煤礦井下排水系統(tǒng)方案的研究與設(shè)計(jì)

散利鵬

（山西長(zhǎng)治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

在煤礦井下煤炭開采過(guò)程中，井下會(huì)聚集煤層涌水以及地下水。根據(jù)地質(zhì)條件差異以及季節(jié)不同，井下涌水量可達(dá)17～20 m3/s，甚至更高。當(dāng)井下涌水量急劇增加，超出井下排水系統(tǒng)排水能力，溢出儲(chǔ)水倉(cāng)后，極易發(fā)生突水事故，影響煤礦安全生產(chǎn)甚至發(fā)生傷亡等嚴(yán)重事故。近年來(lái)，在山西王家?guī)X煤礦、陽(yáng)泉麻地港煤礦、大同姜家灣煤礦以及福建后洋煤礦都發(fā)生了煤礦透水事故，并造成人員傷亡[1-3]。因此，優(yōu)化、完善煤礦井下排水系統(tǒng)具有積極的意義。國(guó)內(nèi)外煤礦企業(yè)以及高校對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)進(jìn)行大量的研究和探討，優(yōu)化排水管道和泵組組合，引入模糊控制對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和健康診斷，研究提高排水效率的措施和方案，引入變頻控制理論在保證完成功能的前提下節(jié)約電能損耗[4]。本文針對(duì)吉安礦特點(diǎn)，對(duì)其排水系統(tǒng)方案進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1 排水系統(tǒng)模型

煤礦井下排水系統(tǒng)模型如圖1所示，H1為該水倉(cāng)的最高極限水位，H2為該水倉(cāng)的安全水位，q（k）為該礦井工作面的單位時(shí)間涌水量，u（k）為該排水智能控制系統(tǒng)的輸入控制量。由排水智能控制系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位對(duì)1～n號(hào)水泵進(jìn)行控制，保證水倉(cāng)水位控制在H2-H1之間，且當(dāng)水位達(dá)到或超過(guò)H1時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。在進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將“高低水位”控制、“避峰就谷”控制方法進(jìn)行綜合考慮，保證控制水倉(cāng)水位在安全水位以下，節(jié)能電能。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下排水系統(tǒng)方案硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，核心控制器為PLC，選用西門子S7 300系列PLC，根據(jù)排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，統(tǒng)計(jì)所需的數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)、模擬量輸入輸出點(diǎn)并擴(kuò)展相應(yīng)的模塊，水泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止控制，電動(dòng)閘閥控制，電磁閥控制以及錯(cuò)誤報(bào)警控制作為數(shù)字量輸出點(diǎn)；控制模式選擇、水泵狀態(tài)作為數(shù)字量輸入點(diǎn)；出水口壓力、入水口真空度、電動(dòng)機(jī)電源電壓、電機(jī)繞組溫度作為排水系統(tǒng)的模擬量輸入變量。PLC控制器通過(guò)獲取控制模式指令，分析水泵狀態(tài)后，控制電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)閘閥以及電磁閥動(dòng)作，進(jìn)行排水作業(yè)。PLC控制器以TCP/IP通信模式將排水系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)上傳至煤礦井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)并至上位機(jī)和地面監(jiān)測(cè)分站，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)排水狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[5-7]。

圖1 煤礦井下排水系統(tǒng)模型

圖2 煤礦井下排水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

煤礦井下排水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于數(shù)學(xué)模型以及硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用ST編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)軟件功能。排水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，考慮“避峰就谷”因素，在用電高峰時(shí)間段減少水泵開啟數(shù)量，在用電低谷時(shí)間段增加水泵開啟數(shù)量，達(dá)到節(jié)約電能的目的?；跀?shù)學(xué)模型，將一天的排水周期劃分為N段，利用遞推算法對(duì)排水策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，保證在時(shí)刻k排水策略最優(yōu)。圖3所示為排水系統(tǒng)水泵啟動(dòng)軟件流程，在對(duì)水泵進(jìn)行啟?？刂茣r(shí)，需考慮水泵的出水口壓力、入水口真空度以及水倉(cāng)水位等因素。PLC控制器軟件控制依次開啟真空閥、射流閥后，需獲取入水口真空度傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，當(dāng)真空度滿足要求時(shí)，才可以啟動(dòng)水泵電動(dòng)機(jī)使水泵進(jìn)行排水作業(yè)。水泵排水期間，PLC控制器需實(shí)時(shí)檢測(cè)出水口壓力值是否滿足設(shè)定要求，不滿足時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警并關(guān)閉出水閘閥和水泵電動(dòng)機(jī)；滿足壓力要求時(shí)，則開啟電動(dòng)閘閥。

圖3 排水系統(tǒng)水泵啟停軟件流程

在軟件設(shè)計(jì)中，PLC控制器還要負(fù)責(zé)與煤礦井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)建立TCP/IP連接，將排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)經(jīng)TCP/IP連接上傳至工業(yè)環(huán)網(wǎng)，由上位機(jī)或地面監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理，方便對(duì)井下排水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

2.3 泵與管路的選型

據(jù)核算，吉安礦井正常涌水量為15.4 m3/h，最大涌水量為17 m3/h，設(shè)計(jì)水倉(cāng)容積為1 980 m3，其中主水倉(cāng)容積為1 330 m3，副水倉(cāng)容積為650 m3。設(shè)計(jì)選用MD280-43×5型礦用耐磨多級(jí)離心泵3臺(tái)，配備YB2型防爆電動(dòng)機(jī)，額定功率為280 kW，額定電壓為10 kV，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min。正常涌水時(shí)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，一臺(tái)檢修；最大涌水時(shí)，兩臺(tái)工作，一臺(tái)檢修。泵站內(nèi)排水支管選用D219×6無(wú)縫鋼管，干管選用D245×7無(wú)縫鋼管。主排水管路沿副井井筒敷設(shè)，井筒內(nèi)排水管路選用D245×7無(wú)縫鋼管。正常涌水時(shí)，一趟工作，一趟備用；最大涌水時(shí)，兩趟管路同時(shí)工作。

3 故障與保護(hù)

煤礦井下排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多種故障與保護(hù)功能：

1）傳感器故障與超限報(bào)警，系統(tǒng)中的壓力、流量、真空度等傳感器設(shè)置有區(qū)間值，當(dāng)PLC控制器采集傳感器數(shù)據(jù)并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，若該數(shù)值不在設(shè)置區(qū)間值內(nèi)，則進(jìn)行故障報(bào)警；當(dāng)PLC控制器在時(shí)間T內(nèi)，無(wú)法采集該傳感器信號(hào)時(shí)，同樣需進(jìn)行故障報(bào)警。

2）電動(dòng)閘閥故障，當(dāng)PLC控制器控制電動(dòng)閘閥門動(dòng)作時(shí)，在時(shí)間T內(nèi)，需向PLC控制器發(fā)送ACK信號(hào)；若PLC控制器在時(shí)間T內(nèi)沒(méi)有接收到ACK信號(hào)，則發(fā)出報(bào)警信息。

3）水泵保護(hù)，當(dāng)入水口真空度在時(shí)間T無(wú)法滿足水泵啟動(dòng)條件時(shí)，PLC控制器需控制水泵自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出聲光報(bào)警；水泵在運(yùn)行過(guò)程中，PLC控制器采集到的壓力、流量以及水倉(cāng)水位嚴(yán)重偏離預(yù)期曲線時(shí)，需立即停止水泵并發(fā)出聲光報(bào)警。

4）通信故障，對(duì)TCP/IP通信進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警，能夠?qū)νㄐ殴收线M(jìn)行自診斷和自恢復(fù)。

5）對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、缺相、斷相、兩相粘連、溫度保護(hù)，延長(zhǎng)水泵電動(dòng)機(jī)使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

建立煤礦井下排水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)排水控制策略進(jìn)行分析，并完成排水系統(tǒng)方案的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)排水方案的最優(yōu)控制。綜合考慮“避峰就谷”等因素，在節(jié)約電能的同時(shí)，可減輕井下工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)環(huán)境。