刘国才

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞煤矿，山西 临县 033200）

引言

由于煤矿井下环境恶劣，加上煤层地质条件复杂，在煤矿开采中经常有大量的地下水涌出，一旦涌出水位较高，则可能淹没地下水仓，影响井下的煤矿开采作业，严重时，将会造成井下开采设备被淹没或引起漏电等安全事故[1]。在矿井中设计一套井下排水控制系统，将井下水控制在安全范围之内，可有效预防井下漏水现象，保证井下作业的安全。为此，结合现有井下排水控制系统存在问题，对该系统进行升级设计研究和现场应用测试，对提高井下排水效率及安全性具有重要意义。

1 井下排水过程中亟需解决的问题

通过调查，发现当前煤矿井下排水控制系统在使用中存在若干问题，主要如下：

1）现有排水控制系统所用的现场数据采集仪器存在较严重的稳定性差、采集精度低、数据处理能力弱等问题，所采集数据存在较大的干扰信号[2]。

2）整个排水控制系统的处理能力相对较弱，加上部分设备存在老化现象，导致整套系统的反应相对较慢，运行不稳定。

3）系统中部分设备的耗电量相对较大，造成较大的电费支出。

4）系统的自动化控制水平较弱，当井下发生大量涌水现象时无法通过自动控制技术来解决井下突发安全事故，应急反应能力相对较弱。

5）系统不能直观地将井下排水状态及重要参数通过高清显示界面显示，智能显示功能相对较弱。

为此，十分有必要对井下排水控制系统进行优化改进研究，设计一套分布式集中控制、智能调节及实时参数显示的井下控制系统，以提高整个井下排水过程的高效性及安全性。

2 井下排水方式分析

选择最佳的排水方式，对提高井下排水效果、降低井下淹水安全具有重要作用。目前，井下排水方式相对较多，包括压入式排水、吸压式排水、集中式排水等类型，具体如下[3]：

1）压入式排水。此排水方式主要是将排水泵直接放置于井下水位中，此时水会自动灌满排水泵，之后启动电源，即可快速开始排水作业。整个过程操作较为简单，但排水效率较低，排水泵容易出现无法工作、漏电等故障，存在一定的安全隐患。

2）吸压式排水。此方式主要是将水泵房分隔为上下两个水仓，上部采用压入式排水，下部则采用吸入式排水。两种方式的有效结合，可提高整个排水过程的工作效率，可避免水泵房被淹的可能。

3）集中式排水。此方式主要是将水仓的用水量排放到下一个平面，通过排水泵来对水仓水进行集中排放。此方式结构简单，排水管路成本较低，在大部分煤矿中应用较为广泛[4]，其结构示意如下页图1所示。

因此，选用集中式排水方式作为本次研究的井下排水方式。

3 井下排水控制系统的设计

3.1 总体方案的设计

以现有井下排水控制系统为设计基础，对排水控制系统进一步优化设计。所设计的系统包括井上地面监控中心、井下水泵调度单元、控制单元、现场采集单元等部分，各单元之间通过相互配合协调实现对井下排水的自动化控制。其中，现场采集单元包括液位传感器、水泵流量传感器、温度传感器等，将检测到的数据信息通过RS485通讯传输至水泵的调度及控制单元中，而水泵调度单元则包括PLC控制柜、信号接收器、交换机等。PLC控制器型号为西门子的S7-300，可完成对整个系统的较快计算及数据处理。而水泵控制单元即为系统的执行单元，包括电机、水泵、电动闸等，当PLC计算分析后，向水泵控制单元发出相应的控制命令，此单元接收信号后，向相应的控制单元发出指令，实现对设备操作的控制。地面监控中心包括光端子机、控制台、PC电脑、打印机等，通过前端的光端子机接收井下传输信号，通过控制台实时显示井下相关信息及工作状态，人员可通过控制台上的相关按钮，实现对井下执行单元的有效控制。井下排水控制系统的总体框架如图2所示。

图1 集中式排水示意图

图2 井下排水控制系统总体框架图

3.2 数据采集模块的设计

该井下排水系统中的数据采集模块主要负责对井下水系统中的水位、温度、流量、压力及电压等相关信息进行实时采集，以供控制系统能实时监控井下水位情况。其中，将涉及到各类传感器，包括超声波液位计、温度传感器、流量传感器等。所选用的传感器需具有较高精度，能适应井下复杂工况。因此，超声波液位计型号为RZ-JY500，流量传感器为检测范围为31.8～317 m3/h的GLW150，温度传感器为采集范围为-200～850℃的PT-100。其中，RZ-JY500超声波液位计主要利用了超声波反射原理对井下水仓中的液位高度进行检测，如图3所示。

3.3 控制台的设计

图3 水仓液位检测原理图

为实现整个控制系统的集成式控制，设计了一套集成多个按钮及功能的控制台。在该控制台上设计了仪器设备作业状态显示界面、显示仪表、阀门开关、电机开关、报警器开关、手自动操作按钮及井下水位显示器等，控制台的显示界面如图4所示。通过此控制台，可实现对水泵运行模式及操作模式的手动和自动切换，系统的运行情况也能通过对应的指示灯得以提示。其中，指示灯包括常亮、闪烁及熄灭等状态，以实现对相应设备不同工作状态的提示。整个控制台上的指示灯包括水泵、电源、射流阀、出水阀、真空阀、故障报警灯类型，还包括2个水泵开关、2个真空阀开关、2个电机开关、2个水泵开关等。由此，完成了井下排水控制系统控制台的总体设计。

4 系统运行效果评价

在完成井下排水控制系统的优化设计后，对其进行了将近6个月的应用测试，测试期间，主要对该系统的运行稳定性、检测精度、异常报警等情况进行监控。测试结果显示：该控制系统运行正常，各类传感器能准确、快速地将检测数据传递至PLC控制柜中进行计算，并将各类关键参数通过显示界面进行实时显示，如图5所示。所采集的水位、流量、温度等参数均相对稳定，无外界信号干扰。在井下水位出现超水位异常现象时，该系统能够立即实现对应级别的声光报警提示，并即刻启动排水泵，开启井下排水作业，且在较短时间内解除了水位超高报警异常。在整个测试过程中，仅在监控中心配备了2名工作人员，就实现了井下无人操作，在降低人员劳动强度的基础上，提高了整个排水过程的效率及自动化程度，验证了该系统的可行性。

图4 控制台布局图

图5 排水系统运行显示界面图

5 结语

不断开展井下排水控制系统的优化改进研究，将更加先进的自动化控制技术应用到排水控制系统中，提高系统的可靠性及稳定性，是当前保障井下排水作业安全的重要发展方向。实现井下排水过程的自动化、智能化、无人化也是未来智慧煤矿发展的必然趋势。