煤礦井下綜合防水控制系統的應用研究

張 強

（陽泉煤業集團翼城堡子煤業有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

隨著煤礦綜采作業深度的不斷增加，在綜采作業過程中發生各種地質災害的概率不斷加大，根據統計，煤礦綜采作業過程中的礦井水害事故率占據了事故總數的20%以上，給井下綜采作業安全造成了極大的影響。傳統的煤礦井下防水控制系統主要采用了人工控制模式，控制效率低、安全性差，排水成本高，無法滿足日益突出的井下水害事故威脅，因此，結合智能控制技術的發展，提出了一種新的煤礦井下綜合防水控制系統。

1 分段排水控制方案

傳統排水系統采用了整體式的排水控制模式，整個管路系統長達數千米，水流在管路內流動時的沿程阻力損失極大，排水過程中消耗了大量的無功功率，導致整個排水系統的排水功率浪費嚴重，耗電量大，而且整體式的排水模式存在著可靠性低的缺陷，一旦某個點位出現故障將導致整個排水系統的癱瘓，會給煤礦井下的排水安全性帶來極大的隱患。

針對一體化排水系統在實際使用過程中存在的問題，提出了一種新的分段式的排水控制方案[1]，該方案可以靈活的應用井下地形條件，將主排水系統設置在綜采面的上平面，將輔助的排水系統設置在綜采面的下平面，實際工作過程中將井下積水區域的水通過多段排放到上側的儲水池內，再逐級通過排水泵進行上傳，直到排放到地面。該分段式的排水結構雖然初次投入較大，但在實際應用過程中穩定性好，反應速度快，電能消耗比傳統控制模式降低了12.6%，顯著提升井下排水的安全性。

圖1 煤礦井下分段式排水結構示意圖

由圖1 可知，該分段式排水系統主要由多臺排水泵按階梯式結構排列而成，在工作時位于巷道水倉內的水泵在檢測到水位上升后開啟排水模式，將井下積水抽到上一級的水倉內，而且持續的保持巷道水倉內水位處于安全狀態，能夠滿足在突水工況下的緊急排水需求，增強對突發水害事故的應急反應能力。

排水泵采用了大功率離心式排水泵，排水時首先啟動射流泵，同時將系統的真空閥打開，隨著泵體內真空度的降低，水倉內的水在大氣壓的作用下進入到泵體內。然后排水電機啟動，當出水口處的壓力達到系統設定值以后便打開排水閥進行排水作業，當發生緊急故障情況下系統首先關閉出水閥待系統內的水排出后再進行斷電操作，有效避免了緊急停機情況下的水錘沖擊現象，提升了離心泵工作的可靠性和使用壽命。

2 煤礦井下智能排水控制系統

根據目前排水系統所存在的控制流程復雜、反應速度慢的缺陷，結合新的分段式的排水系統控制要求，提出了一種新的煤礦井下智能排水控制系統。其采用了分布控制的理論[2]，各點之間的控制具有相對獨立性，維護方便，可靠性高，該控制系統主要包括地面監控單元、中央控制單元、機現場操作控制單元三個部分，以兩段式排水系統結構為例，其整體結構如下頁圖2 所示[3]。由圖2 可知，該井下排水智能控制系統采用了CAN 數據總線系統，將各個水泵單元連接成為一個整體，各個水泵單元之間均可以實現數據通信。上位機系統主要用于對整個排水系統運行情況的監測，煤礦排水水泵調度系統主要用于實現對各個水泵組的最優調度，確保系統在各種工況下的運行穩定性，井下水泵控制單元則主要用于接收上位機和水泵調度單元的控制指令。該系統中各個數據單元相對獨立，單個系統故障不影響其他單元的正常運行。能夠實現對各個排水單元運行情況的實時監測，實現對水倉水位報警的自動調控。

圖2 煤礦井下智能排水控制系統結構示意圖

3 智能排水系統的功能設計

為了確保該智能排水控制系統在各種工況下的運行穩定性，對該排水控制系統的實際功能進行了設計，主要包括多運行模式切換系統[4]、可視化控制系統保護等，其功能模塊如圖3 所示。

多運行模式切換主要是指該控制系統為了滿足不同工況下的運行穩定性需求，分別設置了自動控制、人工控制和遠程控制三種模式，在不同的工況下可以實現系統的自動切換，當出現緊急狀態時，以人工控制可以實現直接優先控制，滿足緊急控制需求。可視化控制主要是指在各個排水區域均設置有遠程視頻監控單元，能夠實現對排水區域情況的遠程監測，便于工作人員在監控中心實時的掌握井下排水系統運行情況，確保排水系統的運行正常。系統保護模塊是指對系統中的水泵、電機、控制閥等進行安全保護，防止出現電機電流過大、漏電等導致的系統運行異常。自動輪換工作機制是指系統根據各水泵的工作時間自動進行輪換工作，確保各個水泵運行時間的均衡性，提升系統運行穩定性和各排水設備的使用壽命。數據信息采集單元是智能排水控制系統的核心，用于對系統中各排水設備運行狀態的監測和數據分析，同時實現對井下排水單元的遠程控制，實現排水系統運行的智能化和自動化控制。

圖3 煤礦井下智能排水控制功能示意圖

4 結論

1）分段式排水系統主要由多臺排水泵按階梯式結構排列而成，工作穩定性好，反應速度快，電能消耗比傳統控制模式降低了12.6%，顯著提升了排水經濟性和運行穩定性；

2）煤礦井下智能排水控制系統，采用了分布控制的理論，各點之間的控制具有相對獨立性，維護方便，可靠性高，能夠滿足對井下排水系統運行安全性和穩定性的控制需求；

3）智能排水控制系統具有多運行模式切換系統，可視化控制、系統保護等7 種控制模式，能夠滿足排水系統在不同工況下的穩定運行需求。