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矿井排水系统可靠性的研究与应用

2025-02-12 50 上传者：管理员

摘要：安全高效的现代化矿井排水系统对于矿井的安全生产相当重要，沿线排水系统又是平硐式运输重要的一环，如若出现问题将影响安全生产。通过以神东公司某矿井为例，分析了沿线排水系统的设计和布置，分析其日常运行中存在的3种问题：排水泵故障、排石设施故障以及故障无法监测和恢复。针对问题又提出相应的管控措施，通过降低水泵损坏、优化巡检路线、视频监测、实现双回路供电，以及远程停送电技术等措施降低排水系统的故障率，提高可靠性。并对该矿使用的远程停送电系统的系统框架、工作原理、实现在线监测、实施数据分析、告警以及远程漏电等功能进行阐述，总结分析了实际应用效果，对矿井沿线排水系统智能化管理提供了思路。

关键词：
双回路供电
沿线排水
自动化排水
视频监测
远程漏电
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近年来安全高效的现代化矿井排水系统已逐渐趋于完善，大多数已经实现了自动化排水［1］。但随着矿井开采距离逐步增加，排水系统实际的运行过程中，不时地还会出现中转水仓溢仓、巷道积水抽排不及时，造成辅助运输路线上的影响等，这对于标准化程度高的矿井要求不允许出现类似问题。分析其产生原因并解决存在问题，对于提高矿井排水系统的可靠性［2］显得尤为重要。下面就以神东煤炭公司某矿井为例，对矿井低压排水系统的可靠性展开研究。

1、矿井沿线排水布置方式

矿井排水系统是将矿井水收集、输送和排放等设施组合成的一个整体，是保证人身安全和正常生产的重要保障，可分为矿井主排水系统和沿线排水系统。矿井沿线排水系统可以分成主要巷道排水系统和采区巷道排水系统［3］。这里主要介绍采区巷道排水系统，以12403工作面顺槽排水系统为例。

生产水平或矿井实际涌水量

根据测算12403综采工作面最大涌水量为190m3/h，包括综采面生产用水、顶板淋水及喷雾等全部水量。

1.112403面主、辅运顺槽管路设计

辅运顺槽布设1趟DN100沿线排水管路，1趟DN200主排水管路。主运顺槽现有1趟PE159沿线排水管路。12403面辅运顺槽8联水仓计划设置2台37kW离心泵，对接DN200管路，直排三盘区主排水泵房，排水能力160m3/h；其余水仓设置2台37kW水泵，对接DN100管路，排水能力100m3/h，总排水能力260m3/h。

12403面主运顺槽布设1趟PE159排水管路，对接综采水泵，排水能力大于110m3/h。12403面主、辅运顺槽总排水能力在370m3/h左右。

1.212403面回风顺槽管路设计

12403面回风顺槽28联水仓设置2台37kW水泵，排水能力100m3/h，对接DN100排水管路，供电由回风28联配电点移变供电。12403面回风顺槽28联水仓设置110kW离心泵，通过DN200管路直排三盘区主排水泵房，排水能力155m3/h。回风顺槽总排水能力255m3/h。

1.3其他设置设计

12403面回风顺槽35联最低点处可设置排水泵车，泵车离心泵为MD155-30×5，排水能力155m3/h，泵车供电由回风顺槽28联配电点再设置2#馈电供电（回风顺槽35联~36联）最低点设置2台37kW水泵，1台对接DN100管路，1台对接DN200管路，37联最低点处设计排水能力255m3/h。

2、自动化排水存在的问题

矿井的主排水系统在设计［4］、维护和管理上已经达到了自动化排水的相关要求。但矿井的沿线自动化排水系统中还存在诸多问题，如有排水水泵故障、排水供电设施故障以及故障无法监测及时恢复等问题。

2.1排水水泵故障

排水水泵的故障主要有以下几点：

（1）排水水泵线路老化，绝缘下降；（2）排水水泵被淤泥堵塞干抽烧坏，主要是顺槽沿线片帮煤渣、洒落物料较多，以及工作面和顺槽巷道大量冲洗煤尘水进入中转水仓，水仓、水沟、水窝清理不及时就容易将泵堵塞或是粘连自动排水水位线，造成水泵烧坏；（3）排水管路堵塞或损坏。在排水系统日常运行中，管路因砂眼漏水、法兰连接密封漏水，胶管及PE管开裂漏水导致水泵上水不正常等故障。

2.2排水供电设施故障

（1）排水供电设施漏电或过电流保护跳闸，这里有供电用的移动变电站、馈电开关、真空磁力启动器，任意一个设备保护动作都会造成排水水泵停止运行。

（2）供电线路（主要是指低压电缆）的损坏或是受潮造成供电回路漏电跳闸，影响排水水泵运转。

2.3故障无法监测及时恢复

由于此矿仅12煤2个盘区的配电点就有22个，无法做到视频等监控手段全覆盖，且这2个盘区线路较长，巡检人员巡里程达60~70km/班。因此，巡检人员无法做到及时发现故障现象，即便有故障也无法到场及时处理，导致排水系统故障信息无法实时监测和及时恢复正常运行，从而导致巷道积水。

3、提升及管控措施

针对上述存在问题，该矿采取人防、技防、物防等手段，具体措施如下：

3.1降低水泵损坏

沿线水泵的损坏主要是指潜水排沙泵。（1）避免因长时间持续使用而导致故障，建议适当降低水泵的运行时间，合理设置自动水位线，使其得到充分休息，以防止轴承过度磨损和损坏；（2）定期检查水泵进排水管路是否有堵塞现象，及时清理水泵护罩异物堵塞，叶轮是否被绕死，包括杂物、煤渣等，避免水泵无法正常上水干转烧毁内部线圈；（3）因定期检查供电开关后准确恢复供电运行时，要将隔离打到位，试验好正反转，避免因送电原因导致水泵缺相或反转等问题的发生。

3.2优化巡检路线、视频监测、实现双回路供电

一般情况下，矿井的沿线排水供电系统都采用单回路供电［5］，这样可以节约供电电缆和设备的安装和使用。但对于排水量需求较大的巷道这种情况就需要特殊对待。比如综采工作面涌水量大的地方，往往会出现中转水仓溢仓淹巷道的现象。这里所说的中转水仓都是放置2台水泵进行排水，但是会出现2台泵同时停止工作的现象。为避免该问题发生，该矿采取了将2台水泵分别从不同的2个配电点取电、加装视频画面［6］重点监视，以及再安装第3台水泵等措施，如图1所示。同时采取优化巡检工的巡检路线，将涌水量大的地方增加巡检频次，水量少的地面减少巡检频次等方法来确保沿线排水的可靠性，降低辅助运输风险。

3.3远程停送电技术

降低水泵故障，利用各种手段加强巡检还是不能全部将巷道积水杜绝，可能是设备本身存在问题，或是供电系统的干扰停电等原因也可能导致巷道积水，如何将停止的水泵或是供电系统及时恢复运行就显得尤为重要，远程停送电这项技术已经在矿井成熟使用，但在巷道排水供电系统应用得不是很多。将每个给排水水泵的供电设备全部实现远程停［7］送电功能，将大大提升沿线排水系统的可靠性。下面将重点介绍这项技术在沿线排水系统上的应用。

图1中转水仓视频监控画面

4、矿井排水供电远程停送电系统应用

一项矿井配电点远程停送电系统［8］在神东公司某矿完成远程停送电设备的安装和使用。采用数字化变电站技术、智能电网技术，光纤通信技术、新型激励式自适应单项接地故障判别技术。实现煤矿高低压供电系统［9］防控预警、监测、监控、保护、故障分析、故障定位、故障闭锁、能效分析、数据融合及应急联动、快速恢复供电等一系列智能化功能，解决煤矿井下高低压供电系统无人值守、远程漏电试验［10］和故障复位送电问题，进而提高矿井供电的安全性［11］。

4.1系统框架

整个系统分成4个层次：应用层、平台层、传输层、感知层。该矿对井下沿线各个配电点的移动变电站高低压馈头、真空馈电开关、照明综保、磁力启动器、摄像头等设备进行升级改造，统一通信协议。利用附近的环网基站将数据传输到地面服务处理器，进行数据分析处理，监控分站除了可以单独用光纤以太网环网外，还可以直接接入变电所已有的以太网交换机，而不需另外增加接口设备。地面集控室设置1台计算机，将服务器处理好的数据进行显示，以及操作，如图2所示。

4.2原理及实现功能

该系统可以实现实时监控、报表统计、数据融合、数据联动、智能分析、智能判断、智能诊断、DA功能［12］、权限管理、远程运维等功能。

设计原理：在供电系统中，总是希望得到交流电压、电流的正弦波形，但是由于系统内存在很多的谐波源，使得波形往往偏离正弦波形而发生畸变。如果这种非正弦的畸变是周期性的，并满足狄里赫利条件，则可将它们分解为如下形式的傅里叶级数。

图2矿井排水供电远程停送电系统架构图

畸变周期性电压和电流的总均方根值可根据均方根的定义来确定。以电流为例，i（t）的均方根值

某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称为该次谐波的含有率HRn，n次谐波电流的含有率

畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率THD来表示。它等于各次谐波均方根值平方和的平方根值与基波均方根值的百分比，电流总谐波畸变率

电压均方根值U、谐波电压的含有率UHR和电压总谐波畸变率THD′的计算式只需将式（6）中的电流变量改为电压变量即可，如图3所示。

图3故障滤波功能波形显示

通过对电气设备的运行参数、远行状态及环境工况进行远程监测、实时大数据诊断分析及趋势分析［13］，越限报警、随时随地掌控电气设备安全运行情况，提前预知电气故障隐患并给出合理化的维护预案、防患于未然。该系统在井下通信正常情况下，可以进行远程一键式复位、漏电试验以及停送电。当某台设备故障时也可以单独送电，解决了远距离送电不及时的问题。

4.3应用效果

（1）人工成本方面按照《煤矿安全规程》规定，配电点移变、馈电开关、照明综保装置每天需要进行1次漏电跳闸试验。该矿现有24个配电点，每天每班安排2人进行作业（每班完成12个配电点的试验）。使用远程停送电装置，可以节约巡检工2人，可以节约80万元/a左右。

（2）车辆费用方面按照巡检工每班累计运行里程60km左右，累计运行里程就是180km/d，使用远程停送电装置，可以节约车辆运行里程，可以节约费用94万元/a（电动车5.77元/km，油车14.31元/km）。

（3）安全方面巡检工长时间开车容易疲劳上岗，使用远程停送电装置，在地面就可以监测井下配电点设备运行情况并可以远程送电，夜班也就可以不用入井，大大减少井下作业时间，提高安全系数。

（4）效率方面缩短故障处理时间，提高排水系统可靠性。使用停送电装置，值班人员就可以实时地监测配电点设备运行状况，及时恢复送电。

5、结语

现代化矿井通过采取优化巡检路线、视频在线监控、双回路供电，以及远程停送电系统的使用等措施，可以降低沿线排水系统的故障率，提高系统运行的可靠性以及处置的及时性。这对于矿井在排水系统减人增效提供了一种系统性的思路。今后的矿井排水系统的管理只需要日常的检修人员，不必再安排井下巡检人员作业。在地面值班室也可以实时掌握井下排水系统的状况。不仅可以进一步推动排水系统的无人值守［14］，也可以保证排水系统的安全可靠性，为实现智能化矿井排水积累了宝贵的经验。

参考文献:

[1]刘江斌.曹家滩矿井主排水自动化控制系统的研究与应用[D].西安:西安科技大学,2019.

[2]刘迪,喻振杰,曾尚琦,等.基于iFix的矿井排水集控系统设计与应用[J].煤炭工程,2019,51(11):14-17.

[3]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.

[4]寇彦飞,杨洁明,寇子明.基于安全节能的矿井自动化排水控制系统设计[J].煤炭工程,2016,48(1):31-34.

[5]杨正东.斜沟煤矿选煤厂低压停送电系统远程智能改造[J].机械工程与自动化,2023(6):199-201.

[6]崔智明.煤矿井下低压供电系统远程集控漏电试验平台设计研究[J].中国煤炭,2024,50(1):101-107.

[7]姜占东,魏巍,何军,等.煤矿井下低压电力设备远程漏电试验改造实践[J].工矿自动化,2023,49(S2):142-145.

[8]暴强,杜怀龙.大柳塔煤矿防越级智能供电监控系统[J].工矿自动化,2023,49(S1):122-125.

[9]李忠奎,吴文臻,张子良,等.煤矿井下机电设备保护和动作特性试验装置设计研究[J].煤炭工程,2023,55(4):187-192.

[10]张文瑞.煤矿供电智能化关键技术及建设方案研究与应用[J].智能矿山,2022,3(6):80-86.

[11]刘波.煤矿智能化供电系统的防越级跳闸与远程漏试应用[J].工矿自动化,2021,47(S1):85-87.