铁矿深部开采矿井排水自动控制

张晓淼 ，杨成财 ，吴东 ，修德江

（1.鞍钢集团矿业设计研究院有限公司，辽宁 鞍山 114004；2.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司灯塔分公司，辽宁 辽阳 111312；3.鞍钢集团矿业有限公司眼前山分公司，辽宁 鞍山 114044）

向地球深部进军是近期和未来我国科技创新的重要方向。目前，地球浅部矿产资源已逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，深部资源开采已成为常态，现有的大部分露天矿山也将陆续转入地下开采。地下深部开采需要修建大量矿井，并在井下修建大量巷道。由于降水与地下水的渗透，矿井及巷道会聚集大量矿水，不仅影响生产，还威胁着井下工作人员的健康和安全。矿井排水系统主要是将矿山井下涌出的矿井水及时、可靠、安全地排至地面，是矿井必不可少的主要生产系统之一，其可靠性至关重要，是井下人员安全工作和机械、电气设备良好运转的重要保障。

为了保证铁矿地下深部开采的安全，实现排水泵高效率、安全可靠的自动化运行，设计了一种智能高效的矿井排水自动控制系统，该系统采用避峰填谷的用电控制方式，能够自动判断和优化控制水泵的运行状态，本文对此做一介绍。

1 矿井排水自动控制系统设计方案

矿井井下的涌水量与很多因素有关，如天气、地质、工艺因素等。排水系统要根据矿山开采的具体情况进行设计，影响矿井排水系统设计参数包括矿井的正常涌水量和最大涌水量、矿井水密度、矿井深度等，这些都是原始数据。矿井排水自动控制系统由矿井排水系统和矿井排水控制系统组成。

（1）矿井排水系统是由水仓、排水泵、电机、排水管、阀门等组成的蓄水、排水管道网络。

（2）矿井排水控制系统主要由地面监控中心、井下PLC控制中心和以太网数据通信网络三部分组成。采用的设备包括：① 地面监控中心采用工业控制计算机MK610、PLC编程软件博途V15.1、计算机画面组态软件KingView7.0等设备；② PLC采用S7-1200系列，包括CPU1215C、SM1221数字量输入模块、SM1222数字量输出模块、SM1231模拟量输入模块等设备；③ 数据采集采用电流传感器WB1414S01、振动温度传感器TE/VE-101f、电磁流量传感器7ME5610-6FB15-1AA1、超声波液位计 7ML51-10-1GD07-4AF3、压力变送器7MF4033-1DY00-2AB6。

矿井排水自动控制系统硬件组成架构见图1。系统主要采用PLC控制技术，并结合工业以太网通信技术，对井下4组排水泵进行无人值守自动控制。在利用触摸屏对其运行状态进行实时监视、控制及报警的同时，通过工业以太网将相关数据实时传送到地面监控中心，实现对该控制系统的实时监控及调度。系统通过液位传感器采集水仓水位，并综合其他相关参数，实时调度4组水泵进行轮流工作，并根据现场实际情况决定水泵的启动组数。水泵的运行状态及传感器的检测数值通过通信网络传输回地面的上位机监控系统。

图1 矿井排水自动控制系统架构图Fig.1 Architecture Diagram for Automatic Control System of Mine Drainage

2 系统控制方式和功能

矿井排水自动控制系统通过PLC自动化控制排水系统，可实时监控各组水泵的各种工况参数，包括水仓液位、水泵轴承温度、泵座振动、泵口压力、排水管道流量、电机电流、电机绕组温度等，并按照设定的程序实现水泵的自动启停和故障报警。

本控制系统可以实现3种控制方式：自动控制、远程控制和本地手动。

（1）自动控制。采用该方式时无需人工操作，通过将各传感器采集到的状态信息传输给PLC控制中心，由PLC控制器按照设定的程序，产生控制指令，实现自动控制排水系统的启停、水泵机组的调度、工作状态的实时监控、故障报警等功能。

（2）远程控制。通过上位机的动态画面监控排水系统的运行，实现实时监视、报警，数据采集、处理、显示和打印，以及历史数据记录等功能，从而实现对排水系统水泵机组的远程调控。

（3）本地手动。操作人员可以在本地操作台直接控制排水系统的运行，并通过操作台触摸屏上的人工界面实时检测排水系统的运行状态。

3 系统控制过程

矿井排水自动系统由4组排水泵组成，在地面监控中心上位机上设有组态画面，组态画面上可实时显示4组水泵和电机的运行状态、各个阀门的开关状态以及各个传感器的检测数据。在所有传感器检测的数据中，水仓液位数据最为重要，在水仓的不同位置分别设置两个液位传感器，在状态画面中以图形和数字实时准确显示液位的变化趋势和速度，并对液位所在的液位段改变颜色和闪烁突出。对于各种设备故障和超限报警，系统会自动记录所产生的设备故障或超限种类、等级、产生的时间等历史数据，并形成报表。报警部位以红色闪烁警示相关人员进行处理，以免发生事故，造成损失。系统的组态画面通过模拟仿真功能，可实时直观反映整个系统的生产过程，并以实时数据反映现场设备的实际运行工况。

控制系统采用避峰填谷的用电控制方案，当系统为自动控制模式时，主要依据水仓的液位信息及其他相关参数确定4组排水泵启停控制方案。根据矿井生产工艺要求，设定5级水仓液位限值，分别为下限值H、一级启动值H、二级启动值H、三级启动值 H、超限启动值 H，且 H＜H＜H＜H＜H。 PLC 读取水仓液位值，计算液位上升到下一级启动值的时间，并与达到用电低谷时段的时间比较，以确定水泵启动的数量。设t为液位上升到H的时间，t为达到低谷时段的时间。矿井排水自动控制系统流程见图2。由图2看出，此系统可有效地将排水时间安排在用电低谷时间段，降低用电量，节约生产成本；同时尽可能减少水泵的启停次数,降低作业人员劳动强度。

图2 矿井排水自动控制系统流程Fig.2 Flow Chart for Automatic Control System of Mine Drainage

4 结语

随着浅层资源的不断枯竭，矿井开采的深度也在不断增加，投入建设和生产的超千米深矿井也越来越多，部分深矿井涌水量较大，排水费用巨大。应用铁矿深部开采矿井排水自动控制系统，并采用避峰填谷的用电控制方案，按用电的峰谷时段对排水系统的工作进行优化，通过科学计算，有效的将排水时间安排在用电的低谷时间段，可使排水系统实现精准作业，降低用电量，减少排水泵的启停次数，降低作业人员劳动强度，节约生产成本，经济效益和社会效益显著。