劉國(guó)才

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐煤礦，山西 臨縣 033200）

引言

由于煤礦井下環(huán)境惡劣，加上煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，在煤礦開(kāi)采中經(jīng)常有大量的地下水涌出，一旦涌出水位較高，則可能淹沒(méi)地下水倉(cāng)，影響井下的煤礦開(kāi)采作業(yè)，嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)造成井下開(kāi)采設(shè)備被淹沒(méi)或引起漏電等安全事故[1]。在礦井中設(shè)計(jì)一套井下排水控制系統(tǒng)，將井下水控制在安全范圍之內(nèi)，可有效預(yù)防井下漏水現(xiàn)象，保證井下作業(yè)的安全。為此，結(jié)合現(xiàn)有井下排水控制系統(tǒng)存在問(wèn)題，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，對(duì)提高井下排水效率及安全性具有重要意義。

1 井下排水過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題

通過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前煤礦井下排水控制系統(tǒng)在使用中存在若干問(wèn)題，主要如下：

1）現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)所用的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀器存在較嚴(yán)重的穩(wěn)定性差、采集精度低、數(shù)據(jù)處理能力弱等問(wèn)題，所采集數(shù)據(jù)存在較大的干擾信號(hào)[2]。

2）整個(gè)排水控制系統(tǒng)的處理能力相對(duì)較弱，加上部分設(shè)備存在老化現(xiàn)象，導(dǎo)致整套系統(tǒng)的反應(yīng)相對(duì)較慢，運(yùn)行不穩(wěn)定。

3）系統(tǒng)中部分設(shè)備的耗電量相對(duì)較大，造成較大的電費(fèi)支出。

4）系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平較弱，當(dāng)井下發(fā)生大量涌水現(xiàn)象時(shí)無(wú)法通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)解決井下突發(fā)安全事故，應(yīng)急反應(yīng)能力相對(duì)較弱。

5）系統(tǒng)不能直觀地將井下排水狀態(tài)及重要參數(shù)通過(guò)高清顯示界面顯示，智能顯示功能相對(duì)較弱。

為此，十分有必要對(duì)井下排水控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)研究，設(shè)計(jì)一套分布式集中控制、智能調(diào)節(jié)及實(shí)時(shí)參數(shù)顯示的井下控制系統(tǒng)，以提高整個(gè)井下排水過(guò)程的高效性及安全性。

2 井下排水方式分析

選擇最佳的排水方式，對(duì)提高井下排水效果、降低井下淹水安全具有重要作用。目前，井下排水方式相對(duì)較多，包括壓入式排水、吸壓式排水、集中式排水等類(lèi)型，具體如下[3]：

1）壓入式排水。此排水方式主要是將排水泵直接放置于井下水位中，此時(shí)水會(huì)自動(dòng)灌滿排水泵，之后啟動(dòng)電源，即可快速開(kāi)始排水作業(yè)。整個(gè)過(guò)程操作較為簡(jiǎn)單，但排水效率較低，排水泵容易出現(xiàn)無(wú)法工作、漏電等故障，存在一定的安全隱患。

2）吸壓式排水。此方式主要是將水泵房分隔為上下兩個(gè)水倉(cāng)，上部采用壓入式排水，下部則采用吸入式排水。兩種方式的有效結(jié)合，可提高整個(gè)排水過(guò)程的工作效率，可避免水泵房被淹的可能。

3）集中式排水。此方式主要是將水倉(cāng)的用水量排放到下一個(gè)平面，通過(guò)排水泵來(lái)對(duì)水倉(cāng)水進(jìn)行集中排放。此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，排水管路成本較低，在大部分煤礦中應(yīng)用較為廣泛[4]，其結(jié)構(gòu)示意如下頁(yè)圖1所示。

因此，選用集中式排水方式作為本次研究的井下排水方式。

3 井下排水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體方案的設(shè)計(jì)

以現(xiàn)有井下排水控制系統(tǒng)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)排水控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括井上地面監(jiān)控中心、井下水泵調(diào)度單元、控制單元、現(xiàn)場(chǎng)采集單元等部分，各單元之間通過(guò)相互配合協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下排水的自動(dòng)化控制。其中，現(xiàn)場(chǎng)采集單元包括液位傳感器、水泵流量傳感器、溫度傳感器等，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)RS485通訊傳輸至水泵的調(diào)度及控制單元中，而水泵調(diào)度單元?jiǎng)t包括PLC控制柜、信號(hào)接收器、交換機(jī)等。PLC控制器型號(hào)為西門(mén)子的S7-300，可完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的較快計(jì)算及數(shù)據(jù)處理。而水泵控制單元即為系統(tǒng)的執(zhí)行單元，包括電機(jī)、水泵、電動(dòng)閘等，當(dāng)PLC計(jì)算分析后，向水泵控制單元發(fā)出相應(yīng)的控制命令，此單元接收信號(hào)后，向相應(yīng)的控制單元發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備操作的控制。地面監(jiān)控中心包括光端子機(jī)、控制臺(tái)、PC電腦、打印機(jī)等，通過(guò)前端的光端子機(jī)接收井下傳輸信號(hào)，通過(guò)控制臺(tái)實(shí)時(shí)顯示井下相關(guān)信息及工作狀態(tài)，人員可通過(guò)控制臺(tái)上的相關(guān)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下執(zhí)行單元的有效控制。井下排水控制系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

圖1 集中式排水示意圖

圖2 井下排水控制系統(tǒng)總體框架圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

該井下排水系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)井下水系統(tǒng)中的水位、溫度、流量、壓力及電壓等相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以供控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控井下水位情況。其中，將涉及到各類(lèi)傳感器，包括超聲波液位計(jì)、溫度傳感器、流量傳感器等。所選用的傳感器需具有較高精度，能適應(yīng)井下復(fù)雜工況。因此，超聲波液位計(jì)型號(hào)為RZ-JY500，流量傳感器為檢測(cè)范圍為31.8～317 m3/h的GLW150，溫度傳感器為采集范圍為-200～850℃的PT-100。其中，RZ-JY500超聲波液位計(jì)主要利用了超聲波反射原理對(duì)井下水倉(cāng)中的液位高度進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。

3.3 控制臺(tái)的設(shè)計(jì)

圖3 水倉(cāng)液位檢測(cè)原理圖

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的集成式控制，設(shè)計(jì)了一套集成多個(gè)按鈕及功能的控制臺(tái)。在該控制臺(tái)上設(shè)計(jì)了儀器設(shè)備作業(yè)狀態(tài)顯示界面、顯示儀表、閥門(mén)開(kāi)關(guān)、電機(jī)開(kāi)關(guān)、報(bào)警器開(kāi)關(guān)、手自動(dòng)操作按鈕及井下水位顯示器等，控制臺(tái)的顯示界面如圖4所示。通過(guò)此控制臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行模式及操作模式的手動(dòng)和自動(dòng)切換，系統(tǒng)的運(yùn)行情況也能通過(guò)對(duì)應(yīng)的指示燈得以提示。其中，指示燈包括常亮、閃爍及熄滅等狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備不同工作狀態(tài)的提示。整個(gè)控制臺(tái)上的指示燈包括水泵、電源、射流閥、出水閥、真空閥、故障報(bào)警燈類(lèi)型，還包括2個(gè)水泵開(kāi)關(guān)、2個(gè)真空閥開(kāi)關(guān)、2個(gè)電機(jī)開(kāi)關(guān)、2個(gè)水泵開(kāi)關(guān)等。由此，完成了井下排水控制系統(tǒng)控制臺(tái)的總體設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)價(jià)

在完成井下排水控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)其進(jìn)行了將近6個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試期間，主要對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、檢測(cè)精度、異常報(bào)警等情況進(jìn)行監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果顯示：該控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，各類(lèi)傳感器能準(zhǔn)確、快速地將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳遞至PLC控制柜中進(jìn)行計(jì)算，并將各類(lèi)關(guān)鍵參數(shù)通過(guò)顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，如圖5所示。所采集的水位、流量、溫度等參數(shù)均相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)外界信號(hào)干擾。在井下水位出現(xiàn)超水位異?，F(xiàn)象時(shí)，該系統(tǒng)能夠立即實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)級(jí)別的聲光報(bào)警提示，并即刻啟動(dòng)排水泵，開(kāi)啟井下排水作業(yè)，且在較短時(shí)間內(nèi)解除了水位超高報(bào)警異常。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，僅在監(jiān)控中心配備了2名工作人員，就實(shí)現(xiàn)了井下無(wú)人操作，在降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高了整個(gè)排水過(guò)程的效率及自動(dòng)化程度，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

圖4 控制臺(tái)布局圖

圖5 排水系統(tǒng)運(yùn)行顯示界面圖

5 結(jié)語(yǔ)

不斷開(kāi)展井下排水控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)研究，將更加先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到排水控制系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，是當(dāng)前保障井下排水作業(yè)安全的重要發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)井下排水過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化也是未來(lái)智慧煤礦發(fā)展的必然趨勢(shì)。