連紅飛

（潞安礦業(yè)集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031）

0 引言

多年來，煤礦井下主排水系統(tǒng)一直采用人工啟停水泵的作業(yè)程序。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，勞動(dòng)條件差，直接影響礦工的身體健康。此外，還經(jīng)常出現(xiàn)諸如未及時(shí)開泵導(dǎo)致水淹大巷或者由于操作不熟練損壞水泵等問題。解決上述問題的根本出路在于實(shí)現(xiàn)主排水系統(tǒng)的無人值守化。本文以潞安礦業(yè)集團(tuán)王莊礦新井主排水系統(tǒng)為例，對(duì)煤礦無人值守主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型等進(jìn)行了分析、論述，供同行借鑒。

1 選型設(shè)計(jì)

礦井原始設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

井口軌面標(biāo)高（m）： ＋922；

水泵房底板標(biāo)高（m）： ＋479；

正常涌水量（m3／h）： 74；

最大涌水量（m3／h）： 613；

井筒垂深（m）： 443；

地面處理站與井口的高差（m）： 2。

無人值守主排水系統(tǒng)為機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)械、電氣、控制等多個(gè)專業(yè)，需從各方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。圖1為水泵控制系統(tǒng)示意圖。

1.1 主排水泵

工作泵的排水能力應(yīng)滿足：

其中：Q 為水泵正常排水量，m3／h；Qmax為水泵最大排水量，m3／h；Q正為礦井正常涌水量，取為74 m3／h；Q最大為礦井最大涌水量，取為613m3／h。將已知參數(shù)代入式（1）、式（2）計(jì)算得Q＝86.8m3／h，Qmax＝735.6m3／h。

水泵揚(yáng)程H（m）應(yīng)滿足：

其中：Hg為排水高度，取為445m；Hx為吸水高度，取為4.7 m；△H舊管為管路阻力損失，經(jīng)計(jì)算△H舊管＝22.7m。經(jīng)計(jì)算得H＝472.4m。

根據(jù)計(jì)算，選用MD450－60×8型礦用耐磨多級(jí)離心泵3臺(tái)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，1臺(tái)檢修。正常涌水時(shí)1臺(tái)水泵工作，最大涌水時(shí)2臺(tái)水泵同時(shí)工作。水泵技術(shù)參數(shù)如下：揚(yáng)程為480m，流量為450m3／h，電機(jī)功率為900kW，額定電壓為6 000V，額定電流為105.4A。

圖1 水泵控制系統(tǒng)示意圖

1.2 抽真空設(shè)備

由于主排水泵必須抽真空灌滿水后才能啟動(dòng)，因此保證水泵可靠的灌水非常重要。本系統(tǒng)選用氣、水兩用射流閥作為主排水泵的抽真空設(shè)備。并且，給射流閥設(shè)計(jì)了兩趟抽真空用動(dòng)力源，即一趟靜水管路，提供靜壓水動(dòng)力源；一趟壓縮空氣管路，提供空氣動(dòng)力源。兩路動(dòng)力源互為備用，為氣、水兩用射流閥提供主排水泵抽真空用動(dòng)力源，保證水泵能可靠抽真空并安全啟動(dòng)。射流閥的啟閉靠安裝于其前端的電動(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)電氣控制。

1.3 管路控制閥

主排水系統(tǒng)要求兩趟出水管，而在實(shí)際使用過程中利用哪一趟出水管必須由閥門來控制。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，選用電控液動(dòng)閘閥，型號(hào)為ZPZ，壓力為6.4 MPa，額定電壓660V，數(shù)量11個(gè)，每3個(gè)為一組，每組控制一臺(tái)主排水泵及具體由哪一趟出水管出水，另外兩個(gè)閘閥為兩趟出水管的總控制閥門。

1.4 電動(dòng)閥控制開關(guān)

系統(tǒng)涉及到的電控液動(dòng)閘閥較多，共計(jì)11個(gè)。為便于集中控制，節(jié)省占地面積，選用2臺(tái)八組合開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)11個(gè)電控液動(dòng)閘閥的控制。具體名稱為組合式真空電磁啟動(dòng)器，型號(hào)為QJZI－1200／1140－6，額定電壓為1 140／660V，單路額定電流為400A，額定總電流為1 200A。

1.5 水泵啟動(dòng)設(shè)備

考慮到水泵功率為900kV，若直接啟動(dòng)，其電氣沖擊和機(jī)械沖擊較大，故選用軟啟動(dòng)設(shè)備。

為保證設(shè)備的容量富裕，軟啟動(dòng)器應(yīng)比電機(jī)功率大幾個(gè)功率等級(jí)，選擇QJGR－250／6 型隔爆真空交流軟啟動(dòng)器，其額定電壓為6 000V，額定電流為250 A，額定功率為2 170kW。

設(shè)備可設(shè)置啟動(dòng)曲線，啟動(dòng)電流控制在1.5倍～2倍的額定電流，啟動(dòng)結(jié)束后，軟啟動(dòng)器內(nèi)部旁路接觸器吸合，將軟啟動(dòng)裝置旁路。軟啟動(dòng)器設(shè)備有軟停車功能，可有效防止水錘效應(yīng)。

系統(tǒng)采用一拖一方案，即一臺(tái)軟啟動(dòng)器拖動(dòng)一臺(tái)主排水泵。

1.6 控制系統(tǒng)

在井下泵房集控室設(shè)PLC 集中控制站。整個(gè)集中控制系統(tǒng)由PLC 集控部分、就地控制部分、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3大部分組成。

（1）PLC 柜：選用西門子公司S7－300PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水系統(tǒng)的邏輯控制，柜體為隔爆型。此外，通過礦井以太網(wǎng)，將主排泵房?jī)?nèi)的各種信號(hào)傳至礦井調(diào)度指揮中心，實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

集中控制臺(tái)采用本質(zhì)安全型或隔爆型，液晶屏、指示燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器、電源開關(guān)、蜂鳴器等都安裝在集中控制臺(tái)內(nèi)，由集中操作臺(tái)完成整套系統(tǒng)的控制與監(jiān)視。

（2）就地控制箱：主要由按鈕、指示燈等組成，每個(gè)就地控制箱備有急停按鈕與相關(guān)按鈕等，負(fù)責(zé)手動(dòng)開關(guān)閥門、啟停水泵。每臺(tái)水泵配置一臺(tái)防爆就地控制箱，主要在設(shè)備檢修時(shí)使用。

（3）現(xiàn)場(chǎng)傳感器：包括超聲水位計(jì)、流量傳感器、管路靜壓傳感器、電機(jī)溫度傳感器等，所檢測(cè)的參數(shù)主要有水倉(cāng)水位、水泵進(jìn)水管排真空完成狀態(tài)、水泵出水口壓力、水泵軸溫、電機(jī)溫度、排水管流量及設(shè)備工作狀態(tài)等等。

2 無人值守化控制功能的實(shí)現(xiàn)

采用PLC系統(tǒng)自動(dòng)控制水泵的啟停及閘閥的開關(guān)，并具有自診斷功能，實(shí)現(xiàn)了主排水系統(tǒng)的無人值守。其控制原則主要有：①根據(jù)“水位控制”原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作；②結(jié)合水倉(cāng)水位和全礦電力負(fù)荷信息，以“移峰填谷”的原則確定開、停水泵時(shí)間。

PLC采集各種信號(hào)，根據(jù)水位情況、是否用電高峰等因素，自動(dòng)啟停水泵及其閥門。水泵控制過程可概括為6個(gè)環(huán)節(jié)，即自動(dòng)注水環(huán)節(jié)、閘閥操作環(huán)節(jié)、水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)、參數(shù)傳示環(huán)節(jié)、故障保護(hù)環(huán)節(jié)和水泵啟停環(huán)節(jié)。

（1）自動(dòng)注水環(huán)節(jié)：水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內(nèi)部才能造成必要的真空度以實(shí)現(xiàn)正常排水，因此，啟動(dòng)前的注水是水泵工作的重要操作項(xiàng)目之一。排水泵的灌注引水方式采用ZPBG 型氣水兩用噴射泵配套電動(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以排水管路中的壓力水為能源，同時(shí)以壓力空氣為備用能源。

（2）閘閥操作環(huán)節(jié)：本系統(tǒng)各閘閥均為電控液動(dòng)閘閥，泵房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)組合開關(guān)對(duì)各電動(dòng)閥進(jìn)行啟?？刂?。閥門可采用手動(dòng)／自動(dòng)兩種方式控制，在自動(dòng)狀態(tài)下，通過PLC對(duì)閥門進(jìn)行集中控制和監(jiān)視；在手動(dòng)控制方式下，可在就地箱上對(duì)各閥門進(jìn)行操作。

（3）水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)：水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)水位的高低自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵命令。本系統(tǒng)選用兩臺(tái)西門子probe型超聲波液位傳感器，分別吊掛安裝于主、副水倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)。

（4）參數(shù)傳示環(huán)節(jié)：在操作臺(tái)模擬屏上可模擬顯示水倉(cāng)水位、水泵流量、水泵壓力及電動(dòng)機(jī)、電磁閥和電動(dòng)閥的各種工作狀態(tài)。

（5）故障保護(hù)環(huán)節(jié)包括：①流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行中，如流量達(dá)不到正常值，可通過流量保護(hù)裝置使本臺(tái)水泵停車，或轉(zhuǎn)為啟動(dòng)另一臺(tái)水泵；②電動(dòng)機(jī)故障：PLC 監(jiān)視水泵電機(jī)欠壓、過流、短路等故障，由高壓開關(guān)柜的綜合保護(hù)器提供一組公用的故障輸出接點(diǎn)，并參與控制。

（6）主排水泵的啟停：采用水位控制和移峰填谷相結(jié)合的原則自動(dòng)啟停水泵。為了防止設(shè)備長(zhǎng)期不用出現(xiàn)故障而未被發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)根據(jù)水泵的啟停次數(shù)自動(dòng)輪換啟停水泵。

3 結(jié)語

王莊礦新井無人值守主排水系統(tǒng)于2011年11月投運(yùn)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)至今，為同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，為煤礦實(shí)現(xiàn)無人值守化、運(yùn)行自動(dòng)化、礦井?dāng)?shù)字化奠定了基礎(chǔ)，有效地保證了礦井的安全。

［1］ 陶權(quán)，吳尚慶.變頻器應(yīng)用技術(shù)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2008.

［2］ 汪德成.礦山流體機(jī)械［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

［3］ ?；哿?傳感器與自動(dòng)檢測(cè)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.