矿井防灭火远距离动压灌浆系统及其监控设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及矿井防灭火远距离动压灌浆系统及其监控设备，该动压灌浆系统包括制浆池、浆液输送管道、浆液加压泵和排污系统，其中，所述监控设备包括控制器和设置在浆液输送管道中的用于检测地面浆液输送管道流量的流量传感器和用于检测地面浆液输送管道压力的地面压力变送器及用于检测井下浆液输送管道压力的井下压力变送器，该控制器设计为PLC控制器，该PLC控制器包括检测端、控制端和输出端，其中，检测端将通过压力变送器和流量传感器采集的管道压力信号和流量信号传输至PLC的控制端中；控制端基于该管道压力信号和流量信号产生控制信号；由输出端将该控制信号输出至浆液加压泵的电动机，对该电动机进行控制，以防止浆液输送管道压力超限和压力分布不均对浆液动压灌浆系统造成损害。
【专利说明】矿井防灭火远距离动压灌浆系统及其监控设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及矿井灌浆防灭火【技术领域】，具体而言涉及一种矿井防灭火远距离动压灌浆系统以及用于该动压灌浆系统的监控设备。
【背景技术】
[0002]在煤矿防灭火工作中，灌浆技术在国内外有许多成功的应用，经实践检验，灌浆技术是防治矿井煤自燃最为有效的措施之一，其中，当浆液流到采空区以后，固体颗粒物沉淀下去，充填在浮煤裂隙中间，形成有效的漏风隔离带，隔绝与空气的接触从而防止煤层被氧化；同时增加煤层的水分，达到抑制煤氧化的发展，对已经自热的区域起到散热作用，冷却采空区的围岩，降低采空区中的煤岩温度；当浆液脱水后，可以形成一块堆积物，可以有效减少采空区内的漏风情况。灌浆技术能够有效控制火区的温度降低，在一般的厚煤层分层开采的时候，一方面可以有效的防火，另一方面可以形成良好的浆液顶板，对下分层的开采创造了有利的条件。因此，该技术是一项对矿井煤自燃很有效的防灭火手段。
[0003]在20世纪90年代初期，由于工业技术发展迅速，大规模的应用在工矿企业中，煤矿部分企业广泛的应用高产高效集约化生产，煤矿的机械化程度得到了大幅提高，同时，现代化的综放采煤法应用范围不断扩大，其采煤的速度也得到了日益加快，但是这给采空区留下了大量的遗煤，使得采空区自然发火的问题变得更加突出。一般采用预测和预报的技术手段以及各种预防性措施，这虽然在表面上有效的减少了煤自燃引发的火灾概率，但是在采空区中煤自然发火问题仍然存在。如何快速、安全、有效的扑灭采空区煤自燃火灾，使之既可以保证矿井的安全生产，又能够保护煤炭资源和生态环境，这都有着非常大的社会意义。
[0004]由于目前的大多数矿井采用的是综放开采，所以矿井开采的范围不断的进行延伸，我国煤矿大约以每年IOm左右的速度向下延伸，导致了许多新问题的出现，其中比较集中突出的问题是矿井浆液输送管道要跟随着采区的沿伸不断加长，造成浆液输送管道的阻力不断增大，管路出口压力变小、管道易堵塞等问题变得日益突出。解决这些问题的一般方法是通过在灌浆站利用加压泵等加压工具进行加压来提高管路的出口压力。由于在灌浆工作中管路中压力大小属于不可控制的因素，不能对其及时做出调整，而一旦当压力过大时，则可能会出现管路损坏等情况。目前大多数矿井的管路压力监测手段主要是利用人工来对其进行测定，因此不能够提供实时监测的压力数据；这些因素导致现有的灌浆系统不能很好地满足煤矿对安全性的要求。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是解决煤矿防灭火灌浆技术中远距离灌浆和由此引起的局部压力分布不均匀而导致的压力过大损坏浆液输送管道的问题，提供一种低成本、安全、可靠的矿井防灭火远距离浆液动压输送监控设备，从而在增加矿井远距离浆液输送动力的前提下，能够监控、尤其是实时在线监控矿井动压浆液输送管道压力的变化趋势，确保矿井防灭火灌浆系统安全、可靠运行。
[0006]本实用新型解决上述问题的思路是:设定浆液输送管道不同监测点的压力超限阈值，利用控制技术、例如PLC控制技术实现:一旦管路压力持续超限超出设定时间，便使浆液加压泵停止工作，并及时报警和定位管路超限区域；此外，为防止压力超限爆管而同时开启自动泄压系统进行泄浆，当管路压力低于预设的预设报警阀值时使自动泄压系统自动闭合，从而确保矿井防灭火动压灌浆系统的可靠、稳定的运行。
[0007]为解决以上技术问题，本实用新型提出以下的技术方案:
[0008]按照本实用新型的用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，所述动压灌浆系统(100)包括制浆池(101)、浆液输送管道(102)、浆液加压泵(103)和排污系统(200)，其特征在于，所述监控设备(300)包括控制器(310)和设置在浆液输送管道中的用于检测地面浆液输送管道流量的流量传感器(320 )和用于检测地面注浆站浆液输送管道压力的地面压力变送器(330)及用于检测井下浆液输送管道压力的井下压力变送器(340)，该控制器(310)设计为PLC控制器，该PLC控制器包括检测端、控制端和输出端，其中，检测端将通过压力变送器和流量传感器采集的管道压力信号和流量信号传输至PLC的控制端中；控制端基于该管道压力信号和流量信号产生控制信号；由输出端将该控制信号输出至浆液加压泵(103)的电动机(M)，对该电动机(M)进行控制，以防止浆液输送管道(102)压力超限和压力分布不均对浆液动压灌浆系统(100)造成损害。
[0009]根据本实用新型的一种扩展方案，所述监控设备(300)还包括用于在浆液输送管道(102)中超压时对该浆液输送管道(102)进行自动泄压的管路超压自动泄压系统(500)。
[0010]根据本实用新型的一种扩展方案，所述浆液输送管道(102 )与注氮管路连接，利用阀门切换，组成互为备用的双通路。
[0011]根据本实用新型的一种扩展方案，所述排污系统(200)包括信号线、电源线、排污泵(203)、排污管道、排污池及排污控制箱，该排污控制箱对排污池中液位高低进行控制，当液位超过设定高水位值时，使排污泵开启，将浆液回流至制浆池(101)中。
[0012]根据本实用新型的一种扩展方案，所述排污泵(203)具有手动工作模式和自动工作模式，其中，
[0013]—在自动工作模式中，当按下排污泵(203)的自动控制按钮(SA)时，排污泵(203)的控制信号来自浮球液位开关(S)传来的开关量:当排污泵的液位上升至高水位设定值时，浮球液位开关(S)闭合，第一继电器(KA1)吸合，并形成自锁功能，带动接触器(KM)得电，则排污泵(203)开启；当排污泵(203)的液位下降至低水位设定值时，排污控制系统的主回路中的常闭触点(SI)断开，则第一继电器(KA1)断开，接触器(KM)断电，排污泵(203)停止工作；
[0014]—在手工工作模式中，按下排污泵(203)的启动按钮(SB)，第二继电器(KA2)K合，并形成自锁功能，带动接触器(KM)得电，则排污泵(203)开启；按下排污泵(203)的停止按钮(SBS)，排污控制系统的主回路中的常闭触点断开，则第二继电器(KA2)断开，接触器(KM)断电，排污泵(203)停止工作。
[0015]根据本实用新型的一种扩展方案，所述管路超压自动泄压系统(500)包括弹簧微启式安全阀(501)，矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的地面浆液输送管路设有地面压力变送器(330)、井下浆液输送管路设有井下压力变送器(340)，当地面压力变送器(330)监测到地面注浆站浆液输送管路浆液压力达到0.8MPa时，PLC控制器(310)控制浆液加压泵(103)停止工作，同时弹簧微启式安全阀(501)自动打开，对浆液输送管道(102)中出现的压力超限情况进行泄压，根据GPD60型井下压力变送器(340)监测的压力异常数据判定井下浆液输送管路的堵塞位置。
[0016]根据本实用新型的一种扩展方案，所述PLC控制器能够实现局部压力过大引起损坏管路的超压保护功能，其中，PLC的压力信号端口(IINO)和流量信号端口(IINl)分别接收来自地面压力变送器和电磁流量计的信号，如果压力超过设定值并持续50s以后，PLC的02端口便发出控制信号，使得第二继电器(KA2)闭合，带动接触器得电，则在PLC控制系统的主回路中的常闭触点断电，使得电动机停止工作。
[0017]根据本实用新型的矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)，所述动压灌浆系统(100)包括制浆池(101)、浆液输送管道(102)、浆液加压泵(103)和排污系统(200)，其特征在于，所述动压灌浆系统还包括如上所述的监控设备(300)。
[0018]本实用新型提供的动压灌浆系统的监控设备结构简单，操作方便，运行安全，稳定可靠，无需改变PLC控制柜中继电器硬接线逻辑，灵活性高，故障率低，并且系统使用的器件均是常见器件，便于日后的维护。此外，泄压口的浆液通过排污系统反排到浆液池中，对环境和人员没有影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为按本实用新型的矿井防灭火远距离动压灌浆系统的示意的结构组成框图；
[0020]图2为按本实用新型的监控设备的控制逻辑图；
[0021]图3为按本实用新型的监控设备的管路超压自动泄压系统的控制逻辑图；
[0022]图4为按本实用新型的监控设备的排污控制图；
[0023]图5为按本实用新型的监控设备的PLC控制图；
[0024]图6为按本实用新型的监控设备的PLC梯形图。
【具体实施方式】
[0025]图1示出按本实用新型的矿井防灭火远距离动压灌浆系统的示意的结构组成框图。图2示出按本实用新型的监控设备的控制逻辑图。本实用新型的矿井防灭火远距离动压灌浆系统100包括制浆池101、浆液输送管道102、浆液加压泵103和排污系统200，其中，该动压灌浆系统100还包括监控设备300，该监控设备包括控制器310和设置在浆液输送管道中的用于检测地面浆液输送管道流量的流量传感器320和用于检测地面浆液输送管道压力的地面压力变送器330及用于检测井下浆液输送管道压力的井下压力变送器340，该控制器310用于根据地面压力变送器330、井下压力变送器340和流量传感器320测得的压力信号和流量信号对浆液加压泵103的运行状态进行动态控制，以防止浆液输送管道102压力超限和压力分布不均对浆液动压灌浆系统100造成损害。
[0026]在本实施例中，制浆池101包括粉煤灰或黄土浆液，为PLC控制器所控制的浆液加压泵103提供浆液；浆液输送管道102为DNlOOmm (直径为4英寸)无缝钢管，钢管接头为矿用快速接头。
[0027]该矿井防灭火远距离浆液动压灌浆系统的工作过程为:[0028]在矿井灌浆站，从电厂灰库干灰排放口取得粉煤灰，采用FU粉料输送机、冲灰搅拌机把粉煤灰运至注浆厂房，在制浆池中加水制成初浆，通过初浆沉淀、余水外排实现灰浆浓缩效果；在注浆厂房内利用搅拌池、移动式灰浆搅拌机、水泥添加装置等设施，制备合格的粉煤灰水泥浆；采用大坡度自流静压注浆，浆液输送管道、即灌浆下井立管与注氮立管通过管路系统连接，利用阀门切换，组成互为备用的双通路一利用管路灌注气体(主要是氮气)，形成惰化带，隔绝氧气；用阀门切换实现管路的注氮气和灌浆的切换，即同一个管路，分别可以进行注氮气和灌浆一，这样可以更加有效的减少井下采空区危险性，使灌浆系统的可靠性得到提高。对浆液输送管道进行静压自流10分钟清水，此时完全利用浆液自重进行灌注；然后停止静压自流的灌注清水，利用阀门切换装置将静压注浆切换至动压注浆方式，此时动压注浆产生的压力是由浆液加压泵的出口压力和浆液自重产生的压力叠加；最后改为动压灌注清水30分钟，以冲洗管路，避免浆液凝固堵塞管路。利用出口压力为
1.1MPa, 口径为DNlOOmm (直径为4英寸)的浆液加压泵(进行浆液初始加压，再利用注浆站铺设的浆液输送管将浆液运送到采空区。
[0029]图3示出按本实用新型的监控设备300的管路超压自动泄压系统500的控制逻辑图。管路超压自动泄压系统500包括弹簧微启式安全阀501，管路超压自动泄压系统500的泄压口设计在排污池的上方，防止浆液污染环境一，当KGY50型地面压力变送器330监测到注浆站管路浆液压力达到0.8MPa时，PLC控制器310控制浆液加压泵103停止工作，同时弹簧微启式安全阀501自动打开，对浆液输送管道102中出现的压力超限现象进行泄压。所述管路超压自动泄压系统是根据井下管路出现压力骤升情况或用浆地点注满压力积聚现象发生时，当泄压口压力值达到0.SMPa后，安全阀自动打开，进行管路初期泄压。
[0030]图4示出按本实用新型的监控设备300的排污控制图。在未详细示出的本实施例中，排污系统包括信号线、电源线、排污泵、排污管道、排污池及排污控制箱，该排污控制箱对排污池中液位高低进行控制，当液位超过设定高水位值时，使排污泵开启，将浆液回流至制浆池中。
[0031]如图4所示，该排污系统可以对排污泵103实行自动/手动切换:
[0032]I)手动状态:按下排污泵的启动按钮SB，继电器KA2吸合，并形成自锁功能，带动接触器KM得电，则排污泵开启；按下排污泵的停止按钮SBS，排污控制系统的主回路中的常闭触点断开一排污控制系统的主回路由断路器、交流接触器组成，实现电机的运转一，则继电器KA2断开，接触器KM断电，排污泵停止工作；
[0033]2)自动状态:当按下SA按钮时，为自动状态，其信号来自浮球液位开关S传来的开关量。当液位上升至高水位设定值时，浮球液位开关S闭合，继电器KA1吸合，并形成自锁功能，带动接触器KM得电，则排污泵开启；当液位下降至低水位设定值时，排污控制系统的主回路中的常闭触点SI断开，则继电器KA1断开，接触器KM断电，排污泵停止工作。
[0034]图5和图6分别示出按本实用新型的监控设备300的PLC控制图和PLC梯形图。在该动压灌浆系统内，控制器310设计为PLC控制器，该PLC控制器包括检测端、控制端和输出端，其中，检测端将通过压力变送器和流量传感器采集的管道压力信号和流量信号(4?20mA电流信号)传输至PLC的控制端中；控制端基于该管道压力信号和流量信号根据存储的程序产生控制信号；由输出端将该控制信号输出至衆液加压泵103的电动机M,对该电动机M进行控制，达到控制效果。[0035]如图5所示，闭合断路器QF，系统上电，控制回路中的主隔离器闭合，为PLC、交流接触器及保护回路供电。按下浆液加压泵启动按钮，信号送至PLC中，PLC程序控制02号端口发出信号，则继电器KA2吸合，并带动接触器KM2和KM3得电，此过程称为电动机降压(80%)启动过程，时间为12s。12s后，PLC中的01号端口发出信号，继电器KA1吸合，此时PLC控制系统的主回路中的接触器KM1得电，电动机以全压启动运转一PLC控制系统的主回路主要由断路器、交流接触器和自耦减压变压器等组成，通过三台交流接触器实现对电动机的转动控制，实现电机的运转一。在PLC的压力信号端口 IINO和流量信号端口 IINl分别接收来自KGY50型地面压力变送器和电磁流量计的信号。如果压力超过设定值，并持续50s以后，PLC的02端口便发出信号，继电器KA2闭合，带动接触器KM3得电，则在PLC控制系统的主回路中的常闭触点KM3断电，使得电动机停止工作。PLC控制器实现局部压力过大引起损坏管路的超压保护功能。在图4、图5中，FR表不排污系统回路保护装直,FU表不PLC控制系统的电压测量电阻，LD1表示排污控制装置排污泵开启信号灯，LD2表示排污控制装置排污泵关闭信号灯。
[0036]如图6所示，PLC运行时，通过可触摸液晶显示屏中设置的切换系统的自动/手动运行方式来进行切换，按照系统设计要求此处为手动开启方式。在PLC设置中，1:0.01表示PLC接收到的压力输入信号；Q:100.02表示PLC发出停止信号。P_on为PLC中的常通标志，即有压力信号输入后，直接通过P_on端口与比较器进行压力值大小比较，若压力输入值等于或大于设定最高压力值，则信号通过P_EQ (等于EQ标志)*P_GT (大于GT标志)传到定时器T018中，此时，定时器设定为50s，若50s后压力值仍然比设定值大，则定时器发出信号传到Q: 100.02中，控制浆液加压泵停止运转。由此硬件和软件控制结合的动压灌浆系统装置可以在管路压力积聚的时候进行有效保护，起到了管路防爆裂作用，同时为井下浆液输送管道的安全起到了主动预防的作用。
[0037]按照一种未示出的实施例，本矿井防灭火远距离浆液动压输送系统的监控设备还可以包括上位机监控装置，上位机监控装置包括监测软件和工控机，通过监测软件实时显示监测浆液输送管路的压力分布情况。该监测软件由数据监测模块、数据分析模块、数据管理模块和数据输出模块构成，用于对浆液输送管道的压力进行实时监测和预警，可实时显示全程分区图及其压力曲线，具有超压报警(设定最大压力/最低压力值)、装置异常等报警功能，可以查询历史数据并显示或打印历史曲线，具有TCP/IP接入功能等，可实现对灌浆管道的压力进行实时监测和预警。
【权利要求】
1.用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，所述动压灌浆系统(100)包括制浆池(101 )、浆液输送管道(102)、浆液加压泵(103)和排污系统(200)，其特征在于，所述监控设备(300)包括控制器(310)和设置在浆液输送管道中的用于检测地面浆液输送管道流量的流量传感器(320 )和用于检测地面注浆站浆液输送管道压力的地面压力变送器(330 )及用于检测井下浆液输送管道压力的井下压力变送器(340 )，该控制器(310 )设计为PLC控制器，该PLC控制器包括检测端、控制端和输出端，其中，检测端将通过压力变送器和流量传感器采集的管道压力信号和流量信号传输至PLC的控制端中；控制端基于该管道压力信号和流量信号产生控制信号；由输出端将该控制信号输出至浆液加压泵(103)的电动机(M)，对该电动机(M)进行控制，以防止浆液输送管道(102)压力超限和压力分布不均对浆液动压灌浆系统(100)造成损害。
2.如权利要求1所述的用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，其特征在于，所述监控设备(300)还包括用于在浆液输送管道(102)中超压时对该浆液输送管道(102)进行自动泄压的管路超压自动泄压系统(500)。
3.根据权利要求1所述的用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，其特征在于:所述浆液输送管道(102)与注氮管路连接，利用阀门切换，组成互为备用的双通路。
4.根据权利要求1所述的用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，其特征在于:所述排污系统(200)包括信号线、电源线、排污泵(203)、排污管道、排污池及排污控制箱，该排污控制箱对排污池中液位高低进行控制，当液位超过设定高水位值时，使排污泵开启，将浆液回流至制浆池(101)中。
5.根据权利要求4所述的用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，其特征在于:所述排污泵(203)具有手动工作模式和自动工作模式，其中， —在自动工作模式中，当按下排污泵(203)的自动控制按钮(SA)时，排污泵(203)的控制信号来自浮球液位开关(S)传来的开关量:当排污泵的液位上升至高水位设定值时，浮球液位开关(S)闭合，第一继电器(KA1)吸合，并形成自锁功能，带动接触器(KM)得电，则排污泵(203)开启；当排污泵(203)的液位下降至低水位设定值时，排污控制系统的主回路中的常闭触点(SI)断开，则第一继电器(KA1)断开，接触器(KM)断电，排污泵(203)停止工作； —在手工工作模式中，按下排污泵(203)的启动按钮(SB)，第二继电器(KA2)吸合，并形成自锁功能，带动接触器(KM)得电，则排污泵(203)开启；按下排污泵(203)的停止按钮(SBS)，排污控制系统的主回路中的常闭触点断开，则第二继电器(KA2)断开，接触器(KM)断电，排污泵(203)停止工作。
6.根据权利要求2所述的用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，其特征在于:所述管路超压自动泄压系统(500)包括弹簧微启式安全阀(501)，矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的地面浆液输送管路设有地面压力变送器(330)、井下浆液输送管路设有井下压力变送器(340)，当地面压力变送器(330)监测到地面注浆站浆液输送管路浆液压力达到0.8MPa时，PLC控制器(310)控制浆液加压泵(103)停止工作，同时弹簧微启式安全阀(501)自动打开，对浆液输送管道(102)中出现的压力超限情况进行泄压，根据GPD60型井下压力变送器(340)监测的压力异常数据判定井下浆液输送管路的堵塞位置。
7.根据权利要求1所述的用于矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)的监控设备，其特征在于:所述PLC控制器能够实现局部压力过大引起损坏管路的超压保护功能，其中，PLC的压力信号端口(IINO)和流量信号端口(IINl)分别接收来自地面压力变送器和电磁流量计的信号，如果压力超过设定值并持续50s以后，PLC的02端口便发出控制信号，使得第二继电器(KA2)闭合，带动接触器得电，则在PLC控制系统的主回路中的常闭触点断电，使得电动机停止工作。
8.矿井防灭火远距离动压灌浆系统(100)，所述动压灌浆系统(100)包括制浆池(101)、浆液输送管道(102)、浆液加压泵(103)和排污系统(200)，其特征在于，所述动压灌浆系统还 包括如权利要求1至7之一所述的监控设备(300)。
【文档编号】F04B49/025GK203531950SQ201320445504
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】马砺, 王伟峰, 吴建斌, 任晓东, 刘磊 申请人:西安森兰科贸有限责任公司