煤礦井下排水系統方案的研究與設計

散利鵬

（山西長治郊區三元南耀吉安煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

在煤礦井下煤炭開采過程中，井下會聚集煤層涌水以及地下水。根據地質條件差異以及季節不同，井下涌水量可達17～20 m3/s，甚至更高。當井下涌水量急劇增加，超出井下排水系統排水能力，溢出儲水倉后，極易發生突水事故，影響煤礦安全生產甚至發生傷亡等嚴重事故。近年來，在山西王家嶺煤礦、陽泉麻地港煤礦、大同姜家灣煤礦以及福建后洋煤礦都發生了煤礦透水事故，并造成人員傷亡[1-3]。因此，優化、完善煤礦井下排水系統具有積極的意義。國內外煤礦企業以及高校對煤礦井下排水系統進行大量的研究和探討，優化排水管道和泵組組合，引入模糊控制對排水系統進行動態監測和健康診斷，研究提高排水效率的措施和方案，引入變頻控制理論在保證完成功能的前提下節約電能損耗[4]。本文針對吉安礦特點，對其排水系統方案進行研究和設計。

1 排水系統模型

煤礦井下排水系統模型如圖1所示，H1為該水倉的最高極限水位，H2為該水倉的安全水位，q（k）為該礦井工作面的單位時間涌水量，u（k）為該排水智能控制系統的輸入控制量。由排水智能控制系統根據水倉水位對1～n號水泵進行控制，保證水倉水位控制在H2-H1之間，且當水位達到或超過H1時，進行聲光報警。在進行排水系統設計時，將“高低水位”控制、“避峰就谷”控制方法進行綜合考慮，保證控制水倉水位在安全水位以下，節能電能。

2 方案設計

2.1 硬件設計

煤礦井下排水系統方案硬件設計如圖2所示，核心控制器為PLC，選用西門子S7 300系列PLC，根據排水系統實現的功能，統計所需的數字量輸入輸出點、模擬量輸入輸出點并擴展相應的模塊，水泵電動機的啟動、停止控制，電動閘閥控制，電磁閥控制以及錯誤報警控制作為數字量輸出點；控制模式選擇、水泵狀態作為數字量輸入點；出水口壓力、入水口真空度、電動機電源電壓、電機繞組溫度作為排水系統的模擬量輸入變量。PLC控制器通過獲取控制模式指令，分析水泵狀態后，控制電動機、電動閘閥以及電磁閥動作，進行排水作業。PLC控制器以TCP/IP通信模式將排水系統所有數據上傳至煤礦井下工業環網并至上位機和地面監測分站，便于實現對排水狀態的遠程監測[5-7]。

圖1 煤礦井下排水系統模型

圖2 煤礦井下排水系統硬件設計

2.2 軟件設計

煤礦井下排水系統軟件設計基于數學模型以及硬件系統實現，采用ST編程語言實現排水系統軟件功能。排水系統數學模型中，考慮“避峰就谷”因素，在用電高峰時間段減少水泵開啟數量，在用電低谷時間段增加水泵開啟數量，達到節約電能的目的。基于數學模型，將一天的排水周期劃分為N段，利用遞推算法對排水策略進行動態規劃，保證在時刻k排水策略最優。圖3所示為排水系統水泵啟動軟件流程，在對水泵進行啟停控制時，需考慮水泵的出水口壓力、入水口真空度以及水倉水位等因素。PLC控制器軟件控制依次開啟真空閥、射流閥后，需獲取入水口真空度傳感器數據并進行分析，當真空度滿足要求時，才可以啟動水泵電動機使水泵進行排水作業。水泵排水期間，PLC控制器需實時檢測出水口壓力值是否滿足設定要求，不滿足時，觸發聲光報警并關閉出水閘閥和水泵電動機；滿足壓力要求時，則開啟電動閘閥。

圖3 排水系統水泵啟停軟件流程

在軟件設計中，PLC控制器還要負責與煤礦井下工業環網建立TCP/IP連接，將排水系統運行時的所有數據經TCP/IP連接上傳至工業環網，由上位機或地面監測分站進行數據收集和處理，方便對井下排水系統進行遠程監測。

2.3 泵與管路的選型

據核算，吉安礦井正常涌水量為15.4 m3/h，最大涌水量為17 m3/h，設計水倉容積為1 980 m3，其中主水倉容積為1 330 m3，副水倉容積為650 m3。設計選用MD280-43×5型礦用耐磨多級離心泵3臺，配備YB2型防爆電動機，額定功率為280 kW，額定電壓為10 kV，額定轉速為1 480 r/min。正常涌水時，一臺工作，一臺備用，一臺檢修；最大涌水時，兩臺工作，一臺檢修。泵站內排水支管選用D219×6無縫鋼管，干管選用D245×7無縫鋼管。主排水管路沿副井井筒敷設，井筒內排水管路選用D245×7無縫鋼管。正常涌水時，一趟工作，一趟備用；最大涌水時，兩趟管路同時工作。

3 故障與保護

煤礦井下排水系統設計有多種故障與保護功能：

1）傳感器故障與超限報警，系統中的壓力、流量、真空度等傳感器設置有區間值，當PLC控制器采集傳感器數據并經A/D轉換后，若該數值不在設置區間值內，則進行故障報警；當PLC控制器在時間T內，無法采集該傳感器信號時，同樣需進行故障報警。

2）電動閘閥故障，當PLC控制器控制電動閘閥門動作時，在時間T內，需向PLC控制器發送ACK信號；若PLC控制器在時間T內沒有接收到ACK信號，則發出報警信息。

3）水泵保護，當入水口真空度在時間T無法滿足水泵啟動條件時，PLC控制器需控制水泵自動停機并發出聲光報警；水泵在運行過程中，PLC控制器采集到的壓力、流量以及水倉水位嚴重偏離預期曲線時，需立即停止水泵并發出聲光報警。

4）通信故障，對TCP/IP通信進行實時監測和故障報警，能夠對通信故障進行自診斷和自恢復。

5）對水泵電動機進行欠壓、過壓、過流、缺相、斷相、兩相粘連、溫度保護，延長水泵電動機使用壽命。

4 結語

建立煤礦井下排水系統數學模型，對排水控制策略進行分析，并完成排水系統方案的硬件設計和軟件設計，實現排水方案的最優控制。綜合考慮“避峰就谷”等因素，在節約電能的同時，可減輕井下工人的勞動強度，改善勞動環境。