锦界煤矿井下采区自动排水系统的优化升级.pdf

2032023 年第 9 期李佳乐：锦界煤矿井下采区自动排水系统的优化升级收稿日期 2023-02-08作者简介 李佳乐（1999），男，内蒙古呼和浩特市人，2021 年毕业于内蒙古机电职业技术学院电力系统自动化技术专业，大专，工程师，研究方向为煤矿排水。李佳乐：锦界煤矿井下采区自动排水系统的优化升级锦界煤矿井下采区自动排水系统的优化升级李佳乐（国家能源集团神东煤炭锦界煤矿，陕西 榆林 719319）摘 要 为优化锦界煤矿自动排水控制系统，解决井下排水系统效率低、能耗高的不足问题，通过建立集控排水控制系统，将井下 7 个泵房的排水系统和监控系统进行统一监测和控制，重点对系统的硬件结构、水位监控及避峰就谷控制逻辑进行了研究。结果表明，实现集中化控制后能够解决排水效率低、能耗高的不足，年节约电能约 12 万 kWh。关键词 煤矿排水；集中控制；水位监控；避峰就谷 中图分类号 TD744 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.063Optimization and Upgrade of the Automatic Drainage System in the Downhole Mining Area of Jinjie Coal MineLi Jiale(National Energy Group Shendong Coal Jinjie Coal Mine,Shaanxi Yulin 719319)Abstract:To optimize the automatic drainage control system of Jinjie Coal Mine and solve the problems of low efficiency and high energy consumption in the downhole drainage system.By establishing a centralized drainage control system,the drainage and monitoring systems of the seven downhole pump rooms are uniformly monitored and controlled,the focus is on the research of the hardware structure,water level monitoring,and avoiding apex and filling vale control logic of the system.The results show that achieving centralized control can solve the problems of low drainage efficiency and high energy consumption,saving approximately 120 000 kWh of electricity annually.Key words:coal mine drainage;centralized control;water level monitoring;avoiding apex and filling vale锦界煤矿目前涌水量为 5800 m3/h 左右，矿井排水能力为 12 500 m3/h，排水能力是正常涌水量的2 倍以上。共配置了 7 个水泵房，包括 2 个中央泵房及 5 个盘区水泵房，共设置 68 台 MD450-60*3 型排水泵，泵组数量多、位置分散。目前锦界煤矿各泵房均为有人控制模式，各个泵房数据信息不能互通，完全靠人工来确定排水时机和排水方式，不仅效率低而且排水运行能耗高，难以满足智慧化矿山建设的目标。为了满足锦界煤矿井下智能化建设目标规划，以实现井下排水系统智慧化监测和控制、提高运行可靠性和经济性为目标，制定了锦界煤矿井下自动排水控制系统升级方案。首创了基于液位差分析的水位监测系统，解决了传统煤矿井下水位监测系统监测效率低，无法对涌水量变化情况进行实时预警的不足，极大地提高了自动排水系统的运行安全性，具有极大的推广价值。1 锦界煤矿排水系统现状及需求分析1.1 排水系统现状总结1）控制模式低效。各个控制站均为手动控制模式，所有的设备启动、关闭、切换均靠人工经验控制。当各个设备之间有闭锁关系，需要按特定原则进行操作时，对人员经验的依赖性更大，当出现紧急情况时难以快速响应。2）硬件设备落后。各排水控制箱均为继电器控制，不仅体积庞大而且可靠性低、使用寿命短，极大地影响了使用的可靠性。3）控制逻辑单一。使用的是“高低水位”控制法，液位传感器对水位情况进行监控，当超过设定的水位后系统开启全部水泵排水，当水位下降到安全水位后停止排水。仅有一种控制逻辑，但该模式不能2042023 年第 9 期对水位变化情况进行监测，也无法对水泵的工作状态进行判断，而且排水时间比较随意，经常在用电高峰时候启动，不仅影响了井下供电的稳定性，而且也增加了排水的能耗。1.2 排水系统改造需求结合现在排水系统存在的问题及锦界煤矿智慧化改造的需求，对新的排水系统提出了以下要求：1）实用性要求。排水系统改造后需要实现对井下 7 个泵房的全面自动监测，能够实现水位自动判断、自主判断排水时机等。2）可靠性要求。系统能对各排水装置的运行情况进行监测，对启动异常、排水异常、水位异常等信息能够快速判断和预警。3）智能化要求。能够满足智慧矿山自动化调控的需求，实现无人值守排水作业，能够在原有高低水位判断的基础上实现“避峰就谷”控制。2 排水系统自动化改造方案根据锦界煤矿的实际需求，结合改造难度、改造成本等综合分析，最终的改造方案如图 11。图 1 锦界煤矿排水自动化监控主站方案由图 1 可知，监控主站分为了数字量输入输出模块、模拟量输入模块、逻辑控制模块及通信扩展模块。数字量输入输出模块主要用于完成对各泵房电机的运行控制及运行状态报警；模拟量输入模块主要用于对系统的出水口压力、入水口的真空度、水仓水位等信息监测。逻辑控制模块主要是由CX8080 型 CPU 构成，用于对整体排水状况进行控制。通信扩展模块主要用于完成排水系统和配套的HMI 人机界面2、矿井互联网系统的数据互通。考虑到井下排水系统的工作环境恶劣，零件在使用过程中需要满足自身可靠性及更换便捷性的使用需求，因此采用了模块化的结构设计方案，其监控主站的整体硬件结构布局如图 2。图 2 监控主站主体硬件结构示意图3 水位监测系统及精细化流量监测系统3.1 基于液位差分析的水位监测系统目前多数井下排水系统处的水位监测系统采用的是浮漂式监测站3，结构简单，但监测精确性差、无法进行自动的数据分析和报警。因此锦界煤矿技改组进行了专项的技术攻关，提出了一种新的基于液位差分析的水位监测系统。其整体结构如图 3。图 3 基于液位差分析的水位监测系统为了满足监测精确性的需求，传感器采用了SZ-EA-S2 的超声波液位传感器4。其能够通过420 mA 电流信号进行数据传递，对液位高度的测量精度达到了 0.5 mm，能够满足 020 m 水位变化的监测需求。在实际工作中，液位传感器和液面垂直布置，不断向液面发出超声波，根据发射超声波和接收超声波的时间差来确定水位。通过非接触式连续测量的模式能够实现对积水区域水位变化的持续监测和分析，因此能够实现对水位高度、水位变化率的实时监测和判断，确保了矿井排水系统的正常工作。在使用时特别注意，该类型的测试模式存在一定的盲区，在盲区内的测量误差较大，因此传感器的探头在设置时和最大液位之间的距离需要大于其探测盲区。根据在锦界煤矿的实际应用，传感器探2052023 年第 9 期李佳乐：锦界煤矿井下采区自动排水系统的优化升级头和最高液面之间的距离应大于 0.4 m。超声波传感器实物如图 4 所示。图 4 超声波传感器实物图3.2 精细化流量监测系统优化前锦界煤矿排水系统并未设置流量监测系统，无法实时对排水情况进行监测，只能根据井下浮漂式监测站反馈的液位是上升还是下降来判断排水情况，不仅效率低、精确性差，还无法对排水状态进行调整，当出现大量涌水时极易出现危险事故。锦界煤矿机电科提出了一种新的精细化流量监控系统，以 LWGY 流量传感器5为核心，将其设置在泵口位置，液体经过传感器时带动传感器内的叶轮旋转，周期性地改变系统中的电阻值，使其发出的电脉冲信号出现变化，系统接收后进行信号放大并进行解析，从而获取精确的实时流量、总流量等。该流量计结构如图 56。图 5 流量传感器结构示意图通过该基于液位差分析的水位监测系统及精细化流量监测系统，为整个排水系统的智慧化运行控制奠定了基础；能够实现对水位变化情况的精确判断和实时监测，从而快速判别出涌水量的变化情况，帮助控制系统灵活地调整排水时机和同时排水的泵组数量；能够最大限度地满足井下智能化安全排水的需求。4 排水控制策略根据锦界煤矿井下积水区域情况，将每个水仓水位划分为 5 个水位点，其中第 5 个水位点是极限水位点，第 4 个水位点是警戒水位点，第 3 个水位点是排水的水位点，第 2 个水位点为控制水位点，第 1 个水位点为最低水位点。当水位在水位点 3 以下时，系统可根据设定的节能排水策略自动进行排水，当水位在水位点 4 以上时，系统会根据水位变化情况，调整开启的水泵数量，避免水位的快速上升。井下水仓水位的划分如图 6。图 6 水仓水位变化划分结果示意图针对传统控制方案无法实现“避峰就谷”经济控制的情况，在锦界煤矿井下排水系统中首次引入了“分级水位”调控策略7。以井下排水安全为第一目标，以井下排水经济性为第二目标，系统工作时首先判断该时间窗口是位于“峰段”还是“谷段”。若位于“谷段”则系统按既定的排水方案进行排水，若位于“峰段”，则系统对水位情况进行监测。若处于水位点 2 以下，则不启动排水；若水位上升超过水位点 3，则系统启动一台水泵排水；若水位继续上升，则开启 2 台，直到水位不再上升为止。通过“避峰就谷”和“分级水位”控制的综合策略，系统能够根据水位情况自动调整排水速度，不仅确保了井下排水的安全性，而且也提高了排水的经济性。目前升级后的排水系统已经在锦界煤矿投入了应用，自 2022 年 8 月份运行以来，实现了对矿区所有泵房水位情况的集中监测和预警，实现了真正意义上的“无人化”排水控制，直接减员12人。同时，通过避峰就谷的控制策略，实现了年节电约 12 万kWh，极大地提升了井下排水的经济性。5 结论1）监控主站在进行升级改造时，兼顾了使用可靠性和改造经济性的需求，采用模块化设计结构，提升了使用可靠性及更换便捷性。2）基于液位差分析的水位监测系统，能够实现对液位的动态监测，测量精度达到了 0.5 mm。3）精细化流量监测系统，能够精确监测排水量，帮助控制系统灵活地调整排水时机和同时排水的泵（下转第 211 页）2112023 年第 9 期 杨晋泽：煤矿采后矿区环境的修复技术研究一般选择根系发达、抗旱、抗涝能力强的树种，包括刺槐、梭梭树等6，能够很好地起到固定边坡泥土的作用。经过评估后在元宝山矿选择了梭梭树作为修复植被。在种植时首先进行培植坑修筑，坑深不小于 500 mm，直径不小于 600 mm，所选择的梭梭树苗要求长势良好，在栽种前利用浸根粉及保湿剂对树苗根部进行浸泡6，提高树苗的抗病性和成活率。栽种后在种植坑内加入不少于 10 L 的水，使其彻底浸湿树苗根部。在栽种后的第1天、第3天、第 5 天、第 10 天均需要进行浇水。草本植物可以采用禾本科和豆科植物相结合的方式。禾本科植被具有发达的根系，不仅能够固定土壤，而且能够提高土壤的通透性。豆科植物则具有固氮、聚水的作用，不仅能够改变土壤的机质而且能够为禾本科植物提供养分。二者相互依存，能够更好地保持矿坑区域的固土效果。禾本科植被选择了白茅，豆科植物选择了紫花苜蓿。草籽播种时采用了喷播方式，草籽的埋深为 2030 mm。在撒播完成后对撒播区域进行喷水，以水能浸透草籽埋深为宜。喷播时所使用的设备为喷播机7，将喷播机放在移动小车上便于快速移动，喷播效率高。种树和种草要进行合理的布置，一般将树种植在砌筑的平台上，每棵树之间的间距设置为 2 m；种草采用喷播的方式，撒播量按 70 g/m2确定。在种完后需要进行定期养护和补栽，提高绿植的成活率。5 治理效果分析该矿坑修复技术已经在多个废弃矿坑投入了应用。通过土石方回填的方案解决了部分区域边坡坡度大、矿坑深度大导致的安全隐患；通过筑坡解决了过大边坡坡度导致的边坡垮落、泥石流等地质问题，在筑坡形成的平台上能够提供植树所需要的平整空间，为绿植的种植和养护提供了基础。通过近1 年的应用，目前废旧矿区已完成了改造，绿植覆盖率达到了 76.4%，彻底解决了滑坡、泥石流、粉尘等问题，取得了极好的应用效果，具有推广价值。6 结论针对露天矿坑所存在的地表破坏严重、粉尘、滑坡、泥石流等灾害频发，严重影响矿区正常生产的情况，提出了采用废弃矿坑回填、地表绿植恢复的修复方案。将整个矿区划分为 5 个区域，对不同区域采取不同的处理方案，且通过精确计算土石方的量，实现了矿山修复过程中土石方的平衡消耗，提高了矿坑修复的效率和经济性。通过在表面设置绿植，实现了对表面破坏地表的修复，解决了滑坡、泥石流等灾害。【参考文献】1 王佟，杜斌，李聪聪，等.高原高寒煤矿区生态环境修复治理模式与关键技术 J.煤炭学报，2021，46（01）：230-244.2 孙正坤.矿山生态修复工程及技术措施以瑞昌市码头镇龟山矿山生态修复为例 J.世界有色金属，2020（15）：183-184.3 郭党生.京北地区露天矿山生态修复技术探讨 J.中国非金属矿工业导刊，2021（03）：59-61+73.4 王丹丹.基于生态文明理论的矿山生态修复实践J.城市地质，2020，15（03）：283-287.5 武强，李松营.闭坑矿山的正负生态环境效应与对策 J.煤炭学报，2018，43（01）：21-32 6 张进德.科学实施山水林田湖草生态保护与修复工程J.水文地质工程地质，2018，45（03）：3-5 7 付战勇，马一丁，罗明，等.生态保护与修复理论和技术国外研究进展 J.生态学报，2019，39（23）：908-921组数量。4）“避峰就谷”和“分级水位”控制的策略，能够在保证井下排水安全的情况下极大地降低排水成本，实现了年节电约 12 万 kWh。【参考文献】1 杜国瑞.矿井水文监测系统设计分析 J.机械管理开发，2018，33（09）：237-239+264.2 吴文臻.矿井多水平协同排水控制系统设计 J.煤炭技术，2016，35（06）：196-197.3 郝玉辉.基于 PLC 的井下排水自动控制系统设计（上接第 205 页）研究 J.山西能源学院学报，2018，31（06）：20-22.4 周继昌.煤矿井下水泵自动化控制系统设计与应用研究 D.武汉：湖北工业大学，2017.5 秦四祥.关于矿井多水平智能化高效排水系统改造的研究与应用 J.中国设备工程，2020（17）：194-195.6 马晓明.煤矿多水平排水智能控制系统设计与研究J.中国石油和化工标准与质量，2020，40（10）：146-147.7 韩秀琪.矿井多水平接力排水系统优化控制 J.工矿自动化，2020，46（09）：109-112.