关于矿井多水平智能化高效排水系统改造的研究与应用

王硕

（中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120）

现阶段，我国对能源和原材料的消费较为旺盛，在这些能源中，可以实现经济安全、清洁高效利用的能源就是煤炭。未来，在很长一段时间内，我国的煤炭无法实现大规模的利用。预计，我国的煤炭资源将在2030～2050年间，实现在我国一次能源消费比重中的40%～50%以上。经过40年来的不断发展，我国煤矿的综合机械化已在生产力和安全生产方面实现了巨大的改进，使得整个行业可以实现综合机械化的发展，同时，自动化技术也在一些重要系统上得到实现，以此促进了煤矿智能化的良好发展。但随着科技发展和全球气候变化以及低碳环保理念的不断推进，我国煤炭行业在发展的过程中也面临着较大的挑战。

1 优化排水系统，提高排水效率

从相关的研究分析可以看出，水平涌水量最大时处在-400m处，此使，排水压力不仅在此处具有较大的压力，在-200m处的水平压力也较大，为此，应以此为主进行改造。设计有关于-400m处的水平直排水改造方案，其排水系统的方案仅仅是针对-400m进行设计的，对其他三个泵房不会带来任何影响，同时，其投资较少，并见效快的特点。具体采用如下方法进行：对原来泵房内的3台MD280-43×6普通多级离心水泵进行更换，使用效率更高的MD450-60×9（P）高效排水泵进行。在-400m的泵房设置两条与地面直通的管道，并放置325×12.5型的排水管，使得-200m的泵房的排水压力得到有效减轻，在此基础上，整个排水系统的效率及可靠性也得到有效的提高。排水效率MD450-60×9(P)自动平衡的高效排水泵至少不低于76%，比传统的多级离心泵高6%～7%。此外，随着水泵排量的增加，-400m时的泵房排水室从每天24h缩短到11h，平截面时间减少约10h。同时，水平泵室在-200m时，可对谷断进行综合控制。

2 自动化、智能化排水减人提效

采用自动化、智能化的方式对控制系统进行控制，主要是针对煤矿中占用人员多、排水电价高等问题进行。该系统可以对“峰、谷、平”时段的用电量实现自动掉调整，同时，还可以实现远程监控。各泵之间的智能运行和连接功能应根据水位优先的原则予以控制。

2.1 控制功能

自动控制功能。根据水位优先的原则，使各水泵的自动控制可以实现，当水位达到高水位或不高水位且处于低耗电时段时，水泵自动开始工作。当水位低或不高且处于用电高峰时，当水位高时水泵自动停机，“工作泵”和“备用泵”自动启动，“备用泵”自动启动当水位低于上水位时停止。只有“水泵在工作”时达到低电平或不高电平，在用电高峰期间，水泵自动停机。手动一键控制功能。根据实际需要，也可以从自动控制模式切换到手动控制模式。在这种情况下，操作员在控制台上手动控制它。一个设备可以启动和停止，但此时，操作锁关系的进入对设备还是有保护作用的。同时具有一键控制功能，即操作者按下泵启动按钮并保持5s。泵控制系统进行真空、泵启动、阀门开启、真空设备关闭、阀门关闭和停止泵等的自动控制，并简化实际控制的过程。地面远程一键控制。地面控制界面美观实用，实时反映钻井设备的性能。对钻井设备进行维护操作并进行远程控制。一键启动和停止可以由相关操作人员使用遥控鼠标进行控制。

2.2 具体方案

每个泵控制系统主要由以下设备组成：地面控制站、PLC防爆控制箱、泵、本安控制台（含10英寸液晶屏）、电磁阀、传感器、以太网光纤断路器、摄像头和固有电缆，软件等元器件、水泵启停控制、电磁阀开关、真空排气装置自动开关及各种保护、报警、故障排除等项目。具体采用下列方式进行方案配置：

分别对4个水平泵房进行配置，分别配备矿用可编程防爆控制箱KXJ-212-30/1140（660）（E），采用两门箱体，集成西门子PLC、电源、输入、输出、模拟量输出、通讯等模块。根据MA的要求，增加了输入输出模块和分区。安装在泵室变电站，检查泵电机的启停、电磁阀开关、球阀开关，获取当前电机信号和泵负压、正压、水位和显示管道流量、电机和水泵温度等信号。

4个水平泵室配备了固有的TH24X(D)矿山操作控制台。功能控制台安装在泵房内。10英寸触摸屏和不锈钢蚀刻模拟图形显示在泵驱动器的内置屏幕上，可以直接了解水泵的运行状态、各设备的运行状态以及各种工具的实时数据，简化了水泵的开泵过程。同时，为水泵运行参数的记录提供便捷。

泵房内的每台泵都配备了内置摄像头和烟雾传感器，以实时监控泵性能和环境条件。视频信号连接到KXJ-212-30/1140(660)(E)。可编程控制箱，可编程控制箱内装有以太网交换机，将胶片传到三恒交换机网络，再传输到地面。烟雾传感器连接控制编程对环境进行检测。

每台泵的吸入管和出口管的位置都装有内压传感器，使用GPD10矿井检测泵的真空度和出口压力。所有电磁阀统一转换为DFB10/25矿用防爆电磁阀，用于执行远程喷射排气真空控制。每个泵室的内外坑内安装一个0～10m范围的超声波水位传感器和一个矿井液位传感器GUY10，用于对水仓的位置进行检测。所有泵房均配备3套水位传感器。每个泵室的两条主管上安装了一个使用GLC50G矿井的固有超声波流量传感器，以对主管路的水流量进行检测。

用于接收通过地下传输的光数据的数据通信箱位于地面控制室，配备2台工控机和1台UPS电源。了解房间和地下泵房的启动功能。可实现对地面泵室运行状态和数据的实时监控。控制室内设有硬盘录像机和液晶显示器，可以存储和显示泵房的视频。

改造后，所有泵房在地面一体化集中工作，井下操作系统成为工作场所，使每个泵房都能实现“无人值守”。每个抽气闸阀、真空泵和球阀的电源都位于室内泵内。固有的可编程控制箱符合《煤矿安全规程》，也达到了集中控制的目的。每个泵都配备了一个内置摄像头和一个安全的烟雾传感器，可以对水泵的事实运行环境进行监控。

3 科学顶层设计，实现煤矿智能系统化融合高效运行

3.1 生产矿井智能化改造

采用智能化的方式对已有的生产矿井进行改造，目前，以生成相应的生产系统，为此，应将自上而下的方式运用在实际改造的过程中，其改造的技术思路应以“基础系统高容采掘系统高可靠-感知系统全覆盖-保障系统高适应”的原则为主，进一步实现智能化的目标。第一步，在实际的系统操作中运用先进的技术装备，对系统进行升级、改造；第二步，将生产工艺和环境过程信息结合起来，进行网络平台建设，并在其中融入相关的知识和经验，合理的开发利用自动化和信息化系统，进行第二层次的建设；第三步，为了实现标准化和规范化的管理，应对系统予以总结，形成大数据系统和综合管理平台，以实现对煤矿的智能化改造。

3.2 新建矿井全面智能化建设

目前，已有的系统不会对新建矿井的智能化建设产生影响，因此，在建设的初期就可以对整体系统进行充分的考虑，对接口、标准、网络、建设的方式和顺序予以统一，使得数据的壁垒在一定程度上得到突破，同时进一步提高系统的运行效率和配合程度，有效保障了矿井生产的安全和高效。

4 结语

主要地下排水系统是矿山生产作业安全、高质量发展的保障，对提高其作业效率和作业质量具有重要意义。主排水泵主控系统采用PLC控制技术，通过科学的程序设计，智能遥控实现对主排水泵运行的控制，不仅使系统更加精准高效，但提高了管理质量，同时也显着减少了地下水泵房的操作人员数量，使得工作强度得到有效的降低，从而提高矿井的综合效益。