礦井陸潛雙棲防水型智能排水系統技術研究及應用

姚維法 單麗 張解 胡薇

摘要：本文介紹一種基于臥式多級離心泵的新型陸潛雙棲水泵機組及其控制技術，在井下泵房原有位置上進行改造，建成井下泵房無人值守和地面遠程監控的防水型智能排水系統，投資少、周期短、見效快，實現礦井正常開采時高效排水、突水事故發生時自動進入強排水模式全流量排水，滿足國家安監總局28號令《煤礦防治水規定》的要求，防災減災。

關鍵詞：礦山排水安全;陸潛雙棲水泵機組;遠程監控;防治水規定

礦山是國民經濟重要的自然資源產業，分為能源、金屬和非金屬等礦產資源。我國有數萬座礦山，其中90%是井工礦。由于我國礦井水文地質條件復雜，礦井受水害威脅嚴重，尤其是隨著開采深度、強度、速度、規模的增加和擴大，水害威脅更加突出。水害的特點是①突發性強，同時會淹沒礦井、采區，造成重大人員傷亡和財產損失，對設備設施危害性破壞性覆蓋范圍最大、特別是機電設備幾乎全部報廢;②蔓延性強、面積大、不及時處理會造成更大范圍的水災事故;③淹井后救援難度大、耗時長可長，可達數月甚至數年、處理不恰當容易反復，嚴重破壞礦井的正常建設和生產秩序。礦井透水災難是危害最大、影響時間最長的事故，不僅煤礦，鐵礦、有色金屬礦、非金屬礦都有可能會發生透水事故。因此，排水系統是礦井建設和生產期間十分重要的必要條件。

我國現有的礦井，由于受技術和裝備條件的限制，排水系統設備基本上采用的是臥式多級離心泵（簡稱臥泵），由陸用三相異步定動機驅動，在井下泵房操作控制。其特點是使用歷史長、操作習慣、觀念上易被礦井用戶接受、維護方便，但最大缺陷是當礦井涌水量增大發生突水事故時，電機電控裝置進水、水泵機組癱瘓，喪失排水能力，快速淹井，造成井下人員傷亡、財產損失，救援復礦排水周期長、難度大、費用高，原有排水系統不可修復需重新建設，二次投資大，導致直接經濟損失、間接經濟損失和社會影響巨大。近年來，有些礦井采用潛水泵機組組成的排水系統，不怕水淹，對新建礦井是理想的選擇，但對數萬座已建在產礦井，改造成潛水泵排水系統難度大、費用高。礦山迫切期望能夠結合臥泵和潛水泵的特點，在現有排水系統的基礎上，在井下泵房原有位置上進行簡單技術改造，建成不怕水淹的防水型全自動化智能排水系統。

圖1??臥泵排水系統示意圖-水淹及癱瘓失去排水功能圖??????????????????圖2?潛水泵排水示意圖-泵坑臥式安裝

防水型智能排水系統由臥泵、濕定子三相異步電動機、循環水冷裝置、檢測傳感元件、井下現地控制單元、地面主控制裝置、管路及閥門等組成。其中，管路及閥門保持原有排水系統不變，在泵出口管路上增加特制的電動機循環水冷器;對原有臥泵潤滑、軸系進行改造使之成為陸潛兩用水;三相異步電動機、檢測傳感元件更換為定向研制的陸潛雙棲產品。其中，陸潛雙棲電動機規格、安裝尺寸及連接方式與原配陸用電動機一致，不改變泵房原有結構和安裝位置尺寸。井下現地控制單元在線顯示水泵機組實時運行狀態及過程參數（流量、揚程、水位、電流、電壓、溫度、絕緣等），供現場人員監控、操作，可與地面主控制裝置無擾切換，發生突水事故時自動切換到地面主控制裝置進行自動控制。

圖3??陸潛雙棲防水型智能排水系統示意圖

電動機和泵的使用環境發生質的變化，較之傳統臥泵、潛水泵機組，陸潛雙棲水泵機組重點解決了①潤滑和軸承系在空氣中、水中及其過渡過程中運行時的自適應技術;②電動機在不同介質條件下運行的散熱技術;③電動機在不同介質條件下的密封技術;④臥式運行電動機的推力軸承和導軸承新結構技術;⑤自適應智能控制技術等關鍵技術。使陸潛雙棲水泵機組自動適應在空氣中、水中及其過渡過程中的不同介質條件轉換，平穩運行。

陸潛雙棲排水系統控制裝置采用工業以太網和現場總線組成多級分布式自動化控制系統，可實現“優化系統控制和調度”。系統控制方式可按優先級選擇，多級加權操作控制模式，就地手動、現地遙控/自動、控制室集中遙控/自動、中控室遠程遙控，按從低到高設定優先等級，無擾切換，聯鎖保護，確保操作和系統安全。針對陸潛雙棲排水特點，開發了泵站智能控制軟件。采用先進控制理論和技術，使系統在正常排水時，根據水位、涌水量的大小、設備狀態等參數和調度指令，依據“輪值控制”、“避峰填谷”（供電峰谷）原則以及效率優先原則進行智能自動化運行控制，實現泵房無人值班、少人值守、智能化高效運行。在礦井突水時，按設定程序開啟所有水泵，進入強排水狀態，并能在淹井狀態下自動切除井下控制，切換為遠程地面控制。特殊處情況下可以無擾退出自動化運行，轉為井上手動操作運行，滿足礦井排水實際工藝操作要求。可以在井下對泵站水泵機組設備及排水系統進行就地操作、自動控制，也可以在地面對泵站水泵機組設備及排水系統運行進行遠程遙控操作或進行全自動化控制，即使在淹井狀況下仍能保證正常排水。

選擇試驗型樣機MD450-60*10、配套電機1200KW、6kV、轉速1480r/min組成BLQMD450陸潛雙棲防水型智能排水系統在安徽省重點實驗室水工試驗站進行了型式試驗，陸地、潛水性能與原型樣機一致，滿足使用條件要求。

總結

突透水是礦山的重大災害之一，嚴重危及人員生命和礦山財產安全，制約了礦山資源開發。新建礦井可采用潛水泵排水，抵御水害;原有礦井基本上采用臥式多級離心泵排水，遭受水淹即癱瘓。受井下條件限制，更換為潛水泵機組的技術改造難度和費用巨大。本文為礦井已有傳統臥泵（多級離心泵MD、DS、FDS等）排水系統改造為陸潛雙棲防水式智能排水系統提供了技術和解決方案，投資小、易實施，改變了礦井排水模式，實現主動預防式抵御水災害，滿足《煤礦防治水規定》的要求，對于在產的煤礦、鐵礦、金屬礦和非金屬礦等礦井，具有較高的推廣應用價值。

作者簡介：

姚維法，（1962—），男，安徽省合肥市人，合肥恒大自動化控制系統有限責任公司，高級工程師、本科、主要從事工礦企業過程檢測及自動化技術、機電一體化智能控制技術研究、應用和工業控制及信息系統軟件開發工作。