膏體充填遠程測控系統(tǒng)研制

王新全， 李培乾， 馬 斌， 任孝俊

（1.山東新河礦業(yè)有限公司， 山東 濟寧 272400； 2.揚州環(huán)銳科技有限公司， 江蘇 揚州 225100；3.山東康格能源科技有限公司， 山東 濟寧 272000）

0 引言

山東新河礦業(yè)是國內(nèi)較早實現(xiàn)膏體充填開采的煤礦之一， 目前采掘深度超過1000 米， 充填管道超過5000米，充填管路坡度大，沿線濕氣重且路滑，巡視難度大，條件惡劣，容易造成管道堵塞和事故?，F(xiàn)有條件下存在3 個突出問題：①地面無法控制充填管道內(nèi)膏體的流速，容易發(fā)生空管造成管道異常振動， 只能靠井下的人工操作來調(diào)節(jié)管道內(nèi)的膏體流速； ②發(fā)生堵管時只能采用人工放漿， 或者等待管道壓力嚴重超限頂開三通泄?jié){閥自動泄?jié){；③應急操作閥件時，需有人操作附近的乳化泵為閥組供液。這種方法在技術上可行但安全性不高，對操作工的技能和責任心要求很高，且費工費力容易造成生產(chǎn)事故，制約了膏體充填技術的推廣應用。因此，亟需開展膏體充填工作面遠程測控技術深入研究， 以提高礦山充填開采的效率和安全性， 促進煤炭充填開采行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定健康綠色發(fā)展。

1 項目軟硬件平臺的研制

本項目對充填工藝過程進行分析重構， 研制出充填數(shù)字化平臺、膏體充填網(wǎng)絡系統(tǒng)架構、調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)、三通泄?jié){閥壓力檢測及控制系統(tǒng)、 乳化泵站遠程控制系統(tǒng)和工作面液位測距系統(tǒng)， 與原有的膏體充填工藝系統(tǒng)有機結合， 建立了一套適合于新河礦業(yè)的膏體充填遠程測控系統(tǒng)。 該項目主要研究如下幾個方面的關鍵技術：

1.1 構建充填數(shù)字化平臺

該平臺基于Visual Studio 和MySQL 軟件自主開發(fā)，可實現(xiàn)即時可控、運行狀態(tài)實時顯示和數(shù)據(jù)報表等功能，亦支持歷史數(shù)據(jù)曲線查詢， 同時會分析管道壓力或者乳化液壓力狀態(tài)，給出即時報警信息等。 控制界面如圖1～4所示。

1.2 膏體充填網(wǎng)絡系統(tǒng)架構

圖1 數(shù)字化平臺主界面

圖2 數(shù)字化平臺壓力檢測界面

圖3 數(shù)字化平臺乳化泵操作界面

圖4 數(shù)字化平臺參數(shù)設置界面

井上與地面的及時通訊和遠程操控的網(wǎng)絡架構如圖5 所示，采用光纖實現(xiàn)遠距離通訊互聯(lián)，包括匯聚型交換機、接入型交換機、控制工作站、配料工作站、防爆控制箱（內(nèi)置有網(wǎng)絡型PLC， 實現(xiàn)現(xiàn)場I/O 控制信號的接入和輸出）等關鍵組成部分，從而支撐充填工作面遠程測控系統(tǒng)的目標實現(xiàn)。

圖5 膏體充填網(wǎng)絡系統(tǒng)架構示意圖

1.3 調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)

調(diào)節(jié)閥（又稱為“保障閥”）是充填管路系統(tǒng)上的關鍵部件之一， 目前開啟和關閉主要通過工人在井下手動調(diào)節(jié)液壓手柄， 若需精確調(diào)節(jié)閥門開啟度大小及控制膏體流速，則需要熟練的操作人員。本項目通過在閥體頂部安裝位移傳感器，將閥體液控回路更換為電液閥裝置，位移傳感器和電液閥接入井下防爆控制箱內(nèi)的網(wǎng)絡型PLC，網(wǎng)絡型PLC 通過光纖交換機經(jīng)礦方的網(wǎng)絡系統(tǒng)， 與地面的控制電腦互聯(lián)。 從而實現(xiàn)在地面遠程控制調(diào)節(jié)閥開度的目的，采用位移傳感器測量閥門的實際開度，通過對電液閥開關時長控制，達到調(diào)節(jié)開度與目標開度一致的效果，這樣更有利于優(yōu)秀操作經(jīng)驗的積累和轉(zhuǎn)化利用。

圖6 調(diào)節(jié)閥控制界面

圖7 調(diào)節(jié)閥開度檢測示意圖

1.4 三通泄?jié){閥壓力檢測及控制系統(tǒng)

三通泄?jié){閥是一種帶有壓力檢測功能的膏體充填管道卸料閥門，該閥門不僅能夠在管道壓力嚴重超限時自動卸料，還能夠檢測充填管路中的壓力，而且還能通過切換供液的形式實現(xiàn)應急放料。本項目通過將其將閥體液控回路更換為電液閥裝置， 并增加壓力檢測傳感器，從而實現(xiàn)在地面遠程控制檢測管道內(nèi)膏體壓力，和地面遠程控制泄?jié){閥開關的目的。三通泄?jié){閥供液系統(tǒng)簡圖如圖9 所示，壓力傳感器和電液閥接入井下防爆控制箱內(nèi)的網(wǎng)絡型PLC，網(wǎng)絡型PLC 通過光纖交換機經(jīng)礦方的網(wǎng)絡系統(tǒng)， 與地面的控制電腦互聯(lián)。

1.5 乳化泵站遠程控制系統(tǒng)

圖8 乳化泵站控制界面

圖9 三通泄?jié){閥供液系統(tǒng)示意圖

乳化泵站可為各充填沿線閥組提供穩(wěn)定可靠的乳化液，使其能夠適時的提供開關或者開度調(diào)節(jié)動力。本項目通過將其將乳化泵站開關柜切換為遠控模式， 避免了乳化泵站持續(xù)空載運行損耗， 避免了因操作人員憑借自己的工作經(jīng)驗操作帶來的不足， 采用井下防爆控制箱內(nèi)的網(wǎng)絡型PLC 來控制，網(wǎng)絡型PLC 通過光纖交換機經(jīng)礦方的網(wǎng)絡系統(tǒng)，與地面的控制電腦互聯(lián)，來實現(xiàn)在地面遠程控制乳化泵站啟停的目的（控制界面如圖8 所示），也可以根據(jù)乳化液系統(tǒng)的壓力分布情況自行啟停相關閥組單元的乳化泵。

2 現(xiàn)場應用和數(shù)據(jù)分析

本項目研制的膏體充填遠程測控系統(tǒng)在山東新河礦業(yè)有限公司7304 膏體充填工作面得到了成功的應用，顯著減輕了工人巡視管道的工作量， 基本避免和預防了堵管事故的發(fā)生，為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了有效保障。詳細數(shù)據(jù)如圖10 所示。

圖10 充填期間管道沿線壓力趨勢圖

通過上述曲線，可以清晰的看出正常情況下，充填起始階段管道壓力的變化過程， 它是壓力異常預警和處置的依據(jù)， 同時也為各個工藝節(jié)點的密封件耐壓性能選型提供了有效的參考。

充填過程中， 當充填泵沖程降低或者充填管道沿途壓力偏低時，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，適當降低工作面調(diào)節(jié)閥的開度來減緩流速，從而達到滿管的目的；當充填泵沖程提高或者沿途充填管道壓力偏高時， 可以增大工作面調(diào)節(jié)閥的開度來增大流速，避免充填管道壓力過高。另外，壓力超過預警值，還會造成堵管或者密封件損壞等故障，本項目對其進行了詳細分類，并給與分級預警處理，預警輸出條件如表1 所示， 其中條件項所涉及的變量An、AL、AH、B 和D 等變量為設定值， 也可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值自動修正。

表1 預警輸出對照表

另外， 本項目在關鍵閥組的供液管上安裝了壓力傳感器，自動模式下，當需要操作的閥組供液壓力不足時，系統(tǒng)可自動啟動乳化泵，為相應單元的閥組供液，為閥組的動作提供動力。

3 小結

本項目研制出一套適合于山東新河礦業(yè)有限公司的膏體充填遠程測控系統(tǒng)，包括充填數(shù)字化平臺、膏體充填網(wǎng)絡系統(tǒng)架構、調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)、三通泄?jié){閥壓力檢測及控制系統(tǒng)和乳化泵站遠程控制系統(tǒng)等關鍵部分。 以山東新河礦業(yè)有限公司7304 膏體充填工作面為試點，解決了膏體充填過程井上下聯(lián)動用時長、 用工多和機動靈活性差的技術難題， 優(yōu)化了生產(chǎn)工藝， 保障了人員和設備安全， 對促進煤炭充填開采行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定健康綠色發(fā)展具有十分巨大的推動作用。