煤矿井下智能排水控制系统的优化研究

2021-06-05巩卫国

山东煤炭科技 2021年5期

巩卫国

（霍州煤电薛虎沟煤业，山西河津 043302）

薛虎沟煤业位于河东煤田乡宁矿区，井田面积为4.061 6 km2，矿井正常涌水量10 m3/h，最大涌水量20 m³/h，水文地质类型为中等。在中央水仓安装两台BQS320-30×3-160 kW 防爆潜水电泵，沿主斜井敷设一趟Φ273 mm×22.7 mm 强排水管路至地面。由于开采过程中积水涌出量大，因此中央水仓内的排水泵处于长期运转状下，各个水泵之间的切换完全靠人工控制，造成水泵使用寿命差异性大，排水时间也是由人工根据井下积水情况进行控制，未按照“避峰就谷”的策略进行，导致了井下排水经济性差，系统的智能化程度低，无法满足紧急情况下的排水需求。

项目组提出了一种新的煤矿井下智能排水控制系统，该系统以PLC 控制单元为核心，针对现有排水系统的痛点问题设计了“避峰就谷”排水策略和多重防护策略，通过分析水位、排水时间和各个水泵的累计工作时间，自动对排水系统进行调整，实现了对排水系统智能、有序、经济性的自动控制。

1 智能排水控制系统

结合薛虎沟煤业排水系统的实际需求，井下智能排水控制系统整体结构如图1[1]。

图1 薛虎沟煤业智能排水控制系统框图

由图1 可知，该智能排水控制系统以PLC 控制为核心，主要包括就地控制箱、PLC 控制柜、数据通信系统及地面控制中心四个部分。就地控制箱主要是通过各类传感器设备对积水区域的水位情况进行监控，将监控信息进行分析后传递给PLC 控制柜，同时该模块还负责执行地面控制中心传递的调整控制指令，满足紧急情况下的远程控制需求。PLC 控制柜为该智能控制系统的核心，主要是依据就地控制箱传递的水位信息，再结合供电时间段来判断是否启动排水，同时系统对各排水泵的累计工作时间进行记录，自动调整各排水泵的工作时间，实现工作周期的平衡性。为了满足在井下复杂地质条件下的数据通信安全需求，该数据通信系统采用了工业以太网，能够保证在高电磁环境下的抗干扰性。

为了满足井下智能控制需求，在PLC 控制柜内设置了“避峰就谷”排水策略和多重控制策略，满足节能控制和安全控制的需求。

2 智能排水控制系统控制策略

为了满足不同情况下对排水系统控制安全性的需求，薛虎沟煤业智能排水控制系统设置了自动、手动和半自动三种控制模式，其整体控制逻辑如图2[2]。

图2 薛虎沟煤业智能排水系统控制逻辑示意图

在自动控制模式下，系统首先对积水区域的水位和水位变化率进行判断。若积水区域超过系统设定的警戒水位，则系统将继续对水位的变化率进行判断。若水位变化率超过系统设定的警戒变化率则控制多台水泵同时进行排水；若水位变化率小于系统设定的警戒值，则系统对该时间点进行判断。若是处于用电低谷期，则自动启动排水累计时间较小的水泵进行排水作业；若该时间点为用电高峰期，则系统继续对水位上升情况进行监测。若未达到危险水位，则系统不进行排水作业；若达到危险水位，则强制启动水泵开始排水作业。在排水过程中继续对水位情况进行监控，若水位不再继续上升则维持一个排水泵工作，若水位继续上升，则开启备用排水泵同时工作，满足排水安全性的需求[3]。

在手动控制模式下，主要是操作人员在地面控制中心根据井下的实际情况进行远程操作控制，通过地面控制中心输入控制指令，通过数据通信系统将控制指令传输到PLC 控制柜，对数据信号进行解析后传递给就地控制箱，通过控制电动阀来实现对排水状态的远程手动控制。

半自动控制则是指控制人员人工确认积水区域的水位状态，通过就地控制箱上的水泵启动和停止控制按钮来实现对井下排水状态的控制。

3 智能排水系统紧急控制逻辑

根据对薛虎沟煤业井下排水系统突发故障的统计，最常见的突发故障主要是断电或者突发透水事故，因此在该智能控制系统中增加了紧急情况下的处理方案。系统内设置了双回路供电，同时设置了应急电源，满足在突然停电下的供电连续性需求。当井下出现突水事故后，系统根据水量和水位变化速率开始启动紧急排水，若排水量小于涌水量则系统将发出强排水信号，控制相邻区域的水泵启动排水，同时系统发出紧急撤离信号，通知相关区域人员进行紧急撤离，避免更大的人员伤亡事故。该智能排水系统紧急情况下的排水控制逻辑如图3[4]。