图1 压力管引水方式
佘影， 罗明华， 张海峰
(中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039)
摘要：根据煤矿项目经验，统计了当前煤矿排水系统中常用的引水方式，详细介绍了各种引水方式的基本组成、工作原理和适用环境，研究并阐述了不同引水方式在自动排水监控系统中的实现方法，分析总结了其各自的优缺点，为煤矿自动排水监控系统建设提供了技术参考。
关键词：煤矿排水； 引水方式； 自动控制； 监控系统
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目前，我国煤矿井下主排水系统中使用的水泵主要是矿用耐磨离心泵。离心泵是利用叶轮旋转使水发生离心运动来工作的，在水泵启动前，必须使泵壳和吸水管内充满水。使水充满泵壳和吸水管的方法，被称作水泵的引水方式。离心泵引水方式主要有有底阀引水、无底阀引水2类[1]。有底阀引水又分为压力管引水、高架水箱引水、水上底阀引水，无底阀引水又分为射流引水、真空泵引水、真空罐引水、子母泵引水、正压引水、自吸引水。由于煤矿井下环境条件限制，煤矿井下排水系统常用的引水方式主要是压力管引水、射流引水、真空泵引水、真空罐引水等。
压力管引水是有底阀引水方式中最常用的一种，利用排水管内的存水来为水泵灌引水[2]，如图1所示。
图1 压力管引水方式
井下水泵排水管上基本都装有逆止阀，排水管内都有存水。在逆止阀和调节闸阀的两侧加装旁通阀，可将排水管内的存水引入泵体，实现水泵灌引水。启泵前，打开旁通阀和排气阀，排水管内的存水通过旁通阀进入泵体和吸水管，空气通过排气阀排出，当排气管内有水流出时，关闭旁通阀和排气阀，合闸启动电动机。
该引水方式的优点是设备简单、易于使用；缺点是底阀处于水仓底部，容易被异物卡住，导致密封不严，影响灌水，也不便于检修维护，而且底阀处水头损失较大，排水效率不高。
在设计自动排水监控系统时，需将旁通阀和排气阀更换为电动阀，以实现程序控制；在排气管上加装液位开关，用于监测是否有水流出。
射流引水是利用压力水通过射流器时产生的真空将泵体内空气逐渐带走，水仓水沿吸水管自下而上充满泵壳的一种引水方式。该方式主要采用射流器、射流阀、真空阀、真空表等设备，如图2所示。
图2 射流引水
使用该方式引水时，首先同时打开射流阀和真空阀，压力水经射流阀进入射流器并驱动其吸气室内形成真空，泵体内的空气经真空阀进入射流器吸气室，并逐步排空，当真空表负压值达到启泵所需压力时，关闭真空阀和射流阀，合闸启动电动机。
射流引水方式是目前煤矿井下应用最广的无底阀引水方式，其优点是设备简单、安装方便、易于维护；缺点是引水效率不够高，需要大量的压力水作为动力。为避免压力水不足时整个泵房瘫痪，通常泵房内至少保留1台带有底阀的水泵。
设计自动排水监控系统时，需将射流阀、真空阀更换为电动阀，同时在真空表处利用三通接入负压传感器，通过程序实现射流控制和负压判断。压力水是射流引水得以正常工作的关键，为进一步增加系统可靠性，通常还在射流阀前面增加2～3台选择阀，以实现排水管及消防水等多个压力水源的选择。
真空泵引水方式采用水环式真空泵的偏心结构，周期性地形成负压，抽取水泵和吸水管内的空气，并通过循环水箱的汽水分离功能实现水箱水的循环使用，逐渐排空泵体内的空气[3]。该方式主要采用真空泵、循环水箱、真空阀、注水阀及真空表等设备，如图3所示。
图3 真空泵引水
使用该方式引水时，需保证循环水箱内有一定量的存水。水泵启动前，打开注水阀，循环水箱内的水在重力作用下流入真空泵。当水位淹没真空泵叶轮时，启动真空泵并打开真空阀，使真空泵吸气口与离心泵泵体连通，以抽取离心泵泵壳内的空气。空气和水在真空泵内混合，经汽水混流管重新流入循环水箱，然后空气被排入大气中，循环水继续从循环水箱底部流入真空泵，实现循环使用。真空泵启动后，需持续观察真空表数值，当负压满足水泵启动条件时，合闸启动水泵电动机并关闭真空泵及抽真空相关阀门。
该引水方式的优点是抽真空效率高，不需要压力水源，缺点是需要为真空泵提供额外动力，并需要一定的设备安装空间，设备成本较高。为降低设备成本并节省空间，泵房内通常只配备一主一备2台真空泵，多水泵通过管路设计实现真空泵共享。
真空泵需要少量的水作为媒介才能实现抽真空操作，因此，必须确保真空泵内有足够的水。设计自动排水系统时，通常采用2种方式来确保真空泵内有水。方式1：在循环水箱内增加水位开关，在水箱上方增加补水管道和补水阀，以实现循环水箱的水位监测和补水操作；方式2：取掉水箱，直接将真空泵注水管接到水泵排水管上，利用排水管内大量的存水为真空泵提供水源，汽水混流管内的水直接排到水泵房水仓。此外，要实现自动排水控制，除更换电动阀和增加负压传感器外，还需为水环式真空泵提供状态采集接口和控制输出接口。
真空罐引水方式在水泵吸水口与吸水管之间加密闭的水箱，启泵前水箱内加满水并保持密闭；启泵时水泵抽取真空罐内的水，造成罐内负压；随着真空度的增加，吸水管内的空气逐渐被吸入真空罐，最后水仓内的水被吸入真空罐，水泵正常运行。该方式主要采用真空罐、注水阀等设备，如图4所示。
图4 真空罐引水
理论上，真空罐引水方式只需要为真空罐灌水一次，但实际上，由于受设备漏水等因素的影响，每隔一段时间都要检查真空罐内的水位。该引水方式的优点是水泵启动时不需要每次都进行灌引水操作，使用方便快捷；缺点是水箱占用空间较大，其体积一般不小于水泵吸水管体积的3倍。
该引水方式实现自动控制的关键是如何实现真空罐水位的监测和电动注水。通常有2种设计思路：一种是将水箱的注水阀更换为电动阀，并在吸水管位置增加一组排气阀和水位开关，每次启泵前都执行注水操作；另一种是在真空罐上加装水位传感器，精确测量真空罐水位，仅在水位超低时才执行注水操作。
除以上常用的引水方式外，煤矿井下还有子母泵、正压水仓、自吸泵及潜水泵等引水(排水)方式。
子母泵是水泵正压启动的一种，是将小型潜水泵(子泵)加装在离心泵(母泵)吸水管上，通过子泵为母泵提供引水的一种引水方式。离心泵启动前，首先启动小型潜水泵，由潜水泵向离心泵吸水管打水，之后启动离心泵；待离心泵正常运行后，停止潜水泵。该方式的优点是母泵的启动速度和成功率高，缺点是潜水泵检修维护不方便。
正压水仓方式是将水仓建造在高于离心泵的位置，在水泵吸水管上加装进水闸阀，水泵启动前打开进水闸，水仓内的水在重力作用下自动充满泵壳。该方式的优点是启泵流程简单，对水泵气密性要求低；缺点是水仓建设难度大，存在一定危险性，为排出水仓积水，需与负压水仓同时建设。
自吸泵通过水泵自身结构实现水泵的灌引水操作。在水泵运转前，需在泵腔内存有一定量的水，自吸泵启动后，由于叶轮的旋转作用，使吸水管路的空气和水充分混合，并被排到汽水分离室。汽水分离室上部的气体溢出，下部的水返回叶轮，重新和吸入管路的剩余气体混合，直到把泵及进水管路内的气体全部排尽，完成自吸，使水泵进入正常工作状态。该方式的优点是不需要额外的引水装置，控制流程简单；缺点是泵体结构复杂，井下检修维护困难。
潜水泵是离心泵的一种特殊形式，可直接在水下使用，其优点是启停控制简单，缺点是水泵长期浸泡于矿井水下，故障后难以检修维护。
煤矿井下排水系统是煤矿安全生产中不可或缺的环节，水泵能否顺利启动直接关系到排水系统的运行效果。由于煤矿井下空间、水质等条件的限制，井下水泵更适合选择设备简单、操作维护方便的引水方式。随着煤矿自动化水平的提高，煤矿对排水系统运行效率的要求越来越严格，根据泵房实际情况选择合适的引水方式，是有效提高排水系统运行效率的重要保证。
参考文献：
[1] 上海市政工程设计研究院.给水排水设计手册(第3册):城镇给水[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2003.
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[5] 马胜利,温国栋.嵌入式技术在煤矿排水系统中的应用[J]. 西安科技大学学报, 2009,29(1):93-96.
SHE Ying, LUO Minghua, ZHANG Haifeng
(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)
Abstract：Based on project experience of coal mine, water directing styles of coal mine drainage system were counted, and their basic compositions, working principles and applicable environment were described particularly. Implementation methods of different water directing styles on automatic drainage system were studied and expressed. Advantages and disadvantages of the different styles were compared and summarized to provide technical reference for automatic drainage system.
Key words：coal mine drainage; water directing style; auto control; monitoring system
收稿日期：2016-01-20；
修回日期：2016-04-26；责任编辑：胡娴。
作者简介：佘影(1978-)，男，四川巴中人，工程师，主要研究方向为煤矿有线/无线通信、控制技术等，E-mail:sysysy.boy@163.com。
中图分类号：TD636
文献标志码：B 网络出版时间：2016-06-01 10:24