在自动排水系统未来的发展过程中急需解决的重要问题[2]。

自动排水系统对于保障煤矿井下作业的施工安全和有关施工单位的财产安全，始终发挥着不可替代的重要作用。在运用排水系统构建矿井排水体系的过程中，其中非常重要的一个环节便是如何科学地选择排水泵的类型以及合理设置排水的位置和路径。水泵与排水路径的选择不合理，将会严重影响到地下水排放的速度，进而加大了在煤矿井下作业的施工人员所处环境中的危险系数。另外，排水系统和水泵之间匹配不合理，在系统运行的过程中便会造成更大的能量损耗与能源浪费，而排水系统能耗过大导致施工经济效益无法得到保障的问题，也是一直以来困扰煤矿施工单位的关键问题[3]。

2 影响煤矿井下自动排水系统运行效率与能耗的原因分析

2.1 自动排水设备运行状态不佳

自动排水设备是构成自动排水系统的主体结构，而排水系统的运行工作则是通过各个设备之间相互连接与配合来实现的。排水系统的能耗与排水设备的运行状态以及运行时长之间，都有着非常紧密的联系，如果排水系统长时间处于工作状态便很容易导致超负荷工作而造成系统能耗进一步提高。另外，如果排水设备的运行状态超出了设备运行标准环境的要求，那么同样也会导致排水系统的运行效率急剧下降，各设备之间由于需要克服其他外在因素的不良影响，因此在相同时间内运行工作所消耗的电能也会随之升高。而由于煤矿井下作业的施工现场周围的环境以及自然条件通常都比较恶劣，再加上自动排水系统及相关设备长期处于潮湿阴冷的环境下，极易引发设备中精密度较高的电子元件发生严重的磨损或毁坏现象。同时沉闷的地下施工环境也会进一步导致施工人员精神状态不佳、工作质量下滑，因此很多不规范的操作行为也加剧了对自动排水系统及设备运行状态的不良影响，进而产生的后果便是缩短了自动排水系统的使用寿命和提高了能耗[4]。

2.2 排水系统及设备技术水平低下

由于煤矿井下作业的恶劣环境以及复杂的地质条件影响，因此施工单位想要确保在煤矿开发施工过程中排放地下水的效率和质量能够达到更高的要求水准，那么就必须要采用能够克服不良工作环境并且保持良好运行效率的排水系统及设备。但是目前就国内大部分煤矿企业而言，受到我国在自动化机械设备的研究和生产领域中发展起步较晚的不良影响，因此很大一部分国内市场中销售的自动化排水设备往往由于技术水平较低，导致很难适应施工难度系数较高的煤矿井下作业工程项目。因此企业便需要花费更多的成本去购买国外先进的自动化排水系统与设备，这种不良现象便造成了开发企业在煤矿工程项目中所需要投入的成本进一步提高。另外，地下水大多包含有较多的杂质和污染物，而在排除地下水时很多杂质便会随着系统的运行而进入到各个排水设备中，因此如果不及时对排水设备中由于水压冲击而吸附在设备内部结构中的杂质与污染物进行有效清理，便会伴随着大量的杂质积累而加大了对排水系统及设备零部件的磨损。

2.3 排水管道及排水路径设计不科学

排水管道的设计是否合理以及排水路径的设置是否科学，对于煤矿井下作业地下水排放的效果和效率影响非常关键，在很多煤矿作业施工项目中往往都会由于排水管道堵塞而造成地下水排放受阻，进而严重影响到施工进度和工期安排。在对地下水进行排放的过程中，排水管道内径的大小以及内壁的光滑程度是决定排水量和排水效率的关键因素：如果排水管道内径过小便会导致排水的效率很难得到提高，因此也无法满足煤矿井下作业的施工速度要求；同时如果排水管道的内径过大，那么很容易导致与排水系统所配备的水泵功率大小不匹配，这样在排除地下水时由于排水管道内部没有充满而无法保持足够的动量关系，因此会造成水流速度受到重力和摩擦阻力的影响过大、排水的效率进一步降低。同理，排水管道内壁的光滑程度也是影响排水过程中水流受到摩擦阻力大小的重要因素，排水管道内壁粗糙将会造成地下水中的杂质与淤泥等留存并吸附在管道内壁上，这样既减小了排水管道的内径，同时也增大了地下水流过排水管道时受到的摩擦阻力。而排水阻力的增大以及水流速度的降低，势必会引起排水系统及相关设备运行效率无法满足施工要求，同时克服阻力所消耗的电能也会进一步增多。最后，排水路径设置不合理将会导致排水路线的长度以及排除地下水的过程中克服重力所做的功，相较于标准的排放路径要提高很多，因此，只有通过进一步优化排水路径和提高排水管道设计水平，才能够更好地保障排水效率和能耗被控制在合理范围内[5]。

2.4 排水泵的超负荷运行现象

通常煤矿施工单位为了确保能够及时完成不同工期阶段所安排的施工任务，因此会通过压缩地下水排放施工时间的方式来提高工作效率，那么在这种情况下便会造成排水泵由于长时间运行工作而产生超负荷现象，进而造成设备过热而消耗更多的电能和加剧了设备磨损程度。另外，由于煤矿施工项目的工程量较大，因此通常都会采用分工的形式在不同时间段安排多项施工任务同时进行，以此来提高施工的效率和保障工期安排顺利完成。而在不分时间段由于不同的施工项目中同时运行的自动化机械设备数量较多，因此引发的用电高峰也是非常容易引发排水泵超负荷运行的主要原因。

3 煤矿井下自动排水系统节能优化的有效措施

3.1 提高排水系统的技术水平

为了更好地解决自动排水系统效率低下以及节能效果不佳的问题，有关研究人员需要通过采用性能更好的设备材料和引进更先进的排水技术来实现。为了改善传统的排水管道阻力过大并且使用寿命较短的问题，因此可以采用更好的耐腐蚀材料来制作排水管道的内壁；同时还可以运用PLC控制系统配合变频控制技术，确保自动排水系统在工作量不大的情况下可以通过变频控制尽可能降低不必要的电能损耗。另外对老旧的控制元件和排水设备进行及时的更换和维修，也是保障煤矿井下自动排水系统稳定运行、进一步降低电能损耗和资源消耗的有效途径。

3.2 采用科学的排水方法

由于矿井内部的不同情况需要采用不同的排水方法，而通过设计科学合理的方案，可以使得能量耗损成本尽可能最低，因此方案设计尤其重要。通常排水设计方案中可以包含压力式、抽水式以及两者并存的抽水方式。在水面位于泵的吸嘴高度之上时，更适合采用压力式排水方法，这种方式下的操作更为简便，开启泵的发动机后缓慢打开闸阀，再无需其他引水装置亦可排净。另一种方法称为吸入排水法，相比较压力式排水法启动操作较为复杂，也会提高能量损耗成本。在水面较低，未到达泵的吸嘴高度时，更适合采用这种方法—吸入排水法。除此之外，如果是对两个水面高度不同的水室进行排水时，则需要两种方式共同使用，两个水室一个采用压力式，一个使用抽水式，充分发挥各自优势，相辅相成，简化了泵的启动程序，也提高了该设备运行的稳定性。因此，应遵循因地制宜，针对不同的实际需求，设计科学合理的排水方案，使得能源耗损成本降为最低。

4 结语

综上所述，采用科学的排水方法和科技水平更高的排水系统，是提高煤矿井下作业地下水排放质量的最有效途径，同时也是更好的控制能源损耗和电能浪费的最优方法。有关技术人员要根据自动化排水系统存在的实际问题进行针对性的优化和调整，以确保排水设备的运行效率与节能效果能够进一步满足未来煤矿开发行业的发展需求。