煤礦自動化排水系統設計及應用？
在煤炭行業中，湧水量大的礦井占很大的比例，排水系統的安全可靠運行與礦井安全生產有著直接關系。目前，傳統煤礦還堅持使用手動起停設備和人工監視的排水系統，自動化程度低、應急能力差，存在很大的安全隱患，同時為了完全覆蓋井下排水地點，崗位工人數較多，勞動效率低。隨著煤炭行業產能過剩的形勢日趨嚴重，安全生產更是受到社會的普遍關註，當前科技進步迅速，在工業化信息化融合的時代背景下，實現無人值守自動化排水，是實現智能礦山的重要環節。實現主排水泵房無人值守，中轉水倉以及離散小水窩自動排水，同時對排水設備運行狀態進行監測，對能耗進行分析，對設備本身健康情況進行智能診斷，為設備的維護提供預防性檢修計劃，提高設備的使用壽命，減少故障率是未來智能礦井發展方向和必然趨勢［1－3］。
1錦界煤礦水文條件及排水系統概述
錦界煤礦井田主要含水層有松散層孔隙潛水（沙層水）和直羅組孔隙裂隙承壓含水層（風化巖水層）***兩層含水層，前者包括河谷沖積層潛水和薩拉烏蘇組潛水。局部區域存在燒變巖孔洞裂隙潛水。目前正常礦井湧水量為3700m3／h左右。湧水量主要構成如下：各綜采工作面700m3／h左右、采空區1500m3／h左右、各個備用工作面探放水1500m3左右、以及各井筒大巷少量湧水。礦井設有2個中央主排水泵房，4個盤區排水泵房，2個潛排水泵房。根據現有主排水系統及管路設備，目前全礦排水能力為13300m3／h，可以滿足礦井現有湧水量設防要求，並有較大的富余量。
2井下自動化排水系統
2.1主排水泵房自動化排水系統主排水泵房是煤礦井下排水系統的核心，為整個礦井排水系統提供動力。本文設備配置以錦界煤礦為依據，主排水泵房每臺耐磨離心泵均配備大功率三相異步電動機、出水電動閘閥、排真空電動球閥以及壓力傳感器、真空度傳感器等自動化設備。同時為了保證離心式水泵正常運轉，礦井均配備排空氣設備或制定專門方案。煤礦排水綜合自動化系統主要對模擬量數據和數字量數據進行自動地采集和檢測。模擬量檢測的數據主要包括水倉水位、電機工作電流、水泵軸溫、電機溫度、三趟排水管流量等。數字量檢測的數據主要包括水泵高壓啟動櫃真空斷路器和電抗器櫃真空接觸器的狀態、電動閥的工作狀態與啟閉位置、真空泵工作狀態、電磁閥狀態、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力等。
以上數據的采集主要由PIC實現，傳感器將模擬量數據傳輸給PLC，然後PLC對數據進行相應的計算處理，依據相關因素，判斷出煤礦湧水量，以此來對水泵的開停進行控制。其余的壹些模擬量數據大多是用來對自動控制系統的運行情況進行監督的，以便在系統運行出現故障時，及時的反饋信息，使系統及時的進行相關調整，避免損壞水泵和電機。各種的數據量信息被采集到PLC中之後，作為相關邏輯處理的條件和依據，對水泵的運行情況進行控制。在整個過程中，具體的處理方法是將模擬量信號在合適的采樣定律下轉換成數字信號，然後通過PLC對其進行的相應處理，從而實現對水泵的自動化控制［4，5］。
2.1.1主控系統主排水泵房主控系統由PLC控制器、I／O設備及各類傳感器組成。自動化排水系統具備以下功能：①通過水位傳感器實時監控水倉水位情況，控制器根據設置的高低水位發出起泵、停泵指令，並根據水位上漲和下降情況調整運行水泵數量；②根據設備均勻磨損的原則對工作、備用水泵進行切換，防止水泵由於長期閑置造成電機受潮等情況；③主排水泵控制系統具備壹鍵起停功能，同時滿足就地壹鍵起停、遠程壹鍵起停、檢修等多種控制方式；④系統具備過載保護、短路保護、缺相保護、欠壓釋放、過力矩保護及相序自動糾正等電機保護功能，具有水泵流量、壓力保護功能［8，9］。
2.1.2監控系統自動排水監控系統是主排水泵房的中樞指揮，通過礦井環網實現主排水泵的數據上傳與地面遠程監控，實現了數據***享。為實現無人值守水泵房，基於錦界煤礦主排水泵房監控系統的應用實效與工程經驗，水泵房監控系統應具備如下功能［6，7］：①水倉實時水位的在線監測，要求誤差不超過01m；②主排水泵運行時的各種參數在線監測，如水泵運行狀態，電機工作電壓、工作電流，電動閘閥、電動球閥的開啟狀態，出水管的實時壓力等；③排水管路安裝流量計，監測管路瞬時流量和累計流量，可以監測排水管路的利用情況；④具備歷史數據查詢，運行時的實時監測數據均可存儲於歷史數據庫中，實現歷史回顯，歷史趨勢分析等功能；⑤具備模擬值超限報警功能，同時將故障信息存儲於報警記錄歷史數據中；同時可將故障信息推送至相關人員；
⑥具有系統故障自診斷功能；⑦監控軟件具有人機界面友好，操作簡單直接，權限按需管理及動態畫面直觀顯示等特點；⑧保證系統運行可靠、故障率低、維護方便、組態修改簡便。煤礦排水綜合自動化系統主要對模擬量數據和數字量數據進行自動地采集和檢測。模擬量檢測的數據主要包括水倉水位、電機工作電流、水泵軸溫、電機溫度、三趟排水管流量等。數字量檢測的數據主要包括水泵高壓啟動櫃真空斷路器和電抗器櫃真空接觸器的狀態、電動閥的工作狀態與啟閉位置、真空泵工作狀態、電磁閥狀態、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力等。以上數據的采集主要由PIC實現，傳感器將書模擬量數據傳輸給PLC，然後PLC對數據進行相應的計算處理，依據相關因素，判斷出煤礦湧水量，以此來對水泵的開停進行控制。其余的壹些模擬量數據大多是用來對自動控制系統的運行情況進行監督的，以便在系統運行出現故障時，及時的反饋信息，使系統及時的進行相關調整，避免損壞水泵和電機。各種的數據量信息被采集到PLC中之後，作為相關邏輯處理的條件和依據，對水泵的運行情況進行控制。
2.1.3設備健康狀況分析智能礦山是現代礦井發展的必然趨勢，排水設備智能診斷是排水設備智能化的關鍵環節，了解設備實時運行及設備本身健康狀況等信息是水泵房實現無人值守的前提條件。在水泵及電機上安裝多維智能傳感器，采用無線信號傳輸模式，實時監測水泵、電機的振動和溫度（定子溫度和軸溫）等參數，並且建立電機及設備重要部件振動、聲音、溫度的頻譜分析，提取故障判斷特征量，根據特征量的大小進行分級報警，對電機潛在的機械損傷進行探測和預警，同時預測設備狀況的發展趨勢。傳感器綜合分站可采用藍牙等無線通訊方式與檢修人員手持終端連接，檢修人員在靠近設備後即可讀取設備的運行狀態及健康狀況，同時分站可將設備的報警、預警、檢修、更換等信息直接推送至檢修人員。
2.1.4排水系統能耗分析礦井主排水泵房均配有盤區變電所，實現自動化排水系統與變電所數據交互，通過智能分析，采用“削峰填谷”的用電原則，合理安排水泵運行時間，使水泵盡量在負荷低谷處運行，減少日負荷曲線的波動，減少電力線路的有功損失和無功損耗，節約電費。錦界煤礦中央2號水泵房水泵運行表見表1。排水管路在長期使用後會在管壁發生結垢現象，增加了管路的阻力，間接減小了管路流量，通過主排水泵房進水、出水管路上安裝的流量計，對排水管路流量進行實時監測，數據後臺分析，可以了解管路結垢的具體情況，對及時清除管路結垢，提高管路運行效率具有指導意義。錦界煤礦通過管路流量監測結合數據分析及時清理管路結垢，見表2。改善管路結垢情況後，水泵效率得到提升，噸水百米能耗提高5％左右。排水管路在長期使用後會在管壁發生結垢現象，增加了管路的阻力，間接減小了管路流量，通過主排水泵房進水、出水管路上安裝的流量計，對排水管路流量進行實時監測，數據後臺分析，可以了解管路結垢的具體情況，對及時清除管路結垢，提高管路運行效率具有指導意義。
2.2中轉水倉、分散小水窩自動化排水
井下中轉水倉擔負著沿線排水過渡和補充排水動力的作用，傳統煤礦仍設置崗位工對中轉水倉水泵進行就地操作，勞動效率低。受巷道高度的影響，負壓吸水罐自動排水裝置的應用效果較差，目前中轉水倉自動化排水通常配有離心式水泵、電動閘閥、註水排氣電磁閥等自動化設備，在設計初期考慮管路與水泵相適應，提高水泵工況點的運行效率。從實際應用實效來看，註水電磁閥頻繁起動，壽命較短，直接影響水泵的正常運行，因此需合理設置水泵起停高低水位，避免水泵頻繁啟動。井下分散小水泵主要靠水位探頭開關量起停磁力啟動器進行控制，由於井下分散小水窩設置較多，考慮設備的更新較頻繁，組態畫面無法及時更新，錦界煤礦依據設備的使用及位置制作電子標簽，做到設備即接即顯。
3井下水情監測分析系統
水害治理壹直是礦井防治水的重點工作，目前礦排水系統不能直觀體現井下水情變化的實際情況，如圖1所示，通過對礦井采空區水位及入水、出水口增設水位及流量傳感器，對井下回風巷道和泄水巷道的出水管路安裝流量器，對礦井水情進行實時監測，系統提供礦井水情的趨勢分析，通過先進物聯網技術，實現礦井智能化聯合排水，並為防治水工作提供決策性參考。水情監測系統除了能采集各監測點的水位，壓力，水泵狀態等信息外，還需具有繼電輸出功能，通過控制開關來起停水泵和發送報警預警的功能，實現水情監測的動態性、實時性、交互性。水情監測系統功能功能結構如圖2所示，水情監測系統可繪制水情實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線，自動生成各類報表。
4結語
在介紹了煤礦自動化排水系統所具有的特點的基礎上，又對自動化排水系統各部分工作的原理進行了研究，明確了煤礦自動化排水系統的工作原理，同時凸顯出了在煤礦中應用自動化排水系統的優勢及意義，以此來說明在煤礦中實施自動化排水的重要性以及必要性。錦界煤礦通過完善井下自動化排水監控系統實現主排水泵房、中轉水倉及小水窩無人值守。在實現無人值守的基礎上，進行礦井水情監測，提出礦井聯合排水的方案。同時通過管路排水情況監測和合理安排水泵運行時間段，提高水泵運行效率，並及時處理水管結垢現象，提高管路運行效率，可降低噸水百米能耗5％左右。
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