煤礦無人值守主排水系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

連紅飛

（潞安礦業(yè)集團 王莊煤礦，山西 長治 046031）

0 引言

多年來，煤礦井下主排水系統(tǒng)一直采用人工啟停水泵的作業(yè)程序。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，勞動條件差，直接影響礦工的身體健康。此外，還經(jīng)常出現(xiàn)諸如未及時開泵導(dǎo)致水淹大巷或者由于操作不熟練損壞水泵等問題。解決上述問題的根本出路在于實現(xiàn)主排水系統(tǒng)的無人值守化。本文以潞安礦業(yè)集團王莊礦新井主排水系統(tǒng)為例，對煤礦無人值守主排水系統(tǒng)的設(shè)計、選型等進行了分析、論述，供同行借鑒。

1 選型設(shè)計

礦井原始設(shè)計參數(shù)如下：

井口軌面標(biāo)高（m）： ＋922；

水泵房底板標(biāo)高（m）： ＋479；

正常涌水量（m3／h）： 74；

最大涌水量（m3／h）： 613；

井筒垂深（m）： 443；

地面處理站與井口的高差（m）： 2。

無人值守主排水系統(tǒng)為機電一體化系統(tǒng)，涉及到機械、電氣、控制等多個專業(yè)，需從各方面進行系統(tǒng)分析。圖1為水泵控制系統(tǒng)示意圖。

1.1 主排水泵

工作泵的排水能力應(yīng)滿足：

其中：Q 為水泵正常排水量，m3／h；Qmax為水泵最大排水量，m3／h；Q正為礦井正常涌水量，取為74 m3／h；Q最大為礦井最大涌水量，取為613m3／h。將已知參數(shù)代入式（1）、式（2）計算得Q＝86.8m3／h，Qmax＝735.6m3／h。

水泵揚程H（m）應(yīng)滿足：

其中：Hg為排水高度，取為445m；Hx為吸水高度，取為4.7 m；△H舊管為管路阻力損失，經(jīng)計算△H舊管＝22.7m。經(jīng)計算得H＝472.4m。

根據(jù)計算，選用MD450－60×8型礦用耐磨多級離心泵3臺，1臺工作，1臺備用，1臺檢修。正常涌水時1臺水泵工作，最大涌水時2臺水泵同時工作。水泵技術(shù)參數(shù)如下：揚程為480m，流量為450m3／h，電機功率為900kW，額定電壓為6 000V，額定電流為105.4A。

圖1 水泵控制系統(tǒng)示意圖

1.2 抽真空設(shè)備

由于主排水泵必須抽真空灌滿水后才能啟動，因此保證水泵可靠的灌水非常重要。本系統(tǒng)選用氣、水兩用射流閥作為主排水泵的抽真空設(shè)備。并且，給射流閥設(shè)計了兩趟抽真空用動力源，即一趟靜水管路，提供靜壓水動力源；一趟壓縮空氣管路，提供空氣動力源。兩路動力源互為備用，為氣、水兩用射流閥提供主排水泵抽真空用動力源，保證水泵能可靠抽真空并安全啟動。射流閥的啟閉靠安裝于其前端的電動球閥實現(xiàn)電氣控制。

1.3 管路控制閥

主排水系統(tǒng)要求兩趟出水管，而在實際使用過程中利用哪一趟出水管必須由閥門來控制。為實現(xiàn)自動化控制，選用電控液動閘閥，型號為ZPZ，壓力為6.4 MPa，額定電壓660V，數(shù)量11個，每3個為一組，每組控制一臺主排水泵及具體由哪一趟出水管出水，另外兩個閘閥為兩趟出水管的總控制閥門。

1.4 電動閥控制開關(guān)

系統(tǒng)涉及到的電控液動閘閥較多，共計11個。為便于集中控制，節(jié)省占地面積，選用2臺八組合開關(guān)，實現(xiàn)對11個電控液動閘閥的控制。具體名稱為組合式真空電磁啟動器，型號為QJZI－1200／1140－6，額定電壓為1 140／660V，單路額定電流為400A，額定總電流為1 200A。

1.5 水泵啟動設(shè)備

考慮到水泵功率為900kV，若直接啟動，其電氣沖擊和機械沖擊較大，故選用軟啟動設(shè)備。

為保證設(shè)備的容量富裕，軟啟動器應(yīng)比電機功率大幾個功率等級，選擇QJGR－250／6 型隔爆真空交流軟啟動器，其額定電壓為6 000V，額定電流為250 A，額定功率為2 170kW。

設(shè)備可設(shè)置啟動曲線，啟動電流控制在1.5倍～2倍的額定電流，啟動結(jié)束后，軟啟動器內(nèi)部旁路接觸器吸合，將軟啟動裝置旁路。軟啟動器設(shè)備有軟停車功能，可有效防止水錘效應(yīng)。

系統(tǒng)采用一拖一方案，即一臺軟啟動器拖動一臺主排水泵。

1.6 控制系統(tǒng)

在井下泵房集控室設(shè)PLC 集中控制站。整個集中控制系統(tǒng)由PLC 集控部分、就地控制部分、現(xiàn)場設(shè)備3大部分組成。

（1）PLC 柜：選用西門子公司S7－300PLC，實現(xiàn)對主排水系統(tǒng)的邏輯控制，柜體為隔爆型。此外，通過礦井以太網(wǎng)，將主排泵房內(nèi)的各種信號傳至礦井調(diào)度指揮中心，實現(xiàn)水泵的遠程監(jiān)控。

集中控制臺采用本質(zhì)安全型或隔爆型，液晶屏、指示燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器、電源開關(guān)、蜂鳴器等都安裝在集中控制臺內(nèi)，由集中操作臺完成整套系統(tǒng)的控制與監(jiān)視。

（2）就地控制箱：主要由按鈕、指示燈等組成，每個就地控制箱備有急停按鈕與相關(guān)按鈕等，負(fù)責(zé)手動開關(guān)閥門、啟停水泵。每臺水泵配置一臺防爆就地控制箱，主要在設(shè)備檢修時使用。

（3）現(xiàn)場傳感器：包括超聲水位計、流量傳感器、管路靜壓傳感器、電機溫度傳感器等，所檢測的參數(shù)主要有水倉水位、水泵進水管排真空完成狀態(tài)、水泵出水口壓力、水泵軸溫、電機溫度、排水管流量及設(shè)備工作狀態(tài)等等。

2 無人值守化控制功能的實現(xiàn)

采用PLC系統(tǒng)自動控制水泵的啟停及閘閥的開關(guān)，并具有自診斷功能，實現(xiàn)了主排水系統(tǒng)的無人值守。其控制原則主要有：①根據(jù)“水位控制”原則，自動實現(xiàn)水泵的輪換工作；②結(jié)合水倉水位和全礦電力負(fù)荷信息，以“移峰填谷”的原則確定開、停水泵時間。

PLC采集各種信號，根據(jù)水位情況、是否用電高峰等因素，自動啟停水泵及其閥門。水泵控制過程可概括為6個環(huán)節(jié)，即自動注水環(huán)節(jié)、閘閥操作環(huán)節(jié)、水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)、參數(shù)傳示環(huán)節(jié)、故障保護環(huán)節(jié)和水泵啟停環(huán)節(jié)。

（1）自動注水環(huán)節(jié)：水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內(nèi)部才能造成必要的真空度以實現(xiàn)正常排水，因此，啟動前的注水是水泵工作的重要操作項目之一。排水泵的灌注引水方式采用ZPBG 型氣水兩用噴射泵配套電動球閥實現(xiàn)自動控制，以排水管路中的壓力水為能源，同時以壓力空氣為備用能源。

（2）閘閥操作環(huán)節(jié)：本系統(tǒng)各閘閥均為電控液動閘閥，泵房內(nèi)設(shè)置2臺組合開關(guān)對各電動閥進行啟?？刂啤ｉy門可采用手動／自動兩種方式控制，在自動狀態(tài)下，通過PLC對閥門進行集中控制和監(jiān)視；在手動控制方式下，可在就地箱上對各閥門進行操作。

（3）水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)：水位自動監(jiān)控環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)水位的高低自動準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵命令。本系統(tǒng)選用兩臺西門子probe型超聲波液位傳感器，分別吊掛安裝于主、副水倉，實現(xiàn)對水位的監(jiān)測。

（4）參數(shù)傳示環(huán)節(jié)：在操作臺模擬屏上可模擬顯示水倉水位、水泵流量、水泵壓力及電動機、電磁閥和電動閥的各種工作狀態(tài)。

（5）故障保護環(huán)節(jié)包括：①流量保護：當(dāng)水泵啟動后或正常運行中，如流量達不到正常值，可通過流量保護裝置使本臺水泵停車，或轉(zhuǎn)為啟動另一臺水泵；②電動機故障：PLC 監(jiān)視水泵電機欠壓、過流、短路等故障，由高壓開關(guān)柜的綜合保護器提供一組公用的故障輸出接點，并參與控制。

（6）主排水泵的啟停：采用水位控制和移峰填谷相結(jié)合的原則自動啟停水泵。為了防止設(shè)備長期不用出現(xiàn)故障而未被發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)根據(jù)水泵的啟停次數(shù)自動輪換啟停水泵。

3 結(jié)語

王莊礦新井無人值守主排水系統(tǒng)于2011年11月投運，正常運轉(zhuǎn)至今，為同類系統(tǒng)的設(shè)計積累了一定的經(jīng)驗，同時，為煤礦實現(xiàn)無人值守化、運行自動化、礦井?dāng)?shù)字化奠定了基礎(chǔ)，有效地保證了礦井的安全。

［1］ 陶權(quán)，吳尚慶.變頻器應(yīng)用技術(shù)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008.

［2］ 汪德成.礦山流體機械［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

［3］ ?；哿?傳感器與自動檢測［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.