摘要：随着科学技术水平的提升，矿井排水问题，也成为当下相关领域重点研究的课题之一，如何完成快速高效的排水，降低劳动力成本，以及减少因排水不及时引发的煤矿生产故障，已经成为煤矿井下作业的重要组成部分，也是煤矿向着智能化系统升级的重要组成部分。本文以寺河矿矿井主排水泵自动化系统改造，作为案例研究对象，通过对该矿井排水系统的硬件与软件部分设计，达到了应用的实际工作效果，完成了寺河矿矿井主排水泵自动化系统改造的要求。期待通过本次研究为同领域内的矿井主排水泵自动化系统改造，提供一些可供参考的资料。
关键词：矿井；主排水泵；自动化系统；改造；应用
主排水泵作为智能化矿井的重要组成部分，以其多种控制方式，已经实现了远程控制、就地自动、无人值守，以及就地检修的4种工作方式，操作人员可以根据实际情况自行选择水泵的运行、检修或备用等运行模式，从而更加智能化的形成煤矿井下的自动化系统操作，使煤矿排水系统稳定、安全，且高效的运行，进一步促进矿井整体生产水平的提升[1-3]。因此，矿井主排水泵自动化系统已经成为当下矿井的主流。部分煤矿已经纷纷开始对矿井主排水泵自动化系统改造，从而形成更加高效的运行模式，提升煤矿的整体工作效率。为了进一步了解矿井主排水泵自动化系统改造与应用情况，本次研究以寺河矿作为研究对象，深入分析矿井主排水泵自动化系统改造与应用过程中可能存在的技术问题，并相应提出一些可供参考的资料。
1寺河矿矿井概况
寺河矿位于山西省晋城市沁水县嘉峰镇殷庄村，始建于1996年12月30日，正式投产运营于2002年11月8日。据统计，该矿矿井全年生产能力为1080万吨，它也成为晋城煤业集团首个千万吨级矿井。为了更好的履行现代化生产目标，也相继对矿井主排水泵自动化系统实施改造，并取得了一定成。
2寺河矿矿井主排水泵自动化系统改造
2.1拟解决的应用问题
寺河矿矿井传统的人工控制操作的排水系统主要存在三大类问题，为了更加明确改造系统对实际应用操作，需要改善的问题，本次研究有针对性的将传统操作的应用问题梳理，并总结归纳如下：
工作效率低。这主要与操作的可靠程度密切相关，传统的矿井排水系统中，对于操作排水方法的选择，受人为因素影响较大。当需要进行排水时，操作工人会按照排水顺序，进行各项操作的执行，如在开水之前的工作首先需要观察水位，以及涌水量，并记录相应的数据，这些完全依靠人工操作及经验所形成的水泵是否开关等操作，以及水泵开几台的数量，是否停水泵等操作，均需要人工来进行控制。而这种方法效率低，且可靠性差，工人往往在操作时计费时间也费力气，劳动强度也相应增加，而与此同时，传统的人工操作排水方法对操作工人的要求也相对非常严格，需要工人本身在岗能够达到吃苦耐劳，认真负责的态度，而一旦出现人为的疏忽，那么将造成不能及时排水，甚至威胁整个煤矿的正常运营，造成的损失极大。
工人劳动强度大。传统排水系统操作过程中，需要工人时刻观察水位，一直在水泵处工作。当水泵启动后，压力一旦达到压力大小时，则需要把闸阀打开，才能够进行正常排水。而当阀门转动时，力矩较大，此时，需要两个工人才能够转动阀门手柄。
检修维护困难。排水系统出现问题时，需要工人凭借经验与实际排水情况，逐一对排水设备进行故障检查与维修，故障发生点的准确部位发现极难。
综上所述，通过寺河矿矿井主排水泵自动化系统改造，能够较好的解决以上问题，提高排水系统的工作效率。
2.2改造选型设计
本次设计得到电机必须的容量为929.6KW，配置1050KW的发电机，设计水仓容量中净面积19.4平方米，水仓长度为227m,排水时间在20h内完成。另外，针对排水能力、水泵台数、稳定性的具体测算如下：
2.3排水能力计算
矿井涌水的正常排水能力计算，即水泵的排水能力正常值见下式1所示：
（m3/h） 式1
水泵排水处于最大涌水量时，即水泵的排水能力见下式2所示：
（m3/h） 式2
另外，水泵的必要扬程计算如式3所示：
式3
式中：541m=由井深536m+排水管出口高出井口的高度1m+吸水面与井底车声最底标高之差4m=Hc=HB。另外0.9~0.89表示的是管路的效率系数。
2.4水泵台数确定
依据水泵的型号选择确定额定扬程，本次矿井的型号查表得到D450-60*9，为离心泵，额度流量为
（m3/h），单级额定扬程 
，并进一步得到水泵的特性曲线如图1所示。
图1 水泵的特性曲线及应用工况
由上述应用工况的比较计算来看，矿井处于正常涌水期的水泵数量为2台，具体见下式4所示：
式4
当水泵处于最大涌水期时，得到式5的计算结果为：
式5
除去上述必要的水泵准备外，还需要在改造过程中考虑检修水泵的设置，可准备一台。由此确定水泵的总台数为4台，其中工作水泵1台，备用水泵1台，检修水泵1台。
水泵稳定性测算
水泵的稳定性校验，则是依据上图1查得Q=0时的扬程如下式6：
式6
继上式得到式7如下：
式7
由上式7进一步计算得到稳定性大于Hc=541m，因此本次研究所校验稳定性满足改造应用要求。
2.3管路及管路布置
依据寺河矿矿井实际情况，对于排水工作的选择，设置为三条管路，当水量处于正常时，则排水工作的是两台水泵，会同时进行工作，水泵均是单独用一趟管路，不会干扰，三趟管路则留下来备用，若该矿井处于最大涌水量时，则三台水泵会自动启动，同时进行排水工作，三趟管路也会同时启动自动使用。具体见图2所示。
2.3软件设计
自动控制系统采用先进的PLC技术，由PLC控制箱实现对寺河矿矿井主排水泵的全自动化控制，并完成监控、采集、数据、出现故障的自动报警功能，PLC控制箱完成控制、监控、执行三部分的操作，利用液位传感器、图形监控，以及电动阀门等，进一步完成全自动化的操作控制排水系统。具体操作流程见图3所示。
图2 管路及管路布置
图3 自动控制系统流程图
图4 水泵自动控制系统图
由图4能够看到，全自动的水泵控制系统，并且时时在线观察，画面能够清楚的展示排水情况，并根据传感器发送信号检测，反馈至主控制屏幕，全触摸屏的界面，可以通过数据反馈情况，对相应操作参数进行输出，最终达成便捷的排水操作系统。另外，还能实现抽真空报警，以及水泵和管路的自动轮换等操作。
3寺河矿矿井主排水泵自动化系统改造后的应用测试
具体应用情况见图1所示。
图5主监测界面
由图5能够看到，高水位，水泵的运行情况，以及相应的监测数据展示，均可以过监测界面了解具体情况。
图6 单台水泵监控界面
可以自动切换单台水泵的监控画面，具体设置相应的参数，闸阀开关均可以自动控制。
图7 报警界面
图7中是寺河矿矿井应用自动排水系统时，所列出的两个报警项目，当某一个参数异常时，系统会自动把异常项目如上显示出来，并发出警报。
4结论
本次研究通过对寺河矿矿井主排水泵自动化系统改造，进一步升级改造了寺河矿矿井内排水系统，从而解决了排水工作效率低、劳动强度大、检修维护困难等问题，通过本次研究保证了矿井下的高效排水，进一步提升了寺河矿矿井的整体工作运营能力。
参考文献
[1]潘越, 庞懿元, 刘永生, et al. 矿井主排水泵压入式补水的效率分析[J]. 煤炭技术, 2017, 36(7):213-215.
[2]张发炜. 主排水系统自动化控制技术改造[J]. 内蒙古煤炭经济, 2018(14):30-30.
[3]徐振超. 井下排水泵自动化控制系统设计分析[J]. 能源与节能, 2018, 158(11):119-120+144.
论文作者:刘军锋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/27
标签：矿井论文; 水泵论文; 操作论文; 自动化系统论文; 管路论文; 排水泵论文; 所示论文; 《基层建设》2019年第24期论文;