瓦斯抽采管路智能放水系统研究

（第44卷第1期）

设计·开发

瓦斯抽采管路智能放水系统研究

祝

钊

1，2，3

21，3

，贾振元，冯智鹏，白

1，31，3

雪，吴北平

（1．煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁沈阳110016；2．大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116023；

3．煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

要：煤矿瓦斯抽采管路积水严重影响瓦斯抽采效果和矿山安全生产，在瓦斯抽采系统中引入

智能放水系统可以快速有效排除管路积水。系统采用PLC智能控制技术实现对集水器电磁阀摘

开闭的一对多控制，使用液位传感器实时探测集水器内液位信息，集水器前端增加淤泥过滤器、底端设有排污口。通过实验室调试和现场工业性试验证明系统工作稳定可靠、放水速度快，可以有效排出瓦斯抽采管路积水。

关键词：瓦斯抽采；可编程逻辑控制；集水器；电磁阀

+

中图分类号：TD442．5

文献标志码：B文章编号：1003－496X（2013）01－0094－03

StudyonGasDrainagePipelineIntelligentWaterSystem

2，3333

ZHUZhao1，，JIAZhen－yuan2，FENGZhi－peng1，，BAIXue1，，WUBei－ping1，

（1．ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute，Shenyang110016，China；2．SchoolofMechanicalEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，China；3．StateKeyLaboratoryofCoalMineSafetyTechnology，Fushun113122，China）Abstract：Waterinthegasdrainagepipelineseriouslyaffectsthegasdrainageeffectandminingsafetyproduction，theintroductionofintelligentwatersystemcanruleoutthepipewaterfromthegasdrainagesystemquicklyandefficiently．ThesystemusesPLCintelli-gentcontroltechnologytoachieveone－to－manycontrolforthesolenoidvalvesofwatercollectors，andusestheliquidlevelsensorstodetectthewaterlevelofcollectors．Thesystemputssludgefilterinthefrontofwatercollectorandsetsoutfallinthebottomofwatercollector．Thereliabilityandvelocityofthesystemareprovidedthroughthelaboratorydebugandon－siteindustrialtest，andthesys-temcandischargethewaterofthegasdrainagepipelineeffectively．

Keywords：gasdrainage；programmablelogiccontrol（PLC）；watercollector；solenoidvalve

在煤矿瓦斯抽采过程中，由于钻孔以一定仰角

进入煤岩层，煤岩层中所含的水分不可避免地被抽抽采入瓦斯管路中；同时因井下各处温差变化较大，管道中极易形成大量的冷凝水。瓦斯抽采管路内大量积水将影响整个抽采系统的正常运行，造成系统负压增大，严重时可能导致抽采中断，造成瓦斯超限事故

［1］

1智能放水系统概述

瓦斯抽采管路智能型放水系统采用现代自动化

领域先进的PLC控制技术，通过智能化控制放水容器上电磁阀的开闭状态实现瓦斯抽采管路积水的智能化排放。在采空区或地面瓦斯抽采泵站的瓦斯抽采管路上安装多个集水器，根据积水量的多少调节放水器上电磁阀的开闭状态，实现瓦斯抽采管路积水的高效率、大排量、智能化排放，具体瓦斯抽采管路智能型放水系统在井下采空区布局图如图1。

。因此，定期及时排放抽采管路内积水尤为

重要。

目前，煤矿在解决瓦斯抽采管路积水问题时一

［2］

前者般采用人工放水和负压自动放水2种形式，因耗用人工多、劳动强度大且不能实现连续放水等

原因而逐步被负压自动放水器所取代。然而，现有的自动放水器主要依靠浮力结合磁力改变容器内部空间压力状态的原理实现自动放水功能，仍然存在着放水能力小、使用寿命短、环境适应能力差等缺［3］

点。因此，瓦斯抽采管路急需安装一套放水速度快、排量大，完全智能化控制的管路放水系统。

图1瓦斯抽采管路智能型放水系统布局图

根据采空区煤岩层积水量的多少，在瓦斯抽采管路上每隔一定距离安装集水器，将多个集水器与PLC智能监控分站相连，控制放水阀门的打开与关闭状态。放水容器内部设有液位传感器，通过液位传感器将容器内水位信息传送到PLC监控分站。煤岩层积水中不可避免地混有煤泥、岩粒等杂质，如果阻塞在放水阀口，则会影响排水效果，严重时还会使瓦斯抽采管路中混入大量的空气，稀释瓦斯浓度，

给瓦斯抽采系统带来安全隐患［4］

。因此，在管路积水流入集水器的前端设计安装过滤装置，并在集水器底部设有排污口，及时清理放水系统中的煤泥和污垢，确保系统长时间可靠运作，快速排出管路积水。2放水系统工作原理

2．1

集水器结构设计目前，井下使用的自动放水器主要采用浮力与

磁力相结合的力学工作原理，

改变放水器内部空间压力状态，实现管路积水的自动排放［5］

。这种方法虽然能够满足一般情况下的自动放水要求，但仍放水速度较慢，部分地段管路仍有积水；管路淤泥阻塞进出排水口，导致浮球密闭不严，长时间使用则失去

其自动排水效果，

影响矿井瓦斯抽放［6］

。瓦斯抽采管路智能放水系统的集水器彻底摒弃

放水器原有的工作原理，集水口与放水口均采用先进的电磁阀进行控制，集水器前端增加过滤器对管路积水进行净化，内部使用液位传感器探测水位信息，使用PLC智能化控制管路积水的排放，集水器具体结构连接图如图2。

图2

集水器结构连接图

（2013－01）

·95·

2．2系统工作原理

煤矿瓦斯抽采智能放水系统在集水器的集水

口、负压口、气压口和放水口分别安装电磁阀，由PLC监控分站控制阀门开闭状态，实现积水的收集与排放。在瓦斯抽采管路负压状态下，集水阀A常

开、

负压平衡阀B常开；放水阀C常闭、大气压平衡阀D常闭，当液位传感器检测到水位高于上限时，传递超限信号至PLC监控分站，使其控制阀A、阀B关闭，阀C、阀D打开，集水器在常压状态下将管路积水自然排出；当液位传感器检测到低于下限时，传递超限信号至PLC监控分站，使其控制阀A、阀B打开，阀C、阀D关闭，集水器内恢复抽采管路负压状态，

管路积水通过阀A继续流入集水器中。系统设有本安操作台与智能PLC监控分站相连，可以实现集水器各阀门的手动控制。当集水器内淤泥过多

时，可以手动将淤泥从排污口排出，防止淤泥过多对集水器阀门造成损坏。3

PLC监控分站

PLC监控分站用于控制瓦斯管路集水器阀门的开闭状态，进而实现瓦斯管路放水系统的智能控制与排放。每个PLC监控分站设有多路信号传输，实现对集水器的一对多控制。3．1监控分站硬件设计

PLC监控分站由PLC控制电路、通信接口电路、光电隔离转换电路、电源供电电路等组成，通过对水位超限信号、集水器状态信号等数据的采集完成对瓦斯抽采管路放水系统各阀门的控制，具体结构框图如图3。

图3PLC监控分站电路结构框图

PLC控制电路采用西门子S7－200系列PLC

作为控制核心［7］

，实现对集水器工作状态、水位等信息的检测，控制集水器阀门的开闭状态，并将每个集水器的工作状态信息显示在分站显示屏上。监控

分站中还设计了RS485通信接口电路和光电隔离转换电路，分别用于液位传感器检测水位信号的输

·96·

（第44卷第1期）

设计·开发

入接口、PLC阀门控制信号的输出接口，以及手动控

制信号和集水器工作状态信号的输入。电源供电电路通过变压器将交流电压转换为本安电源输出，为系统各部分供电。3．2

监控分站软件设计

监控分站的软件设计采用梯形图语言编写PLC分站监控软件程序，实现对集水器液位参数及设备工作状态数据的采集、换算与设备控制，并将集水器

状态信息在分站显示屏上显示［8］

。具体PLC监控分站主程序流程图如图4。

图4PLC监控分站主程序流程图

系统初始化后调用采集数据子程序，接收液位

传感器探测的水位数据信息；判断水位是否超过设定上限值，若超限则调用放水子程序；若没有超过上限，则判断水位是否超过设定下限值，若超限则调用集水子程序，若没有超过下限，则返回主程序继续调用数据采集子程序。放水子程序用于控制排出集水器内积水。首先关闭负压平衡阀B，

2s后关闭集水阀A；5s后打开大气压平衡阀D，

2s后打开放水阀C，积水在大气压作用下从放水口排出。放水子程序返回集水器工作状态参数至主程序。

集水子程序用于控制瓦斯抽采管路积水流入集水器内。首先关闭大气压平衡阀D，

2s后关闭放水阀C；5s后打开负压平衡阀B，

2s后打开集水阀A，当集水器内处于负压状态时，管路积水开始从抽采管路流入集水器内。集水子程序返回集水器工作状

态参数至主程序。4

结

语

瓦斯抽采管路智能放水系统采用PLC控制技术，使用电磁阀代替浮球、浮子控制积水排放与收集，具有集水器工作状态与水位信息的监测功能。系统采用PLC一对多控制方式，可以实现瓦斯抽采管路积水的连续收集与排放，具有操作方法简便、控制与监控方式明确、放水量大且连续、使用寿命长等优点，

为数字化矿山的瓦斯抽采管路积水排放提供了一套高效、可靠的监控系统。参考文献：

［1］王俊涛，王康健，张炀．KKZ－1型快速可控自动放水

器［

J］．煤矿安全，2010（10）：20－22．［2］孟繁金，王素枝，靳光法．连续式负压自动放水器的研

制［

J］．煤矿机电，2010，1（5）：70－72．［3］余天明．自动放水器在瓦斯抽放系统中的应用与改造

［J］．煤矿现代化，2010，94（1）：72－73．

［4］郝全明，白豹，孙晶，等．高负压情况下新型放水器的

研究与应用［

J］．煤炭技术，2010，11（5）：12－13．［5］陈军，曾春贵，童文文．煤矿瓦斯抽采系统自动排水技

术［

J］．山西煤炭，2010，30（9）：78－79．［6］官平刚，黄大永．煤矿瓦斯抽放系统全自动放水器的

改进［

J］．矿用安全与环保，2004，31（6）：11－13．［7］西门子（中国）有限公司．西门子S7－200可编程控制

器系统手册［

M］．北京：电子工业出版社，2002．［8］廖常初．PLC编程及应用［M］．北京：机械工业出版社，

2005．

作者简介：祝

钊（1983－），男，安徽安庆人，助理研究

员，大连理工大学在读博士研究生，现任煤炭科学研究总院沈阳研究院机电安全研究所所长，主要从事煤矿机电安全设备的设计与研发工作。

（收稿日期：2012－06－12；责任编辑：李力欣）