礦井排水設備智能控制系統的分析

李啟山

（山煤集團鹿臺山煤業有限公司， 山西 沁水 048200）

引言

隨著綜采技術的不斷進步，煤礦井下綜采作業的深度不斷增加，綜采作業過程中發生透水事故的概率也不斷的加大，因此對煤礦井下排水系統的運行可靠性、對突發事故的反應靈敏性等均提出了更高的要求。一般在礦井排水系統中每個泵房內一般設置6 組左右的排水泵，由一個控制系統集中控制，當水位超過系統設定的高度時將開啟水泵同時進行排水，由于排水系統水泵功率大，消耗的電能多，據統計排水系統所消耗的電能占據了礦井總消耗電量的15%以上[1]，傳統的控制系統由于僅具備簡單的開關控制功能，因此導致無法適應井下突發的涌水事故，而且也無法針對性地調整排水時間段，難以滿足井下排水經濟性、靈活性和可靠性的需求。本文提出了一種新的礦井排水智能控制系統。

1 礦井排水設備智能控制系統結構

根據煤礦井下排水系統的分布方式，所提出的煤礦井下排水設備智能控制系統以分布控制理論為基礎[2]，采用容錯結構設計各個排水控制模塊能夠獨立地進行運行和維護，一個模塊的損壞不影響其他控制模塊的運行，極大提升了控制系統的安全性。該排水設備控制系統主要包括地面監控中心、數據傳輸、交換系統和煤礦井下排水控制單元，其整體結構如圖1 所示。

由圖1 可知，該排水控制系統通過CAN 雙絞線屏蔽網絡線路[3]將各個排水單元進行連接，形成一個網絡，由監控單元實現對煤礦井下排水泵房的監控，調度單元負責對水泵組運行模式的綜合調控，同時負責對水泵運行過程中的綜合保護，系統的控制單元用于直接接受監控中心的控制指令，實現對井下水泵多種模式運行的控制。當系統出現故障無法和地面監控中心聯通時，各控制中心將轉換為自主控制運行模式，依靠預設的控制邏輯，實現自主排水控制。

本系統采用了雙模排水控制模式，當水位超過設定值或者水位變化速度超過設定值后均能激活控制系統進行排水作業，滿足各種條件下的排水安全性需求。同時能夠根據水位情況和所處實際時間段決定是否啟動排水和同時啟動水泵的數量，確保排水的經濟性。

圖1 礦井排水設備智能控制系統結構示意圖

2 避峰就谷控制策略

采用傳統的避峰就谷控制方案[4]，主要是把積水區域的水位高度劃分為不同的警戒等級，當在用電低谷期如果水位超過了設定的警戒水位系統就啟動，當在用電高峰期時則盡量不啟動排水泵，通過簡單的控制實現避峰就谷，但該類控制方案存在著在用電的低谷期無法將積水區的水持久維持在最低水位，也就無法為用電高峰期騰出更多的庫容，提高了在用電高峰期開啟水泵的次數，增加了電能消耗。因此本文所提出的礦井排水設備智能控制系統采用了改進型的避峰就谷控制策略，在用電低谷的時候同時開啟多臺排水泵，將水位持續維持在最低控制警戒線，為用電高峰期的積水騰出盡可能大的庫容，從而降低用電高峰期的排水量。在排水控制的過程中系統會根據水位下降的速度決定同時開啟的水泵數量，實現輪換運行，增加排水泵的使用壽命，確保排水的經濟性。假設某個積水區域的排水警戒水位為3.4 m，最低控制水位為1.5 m，則在該控制系統作用下水位變化和啟動控制策略如圖2 所示。

圖2 積水區域水位變化和排水泵啟動控制曲線

由圖2 可知，在該控制系統作用下，在用電低谷期（0 點～8 點）排水系統同時啟動的水泵數量逐漸降低，在8 點前將水位控制在最低水位以下，在用電高峰期騰出了大量的庫容，從而有效降低了水泵在白天工作的時長和數量，提高了排水的經濟性，根據統計，應用該系統后能夠將排水成本由1.78 元/m3降低到1.12 元/m3。

3 水倉水位傳感器測量原理

該控制系統對排水控制的精確性取決于液位傳感器對水倉水位監測結果的準確性，提出了一種超聲波液位傳感器，將該傳感器設置在積水區域的頂板，通過計算發射和接收的超聲波的時間差來對積水水位高度進行實時監測，假設h1表示超聲波傳感器發射頭距離水面的距離，h2表示超聲波傳感器發射頭距離水底的距離，設聲波的傳遞速度為v，假設發射、接收的時間為t，則h1=vt/2，則水位高度h=h1-h2，該超聲波傳感器測量原理如圖3 所示[5]。

圖3 超聲波傳感器測量原理

4 結論

本文研究的這種礦井排水設備智能控制系統，采用雙模排水控制模式，當水位超過設定值或者水位變化速度超過設定值后均能激活控制系統進行排水作業，同時能夠根據水位情況和所處實際時間段決定是否啟動排水和同時啟動的水泵數量，確保排水的經濟性，應用該系統后能夠將排水成本由1.78元/m3降低到1.12 元/m3。