錦界煤礦井下采區自動排水系統的優化升級

李佳樂

（國家能源集團神東煤炭錦界煤礦，陜西 榆林 719319）

錦界煤礦目前涌水量為5800 m3/h 左右，礦井排水能力為12 500 m3/h，排水能力是正常涌水量的2 倍以上。共配置了7 個水泵房，包括2 個中央泵房及5 個盤區水泵房，共設置68 臺MD450-60*3 型排水泵，泵組數量多、位置分散。目前錦界煤礦各泵房均為有人控制模式，各個泵房數據信息不能互通，完全靠人工來確定排水時機和排水方式，不僅效率低而且排水運行能耗高，難以滿足智慧化礦山建設的目標。

為了滿足錦界煤礦井下智能化建設目標規劃，以實現井下排水系統智慧化監測和控制、提高運行可靠性和經濟性為目標，制定了錦界煤礦井下自動排水控制系統升級方案。首創了基于液位差分析的水位監測系統，解決了傳統煤礦井下水位監測系統監測效率低，無法對涌水量變化情況進行實時預警的不足，極大地提高了自動排水系統的運行安全性，具有極大的推廣價值。

1 錦界煤礦排水系統現狀及需求分析

1.1 排水系統現狀總結

1）控制模式低效。各個控制站均為手動控制模式，所有的設備啟動、關閉、切換均靠人工經驗控制。當各個設備之間有閉鎖關系，需要按特定原則進行操作時，對人員經驗的依賴性更大，當出現緊急情況時難以快速響應。

2）硬件設備落后。各排水控制箱均為繼電器控制，不僅體積龐大而且可靠性低、使用壽命短，極大地影響了使用的可靠性。

3）控制邏輯單一。使用的是“高低水位”控制法，液位傳感器對水位情況進行監控，當超過設定的水位后系統開啟全部水泵排水，當水位下降到安全水位后停止排水。僅有一種控制邏輯，但該模式不能對水位變化情況進行監測，也無法對水泵的工作狀態進行判斷，而且排水時間比較隨意，經常在用電高峰時候啟動，不僅影響了井下供電的穩定性，而且也增加了排水的能耗。

1.2 排水系統改造需求

結合現在排水系統存在的問題及錦界煤礦智慧化改造的需求，對新的排水系統提出了以下要求：

1）實用性要求。排水系統改造后需要實現對井下7 個泵房的全面自動監測，能夠實現水位自動判斷、自主判斷排水時機等。

2）可靠性要求。系統能對各排水裝置的運行情況進行監測，對啟動異常、排水異常、水位異常等信息能夠快速判斷和預警。

3）智能化要求。能夠滿足智慧礦山自動化調控的需求，實現無人值守排水作業，能夠在原有高低水位判斷的基礎上實現“避峰就谷”控制。

2 排水系統自動化改造方案

根據錦界煤礦的實際需求，結合改造難度、改造成本等綜合分析，最終的改造方案如圖1[1]。

圖1 錦界煤礦排水自動化監控主站方案

由圖1 可知，監控主站分為了數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊、邏輯控制模塊及通信擴展模塊。數字量輸入輸出模塊主要用于完成對各泵房電機的運行控制及運行狀態報警；模擬量輸入模塊主要用于對系統的出水口壓力、入水口的真空度、水倉水位等信息監測。邏輯控制模塊主要是由CX8080 型CPU 構成，用于對整體排水狀況進行控制。通信擴展模塊主要用于完成排水系統和配套的HMI 人機界面[2]、礦井互聯網系統的數據互通。

考慮到井下排水系統的工作環境惡劣，零件在使用過程中需要滿足自身可靠性及更換便捷性的使用需求，因此采用了模塊化的結構設計方案，其監控主站的整體硬件結構布局如圖2。

圖2 監控主站主體硬件結構示意圖

3 水位監測系統及精細化流量監測系統

3.1 基于液位差分析的水位監測系統

目前多數井下排水系統處的水位監測系統采用的是浮漂式監測站[3]，結構簡單，但監測精確性差、無法進行自動的數據分析和報警。因此錦界煤礦技改組進行了專項的技術攻關，提出了一種新的基于液位差分析的水位監測系統。其整體結構如圖3。

圖3 基于液位差分析的水位監測系統

為了滿足監測精確性的需求，傳感器采用了SZ-EA-S2 的超聲波液位傳感器[4]。其能夠通過4～20 mA 電流信號進行數據傳遞，對液位高度的測量精度達到了0.5 mm，能夠滿足0～20 m 水位變化的監測需求。在實際工作中，液位傳感器和液面垂直布置，不斷向液面發出超聲波，根據發射超聲波和接收超聲波的時間差來確定水位。通過非接觸式連續測量的模式能夠實現對積水區域水位變化的持續監測和分析，因此能夠實現對水位高度、水位變化率的實時監測和判斷，確保了礦井排水系統的正常工作。

在使用時特別注意，該類型的測試模式存在一定的盲區，在盲區內的測量誤差較大，因此傳感器的探頭在設置時和最大液位之間的距離需要大于其探測盲區。根據在錦界煤礦的實際應用，傳感器探頭和最高液面之間的距離應大于0.4 m。超聲波傳感器實物如圖4 所示。

圖4 超聲波傳感器實物圖

3.2 精細化流量監測系統

優化前錦界煤礦排水系統并未設置流量監測系統，無法實時對排水情況進行監測，只能根據井下浮漂式監測站反饋的液位是上升還是下降來判斷排水情況，不僅效率低、精確性差，還無法對排水狀態進行調整，當出現大量涌水時極易出現危險事故。

錦界煤礦機電科提出了一種新的精細化流量監控系統，以LWGY 流量傳感器[5]為核心，將其設置在泵口位置，液體經過傳感器時帶動傳感器內的葉輪旋轉，周期性地改變系統中的電阻值，使其發出的電脈沖信號出現變化，系統接收后進行信號放大并進行解析，從而獲取精確的實時流量、總流量等。該流量計結構如圖5[6]。

圖5 流量傳感器結構示意圖

通過該基于液位差分析的水位監測系統及精細化流量監測系統，為整個排水系統的智慧化運行控制奠定了基礎；能夠實現對水位變化情況的精確判斷和實時監測，從而快速判別出涌水量的變化情況，幫助控制系統靈活地調整排水時機和同時排水的泵組數量；能夠最大限度地滿足井下智能化安全排水的需求。

4 排水控制策略

根據錦界煤礦井下積水區域情況，將每個水倉水位劃分為5 個水位點，其中第5 個水位點是極限水位點，第4 個水位點是警戒水位點，第3 個水位點是排水的水位點，第2 個水位點為控制水位點，第1 個水位點為最低水位點。當水位在水位點3 以下時，系統可根據設定的節能排水策略自動進行排水，當水位在水位點4 以上時，系統會根據水位變化情況，調整開啟的水泵數量，避免水位的快速上升。井下水倉水位的劃分如圖6。

圖6 水倉水位變化劃分結果示意圖

針對傳統控制方案無法實現“避峰就谷”經濟控制的情況，在錦界煤礦井下排水系統中首次引入了“分級水位”調控策略[7]。以井下排水安全為第一目標，以井下排水經濟性為第二目標，系統工作時首先判斷該時間窗口是位于“峰段”還是“谷段”。若位于“谷段”則系統按既定的排水方案進行排水，若位于“峰段”，則系統對水位情況進行監測。若處于水位點2 以下，則不啟動排水；若水位上升超過水位點3，則系統啟動一臺水泵排水；若水位繼續上升，則開啟2 臺，直到水位不再上升為止。

通過“避峰就谷”和“分級水位”控制的綜合策略，系統能夠根據水位情況自動調整排水速度，不僅確保了井下排水的安全性，而且也提高了排水的經濟性。

目前升級后的排水系統已經在錦界煤礦投入了應用，自2022 年8 月份運行以來，實現了對礦區所有泵房水位情況的集中監測和預警，實現了真正意義上的“無人化”排水控制，直接減員12 人。同時，通過避峰就谷的控制策略，實現了年節電約12 萬kW·h，極大地提升了井下排水的經濟性。

5 結論

1）監控主站在進行升級改造時，兼顧了使用可靠性和改造經濟性的需求，采用模塊化設計結構，提升了使用可靠性及更換便捷性。

2）基于液位差分析的水位監測系統，能夠實現對液位的動態監測，測量精度達到了0.5 mm。

3）精細化流量監測系統，能夠精確監測排水量，幫助控制系統靈活地調整排水時機和同時排水的泵組數量。

4）“避峰就谷”和“分級水位”控制的策略，能夠在保證井下排水安全的情況下極大地降低排水成本，實現了年節電約12 萬kW·h。