煤矿井下排水系统的优化设计

张世楠

（晋城宏圣建筑工程有限公司，山西 晋城 048000）

1 排水控制系统存在的问题

目前，我国煤矿井下排水系统大多利用“高低水位法”对水位进行控制，在煤矿井下现场应用过程中，需要在现场积水位置按照需要进行水位设定，分别划分出低水位、报警水位以及高水位，根据水位线位置的不同进行控制，虽然这种控制方法在一定程度上实现了水位的自动控制，但是其控制过程存在一些缺点，主要体现在如下方面：

1）系统排水过程的控制是以水位为控制对象，控制参考参数比较单一，对于现场出现的涌水情形没有进行参考，导致现场可能出现一定的危险。

2）在系统排水过程中，需要对其中一组排水系统进行控制排水，排水期间需要对水位进行实时监测，根据水位的变化情况对其余的排水装置进行控制，一定程度上依赖于主观判断，导致控制精度不高，操作不灵活。

3）在原有的排水控制系统中，高水位、预警水位以及低水位三组水位线无法进行实际计算，如果所设置的报警水位与高水位之间数值差距不大，很容易造成排水系统工作处于井下用电量大的问题，导致井下供电不足；如果高水位线设置的过低，导致积水区域水位始终无法形成有效高度，排水系统频繁启动，导致现场电能消耗增加，同时导致排水系统的应用年限受到影响。

2 井下排水控制系统的优化方案

根据上述分析的井下排水系统存在的主要不足之处，本文将对其进行优化，设计控制系统。按照现有排水系统进行水位监测系统的布置，通过水位监测数据建立积水数据模型，根据模型计算得出系统涌水量。通过引入涌水量概念，统计井下用电负荷主要的工作时间，控制排水系统在用电非高峰期间进行排水作业，使系统用电控制在用电低谷时间段，达成“避峰就谷”的控制策略[1]。

2.1 涌水量的计算

在井下生产过程中，井下的积水区域出现涌水现象是由不同影响条件共同作用下形成的，对某一时间段内涌水估算是不能直接获取的，而可以根据上一时间段的涌水情况进行本时间段内涌水量的估算。本文假设井下积水区域为圆柱体空间，可以通过利用水位监测系统对固定时间段t 内的涌水量进行计算[2]，假设初始阶段积水区的水位为Hx，而涌水结束之后的积水区水位为Hx+1，假设积水区的面积为S，那么对于该区域内的涌水量可以利用公式Q=（Hx+1-Hx）S/t 进行描述。

2.2 控制策略的优化

在考虑现在应用的“高低水位法”进行现场水位控制的基础上，通过对井下积水区发生涌水情况以及对井下设备出现用电高峰以及用电低谷的时间进行分析，通过控制策略实现积水区的低水位出现在用电高峰之前，保证在井下设备出现用电高峰期间积水区能够最大量地进行积水存储，确保排水系统不进入排水运行状态，从而实现井下供电的稳定。如图1 所示为本文设计的“避峰就谷”控制策略示意图[3]。

图1 “避峰就谷”排水控制方案示意图

2.3 排水装置启动数量控制策略的优化

在井下积水区域内根据水位的位置分别设定了三组水位线，分别是低水位、报警水位以及高水位，在对水位进行控制过程需要保证水位在报警水位之下，而当现场积水达到高水位的时候，就需要启动排水装置进行排水作业，并进行报警。在井下用电没有达到高峰，假设所处的时间与达到用电高峰的间隔为t1，并且井下出现的在单位时间内涌水为q，那么到达用电高峰的时间t1内将会出现总涌水量为Q1=qt1，同时假设此时积水量超出了最低水位达到了V，那么就需要在用电高峰之前实现对全部水量进行排出，也就是需要排出qt1+V 的水量。假设在运行的水泵额定流量为qe，那么如果满足在时间t1内实现全部水量排出需要的水泵数量为n1=（Q1+V）/qet，通过公式可以看出：在计算得到n1≤2 的情况下，需要启动n1个水泵进行排水作业；在计算得出n1＞2 的情况下，需要将水泵全部开启，以保证在时间t 内将所用积水排出，避免造成用电高峰排水工作。在进行排水过程中可以利用公式VΔ=VH-Vx表示积水量的变化情况，其中VH表示的是高水位的积水量，Vx表示的是当前水位积水量，根据所计算的结果对排水量与积水增加量进行对比，如果Q1＜VΔ，表明排水量较涌水量多；而如果计算得到Q1≥VΔ的情况时，说明此事涌水量大于排水量，存在溢仓的风险，需要增加运行水泵水量，这时需要增加的水泵数量可以利用公式n2=（Q1+VΔ）/qet1计算得出。

2.4 水位变化率计算方案的优化

为了实现本文设计的自动控制水位系统能够准确运行，需要对水位的变化进行实时准确检测，根据现有水位检测方法对其进行优化，得出新型水位检测手段。在水位监测期间分别设定两组变化率参数，分别为投水位变化率以及紧急水位变化率，其中投水位变化率用Δh1表示，而紧急水位变化率用Δh2表示，在进行水位自动控制过程中，优化后的控制方案是按照水位的变化率对排水系统启动数量进行控制。在需要进行排水作业期间，如果水位的实际排水变化率Δh≥Δh1，说明当前水位变化较慢，需要增加排水水泵数量，当检测到实际水位的变化率满足Δh1≤Δh≤Δh2时，积水区域全部水泵投入运行都不能保证水位下降，就会发出水位报警信号，提示相关人员开启紧急预案。当检测到系统实际排水变化率符合Δh≥Δh2时，排水系统装置全部开启进行紧急排水。

3 新型排水系统的总体结构设计

通过对现有井下排水系统进行实地分析，并结合改进之后的井下排水控制策略设计了本文新型排水系统控制方案。在系统硬件结构上采用的是利用PLC 作为控制核心，并利用各类传感器对信号进行检测获取实时信号，同时利用局域网实现整体控制的智能化，将最终控制显示部分设置在井下泵房控制中心，同时设有井上控制部分。在整套系统中，处于核心控制地位的是井下泵房，通过对各类信息的收集按照上述设计的水位控制自动控制策略实现对水位的自动调控，同时将信号利用局域网发送到井上系统进行显示。井上系统可以对井下实现控制，将控制信号利用局域网发送到井下控制中心，井下控制中心实现对排水系统的直接控制。本文设计的总体结构中，信号检测主要是水位信号的检测，通过水位传感器信号进入PLC 系统，PLC 对其进行信号分析，并根据实时数据做出排水系统的控制信号输出。地面系统主要是对井下信息的实时显示，包括当前水位、故障情况、历史数据以及实时画面等信息。其显示是通过组态软件编写，利用触摸屏显示并操作。

4 结语

在煤矿生产中，需要对井下积水进行实时检测并排出地面，以保证能够在安全状况下进行井下生产。通过对当前井下排水系统的分析，对存在的主要缺点进行了总结，根据总结的缺点制定了优化后的自动排水系统方案，同时提出了“避峰就谷”以及排水系统控制策略，对于及时准确地实现井下水位控制以及实现用电低峰进行排水作业具有现实作用，可以保证井下生产安全可靠。