煤矿无人值守主排水系统的设计及实现

连红飞

（潞安矿业集团 王庄煤矿，山西 长治 046031）

0 引言

多年来，煤矿井下主排水系统一直采用人工启停水泵的作业程序。由于煤矿井下环境恶劣，劳动条件差，直接影响矿工的身体健康。此外，还经常出现诸如未及时开泵导致水淹大巷或者由于操作不熟练损坏水泵等问题。解决上述问题的根本出路在于实现主排水系统的无人值守化。本文以潞安矿业集团王庄矿新井主排水系统为例，对煤矿无人值守主排水系统的设计、选型等进行了分析、论述，供同行借鉴。

1 选型设计

矿井原始设计参数如下：

井口轨面标高（m）： ＋922；

水泵房底板标高（m）： ＋479；

正常涌水量（m3／h）： 74；

最大涌水量（m3／h）： 613；

井筒垂深（m）： 443；

地面处理站与井口的高差（m）： 2。

无人值守主排水系统为机电一体化系统，涉及到机械、电气、控制等多个专业，需从各方面进行系统分析。图1为水泵控制系统示意图。

1.1 主排水泵

工作泵的排水能力应满足：

其中：Q 为水泵正常排水量，m3／h；Qmax为水泵最大排水量，m3／h；Q正为矿井正常涌水量，取为74 m3／h；Q最大为矿井最大涌水量，取为613m3／h。将已知参数代入式（1）、式（2）计算得Q＝86.8m3／h，Qmax＝735.6m3／h。

水泵扬程H（m）应满足：

其中：Hg为排水高度，取为445m；Hx为吸水高度，取为4.7 m；△H旧管为管路阻力损失，经计算△H旧管＝22.7m。经计算得H＝472.4m。

根据计算，选用MD450－60×8型矿用耐磨多级离心泵3台，1台工作，1台备用，1台检修。正常涌水时1台水泵工作，最大涌水时2台水泵同时工作。水泵技术参数如下：扬程为480m，流量为450m3／h，电机功率为900kW，额定电压为6 000V，额定电流为105.4A。

图1 水泵控制系统示意图

1.2 抽真空设备

由于主排水泵必须抽真空灌满水后才能启动，因此保证水泵可靠的灌水非常重要。本系统选用气、水两用射流阀作为主排水泵的抽真空设备。并且，给射流阀设计了两趟抽真空用动力源，即一趟静水管路，提供静压水动力源；一趟压缩空气管路，提供空气动力源。两路动力源互为备用，为气、水两用射流阀提供主排水泵抽真空用动力源，保证水泵能可靠抽真空并安全启动。射流阀的启闭靠安装于其前端的电动球阀实现电气控制。

1.3 管路控制阀

主排水系统要求两趟出水管，而在实际使用过程中利用哪一趟出水管必须由阀门来控制。为实现自动化控制，选用电控液动闸阀，型号为ZPZ，压力为6.4 MPa，额定电压660V，数量11个，每3个为一组，每组控制一台主排水泵及具体由哪一趟出水管出水，另外两个闸阀为两趟出水管的总控制阀门。

1.4 电动阀控制开关

系统涉及到的电控液动闸阀较多，共计11个。为便于集中控制，节省占地面积，选用2台八组合开关，实现对11个电控液动闸阀的控制。具体名称为组合式真空电磁启动器，型号为QJZI－1200／1140－6，额定电压为1 140／660V，单路额定电流为400A，额定总电流为1 200A。

1.5 水泵启动设备

考虑到水泵功率为900kV，若直接启动，其电气冲击和机械冲击较大，故选用软启动设备。

为保证设备的容量富裕，软启动器应比电机功率大几个功率等级，选择QJGR－250／6 型隔爆真空交流软启动器，其额定电压为6 000V，额定电流为250 A，额定功率为2 170kW。

设备可设置启动曲线，启动电流控制在1.5倍～2倍的额定电流，启动结束后，软启动器内部旁路接触器吸合，将软启动装置旁路。软启动器设备有软停车功能，可有效防止水锤效应。

系统采用一拖一方案，即一台软启动器拖动一台主排水泵。

1.6 控制系统

在井下泵房集控室设PLC 集中控制站。整个集中控制系统由PLC 集控部分、就地控制部分、现场设备3大部分组成。

（1）PLC 柜：选用西门子公司S7－300PLC，实现对主排水系统的逻辑控制，柜体为隔爆型。此外，通过矿井以太网，将主排泵房内的各种信号传至矿井调度指挥中心，实现水泵的远程监控。

集中控制台采用本质安全型或隔爆型，液晶屏、指示灯、按钮、转换开关、继电器、电源开关、蜂鸣器等都安装在集中控制台内，由集中操作台完成整套系统的控制与监视。

（2）就地控制箱：主要由按钮、指示灯等组成，每个就地控制箱备有急停按钮与相关按钮等，负责手动开关阀门、启停水泵。每台水泵配置一台防爆就地控制箱，主要在设备检修时使用。

（3）现场传感器：包括超声水位计、流量传感器、管路静压传感器、电机温度传感器等，所检测的参数主要有水仓水位、水泵进水管排真空完成状态、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度、排水管流量及设备工作状态等等。

2 无人值守化控制功能的实现

采用PLC系统自动控制水泵的启停及闸阀的开关，并具有自诊断功能，实现了主排水系统的无人值守。其控制原则主要有：①根据“水位控制”原则，自动实现水泵的轮换工作；②结合水仓水位和全矿电力负荷信息，以“移峰填谷”的原则确定开、停水泵时间。

PLC采集各种信号，根据水位情况、是否用电高峰等因素，自动启停水泵及其阀门。水泵控制过程可概括为6个环节，即自动注水环节、闸阀操作环节、水位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节和水泵启停环节。

（1）自动注水环节：水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造成必要的真空度以实现正常排水，因此，启动前的注水是水泵工作的重要操作项目之一。排水泵的灌注引水方式采用ZPBG 型气水两用喷射泵配套电动球阀实现自动控制，以排水管路中的压力水为能源，同时以压力空气为备用能源。

（2）闸阀操作环节：本系统各闸阀均为电控液动闸阀，泵房内设置2台组合开关对各电动阀进行启停控制。阀门可采用手动／自动两种方式控制，在自动状态下，通过PLC对阀门进行集中控制和监视；在手动控制方式下，可在就地箱上对各阀门进行操作。

（3）水位自动监控环节：水位自动监控环节的任务是根据水位的高低自动准确发出启、停水泵命令。本系统选用两台西门子probe型超声波液位传感器，分别吊挂安装于主、副水仓，实现对水位的监测。

（4）参数传示环节：在操作台模拟屏上可模拟显示水仓水位、水泵流量、水泵压力及电动机、电磁阀和电动阀的各种工作状态。

（5）故障保护环节包括：①流量保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量达不到正常值，可通过流量保护装置使本台水泵停车，或转为启动另一台水泵；②电动机故障：PLC 监视水泵电机欠压、过流、短路等故障，由高压开关柜的综合保护器提供一组公用的故障输出接点，并参与控制。

（6）主排水泵的启停：采用水位控制和移峰填谷相结合的原则自动启停水泵。为了防止设备长期不用出现故障而未被发现，系统根据水泵的启停次数自动轮换启停水泵。

3 结语

王庄矿新井无人值守主排水系统于2011年11月投运，正常运转至今，为同类系统的设计积累了一定的经验，同时，为煤矿实现无人值守化、运行自动化、矿井数字化奠定了基础，有效地保证了矿井的安全。

［1］ 陶权，吴尚庆.变频器应用技术［M］.广州：华南理工大学出版社，2008.

［2］ 汪德成.矿山流体机械［M］.北京：煤炭工业出版社，1991.

［3］ 常慧玲.传感器与自动检测［M］.北京：电子工业出版社，2009.