鐵礦深部開采礦井排水自動控制

張曉淼 ，楊成財 ，吳東 ，修德江

（1.鞍鋼集團礦業設計研究院有限公司，遼寧 鞍山 114004；2.鞍鋼集團礦業弓長嶺有限公司燈塔分公司，遼寧 遼陽 111312；3.鞍鋼集團礦業有限公司眼前山分公司，遼寧 鞍山 114044）

向地球深部進軍是近期和未來我國科技創新的重要方向。目前，地球淺部礦產資源已逐漸枯竭，資源開發不斷走向地球深部，深部資源開采已成為常態，現有的大部分露天礦山也將陸續轉入地下開采。地下深部開采需要修建大量礦井，并在井下修建大量巷道。由于降水與地下水的滲透，礦井及巷道會聚集大量礦水，不僅影響生產，還威脅著井下工作人員的健康和安全。礦井排水系統主要是將礦山井下涌出的礦井水及時、可靠、安全地排至地面，是礦井必不可少的主要生產系統之一，其可靠性至關重要，是井下人員安全工作和機械、電氣設備良好運轉的重要保障。

為了保證鐵礦地下深部開采的安全，實現排水泵高效率、安全可靠的自動化運行，設計了一種智能高效的礦井排水自動控制系統，該系統采用避峰填谷的用電控制方式，能夠自動判斷和優化控制水泵的運行狀態，本文對此做一介紹。

1 礦井排水自動控制系統設計方案

礦井井下的涌水量與很多因素有關，如天氣、地質、工藝因素等。排水系統要根據礦山開采的具體情況進行設計，影響礦井排水系統設計參數包括礦井的正常涌水量和最大涌水量、礦井水密度、礦井深度等，這些都是原始數據。礦井排水自動控制系統由礦井排水系統和礦井排水控制系統組成。

（1）礦井排水系統是由水倉、排水泵、電機、排水管、閥門等組成的蓄水、排水管道網絡。

（2）礦井排水控制系統主要由地面監控中心、井下PLC控制中心和以太網數據通信網絡三部分組成。采用的設備包括：① 地面監控中心采用工業控制計算機MK610、PLC編程軟件博途V15.1、計算機畫面組態軟件KingView7.0等設備；② PLC采用S7-1200系列，包括CPU1215C、SM1221數字量輸入模塊、SM1222數字量輸出模塊、SM1231模擬量輸入模塊等設備；③ 數據采集采用電流傳感器WB1414S01、振動溫度傳感器TE/VE-101f、電磁流量傳感器7ME5610-6FB15-1AA1、超聲波液位計 7ML51-10-1GD07-4AF3、壓力變送器7MF4033-1DY00-2AB6。

礦井排水自動控制系統硬件組成架構見圖1。系統主要采用PLC控制技術，并結合工業以太網通信技術，對井下4組排水泵進行無人值守自動控制。在利用觸摸屏對其運行狀態進行實時監視、控制及報警的同時，通過工業以太網將相關數據實時傳送到地面監控中心，實現對該控制系統的實時監控及調度。系統通過液位傳感器采集水倉水位，并綜合其他相關參數，實時調度4組水泵進行輪流工作，并根據現場實際情況決定水泵的啟動組數。水泵的運行狀態及傳感器的檢測數值通過通信網絡傳輸回地面的上位機監控系統。

圖1 礦井排水自動控制系統架構圖Fig.1 Architecture Diagram for Automatic Control System of Mine Drainage

2 系統控制方式和功能

礦井排水自動控制系統通過PLC自動化控制排水系統，可實時監控各組水泵的各種工況參數，包括水倉液位、水泵軸承溫度、泵座振動、泵口壓力、排水管道流量、電機電流、電機繞組溫度等，并按照設定的程序實現水泵的自動啟停和故障報警。

本控制系統可以實現3種控制方式：自動控制、遠程控制和本地手動。

（1）自動控制。采用該方式時無需人工操作，通過將各傳感器采集到的狀態信息傳輸給PLC控制中心，由PLC控制器按照設定的程序，產生控制指令，實現自動控制排水系統的啟停、水泵機組的調度、工作狀態的實時監控、故障報警等功能。

（2）遠程控制。通過上位機的動態畫面監控排水系統的運行，實現實時監視、報警，數據采集、處理、顯示和打印，以及歷史數據記錄等功能，從而實現對排水系統水泵機組的遠程調控。

（3）本地手動。操作人員可以在本地操作臺直接控制排水系統的運行，并通過操作臺觸摸屏上的人工界面實時檢測排水系統的運行狀態。

3 系統控制過程

礦井排水自動系統由4組排水泵組成，在地面監控中心上位機上設有組態畫面，組態畫面上可實時顯示4組水泵和電機的運行狀態、各個閥門的開關狀態以及各個傳感器的檢測數據。在所有傳感器檢測的數據中，水倉液位數據最為重要，在水倉的不同位置分別設置兩個液位傳感器，在狀態畫面中以圖形和數字實時準確顯示液位的變化趨勢和速度，并對液位所在的液位段改變顏色和閃爍突出。對于各種設備故障和超限報警，系統會自動記錄所產生的設備故障或超限種類、等級、產生的時間等歷史數據，并形成報表。報警部位以紅色閃爍警示相關人員進行處理，以免發生事故，造成損失。系統的組態畫面通過模擬仿真功能，可實時直觀反映整個系統的生產過程，并以實時數據反映現場設備的實際運行工況。

控制系統采用避峰填谷的用電控制方案，當系統為自動控制模式時，主要依據水倉的液位信息及其他相關參數確定4組排水泵啟停控制方案。根據礦井生產工藝要求，設定5級水倉液位限值，分別為下限值H、一級啟動值H、二級啟動值H、三級啟動值 H、超限啟動值 H，且 H＜H＜H＜H＜H。 PLC 讀取水倉液位值，計算液位上升到下一級啟動值的時間，并與達到用電低谷時段的時間比較，以確定水泵啟動的數量。設t為液位上升到H的時間，t為達到低谷時段的時間。礦井排水自動控制系統流程見圖2。由圖2看出，此系統可有效地將排水時間安排在用電低谷時間段，降低用電量，節約生產成本；同時盡可能減少水泵的啟停次數,降低作業人員勞動強度。

圖2 礦井排水自動控制系統流程Fig.2 Flow Chart for Automatic Control System of Mine Drainage

4 結語

隨著淺層資源的不斷枯竭，礦井開采的深度也在不斷增加，投入建設和生產的超千米深礦井也越來越多，部分深礦井涌水量較大，排水費用巨大。應用鐵礦深部開采礦井排水自動控制系統，并采用避峰填谷的用電控制方案，按用電的峰谷時段對排水系統的工作進行優化，通過科學計算，有效的將排水時間安排在用電的低谷時間段，可使排水系統實現精準作業，降低用電量，減少排水泵的啟停次數，降低作業人員勞動強度，節約生產成本，經濟效益和社會效益顯著。