基建矿井停建期间主排水系统的优化与应用

刘凯源

(河南许平煤业有限公司 机电处， 河南 平顶山 467000)

0 引言

河南省许平煤业有限公司是中国平煤神马集团近年来根据发展形势变化而专门新成立的煤炭生产管理专业化区域公司，所辖矿井主要集中在汝州市地区和禹州市地区。公司现下辖12个主体单位，共有4对生产矿井、3对基建矿井和13对重组小煤矿。

夏店煤矿主排水系统的运行费用经统计已占基建矿井总成本费用的50%～60%，为减少人员提高效率，降低基建矿井的运行成本，经分析决定对夏店煤矿建设一套泵房水泵排水自动控制系统，即利用现代化的技术和手段，可实现对矿井涌水量实时监测和水泵排水的自动安全监测控制，并有效地提高矿井安全生产和自动化水平。

1 夏店煤矿排水系统现状

夏店煤矿位于河南省汝州市西北，距汝州市区约15 km，行政区划隶属汝州市夏店乡、陵头乡管辖。矿区面积约29.684 km2。矿井探明地质储量197.56 Mt，可采储量108.119 Mt。设计矿井生产能力为1.50 Mt/a，服务年限51.5 a。该煤矿新建中央泵房安装3台MD420-90×10型煤矿用耐磨多级自平衡离心式水泵，额定流量为420 m3/h，额定扬程为900 m，配3套YB2-560-4型交流异步电动机,电压10 kV，功率为1 600 KW，内置有定子、轴承测温传感器，四趟φ325排水管。目前井下水泵排水系统使用人工手动开泵。

2 排水自动化监控系统设计

2.1 系统整体架构

夏店煤矿井下排水自动化系统整体架构如图1所示。

图1 排水自动化系统整体架构

1) 地面配置一台操控台，完成地面远程监测和控制操作；井下泵房系统配置监控主站、操作台、语音显示报警器、各类传感器及阀门，完成现场数据采集和监测控制。

2) 井下主排水集控系统采用双现场监控主站结构，现场监控主站PLC采用西门子S7 300系列。现场监控主站对主排水泵、真空泵及配套电闸阀监测、显示、控制，并将其通过工业以太网传送至矿井调度室。

3) 通信部分依托光纤工业以太网，除能完成水泵的单机控制外，还可通过工业以太网传输接口模块与设置在中央变电所的网络交换机连接，可由井上调度中心监控所有排水泵等被控设备。监控系统上位控制主机使用网络平台将主排水系统及配套设备的状态信息和实时数据传送给调度室监控主机。调度监控主机使用组态软件实时动态显示主排水系统及配套设备运行状态和详细参数。

2.2 工作原理

PLC通过通信接口和通信协议，与触摸屏进行全双工通信，将水泵机组的工作状态与运行参 数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，操作人员也可利用监控主机或就地显示控制箱将操作指令传至PLC，控制水泵运行。同时PLC将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，使之管理人员在地面既可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统 的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。就地显示控制箱与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员。

3 排水系统控制结构的设计

3.1 地面操控站

地面控制中心设置一台操控站，即选用高性能工控机，安装定制开发的水泵监控组态软件，通过操控站对井下所有水泵房相关设备进行集控和监视。

3.2 传输介质及通道

在地面控制中心敷设光缆72芯到副井与下井的光缆进行对接，在井下副井处将光缆延长到至中央变电所，设置台隔爆交换机将网络延伸至中央变及泵房，负责系统的网络接入，并将网络摄像仪也通过网络上传至地面监控中心集控和监视。

3.3 矿用隔爆兼本质安全型可编程控制器(PLC)

根据泵房自动控制技术并结合水泵房的实际情况，泵房控制系统采用一台主PLC控制柜，完成整套泵房的控制逻辑运算和各台水泵、传感器、闸阀、球阀的信号接入，同时在控制逻辑规划时，全面考虑各类极端情况下水泵运行的安全性，在控制主站出现故障时，通过现场操作台，仍能正常启动停止水泵排水。PLC内配置以太网模块和以太网交换机，提供光口模块传输数据至地面，同时配置电力采集模块，可实时采集设备电力参数。

3.4 本质安全型操作台

在水泵房配置一台本质安全型操作台，操作台上配置有就地显示屏、操作按钮、旋转开关以及指示灯，可切换水泵工作模式(运行、备用、检修)，实现水泵和阀门就地手动、集中控制和一键启停控制。就地显示屏可多画面实时显示泵房工况状态，方便现场人员查看控制。

3.5 控制方式

具有远程自动控制、远程单泵控制、多台联锁自动控制、就地检修控制以及检修3种操作方式。

3.5.1 单台水泵控制

1) 手动控制。根据实际需要可以从自动控制方式切换到手动控制方式。操作人员在操作台上人工手动控制。可对单个设备进行启、停操作，但此时操作闭锁关系投入仍然对设备设有保护功能。

2)自动控制。自动控制由PLC根据设定的逻辑程序控制相关设备的开、关实现，PLC连续监测相关的模拟量。

3.5.2 多台水泵联锁自动控制

当水位达到高位或不在高位而处在用电低谷时间内，将自动启动运行泵，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。当水位达到上限水位时，自动启动“运行泵”及“备用泵”，直到水位低于高位时停止“备用泵”只运行“运行泵”，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。

3.5.3 就地检修控制

各设备工作方式在就地检修位置时，可直接在开关上或设备附近的检修就地控制箱上人工手动控制。该系统在正常运行过程中，不管工作在何种工作方式，均可实时将泵房现场的各种运行参数、设备状态通过通讯网络传到地面监控计算机。

4 经济及社会效益分析

4.1 社会效益

通过该项目的实施，采取了施工、维修人员不再入井或减少入井次数等措施，杜绝了矿井事故的发生，为基建矿井停建期间的安全管理、节约成本打下了良好基础。探索出了一种新的降低运行费用运行模式。

4.2 经济效益

4.2.1 人员工资费用的减少

改造前工资性支出：

筹建处开泵和检修人员：3 300×3×1.54=15 246元，建井一处工作人员：4 271×21×1.54=138 124元，合计153 370元。

改造后需要的工资性支出：

筹建处开泵和检修人员：3 300×2×1.54=10 164元，共减少人工成本143 206元。

4.2.2 提升费用的减少

改造前副井提升机每天需提升8钩用于司机、配电工、瓦检员、维护工上下井，即：每天八点班需提升4勾(提升水泵司机2勾、提升维护2勾)，四点班需提升2勾，零点班需提升2勾。

副井绞车电机功率1 300 kW，其他负荷6 kW，提升一勾6 min，需电量130.6 kW·h。八点班8:00至9:00提一勾需电费：130.6×1.299 94=169.77元；四点班16:00至17:00提一勾需电费130.6×0.893 5=116.69元；零点班0:00至1:00提一勾需电费：130.6×0.536 97=70.13元。

改造前，每月需电费：30×(4×169.77+2×116.69+2×70.13)=31 581.5元。

改造后只需每10 d提升6钩，安排在四点班进行。改造后，每月需电费：6×130.6×0.893 5×3=2 100.42元。

因此，每月减少提升电费29 481.08元。

4.2.3 排水电费减少

改造前，水泵每班运行1台，每月需电费：1 600×1.299 94×5×30+1 600×0.893 5×5×30+1 600×0.536 97×5×30=655 298.4元。

改造后，水泵零点班运行2台，每月需电费：1 600×2×0.536 97×8×30=412 392.96元。

每月减少排水电费242 905.44元。

5 结论

1) 自动排水监控系统是新一代多功能自动排水远程监控系统，采用稳定可靠的PLC控制主站+接入分站的控制结构，其每台水泵结构上相互独立，且单台分站故障又不影响其他水泵正常运行；同时系统配置本质安全型操作台、带语音本安LED显示屏，可实现对泵房水泵排水系统的远程、就地自动启停、自动轮换、故障智能切换、避峰填谷、自动诊断、现场故障语音文字警报功能，保障系统可在无人值守下的运行安全。

2) 通过该项目的实施，夏店煤矿停建期间，可充分利用用电电价优惠政策，削峰填谷，并利用低谷时段排水，降低用电费用。同时，采取了施工、维修人员不再入井或减少入井次数等措施，可杜绝矿井事故的发生，为基建矿井停建期间的安全管理、节约成本打下了良好基础，探索出了一种降低运行费用运行新模式。