礦井陸潛雙棲防水型智能排水系統(tǒng)技術(shù)研究及應(yīng)用

姚維法 單麗 張解 胡薇

摘要：本文介紹一種基于臥式多級(jí)離心泵的新型陸潛雙棲水泵機(jī)組及其控制技術(shù)，在井下泵房原有位置上進(jìn)行改造，建成井下泵房無(wú)人值守和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控的防水型智能排水系統(tǒng)，投資少、周期短、見(jiàn)效快，實(shí)現(xiàn)礦井正常開(kāi)采時(shí)高效排水、突水事故發(fā)生時(shí)自動(dòng)進(jìn)入強(qiáng)排水模式全流量排水，滿(mǎn)足國(guó)家安監(jiān)總局28號(hào)令《煤礦防治水規(guī)定》的要求，防災(zāi)減災(zāi)。

關(guān)鍵詞：礦山排水安全;陸潛雙棲水泵機(jī)組;遠(yuǎn)程監(jiān)控;防治水規(guī)定

礦山是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的自然資源產(chǎn)業(yè)，分為能源、金屬和非金屬等礦產(chǎn)資源。我國(guó)有數(shù)萬(wàn)座礦山，其中90%是井工礦。由于我國(guó)礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井受水害威脅嚴(yán)重，尤其是隨著開(kāi)采深度、強(qiáng)度、速度、規(guī)模的增加和擴(kuò)大，水害威脅更加突出。水害的特點(diǎn)是①突發(fā)性強(qiáng)，同時(shí)會(huì)淹沒(méi)礦井、采區(qū)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)設(shè)備設(shè)施危害性破壞性覆蓋范圍最大、特別是機(jī)電設(shè)備幾乎全部報(bào)廢;②蔓延性強(qiáng)、面積大、不及時(shí)處理會(huì)造成更大范圍的水災(zāi)事故;③淹井后救援難度大、耗時(shí)長(zhǎng)可長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年、處理不恰當(dāng)容易反復(fù)，嚴(yán)重破壞礦井的正常建設(shè)和生產(chǎn)秩序。礦井透水災(zāi)難是危害最大、影響時(shí)間最長(zhǎng)的事故，不僅煤礦，鐵礦、有色金屬礦、非金屬礦都有可能會(huì)發(fā)生透水事故。因此，排水系統(tǒng)是礦井建設(shè)和生產(chǎn)期間十分重要的必要條件。

我國(guó)現(xiàn)有的礦井，由于受技術(shù)和裝備條件的限制，排水系統(tǒng)設(shè)備基本上采用的是臥式多級(jí)離心泵（簡(jiǎn)稱(chēng)臥泵），由陸用三相異步定動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在井下泵房操作控制。其特點(diǎn)是使用歷史長(zhǎng)、操作習(xí)慣、觀念上易被礦井用戶(hù)接受、維護(hù)方便，但最大缺陷是當(dāng)?shù)V井涌水量增大發(fā)生突水事故時(shí)，電機(jī)電控裝置進(jìn)水、水泵機(jī)組癱瘓，喪失排水能力，快速淹井，造成井下人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，救援復(fù)礦排水周期長(zhǎng)、難度大、費(fèi)用高，原有排水系統(tǒng)不可修復(fù)需重新建設(shè)，二次投資大，導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響巨大。近年來(lái)，有些礦井采用潛水泵機(jī)組組成的排水系統(tǒng)，不怕水淹，對(duì)新建礦井是理想的選擇，但對(duì)數(shù)萬(wàn)座已建在產(chǎn)礦井，改造成潛水泵排水系統(tǒng)難度大、費(fèi)用高。礦山迫切期望能夠結(jié)合臥泵和潛水泵的特點(diǎn)，在現(xiàn)有排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在井下泵房原有位置上進(jìn)行簡(jiǎn)單技術(shù)改造，建成不怕水淹的防水型全自動(dòng)化智能排水系統(tǒng)。

圖1??臥泵排水系統(tǒng)示意圖-水淹及癱瘓失去排水功能圖??????????????????圖2?潛水泵排水示意圖-泵坑臥式安裝

防水型智能排水系統(tǒng)由臥泵、濕定子三相異步電動(dòng)機(jī)、循環(huán)水冷裝置、檢測(cè)傳感元件、井下現(xiàn)地控制單元、地面主控制裝置、管路及閥門(mén)等組成。其中，管路及閥門(mén)保持原有排水系統(tǒng)不變，在泵出口管路上增加特制的電動(dòng)機(jī)循環(huán)水冷器;對(duì)原有臥泵潤(rùn)滑、軸系進(jìn)行改造使之成為陸潛兩用水;三相異步電動(dòng)機(jī)、檢測(cè)傳感元件更換為定向研制的陸潛雙棲產(chǎn)品。其中，陸潛雙棲電動(dòng)機(jī)規(guī)格、安裝尺寸及連接方式與原配陸用電動(dòng)機(jī)一致，不改變泵房原有結(jié)構(gòu)和安裝位置尺寸。井下現(xiàn)地控制單元在線顯示水泵機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及過(guò)程參數(shù)（流量、揚(yáng)程、水位、電流、電壓、溫度、絕緣等），供現(xiàn)場(chǎng)人員監(jiān)控、操作，可與地面主控制裝置無(wú)擾切換，發(fā)生突水事故時(shí)自動(dòng)切換到地面主控制裝置進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖3??陸潛雙棲防水型智能排水系統(tǒng)示意圖

電動(dòng)機(jī)和泵的使用環(huán)境發(fā)生質(zhì)的變化，較之傳統(tǒng)臥泵、潛水泵機(jī)組，陸潛雙棲水泵機(jī)組重點(diǎn)解決了①潤(rùn)滑和軸承系在空氣中、水中及其過(guò)渡過(guò)程中運(yùn)行時(shí)的自適應(yīng)技術(shù);②電動(dòng)機(jī)在不同介質(zhì)條件下運(yùn)行的散熱技術(shù);③電動(dòng)機(jī)在不同介質(zhì)條件下的密封技術(shù);④臥式運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的推力軸承和導(dǎo)軸承新結(jié)構(gòu)技術(shù);⑤自適應(yīng)智能控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。使陸潛雙棲水泵機(jī)組自動(dòng)適應(yīng)在空氣中、水中及其過(guò)渡過(guò)程中的不同介質(zhì)條件轉(zhuǎn)換，平穩(wěn)運(yùn)行。

陸潛雙棲排水系統(tǒng)控制裝置采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線組成多級(jí)分布式自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)“優(yōu)化系統(tǒng)控制和調(diào)度”。系統(tǒng)控制方式可按優(yōu)先級(jí)選擇，多級(jí)加權(quán)操作控制模式，就地手動(dòng)、現(xiàn)地遙控/自動(dòng)、控制室集中遙控/自動(dòng)、中控室遠(yuǎn)程遙控，按從低到高設(shè)定優(yōu)先等級(jí)，無(wú)擾切換，聯(lián)鎖保護(hù)，確保操作和系統(tǒng)安全。針對(duì)陸潛雙棲排水特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了泵站智能控制軟件。采用先進(jìn)控制理論和技術(shù)，使系統(tǒng)在正常排水時(shí)，根據(jù)水位、涌水量的大小、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)和調(diào)度指令，依據(jù)“輪值控制”、“避峰填谷”（供電峰谷）原則以及效率優(yōu)先原則進(jìn)行智能自動(dòng)化運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)泵房無(wú)人值班、少人值守、智能化高效運(yùn)行。在礦井突水時(shí)，按設(shè)定程序開(kāi)啟所有水泵，進(jìn)入強(qiáng)排水狀態(tài)，并能在淹井狀態(tài)下自動(dòng)切除井下控制，切換為遠(yuǎn)程地面控制。特殊處情況下可以無(wú)擾退出自動(dòng)化運(yùn)行，轉(zhuǎn)為井上手動(dòng)操作運(yùn)行，滿(mǎn)足礦井排水實(shí)際工藝操作要求?？梢栽诰聦?duì)泵站水泵機(jī)組設(shè)備及排水系統(tǒng)進(jìn)行就地操作、自動(dòng)控制，也可以在地面對(duì)泵站水泵機(jī)組設(shè)備及排水系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作或進(jìn)行全自動(dòng)化控制，即使在淹井狀況下仍能保證正常排水。

選擇試驗(yàn)型樣機(jī)MD450-60*10、配套電機(jī)1200KW、6kV、轉(zhuǎn)速1480r/min組成BLQMD450陸潛雙棲防水型智能排水系統(tǒng)在安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水工試驗(yàn)站進(jìn)行了型式試驗(yàn)，陸地、潛水性能與原型樣機(jī)一致，滿(mǎn)足使用條件要求。

總結(jié)

突透水是礦山的重大災(zāi)害之一，嚴(yán)重危及人員生命和礦山財(cái)產(chǎn)安全，制約了礦山資源開(kāi)發(fā)。新建礦井可采用潛水泵排水，抵御水害;原有礦井基本上采用臥式多級(jí)離心泵排水，遭受水淹即癱瘓。受井下條件限制，更換為潛水泵機(jī)組的技術(shù)改造難度和費(fèi)用巨大。本文為礦井已有傳統(tǒng)臥泵（多級(jí)離心泵MD、DS、FDS等）排水系統(tǒng)改造為陸潛雙棲防水式智能排水系統(tǒng)提供了技術(shù)和解決方案，投資小、易實(shí)施，改變了礦井排水模式，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防式抵御水災(zāi)害，滿(mǎn)足《煤礦防治水規(guī)定》的要求，對(duì)于在產(chǎn)的煤礦、鐵礦、金屬礦和非金屬礦等礦井，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

姚維法，（1962—），男，安徽省合肥市人，合肥恒大自動(dòng)化控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師、本科、主要從事工礦企業(yè)過(guò)程檢測(cè)及自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化智能控制技術(shù)研究、應(yīng)用和工業(yè)控制及信息系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工作。