煤礦井下排水智能控制系統研究

李艷軍 張海峰

摘要：在煤礦事故中，水災作為第二大元兇，造成了較大的經濟損失和人員傷亡，于是對煤礦井下進行合理的排水十分重要。文章設計了一種井下排水智能控制系統，能夠實現智能化控制井下排水。通過對系統的整體結構設計、硬件和軟件的設計，能夠增強系統運行的穩定性和靈活性，使得系統在理論上具有較好的應用效果。

關鍵詞：煤礦;井下排水智能控制系統;設計

中圖分類號：TP273;TD63+6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0185-04

我國煤礦多為井工開采，由于煤層賦存條件和地質構造復雜，再加上作業環境特殊，導致安全事故頻發[1]。隨著煤礦智能化和自動化技術的不斷發展，我國煤礦安全事故已經在不斷下降，但是和世界發達國家相比，事故發生率還比較高。造成安全事故的因素較多，圖1即為近年來我國煤礦主要安全事故類型分布情況。從圖中可以看出除了瓦斯是第一殺手之外，水害造成事故發生的概率是最大的[2]。所以加強礦井水害防治工作非常重要。

礦井在生產過程中，煤層附近各水體均可能通過各種通道進入礦井，當涌水量增加時，若無法及時排出，輕則影響正常安全生產，重則出現重大安全事故。根據相關統計結果表明，我國大約有27%的礦井因為水災造成經濟損失和人員傷亡[3]。所以搭設設計合理、性能良好、可靠性高的井下排水系統，對防治礦井水害十分重要。

目前我國煤礦井下排水系統普遍存在設計不合理，靈活性較差，可靠性不高，抗災能力差等問題[4]。這些問題可導致系統運行成本大且不穩定，維修不便。當井下出現異常涌水情況時，可導致整個系統癱瘓。針對這些問題，本文對煤礦井下排水方式進行分析，應用智能化控制技術，設計出合理的排水智能控制系統。

1 井下排水智能控制系統的設計

1.1 井下排水方式分析

煤礦開采過程中使用的排水方式類型較多，每種排水方式各有優劣性。根據排水系統的吸水口位置不同，可以將其分為吸人式、壓人式和吸壓結合的排水方式;另外，根據排水方式不同，可以分為分段式排水和集中排水[5]。通過對比分析不同排水方式的優缺點、可靠性和經濟性，本文研究的排水系統選擇集中排水方式。

集中排水方式就是將井下水倉中的水直接排出去。有些煤礦采用的多水平方式開采，針對這種情況，集中排水方式可以分為串聯排水和直接排水[6]。當水平面中的水量比較小時，可以不用將每層的水量直接排出，而是將上水平面水倉中的水排放到下一個水平面，然后再將所有的水集中排出。當每層的水量比較大時，則需要采用直接排水的方式。圖2即為集中排水的幾種形式。集中排水方式的結構比較簡單，方便操作，實際的應用效果好，成本投資較少，所以選擇集中排水方式的煤礦占比較多。

1.2 井下排水系統的管路設計

水泵在排水系統中屬于核心組件，在系統中扮演重要角色。由于離心式水泵具有使用和操作簡單，維修和保養方便，工作效率高等優點，在礦井中被廣泛的應用[7]。本文設計選用的即為離心式水泵，其主要結構如圖3所示。

離心式水泵的工作原理為：在其啟動之前，通過灌水漏斗，將泵腔充滿水，排盡腔內空氣。水泵開啟之后，電機帶動葉輪陜速旋轉，在離心力作用下，泵腔內的水被甩至泵殼，從而使得泵腔內處于真空狀態，在大氣壓的作用下，水倉中的水不斷的從吸入口處被吸入，泵殼內流道隨水流量的增加而擴大，水流動能隨之減小，在水壓的作用下進入出水管道。離心泵啟動流程如圖4所示。

圖5即為管路的整體設計，主要構件有離心泵、電動閥門、電機、排水管、檢測儀器等。通過對所有構件的合理配置即可設計出整體的排水管路系統。在設計過程中，需要注意以下2點：①在安裝出水閘閥時需要將其設置在距離水泵管路比較近的地方，出水閘閥的功能為在啟動之前保證達到符合要求的壓力。②逆止閥安裝在出水閥的上方，其具有方向性，主要作用為防止水倒流，降低水錘效應。檢測儀表有壓力表和真空表，用以監測系統的運行狀況。真空表主要作用為檢測泵腔內真空度是否達到要求;壓力表的作用為觀察水泵啟動時壓力的變化以決定何時打開出口閥門。射流系統的主要作用為通過引水操作，在離心式水泵工作之前，用射流系統向泵腔內灌水。

1.3 井下排水智能控制系統的結構設計

由于當前大量煤礦排水系統存在可靠性差、抗災變能力低等問題，本文通過使用分布控制理論對其進行改進。系統使用容錯設計，能夠支持多種模式運行，且每個模式相互獨立，當其中一個模式出現問題，不會影響到其他模式的運用，對出現問題的模式進行維修比較簡單。圖6即為系統的整體框架圖。

系統各個單元利用控制網絡互相連接，形成一個整體，每個單元之間可以進行數據交換。地面監控中心的作用是對井下系統進行實時監控;水泵調度單元的主要任務為完成水泵組的最優調度，實現系統的運行和保護等功能。水泵控制單元是對水泵系統提供運轉模式，即當接收到相關命令之后，會自動轉到相應的運轉模式。系統能夠實現多種模式的自動切換，如果監控中心在信息傳遞過程中出現問題，系統能夠直接切換到井下自動運行模式，從而可以提高系統的穩定性和可靠性。

1.4 井下排水智能控制系統的功能設計

系統框架設計完畢后，對煤礦井下實際排水情況進行分析，確定系統的各項功能，如圖7所示，主要包含7項重要功能。

1）多種運行模式切換：系統中設置了3種運行模式，這3種模式相互獨立，能夠實現運行模式互相切換，但不宜經常性的切換，不然會使系統出現混亂現象;另外，為了方便系統的檢修，設置現場控制優先于遠程控制模式，手動控制模式優先于自動控制模式。

2）可視化控制：地面主控操作系統顯示屏可以顯示井下水泵房運行實況;監控數據中心能檢測和收集井下排水系統設備實時運行參數和工況，實現系統的遠程實時動態監測，降低工人勞動強調。

3）水泵啟停自動化：水泵啟停自動化能夠方便操作，系統可以自行啟停排水。

4）系統保護：系統在運行過程中如果出現問題，系統保護功能可以對系統起到保護作用，從而提高了系統的安全性能。

5）排水系統自動運行：通過智能調度策略，能夠實現系統自行運作，能夠提高排水的效率，系統更加的智能化和自動化。

6）水泵自動輪換：通過對水泵使用狀況和壽命的了解，對每個水泵進行合理安排，使其既不會處于長時間工作，又不會處于閑置狀態，從而提高系統的可靠性。

7）數據采集與顯示：在控制系統中，數據采集非常重要，直接決定著系統的排水效果。通過分析采集的數據，能實時了解設備的運行狀態，為系統運行效果和可靠性的分析提供依據。

2 井下排水智能控制系統的軟硬件設計

2.1 井下排水智能控制系統的整體方案設計

為了確保系統的穩定性，保證系統操作便捷和維修方便，在設計過程中，使用以太網和現場總線，然后對系統進行分層設計，如圖8所示，即為系統的拓撲圖，主要包含3個部分。

監控層主要依據以太網和相關的井下數據，控制和檢測井下排水系統。運算層的主要作用是將采集到的數據進分析運算，得出排水方式的最優方案，然后對水泵的狀態進行檢測，并將水泵狀態和相關數據傳遞到地面的監控中心。執行層就是對運算層選擇的方案進行實施，以實現自動化排水?？傊?，監控層相當于老板，運算層相當于管理者，執行層相當于員工，3個部分有機結合，共同為系統的運行服務。

2.2系統的硬件設計

圖9即為系統的硬件結構圖，主要包含3個單元，分別為監測單元、水泵控制單元和調度單元。其中監測單元是智能控制系統的前提，調度單元是其核心，控制單元是其基礎。

2.3 系統的軟件設計

設計井下排水智能控制系統使用與S7-300配套的STEP7編程軟件，系統功能的設計應滿足煤礦實際的要求。STEP7程序可以分為模塊化程序和線性化程序，由于模塊化程序方便開發，具有耦合性小的優勢，應用于系統設計中方便調試和集成，于是設計控制系統時采用模塊式程序[8]。本文的系統主要由兩個模塊組成，分別為水泵PLC控制和調度PLC控制單元。

3 結語

綜上所述，通過對井下排水智能控制系統的結構和功能進行設計，選擇合適的硬件和軟件設施，確保智能控制系統能夠正常運行，是可以實現煤礦井下排水系統的穩定可靠運行。研究在一定程度上優化了排水系統的設計，且具有較好的使用效果，但還存在較多的問題，需要在煤礦實際的應用中，對其進行不斷的優化和改進。

參考文獻

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[8]羅庚興.西門子STEP7編程軟件的使用方法[J].南方金屬，2006（05）：35-39.

作者簡介：李艷軍（1980-），男，漢族，陜西榆林人，碩士研究生，講師，主要從事安全技術及工程方面的教學與科研工作。