煤矿井下中央水泵房自动化排水系统优化

李伟峰

(同煤国电同忻煤矿有限责任公司)



煤矿井下中央水泵房自动化排水系统优化

李伟峰

(同煤国电同忻煤矿有限责任公司)

摘要某矿原有中央水泵房排水系统自动化程度较低，随着矿井开采强度的增加，已不能适应矿井正常生产时的排水要求。结合实际情况，对中央水泵房排水系统进行自动化优化，使用1 a以来未出现任何故障，及时排出了矿井水，节省开支1 700万元，性能稳定、可靠，经济效果显著，自动化程度进一步提高，排水能力进一步增强，满足矿井正常生产时的排水要求和突发事故时的应急要求。

关键词中央水泵房排水系统自动化

在煤矿井下生产过程中，排水系统(尤其是中央水泵房系统)安全高效运行对矿井正常生产具有十分重要的意义。排水系统的主要作用有以下3点：及时排出井下正常涌水，处理涌水高峰期的矿井水，有效排出透水事故时的大量矿井水。当前国内很多矿井中央水泵房排水系统自动化水平低下，致使其排水能力和应对突发透水事故的能力较差[1-5]，因此，结合某矿井下中央水泵房自动化排水系统实际进行整体优化具有重要意义。

1矿井及排水系统概况

某矿建于1988年，1994年正式生产，矿井核定生产能力为70万t/a，具有中等类型地质构造，主要为奥灰含水层。通过数据分析，随着开采的不断推进，本矿井涌水量不断增加(表1)，给现有排水系统带来了较大压力。

万m3/d

矿井排水系统存在的问题：

(1)由于水泵距电机启动装置较远，中间设定太多环节，水泵的开停需要多人协调完成，效率低下且安全隐患较大。

(2)水泵排水过程中，难以实时监测水仓水位、水泵等设备的运行情况。

(3)矿井采用继电器控制排水系统落后，随着开采深度的增加，涌水量增加，难以满足矿井的排水要求和突发透水事故时的应急排水要求。

(4)排水泵房等一部分环节的工作仍主要依赖于人工操作，难以针对井下的涌水情况迅速做出相应排水操作。

2自动化排水系统功能需求

自动化排水系统首先通过传递指令确定中央水泵房的实际情况，而后发出相应的控制指令，以控制水泵房的排水过程。中央水泵房系统的高度自动化的实现必须减少人工操作等中间环节。因此，中央水泵房有效排水的关键是具有以下3种连续性功能：自动监测功能、自动控制功能、自动执行功能。监测功能是指中央水泵房系统能够对中央水仓、系统设备等的实际运行情况进行实时记录，并通过相关指令传输至系统控制中心；控制功能则是根据系统中心接收的指令，通过逻辑程序分析而向中央水泵房等发出相应控制指令；执行功能则是根据系统中心发送的控制指令进行相应操作[6-7]。

3自动化排水系统优化

3.1系统优化原则

(1)尽可能地提高中央水泵房排水系统的机械自动化水平，结合水泵数量和性能，进行智能优化控制，提高排水效率，节省电能，减少成本[8]。

(2)增加自动报警模式，以快速确定设备发生故障的位置，便于快速修复，提高系统可靠性。

(3)不影响矿井正常生产，不对井下环境造成影响。

(4)加强对水泵等电机设备的保护，延长其使用寿命。

(5)强化系统应对透水等突发事故的能力，保证矿井安全生产。

3.2系统优化

排水系统自动化的高度实现主要取决于及时准确确定水仓的水位、系统设备的运转等情况，可通过相应的传感器(温度、液位等传感器)来确定，并将之转化为相应指令传送至系统控制中心，系统控制中心再发出执行指令。中央水泵房自动化排水系统优化结构见图1。

图1　中央水泵房自动化排水系统优化结构

由图1可知，控制分站是整个系统的关键环节，起着承上启下的作用，即既能实时接收各种传感器转化来的指令，并发出控制指令，又能将水泵运行等情况传输至上位机，并受上位机的控制。由此可实现对井下中央水泵房的排水远程控制。

3.2.1系统通信模式及上位机优化

优化后的系统以OPC技术为通讯标准，提高了数据的提取和传送效率;设置PROFIBUS-DP总线，以实现ET200M与PLC交流信息，采用CPU315-2DP替代原控制单元CPU，同时安设CP343-1模块通讯处理器。以工业以太网方式实现PLC与上位机的连接，传输介质采用性能优越的光纤，PLC端安设光发送机，交换机端安设光接收机。系统设置2台上位机，分别为主站和备站，一台用于客户端，一台用作主服务器，两者互为备用，大大增强系统的稳定性、可靠性。在地面设置上位机系统，形成地面控制操作中心，以控制井下水泵的开停[9]。

3.2.2控制箱优化

中央水泵房安装一台控制箱，采用PLC控制，PLC接收来自传感器的信息，根据给定的程序实现对水泵的控制，并将其运行情况传至地面控制中心。此外，控制箱具有隔爆性能。

3.2.3冗余工业以太网

为安全起见，采用矿用隔爆型以太网交换机。以太网交换机内部安设有2个重要部分：数据光端机、视频光端机，可直接将PLC等设备的相关数据转化为光信号，并传送至地面控制中心(上位机)。以太网交换机采用EDS-728模块替代原有模块，增加4个千兆端口，并配置24个快速以太网端口，这种配置有利于后续的扩容工作。

3.3系统运转

本系统中心控制分站采用PLC，承担信号的输入输出。操作人员可根据PLC接收的来自于水泵客户端的指令控制水泵运行。此外，PLC还能通过通信网络以指令的形式将水泵机组的运转情况传输至地面控制中心系统，地面管理人员实时掌握井下各排水设备运行状态，还可根据设备的具体情况，实现对井下设备的遥控。

4应用效果

本系统采用了较为先进的工业控制技术和软件，能较好承担井下正常排水工作和处理最大涌水的情况，满足矿井排水要求。自2014年使用以来，未出现任何故障，系统的稳定性和可靠性较高。本系统共计9台水泵，初期改造成本为1 900万元，即购置成本1 100万元，配套工程建设成本800万元。系统优化后，虽然折旧费和维护费略有上升，但电费和其他费用却大大减少，年均节约费用约1 700万元(表2)，经济效益显著。

表2系统优化前后费用对比

万元/a

5结论

优化后的系统可结合水仓等实际情况排水，具有较高的自动化水平，简化了操作，增强了突水等事故应急能力；系统安装了故障报警装置，提高了系统的检修效率，具有较高的稳定性和可靠性；与原系统相比，优化后的自动化排水系统排水能力大大增强，减少了许多中间环节，耗电量大大降低，极大地节约了成本，达到了安全、高效、降本的目的。

参考文献

[1]王志国,郭峰.煤矿中央水泵房自动控制系统的应用[J].工矿自动化，2011(6):76-77.

[2]尹文波,张鲁花,张惠民.煤矿井下中央水泵房自动化控制系统设计[J].煤矿机电，2010(2)：13-16.

[3]王新环,周飞,张宏伟.一种煤矿井下中央水泵房的自动控制系统[J].煤矿机电，2012(3)：88-90.

[4]仇安东,李慧.矿井中央水泵房无人值守地面远程集中控制可行性研究[J].电子世界，2013(10)：114.

[5]张杰.邢东矿井下超远超深距离排水控制系统的应用研究[J].煤炭与化工，2015,38(10):123-125.

[6]齐群.基于PLC的煤矿井下排水泵监控系统设计[J].电子技术与软件工程，2015(18)：153.

[7]汪顺民.井下排水自动化监控系统在矿山的应用[J].有色金属文摘，2015,30(4):90.

[8]王光普,陆振新.智能化自动化控制技术在煤矿井下主排水系统中的应用[J].煤炭科技，2015(3)：33-34.

[9]张广龙,史丽萍.矿井中央水泵房综合自动化系统的设计模式[J].煤矿机电，2005(4)：8-10.

(收稿日期2015-11-15)

李伟峰(1985—)，男，助理工程师，037003 山西省大同市。