煤矿自动化排水系统设计及应用

文章从煤矿井下自动化排水系统的构成出发，结合自动化排水系统的应用实效，详细阐述了井下主排水泵房自动化排水系统控制器及监控系统的功能，简单介绍了中转水仓及分散小水窝自动化排水的现状。同时结合煤矿智能化建设的发展情况，提出了设备健康状况分析系统、水情监测系统的方案，提出了主排水泵房提高设备使用效率的方法，旨在为智能矿山的建设提供一定的指导建议。

在煤炭行业中，涌水量大的矿井占很大的比例，排水系统的安全可靠运行与矿井安全生产有着直接关系。目前，传统煤矿还坚持使用手动起停设备和人工监视的排水系统，自动化程度低、应急能力差，存在很大的安全隐患，同时为了完全覆盖井下排水地点，岗位工人数较多，劳动效率低。随着煤炭行业产能过剩的形势日趋严重，安全生产更是受到社会的普遍关注，当前科技进步迅速，在工业化信息化融合的时代背景下，实现无人值守自动化排水，是实现智能矿山的重要环节。实现主排水泵房无人值守，中转水仓以及离散小水窝自动排水，同时对排水设备运行状态进行监测，对能耗进行分析，对设备本身健康情况进行智能诊断，为设备的维护提供预防性检修计划，提高设备的使用寿命，减少故障率是未来智能矿井发展方向和必然趋势［１－３］。

１锦界煤矿水文条件及排水系统概述

锦界煤矿井田主要含水层有松散层孔隙潜水（沙层水）和直罗组孔隙裂隙承压含水层（风化岩水层）共两层含水层，前者包括河谷冲积层潜水和萨拉乌苏组潜水。局部区域存在烧变岩孔洞裂隙潜水。目前正常矿井涌水量为３７００ｍ３／ｈ左右。涌水量主要构成如下：各综采工作面７００ｍ３／ｈ左右、采空区１５００ｍ３／ｈ左右、各个备用工作面探放水１５００ｍ３左右、以及各井筒大巷少量涌水。矿井设有２个中央主排水泵房，４个盘区排水泵房，２个潜排水泵房。根据现有主排水系统及管路设备，目前全矿排水能力为１３３００ｍ３／ｈ，可以满足矿井现有涌水量设防要求，并有较大的富余量。

２井下自动化排水系统

２.１主排水泵房自动化排水系统主排水泵房是煤矿井下排水系统的核心，为整个矿井排水系统提供动力。本文设备配置以锦界煤矿为依据，主排水泵房每台耐磨离心泵均配备大功率三相异步电动机、出水电动闸阀、排真空电动球阀以及压力传感器、真空度传感器等自动化设备。同时为了保证离心式水泵正常运转，矿井均配备排空气设备或制定专门方案。煤矿排水综合自动化系统主要对模拟量数据和数字量数据进行自动地采集和检测。模拟量检测的数据主要包括水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、三趟排水管流量等。数字量检测的数据主要包括水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力等。

以上数据的采集主要由ＰＩＣ实现，传感器将模拟量数据传输给ＰＬＣ，然后ＰＬＣ对数据进行相应的计算处理，依据相关因素，判断出煤矿涌水量，以此来对水泵的开停进行控制。其余的一些模拟量数据大多是用来对自动控制系统的运行情况进行监督的，以便在系统运行出现故障时，及时的反馈信息，使系统及时的进行相关调整，避免损坏水泵和电机。各种的数据量信息被采集到ＰＬＣ中之后，作为相关逻辑处理的条件和依据，对水泵的运行情况进行控制。在整个过程中，具体的处理方法是将模拟量信号在合适的采样定律下转换成数字信号，然后通过ＰＬＣ对其进行的相应处理，从而实现对水泵的自动化控制［４，５］。

２.１.１主控系统主排水泵房主控系统由ＰＬＣ控制器、Ｉ／Ｏ设备及各类传感器组成。自动化排水系统具备以下功能：①通过水位传感器实时监控水仓水位情况，控制器根据设置的高低水位发出起泵、停泵指令，并根据水位上涨和下降情况调整运行水泵数量；②根据设备均匀磨损的原则对工作、备用水泵进行切换，防止水泵由于长期闲置造成电机受潮等情况；③主排水泵控制系统具备一键起停功能，同时满足就地一键起停、远程一键起停、检修等多种控制方式；④系统具备过载保护、短路保护、缺相保护、欠压释放、过力矩保护及相序自动纠正等电机保护功能，具有水泵流量、压力保护功能［８，９］。

２.１.２监控系统自动排水监控系统是主排水泵房的中枢指挥，通过矿井环网实现主排水泵的数据上传与地面远程监控，实现了数据共享。为实现无人值守水泵房，基于锦界煤矿主排水泵房监控系统的应用实效与工程经验，水泵房监控系统应具备如下功能［６，７］：①水仓实时水位的在线监测，要求误差不超过０１ｍ；②主排水泵运行时的各种参数在线监测，如水泵运行状态，电机工作电压、工作电流，电动闸阀、电动球阀的开启状态，出水管的实时压力等；③排水管路安装流量计，监测管路瞬时流量和累计流量，可以监测排水管路的利用情况；④具备历史数据查询，运行时的实时监测数据均可存储于历史数据库中，实现历史回显，历史趋势分析等功能；⑤具备模拟值超限报警功能，同时将故障信息存储于报警记录历史数据中；同时可将故障信息推送至相关人员；

⑥具有系统故障自诊断功能；⑦监控软件具有人机界面友好，操作简单直接，权限按需管理及动态画面直观显示等特点；⑧保证系统运行可靠、故障率低、维护方便、组态修改简便。煤矿排水综合自动化系统主要对模拟量数据和数字量数据进行自动地采集和检测。模拟量检测的数据主要包括水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、三趟排水管流量等。数字量检测的数据主要包括水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力等。以上数据的采集主要由ＰＩＣ实现，传感器将书模拟量数据传输给ＰＬＣ，然后ＰＬＣ对数据进行相应的计算处理，依据相关因素，判断出煤矿涌水量，以此来对水泵的开停进行控制。其余的一些模拟量数据大多是用来对自动控制系统的运行情况进行监督的，以便在系统运行出现故障时，及时的反馈信息，使系统及时的进行相关调整，避免损坏水泵和电机。各种的数据量信息被采集到ＰＬＣ中之后，作为相关逻辑处理的条件和依据，对水泵的运行情况进行控制。

２.１.３设备健康状况分析智能矿山是现代矿井发展的必然趋势，排水设备智能诊断是排水设备智能化的关键环节，了解设备实时运行及设备本身健康状况等信息是水泵房实现无人值守的前提条件。在水泵及电机上安装多维智能传感器，采用无线信号传输模式，实时监测水泵、电机的振动和温度（定子温度和轴温）等参数，并且建立电机及设备重要部件振动、声音、温度的频谱分析，提取故障判断特征量，根据特征量的大小进行分级报警，对电机潜在的机械损伤进行探测和预警，同时预测设备状况的发展趋势。传感器综合分站可采用蓝牙等无线通讯方式与检修人员手持终端连接，检修人员在靠近设备后即可读取设备的运行状态及健康状况，同时分站可将设备的报警、预警、检修、更换等信息直接推送至检修人员。

２.１.４排水系统能耗分析矿井主排水泵房均配有盘区变电所，实现自动化排水系统与变电所数据交互，通过智能分析，采用“削峰填谷”的用电原则，合理安排水泵运行时间，使水泵尽量在负荷低谷处运行，减少日负荷曲线的波动，减少电力线路的有功损失和无功损耗，节约电费。锦界煤矿中央２号水泵房水泵运行表见表１。排水管路在长期使用后会在管壁发生结垢现象，增加了管路的阻力，间接减小了管路流量，通过主排水泵房进水、出水管路上安装的流量计，对排水管路流量进行实时监测，数据后台分析，可以了解管路结垢的具体情况，对及时清除管路结垢，提高管路运行效率具有指导意义。锦界煤矿通过管路流量监测结合数据分析及时清理管路结垢，见表２。改善管路结垢情况后，水泵效率得到提升，吨水百米能耗提高５％左右。排水管路在长期使用后会在管壁发生结垢现象，增加了管路的阻力，间接减小了管路流量，通过主排水泵房进水、出水管路上安装的流量计，对排水管路流量进行实时监测，数据后台分析，可以了解管路结垢的具体情况，对及时清除管路结垢，提高管路运行效率具有指导意义。

２.２中转水仓、分散小水窝自动化排水

井下中转水仓担负着沿线排水过渡和补充排水动力的作用，传统煤矿仍设置岗位工对中转水仓水泵进行就地操作，劳动效率低。受巷道高度的影响，负压吸水罐自动排水装置的应用效果较差，目前中转水仓自动化排水通常配有离心式水泵、电动闸阀、注水排气电磁阀等自动化设备，在设计初期考虑管路与水泵相适应，提高水泵工况点的运行效率。从实际应用实效来看，注水电磁阀频繁起动，寿命较短，直接影响水泵的正常运行，因此需合理设置水泵起停高低水位，避免水泵频繁启动。井下分散小水泵主要靠水位探头开关量起停磁力启动器进行控制，由于井下分散小水窝设置较多，考虑设备的更新较频繁，组态画面无法及时更新，锦界煤矿依据设备的使用及位置制作电子标签，做到设备即接即显。

３井下水情监测分析系统

水害治理一直是矿井防治水的重点工作，目前矿排水系统不能直观体现井下水情变化的实际情况，如图１所示，通过对矿井采空区水位及入水、出水口增设水位及流量传感器，对井下回风巷道和泄水巷道的出水管路安装流量器，对矿井水情进行实时监测，系统提供矿井水情的趋势分析，通过先进物联网技术，实现矿井智能化联合排水，并为防治水工作提供决策性参考。水情监测系统除了能采集各监测点的水位，压力，水泵状态等信息外，还需具有继电输出功能，通过控制开关来起停水泵和发送报警预警的功能，实现水情监测的动态性、实时性、交互性。水情监测系统功能功能结构如图２所示，水情监测系统可绘制水情实时趋势曲线、历史趋势曲线，自动生成各类报表。

４结语

在介绍了煤矿自动化排水系统所具有的特点的基础上，又对自动化排水系统各部分工作的原理进行了研究，明确了煤矿自动化排水系统的工作原理，同时凸显出了在煤矿中应用自动化排水系统的优势及意义，以此来说明在煤矿中实施自动化排水的重要性以及必要性。锦界煤矿通过完善井下自动化排水监控系统实现主排水泵房、中转水仓及小水窝无人值守。在实现无人值守的基础上，进行矿井水情监测，提出矿井联合排水的方案。同时通过管路排水情况监测和合理安排水泵运行时间段，提高水泵运行效率，并及时处理水管结垢现象，提高管路运行效率，可降低吨水百米能耗５％左右。