綜采工作面自動(dòng)化排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

聶愛國

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

引言

綜采工作面的涌水依靠井下泵房排出，經(jīng)調(diào)研可知，當(dāng)前應(yīng)用于礦井下排水系統(tǒng)的控制方式依靠作業(yè)人員憑其經(jīng)驗(yàn)對(duì)水泵開啟時(shí)機(jī)及數(shù)量進(jìn)行控制。人工控制方式不僅排水效率低、自動(dòng)化程度低，而且增加了工作面作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，實(shí)現(xiàn)綜采工作面排水系統(tǒng)的自動(dòng)化，能夠確保水泵能夠根據(jù)工作面實(shí)際情況及時(shí)開啟并關(guān)閉水泵，為綜采工作面的安全生產(chǎn)提供保障。

1 人工控制排水系統(tǒng)存在問題

目前，應(yīng)用于排水系統(tǒng)中最為廣泛的泵的類型為離心排水泵，也有少量系統(tǒng)采用潛水泵。一般井下排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

基于人工控制的排水系統(tǒng)存在以下問題：

1）作業(yè)人員通過對(duì)比工作面水位變化、涌水量等數(shù)據(jù)決定開啟或者關(guān)閉水泵的時(shí)機(jī)及數(shù)量。此種控制手段存在效率低、可靠性差的問題，一旦作業(yè)人員疏忽將會(huì)釀成不可挽回的事故。

2）基于人工控制的排水系統(tǒng)要求作業(yè)人員時(shí)刻注意水倉內(nèi)水位變化情況，且一般情況需要兩名作業(yè)人員同時(shí)操作才能夠完成對(duì)閥門的關(guān)閉和開啟。此種控制手段的勞動(dòng)強(qiáng)度極大。

3）系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，需要作業(yè)人員對(duì)可能出現(xiàn)故障的位置進(jìn)行逐個(gè)排故，效率低，間接制約了工作面的生產(chǎn)。此種控制手段的檢修維護(hù)相對(duì)困難[3]。

2 自動(dòng)化排水系統(tǒng)排水設(shè)備的選型

綜采工作面的涌水情況與煤礦當(dāng)?shù)氐奶鞖?、地質(zhì)以及工作面深度相關(guān)。因此，為保證所設(shè)計(jì)的自動(dòng)排水系統(tǒng)能夠達(dá)到高效的排水目的，需要根據(jù)煤礦實(shí)際情況對(duì)關(guān)鍵排水設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，主要包括有水泵、排水時(shí)間、電機(jī)功率、水倉體積大小以及系統(tǒng)運(yùn)行工況等[4]。

設(shè)計(jì)依據(jù)：煤礦開采深度為536 m；一般情況下工作面的正常涌水量qz=550 m3/h，最大涌水量qmax=1 000 m3/h；礦井的產(chǎn)量Q=5×106t/a。

圖1 排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 水泵的選型計(jì)算

由于該礦井為深礦井，故所選排水方式為直接排水。根據(jù)礦井工作面的正常涌水量和最大涌水量，得出水泵的正常排水能力Qz和最大排水能力Qmax分別為：Qz=1.2qz=660 m3/h；Qmax=1.2qmax=1 200 m3/h。

揚(yáng)程作為水泵選型的關(guān)鍵指標(biāo)，所需水泵的揚(yáng)程計(jì)算如下：

式中：H1為本礦井的開采深度，取H1=536 m；H2為井底車場與最低吸水面標(biāo)高差，取H2=4 m；H3為排水管高處井口的高度，取H3=1 m；η 為管路效率，取η=0.9～0.89。

經(jīng)計(jì)算可知，所需水泵的揚(yáng)程HB=601.1～607.9 m。經(jīng)調(diào)研，選型號(hào)為D450-60×9 的水泵。該型水泵的額定流量為450 m3/h，單級(jí)額定揚(yáng)程為60 m。

當(dāng)在正常涌水工況時(shí)，所需水泵的數(shù)量為660/450=1.47，即需要水泵的數(shù)量為2 個(gè)；當(dāng)在最大涌水工況時(shí)，所需水泵的數(shù)量為1 200/450=2.7，即所需水泵的數(shù)量為3 個(gè)。在實(shí)際生產(chǎn)中，常有一臺(tái)水泵處于備用的狀態(tài)。因此，工作面需要4 臺(tái)水泵。

2.2 電機(jī)的選型計(jì)算

電機(jī)作為處理水泵的核心設(shè)備，其選型的依據(jù)為容量。電機(jī)容量的計(jì)算公式如下：

式中：Nd為電機(jī)容量；k為富裕系數(shù)，k的取值如表1所示；ρ 為工作面積水的密度；H為水泵工況的揚(yáng)程，取H=571.5 m；Q為工作面的涌水量，取Q=406.8 m3/h；η為水泵工況效率，取η=0.78；ηC為傳動(dòng)效率，取ηC=0.98。

表1 k 值取值

經(jīng)計(jì)算可得，所需電機(jī)的容量為929.6 kW。經(jīng)查閱手冊(cè)，所選電機(jī)的型號(hào)JSQ-151，該電機(jī)的額定容量為1 050 kW。

3 自動(dòng)排水系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

自動(dòng)排水系統(tǒng)的核心控制器為PLC，因此其軟件設(shè)計(jì)是基于組態(tài)軟件完成的[5]。為確保工作面的積水高效排出，要求自動(dòng)排水系統(tǒng)需滿足以下功能：要求地面能夠?qū)崟r(shí)顯示工作面水泵的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面水泵的遠(yuǎn)程控制，并達(dá)到無人值守的效果；要求系統(tǒng)擁有冗余設(shè)計(jì)功能，當(dāng)其中核心部件不能正常工作時(shí)，可由其他設(shè)備代替。

根據(jù)上述功能要求，特設(shè)計(jì)如圖2 所示的單臺(tái)水泵監(jiān)控界面。

如圖2 所示，基于自動(dòng)排水系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握電機(jī)的電壓、電流、電機(jī)溫度等參數(shù)，水泵的進(jìn)水壓力、水位以及流量等參數(shù)，可設(shè)定水泵的工作方式（自動(dòng)/手動(dòng)、遠(yuǎn)程控制/就地控制）等。

圖2 單臺(tái)水泵監(jiān)控界面示意圖

此外，當(dāng)水倉內(nèi)水位發(fā)生突變、超出限值、流量等出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并在上位機(jī)顯示出現(xiàn)異常的類型、時(shí)間等信息，為作業(yè)人員對(duì)排水系統(tǒng)的檢修提供依據(jù)，大大提升了檢修效率。

4 結(jié)語

綜采工作面排水系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)的主要組成部分，其自動(dòng)化、智能化水平的提升是煤礦安全發(fā)展的重要保障。為此，需根據(jù)煤礦所處地質(zhì)、氣候以及煤層位置等完成自動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?；谧詣?dòng)排水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面積水高效、實(shí)時(shí)的排出，并實(shí)時(shí)顯示工作面各部件的運(yùn)行參數(shù)及故障點(diǎn)，為保障綜采工作面的安全生產(chǎn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。