綜采工作面自動化排水系統的設計

聶愛國

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 晉中 045300）

引言

綜采工作面的涌水依靠井下泵房排出，經調研可知，當前應用于礦井下排水系統的控制方式依靠作業人員憑其經驗對水泵開啟時機及數量進行控制。人工控制方式不僅排水效率低、自動化程度低，而且增加了工作面作業人員的勞動強度。因此，實現綜采工作面排水系統的自動化，能夠確保水泵能夠根據工作面實際情況及時開啟并關閉水泵，為綜采工作面的安全生產提供保障。

1 人工控制排水系統存在問題

目前，應用于排水系統中最為廣泛的泵的類型為離心排水泵，也有少量系統采用潛水泵。一般井下排水系統的結構如圖1 所示。

基于人工控制的排水系統存在以下問題：

1）作業人員通過對比工作面水位變化、涌水量等數據決定開啟或者關閉水泵的時機及數量。此種控制手段存在效率低、可靠性差的問題，一旦作業人員疏忽將會釀成不可挽回的事故。

2）基于人工控制的排水系統要求作業人員時刻注意水倉內水位變化情況，且一般情況需要兩名作業人員同時操作才能夠完成對閥門的關閉和開啟。此種控制手段的勞動強度極大。

3）系統一旦出現故障，需要作業人員對可能出現故障的位置進行逐個排故，效率低，間接制約了工作面的生產。此種控制手段的檢修維護相對困難[3]。

2 自動化排水系統排水設備的選型

綜采工作面的涌水情況與煤礦當地的天氣、地質以及工作面深度相關。因此，為保證所設計的自動排水系統能夠達到高效的排水目的，需要根據煤礦實際情況對關鍵排水設備進行選型設計，主要包括有水泵、排水時間、電機功率、水倉體積大小以及系統運行工況等[4]。

設計依據：煤礦開采深度為536 m；一般情況下工作面的正常涌水量qz=550 m3/h，最大涌水量qmax=1 000 m3/h；礦井的產量Q=5×106t/a。

圖1 排水系統結構示意圖

2.1 水泵的選型計算

由于該礦井為深礦井，故所選排水方式為直接排水。根據礦井工作面的正常涌水量和最大涌水量，得出水泵的正常排水能力Qz和最大排水能力Qmax分別為：Qz=1.2qz=660 m3/h；Qmax=1.2qmax=1 200 m3/h。

揚程作為水泵選型的關鍵指標，所需水泵的揚程計算如下：

式中：H1為本礦井的開采深度，取H1=536 m；H2為井底車場與最低吸水面標高差，取H2=4 m；H3為排水管高處井口的高度，取H3=1 m；η 為管路效率，取η=0.9～0.89。

經計算可知，所需水泵的揚程HB=601.1～607.9 m。經調研，選型號為D450-60×9 的水泵。該型水泵的額定流量為450 m3/h，單級額定揚程為60 m。

當在正常涌水工況時，所需水泵的數量為660/450=1.47，即需要水泵的數量為2 個；當在最大涌水工況時，所需水泵的數量為1 200/450=2.7，即所需水泵的數量為3 個。在實際生產中，常有一臺水泵處于備用的狀態。因此，工作面需要4 臺水泵。

2.2 電機的選型計算

電機作為處理水泵的核心設備，其選型的依據為容量。電機容量的計算公式如下：

式中：Nd為電機容量；k為富裕系數，k的取值如表1所示；ρ 為工作面積水的密度；H為水泵工況的揚程，取H=571.5 m；Q為工作面的涌水量，取Q=406.8 m3/h；η為水泵工況效率，取η=0.78；ηC為傳動效率，取ηC=0.98。

表1 k 值取值

經計算可得，所需電機的容量為929.6 kW。經查閱手冊，所選電機的型號JSQ-151，該電機的額定容量為1 050 kW。

3 自動排水系統軟件的設計

自動排水系統的核心控制器為PLC，因此其軟件設計是基于組態軟件完成的[5]。為確保工作面的積水高效排出，要求自動排水系統需滿足以下功能：要求地面能夠實時顯示工作面水泵的運行狀態，并對各項參數進行遠程監視；能夠實現對工作面水泵的遠程控制，并達到無人值守的效果；要求系統擁有冗余設計功能，當其中核心部件不能正常工作時，可由其他設備代替。

根據上述功能要求，特設計如圖2 所示的單臺水泵監控界面。

如圖2 所示，基于自動排水系統能夠實時掌握電機的電壓、電流、電機溫度等參數，水泵的進水壓力、水位以及流量等參數，可設定水泵的工作方式（自動/手動、遠程控制/就地控制）等。

圖2 單臺水泵監控界面示意圖

此外，當水倉內水位發生突變、超出限值、流量等出現異常時，系統會及時發出報警，并在上位機顯示出現異常的類型、時間等信息，為作業人員對排水系統的檢修提供依據，大大提升了檢修效率。

4 結語

綜采工作面排水系統作為煤礦安全生產的主要組成部分，其自動化、智能化水平的提升是煤礦安全發展的重要保障。為此，需根據煤礦所處地質、氣候以及煤層位置等完成自動排水系統的設計。基于自動排水系統能夠實現對工作面積水高效、實時的排出，并實時顯示工作面各部件的運行參數及故障點，為保障綜采工作面的安全生產奠定了扎實的基礎。