煤矿井下排水智能控制系统研究

李艳军 张海峰

摘要：在煤矿事故中，水灾作为第二大元凶，造成了较大的经济损失和人员伤亡，于是对煤矿井下进行合理的排水十分重要。文章设计了一种井下排水智能控制系统，能够实现智能化控制井下排水。通过对系统的整体结构设计、硬件和软件的设计，能够增强系统运行的稳定性和灵活性，使得系统在理论上具有较好的应用效果。

关键词：煤矿;井下排水智能控制系统;设计

中图分类号：TP273;TD63+6

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0185-04

我国煤矿多为井工开采，由于煤层赋存条件和地质构造复杂，再加上作业环境特殊，导致安全事故频发[1]。随着煤矿智能化和自动化技术的不断发展，我国煤矿安全事故已经在不断下降，但是和世界发达国家相比，事故发生率還比较高。造成安全事故的因素较多，图1即为近年来我国煤矿主要安全事故类型分布情况。从图中可以看出除了瓦斯是第一杀手之外，水害造成事故发生的概率是最大的[2]。所以加强矿井水害防治工作非常重要。

矿井在生产过程中，煤层附近各水体均可能通过各种通道进入矿井，当涌水量增加时，若无法及时排出，轻则影响正常安全生产，重则出现重大安全事故。根据相关统计结果表明，我国大约有27%的矿井因为水灾造成经济损失和人员伤亡[3]。所以搭设设计合理、性能良好、可靠性高的井下排水系统，对防治矿井水害十分重要。

目前我国煤矿井下排水系统普遍存在设计不合理，灵活性较差，可靠性不高，抗灾能力差等问题[4]。这些问题可导致系统运行成本大且不稳定，维修不便。当井下出现异常涌水情况时，可导致整个系统瘫痪。针对这些问题，本文对煤矿井下排水方式进行分析，应用智能化控制技术，设计出合理的排水智能控制系统。

1 井下排水智能控制系统的设计

1.1 井下排水方式分析

煤矿开采过程中使用的排水方式类型较多，每种排水方式各有优劣性。根据排水系统的吸水口位置不同，可以将其分为吸人式、压人式和吸压结合的排水方式;另外，根据排水方式不同，可以分为分段式排水和集中排水[5]。通过对比分析不同排水方式的优缺点、可靠性和经济性，本文研究的排水系统选择集中排水方式。

集中排水方式就是将井下水仓中的水直接排出去。有些煤矿采用的多水平方式开采，针对这种情况，集中排水方式可以分为串联排水和直接排水[6]。当水平面中的水量比较小时，可以不用将每层的水量直接排出，而是将上水平面水仓中的水排放到下一个水平面，然后再将所有的水集中排出。当每层的水量比较大时，则需要采用直接排水的方式。图2即为集中排水的几种形式。集中排水方式的结构比较简单，方便操作，实际的应用效果好，成本投资较少，所以选择集中排水方式的煤矿占比较多。

1.2 井下排水系统的管路设计

水泵在排水系统中属于核心组件，在系统中扮演重要角色。由于离心式水泵具有使用和操作简单，维修和保养方便，工作效率高等优点，在矿井中被广泛的应用[7]。本文设计选用的即为离心式水泵，其主要结构如图3所示。

离心式水泵的工作原理为：在其启动之前，通过灌水漏斗，将泵腔充满水，排尽腔内空气。水泵开启之后，电机带动叶轮陕速旋转，在离心力作用下，泵腔内的水被甩至泵壳，从而使得泵腔内处于真空状态，在大气压的作用下，水仓中的水不断的从吸入口处被吸入，泵壳内流道随水流量的增加而扩大，水流动能随之减小，在水压的作用下进入出水管道。离心泵启动流程如图4所示。

图5即为管路的整体设计，主要构件有离心泵、电动阀门、电机、排水管、检测仪器等。通过对所有构件的合理配置即可设计出整体的排水管路系统。在设计过程中，需要注意以下2点：①在安装出水闸阀时需要将其设置在距离水泵管路比较近的地方，出水闸阀的功能为在启动之前保证达到符合要求的压力。②逆止阀安装在出水阀的上方，其具有方向性，主要作用为防止水倒流，降低水锤效应。检测仪表有压力表和真空表，用以监测系统的运行状况。真空表主要作用为检测泵腔内真空度是否达到要求;压力表的作用为观察水泵启动时压力的变化以决定何时打开出口阀门。射流系统的主要作用为通过引水操作，在离心式水泵工作之前，用射流系统向泵腔内灌水。

1.3 井下排水智能控制系统的结构设计

由于当前大量煤矿排水系统存在可靠性差、抗灾变能力低等问题，本文通过使用分布控制理论对其进行改进。系统使用容错设计，能够支持多种模式运行，且每个模式相互独立，当其中一个模式出现问题，不会影响到其他模式的运用，对出现问题的模式进行维修比较简单。图6即为系统的整体框架图。

系统各个单元利用控制网络互相连接，形成一个整体，每个单元之间可以进行数据交换。地面监控中心的作用是对井下系统进行实时监控;水泵调度单元的主要任务为完成水泵组的最优调度，实现系统的运行和保护等功能。水泵控制单元是对水泵系统提供运转模式，即当接收到相关命令之后，会自动转到相应的运转模式。系统能够实现多种模式的自动切换，如果监控中心在信息传递过程中出现问题，系统能够直接切换到井下自动运行模式，从而可以提高系统的稳定性和可靠性。

1.4 井下排水智能控制系统的功能设计

系统框架设计完毕后，对煤矿井下实际排水情况进行分析，确定系统的各项功能，如图7所示，主要包含7项重要功能。

1）多种运行模式切换：系统中设置了3种运行模式，这3种模式相互独立，能够实现运行模式互相切换，但不宜经常性的切换，不然会使系统出现混乱现象;另外，为了方便系统的检修，设置现场控制优先于远程控制模式，手动控制模式优先于自动控制模式。

2）可视化控制：地面主控操作系统显示屏可以显示井下水泵房运行实况;监控数据中心能检测和收集井下排水系统设备实时运行参数和工况，实现系统的远程实时动态监测，降低工人劳动强调。

3）水泵启停自动化：水泵启停自动化能够方便操作，系统可以自行启停排水。

4）系统保护：系统在运行过程中如果出现问题，系统保护功能可以对系统起到保护作用，从而提高了系统的安全性能。

5）排水系统自动运行：通过智能调度策略，能够实现系统自行运作，能够提高排水的效率，系统更加的智能化和自动化。

6）水泵自动轮换：通过对水泵使用状况和寿命的了解，对每个水泵进行合理安排，使其既不会处于长时间工作，又不会处于闲置状态，从而提高系统的可靠性。

7）数据采集与显示：在控制系统中，数据采集非常重要，直接决定着系统的排水效果。通过分析采集的数据，能实时了解设备的运行状态，为系统运行效果和可靠性的分析提供依据。

2 井下排水智能控制系统的软硬件设计

2.1 井下排水智能控制系统的整体方案设计

为了确保系统的稳定性，保证系统操作便捷和维修方便，在设计过程中，使用以太网和现场总线，然后对系统进行分层设计，如图8所示，即为系统的拓扑图，主要包含3个部分。

监控层主要依据以太网和相关的井下数据，控制和检测井下排水系统。运算层的主要作用是将采集到的数据进分析运算，得出排水方式的最优方案，然后对水泵的状态进行检测，并将水泵状态和相关数据传递到地面的监控中心。执行层就是对运算层选择的方案进行实施，以实现自动化排水。总之，监控层相当于老板，运算层相当于管理者，执行层相当于员工，3个部分有机结合，共同为系统的运行服务。

2.2系统的硬件设计

图9即为系统的硬件结构图，主要包含3个单元，分别为监测单元、水泵控制单元和调度单元。其中监测单元是智能控制系统的前提，调度单元是其核心，控制单元是其基础。

2.3 系统的软件设计

设计井下排水智能控制系统使用与S7-300配套的STEP7编程软件，系统功能的设计应满足煤矿实际的要求。STEP7程序可以分为模块化程序和线性化程序，由于模块化程序方便开发，具有耦合性小的优势，应用于系统设计中方便调试和集成，于是设计控制系统时采用模块式程序[8]。本文的系统主要由两个模块组成，分别为水泵PLC控制和调度PLC控制单元。

3 结语

综上所述，通过对井下排水智能控制系统的结构和功能进行设计，选择合适的硬件和软件设施，确保智能控制系统能够正常运行，是可以实现煤矿井下排水系统的稳定可靠运行。研究在一定程度上优化了排水系统的设计，且具有较好的使用效果，但还存在较多的问题，需要在煤矿实际的应用中，对其进行不断的优化和改进。

参考文献

[1]孟磊，赵毅鑫，姜耀东，等.井工煤矿紧急避险系统的应用与探讨[J].煤炭工程，2011（08）：24-26.

[2]傅贵，杨春，殷文韬，煤矿水灾事故动作原因研究[J].中国安全科学学报，2014，24（5）：56-61.

[3]杨春.煤矿水灾事故不安全动作原因研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2016.

[4]魯叶云.基于PLC的井下排水系统自动控制过程设计[J].山西焦煤科技，2019，43（12）：52-55.

[5]梁仕义，浅谈矿山井下离心泵的引水启泵方式[J].有色金属设计，2019，46（01）：1-3.

[6]李强.煤矿主排水监控系统的设计及应用[D].太原：太原理工大学，2010.

[7]李洋.MD型离心泵节能改造的研究与应用[J].煤矿机械，2014，35（10）：188-190.

[8]罗庚兴.西门子STEP7编程软件的使用方法[J].南方金属，2006（05）：35-39.

作者简介：李艳军（1980-），男，汉族，陕西榆林人，硕士研究生，讲师，主要从事安全技术及工程方面的教学与科研工作。