煤礦井下排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張世楠

（晉城宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 排水控制系統(tǒng)存在的問題

目前，我國煤礦井下排水系統(tǒng)大多利用“高低水位法”對(duì)水位進(jìn)行控制，在煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，需要在現(xiàn)場(chǎng)積水位置按照需要進(jìn)行水位設(shè)定，分別劃分出低水位、報(bào)警水位以及高水位，根據(jù)水位線位置的不同進(jìn)行控制，雖然這種控制方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制，但是其控制過程存在一些缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在如下方面：

1）系統(tǒng)排水過程的控制是以水位為控制對(duì)象，控制參考參數(shù)比較單一，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的涌水情形沒有進(jìn)行參考，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)一定的危險(xiǎn)。

2）在系統(tǒng)排水過程中，需要對(duì)其中一組排水系統(tǒng)進(jìn)行控制排水，排水期間需要對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)水位的變化情況對(duì)其余的排水裝置進(jìn)行控制，一定程度上依賴于主觀判斷，導(dǎo)致控制精度不高，操作不靈活。

3）在原有的排水控制系統(tǒng)中，高水位、預(yù)警水位以及低水位三組水位線無法進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，如果所設(shè)置的報(bào)警水位與高水位之間數(shù)值差距不大，很容易造成排水系統(tǒng)工作處于井下用電量大的問題，導(dǎo)致井下供電不足；如果高水位線設(shè)置的過低，導(dǎo)致積水區(qū)域水位始終無法形成有效高度，排水系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)電能消耗增加，同時(shí)導(dǎo)致排水系統(tǒng)的應(yīng)用年限受到影響。

2 井下排水控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析的井下排水系統(tǒng)存在的主要不足之處，本文將對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。按照現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置，通過水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立積水?dāng)?shù)據(jù)模型，根據(jù)模型計(jì)算得出系統(tǒng)涌水量。通過引入涌水量概念，統(tǒng)計(jì)井下用電負(fù)荷主要的工作時(shí)間，控制排水系統(tǒng)在用電非高峰期間進(jìn)行排水作業(yè)，使系統(tǒng)用電控制在用電低谷時(shí)間段，達(dá)成“避峰就谷”的控制策略[1]。

2.1 涌水量的計(jì)算

在井下生產(chǎn)過程中，井下的積水區(qū)域出現(xiàn)涌水現(xiàn)象是由不同影響條件共同作用下形成的，對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)涌水估算是不能直接獲取的，而可以根據(jù)上一時(shí)間段的涌水情況進(jìn)行本時(shí)間段內(nèi)涌水量的估算。本文假設(shè)井下積水區(qū)域?yàn)閳A柱體空間，可以通過利用水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)固定時(shí)間段t 內(nèi)的涌水量進(jìn)行計(jì)算[2]，假設(shè)初始階段積水區(qū)的水位為Hx，而涌水結(jié)束之后的積水區(qū)水位為Hx+1，假設(shè)積水區(qū)的面積為S，那么對(duì)于該區(qū)域內(nèi)的涌水量可以利用公式Q=（Hx+1-Hx）S/t 進(jìn)行描述。

2.2 控制策略的優(yōu)化

在考慮現(xiàn)在應(yīng)用的“高低水位法”進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水位控制的基礎(chǔ)上，通過對(duì)井下積水區(qū)發(fā)生涌水情況以及對(duì)井下設(shè)備出現(xiàn)用電高峰以及用電低谷的時(shí)間進(jìn)行分析，通過控制策略實(shí)現(xiàn)積水區(qū)的低水位出現(xiàn)在用電高峰之前，保證在井下設(shè)備出現(xiàn)用電高峰期間積水區(qū)能夠最大量地進(jìn)行積水存儲(chǔ)，確保排水系統(tǒng)不進(jìn)入排水運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)井下供電的穩(wěn)定。如圖1 所示為本文設(shè)計(jì)的“避峰就谷”控制策略示意圖[3]。

圖1 “避峰就谷”排水控制方案示意圖

2.3 排水裝置啟動(dòng)數(shù)量控制策略的優(yōu)化

在井下積水區(qū)域內(nèi)根據(jù)水位的位置分別設(shè)定了三組水位線，分別是低水位、報(bào)警水位以及高水位，在對(duì)水位進(jìn)行控制過程需要保證水位在報(bào)警水位之下，而當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)積水達(dá)到高水位的時(shí)候，就需要啟動(dòng)排水裝置進(jìn)行排水作業(yè)，并進(jìn)行報(bào)警。在井下用電沒有達(dá)到高峰，假設(shè)所處的時(shí)間與達(dá)到用電高峰的間隔為t1，并且井下出現(xiàn)的在單位時(shí)間內(nèi)涌水為q，那么到達(dá)用電高峰的時(shí)間t1內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)總涌水量為Q1=qt1，同時(shí)假設(shè)此時(shí)積水量超出了最低水位達(dá)到了V，那么就需要在用電高峰之前實(shí)現(xiàn)對(duì)全部水量進(jìn)行排出，也就是需要排出qt1+V 的水量。假設(shè)在運(yùn)行的水泵額定流量為qe，那么如果滿足在時(shí)間t1內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部水量排出需要的水泵數(shù)量為n1=（Q1+V）/qet，通過公式可以看出：在計(jì)算得到n1≤2 的情況下，需要啟動(dòng)n1個(gè)水泵進(jìn)行排水作業(yè)；在計(jì)算得出n1＞2 的情況下，需要將水泵全部開啟，以保證在時(shí)間t 內(nèi)將所用積水排出，避免造成用電高峰排水工作。在進(jìn)行排水過程中可以利用公式VΔ=VH-Vx表示積水量的變化情況，其中VH表示的是高水位的積水量，Vx表示的是當(dāng)前水位積水量，根據(jù)所計(jì)算的結(jié)果對(duì)排水量與積水增加量進(jìn)行對(duì)比，如果Q1＜VΔ，表明排水量較涌水量多；而如果計(jì)算得到Q1≥VΔ的情況時(shí)，說明此事涌水量大于排水量，存在溢倉的風(fēng)險(xiǎn)，需要增加運(yùn)行水泵水量，這時(shí)需要增加的水泵數(shù)量可以利用公式n2=（Q1+VΔ）/qet1計(jì)算得出。

2.4 水位變化率計(jì)算方案的優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制水位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確運(yùn)行，需要對(duì)水位的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)，根據(jù)現(xiàn)有水位檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，得出新型水位檢測(cè)手段。在水位監(jiān)測(cè)期間分別設(shè)定兩組變化率參數(shù)，分別為投水位變化率以及緊急水位變化率，其中投水位變化率用Δh1表示，而緊急水位變化率用Δh2表示，在進(jìn)行水位自動(dòng)控制過程中，優(yōu)化后的控制方案是按照水位的變化率對(duì)排水系統(tǒng)啟動(dòng)數(shù)量進(jìn)行控制。在需要進(jìn)行排水作業(yè)期間，如果水位的實(shí)際排水變化率Δh≥Δh1，說明當(dāng)前水位變化較慢，需要增加排水水泵數(shù)量，當(dāng)檢測(cè)到實(shí)際水位的變化率滿足Δh1≤Δh≤Δh2時(shí)，積水區(qū)域全部水泵投入運(yùn)行都不能保證水位下降，就會(huì)發(fā)出水位報(bào)警信號(hào)，提示相關(guān)人員開啟緊急預(yù)案。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)實(shí)際排水變化率符合Δh≥Δh2時(shí)，排水系統(tǒng)裝置全部開啟進(jìn)行緊急排水。

3 新型排水系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地分析，并結(jié)合改進(jìn)之后的井下排水控制策略設(shè)計(jì)了本文新型排水系統(tǒng)控制方案。在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上采用的是利用PLC 作為控制核心，并利用各類傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)獲取實(shí)時(shí)信號(hào)，同時(shí)利用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整體控制的智能化，將最終控制顯示部分設(shè)置在井下泵房控制中心，同時(shí)設(shè)有井上控制部分。在整套系統(tǒng)中，處于核心控制地位的是井下泵房，通過對(duì)各類信息的收集按照上述設(shè)計(jì)的水位控制自動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的自動(dòng)調(diào)控，同時(shí)將信號(hào)利用局域網(wǎng)發(fā)送到井上系統(tǒng)進(jìn)行顯示。井上系統(tǒng)可以對(duì)井下實(shí)現(xiàn)控制，將控制信號(hào)利用局域網(wǎng)發(fā)送到井下控制中心，井下控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)排水系統(tǒng)的直接控制。本文設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)中，信號(hào)檢測(cè)主要是水位信號(hào)的檢測(cè)，通過水位傳感器信號(hào)進(jìn)入PLC 系統(tǒng)，PLC 對(duì)其進(jìn)行信號(hào)分析，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出排水系統(tǒng)的控制信號(hào)輸出。地面系統(tǒng)主要是對(duì)井下信息的實(shí)時(shí)顯示，包括當(dāng)前水位、故障情況、歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)畫面等信息。其顯示是通過組態(tài)軟件編寫，利用觸摸屏顯示并操作。

4 結(jié)語

在煤礦生產(chǎn)中，需要對(duì)井下積水進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并排出地面，以保證能夠在安全狀況下進(jìn)行井下生產(chǎn)。通過對(duì)當(dāng)前井下排水系統(tǒng)的分析，對(duì)存在的主要缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)總結(jié)的缺點(diǎn)制定了優(yōu)化后的自動(dòng)排水系統(tǒng)方案，同時(shí)提出了“避峰就谷”以及排水系統(tǒng)控制策略，對(duì)于及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)井下水位控制以及實(shí)現(xiàn)用電低峰進(jìn)行排水作業(yè)具有現(xiàn)實(shí)作用，可以保證井下生產(chǎn)安全可靠。