锦界煤矿井下采区自动排水系统的优化升级

2023-10-19李佳乐

山东煤炭科技 2023年9期

李佳乐

（国家能源集团神东煤炭锦界煤矿，陕西榆林 719319）

锦界煤矿目前涌水量为5800 m3/h 左右，矿井排水能力为12 500 m3/h，排水能力是正常涌水量的2 倍以上。共配置了7 个水泵房，包括2 个中央泵房及5 个盘区水泵房，共设置68 台MD450-60*3 型排水泵，泵组数量多、位置分散。目前锦界煤矿各泵房均为有人控制模式，各个泵房数据信息不能互通，完全靠人工来确定排水时机和排水方式，不仅效率低而且排水运行能耗高，难以满足智慧化矿山建设的目标。

为了满足锦界煤矿井下智能化建设目标规划，以实现井下排水系统智慧化监测和控制、提高运行可靠性和经济性为目标，制定了锦界煤矿井下自动排水控制系统升级方案。首创了基于液位差分析的水位监测系统，解决了传统煤矿井下水位监测系统监测效率低，无法对涌水量变化情况进行实时预警的不足，极大地提高了自动排水系统的运行安全性，具有极大的推广价值。

1 锦界煤矿排水系统现状及需求分析

1.1 排水系统现状总结

1）控制模式低效。各个控制站均为手动控制模式，所有的设备启动、关闭、切换均靠人工经验控制。当各个设备之间有闭锁关系，需要按特定原则进行操作时，对人员经验的依赖性更大，当出现紧急情况时难以快速响应。

2）硬件设备落后。各排水控制箱均为继电器控制，不仅体积庞大而且可靠性低、使用寿命短，极大地影响了使用的可靠性。

3）控制逻辑单一。使用的是“高低水位”控制法，液位传感器对水位情况进行监控，当超过设定的水位后系统开启全部水泵排水，当水位下降到安全水位后停止排水。仅有一种控制逻辑，但该模式不能对水位变化情况进行监测，也无法对水泵的工作状态进行判断，而且排水时间比较随意，经常在用电高峰时候启动，不仅影响了井下供电的稳定性，而且也增加了排水的能耗。

1.2 排水系统改造需求

结合现在排水系统存在的问题及锦界煤矿智慧化改造的需求，对新的排水系统提出了以下要求：

1）实用性要求。排水系统改造后需要实现对井下7 个泵房的全面自动监测，能够实现水位自动判断、自主判断排水时机等。

2）可靠性要求。系统能对各排水装置的运行情况进行监测，对启动异常、排水异常、水位异常等信息能够快速判断和预警。

3）智能化要求。能够满足智慧矿山自动化调控的需求，实现无人值守排水作业，能够在原有高低水位判断的基础上实现“避峰就谷”控制。

2 排水系统自动化改造方案

根据锦界煤矿的实际需求，结合改造难度、改造成本等综合分析，最终的改造方案如图1[1]。

图1 锦界煤矿排水自动化监控主站方案

由图1 可知，监控主站分为了数字量输入输出模块、模拟量输入模块、逻辑控制模块及通信扩展模块。数字量输入输出模块主要用于完成对各泵房电机的运行控制及运行状态报警；模拟量输入模块主要用于对系统的出水口压力、入水口的真空度、水仓水位等信息监测。逻辑控制模块主要是由CX8080 型CPU 构成，用于对整体排水状况进行控制。通信扩展模块主要用于完成排水系统和配套的HMI 人机界面[2]、矿井互联网系统的数据互通。

考虑到井下排水系统的工作环境恶劣，零件在使用过程中需要满足自身可靠性及更换便捷性的使用需求，因此采用了模块化的结构设计方案，其监控主站的整体硬件结构布局如图2。

图2 监控主站主体硬件结构示意图

3 水位监测系统及精细化流量监测系统

3.1 基于液位差分析的水位监测系统

目前多数井下排水系统处的水位监测系统采用的是浮漂式监测站[3]，结构简单，但监测精确性差、无法进行自动的数据分析和报警。因此锦界煤矿技改组进行了专项的技术攻关，提出了一种新的基于液位差分析的水位监测系统。其整体结构如图3。

图3 基于液位差分析的水位监测系统

为了满足监测精确性的需求，传感器采用了SZ-EA-S2 的超声波液位传感器[4]。其能够通过4～20 mA 电流信号进行数据传递，对液位高度的测量精度达到了0.5 mm，能够满足0～20 m 水位变化的监测需求。在实际工作中，液位传感器和液面垂直布置，不断向液面发出超声波，根据发射超声波和接收超声波的时间差来确定水位。通过非接触式连续测量的模式能够实现对积水区域水位变化的持续监测和分析，因此能够实现对水位高度、水位变化率的实时监测和判断，确保了矿井排水系统的正常工作。

在使用时特别注意，该类型的测试模式存在一定的盲区，在盲区内的测量误差较大，因此传感器的探头在设置时和最大液位之间的距离需要大于其探测盲区。根据在锦界煤矿的实际应用，传感器探头和最高液面之间的距离应大于0.4 m。超声波传感器实物如图4 所示。

图4 超声波传感器实物图

3.2 精细化流量监测系统

优化前锦界煤矿排水系统并未设置流量监测系统，无法实时对排水情况进行监测，只能根据井下浮漂式监测站反馈的液位是上升还是下降来判断排水情况，不仅效率低、精确性差，还无法对排水状态进行调整，当出现大量涌水时极易出现危险事故。

锦界煤矿机电科提出了一种新的精细化流量监控系统，以LWGY 流量传感器[5]为核心，将其设置在泵口位置，液体经过传感器时带动传感器内的叶轮旋转，周期性地改变系统中的电阻值，使其发出的电脉冲信号出现变化，系统接收后进行信号放大并进行解析，从而获取精确的实时流量、总流量等。该流量计结构如图5[6]。

图5 流量传感器结构示意图

通过该基于液位差分析的水位监测系统及精细化流量监测系统，为整个排水系统的智慧化运行控制奠定了基础；能够实现对水位变化情况的精确判断和实时监测，从而快速判别出涌水量的变化情况，帮助控制系统灵活地调整排水时机和同时排水的泵组数量；能够最大限度地满足井下智能化安全排水的需求。

4 排水控制策略

根据锦界煤矿井下积水区域情况，将每个水仓水位划分为5 个水位点，其中第5 个水位点是极限水位点，第4 个水位点是警戒水位点，第3 个水位点是排水的水位点，第2 个水位点为控制水位点，第1 个水位点为最低水位点。当水位在水位点3 以下时，系统可根据设定的节能排水策略自动进行排水，当水位在水位点4 以上时，系统会根据水位变化情况，调整开启的水泵数量，避免水位的快速上升。井下水仓水位的划分如图6。

图6 水仓水位变化划分结果示意图

针对传统控制方案无法实现“避峰就谷”经济控制的情况，在锦界煤矿井下排水系统中首次引入了“分级水位”调控策略[7]。以井下排水安全为第一目标，以井下排水经济性为第二目标，系统工作时首先判断该时间窗口是位于“峰段”还是“谷段”。若位于“谷段”则系统按既定的排水方案进行排水，若位于“峰段”，则系统对水位情况进行监测。若处于水位点2 以下，则不启动排水；若水位上升超过水位点3，则系统启动一台水泵排水；若水位继续上升，则开启2 台，直到水位不再上升为止。

通过“避峰就谷”和“分级水位”控制的综合策略，系统能够根据水位情况自动调整排水速度，不仅确保了井下排水的安全性，而且也提高了排水的经济性。

目前升级后的排水系统已经在锦界煤矿投入了应用，自2022 年8 月份运行以来，实现了对矿区所有泵房水位情况的集中监测和预警，实现了真正意义上的“无人化”排水控制，直接减员12 人。同时，通过避峰就谷的控制策略，实现了年节电约12 万kW·h，极大地提升了井下排水的经济性。