彭中衛(wèi)

（內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

相對(duì)于其他國(guó)家，由于我國(guó)煤田普遍具有地質(zhì)條件復(fù)雜的特征，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)煤礦資源開采過(guò)程的觀察，發(fā)現(xiàn)在工作環(huán)節(jié)中受水量因素影響的煤礦比例占總量的三成左右，是否能夠合理排除煤礦積水已經(jīng)逐漸成為影響工作人員工作狀態(tài)與生命健康安全的主要因素。但與此同時(shí)，很多地方性的小煤礦在設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)時(shí)由于沒(méi)有考慮到設(shè)備的長(zhǎng)期使用需求與更換周期，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不僅導(dǎo)致電機(jī)在長(zhǎng)期使用下耗能量逐漸增長(zhǎng)，同時(shí)由于排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不夠完善大大降低了使用效率[1]。因此，需要針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用礦井自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)時(shí)存在的主要問(wèn)題進(jìn)行深入分析，并對(duì)其中的系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，以達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的根本目的。

1 目前我國(guó)煤礦井下排水系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

很對(duì)地方小煤礦由于受條件所限，為盡量降低工作成本，在排水控制方面依然選擇人工控制為主要方式，不僅工作強(qiáng)度大，同時(shí)工作效率與可靠性均達(dá)到不到預(yù)期工作標(biāo)準(zhǔn)。

（1）設(shè)備無(wú)法集控。排水相關(guān)設(shè)備無(wú)法集控是煤礦排水系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)存在的主要問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的礦井的設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況以及與之相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋也不夠及時(shí)，一旦出現(xiàn)故障不能保障問(wèn)題解決的及時(shí)性，并不符合現(xiàn)代化煤礦的管理要求。

（2）控制策略仍處于落后狀態(tài)。傳統(tǒng)排水系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中是完全依照人工經(jīng)驗(yàn)判斷排水時(shí)機(jī)與各種系統(tǒng)應(yīng)用因素，但由于設(shè)備對(duì)應(yīng)的環(huán)節(jié)繁多，導(dǎo)致人工操作方面需要掌握大量的復(fù)雜操作過(guò)程，操作人員承擔(dān)著極大的責(zé)任與工作壓力[2]。若是工作人員沒(méi)有足夠的工作責(zé)任心，很容易會(huì)因?yàn)轳R虎大意導(dǎo)致操作不及時(shí)甚至設(shè)備損壞，井下的安全生產(chǎn)活動(dòng)無(wú)法保證。

（3）水泵啟動(dòng)失敗率較高。水泵干燒現(xiàn)象是影響水泵使用壽命的關(guān)鍵因素，為了盡量避免此種現(xiàn)象出現(xiàn)，當(dāng)前采用的大多數(shù)排水系統(tǒng)均采用具有無(wú)底閥特性的抽水方式為水泵的主要注水過(guò)程。但完全依靠人工經(jīng)驗(yàn)判斷臨空真空度是否達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的方式卻很容易出現(xiàn)失誤，最終導(dǎo)致水泵電機(jī)開啟不及時(shí)或是相關(guān)數(shù)據(jù)讀數(shù)不精準(zhǔn)等問(wèn)題。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行效率過(guò)低。作為煤礦生產(chǎn)活動(dòng)的高耗能設(shè)備，提高水泵的運(yùn)行效率是降低工作成本以及緩解能源緊張問(wèn)題的基礎(chǔ)條件。但由于當(dāng)前我國(guó)多數(shù)煤礦的節(jié)能意識(shí)并不強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的排水系統(tǒng)的控制方法極為落后，設(shè)備維護(hù)成本逐漸上升的同時(shí)工作效率卻不能得到保證，尤其是設(shè)備在長(zhǎng)期使用的條件下勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)老化磨損等問(wèn)題，如果沒(méi)有一套切實(shí)可行的安全節(jié)能方案與之相匹配，對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)生活將產(chǎn)生極大的不良影響。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)以生產(chǎn)能力在140萬(wàn)噸的中小型煤礦為背景，結(jié)合煤礦所處地理環(huán)境與新老豎井自動(dòng)排水系統(tǒng)的應(yīng)用特性，對(duì)其中央泵房以及井下排水系統(tǒng)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，并制定出一套切實(shí)可行的安全節(jié)能排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2.1 離心式水泵排水系統(tǒng)

水泵是排水的主體設(shè)備，其主要由軸承、支架、泵殼葉輪等組成，而離心式水泵由于構(gòu)造較為簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)更是被廣泛應(yīng)用在生各大產(chǎn)領(lǐng)域。其工作原理是在泵腔充滿液體的情況下啟動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)將會(huì)帶動(dòng)水做離心運(yùn)動(dòng)，并利用水壓將液體排放至管道中。之所以水在啟動(dòng)的狀態(tài)下會(huì)進(jìn)入到泵腔內(nèi)部，是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，在大氣壓力的輔助下礦井下積水將會(huì)被快速排出。

2.2 排水系統(tǒng)組成

通常情況下以離心式水泵為主體的排水系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)煤礦所在的區(qū)域環(huán)境選擇合適的注滿泵體液體的方法，常見的有真空泵、射流抽真空以及射流泵等，其系統(tǒng)主要由電機(jī)、閥門、離心式水泵、啟動(dòng)設(shè)備以及管路附件等組成。

（1）閥門。閥門的使用優(yōu)勢(shì)為阻力小、方便調(diào)節(jié)流量等，但其在長(zhǎng)期使用下極其容易磨損，后期的維修維護(hù)過(guò)程也過(guò)于復(fù)雜；逆止閥具有方向性，其主要作用為在水泵故障的情況下避免水逆流的情況出現(xiàn)，降低水倉(cāng)水溢出事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

（2）真空表與壓力表。真空表主要用于檢測(cè)泵體內(nèi)部真空度，只有真空度足夠水泵電機(jī)才能啟動(dòng)，減少了電機(jī)干燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。而壓力表通常接在排水管路上，緊鄰水泵出水口，從而檢測(cè)水壓力以判斷是否需要打開出水閘閥，降低水錘事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

（3）射流系統(tǒng)。為避免電機(jī)干燒等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，啟動(dòng)前給水泵腔體注水是常規(guī)操作，采用的方法普遍為射流抽真空與真空泵注水法。射流泵在真空環(huán)境下能夠?qū)⑺耄瑫r(shí)具有空間利用率高、維修量小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。

2.3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)與PLC控制柜兩大核心，根據(jù)此煤礦的現(xiàn)場(chǎng)情況可以將其分為井下現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)與地面監(jiān)控上位機(jī)。具體如圖1所示。

（1）地面監(jiān)控上位機(jī)。想要達(dá)到在地面對(duì)井下排水情況進(jìn)行監(jiān)控的效果，需要設(shè)置地面監(jiān)控系統(tǒng)（工業(yè)電視系統(tǒng)、光刻機(jī)以及工控機(jī)等），在構(gòu)建上位機(jī)后能清楚地顯示井下的動(dòng)態(tài)畫面與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)變化，從而對(duì)井下的各種排水設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。操作人員能夠通過(guò)實(shí)時(shí)反饋的水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)判斷井下情況，并能夠在水泵故障發(fā)生的第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)從而保證問(wèn)題解決的及時(shí)性，將問(wèn)題損失降到最低。

（2）井下排水控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)控制井下設(shè)備主要通過(guò)PLC控制柜以及與之相配套的各種傳感器實(shí)現(xiàn)控制功能，通過(guò)安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭能夠?qū)χ醒氡梅康木唧w情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC控制柜主要由各種電氣設(shè)備以及S7-300PLC組成，其中的PLC部分組成由輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、CPU以及電源模塊組成，能夠?qū)υO(shè)備的發(fā)出信號(hào)進(jìn)行收集與判斷，從而自動(dòng)判斷設(shè)備的環(huán)節(jié)操作狀態(tài)，在與就地操作箱結(jié)合使用后能夠顯示自由控制水泵狀態(tài)。

（3）控制系統(tǒng)主要功能。①排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制。在將自動(dòng)化排水系統(tǒng)安裝完成后真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守功能（保留手動(dòng)控制模式），能夠通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)水泵等各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，從而降低人工操作成本，減少了操作失誤所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。②控制方式多樣化。為了能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況自由選擇操控模式，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上，仍然保留手動(dòng)控制模式，并增加遠(yuǎn)控、近控以及檢修三種模式。自動(dòng)模式下全程不需要人工參與就可實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的自動(dòng)化控制；遠(yuǎn)控模式下需要操作人員操作計(jì)算機(jī)下發(fā)水泵的開啟與停止指令，具體操作在PLC系統(tǒng)的協(xié)助下進(jìn)行；近控模式是工作人員在井下通過(guò)就地操作箱對(duì)水泵等設(shè)備進(jìn)行操作，其余操作仍需在PLC輔助下完成；檢修模式主要用于水泵等設(shè)備發(fā)生故障的情況下，在故障發(fā)生后機(jī)組設(shè)備報(bào)警，維修人員趕到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置為檢修模式，并在故障處理完成后調(diào)回自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)。③系統(tǒng)優(yōu)化。通過(guò)設(shè)定自動(dòng)化控制程序系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水泵的自動(dòng)輪換功能，并能夠自動(dòng)收集水泵工作信息建立對(duì)應(yīng)的工作模型，從而選擇最為符合工作實(shí)際情況的啟停水泵與排水管路，以最大程度的延長(zhǎng)水泵使用壽命。一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在故障，在通過(guò)系統(tǒng)確定故障水泵位置后需要取消該水泵的工作輪換狀態(tài)，直至修復(fù)后方可重新取用，這種系統(tǒng)優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)在于降低了某些水泵的長(zhǎng)時(shí)間工作壓力，避免頻繁使用出現(xiàn)老化現(xiàn)象，同時(shí)也減少了其他水泵機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間閑置對(duì)于實(shí)際工作效率的影響，有效減少了由于排水系統(tǒng)應(yīng)用不當(dāng)所帶來(lái)的安全隱患。④系統(tǒng)保護(hù)。為提高設(shè)備工作的安全穩(wěn)定性、降低工作人員的井下生產(chǎn)工作安全風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了各種保護(hù)功能，包括真空度檢測(cè)、電流、超溫、電機(jī)參數(shù)以及PLC故障保護(hù)等。在保護(hù)功能啟用后，一旦系統(tǒng)中的某些部分發(fā)生故障就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)能夠根據(jù)設(shè)置的不同報(bào)警信號(hào)第一時(shí)間判斷出故障類型。對(duì)于排水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若是真空度不能達(dá)到規(guī)定數(shù)值就將電機(jī)啟動(dòng)很容易出現(xiàn)干燒現(xiàn)象從而導(dǎo)致水泵啟動(dòng)失敗。而通過(guò)增加的真空表與壓力傳感器能夠清楚地顯示出實(shí)時(shí)壓力數(shù)值，一旦沒(méi)有在啟動(dòng)時(shí)達(dá)到規(guī)定數(shù)值就會(huì)報(bào)警，有效保證了問(wèn)題解決的及時(shí)性；對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)電流過(guò)低或過(guò)高能夠第一時(shí)間報(bào)警，以降低干燒現(xiàn)象的發(fā)生頻率；超過(guò)規(guī)定溫度運(yùn)行水泵電機(jī)將會(huì)極大減少其工作壽命，因此需要對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控以便在溫度過(guò)高時(shí)及時(shí)停止電機(jī)工作以保護(hù)內(nèi)部電路；系統(tǒng)能夠根據(jù)電機(jī)的各種參數(shù)判斷電機(jī)的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間不符，將會(huì)自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定操作并發(fā)出故障報(bào)警；PLC由于其結(jié)構(gòu)特殊性，難免會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)出現(xiàn)死機(jī)或是觸電老化現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)此種情況將會(huì)立即發(fā)出故障報(bào)警，并自動(dòng)將控制方式轉(zhuǎn)為手動(dòng)以免影響其后續(xù)的工作狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為提高煤礦井下工作安全等級(jí)以達(dá)到安全節(jié)能的工作目標(biāo)，設(shè)計(jì)一套切實(shí)可行的自動(dòng)化排水控制方案是極其重要的。這套方案在應(yīng)用后不僅能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工作需要，還能夠根據(jù)不同種情況切換不同的工作模式，為提高工作安全性、持續(xù)提高經(jīng)濟(jì)效益打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。