摘要:井下排水系統是保證井下采礦正常作業的關鍵環節，只有將井下涌水安全順利地排出，才能為采礦生產創造條件。為了提高井下排水作業效率，降低排水成本，結合常峪鐵礦井下開采實際情況，開發了安全性好、可靠性高、自動化水平高，具有良好系統集成能力的自動化排水系統，實現井下排水作業節能降耗和減人增效。確保整個排水系統設備運行可靠，故障率低和維修方便。

　　關鍵詞:鐵礦,水下排水系統,自動控制,分析

　　常峪鐵礦礦區正處于第四系含水層，地下水含量豐富，在進行井下開采過程中，不可避免會產生大量涌水，如何高效、可靠、安全地將井下涌水有效排出到地表是重點研究課題。傳統井下排水均采用有人值守工作模式，完全依靠水泵工現場啟停水泵，根據水倉水量手動調整排水泵運行方式，人為干預水泵運行因素較多。

　　這種排水系統由于自動化程度低，應急能力差，工作效率低下，井下工作勞動強度大，進而造成井下事故頻發。同時，排水設備一般功率較大，耗電量多，傳統排水只能靠人工手動控制泵的啟停，無法利用排水設備與倉容，科學、合理地調度排水量與排水時間。井下排水的用電量是采礦生產用電的重要組成部分，因此降低排水用電成本具有現實意義。

　　1常峪鐵礦排水系統

　　1.1排水系統簡介

　　常峪鐵礦井下采礦分期開采，一期開采-400m水平以上礦體，二期開采-400m水平以下礦體，井下排水系統概況如下:(1)排水系統一期開采采用集中排水方式。在-425m水平副井車場附近設置水倉和水泵房，坑內涌水、充填滲水、采礦廢水等通過巷道和泄水井自流到進水巷道，然后進入水倉。匯入水倉中的水用水泵一段排至地表。(2)排水系統二期開采采用倒段接力排水方式，在-535m水平副井車場附近重新設置水倉和水泵房，與上部-425m水平排水系統形成倒段接力排水。匯入水倉中的水用水泵二段排至地表。

　　1.2涌水量及排水設備選擇

　　井下一期開采正�？偱潘�量為14670m3/d(611m3/h)。按照水倉容納6～8h正常涌水量計算，需要水倉總容積為4008～5344m3。結合礦山水文地質條件，確定水倉總容積為4800m3。設計布置2組相互獨立的水倉，水倉斷面11.76m2，總長度455m。

　　經計算，-425m中段泵房內設4臺MD450-83A×7型耐磨多級離心泵，正常及最大涌水時2臺工作，1臺備用，1臺檢修。排水管選用Φ273mm×9mm無縫鋼管3條，正常及最大水量2條工作，1條備用，沿副井敷設出地表。后期在-535m中段增設1排水泵房，泵房內設3臺MD330-90B×2型耐磨多級離心泵，正常及最大涌水時均1臺工作，1臺備用，1臺檢修。排水管選用Φ273mm×7mm無縫鋼管2條，正常的及最大水量1條工作，1條備用，沿著副井敷設至-425m中段水倉。

　　所選水泵性能均滿足礦山井下排水要求。前期副井井底水窩內設175QJ32-168/14型潛水泵2臺，1臺工作，1臺備用;將水排至-425m中段水倉內。前期主井井底粉礦回收系統的水經過沉淀池沉淀，清水由粉礦回收泵站經電梯井排至-425m中段水倉內。泵房內設2臺D85-45×4型多級離心泵，1臺工作，1臺備用。

　　2排水自動控制系統

　　2.1系統實施目標

　　立足于技術先進、質量可靠的要求，將PLC控制系統和可視化監控系統相結合，實現以集中控制為主，現場監控為輔的控制模式，保證主排水系統的連續性和可靠性。通過采集現場各種傳感器信號，實現主排水系統及相關設施的集中控制功能。在井下主排水泵房變電所設置控制主站，實現井下排水設備的聯鎖控制，使水泵能夠在高水位自動起泵，低水位自動停泵，超高水位漸次自動投泵并報警，還能夠實現排水泵的自動輪換啟停。結合階梯電價優化原則，自動調整不同時段排水量，從而降低排水耗電成本。

　　2.2系統的主要功能

　　(1)自動控制功能:水泵能按照正確操作順序自動開啟和停止。自動控制系統綜合考慮水倉液位、用電峰谷時間段和設備使用率等因素，完全自動啟用排水泵，確保水倉液位處于安全范圍。

　　(2)自動輪換功能:為防止出現備用設備長期閑置而造成設備性能下降或不能緊急啟動現象，自動控制系統設置工作設備與備用設備科學輪換程序，實現設備自動輪換功能。控制程序將水泵啟停次數、運行時間和管路流量等參數自動記錄并累計，系統根據這些運行參數按一定順序自動啟停水泵和相應管路，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，便于設備的維護管理。

　　(3)“避峰填谷”功能:結合階梯電價優化原則，降低排水用電費用，充分利用水倉倉容，合理調整用電峰谷不同時段水倉低水位限值，在確保水倉水位安全的前提下，系統能按避峰填谷的原則控制水泵的啟停，盡量在尖峰段少排水，在谷平段多排水，合理調整排水量。

　　(4)監測功能:地表控制中心對排水系統運行參數進行實時監測，主要監測參數包括:水倉液位，電機工作電壓電流，電機定子溫度和軸承溫度，水泵軸承溫度，水泵吸水管真空度，水泵出口壓力，排水管流量，電動閥門工作狀態等參數。

　　(5)故障檢測和保護功能:水泵電機過流、低電壓、漏電保護，電機定子和軸承超溫報警保護，電動閥門執行器過載、短路、漏電、斷相保護、漏水保護、流量保護、壓力保護、邏輯錯誤故障等保護。

　　(6)報表統計功能:每天系統自動生成1份報表，統計排水系統所有關鍵運行參數，便于生產統計分析和設備維護管理。主要參數包括每天累計排水量、水泵相關電氣參數和水泵累計運行時間等。

　　2.3系統工作模式

　　該系統設置了遠程、就地、自動和檢修四種工作模式。(1)遠程模式:操作員在地表控制中心通過操作員站操作水泵和閥門，控制水泵啟停和閥門開關調節，實現遠程遙控操作。(2)就地模式:水泵操作工就地操作水泵和閥門等設備，設備運行狀態可以上傳到監控系統，也可以完全脫離自動控制系統手動運行。(3)自動模式:自動控制系統按照設定的程序，系統實時采集水倉液位信號，根據液位、用電峰谷時間和其他聯動系統參數等自動開啟、停止水泵，并能控制閥門的聯鎖啟動，完全實現水泵自動排水。(4)檢修模式:在檢修模式下，閉鎖所有水泵操作控制，確保檢修作業安全。

　　2.4系統工作環境

　　工作溫度:0～40℃。工作濕度:5%～95%，不結露。大氣壓力:60～110kPa。工作條件:抗振、防潮、防塵，抗震性能設防烈度為7度。環境條件:滿足國家規定的塵埃、照明、噪聲、電磁場干擾和接地條件。

　　2.5主要控制設備

　　井下排水自動控制系統由1套PLC控制系統組成，負責對井下排水設備的監測控制，配合合理的軟件程序實現井下完全自動控制排水。

　　2.5.1主控制器

　　井下排水自動控制系統監控后臺設置在地表的中心控制室，控制主站的主控制器采用西門子S7-300系列PLC，設置在-425m中央配電室。負責采集井下所有排水相關設備的運行狀態和各種傳感器信號參數，按照設定的邏輯程序實現排水作業的自動控制。在-535m水倉、副井井底和主井井底排水泵站分別設置控制分站，負責各自排水設備的自動控制，信號上傳至-425m控制主站。在排泥設備處設置分站，負責排泥設備的自動控制，信號再上傳至-425m控制主站。

　　2.5.2檢測設備

　　主要檢測設備:超聲波液位傳感器，壓力傳感器，超聲波流量傳感器，溫度傳感器和負壓傳感器。

　　2.5.3通信設備

　　排水自動控制系統主控制器與地表中心控制室、控制主站與控制分站之間采用光纖通信，控制主站、分站與現場傳感器和控制設備為現場總線通信。

　　2.5.4監控設備

　　排水系統視頻監控后臺設置在地表的中心控制室，在各個水泵站安裝高清網絡攝像機，支持通過瀏覽器進行遠程圖像訪問，支持動態IP地址，方便實現圖像的網絡傳輸。監控設備的應用，重點監視水倉液位和主排水泵的運行狀態。

　　2.5.5供電設備

　　(1)-425m主排水泵采用高壓供電，電壓等級為10kV，單臺水泵電機功率為1000kW。原設計考慮水泵啟動方式為高壓軟啟動，因地表選礦設施取消，供電容量能夠滿足要求。因此，考慮取消高壓軟啟動設計，水泵選用直接啟動方式。

　　(2)-535m主排水泵采用低壓供電，電壓等級為380V，單臺水泵電機功率為185kW。水泵啟動方式選用低壓軟啟動器啟動。

　　(3)主井井底水泵采用低壓供電，電壓等級為380V，單臺水泵電機功率為75kW。水泵啟動方式選用低壓軟啟動器啟動。

　　(4)副井井底水泵采用低壓供電，電壓等級為380V，單臺水泵電機功率為13kW。水泵啟動方式選用低壓直接啟動。

　　3效益測算

　　3.1降低電耗效益

　　按照供電部門實行分時電價原則，充分利用尖、峰、平、谷四個電價區間，盡可能避峰填谷，以降低排水用電費用。尖峰時段為每年6、7、8三個月份，每天10:00～12:00和17:00～18:00，這個時間段內工業電價為0.8282元/(kW·h);高峰時段為每天10:00～12:00和13:00～19:00，工業電價為0.7296元/(kW·h);平段時段為每天6:00～10:00和12:00～13:00和19:00～22:00，工業電價為0.5326元/(kW·h);低谷時段為每天22:00～次日6:00，工業電價為0.3356元/(kW·h)。

　　常峪鐵礦按照一期每天正常排水14670m3計算用電費用，-425m水泵站2臺主排水泵同時工作，每天需要排水16.5h。每天排水用電費用計算做如下比較。

　　(1)不考慮避峰填谷用電方案

　　按照每天3班排水，每班排水5.5h計算:[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月份每天用電費用為:[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)考慮避峰填谷用電方案

　　每天排水用電費用為: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)兩個方案每年排水用電費用比較

　　(17575.8元-14620.8元)×273天+(18068.8元-14620.8元)×92天=1123931元≈112.39萬元由以上計算可以得出，常峪鐵礦井下一期正常排水采用自動控制系統避峰填谷用電方案，每年可以節省排水用電費用112.39萬元。

　　3.2精簡人員效益

　　初步設計一期井下排水水泵工設置每班2人，4個班運轉，共計水泵工8人。實現井下排水自動控制后，地表控制中心通風、排水和供電3個系統共同監控，井下8名水泵工可以全部取消，實現了減員增效。人工成本測算，每人每月按照收入7000元計算，每年可以節約人工成本支出:8×7000×12=672000元=67.2萬元。在實現降低人工成本的同時，減少了下井人員數量，緩解了井下安全管理壓力，提高了安全效益。

　　3.3綜合效益

　　綜合考慮降低排水用電費用和精簡人員產生的效益，每年可以節省費用:112.39+67.2=179.59萬元。

　　4結語

　　常峪鐵礦井下排水引入自動控制系統，運用PLC集中控制技術，合理的控制結構，實現信息共享，解決就地控制存在的事故隱患，減少各設備之間相互脫節、無法充分發揮設備效率的缺點，實現現場無人操作，提高排水設備工作效率，達到減人增效的目的。通過對主排水系統各種保護和信號的邏輯控制，輔助現場可視化實時監控畫面，實現主排水泵完全自動控制排水，無需人工干預。綜合考慮排水泵運行和檢修的要求，保證整個排水系統設備運行可靠、故障率低和維修方便。

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　　推薦期刊：貴州工程應用技術學院學報：1989年獲貴州高校首屆優秀學報三等獎、1995年獲貴州高校自然科學學報一等獎、2006年獲全國質量進步社科學報。