地下矿山排水工程设计探究

地下矿山排水工程设计探究
摘要：井下排水系统是地下矿山生产重要的系统之一，在地下矿山开采过程
中做好排水工作十分关键，如果开采过程中水量较大、水压不稳会威胁作业人员
安全，影响开采效率，因此需要改善矿山排水系统。

利用自动化控制系统可以对
排水系统以及排水泵监控，实时掌握井下水位等相关数据，可全力保障井下作业
安全。

本文从自动化排水系统结构和功能入手，讨论水仓水位控制方式，最后分
析自动化系统对管理人员的要求，希望对相关研究带来帮助。

关键词：地下矿山；排水工程；设计
新时期国家对矿山开采高度重视，积极打造智能化矿山，以此提升开采效率
和保护生态环境。

如今自动化技术对矿山开采产生了深远影响，在井下排水系统
中不仅要满足正常排水需要，还要在电价低谷期和高峰期等时段内对排水时间调整，以此节约水费。

目前地下矿山普遍以传统的人工排水方式为主，存在所需人
员多、劳动强度大和工程繁琐等问题，通过自动排水系统可以降低劳动强度，达
到节能降耗目标。

该系统下PLC单片作为核心可以辅助监控设备，满足实时监控
水位和压力、流量等需要，并且和计算机系统连接后实现数据通讯，一旦计算机
发生故障PLC系统可单独运行，确保自动化排水系统良好运转。

一、自动化排水系统结构和功能
PLC也被称为可编程逻辑控制器，而PLC机是一种通过编程便于生产领域使
用的系统和设备，具有调剂工作量小和维修便捷等优势，可以在地下矿山这种复
杂环境下体现出良好适应性，并且PLC借助计算机互联能力可以让操作室值班人
员实时对排水系统监控，满足远程操控需要，以此达到矿山安全生产管理要求[1]。

（一）系统结构
PLC系统框架下涵盖工业光纤、以太网通讯系统、工业计算机及控平台、现
场信号采集控制系统、PLC电柜、数据采集传感器系统、控制信号采集与信号采
集，共同将监测数据以及闸阀信号传输到水泵控制电柜分站，然后多个水泵控制
电柜分站。

在上位工业计算机集控以及视频监控平台下满足系统管理要求。

具体
说来：
系统信号采集主要控制电机电流、电压、开泵时间、水仓水位、出水口压力、排水流量、吸水口真空度以及阀门开闭状态。

在系统控制信号中包括电机开关控
制以及各闸门开关控制。

在地面监测站当中人机交换平台最为关键，利用软件可
视界面设计成3D效果，具有操作便捷的特征，可以对数据进行汇总，满足报警、监控、命令、维护等管理任务，还可以遥控操作水泵控制电控柜分站。

（二）监测报警
PLC能够对运行参数实时监控，比如掌握电压电流、水泵吸口真空度、水泵
出水口压力、水泵开启时间、水仓水位变化、排水管流量，然后把监控数据定时
传输到计算机，可保存1-2年。

其中实时显示系统采用时分秒的时间格式，能够
显示电机电压电流、水泵吸水口真空度以及出水口压力。

在历史记录中按照年月
日的时间格式，能够显示系统水位变化、排水流量、水泵开启时间等有关参数的
趋势曲线，结合设置限制条件对排水系统监督，如果超出安全范围数据窗口会发
出警报，并且界面闪烁。

在报警记录中对时间、持续时间、编号报警信息记录。

如果事故报警发生然而并未确认，界面为红色闪烁，确认之后表示为红色静止；
如果预告报警发生然而未确认，则显示为黄色闪烁，确认之后报警符号随即消失[2]。

（三）保护功能
根据设计要求，井下排水、水泵以及排水管路至少需要一台备用设备，使其
按照设定程序自动化运行。

在水泵运行期间，如果检测系统发现排水流量或者电压、电流过大或者过小，PLC机能够自动分析水泵故障，停止其运行，然后启动
备用水泵，同时发出警报，为了保证水仓水位安全，通常使用超声式液位计以及
投入式液位计进行检测，能够反映相关信息，一旦二者监测反馈信息差异较大能
够发出报警提醒，巡视人员可根据实际情况进行现场检查。

监控系统可以同时采
集与记录水泵使用信息，然后生成历史数据，便于工作人员掌握排水系统状况，
同时向PLC系统发送数据，掌握水泵管路的使用情况、磨损情况，让水泵或者管路使用时间更加接近，避免单台设备出现受潮损坏或者磨损严重的情况。

（四）控制功能系统
地下矿山排水系统的自动控制启动系统主要包括自动模式、手动模式以及检修模式。

具体说来：
在自动模式下，PLC系统可根据监测水位信息，按照避峰就谷原则最大程度避免用电高峰启动水泵，并且在高峰期到来前降低水位，开启水泵期间排水管路的电磁阀开启，离心泵开始充水。

随着吸水口处真空度达到设定参数要求开始接通水泵电机进行排水，当水位下降到安全水位以下可关闭水泵和逆止阀，水泵电机马上停止工作。

整体来讲，自动模式下能够满足无人值守管理需要[3]。

在手动模式下通过井上的上位计算机软件加以控制，监管人员根据检测的水位电压、电流、压力等信息人工选择水泵开启时间和数量，在PLC系统下完成水泵自动启动。

在检修模式下对其中一个水泵维修时可以选择进入检修模式，并且现场控制权限大于远程控制，这是由于远程机上可以对水泵数据监视，不具备操作权限。

需要现场人员对水泵电机和阀门加以控制，这样才能确保检修人员安全。

二、水仓水位控制方式
在整个矿山用电结构当中，井下排水用电量大约占50%，所以需要对用电谷峰的时段调整，达到节约电费的目标。

水仓水位的高低将直接影响自动化系统运行，而水位监测效果也直接影响系统运行的稳定性与可靠性。

由于用电高峰期和尖峰时期存储涌水量较大，而低谷时期和平段启动水泵排水可让水仓水位显著下降；如果涌水量偏大，不论在高峰期还是低谷期一旦达到最高安全水位可对多台水泵开启，满足排水需要，让水位保持在正常状态。

三、自动化系统对管理人员的要求
（一）提高操作人员素质
借助自动化技术可减少井下作业人员数量，不过依旧需要操作人员进行系统控制，开展检修工作，这就对操作人员素质提出较高要求。

新时期矿山企业需要切实做好操作人员的培训工作，使其掌握排水系统的操作原理和设备操控方式、操作技巧，通过理论与实践相结合的形式让操作人员、检修人员正确操作，全力保障井下作业安全[4]。

（二）转变固有管理思想
在地下矿山生产和作业过程中，通过自动化技术可以实现集中化管理、自动化管理，便于地面监测站掌握矿山生产情况，全面提升对井下生产状况情况，进而打造扁平化管理模式，通过井上和井下的网络连接有效提升生产效率，所以要求矿山企业高度重视自动化系统的利用，做好宣传工作，以此提升作业效率[5]。

结束语：
综上所述，当前自动化排水系统成为数字化矿山的重要组成，通过自动化排水系统设计可以有效提升排水系统运行的安全性、可靠性，最大程度减少人为操作失误造成的经济损失，同时有利于节约排水费用，最终通过对井下统一调控调度推动我国矿山排水无人化管理，促进矿山开采行业的可持续发展。

参考文献：
[1]王昊.金矿地下水赋存特征与防排水方案研究——以甘南格萨尔金矿山为例[J].中国水运（下半月），2019，19(3):222-224.
[2]李军，朱昶，张立.兰陵县王埝沟铁矿矿山排水对地下水环境的影响分析[J].地球，2015，14(3):313-313.
[3]张文锋，王绍群.地下矿山自动化排水系统研究[J].现代矿业，2020，36(3):232-233.
[4]胡文艺，陈令强，罗其奇，等.风化花岗岩隧道矿山法施工地下水渗流特征与防水技术研究[J].安全与环境工程，2020，27(4):215-222.
[5]张文锋，王绍群，谷林林.利用差异电价降低地下矿山排水费用的研究[J].矿业工程，2019，17(2):66-68.。