煤礦井下智能排水控制系統的優化研究

鞏衛國

（霍州煤電薛虎溝煤業，山西 河津 043302）

薛虎溝煤業位于河東煤田鄉寧礦區，井田面積為4.061 6 km2，礦井正常涌水量10 m3/h，最大涌水量20 m3/h，水文地質類型為中等。在中央水倉安裝兩臺BQS320-30×3-160 kW 防爆潛水電泵，沿主斜井敷設一趟Φ273 mm×22.7 mm 強排水管路至地面。由于開采過程中積水涌出量大，因此中央水倉內的排水泵處于長期運轉狀下，各個水泵之間的切換完全靠人工控制，造成水泵使用壽命差異性大，排水時間也是由人工根據井下積水情況進行控制，未按照“避峰就谷”的策略進行，導致了井下排水經濟性差，系統的智能化程度低，無法滿足緊急情況下的排水需求。

項目組提出了一種新的煤礦井下智能排水控制系統，該系統以PLC 控制單元為核心，針對現有排水系統的痛點問題設計了“避峰就谷”排水策略和多重防護策略，通過分析水位、排水時間和各個水泵的累計工作時間，自動對排水系統進行調整，實現了對排水系統智能、有序、經濟性的自動控制。

1 智能排水控制系統

結合薛虎溝煤業排水系統的實際需求，井下智能排水控制系統整體結構如圖1[1]。

圖1 薛虎溝煤業智能排水控制系統框圖

由圖1 可知，該智能排水控制系統以PLC 控制為核心，主要包括就地控制箱、PLC 控制柜、數據通信系統及地面控制中心四個部分。就地控制箱主要是通過各類傳感器設備對積水區域的水位情況進行監控，將監控信息進行分析后傳遞給PLC 控制柜，同時該模塊還負責執行地面控制中心傳遞的調整控制指令，滿足緊急情況下的遠程控制需求。PLC 控制柜為該智能控制系統的核心，主要是依據就地控制箱傳遞的水位信息，再結合供電時間段來判斷是否啟動排水，同時系統對各排水泵的累計工作時間進行記錄，自動調整各排水泵的工作時間，實現工作周期的平衡性。為了滿足在井下復雜地質條件下的數據通信安全需求，該數據通信系統采用了工業以太網，能夠保證在高電磁環境下的抗干擾性。

為了滿足井下智能控制需求，在PLC 控制柜內設置了“避峰就谷”排水策略和多重控制策略，滿足節能控制和安全控制的需求。

2 智能排水控制系統控制策略

為了滿足不同情況下對排水系統控制安全性的需求，薛虎溝煤業智能排水控制系統設置了自動、手動和半自動三種控制模式，其整體控制邏輯如圖2[2]。

圖2 薛虎溝煤業智能排水系統控制邏輯示意圖

在自動控制模式下，系統首先對積水區域的水位和水位變化率進行判斷。若積水區域超過系統設定的警戒水位，則系統將繼續對水位的變化率進行判斷。若水位變化率超過系統設定的警戒變化率則控制多臺水泵同時進行排水；若水位變化率小于系統設定的警戒值，則系統對該時間點進行判斷。若是處于用電低谷期，則自動啟動排水累計時間較小的水泵進行排水作業；若該時間點為用電高峰期，則系統繼續對水位上升情況進行監測。若未達到危險水位，則系統不進行排水作業；若達到危險水位，則強制啟動水泵開始排水作業。在排水過程中繼續對水位情況進行監控，若水位不再繼續上升則維持一個排水泵工作，若水位繼續上升，則開啟備用排水泵同時工作，滿足排水安全性的需求[3]。

在手動控制模式下，主要是操作人員在地面控制中心根據井下的實際情況進行遠程操作控制，通過地面控制中心輸入控制指令，通過數據通信系統將控制指令傳輸到PLC 控制柜，對數據信號進行解析后傳遞給就地控制箱，通過控制電動閥來實現對排水狀態的遠程手動控制。

半自動控制則是指控制人員人工確認積水區域的水位狀態，通過就地控制箱上的水泵啟動和停止控制按鈕來實現對井下排水狀態的控制。

3 智能排水系統緊急控制邏輯

根據對薛虎溝煤業井下排水系統突發故障的統計，最常見的突發故障主要是斷電或者突發透水事故，因此在該智能控制系統中增加了緊急情況下的處理方案。系統內設置了雙回路供電，同時設置了應急電源，滿足在突然停電下的供電連續性需求。當井下出現突水事故后，系統根據水量和水位變化速率開始啟動緊急排水，若排水量小于涌水量則系統將發出強排水信號，控制相鄰區域的水泵啟動排水，同時系統發出緊急撤離信號，通知相關區域人員進行緊急撤離，避免更大的人員傷亡事故。該智能排水系統緊急情況下的排水控制邏輯如圖3[4]。

圖3 緊情況下排水控制邏輯示意圖

4 智能排水系統應用情況

該系研發成功后，對薛虎溝煤業的中央泵房進行了智能化改造。經過近一年的運行，系統未出現運行異常，能夠有效地對井下排水情況進行自動控制，目前已取消了水泵房司機2人，而且系統通過“避峰就谷”控制方案有效地降低了排水時的電能消耗，提高了排水的經濟性。優化前后中央泵房用電量對比見表1。

表1 優化前后用電量對比統計表

5 結論

針對薛虎溝煤業井下排水系統，提出了以PLC控制單元為核心的智能排水控制系統，實現了對煤礦井下排水系統運行的智能化控制，根據實際應用表明：

（1）該智能排水控制系統以PLC 控制為核心，包括就地控制箱、PLC 控制柜、數據通信系統及地面控制中心四個部分，結構簡單，能夠滿足在復雜電磁環境下控制安全性的需求。

（2）智能排水控制系統設置了自動、手動和半自動三種控制模式，能夠滿足在不同情況下的控制需求。

（3）該排水系統設置了應急電源和緊急排水控制模式，滿足在緊急情況下排水安全性的需求。

（4）該系統能夠將排水能耗降低13.1%，同時能減少水泵房司機2 人。