基于水锤防护的矿井水安全排放控制系统研究

摘要

长距离、高扬程的排放系统在许多领域已得到了广泛的应用。随着深部开采技术的发展，矿井排水系统对安全生产的影响越来越大，严重的水锤问题将导致泵房设备被摧毁、泵房被淹没、人员伤亡等重大安全事故。尤其在具有长距离、高扬程、管道布置复杂的煤矿矿井水排放系统中，水锤的影响尤为重大。抢险救援矿井水排放过程中若发生水锤事故，后果不堪设想。国内外对水锤防护的研究取得了丰富的成果，对矿井水排放系统的发展有很大的推动作用。但是对于狭小空间内的矿井水排放系统，目前主要采用加大安全系数的方法来保证排放系统的安全，水锤造成管路振动和冲击，长期积累存在安全隐患，特别是实现自动化控制或无人值守的自动矿井水排放系统，水泵的启停控制与矿井水排放通断闸阀的开关控制就成为关键环节。
　　本文在分析泵房正常排水、应急强排和救援排水三个工况的安全运行的基础上，采用水锤防护理论、案例和试验相结合的方法，为解决长距离、高扬程、管道布置复杂煤矿矿井水排放系统水锤问题，提出了基于液控闸阀速度调节的矿井水排放系统水锤防护方法，并构建了矿井水安全排放系统的控制体系。
　　（1）分析正常排水、应急强排和救援排水三种排放方式的基础上，对矿井水排放控制系统水锤问题进行研究，针对狭小空间内矿井排水系统关阀停泵水锤的防护问题，提出基于液控闸阀速度调节的矿井排水系统水锤防护方法，最优关阀序律和速度控制就成了解决水锤问题的关键。
　　（2）通过研究矿井水排放管路水锤产生与水锤波动过程，基于特征线法建立水锤波动数学模型，研究了矿井排水系统水锤控制的边界条件，构建了最优阀调节的单纯形模型，结合基于简单搜索的最优阀调节决策寻优方法和动态规划的阀门速度调节搜索算法，求解出多阶段阀最优调节序律。以朱家店煤矿为例，寻优得出最优阀调节策略为两阶段变速关阀，即在关阀行程前2/3内，以0.01m/s的速度匀速关阀；在关阀行程后1/3内，以0.01m/s的初始速度进行匀减速关阀，关阀总时间为44s。相比匀速关阀结果，最优序律变速关阀水锤压力幅值减小约50％。
　　（3）基于最优阀调节理论分析的基础，设计了阀控防水锤系统的控制方案和实现流程，并以现场工况为例，对阀门的不同关闭序律导致的管路振动、压力、流量等参数进行了试验测试研究，得出改造前管路加速度x、y、z轴幅值是采用最优决策序律关阀加速度位移幅值的5、9.17、7.67倍，匀速关阀的最大冲击压力为4.87MPa，变速关阀的最大冲击压力为3.47MPa，多阶段变速关阀过程数值计算数据与试验数据比较吻合，误差在5%内，验证了最优阀调节防护水锤的有效性及数值计算结果的正确性。
　　（4）为了实现基于水锤防护的矿井水安全排放控制，设计了矿井水安全排放控制系统四个主要模块：防水锤电动液控闸阀、水泵房流量监测、总线通讯及无线信号传输、负压控制阀。考虑到矿井工况复杂对流量信号干扰强烈的因素，提出了一种LWT-G-FLP的去噪算法，提高信号采集精度。本文研发的技术与控制策略，在离柳集团吕梁中阳县朱家店煤矿和长治山煤集团的经坊煤矿实施后，管道的振动情况均得到了明显改善。排水管路振动位移的防水锤效率提高了60%以上，基本控制在10mm范围，水锤造成的升压值减小67%以上。
　　本文提出的安全合理防水锤控制策略和开发的电液联控管道通断防水锤技术，为矿井水的安全排放提供了理论依据和技术支撑。
　　本文研究得到国家科技支撑计划资助——煤矿透水快速救援矿井水排放设备研究（水陆两用移动式矿井水排放系统，SQ2012BAJY3504）的支持。