煤矿井下供排水系统的优化及改造.pdf

快，然而随着开采深度的增加，井下透水事故的风险随之增加。如果涌水不能及

时排出，不仅会影响正常生产，而且会危及井下工作人员的安全。因此研发井下

可靠稳定的自动化排水系统具有十分重要的意义。

关键词：煤矿井下；供排水系统；优化；改造

引言

目前我国井下排水系统大部分依靠人工操作排水，操作员根据经验和预制的

操作流程人为地开启或关闭水泵，效率低、可靠性差、劳动量大、劳动强度高，

且相应人工成本也很高，最为关键的是调度中心不能实时地掌握井下的排水状态，

存在着极大的安全隐患。

1井下排水系统中应用高压水泵的重要意义

对于煤矿而言，由于井下地质条件比较特殊且复杂，极易发生透水事故。为

了有效规避透水等安全事故的发生，高压水泵应用于煤矿井下的情况越来越多。

关于高压水泵在煤矿井下排水系统中的应用方面的文献报道相对较少，优化和升

级高压水泵，并将其用于煤矿井下排水过程之中，可以有效应对煤矿井下被淹没

等安全事故的产生，确保井下排水正常。当煤矿井下出现透水等安全事故时，处

于高压水密闭的环境中，煤矿井下仍然能够保持正常的排水状态，确保井下安全、

可靠地排水，大大降低了煤矿井下安全事故的发生风险。

2排水系统的优化

2.1排水系统设计

在煤矿的排水系统中，井下水汇聚于矿井分散的水井中，由水井经管道集中

贮存于矿井的水仓中，并由排水泵及其管道将其运送至井外。煤矿井下自动化排

及摄像头等组成的现场设备层；由PLC和上位机等组成的现场监控层和由云服务

器等组成的调度控制层。现场设备层通过PROFIBUS总线与PLC控制器连接，完

成现场监控层对水泵的智能控制，另外，在水泵房、水仓等关键部位安装红外摄

像头，记录监控现场工况，并对异常图像设置报警输出。现场监控层通过光纤将

数据和视频传至调度中心，实现远程值守，其还可将部分数据上传至云服务器，

被授权工作人员可通过手机APP或WEB方式实时监控排水系统的状态。

2.2现场设备层

我国相关标准要求排水系统必须包含工作、备用和检修的水泵，排水管路必

须配备备用管路和配电设备，且管路必须保证所有水泵能同时工作。水泵电机功

率一般较大，数量一般大于3台，其必须满足频繁启停要求。智能化排水系统中

应采用性能稳定的变频器作为其传动设备。在排水系统中，水仓水位作为参与控

制的重要参数，选取合适的传感器并获得准确的测量精度是本系统设计的难点之

一。常用的传感器有浮子式水位传感器、气泡式压力水位传感器、投入式压力传

感器、超声波水位传感器、雷达水位传感器、激光水位传感器等。不同传感器的

选型对系统的控制精度和稳定性的影响不尽相同，不论选取哪种传感器，均应根

据现场的实际情况并结合如下要求进行选择：性能稳定，温漂小，抗干扰能力强；

安装便携，资质齐全，适合井下安装；实时检测性能好，通讯传输稳定，精度高。

2.3现场监控层设计

智能化排水控制系统正常运行的核心。该层通过PLC和上位机组态软件对数

据进行处理和显示，并通过DP等通讯协议上传变频器、液位传感器、温度传感

器、振动传感器、压力变送器等的采样数据。PLC控制系统将数据实时传输至调

度中心，并对处理后的数据进行归档，应绘制趋势曲线图，以方便日后调阅查看。

为满足日常运行、维修、故障处理等功能，该系统具备自动、就地、检修、远程

等四种控制方式。其中远程自动是智能控制的核心，一般设置低水位、中水位、

高水位、极限水位等四种模式，PLC系统根据所监测的液位数据及出水压力来调

节阀门的开度、决定泵的数量、实现变频器启停及频率给定。低水位时水泵停止

运行。中水位时由一台水泵工作，并根据水位的变化增加变频频率。高水位时水

并输出水位超限报警提醒操作员和调度员通过摄像头查看现场是否处于危险状态

或执行应急方案。在这种自动控制方式下，工作水泵和备用水泵进行循环启停控

制，先开先停，水泵轮工，水泵与电动阀的联锁控制自动完成。系统安装有温度

和振动监测传感器，对水泵和电机等关键设备进行监测，并在监控组态系统中设

定阈值和校验等功能。系统在适当的位置安装高清红外摄像机，实现对水泵、水

仓、管路等设备的远程视频监控，并设置输出异常报警等，这对系统的稳定运行

提供了又一保障。

1.4调度层设计

地面控制中心设置在矿区生产指挥中心，生产指挥中心设置操作员站，一台

负责对排水控制系统监控，另一台负责视频监控，同时在该层设置有云服务器接

口，可完成手机APP和WEB远程监控。该层承担着自动化排水系统的控制指令发

送、工作方式选择、故