煤矿井下排水系统方案的研究与设计

2020-10-18散利鹏

机械管理开发 2020年9期

散利鹏

（山西长治郊区三元南耀吉安煤业有限公司，山西长治 046000）

引言

在煤矿井下煤炭开采过程中，井下会聚集煤层涌水以及地下水。根据地质条件差异以及季节不同，井下涌水量可达17～20 m3/s，甚至更高。当井下涌水量急剧增加，超出井下排水系统排水能力，溢出储水仓后，极易发生突水事故，影响煤矿安全生产甚至发生伤亡等严重事故。近年来，在山西王家岭煤矿、阳泉麻地港煤矿、大同姜家湾煤矿以及福建后洋煤矿都发生了煤矿透水事故，并造成人员伤亡[1-3]。因此，优化、完善煤矿井下排水系统具有积极的意义。国内外煤矿企业以及高校对煤矿井下排水系统进行大量的研究和探讨，优化排水管道和泵组组合，引入模糊控制对排水系统进行动态监测和健康诊断，研究提高排水效率的措施和方案，引入变频控制理论在保证完成功能的前提下节约电能损耗[4]。本文针对吉安矿特点，对其排水系统方案进行研究和设计。

1 排水系统模型

煤矿井下排水系统模型如图1所示，H1为该水仓的最高极限水位，H2为该水仓的安全水位，q（k）为该矿井工作面的单位时间涌水量，u（k）为该排水智能控制系统的输入控制量。由排水智能控制系统根据水仓水位对1～n号水泵进行控制，保证水仓水位控制在H2-H1之间，且当水位达到或超过H1时，进行声光报警。在进行排水系统设计时，将“高低水位”控制、“避峰就谷”控制方法进行综合考虑，保证控制水仓水位在安全水位以下，节能电能。

2 方案设计

2.1 硬件设计

煤矿井下排水系统方案硬件设计如图2所示，核心控制器为PLC，选用西门子S7 300系列PLC，根据排水系统实现的功能，统计所需的数字量输入输出点、模拟量输入输出点并扩展相应的模块，水泵电动机的启动、停止控制，电动闸阀控制，电磁阀控制以及错误报警控制作为数字量输出点；控制模式选择、水泵状态作为数字量输入点；出水口压力、入水口真空度、电动机电源电压、电机绕组温度作为排水系统的模拟量输入变量。PLC控制器通过获取控制模式指令，分析水泵状态后，控制电动机、电动闸阀以及电磁阀动作，进行排水作业。PLC控制器以TCP/IP通信模式将排水系统所有数据上传至煤矿井下工业环网并至上位机和地面监测分站，便于实现对排水状态的远程监测[5-7]。

图1 煤矿井下排水系统模型

图2 煤矿井下排水系统硬件设计

2.2 软件设计

煤矿井下排水系统软件设计基于数学模型以及硬件系统实现，采用ST编程语言实现排水系统软件功能。排水系统数学模型中，考虑“避峰就谷”因素，在用电高峰时间段减少水泵开启数量，在用电低谷时间段增加水泵开启数量，达到节约电能的目的。基于数学模型，将一天的排水周期划分为N段，利用递推算法对排水策略进行动态规划，保证在时刻k排水策略最优。图3所示为排水系统水泵启动软件流程，在对水泵进行启停控制时，需考虑水泵的出水口压力、入水口真空度以及水仓水位等因素。PLC控制器软件控制依次开启真空阀、射流阀后，需获取入水口真空度传感器数据并进行分析，当真空度满足要求时，才可以启动水泵电动机使水泵进行排水作业。水泵排水期间，PLC控制器需实时检测出水口压力值是否满足设定要求，不满足时，触发声光报警并关闭出水闸阀和水泵电动机；满足压力要求时，则开启电动闸阀。

图3 排水系统水泵启停软件流程

在软件设计中，PLC控制器还要负责与煤矿井下工业环网建立TCP/IP连接，将排水系统运行时的所有数据经TCP/IP连接上传至工业环网，由上位机或地面监测分站进行数据收集和处理，方便对井下排水系统进行远程监测。

2.3 泵与管路的选型

据核算，吉安矿井正常涌水量为15.4 m3/h，最大涌水量为17 m3/h，设计水仓容积为1 980 m3，其中主水仓容积为1 330 m3，副水仓容积为650 m3。设计选用MD280-43×5型矿用耐磨多级离心泵3台，配备YB2型防爆电动机，额定功率为280 kW，额定电压为10 kV，额定转速为1 480 r/min。正常涌水时，一台工作，一台备用，一台检修；最大涌水时，两台工作，一台检修。泵站内排水支管选用D219×6无缝钢管，干管选用D245×7无缝钢管。主排水管路沿副井井筒敷设，井筒内排水管路选用D245×7无缝钢管。正常涌水时，一趟工作，一趟备用；最大涌水时，两趟管路同时工作。