煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)

高 強(qiáng)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)公司計(jì)劃處，山西 介休 032000）

·試驗(yàn)研究·

煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)

高 強(qiáng)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)公司計(jì)劃處，山西 介休 032000）

礦井水是煤礦區(qū)域水資源系統(tǒng)特定的組成部分，大量的礦井水威脅到礦井生產(chǎn)的正常進(jìn)行，因此，煤礦井下排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的完善程度對(duì)保證生產(chǎn)具有重要意義。本文分析了煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出煤礦井下開采排水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)及水資源開發(fā)利用具有重要意義。

煤礦井工開采；排水設(shè)備；自動(dòng)控制系統(tǒng)

我國煤炭以井下開采為主，約占整個(gè)煤炭產(chǎn)量的97%，由于含煤地層一般在地下含水層之下，在開采過程中，為確保煤礦井下安全生產(chǎn)，必須排出大量的礦井涌水，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國煤礦年排礦井水約2．2 ×109m3。從礦井水的形成機(jī)理看，煤礦地質(zhì)不同、采礦工藝設(shè)備不同，礦井水的形成也就具有不同的特點(diǎn)，但是其機(jī)理及制約因素具有共同的特征。礦井水水源主要是大氣降水、地表水、斷層水、含水層水和采空區(qū)水，礦井水改變了地下水及地表水徑流方向和途徑，突發(fā)時(shí)甚至?xí)斐晒ぷ魅藛T的傷亡。而如果將礦井涌出水進(jìn)行合理排放處理，則為水資源緊缺的煤礦開辟出第二水資源。我國多數(shù)礦井對(duì)煤礦井下水的檢測(cè)監(jiān)控自動(dòng)化要求不高，排水系統(tǒng)普遍采用人工操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且排水效果差，不能適應(yīng)現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)的需要。隨著近年來煤礦事故的頻繁發(fā)生，煤礦安全日益引起社會(huì)的重視。因此，需要對(duì)煤礦排水系統(tǒng)進(jìn)行完善。

1 煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

當(dāng)前很多國家都積極研究煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)，特別是一些礦產(chǎn)資源豐富、煤礦較多的國家，很早就將自動(dòng)化技術(shù)引入到煤礦開采排水系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦礦井水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大大節(jié)約人工成本，通過排水設(shè)備的自動(dòng)控制，減少誤差，提高排水效果。目前，國內(nèi)也在研究煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)，有些研究人員把智能控制理論用于煤礦井下排水系統(tǒng)當(dāng)中，但是仍然處于摸索階段，可靠性差，檢測(cè)系統(tǒng)不完善。絕大多數(shù)煤礦排水設(shè)備都采用接觸器控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)接觸點(diǎn)多，而且線路也比較復(fù)雜，加上受到井下淤泥或者煤泥的影響，經(jīng)常出現(xiàn)諸如接觸不良等故障，造成排水系統(tǒng)無法接收到準(zhǔn)確可靠的前端采集信號(hào)，設(shè)備運(yùn)行的可靠性降低，排水效果不好。因此，加強(qiáng)井工開采煤礦排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 煤礦井下排水系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)煤礦都加大了礦井水開發(fā)利用工作，利用排水系統(tǒng)解決當(dāng)?shù)貒?yán)重缺水這一經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸問題。下面介紹一個(gè)相對(duì)合理的煤礦井下排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2．1 煤礦井下排水系統(tǒng)的總體方案框架

在這個(gè)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用5臺(tái)離心式排水泵和3條排水管路進(jìn)行排水，離心式排水泵與排水管路進(jìn)行有效連接，1個(gè)離心式排水泵要連接到2個(gè)排水管路，用PLC選擇，這樣即便排水管路出現(xiàn)問題，另一個(gè)排水管路會(huì)繼續(xù)工作，不影響離心式排水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而且5臺(tái)離心式排水泵是用2臺(tái)進(jìn)行工作，1臺(tái)檢修，另外2臺(tái)留作備用。排水泵和排水管路連接圖見圖1。

圖1 排水泵和排水管路連接圖

2．2 控制方式環(huán)節(jié)

系統(tǒng)控制方式可分為自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修三種方式。在該系統(tǒng)中，選用PLC作為中心控制器，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，不需要操作人員。由PLC檢測(cè)水位、壓力、流量及有關(guān)信號(hào)，自動(dòng)完成各泵組運(yùn)行；PLC的模擬量輸入信號(hào)包括水倉水位，水泵入水口真空度，水泵出水口壓力等信號(hào)，PLC控制器會(huì)自動(dòng)選擇開幾臺(tái)水泵進(jìn)行排水，該系統(tǒng)可以采用手動(dòng)檢修方式，維修工人可操作任一水泵電機(jī)，當(dāng)PLC故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止該水泵的運(yùn)行工作。另外，PLC還用到兩個(gè)通信接口，分別和水泵電機(jī)的電量監(jiān)測(cè)模塊相連接，泵閥故障或檢修時(shí)，該臺(tái)泵閥從自動(dòng)工作狀態(tài)中切除，故障排除后，經(jīng)過測(cè)試沒有問題后，才可參與整個(gè)自動(dòng)輪換工作，以保證系統(tǒng)安全可靠。

2．3 水位自動(dòng)監(jiān)控和“避峰就谷”環(huán)節(jié)

“避峰就谷”環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)是為了使排水系統(tǒng)節(jié)能，根據(jù)水倉水位的高低自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出開、停水泵命令，及時(shí)把水排出。減少耗電費(fèi)用，盡量避免在“峰段”啟動(dòng)。在該環(huán)節(jié)中要確定開啟幾臺(tái)水泵。

2．4 水泵和排水管路輪換工作環(huán)節(jié)

本控制系統(tǒng)按“輪換工作制”原則來防止電機(jī)受潮或其他故障問題，保證有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，本自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)水泵和管路的使用次數(shù)和使用時(shí)間綜合分析，自動(dòng)按一定順序輪換開啟水泵和使用管路。當(dāng)某臺(tái)泵出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)該泵或該趟管路退出輪換。

2．5 故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)

故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)是煤礦排水設(shè)備自動(dòng)化控制的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有效的故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)可以保證煤礦排水設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)提高系統(tǒng)的安全性、有效性具有重要作用。因此，必須重視故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)。

本系統(tǒng)在這一環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)上主要采用下列幾種保護(hù)方式：

1）低電壓、漏電保護(hù)，通過對(duì)排水設(shè)備的電壓以及功率等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與正常值有很大出入時(shí)，即提醒排水設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)故障問題，要馬上檢修。

2）超溫保護(hù)，排水設(shè)備水泵運(yùn)行中受溫度制約很大，當(dāng)電機(jī)溫度過高時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來損害，因此，通過超溫保護(hù)設(shè)計(jì)，就是當(dāng)溫度超過正常允許值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并通過超溫保護(hù)設(shè)計(jì)使水泵自動(dòng)停止運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備。

3）漏水保護(hù)，本系統(tǒng)中水泵安裝有真空度壓力表，當(dāng)系統(tǒng)沒有收到正常規(guī)定值的信號(hào)時(shí)，會(huì)停止啟動(dòng)本臺(tái)水泵，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4）邏輯錯(cuò)誤故障保護(hù)，煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)元器件引起的故障。一旦出現(xiàn)這樣的故障，就要實(shí)現(xiàn)報(bào)警、停機(jī)等控制措施。

總之，煤礦井工開采排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)不僅能保證礦井的安全生產(chǎn)，而且在水資源的開發(fā)利用方面也具有重要意義。

［1］ 許世華．礦井水的來源及其防治措施［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2002（29）：19-21．

［2］ 桂祥友．礦井水資源管理系統(tǒng)的研究［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（4）：69-72．

［3］ 陳燎原，潘地林，張立祥．礦井主排水泵流量監(jiān)測(cè)方法探討［J］．煤礦機(jī)械，2000（12）：85-88．

［4］ 李勝旺，趙曉旭．礦井主排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)［J］．工礦自動(dòng)化，2002（1）：23-25．

Development on Automatic Control System of Drainage Facilities in Underground Mining of Coal Mine

Gao Qiang

Mine water is a specific part of the coal mining area water resources system，a lot of mine water threat to normal production in the mine．Therefore，the perfect degree of drainage facilities automatic control system in underground mining of coal mine is of great significance to ensure mine safety production．This paper analyzes the present situation of drainage facilities automatic control system in underground mining of coal mine，proposes the overall scheme design of drainage system in underground mining of coal mine，to ensure the mine safety production and the development and utilization of water resources is of great significance．

Underground mining of coal mine；Drainage facilities；Automatic control system

TD63+6

B

1672-0652（2013）10-0009-02

2013-07-06

高 強(qiáng)（1970—），男，遼寧海城人，2009年畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)，工程師，主要從事煤礦機(jī)電及自動(dòng)化管理、研究工作（E-mail）hyzfmkj＠sina．com