張 強

（陽泉煤業(yè)集團翼城堡子煤業(yè)有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

隨著煤礦綜采作業(yè)深度的不斷增加，在綜采作業(yè)過程中發(fā)生各種地質(zhì)災害的概率不斷加大，根據(jù)統(tǒng)計，煤礦綜采作業(yè)過程中的礦井水害事故率占據(jù)了事故總數(shù)的20%以上，給井下綜采作業(yè)安全造成了極大的影響。傳統(tǒng)的煤礦井下防水控制系統(tǒng)主要采用了人工控制模式，控制效率低、安全性差，排水成本高，無法滿足日益突出的井下水害事故威脅，因此，結(jié)合智能控制技術的發(fā)展，提出了一種新的煤礦井下綜合防水控制系統(tǒng)。

1 分段排水控制方案

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)采用了整體式的排水控制模式，整個管路系統(tǒng)長達數(shù)千米，水流在管路內(nèi)流動時的沿程阻力損失極大，排水過程中消耗了大量的無功功率，導致整個排水系統(tǒng)的排水功率浪費嚴重，耗電量大，而且整體式的排水模式存在著可靠性低的缺陷，一旦某個點位出現(xiàn)故障將導致整個排水系統(tǒng)的癱瘓，會給煤礦井下的排水安全性帶來極大的隱患。

針對一體化排水系統(tǒng)在實際使用過程中存在的問題，提出了一種新的分段式的排水控制方案[1]，該方案可以靈活的應用井下地形條件，將主排水系統(tǒng)設置在綜采面的上平面，將輔助的排水系統(tǒng)設置在綜采面的下平面，實際工作過程中將井下積水區(qū)域的水通過多段排放到上側(cè)的儲水池內(nèi)，再逐級通過排水泵進行上傳，直到排放到地面。該分段式的排水結(jié)構(gòu)雖然初次投入較大，但在實際應用過程中穩(wěn)定性好，反應速度快，電能消耗比傳統(tǒng)控制模式降低了12.6%，顯著提升井下排水的安全性。

圖1 煤礦井下分段式排水結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該分段式排水系統(tǒng)主要由多臺排水泵按階梯式結(jié)構(gòu)排列而成，在工作時位于巷道水倉內(nèi)的水泵在檢測到水位上升后開啟排水模式，將井下積水抽到上一級的水倉內(nèi)，而且持續(xù)的保持巷道水倉內(nèi)水位處于安全狀態(tài)，能夠滿足在突水工況下的緊急排水需求，增強對突發(fā)水害事故的應急反應能力。

排水泵采用了大功率離心式排水泵，排水時首先啟動射流泵，同時將系統(tǒng)的真空閥打開，隨著泵體內(nèi)真空度的降低，水倉內(nèi)的水在大氣壓的作用下進入到泵體內(nèi)。然后排水電機啟動，當出水口處的壓力達到系統(tǒng)設定值以后便打開排水閥進行排水作業(yè)，當發(fā)生緊急故障情況下系統(tǒng)首先關閉出水閥待系統(tǒng)內(nèi)的水排出后再進行斷電操作，有效避免了緊急停機情況下的水錘沖擊現(xiàn)象，提升了離心泵工作的可靠性和使用壽命。

2 煤礦井下智能排水控制系統(tǒng)

根據(jù)目前排水系統(tǒng)所存在的控制流程復雜、反應速度慢的缺陷，結(jié)合新的分段式的排水系統(tǒng)控制要求，提出了一種新的煤礦井下智能排水控制系統(tǒng)。其采用了分布控制的理論[2]，各點之間的控制具有相對獨立性，維護方便，可靠性高，該控制系統(tǒng)主要包括地面監(jiān)控單元、中央控制單元、機現(xiàn)場操作控制單元三個部分，以兩段式排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，其整體結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[3]。由圖2 可知，該井下排水智能控制系統(tǒng)采用了CAN 數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，將各個水泵單元連接成為一個整體，各個水泵單元之間均可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。上位機系統(tǒng)主要用于對整個排水系統(tǒng)運行情況的監(jiān)測，煤礦排水水泵調(diào)度系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對各個水泵組的最優(yōu)調(diào)度，確保系統(tǒng)在各種工況下的運行穩(wěn)定性，井下水泵控制單元則主要用于接收上位機和水泵調(diào)度單元的控制指令。該系統(tǒng)中各個數(shù)據(jù)單元相對獨立，單個系統(tǒng)故障不影響其他單元的正常運行。能夠?qū)崿F(xiàn)對各個排水單元運行情況的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對水倉水位報警的自動調(diào)控。

圖2 煤礦井下智能排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 智能排水系統(tǒng)的功能設計

為了確保該智能排水控制系統(tǒng)在各種工況下的運行穩(wěn)定性，對該排水控制系統(tǒng)的實際功能進行了設計，主要包括多運行模式切換系統(tǒng)[4]、可視化控制系統(tǒng)保護等，其功能模塊如圖3 所示。

多運行模式切換主要是指該控制系統(tǒng)為了滿足不同工況下的運行穩(wěn)定性需求，分別設置了自動控制、人工控制和遠程控制三種模式，在不同的工況下可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動切換，當出現(xiàn)緊急狀態(tài)時，以人工控制可以實現(xiàn)直接優(yōu)先控制，滿足緊急控制需求。可視化控制主要是指在各個排水區(qū)域均設置有遠程視頻監(jiān)控單元，能夠?qū)崿F(xiàn)對排水區(qū)域情況的遠程監(jiān)測，便于工作人員在監(jiān)控中心實時的掌握井下排水系統(tǒng)運行情況，確保排水系統(tǒng)的運行正常。系統(tǒng)保護模塊是指對系統(tǒng)中的水泵、電機、控制閥等進行安全保護，防止出現(xiàn)電機電流過大、漏電等導致的系統(tǒng)運行異常。自動輪換工作機制是指系統(tǒng)根據(jù)各水泵的工作時間自動進行輪換工作，確保各個水泵運行時間的均衡性，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和各排水設備的使用壽命。數(shù)據(jù)信息采集單元是智能排水控制系統(tǒng)的核心，用于對系統(tǒng)中各排水設備運行狀態(tài)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，同時實現(xiàn)對井下排水單元的遠程控制，實現(xiàn)排水系統(tǒng)運行的智能化和自動化控制。

圖3 煤礦井下智能排水控制功能示意圖

4 結(jié)論

1）分段式排水系統(tǒng)主要由多臺排水泵按階梯式結(jié)構(gòu)排列而成，工作穩(wěn)定性好，反應速度快，電能消耗比傳統(tǒng)控制模式降低了12.6%，顯著提升了排水經(jīng)濟性和運行穩(wěn)定性；

2）煤礦井下智能排水控制系統(tǒng)，采用了分布控制的理論，各點之間的控制具有相對獨立性，維護方便，可靠性高，能夠滿足對井下排水系統(tǒng)運行安全性和穩(wěn)定性的控制需求；

3）智能排水控制系統(tǒng)具有多運行模式切換系統(tǒng)，可視化控制、系統(tǒng)保護等7 種控制模式，能夠滿足排水系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定運行需求。