水峪煤业井下排水监控系统的设计及测试研究.pdf

江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 水峪煤业井下排水监控系统的设计及测试研究 宫 强 （汾西矿业集团水峪煤业有限公司，山西孝义032300） 摘要将井下排水监控系统应用到井下排水系统中，并不断对其进行设计研究，成为提高井下作业安全的关键。 因此，由 山西科达自动化公司工程师和矿方工程技术人员组成的设计团队， 在结合汾西矿业集团水峪煤业排水系统工况特点基础 上，开展了监控系统的设计研究，并进行了现场应用测试。 结果表明所设计的监控系统功能更加全面，使系统中故障排除 时间缩短了将近50，并为企业节约近50万元/年的费用支出，对后期监控系统的推广应用奠定了基础。 关键词煤矿；排水监控系统；设计 中图分类号TD744文献标识码A文章编号1006-2572（2020）02-0178-03 Research on Design and Testing of Underground Drainage Monitoring System Gong Qiang Shuiyu Coal Industry Co., Ltd., Fenxi Mining Industry Group, Xiaoyi, Shanxi 032300 Abstract It is the key to improving the safety of underground operation to apply the underground drainage monitoring to the underground drainage system. On basis of the operating conditions of the drainage system of Shuiyu Coal Industry Co., Ltd., the author makes a study on the design of monitoring system and implements the field application test, whose results show that the designed monitoring system can shorten the troubleshooting time by nearly 50, save the cost of nearly RMB500，000per year with full functions, and lay a foundation for the promotional application of the monitoring system. Key words coal mine; drainage monitoring system; design 由于国家发展的需要，近年来，加大了煤矿的 开采力度， 而煤矿的开采会产生较大程度的积水， 这给井下作业安全造成了威胁［1］。 井下排水系统是 有效解决井下积水问题的关键系统，而监控系统则 是排水系统的核心系统。 不断加大对井下排水系统 中监控系统综合性能的升级设计，成为当下保证排 水系统正常运行及作业安全的关键，将排水监控系 统引入排水系统， 对井下排水系统进行动态监控， 保证稳定高效的运行，具有重要的推广应用价值［2］。 因此， 在分析井下排水监控系统设计的基础上，开 展了监控系统的总体方案设计， 并对该系统中PLC 控制器、主要传感器及显示界面等方面进行设计研 究，最终将所设计的监控系统在汾西矿业集团水峪 煤业进行了应用测试，验证了该监控系统的稳定性 及可行性，这对后期监控系统的推广应用奠定了基 础。 井下排水系统是煤矿生产系统的重要组成部 分，其系统结构主要包括泵房、水仓、排水管路、多 级排水泵、潜水泵、监控系统、控制系统等。 保证各 分系统的高效、稳定运行，对提高井下排水效率及 作业安全至关重要［3］。 据估算，在煤矿开采中，开采 一吨煤，会产生将近5～7t的积水；同时，井下也时 常出现突然的较大量的渗水现象，导致井下的积水 迅速增加，若未及时将井下积水排出，则很可能引 发井下积水及设备损坏事故［4］。 而井下排水系统能 及时排除井下积水，并通过管路将积水从井下排出 至井口以外;而监控系统则是整体排水系统的核心 系统。 目前，排水监控系统虽在井下进行了实际应 178 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 用，但大部分煤矿中的排水监控系统存在智能化程 度较低、数据检测精度较低、系统运行稳定性较差 等问题，无法较全面地对井下排水相关信号参数进 行实时采集及处理分析，极易产生信号显示不及 时、信号误报等故障现象，严重影响着井下排水系 统的正常运行及作业安全［5］。 因此，有必要采用更加 先进的控制、监控技术，加大对排水监控系统的升 级设计，以保证井下的作业安全。 排水监控系统作为井下排水系统的重要组成 部分，将目前先进的计算机控制技术、无线通信技 术、数字化字化控制技术应用到监控系统，实现系 统的优化升级改进，已成为当下重要的研究方向。 因此，由山西科达自动化公司工程师和矿方工程技 术人员组成的设计团队，选用汾西矿业集团水峪煤 业中为研究对象，对该煤矿的排水系统进行了排水 监控系统的设计研究。 设计了包含井下监控系统、 远程监控中心、设备层及操作层等方面内容，而系 统的控制核心则选用了西门子的S7-300PLC控制 器，系统通讯采用了CAN总线方式进行通讯，下端 配备了包括YZ602型压力传感器、LED-99DE流量传 感器及CY-DB42型液位传感器等数据检测设备。 监 控系统的总体结构方案见图1。 在此方案中，通过下 端的4个分站，分别对排水系统的相关数据进检测， 由接收天线传递至数据接口，经过PLC控制器分析 处理后，将相关信号传递至监控计算机，计算机通 过HUB集线器，将各类数据信号进行分类传输至服 务器、网络终端等，实现对井下排水的有效监控及 故障报警。 同时，远程监控中心通过服务器与客户 端进行数据传输，对数据进行分析、处理、存储及监 控，从而实现了数据的远程、快速传输与排水状态 的监控。 图1井下排水监控系统总体结构方案 3.1监控系统PLC控制器设计 PLC控制器是井下排水监控系统的核心部分。 选用了市场成熟的西门子S7-300型PLC控制器。 该 控制器设计了模拟量输入/输出模块、数字量输入/ 输出模块、开关量输入/输出模块、通讯模块、CPU模 块等模块［6］，其外形见图2。 其中，井下水泵电机开 关、水泵管路开关、急停开关等信号则通过PLC控制 器中的开关量输入/输出模块进行信号输入； 而井 下电机转速、工作温度、电流大小、功率等则通过模 拟量输入/输出模块进行信号输入；井下环境中的 氧气浓度、湿度、压力大小等信号则通过数字量输 入/输出进行信号获取及输出。 另外，在PLC中各模 块的工作电源采用的24VDC电源，可通过PLC中的 CPU中的电压及外部的AC/DC转换电源进行供电。 西门子PLC与其他品牌不同的是，在其内部设计了 滤波电路，可有效实现对外部干扰信号的隔离。 所 选用的PLC控制器具有较高的控制性能，能较好的 满足井下排水系统的有效控制，保证井下作业环境 的安全。 图2 S7-300PLC控制器 3.2主要传感器选型设计 井下排水系统主要由电机、水泵、各类阀门、管 道等组成，因此，所设计的监控系统需实现对水位 高度、流量、水泵的运行压力、电机工作状态等方面 信号检测，选用性能稳定，检测精度较高的传感器 尤为重要。 下面就排水监控系统中的流量传感器及 液位传感器进行选型设计分析。 （1）流量传感器 流量传感器主要安装在排水管道上，负责对水 泵中的水位的流量进行检测。 经过筛选对比，选用 了LED-99DE型流量传感器，其外形见图3。 该传感 器具有数据检测精度高，设备性能稳定，抗干扰性 强等特点， 一方面可对水泵的运行状态进行检测， 当水泵出现问题时，可向PLC发出相应提示，并做出 水泵运行状态的实时调整；另一方面则可完成对排 水系统的有效检测， 当排水系统出现故障问题时， 流量传感器也能发出相应的提示，协助完成对排水 179 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 系统故障的排除。 图3 LED-99DE型流量传感器实物 （2）液位传感器 有效控制排水系统中水位高度，是整个排水监 控系统的核心。 由于排水过程中，经常出现管路渗 水或漏水现象，加上所渗漏出的水中带有一定的酸 碱性，大量渗、漏水的长期积累，也将出现各类淤泥 的堆积现象。 因此， 选用了两个同种规格的CY- DB42型液位传感器，其实物见图4。该传感器具有较 强的抗腐蚀性及防水等级， 能较好适应井下环境； 同时，所设计的两个液位传感器安装于水仓的不同 部位。 当两个液位传感器检测的信号参数基本相同 时，则认为检测数据准确；当两个传感器检测数据 差距较大时，则认为水位检测有问题，需进行水位 的再次复查及检测， 以保证了所检测水位的准确 性。 图4液位传感器实物 3.3监控系统显示界面设计 结合现有的组态软件设计功能，对排水监控系 统的显示界面进行了设计。 在该显示界面中设计了 管路流量显示、管路压力、阀门开度、水泵运转情 况、水仓液位值、报警功能、数据报表、数据曲线等 功能，并将各类数据信号通过数字或流动画面等方 式进行显示，整个显示界面见图5。 同时，在该显示 界面中，能对电机的启停、设备的开关等情况进行 控制及显示； 当所检测的数据值超过相应阀值时， 该显示界面则会发生相应的黄色报警，并在整个流 程图中对异常现象发生位置进行实时显示，以快速 方便地对操作人员发出故障信息的提示。 另外，通 过显示界面中的报表输出，可将排水系统中的各类 信号参数进行打印及数据存储，由此，完成对整个 井下排水系统的全面监控。 图5排水监控系统显示界面 为进一步掌握所设计的井下排水监控系统的 稳定性及可行性，将该监控系统用于汾西矿业集团 水峪煤业的井下进行了将近6个月的现场应用测 试。 测试结果表明该监控系统各项功能运行正常， 且能对排水过程中的各类信号参数进行实时检测， 并通过显示界面进行相关数据及排水系统运行状 态的实时显示，当系统出现故障问题时，也能将相 关故障信息通过显示界面进行显示。 与该煤矿现有 的监控系统相比，其监控的远程控制功能更加强 大，显示更加直观。 据现场人员介绍，该监控系统能 使排水系统故障问题排除率提高约50， 并使井下 排水系统作业安全性提高了将近45。 按照一年估 算，可给企业节约将近50万的相关费用支出，得到 了现场人员及企业管理人的一致认可。 由此，验证 了所设计的排水监控系统具有一定的可靠性及可 行性，可对该井下排水监控系统进行推广应用。 将更加先进的控制技术及设备应用到井下排 水监控系统中，已成为目前提升排水系统工作效率 及作业安全的关键。 因此，通过对井下排水监控系 统的重要性进行分析，进而开展了监控系统总体方 案的设计，并对监控系统关键模块进行了设计。 为 验证该系统的监控性能，将其在汾西矿业集团水峪 煤业进行了应用测试。 结果表明与现有的监控系 统相比，所设计的排水监控系统运行正常，监控功 能更加全面，能使排水系统中的故障排除时间缩短 将近50， 并为企业节约将近50万元/年的费用支 出，得到了相关人员的一致好评，建议将此系统进 行推广应用。 参考文献 ［1］ 李新杰.矿井排水自动化控制系统研究与应用［J］.能 源与节能,2019（10）168-169. （下转183页） 180 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 2222222222222222222222222222 测量前后均进行了零位检查， 相邻摆动中值的互 差＜20“，间隔摆动中 值的互差＜30“,符合规程的 要求。 四次测定仪器常数互差均在限差范围以内， 待定边陀螺方位角一次测定中误差MT9.0“，待 定边陀螺方位角平均值中误差MT7.8“。 3.3导线测量精度 使用导线测量平差软件对井下7″基本控制导 线及陀螺定向边数据进行导线严密平差，对观测角度 和边长分别进行改正计算，并投影至高斯平面。 观测 精度为 测角中误差≤7“； 测距仪精度32PPm； 62“，127“-0.068m，-0.124m， 0.141m； ΣD5598.282m，1/794081/8000； 平面测角中误 差6.7“；高程单位权中误差每公里28.4mm； 导线全长相对中误差fs1/52660。 4.1立井采用陀螺定向时的平面联系测量 芦家峪风井顺利贯通后，对其进行了联系测 量。 在采用通过陀螺定向通过立井进行平面联系测 量时，由于陀螺定向只是测定了井下起始边的坐标 方位角，为了传递平面坐标，仍需要在井筒中下放 一根钢丝。 通过井上下的联系测量以及测定的陀螺 方位角计算出井下定向各点的平面坐标［1］。 （1）投点 由于立井井筒较深、井筒中有淋水，投点时采 用单重摆动投点，观测垂线的摆动以确定其稳定位 置（采用标尺法，观测摆动时在标尺上连续读取13 个读数，取其平均值作为投点位置）。 高程导入采用 长钢尺导入法，两次导入标高的互差为3mm。 （2）连接测量 连接测量时，选取“芦家峪A”和“芦家峪C”为 近井点，按地面一级导线的精度要求敷设导线至芦 家峪风井井口投点钢丝位置，连测导线边数不超过 2个，从而求出投点钢丝的坐标.井下连接测量是在 井下连接点对垂线（钢丝）进行连测，使用7“导线联 测到陀螺边位置（永久导线点位置. 经 过 现 场 测 量 ， 井 上 （ 钢 丝 坐 标 ） 为 X3974263.188，Y526324.572； 井下 （钢丝坐标） 为X3974263.057，Y526324.626。 计算得fχ-0.131m； fy0.054m； f0.142m； D6806.840m； 1/K1/479351/8000。 此次圆满完成了芦家峪风井井上下高精度的 联系测量任务，测量精度达到了工程精度的要求。 工程实践证明,联系测量新方法，相对于传统联系 三角形法用陀螺定向时的平面联系测量，具有操作 简单，测量精度高，作业效率高，可以在矿山测量 等竖井联系测量中推广应用。 随着测绘仪器的日益 先进和测量技术的不断发展，竖井联系测量的方 法多种多样，可以根据工程的实际情况，灵活选择 竖井联系测量的方法，以提高竖井联系测量的精度 和效率。 参考文献 ［1］ 郑文华.矿山测量学［M］.北京煤炭工业出版社，2014. 作者简介张会兵（1978-），男，山西晋城人，大学本科，工 学学士，工程师，从事煤矿地测防治水管理工作。 收稿日期2019-12-25编 辑郑学涛 ［2］ 侯琳.煤矿井下排水设备运行安全虚拟监控系统的 研究［J］.自动化应用,2019（9）90-91. ［3］ 陈峰.斜沟煤矿井下排水系统自动化控制技术研究 ［J］.机械管理开发,2019,34（7）245-247. ［4］ 刘鹏涛.工作面排水系统的改造及节能效果分析［J］. 机械管理开发,2019,34（7）266-267. ［5］ 张鹏.煤矿井下排水系统效率分析及节能途径研究 ［J］.山东煤炭科技,2019（7）198-200. ［6］ 武刚.矿井水泵排水系统优化改造［J］.内蒙古煤炭 经济,2019（12）153-154. 作者简介宫强（1988-），男，山西孝义人，2006年7月毕 业于大同大学工学院机电设备维修与管理专业， 助理工程 师，现任职于水峪煤业排水队。 收稿日期2020-02-18编 辑郑学涛 （上接180页） 183