塔然高勒煤矿主排水控制系统设计

塔然高勒煤矿主排水控制系统设计

李晓华

（神华杭锦能源有限责任公司塔然高勒煤矿内蒙古鄂尔多斯017400）

摘要：矿井主排水系统是将矿井井下涌出的矿井水、喷雾洒水及设备冷却用水等安全可靠、经济合理地排至地面。本设计针对塔然高勒煤矿水文情况、中央水泵房设备选型情况，采用PLC对主排水系统进行控制，可以实现启动方式的选择、运行数据监测、自动轮换、避峰就谷等功能。

关键词：煤矿；中央水泵房；排水系统；集中控制

引言

煤炭行业是我国的支柱产业。煤矿井下主排水系统对保证矿井正常生产起着重要的作用。随着国家节能减排政策的执行以及煤炭行业高产高效的发展，井下排水问题更成为制约煤炭生产的关键因素。

目前我国大多煤矿企业的井下泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵（或真空泵），为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真空表到达要求后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出口压力表读数达到要求时，开启闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵（或真空泵）。停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排除积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。

传统排水系统效率低、可靠性差。系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验，作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。其次工人劳动强度大。工人操作无法避免高强度的劳作，尤其是闸阀的操作，劳动量最大，通对DN200以上型号的闸阀开启时，往往需要两个工人同时转动阀门手柄。而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。

1井下排水系统概述

在矿井生产过程中，经常有各种水源的水涌入矿井，称之为矿水。大量的矿水威胁到矿井生产的正常运行，突发时甚至会造成工作人员的伤亡。产生矿井涌水的两个必备条件是矿井水源和涌水通道。矿井涌水的水源有地表水和地下水两大类。地表水源主要指大气降水和地表水。地下水是矿井水最经常、最主要的水源，而大气降水和地表水也是一般先补给地下水，然后再流入矿井。

井下排水系统的任务就是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地表。在煤矿地下开采过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河水的渗透，有大量的水昼夜不停地汇集于井下。如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。

为了确保煤矿的安全生产，必需建立完备的矿井排水系统。矿井排水系统由矿井排水硐室和排水设备、设施两大部分组成。矿井主排水硐室主要由主排水泵房硐室、水仓、吸水井、配水巷道和管子道组成；矿井排水设备、设施主要由水泵、闸阀、逆止阀、底阀、引水装置、水管、压力表、电动机、电缆、启动控制开关等组成。

目前各大煤矿井下排水系统普遍采用离心式水泵作为主排水泵，对排水系统的控制主要还是对离心式水泵的控制。离心式水泵不同于其他的水泵，它的启停过程和停机过程都是非常复杂的，有其独特的启动和停机步骤，如果控制程序不是按照步骤进行控制的，水泵就会无法启动和正常工作，严重的话，会缩短水泵的使用寿命，甚至损坏电机和水泵。

2塔然高勒煤矿水文概况

塔然高勒矿井位于东胜煤田塔然高勒矿区之中北部，行政区隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗及达拉特旗。煤炭资源量1982.79Mt，工业储量1691.18Mt，可采储量1279.25Mt。

井田东部边界位于东部的耳字沟一带，西部边界位于塔拉沟以西一带。区内的所有沟谷均为塔拉沟、泊什太沟、黑赖沟、耳字沟的支沟。它们的次一级沟谷也较发育，除矿区的部分地段的地形较完整外，其它地段沟谷将矿区分割的支离破碎。这些沟谷在枯水季节一般干涸无水，但在丰雨季节，可形成短暂的溪流或洪流，洪流具有历时短、流量较大的特点。

塔然高勒井田的直接充水含水层段（J1-2y～J2z）以裂隙含水层为主、孔隙含水层次之，单位涌水量q=0.039～0.23L/s.m，富水性弱到中等，补给条件和径流条件较差，以区外承压水侧向径流为主要补给水源，大气降水为次要补给水源；区内水库、湖泊等地表水体较少，沟谷虽有常年地表径流，但流量小，地表水库及河流与煤层的间距较大，平均在500m以上，水文地质边界简单。依据《煤矿防治水规定》中的矿井水文地质类型划分标准，塔然高勒煤矿范围内及周边无小煤矿和老空区；煤层埋藏较深，开采不受大气降水和地表水影响；根据对矿井水文地质条件的分析，补给条件一般，侧向补给面积较大，有一定补给量；矿井预计先期开采地段涌水量为872～1046m3/h；煤层顶板直接充水含水层段为砾岩、粗砂岩，厚度大，水压可高大4.3MPa。

综合矿井水文地质类型划分各指标，塔然高勒煤矿矿井水文地质类型应划分为复杂类型。

3塔然高勒煤矿排水系统设备选型

由于矿井属于水文地质条件复杂矿井，主排水采用直接排水系统，在副井井底车场+907.85m水平附近设有水仓及主排水泵房，排水管路2趟沿副立井、1趟沿主立井井筒敷设。采区及部分巷道涌水排至盘区水泵房，然后由盘区水泵排至井底车场主水仓，后由水泵房内主排水泵经主、副立井排至地面水处理站。

图1：操作方式选择流程图

主排水系统选用MD600-70×9矿用耐磨多级离心泵5台，配YB800S1-4型（1600kW、10kV、1480r/min）矿用隔爆异步电动机，正常涌水时2台工作，2台备用，1台检修；最大涌水时3台工作。排水管路选用Ф377无缝钢管3趟，2趟工作，1趟备用，沿副立井井筒敷设两趟，沿主井敷设一趟。水泵电机由相邻的井底车场中央变电所内的矿用防爆型高压开关柜供电，水泵采取电软起起动方式。泵房内排水管路采用法兰连接，井筒内管路采用套管焊接连接。为有效防止水锤冲击对水泵及管路的损害，泵房内采用微阻缓闭止回阀。水泵采用无底阀排水，操作简单，便于实现自动化，并减少由于底阀而产生的各种故障。开泵前采用ZPBG型气、水两用喷射泵抽出吸水管和泵内空气。喷射泵以泵房内排水管路中的压力水作为动力源，同时以消防洒水作为备用动力源。

4井下排水系统的集中控制设计

本控制系统为适应煤矿的使用要求，具备以下功能：

4.1操作方式的选择

系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由人工选择开哪台水泵和开几台泵，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障和检修状态下的工作方式。PLC故障时，全部设备均为手动运行，由操作人员控制相应按钮完成；当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运行。PLC柜上设有泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。故障排除或检修完成后，手动试车，确认无故障后，才可参与整个自动轮换工作。系统可随时转换为自动或半自动工作方式运行。整个流程图如图1所示：

开始时先检查PLC有无故障，若有故障转为手动操作；若无故障，再看设备有无故障，若有同样转为手动操作，若无则进行操作方式的选择。可选择全自动、半自动、手动中的任意一种操作方式。若选择全自动操作方式，且操作被允许，直接进入全自动循环启动。若不满足全自动操作条件，则转入手动操作。半自动操作方式的选择与此类似。

4.2水泵的开启与关闭

本设计采用射流喷管直灌式注水方式，通过射流喷管形成射流，依靠射流的吸力，使泵体内形成真空，靠排水管路水重力作用将水压入泵内，充满泵体，即可启动水泵。

首先，打开射流管路的电磁阀，若阀顺利开启，射流喷管内形成射流，泵开始排气注水。然后监测真空度能否在规定时间内达到要求，若不能，则声光报警，进入水泵关闭阶段；若能，则开动水泵电机，关闭射流管路的电磁阀。水泵开始运转后，监测其出口压力能否在规定时间内达到预设值，若不能则声光报警，进入水泵关闭阶段；若能则打开水泵出水口电动阀，此泵组进入正常运行阶段。在运行过程中，此泵组有停机故障或者满足停泵条件，则进入关闭阶段。先关闭水泵出水口电动阀，再关闭水泵电机，水泵停止运转。系统流程图如图2所示：

4.3需开启水泵台数的确定

开泵台数主要是根据“避峰就谷”的要求加以确定。以每5次采样水位平均值为一个水位点，每隔一定时间测定一次水位点，由此可以求得水位变化率，从而计算出并可不断修正单位时间的涌水量q。

由于水位处于不断变化之中且水位变化率非恒定不变，计算出的需开启的水泵台数也在变化，这就需要在排水过程中不断调整开泵台数，最终满足“避峰就谷”的控制要求。

图2：水泵自动开启与关闭流程图

4.4高效原则

以排水效率为基本原则，根据涌水量的大小，优先运行高效水泵。①在单泵单管工况下：排水系统效率低于60%，要退出运行，报警，修理。②多管排水系统，水泵运行正常，排水系统效率仍然低于60%，需对管网进行强制检修。

效率计算：根据水泵理论，η为排水系统效率，η=η1×η2×η3，η1为电动机效率，η2为水泵效率，η3为管网效率，H为水泵扬程，Q为排水流量，ρ为流体密度，I为供电电流，U为供电电压，Cosφ为功率因数，η1在电机正常时为固定值，因此影响排水系统效率的因素为水泵效率和管网效率，在较短的时间段内和管路没有变化的情况下，管网的效率不会发生突变，如果排水系统效率降低，那么基本判断是水泵效率降低，如果排水系统效率缓慢降低，可以和就近的高效率运行泵比较，如果效率差距明显，则是水泵问题，如果多台水泵效率都低，则是管网问题。管网效率是影响所有泵的排水效率，在管网正常时，每台泵投入运行前需要检测泵的运行效率，并将数据存入计算机，在运行一段时间后，将所有泵的效率和这个值作比较，如果大多数泵的效率和这个值相差不大，则说明管网没有问题，否则认为管网有问题。

4.5自动轮换工作

为了防止工作水泵及管理磨损过于严重；备用泵及其电气设备或备用管理长期不用而导致电机和电气设备受潮或其它故障不能及时发现，有必要考虑水泵的自动轮换工作控制。控制程序自动记录并累计水泵启停次数及运行时间、管路使用次数及流量等参数，根据这些运行参数，系统按一定顺序自动启停水泵和响应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序制动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。在确保安全的前提下，以保证电机不受潮为原则，同一泵房内，效率大于60%的水泵进行轮流运行，轮换频率及周期根据季节及煤矿要求制定。

4.6“避峰填谷”

所谓“避峰填谷”，是指调动水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作，尽量避免在“峰段”启动。要实现“避峰填谷”，需调度各水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段，将水泵的水位排至设定的低位，以便水仓能够腾出尽可能大的容积，以其在“峰段”容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵。

↑表示加开泵，↓表示减停泵，—表示保持

根据季节及矿涌水量情况，调节水位设定，确定开泵台数及运行时间。

4.7保护功能

系统除上诉功能外，还具有以下几种保护功能：

1）漏水保护：每台水泵均安装真空度电接点压力表，如在规定的注水时间内系统仍未收到真空度达到规定值的信号，则停止启动本台水泵，转为启动下台水泵，并发出故障报警信号；

2）流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护装置使本台水泵停车，转为启动下台水泵；

3）超温保护：水泵长期运行，当水泵轴温或电机温度超出允许值时，通过温度保护装置使水泵停车；

4）过流保护：接在主回路里的电流互感器把电流信号送入可编程控制器，由可编程控制器计算、判断电动机工作状况。当出现过流时，相应的保护装置动作；

5）低电压、漏电保护：当高压部分出现低压或漏电故障时，其相应的保护装置动作，并将故障信号送入PLC。

5结语

本设计针对塔然高勒煤矿中央水泵房排水设备研究设计了集中控制系统。系统选用PLC进行控制，有自动、半自动和手动三种操作方式可供选择。水泵及管路的“自动轮换”工作制可以有效防止工作水泵及管路磨损过于严重；备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或有其他故障不能及时发现。根据井下实际涌水量和水仓水位，由“避峰就谷”原则确定开启水泵台数，以达到节能的目的。

综上所述，本文设计的主排水控制系统，综合各个因素进行控制，工作的可靠性和稳定性比以往有较大提高，基本符合井下排水控制的要求，对保障煤矿安全生产具有重要意义。

参考文献

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