關于礦井多水平智能化高效排水系統改造的研究與應用

王碩

（中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300120）

現階段，我國對能源和原材料的消費較為旺盛，在這些能源中，可以實現經濟安全、清潔高效利用的能源就是煤炭。未來，在很長一段時間內，我國的煤炭無法實現大規模的利用。預計，我國的煤炭資源將在2030～2050年間，實現在我國一次能源消費比重中的40%～50%以上。經過40年來的不斷發展，我國煤礦的綜合機械化已在生產力和安全生產方面實現了巨大的改進，使得整個行業可以實現綜合機械化的發展，同時，自動化技術也在一些重要系統上得到實現，以此促進了煤礦智能化的良好發展。但隨著科技發展和全球氣候變化以及低碳環保理念的不斷推進，我國煤炭行業在發展的過程中也面臨著較大的挑戰。

1 優化排水系統，提高排水效率

從相關的研究分析可以看出，水平涌水量最大時處在-400m處，此使，排水壓力不僅在此處具有較大的壓力，在-200m處的水平壓力也較大，為此，應以此為主進行改造。設計有關于-400m處的水平直排水改造方案，其排水系統的方案僅僅是針對-400m進行設計的，對其他三個泵房不會帶來任何影響，同時，其投資較少，并見效快的特點。具體采用如下方法進行：對原來泵房內的3臺MD280-43×6普通多級離心水泵進行更換，使用效率更高的MD450-60×9（P）高效排水泵進行。在-400m的泵房設置兩條與地面直通的管道，并放置325×12.5型的排水管，使得-200m的泵房的排水壓力得到有效減輕，在此基礎上，整個排水系統的效率及可靠性也得到有效的提高。排水效率MD450-60×9(P)自動平衡的高效排水泵至少不低于76%，比傳統的多級離心泵高6%～7%。此外，隨著水泵排量的增加，-400m時的泵房排水室從每天24h縮短到11h，平截面時間減少約10h。同時，水平泵室在-200m時，可對谷斷進行綜合控制。

2 自動化、智能化排水減人提效

采用自動化、智能化的方式對控制系統進行控制，主要是針對煤礦中占用人員多、排水電價高等問題進行。該系統可以對“峰、谷、平”時段的用電量實現自動掉調整，同時，還可以實現遠程監控。各泵之間的智能運行和連接功能應根據水位優先的原則予以控制。

2.1 控制功能

自動控制功能。根據水位優先的原則，使各水泵的自動控制可以實現，當水位達到高水位或不高水位且處于低耗電時段時，水泵自動開始工作。當水位低或不高且處于用電高峰時，當水位高時水泵自動停機，“工作泵”和“備用泵”自動啟動，“備用泵”自動啟動當水位低于上水位時停止。只有“水泵在工作”時達到低電平或不高電平，在用電高峰期間，水泵自動停機。手動一鍵控制功能。根據實際需要，也可以從自動控制模式切換到手動控制模式。在這種情況下，操作員在控制臺上手動控制它。一個設備可以啟動和停止，但此時，操作鎖關系的進入對設備還是有保護作用的。同時具有一鍵控制功能，即操作者按下泵啟動按鈕并保持5s。泵控制系統進行真空、泵啟動、閥門開啟、真空設備關閉、閥門關閉和停止泵等的自動控制，并簡化實際控制的過程。地面遠程一鍵控制。地面控制界面美觀實用，實時反映鉆井設備的性能。對鉆井設備進行維護操作并進行遠程控制。一鍵啟動和停止可以由相關操作人員使用遙控鼠標進行控制。

2.2 具體方案

每個泵控制系統主要由以下設備組成：地面控制站、PLC防爆控制箱、泵、本安控制臺（含10英寸液晶屏）、電磁閥、傳感器、以太網光纖斷路器、攝像頭和固有電纜，軟件等元器件、水泵啟停控制、電磁閥開關、真空排氣裝置自動開關及各種保護、報警、故障排除等項目。具體采用下列方式進行方案配置：

分別對4個水平泵房進行配置，分別配備礦用可編程防爆控制箱KXJ-212-30/1140（660）（E），采用兩門箱體，集成西門子PLC、電源、輸入、輸出、模擬量輸出、通訊等模塊。根據MA的要求，增加了輸入輸出模塊和分區。安裝在泵室變電站，檢查泵電機的啟停、電磁閥開關、球閥開關，獲取當前電機信號和泵負壓、正壓、水位和顯示管道流量、電機和水泵溫度等信號。

4個水平泵室配備了固有的TH24X(D)礦山操作控制臺。功能控制臺安裝在泵房內。10英寸觸摸屏和不銹鋼蝕刻模擬圖形顯示在泵驅動器的內置屏幕上，可以直接了解水泵的運行狀態、各設備的運行狀態以及各種工具的實時數據，簡化了水泵的開泵過程。同時，為水泵運行參數的記錄提供便捷。

泵房內的每臺泵都配備了內置攝像頭和煙霧傳感器，以實時監控泵性能和環境條件。視頻信號連接到KXJ-212-30/1140(660)(E)?？删幊炭刂葡?，可編程控制箱內裝有以太網交換機，將膠片傳到三恒交換機網絡，再傳輸到地面。煙霧傳感器連接控制編程對環境進行檢測。

每臺泵的吸入管和出口管的位置都裝有內壓傳感器，使用GPD10礦井檢測泵的真空度和出口壓力。所有電磁閥統一轉換為DFB10/25礦用防爆電磁閥，用于執行遠程噴射排氣真空控制。每個泵室的內外坑內安裝一個0～10m范圍的超聲波水位傳感器和一個礦井液位傳感器GUY10，用于對水倉的位置進行檢測。所有泵房均配備3套水位傳感器。每個泵室的兩條主管上安裝了一個使用GLC50G礦井的固有超聲波流量傳感器，以對主管路的水流量進行檢測。

用于接收通過地下傳輸的光數據的數據通信箱位于地面控制室，配備2臺工控機和1臺UPS電源。了解房間和地下泵房的啟動功能?？蓪崿F對地面泵室運行狀態和數據的實時監控?？刂剖覂仍O有硬盤錄像機和液晶顯示器，可以存儲和顯示泵房的視頻。

改造后，所有泵房在地面一體化集中工作，井下操作系統成為工作場所，使每個泵房都能實現“無人值守”。每個抽氣閘閥、真空泵和球閥的電源都位于室內泵內。固有的可編程控制箱符合《煤礦安全規程》，也達到了集中控制的目的。每個泵都配備了一個內置攝像頭和一個安全的煙霧傳感器，可以對水泵的事實運行環境進行監控。

3 科學頂層設計，實現煤礦智能系統化融合高效運行

3.1 生產礦井智能化改造

采用智能化的方式對已有的生產礦井進行改造，目前，以生成相應的生產系統，為此，應將自上而下的方式運用在實際改造的過程中，其改造的技術思路應以“基礎系統高容采掘系統高可靠-感知系統全覆蓋-保障系統高適應”的原則為主，進一步實現智能化的目標。第一步，在實際的系統操作中運用先進的技術裝備，對系統進行升級、改造；第二步，將生產工藝和環境過程信息結合起來，進行網絡平臺建設，并在其中融入相關的知識和經驗，合理的開發利用自動化和信息化系統，進行第二層次的建設；第三步，為了實現標準化和規范化的管理，應對系統予以總結，形成大數據系統和綜合管理平臺，以實現對煤礦的智能化改造。

3.2 新建礦井全面智能化建設

目前，已有的系統不會對新建礦井的智能化建設產生影響，因此，在建設的初期就可以對整體系統進行充分的考慮，對接口、標準、網絡、建設的方式和順序予以統一，使得數據的壁壘在一定程度上得到突破，同時進一步提高系統的運行效率和配合程度，有效保障了礦井生產的安全和高效。

4 結語

主要地下排水系統是礦山生產作業安全、高質量發展的保障，對提高其作業效率和作業質量具有重要意義。主排水泵主控系統采用PLC控制技術，通過科學的程序設計，智能遙控實現對主排水泵運行的控制，不僅使系統更加精準高效，但提高了管理質量，同時也顯著減少了地下水泵房的操作人員數量，使得工作強度得到有效的降低，從而提高礦井的綜合效益。