關(guān)于礦井多水平智能化高效排水系統(tǒng)改造的研究與應(yīng)用

王碩

（中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120）

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)能源和原材料的消費(fèi)較為旺盛，在這些能源中，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)安全、清潔高效利用的能源就是煤炭。未來(lái)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的煤炭無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的利用。預(yù)計(jì)，我國(guó)的煤炭資源將在2030～2050年間，實(shí)現(xiàn)在我國(guó)一次能源消費(fèi)比重中的40%～50%以上。經(jīng)過(guò)40年來(lái)的不斷發(fā)展，我國(guó)煤礦的綜合機(jī)械化已在生產(chǎn)力和安全生產(chǎn)方面實(shí)現(xiàn)了巨大的改進(jìn)，使得整個(gè)行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化的發(fā)展，同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)也在一些重要系統(tǒng)上得到實(shí)現(xiàn)，以此促進(jìn)了煤礦智能化的良好發(fā)展。但隨著科技發(fā)展和全球氣候變化以及低碳環(huán)保理念的不斷推進(jìn)，我國(guó)煤炭行業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中也面臨著較大的挑戰(zhàn)。

1 優(yōu)化排水系統(tǒng)，提高排水效率

從相關(guān)的研究分析可以看出，水平涌水量最大時(shí)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(yīng)以此為主進(jìn)行改造。設(shè)計(jì)有關(guān)于-400m處的水平直排水改造方案，其排水系統(tǒng)的方案僅僅是針對(duì)-400m進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)其他三個(gè)泵房不會(huì)帶來(lái)任何影響，同時(shí)，其投資較少，并見(jiàn)效快的特點(diǎn)。具體采用如下方法進(jìn)行：對(duì)原來(lái)泵房?jī)?nèi)的3臺(tái)MD280-43×6普通多級(jí)離心水泵進(jìn)行更換，使用效率更高的MD450-60×9（P）高效排水泵進(jìn)行。在-400m的泵房設(shè)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(chǔ)上，整個(gè)排水系統(tǒng)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(dòng)平衡的高效排水泵至少不低于76%，比傳統(tǒng)的多級(jí)離心泵高6%～7%。此外，隨著水泵排量的增加，-400m時(shí)的泵房排水室從每天24h縮短到11h，平截面時(shí)間減少約10h。同時(shí)，水平泵室在-200m時(shí)，可對(duì)谷斷進(jìn)行綜合控制。

2 自動(dòng)化、智能化排水減人提效

采用自動(dòng)化、智能化的方式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要是針對(duì)煤礦中占用人員多、排水電價(jià)高等問(wèn)題進(jìn)行。該系統(tǒng)可以對(duì)“峰、谷、平”時(shí)段的用電量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掉調(diào)整，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。各泵之間的智能運(yùn)行和連接功能應(yīng)根據(jù)水位優(yōu)先的原則予以控制。

2.1 控制功能

自動(dòng)控制功能。根據(jù)水位優(yōu)先的原則，使各水泵的自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)水位達(dá)到高水位或不高水位且處于低耗電時(shí)段時(shí)，水泵自動(dòng)開始工作。當(dāng)水位低或不高且處于用電高峰時(shí)，當(dāng)水位高時(shí)水泵自動(dòng)停機(jī)，“工作泵”和“備用泵”自動(dòng)啟動(dòng)，“備用泵”自動(dòng)啟動(dòng)當(dāng)水位低于上水位時(shí)停止。只有“水泵在工作”時(shí)達(dá)到低電平或不高電平，在用電高峰期間，水泵自動(dòng)停機(jī)。手動(dòng)一鍵控制功能。根據(jù)實(shí)際需要，也可以從自動(dòng)控制模式切換到手動(dòng)控制模式。在這種情況下，操作員在控制臺(tái)上手動(dòng)控制它。一個(gè)設(shè)備可以啟動(dòng)和停止，但此時(shí)，操作鎖關(guān)系的進(jìn)入對(duì)設(shè)備還是有保護(hù)作用的。同時(shí)具有一鍵控制功能，即操作者按下泵啟動(dòng)按鈕并保持5s。泵控制系統(tǒng)進(jìn)行真空、泵啟動(dòng)、閥門開啟、真空設(shè)備關(guān)閉、閥門關(guān)閉和停止泵等的自動(dòng)控制，并簡(jiǎn)化實(shí)際控制的過(guò)程。地面遠(yuǎn)程一鍵控制。地面控制界面美觀實(shí)用，實(shí)時(shí)反映鉆井設(shè)備的性能。對(duì)鉆井設(shè)備進(jìn)行維護(hù)操作并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。一鍵啟動(dòng)和停止可以由相關(guān)操作人員使用遙控鼠標(biāo)進(jìn)行控制。

2.2 具體方案

每個(gè)泵控制系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：地面控制站、PLC防爆控制箱、泵、本安控制臺(tái)（含10英寸液晶屏）、電磁閥、傳感器、以太網(wǎng)光纖斷路器、攝像頭和固有電纜，軟件等元器件、水泵啟?？刂啤㈦姶砰y開關(guān)、真空排氣裝置自動(dòng)開關(guān)及各種保護(hù)、報(bào)警、故障排除等項(xiàng)目。具體采用下列方式進(jìn)行方案配置：

分別對(duì)4個(gè)水平泵房進(jìn)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(jù)MA的要求，增加了輸入輸出模塊和分區(qū)。安裝在泵室變電站，檢查泵電機(jī)的啟停、電磁閥開關(guān)、球閥開關(guān)，獲取當(dāng)前電機(jī)信號(hào)和泵負(fù)壓、正壓、水位和顯示管道流量、電機(jī)和水泵溫度等信號(hào)。

4個(gè)水平泵室配備了固有的TH24X(D)礦山操作控制臺(tái)。功能控制臺(tái)安裝在泵房?jī)?nèi)。10英寸觸摸屏和不銹鋼蝕刻模擬圖形顯示在泵驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)置屏幕上，可以直接了解水泵的運(yùn)行狀態(tài)、各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及各種工具的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了水泵的開泵過(guò)程。同時(shí)，為水泵運(yùn)行參數(shù)的記錄提供便捷。

泵房?jī)?nèi)的每臺(tái)泵都配備了內(nèi)置攝像頭和煙霧傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)控泵性能和環(huán)境條件。視頻信號(hào)連接到KXJ-212-30/1140(660)(E)?？删幊炭刂葡?，可編程控制箱內(nèi)裝有以太網(wǎng)交換機(jī)，將膠片傳到三恒交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，再傳輸?shù)降孛?。煙霧傳感器連接控制編程對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。

每臺(tái)泵的吸入管和出口管的位置都裝有內(nèi)壓傳感器，使用GPD10礦井檢測(cè)泵的真空度和出口壓力。所有電磁閥統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為DFB10/25礦用防爆電磁閥，用于執(zhí)行遠(yuǎn)程噴射排氣真空控制。每個(gè)泵室的內(nèi)外坑內(nèi)安裝一個(gè)0～10m范圍的超聲波水位傳感器和一個(gè)礦井液位傳感器GUY10，用于對(duì)水倉(cāng)的位置進(jìn)行檢測(cè)。所有泵房均配備3套水位傳感器。每個(gè)泵室的兩條主管上安裝了一個(gè)使用GLC50G礦井的固有超聲波流量傳感器，以對(duì)主管路的水流量進(jìn)行檢測(cè)。

用于接收通過(guò)地下傳輸?shù)墓鈹?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通信箱位于地面控制室，配備2臺(tái)工控機(jī)和1臺(tái)UPS電源。了解房間和地下泵房的啟動(dòng)功能?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)地面泵室運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。控制室內(nèi)設(shè)有硬盤錄像機(jī)和液晶顯示器，可以存儲(chǔ)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(tǒng)成為工作場(chǎng)所，使每個(gè)泵房都能實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”。每個(gè)抽氣閘閥、真空泵和球閥的電源都位于室內(nèi)泵內(nèi)。固有的可編程控制箱符合《煤礦安全規(guī)程》，也達(dá)到了集中控制的目的。每個(gè)泵都配備了一個(gè)內(nèi)置攝像頭和一個(gè)安全的煙霧傳感器，可以對(duì)水泵的事實(shí)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

3 科學(xué)頂層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煤礦智能系統(tǒng)化融合高效運(yùn)行

3.1 生產(chǎn)礦井智能化改造

采用智能化的方式對(duì)已有的生產(chǎn)礦井進(jìn)行改造，目前，以生成相應(yīng)的生產(chǎn)系統(tǒng)，為此，應(yīng)將自上而下的方式運(yùn)用在實(shí)際改造的過(guò)程中，其改造的技術(shù)思路應(yīng)以“基礎(chǔ)系統(tǒng)高容采掘系統(tǒng)高可靠-感知系統(tǒng)全覆蓋-保障系統(tǒng)高適應(yīng)”的原則為主，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化的目標(biāo)。第一步，在實(shí)際的系統(tǒng)操作中運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)裝備，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)、改造；第二步，將生產(chǎn)工藝和環(huán)境過(guò)程信息結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)，并在其中融入相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，合理的開發(fā)利用自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)，進(jìn)行第二層次的建設(shè)；第三步，為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的管理，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)予以總結(jié)，形成大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和綜合管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的智能化改造。

3.2 新建礦井全面智能化建設(shè)

目前，已有的系統(tǒng)不會(huì)對(duì)新建礦井的智能化建設(shè)產(chǎn)生影響，因此，在建設(shè)的初期就可以對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行充分的考慮，對(duì)接口、標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)、建設(shè)的方式和順序予以統(tǒng)一，使得數(shù)據(jù)的壁壘在一定程度上得到突破，同時(shí)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和配合程度，有效保障了礦井生產(chǎn)的安全和高效。

4 結(jié)語(yǔ)

主要地下排水系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)作業(yè)安全、高質(zhì)量發(fā)展的保障，對(duì)提高其作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。主排水泵主控系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)，通過(guò)科學(xué)的程序設(shè)計(jì)，智能遙控實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵運(yùn)行的控制，不僅使系統(tǒng)更加精準(zhǔn)高效，但提高了管理質(zhì)量，同時(shí)也顯著減少了地下水泵房的操作人員數(shù)量，使得工作強(qiáng)度得到有效的降低，從而提高礦井的綜合效益。