常峪铁矿井下排水自动控制系统分析

　　摘要:井下排水系统是保证井下采矿正常作业的关键环节，只有将井下涌水安全顺利地排出，才能为采矿生产创造条件。为了提高井下排水作业效率，降低排水成本，结合常峪铁矿井下开采实际情况，开发了安全性好、可靠性高、自动化水平高，具有良好系统集成能力的自动化排水系统，实现井下排水作业节能降耗和减人增效。确保整个排水系统设备运行可靠，故障率低和维修方便。

　　关键词:铁矿,水下排水系统,自动控制,分析

　　常峪铁矿矿区正处于第四系含水层，地下水含量丰富，在进行井下开采过程中，不可避免会产生大量涌水，如何高效、可靠、安全地将井下涌水有效排出到地表是重点研究课题。传统井下排水均采用有人值守工作模式，完全依靠水泵工现场启停水泵，根据水仓水量手动调整排水泵运行方式，人为干预水泵运行因素较多。

　　这种排水系统由于自动化程度低，应急能力差，工作效率低下，井下工作劳动强度大，进而造成井下事故频发。同时，排水设备一般功率较大，耗电量多，传统排水只能靠人工手动控制泵的启停，无法利用排水设备与仓容，科学、合理地调度排水量与排水时间。井下排水的用电量是采矿生产用电的重要组成部分，因此降低排水用电成本具有现实意义。

　　1常峪铁矿排水系统

　　1.1排水系统简介

　　常峪铁矿井下采矿分期开采，一期开采-400m水平以上矿体，二期开采-400m水平以下矿体，井下排水系统概况如下:(1)排水系统一期开采采用集中排水方式。在-425m水平副井车场附近设置水仓和水泵房，坑内涌水、充填渗水、采矿废水等通过巷道和泄水井自流到进水巷道，然后进入水仓。汇入水仓中的水用水泵一段排至地表。(2)排水系统二期开采采用倒段接力排水方式，在-535m水平副井车场附近重新设置水仓和水泵房，与上部-425m水平排水系统形成倒段接力排水。汇入水仓中的水用水泵二段排至地表。

　　1.2涌水量及排水设备选择

　　井下一期开采正常总排水量为14670m3/d(611m3/h)。按照水仓容纳6～8h正常涌水量计算，需要水仓总容积为4008～5344m3。结合矿山水文地质条件，确定水仓总容积为4800m3。设计布置2组相互独立的水仓，水仓断面11.76m2，总长度455m。

　　经计算，-425m中段泵房内设4台MD450-83A×7型耐磨多级离心泵，正常及最大涌水时2台工作，1台备用，1台检修。排水管选用Φ273mm×9mm无缝钢管3条，正常及最大水量2条工作，1条备用，沿副井敷设出地表。后期在-535m中段增设1排水泵房，泵房内设3台MD330-90B×2型耐磨多级离心泵，正常及最大涌水时均1台工作，1台备用，1台检修。排水管选用Φ273mm×7mm无缝钢管2条，正常的及最大水量1条工作，1条备用，沿着副井敷设至-425m中段水仓。

　　所选水泵性能均满足矿山井下排水要求。前期副井井底水窝内设175QJ32-168/14型潜水泵2台，1台工作，1台备用;将水排至-425m中段水仓内。前期主井井底粉矿回收系统的水经过沉淀池沉淀，清水由粉矿回收泵站经电梯井排至-425m中段水仓内。泵房内设2台D85-45×4型多级离心泵，1台工作，1台备用。

　　2排水自动控制系统

　　2.1系统实施目标

　　立足于技术先进、质量可靠的要求，将PLC控制系统和可视化监控系统相结合，实现以集中控制为主，现场监控为辅的控制模式，保证主排水系统的连续性和可靠性。通过采集现场各种传感器信号，实现主排水系统及相关设施的集中控制功能。在井下主排水泵房变电所设置控制主站，实现井下排水设备的联锁控制，使水泵能够在高水位自动起泵，低水位自动停泵，超高水位渐次自动投泵并报警，还能够实现排水泵的自动轮换启停。结合阶梯电价优化原则，自动调整不同时段排水量，从而降低排水耗电成本。

　　2.2系统的主要功能

　　(1)自动控制功能:水泵能按照正确操作顺序自动开启和停止。自动控制系统综合考虑水仓液位、用电峰谷时间段和设备使用率等因素，完全自动启用排水泵，确保水仓液位处于安全范围。

　　(2)自动轮换功能:为防止出现备用设备长期闲置而造成设备性能下降或不能紧急启动现象，自动控制系统设置工作设备与备用设备科学轮换程序，实现设备自动轮换功能。控制程序将水泵启停次数、运行时间和管路流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，便于设备的维护管理。

　　(3)“避峰填谷”功能:结合阶梯电价优化原则，降低排水用电费用，充分利用水仓仓容，合理调整用电峰谷不同时段水仓低水位限值，在确保水仓水位安全的前提下，系统能按避峰填谷的原则控制水泵的启停，尽量在尖峰段少排水，在谷平段多排水，合理调整排水量。

　　(4)监测功能:地表控制中心对排水系统运行参数进行实时监测，主要监测参数包括:水仓液位，电机工作电压电流，电机定子温度和轴承温度，水泵轴承温度，水泵吸水管真空度，水泵出口压力，排水管流量，电动阀门工作状态等参数。

　　(5)故障检测和保护功能:水泵电机过流、低电压、漏电保护，电机定子和轴承超温报警保护，电动阀门执行器过载、短路、漏电、断相保护、漏水保护、流量保护、压力保护、逻辑错误故障等保护。

　　(6)报表统计功能:每天系统自动生成1份报表，统计排水系统所有关键运行参数，便于生产统计分析和设备维护管理。主要参数包括每天累计排水量、水泵相关电气参数和水泵累计运行时间等。

　　2.3系统工作模式

　　该系统设置了远程、就地、自动和检修四种工作模式。(1)远程模式:操作员在地表控制中心通过操作员站操作水泵和阀门，控制水泵启停和阀门开关调节，实现远程遥控操作。(2)就地模式:水泵操作工就地操作水泵和阀门等设备，设备运行状态可以上传到监控系统，也可以完全脱离自动控制系统手动运行。(3)自动模式:自动控制系统按照设定的程序，系统实时采集水仓液位信号，根据液位、用电峰谷时间和其他联动系统参数等自动开启、停止水泵，并能控制阀门的联锁启动，完全实现水泵自动排水。(4)检修模式:在检修模式下，闭锁所有水泵操作控制，确保检修作业安全。

　　2.4系统工作环境

　　工作温度:0～40℃。工作湿度:5%～95%，不结露。大气压力:60～110kPa。工作条件:抗振、防潮、防尘，抗震性能设防烈度为7度。环境条件:满足国家规定的尘埃、照明、噪声、电磁场干扰和接地条件。

　　2.5主要控制设备

　　井下排水自动控制系统由1套PLC控制系统组成，负责对井下排水设备的监测控制，配合合理的软件程序实现井下完全自动控制排水。

　　2.5.1主控制器

　　井下排水自动控制系统监控后台设置在地表的中心控制室，控制主站的主控制器采用西门子S7-300系列PLC，设置在-425m中央配电室。负责采集井下所有排水相关设备的运行状态和各种传感器信号参数，按照设定的逻辑程序实现排水作业的自动控制。在-535m水仓、副井井底和主井井底排水泵站分别设置控制分站，负责各自排水设备的自动控制，信号上传至-425m控制主站。在排泥设备处设置分站，负责排泥设备的自动控制，信号再上传至-425m控制主站。

　　2.5.2检测设备

　　主要检测设备:超声波液位传感器，压力传感器，超声波流量传感器，温度传感器和负压传感器。

　　2.5.3通信设备

　　排水自动控制系统主控制器与地表中心控制室、控制主站与控制分站之间采用光纤通信，控制主站、分站与现场传感器和控制设备为现场总线通信。

　　2.5.4监控设备

　　排水系统视频监控后台设置在地表的中心控制室，在各个水泵站安装高清网络摄像机，支持通过浏览器进行远程图像访问，支持动态IP地址，方便实现图像的网络传输。监控设备的应用，重点监视水仓液位和主排水泵的运行状态。

　　2.5.5供电设备

　　(1)-425m主排水泵采用高压供电，电压等级为10kV，单台水泵电机功率为1000kW。原设计考虑水泵启动方式为高压软启动，因地表选矿设施取消，供电容量能够满足要求。因此，考虑取消高压软启动设计，水泵选用直接启动方式。

　　(2)-535m主排水泵采用低压供电，电压等级为380V，单台水泵电机功率为185kW。水泵启动方式选用低压软启动器启动。

　　(3)主井井底水泵采用低压供电，电压等级为380V，单台水泵电机功率为75kW。水泵启动方式选用低压软启动器启动。

　　(4)副井井底水泵采用低压供电，电压等级为380V，单台水泵电机功率为13kW。水泵启动方式选用低压直接启动。

　　3效益测算

　　3.1降低电耗效益

　　按照供电部门实行分时电价原则，充分利用尖、峰、平、谷四个电价区间，尽可能避峰填谷，以降低排水用电费用。尖峰时段为每年6、7、8三个月份，每天10:00～12:00和17:00～18:00，这个时间段内工业电价为0.8282元/(kW·h);高峰时段为每天10:00～12:00和13:00～19:00，工业电价为0.7296元/(kW·h);平段时段为每天6:00～10:00和12:00～13:00和19:00～22:00，工业电价为0.5326元/(kW·h);低谷时段为每天22:00～次日6:00，工业电价为0.3356元/(kW·h)。

　　常峪铁矿按照一期每天正常排水14670m3计算用电费用，-425m水泵站2台主排水泵同时工作，每天需要排水16.5h。每天排水用电费用计算做如下比较。

　　(1)不考虑避峰填谷用电方案

　　按照每天3班排水，每班排水5.5h计算:[0.3356元/(kW·h)×2000kW×4.5h+0.5326元/(kW·h)×2000kW×1h]+[0.5326元/(kW·h)×2000kW×1.5h+0.7926元/(kW·h)×2000kW×4h]+[0.7926元/(kW·h)×2000kW×1.5h+0.5326元/(kW·h)×2000kW×3h+0.3356元/(kW·h)×2000kW×1h]=17575.8元6、7、8月份每天用电费用为:[0.3356元/(kW·h)×2000kW×4.5h+0.5326元/(kW·h)×2000kW×1h]+[0.5326元/(kW·h)×2000kW×1.5h+0.7926元/(kW·h)×2000kW×2h+0.8282元/(kW·h)×2000kW×2h]+[0.7926元/(kW·h)×2000kW×1h+0.8282元/(kW·h)×2000kW×0.5h+0.5326元/(kW·h)×2000kW×3h+0.3356元/(kW·h)×2000kW×1h]=18068.8元

　　(2)考虑避峰填谷用电方案

　　每天排水用电费用为:0.3356元/(kW·h)×2000kW×8h+0.5326元/(kW·h)×2000kW×8h+0.7926元/(kW·h)×2000kW×0.5h=14620.8元

　　(3)两个方案每年排水用电费用比较

　　(17575.8元-14620.8元)×273天+(18068.8元-14620.8元)×92天=1123931元≈112.39万元由以上计算可以得出，常峪铁矿井下一期正常排水采用自动控制系统避峰填谷用电方案，每年可以节省排水用电费用112.39万元。

　　3.2精简人员效益

　　初步设计一期井下排水水泵工设置每班2人，4个班运转，共计水泵工8人。实现井下排水自动控制后，地表控制中心通风、排水和供电3个系统共同监控，井下8名水泵工可以全部取消，实现了减员增效。人工成本测算，每人每月按照收入7000元计算，每年可以节约人工成本支出:8×7000×12=672000元=67.2万元。在实现降低人工成本的同时，减少了下井人员数量，缓解了井下安全管理压力，提高了安全效益。

　　3.3综合效益

　　综合考虑降低排水用电费用和精简人员产生的效益，每年可以节省费用:112.39+67.2=179.59万元。

　　4结语

　　常峪铁矿井下排水引入自动控制系统，运用PLC集中控制技术，合理的控制结构，实现信息共享，解决就地控制存在的事故隐患，减少各设备之间相互脱节、无法充分发挥设备效率的缺点，实现现场无人操作，提高排水设备工作效率，达到减人增效的目的。通过对主排水系统各种保护和信号的逻辑控制，辅助现场可视化实时监控画面，实现主排水泵完全自动控制排水，无需人工干预。综合考虑排水泵运行和检修的要求，保证整个排水系统设备运行可靠、故障率低和维修方便。

　　参考文献

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　　推荐期刊：贵州工程应用技术学院学报：1989年获贵州高校首届优秀学报三等奖、1995年获贵州高校自然科学学报一等奖、2006年获全国质量进步社科学报。