煤矿井下综合防水控制系统的应用研究

2020-07-31张强

机械管理开发 2020年6期

张强

（阳泉煤业集团翼城堡子煤业有限公司，山西翼城 043500）

引言

随着煤矿综采作业深度的不断增加，在综采作业过程中发生各种地质灾害的概率不断加大，根据统计，煤矿综采作业过程中的矿井水害事故率占据了事故总数的20%以上，给井下综采作业安全造成了极大的影响。传统的煤矿井下防水控制系统主要采用了人工控制模式，控制效率低、安全性差，排水成本高，无法满足日益突出的井下水害事故威胁，因此，结合智能控制技术的发展，提出了一种新的煤矿井下综合防水控制系统。

1 分段排水控制方案

传统排水系统采用了整体式的排水控制模式，整个管路系统长达数千米，水流在管路内流动时的沿程阻力损失极大，排水过程中消耗了大量的无功功率，导致整个排水系统的排水功率浪费严重，耗电量大，而且整体式的排水模式存在着可靠性低的缺陷，一旦某个点位出现故障将导致整个排水系统的瘫痪，会给煤矿井下的排水安全性带来极大的隐患。

针对一体化排水系统在实际使用过程中存在的问题，提出了一种新的分段式的排水控制方案[1]，该方案可以灵活的应用井下地形条件，将主排水系统设置在综采面的上平面，将辅助的排水系统设置在综采面的下平面，实际工作过程中将井下积水区域的水通过多段排放到上侧的储水池内，再逐级通过排水泵进行上传，直到排放到地面。该分段式的排水结构虽然初次投入较大，但在实际应用过程中稳定性好，反应速度快，电能消耗比传统控制模式降低了12.6%，显著提升井下排水的安全性。

图1 煤矿井下分段式排水结构示意图

由图1 可知，该分段式排水系统主要由多台排水泵按阶梯式结构排列而成，在工作时位于巷道水仓内的水泵在检测到水位上升后开启排水模式，将井下积水抽到上一级的水仓内，而且持续的保持巷道水仓内水位处于安全状态，能够满足在突水工况下的紧急排水需求，增强对突发水害事故的应急反应能力。

排水泵采用了大功率离心式排水泵，排水时首先启动射流泵，同时将系统的真空阀打开，随着泵体内真空度的降低，水仓内的水在大气压的作用下进入到泵体内。然后排水电机启动，当出水口处的压力达到系统设定值以后便打开排水阀进行排水作业，当发生紧急故障情况下系统首先关闭出水阀待系统内的水排出后再进行断电操作，有效避免了紧急停机情况下的水锤冲击现象，提升了离心泵工作的可靠性和使用寿命。

2 煤矿井下智能排水控制系统

根据目前排水系统所存在的控制流程复杂、反应速度慢的缺陷，结合新的分段式的排水系统控制要求，提出了一种新的煤矿井下智能排水控制系统。其采用了分布控制的理论[2]，各点之间的控制具有相对独立性，维护方便，可靠性高，该控制系统主要包括地面监控单元、中央控制单元、机现场操作控制单元三个部分，以两段式排水系统结构为例，其整体结构如下页图2 所示[3]。由图2 可知，该井下排水智能控制系统采用了CAN 数据总线系统，将各个水泵单元连接成为一个整体，各个水泵单元之间均可以实现数据通信。上位机系统主要用于对整个排水系统运行情况的监测，煤矿排水水泵调度系统主要用于实现对各个水泵组的最优调度，确保系统在各种工况下的运行稳定性，井下水泵控制单元则主要用于接收上位机和水泵调度单元的控制指令。该系统中各个数据单元相对独立，单个系统故障不影响其他单元的正常运行。能够实现对各个排水单元运行情况的实时监测，实现对水仓水位报警的自动调控。

图2 煤矿井下智能排水控制系统结构示意图

3 智能排水系统的功能设计

为了确保该智能排水控制系统在各种工况下的运行稳定性，对该排水控制系统的实际功能进行了设计，主要包括多运行模式切换系统[4]、可视化控制系统保护等，其功能模块如图3 所示。

多运行模式切换主要是指该控制系统为了满足不同工况下的运行稳定性需求，分别设置了自动控制、人工控制和远程控制三种模式，在不同的工况下可以实现系统的自动切换，当出现紧急状态时，以人工控制可以实现直接优先控制，满足紧急控制需求。可视化控制主要是指在各个排水区域均设置有远程视频监控单元，能够实现对排水区域情况的远程监测，便于工作人员在监控中心实时的掌握井下排水系统运行情况，确保排水系统的运行正常。系统保护模块是指对系统中的水泵、电机、控制阀等进行安全保护，防止出现电机电流过大、漏电等导致的系统运行异常。自动轮换工作机制是指系统根据各水泵的工作时间自动进行轮换工作，确保各个水泵运行时间的均衡性，提升系统运行稳定性和各排水设备的使用寿命。数据信息采集单元是智能排水控制系统的核心，用于对系统中各排水设备运行状态的监测和数据分析，同时实现对井下排水单元的远程控制，实现排水系统运行的智能化和自动化控制。