膏體充填遠程測控系統研制

王新全， 李培乾， 馬 斌， 任孝俊

（1.山東新河礦業有限公司， 山東 濟寧 272400； 2.揚州環銳科技有限公司， 江蘇 揚州 225100；3.山東康格能源科技有限公司， 山東 濟寧 272000）

0 引言

山東新河礦業是國內較早實現膏體充填開采的煤礦之一， 目前采掘深度超過1000 米， 充填管道超過5000米，充填管路坡度大，沿線濕氣重且路滑，巡視難度大，條件惡劣，容易造成管道堵塞和事故。現有條件下存在3 個突出問題：①地面無法控制充填管道內膏體的流速，容易發生空管造成管道異常振動， 只能靠井下的人工操作來調節管道內的膏體流速； ②發生堵管時只能采用人工放漿， 或者等待管道壓力嚴重超限頂開三通泄漿閥自動泄漿；③應急操作閥件時，需有人操作附近的乳化泵為閥組供液。這種方法在技術上可行但安全性不高，對操作工的技能和責任心要求很高，且費工費力容易造成生產事故，制約了膏體充填技術的推廣應用。因此，亟需開展膏體充填工作面遠程測控技術深入研究， 以提高礦山充填開采的效率和安全性， 促進煤炭充填開采行業持續穩定健康綠色發展。

1 項目軟硬件平臺的研制

本項目對充填工藝過程進行分析重構， 研制出充填數字化平臺、膏體充填網絡系統架構、調節閥控制系統、三通泄漿閥壓力檢測及控制系統、 乳化泵站遠程控制系統和工作面液位測距系統， 與原有的膏體充填工藝系統有機結合， 建立了一套適合于新河礦業的膏體充填遠程測控系統。 該項目主要研究如下幾個方面的關鍵技術：

1.1 構建充填數字化平臺

該平臺基于Visual Studio 和MySQL 軟件自主開發，可實現即時可控、運行狀態實時顯示和數據報表等功能，亦支持歷史數據曲線查詢， 同時會分析管道壓力或者乳化液壓力狀態，給出即時報警信息等。 控制界面如圖1～4所示。

1.2 膏體充填網絡系統架構

圖1 數字化平臺主界面

圖2 數字化平臺壓力檢測界面

圖3 數字化平臺乳化泵操作界面

圖4 數字化平臺參數設置界面

井上與地面的及時通訊和遠程操控的網絡架構如圖5 所示，采用光纖實現遠距離通訊互聯，包括匯聚型交換機、接入型交換機、控制工作站、配料工作站、防爆控制箱（內置有網絡型PLC， 實現現場I/O 控制信號的接入和輸出）等關鍵組成部分，從而支撐充填工作面遠程測控系統的目標實現。

圖5 膏體充填網絡系統架構示意圖

1.3 調節閥控制系統

調節閥（又稱為“保障閥”）是充填管路系統上的關鍵部件之一， 目前開啟和關閉主要通過工人在井下手動調節液壓手柄， 若需精確調節閥門開啟度大小及控制膏體流速，則需要熟練的操作人員。本項目通過在閥體頂部安裝位移傳感器，將閥體液控回路更換為電液閥裝置，位移傳感器和電液閥接入井下防爆控制箱內的網絡型PLC，網絡型PLC 通過光纖交換機經礦方的網絡系統， 與地面的控制電腦互聯。 從而實現在地面遠程控制調節閥開度的目的，采用位移傳感器測量閥門的實際開度，通過對電液閥開關時長控制，達到調節開度與目標開度一致的效果，這樣更有利于優秀操作經驗的積累和轉化利用。

圖6 調節閥控制界面

圖7 調節閥開度檢測示意圖

1.4 三通泄漿閥壓力檢測及控制系統

三通泄漿閥是一種帶有壓力檢測功能的膏體充填管道卸料閥門，該閥門不僅能夠在管道壓力嚴重超限時自動卸料，還能夠檢測充填管路中的壓力，而且還能通過切換供液的形式實現應急放料。本項目通過將其將閥體液控回路更換為電液閥裝置， 并增加壓力檢測傳感器，從而實現在地面遠程控制檢測管道內膏體壓力，和地面遠程控制泄漿閥開關的目的。三通泄漿閥供液系統簡圖如圖9 所示，壓力傳感器和電液閥接入井下防爆控制箱內的網絡型PLC，網絡型PLC 通過光纖交換機經礦方的網絡系統， 與地面的控制電腦互聯。

1.5 乳化泵站遠程控制系統

圖8 乳化泵站控制界面

圖9 三通泄漿閥供液系統示意圖

乳化泵站可為各充填沿線閥組提供穩定可靠的乳化液，使其能夠適時的提供開關或者開度調節動力。本項目通過將其將乳化泵站開關柜切換為遠控模式， 避免了乳化泵站持續空載運行損耗， 避免了因操作人員憑借自己的工作經驗操作帶來的不足， 采用井下防爆控制箱內的網絡型PLC 來控制，網絡型PLC 通過光纖交換機經礦方的網絡系統，與地面的控制電腦互聯，來實現在地面遠程控制乳化泵站啟停的目的（控制界面如圖8 所示），也可以根據乳化液系統的壓力分布情況自行啟停相關閥組單元的乳化泵。

2 現場應用和數據分析

本項目研制的膏體充填遠程測控系統在山東新河礦業有限公司7304 膏體充填工作面得到了成功的應用，顯著減輕了工人巡視管道的工作量， 基本避免和預防了堵管事故的發生，為煤礦的安全高效生產提供了有效保障。詳細數據如圖10 所示。

圖10 充填期間管道沿線壓力趨勢圖

通過上述曲線，可以清晰的看出正常情況下，充填起始階段管道壓力的變化過程， 它是壓力異常預警和處置的依據， 同時也為各個工藝節點的密封件耐壓性能選型提供了有效的參考。

充填過程中， 當充填泵沖程降低或者充填管道沿途壓力偏低時，可以根據歷史數據分析，適當降低工作面調節閥的開度來減緩流速，從而達到滿管的目的；當充填泵沖程提高或者沿途充填管道壓力偏高時， 可以增大工作面調節閥的開度來增大流速，避免充填管道壓力過高。另外，壓力超過預警值，還會造成堵管或者密封件損壞等故障，本項目對其進行了詳細分類，并給與分級預警處理，預警輸出條件如表1 所示， 其中條件項所涉及的變量An、AL、AH、B 和D 等變量為設定值， 也可以根據經驗數值自動修正。

表1 預警輸出對照表

另外， 本項目在關鍵閥組的供液管上安裝了壓力傳感器，自動模式下，當需要操作的閥組供液壓力不足時，系統可自動啟動乳化泵，為相應單元的閥組供液，為閥組的動作提供動力。

3 小結

本項目研制出一套適合于山東新河礦業有限公司的膏體充填遠程測控系統，包括充填數字化平臺、膏體充填網絡系統架構、調節閥控制系統、三通泄漿閥壓力檢測及控制系統和乳化泵站遠程控制系統等關鍵部分。 以山東新河礦業有限公司7304 膏體充填工作面為試點，解決了膏體充填過程井上下聯動用時長、 用工多和機動靈活性差的技術難題， 優化了生產工藝， 保障了人員和設備安全， 對促進煤炭充填開采行業持續穩定健康綠色發展具有十分巨大的推動作用。