煤矿井下排水系统智能监控关键技术研究

发布时间：2025-12-04 08:39 作者：小编 来源：

煤炭作为我国的主体能源，在国家经济发展中发挥着重要作用。随着信息技术不断发展，煤矿开采越来越自动化和智能化。在煤矿生产过程中，各种涌水 (如地表水、老空水、裂隙水、岩溶水等) 从采动裂隙间进入采空区及工作面，导致矿井出现涌水现象。如果涌水不能及时排出，可能导致矿井水灾发生，造成设备损坏和人员伤亡等安全生产事故，给煤矿安全生产带来严重威胁。排水系统主要作用是排出矿井涌水，是煤矿安全生产过程中的四大系统之一。传统人工操作的排水系统存在效率低、经济效益差、易发生故障等弊端。利用新兴信息技术可以减少劳动力、节省运营成本，同时可以提高排水系统的安全可靠性。因此，研究煤矿排水智能监控关键技术以提高煤矿排水系统的自动化与智能化程度具有切实的应用价值。

为提高煤矿排水的自动化作业水平，许多科研工作者与工程师开展了相关研究。赵悦红等人论述了PLC 在煤矿排水系统中的作用，并分析了 PLC 在煤矿排水系统中的优势；谢岩彬为升级改造矿井主排水泵自动控制系统，提出以 PLC 为控制核心的自动化排水控制方案；左彩彪设计出一种以 PLC 控制器为核心的水泵自动控制系统，设计了系统的硬件与软件部分，并分析了应用效果；赵宝宝采用 PLC 技术对矿井排水设备进行自动化改造，实现水泵自动启停、故障诊断和远程监控；隆能增等人借助 Storm 大数据在无界持续流数据处理上的实时、高效优势，分析煤矿排水系统的相关数据，并利用 BP 神经网络模型预测涌水量，给出排水方案，通过执行系统进行自动化控制排水；史晓娟等人在模糊贝叶斯网络的基础上提出了一种故障诊断方法，该方法适用于矿井排水系统中，不仅能定位具体部件的故障，还能发现潜在故障进行排除。这些研究成果促进了传统煤矿排水系统的自动化升级改造，提高了排水系统的可靠性。

针对低成本运行需求，许多学者利用智能决策技术研究了排水系统的运行优化方法。韩秀琪以矿井多水平接力排水系统的耗电量最小为优化目标，在各水平水仓水位受限的条件下，建立优化控制数学模型，最终降低排水系统的能耗。袁鹏等人对煤矿排水系统中的避峰填谷经济策略从实践策略、思考和分析进行叙述，为煤矿排水系统成本管理提供依据。宋新喜针对矿井越来越深，给井下排水带来极大的挑战，提出可靠节能优化方案。这些研究成果为煤矿排水系统低成本运行提供了方案。

综上所述，排水系统是矿井安全生产中必不可少的安全保障。伴随着矿井生产，要求排水系统能够安全稳定可靠的长期运行，排水系统成本高，需要在安全生产的前提下经济运行。现有研究主要聚焦于煤矿排水系统的设计或煤矿排水能耗的优化，但如何兼顾安全和经济因素还是亟待解决的问题。随着信息技术和人工智能技术飞速发展，给排水系统智能监控带来了新的机遇。

笔者从排水系统安全和经济的角度研究了智能监控关键技术。首先，根据信息技术基础和实际需求设计煤矿井下排水系统监控架构，并分析功能需求；然后，依次研究排水系统避峰就谷优化、水泵自动轮换策略、智能故障诊断策略、无人值守策略和多模式控制策略等智能监控的关键技术；最后，通过现场应用分析所提技术的实际应用效果。

1 系统架构及需求分析

1.1 系统架构

根据现有的研究成果和实际现场需求，煤矿井下排水系统的智能监控一般可以分为管理层、控制层和现场层[，其架构如图1 所示。

图1 煤矿排水系统智能监控架构

管理层由上位机和服务器组成，通过工业以太网与控制层进行通信。管理层的上位机采用组态软件开发，可以对井下排水系统实施远程控制，并实时显示泵房机组的运行状态。控制层由 PLC 控制器和就地操作控制箱组成，PLC 控制器通过工业以太网与管理层实现信息交换，通过对应通信协议与现场层进行通信，PLC 控制器之间或与就地操作控制箱通过工业环网进行连接。每台水泵配置 1 台 PLC 和 1 个就地操作控制箱，方便现场控制。现场层由各种传感器和执行器组成。传感器能够准确检测各个设备的状态和关键参数，实现对排水系统整体运行状况的实时监测。执行器则包括水泵电动机和各种闸阀，用于在接收到管理层指令后实时响应并执行相应操作。

1.2 需求分析

煤矿排水系统智能监控的任务是控制泵房中的多台排水泵，实现智能排水，系统需要包括以下功能。

(1) 信息采集与共享 系统需要采集水仓水位、出口压力、故障状态、闸阀位置信号、管道液位、水泵温度、电动机电压、电流、功率等信息。这些数据发布到工业以太网中，实现信息共享，为多个设备协同作业提供信息基础。

(2) 避峰就谷优化 系统根据水仓水位、电价时间段、水位变化率等因素，在水仓允许水位的限制下，尽可能在低电价时多排水，在高电价时少排水，达到电价最低的目的。

(3) 水泵自动轮换 设计水泵的自动轮换机制，通过检测各个水泵的使用时间，合理调度水泵的排水任务，实现各水泵利用率平衡，避免水泵长时间运行导致部件严重磨损，也避免水泵长时间闲置而导致电器设备出现故障。

(4) 智能故障诊断 为了保障排水系统的正常运行，需要对系统实时进行故障监测和诊断。当发生故障时，系统能够迅速响应，进行故障指示，并通过语音报警提示，同时会将故障设备、故障发生时间、故障类型、故障原因等信息进行保存，方便检修人员进行查看。

(5) 多模式控制 系统需要集成现场和远程 2 种控制权限，每种控制权限包括无人值守模式、手动模式和检修模式。现场控制权限下，工作人员可直接操作系统监控系统，由 PLC 接收控制箱指令并执行；远程控制权限下，PLC 接收上位机指令并执行；进入无人值守模式后，PLC 执行无人值守策略；退出无人值守模式后，PLC 接收手动控制指令并执行。

2 智能监控关键技术

煤矿排水智能监控系统采用 PLC 控制器，通过STEP7 软件编程实现智能监控功能。排水系统能够执行基础的信息采集与共享、避峰就谷、智能故障诊断、多模式控制等功能，还具备无人值守功能。该功能是煤矿排水系统智能监控核心，能够在无人监控的情况下，安全、可靠、经济地实现矿井下污水的排出。

2.1 避峰就谷策略

为节省用电成本，笔者设计了避峰就谷智能排水控制策略，如图2 所示。首先检测水位 H，并计算水位变化速度，获取当前时间 c。当前时间对应不同的电价，可分为平时、谷时和峰时 3 个时段。当水位高于设定水位时，报警且开启所有排水泵；当水位低于设定水位时，关闭所有排水泵；当水位在设定水位区间内，采用避峰就谷策略。当 c 为谷时，根据水位上升速度与低位决定开启的泵数量使水位保持低位；当c 为峰时，根据水位上升速度与高水位确定开启的泵数量使水位保持高位；当 c 为平时，根据水位上升速度与未来电价状态决定开启的泵数量，从而通过在电价高时少排水，电价低时多排水的原则，实现避峰就谷策略，降低排水系统的运行成本。

图2 避峰就谷策略流程

2.2 水泵自动轮换策略

水泵不均衡利用会导致使用时间长的设备磨损严重，而闲置时间长的设备容易发生电器故障，笔者采取水泵自动轮换的工作策略以解决此问题，如图3 所示。系统收到启动水泵排水的指令后，启动累计运行时间短、运行次数少的水泵，并对新启动水泵的累计运行次数加 1，实时累计运行时长，用于后续水泵轮换。当需要停止多台泵时，先判断关闭水泵个数的合法性，选择累计运行时间长的水泵优先停止工作。

图3 水泵自动轮换策略流程

2.3 智能故障诊断策略

故障诊断是实现设备安全稳定工作的基础保障，故障诊断策略主要由故障检测和设备自动切换组成，其流程如图4 所示。

图4 故障诊断策略流程

故障检测主要是对排水泵的过流、过压、超温、电动机状态进行检测，对真空泵故障、闸阀故障和其他重要参数超限行为进行监测，并做出报警提示或相应保护。当排水系统监测到离心泵或负责启动的真空泵出现故障时，停止该水泵，并自动开启备用水泵，保证排水系统正常运行。同理，当检测到闸阀故障，会进行相应的管路切换，切换为备用水泵。另外，当其他参数超限时，会报警提示工作人员，并保存故障记录。

2.4 无人值守策略设计

排水系统接收到无人值守指令后，系统会执行无人值守策略 (见图5)，自动完成排水任务，无需人员介入。根据上位机或控制箱选择的控制模式判断是否进入无人值守模式，若进入无人值守模式，则进行故障诊断，判断水泵、闸阀、传感器等设备是否出现故障，并对故障设备进行相应处理；若无故障，则执行避峰就谷策略，获得成本最低的水泵开启个数，再通过水泵轮换策略，启动对应个数水泵，均衡水泵利用率，提高系统使用寿命；若有故障发生无法处理时，则进入故障处理状态，退出无人值守模式，默认进入手动控制模式。

图5 无人值守策略流程

2.5 多模式控制策略设计

为了方便煤矿地面和井下工作人员对排水系统的监控，灵活适应不同的工况，系统设计了 2 种控制权限和 3 种操作模式，如图6 所示。2 种控制权限分别为远程控制权限和现场控制权限。远程控制权限下，排水系统由地面远程上位机控制；现场控制权限下，排水系统仅由现场控制箱控制，远程上位机只可监视，无权限控制，该权限的选择由控制箱控制。

图6 多模式控制策略流程

3 种控制模式包括无人值守模式、手动模式和检修模式。无人值守模式下，控制器通过传感器获取现场数据参数，执行无人值守策略，通过控制执行器进行自动化排水，无需人员介入，也是排水系统在常规作业时的工作模式；手动模式下，需要工作人员介入排水工作，往往在设备调试或出现突发情况下使用，通过手动控制基础功能或半自动化功能实现设备调试或排水工作；检修模式下，设备被锁定，防止设备误启动，导致意外发生。无人值守模式和手动模式都可以相互转换，手动模式可以转换为检修模式，但检修模式在排除故障后进入手动调试模式，调试通过后才可进入无人值守模式，不可以直接进入无人值守模式。

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