煤矿井下中央水泵房自动化排水系统研究与应用.pdf
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1、第l 8卷 第5期 ( 总第 1 1 4期) 2 0 1 3年 1 O月 煤矿 开 采 Co a l mi n i n g Te c hn o l o g y V o 1 1 8 N o 5 ( S e r i e s N o 1 1 4 ) 0c t o b e r 201 3 煤矿井下 中央水泵房 自动化排水 系统研 究与应用 车永军 ,王成真 ,杜利宏 ( 1 晋城煤业集团 晋圣矿业投资有限责任公 司,山西 晋城 0 4 8 0 0 0;2 晋城煤业集团 生产技术处 ,山西 晋城 0 4 8 0 0 6 ) 摘要 为解决传统人工手动排水系统在矿井排水过程 中排水能力小、自动化程度低、操作
2、 过程繁琐、管理复杂、应急能力差等问题,研究并设计了矿井中央水泵房 自动化排水系统。该系统通 过各类传感器收集水仓水位信息、水泵及配套设备工况信息后,经过逻辑运算,按照一定的方式 自动 发出指令控制水泵组系统开启或者停止,从而实现矿井 自动化排水。同时,系统可根据需要进行手动 操作排水、半 自动化排水和全自动化排水,并可由地面上位机进行远程控制,且能有效避开矿井用电 高峰期。某矿中央水泵房 自动化排水系统的应用证明,该系统具有排水能力大、自动化程度高、操作 简单、应急能力强、电耗低、易于管理等显著优点,是矿井排水系统自动化发展的重要方向之一。 关键词 中央水泵房;排水系统;自动化控制;水位;传
3、感器 中图分类号T D 7 4 4 文献标识码B 文章编号1 0 0 6 6 2 2 5( 2 0 1 3 )0 5 0 0 2 8 0 4 Au t o ma t i c De wa t e r i ng S y s t e m f o r Und e r g r o un d Ce n t e r Pu mp Ca v e r n a n d I t s App l i c a t i o n 在煤矿企业中,井下排水系统是最重要的生产 系统之一,担负着排除煤炭生产过程 中产生的各种 积水的重任 ,排水系统运行正常与否直接关系到矿 井能否正常安全生产 J 。排水系统不仅需要能够 及时排出正常
4、涌水期的矿井水 ,而且还要具备排出 涌水高峰期时大量矿井水的能力 ,同时在透水事故 发生时应有一定的应急能力。 矿井排水时,将各个方向的水仓积水排至 中央 水仓 ( 通常 ,中央水仓 由主水仓 和副 水仓 组成 , 主水仓储水量大于副水仓 ) ,然后 由中央水泵房将 中央水仓水 排至地 面 J 。可见 ,中央水 泵房担负 着排除整个矿井水的重任 ,其安全可靠性直接影响 矿井的安全高效生产。而现阶段多数矿井采用传统 的人工手动操作排水系统 ,此类排水系统 自动化程 度低 、操作过程繁琐 、管理复杂、应急能力差 ,这 些不足严重影响井下 中央水泵房 ( 乃至整个排水 系统 )的管理水平和矿井整体效
5、益的提高 ,存在 较大的安全隐患 J 。因此,研究井下中央水泵房 自动化排水系统,对水泵房进行彻底改造 ,对于煤 矿安全高效生产具有重要的现实意义。 1 矿井概况 某煤 矿 建 于 1 9 5 8年,现 核 定 生 产 能 力 为 2 1 M t a ,共有 3号、9号 和 1 5号 3层可采煤层 。 经过 5 0多年开采 ,3号和 9号煤层正规 回采工作 面已经全部开采完毕 ,1 5号煤层开采也接近尾声 , 矿井地层 中存在大面积采空区积水 ,特别是井田范 围内曾存在 1 5 9座小煤窑 ,2 2 4个井筒,其开采情 况、破坏范 围以及小窑积水情况难 以完全调查清 楚 。2 0 1 0年 1
6、 1月经有关专家组鉴定 ,确定该矿现 阶段水文地质条件类型为复杂型。近年来 ,该矿的 矿井正常涌水量和最大涌水量逐年增加 ,给矿井排 水系统带来了严峻的考验 ,如表 1 所示。 表 l 近年矿 井涌 水量 对比 时间正常涌水量 ( 1 0 m d ) 最大涌水量 ( 1 0 I l l d ) 2 0 08拄 2 0 0 9 正 2 0 1 0 正 2 0 1 1正 1 1 1 O 1 5 1 6 1 3 1 2 2 5 2 O 2 0 1 1 年 以前 ,该 矿排水采用人 工操作排水系 统 ,中央水泵房排水垂高约 5 0 0 m,在排水过程 中, 主要存在以下几方面的问题 : ( 1 )人工
7、开停 水泵 ,不能根据水 位或其他 因 素 自动开停水泵 ,中央水仓储水过多时 ,不及时开 启水泵会淹没电机等工具设备,而 当水位即将低于 抽水管口时,若不能及时关闭水泵 ,会使大量空气 和杂物进入排水系统 ,大大缩短了水泵 、电机 、管 路等设备的使用寿命。 ( 2 )不能避开整个矿井 的用 电高峰 ,矿井 的 用电压力加剧 ,电压不足严重影响用电设备生产效 率和使用寿命。 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 1 作者简介车永军 ( 1 9 7 3 - ) , 男,山西晋城人,工程师,现任山西晋城煤业集团晋圣矿业投资有限责任公司机电部部长。 28 学兔兔 w w w .x u e t u
8、 t u .c o m 车永军等 :煤矿井下 中央水泵房 自动化排水 系统研 究与应用 2 0 1 3年 第 5期 ( 3 )设备 和人 员管 理复 杂 ,应急 能力 较差 , 中央水泵房每班需配备 25名工作人员 ,人工操 作不能实时监控设备的运行工况、水仓水位和工作 任务需求 ,往往造成突发事故不能及时解决或者冗 余劳动时间过多。 这些问题的凸显 ,已不能适应现代化矿井建设 的要求 ,实现中央水泵房排水系统的 自动化已成为 矿井发展迫切需要解决的现实问题。 2 自动化排水 系统功能需求 自动化排水系统通过分析检测水泵房的实际情 况 ,按照人类的思维逻辑控制中央水泵房的整个排 水过程。 2
9、1 功能需求分析 从整个排水过程看 ,中央水泵房控制水泵将 中 央水仓水排至地面 ,就必须能够 自动化完成检测、 控制和执行三方面的功能 J 。检测功能就是指系 统能够实时检测 中央水泵房 、中央水仓及相关机电 设备的运行情况,并将相关数据准确地传输至控制 台;控制功能是指系统接收到实 时监测 的数据后 , 通过逻辑分析运算对整个 系统运行发 出相应指令 , 可分为 自动控制、半 自动控制和手动控制 ;执行功 能是指系统在接到控制台发出的指令后 ,按照指令 内容完成相应的操作 ,如水泵开启或停止。具体要 实现以下几方面的功能 : ( 1 )在地面调度指挥 中心能够 对井下 中央水 泵房进行控制
10、 、监测 、调度等 。 ( 2 )在调度中心监测或监视水仓水位 、流量 、 压力、各关键点温 度等参数 ,显 示水泵运行 的 电 流 、电压 、功率等参数及水泵运行状况 。 ( 3 )在集控室可启动或停止水泵的运行 ,开 、 关闸阀。 ( 4 )实现单 台水泵控制和多 台水泵 智能优化 控制 ,根据水位高低 自动停止或投入备用泵 台数 。 ( 5 )设备在发 生故 障后可 自动报警 ,并 显示 故障所在位置。 2 2 功能模块化实现 自动化排水系统能否实现 ,关键在于系统准确 检测水仓的水位及相关设备的运行状况 。根据中央 水泵房 自动化排水的需要 ,自动化系统需能够检测 水仓的水位 、水仓入
11、水 口流量 、水泵及相关 电气设 备的实时温度、排水管路 中的流量与流速、水泵工 作时的实时压力及水泵的开关状态等。相应地 ,检 测水泵房及水仓的实时情况,可用相应的传感器 , 即液 ( 水)位传感器、温度传感器、流量传感器、 流速传感器、压力传感器、开停传感器等。中央水 泵房控制分站是 自动化排水系统 的核心处理平 台, 负责收集各类传感器的信息 ,并能对水泵发出正确 指令 。此外 ,控制分站可以通过冗余工业 以太网将 水泵房各类信息传至地面上位机 ,上位机也可以控 制井下控制分站,以实现远程控制 ,如图 1 所示。 图 1 自动化排水系统信息控制示意 从图 1可看出,整个中央水泵房 自动化
12、排水系 统是一个整体 ,控制分站是整个系统运算 的核心 , 不仅能实时收集各类传感器检测到的信息 ,控制水 泵进行排水 ,也能将各类信息上报至上位机 ,并接 受上位机的控制 。此外 ,操作人员可 以在井下 中央 水泵房操作就地控制箱进行排水 ,也可以通过上位 机控制整个系统排水。 3 自动化排水系统设计 中央水泵房 自动化排水系统 的设计 ,在符合 国 家煤矿安全生产法律法规的前提下 ,需尽可能提高 机械化程度 ,最大化地 降低各类设备 的操作技巧 , 且设备 出现故障后能以最快 的速度检测到故障点并 及时报警。 3 1 系统设计原则 ( 1 )最大化地 提高排水系统的机械 自动化程 度 ,可
13、根据矿井实时状况对多台水泵进行智能优化 控制 ,提高水泵有 效利用率 ,降低成本 ,节能增 效。 ( 2 )设备在发生故 障后可 自动报警 ,并 显示 故障所在位置 ,由此实现减人增效。 ( 3 )保证煤矿安全生产 ,改善工作 环境 ,提 高生产效率。 ( 4 )有效地保护水泵 电机等设备 ,延 长使用 寿命 ,减少事故停机时间 ,提高排水能力。 ( 5 )有效地提高突、透水事故的应急处理能 力 ,防止灾害的发生。 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 1 4期 煤矿 开采 2 0 1 3年第 5期 3 2 系统设计 水仓水位信息是整个 自动化排水系
14、统最重要的 信息 ,根据水仓内蓄水的情况 ,系统 自动控制水泵 进行排水 ( 中央水泵房布置 3组水泵系统 ,一用 一 备一检修) 。在主水仓和副水仓壁 0 1 h ( h为水 仓深度 )略上 、0 5 h 、0 7 h和 0 9 h处分别安装 1 个水位传感器 ,0 1 h水仓壁处另安装 1个淤泥传 感器 ( 0 1 h水位传感器安装位置略高于淤泥传感 器位置 ) 。 排水前 ,系统对 3组 水泵系统 的状况进 行评 价 ,工作状态从优到劣分别编号 3号泵系统、2号 泵系统和 1 号泵系统,若水泵组排水能力不等的情 况下 ,在工作状态差别不大时,优先将排水能力较 大的编号为 3号泵系统 ,排
15、水能力最小的编号为 1 号泵系统。 自动化系统排水时,优先排出副水仓 中储 水, 之后对主水仓进行排水。矿井涌水不断进人水仓 , 水仓水位在水仓深度一半 以下时,系统处于休眠状 态;当水仓水位达到 0 5 h时 ,开启 1号泵系统进 行排水 ;当水仓水位达到 0 7 h时,开启 2号泵系 统进行排水 ;当水仓水位达到 0 9 h时 ,开启 3号 泵系统进行排水 ;若继续排水 ,水仓水位会逐渐降 低 ,水位恢复到 0 7 h时 ,将 3号泵系统 自动关闭; 水仓水位继续降低至 0 5 h时 ,关 闭 2号泵 系统 ; 水仓水位降低至 0 1 h时 ,关闭 1号泵系统 ,此时 所有水泵处于休眠状态
16、 ;若积水再次增加 ,水位达 到 0 5 h时 ,系统 自动开启 1号泵 系统 ,如此循环 自动化排水 ;此外 ,若水仓内淤泥聚集至 0 1 h时, 淤泥传感器将信息传至系统,系统将水排至 0 1 h 后及时报警 ,然后系统 自动将矿井涌水改放至另一 水仓 ( 主水仓或副水仓 ) ,并进行 自动化排水 ,以 上排水过程通常称 为 自动化排水系统的初始设置, 具体如图 2所示。 3 0 ( 开启所有水泵) p 闭3 号泵系统) ( 关闭2 号泵系绚 淤泥警戒线 图2 自动化排水系统水仓水位信息控制示意 从图 2及实际排水情况看 ,在矿井正常涌水情 况下 ,2号泵系统和 3号泵系统应长期处于休眠状
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