一、立项背景 在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水量的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和煤矿井下供水，将有大量的水昼夜不停的汇聚于井下。另外，煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水层连通，涌水量会突然增加，发生突水事故，如果不能及时地将这些水排送到井上，井下的安全就会得不到保障，严重者会造成重大事故。如何有效预测突水事故的发生一直是国内外煤矿科研工作的热点。据统计，每开采1吨煤就要排出2～7吨矿井水，有时甚至要排出30～40吨矿井水。在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量约为30%。但是一直以来，矿井对水泵进行满足使用要求选型后即投入使用，而对泵运行效率的要求并不苛刻。导致目前水泵运行效率总体偏低，达不到额定泵效的85%。国家发展改革委、国家能源局发布的《煤炭工业发展“十三五”规划》中明确提出，努力建设集约、安全、高效、绿色的现代煤炭工业体系。 基于上述背景，项目针对矿井水灾预警及智能排水系统开展技术研究。通过建立矿井涌水量、排水量及水质在线监测系统，实现实时远程监测和监控，结合GIS技术，形成矿山涌水数字模型；通过研制高效大流量排水泵，设计主排和强排联合布置，研究全自动化排水系统，实现矿山排水系统的安全高效和智能运行。本项目对减少矿井灾害对煤矿生产的影响、保护矿工人身安全工作具有十分重要的意义。 二、主要科技创新 1、基于GIS开发了矿井水质在线监测水源预警系统 （1）利用 GIS 组件的空间分析功能，分地区动态构建标准水源样品识别库；基于贝叶斯和灰色关联度理论，提出化学预警模式监测预警原理及识别算法，进行水源识别模型及算法设计。 （2）构建排水信息与矿井水指标数据库，根据数据流向，利用Map Objiects组件显示空间地图数据、对地图空间据进行交互查询及数据相关空间分析，利用ADO控件访矿井灾害预警辅助系统中的各种属性数据，构建水源预警系统总体结构如图1所示。 （3）水质在线监测系统设计与程序调试。通过实时在线监测涌水的PH值、奥灰水特征离子、浊度、导电率等参数，结合历史数据进行矿井水害化学预警，辅助判定涌水水源，为水情预测提供技术数据支持。 2、基于GIS开发了矿井涌水网络水情预警系统 （1）将井巷基础地理信息与排水系统的设备信息紧密耦合，通过分析巷道三维拓扑关系巷，提出拓扑关系自动生成算法，设计三维巷道拓扑关系自动生成流程。 （2）构建了矿山井巷涌水网络和排水网络模型，以三维展示方式对井巷水情与排水设备进行管理；应用无源潜没式水位远程传感技术、水情梯度等级设置和高精度电磁传感器，对水仓水位、工作面涌水和矿井排水流量进行精准监测，构建水情监测网络。 （3）构建了井巷水灾预测、预警模型，通过监测前端排水点水流矢量大数据，经历史水情数据库对比分析，对井巷的水情等级和规模进行预测预警。孙庄矿采区三维巷道涌水预警模型。 3、建立了高可靠、高效率、高效能正压快速启泵排水系统 （1）搭建了正压给水试验测试平台，分别开展了负压吸水、高水位正压给水、前置泵正压给水和前置泵变频调速正压给水试验测试，通过数据采集与结果分析，丰富并完善了正压给水技术理论。 （2）依据水泵串并联特性，基于CFturbo软件建立主泵实体模型，利用Pumplink软件分别对主泵变频调速特性、出口压力及空化性能特性进行仿真分析，研制了双驱双吸、大流量、高效率、高效能并联自平衡矿用多级离心泵，设计了入口平衡装置，保证了入水口压力平衡和叶轮轴向力的自平衡。 （3）开展正压给水地面试运转与工业应用，所研制的并联自平衡矿用多级离心泵额定流量达到1200m3 /h，与普通的离心泵相比效率提高了15%左右，且经工业性试验测试，无故障连续运行12000小时后，泵效率仍可以达到80%以上。 （4）突破了排水系统传统设计理念，通过定量匹配量身定制水泵参数和变量调节水仓水位、泵效、管阻等变化，保持排水系统始终运行于高效工况区；基于正压给水理论提出了新的排水启动和运行的工艺流程，实现了排水系统快速启动（启泵时间减少80%）和平稳运行。 4、涌水速率精准检测与排水网络智能决策研究 （1）基于自学习理论完成涌水速率的精准检测，提出单水平排水自学习模糊控制策略。依据水仓形状初步估算出水仓有效容量，利用矿用光线液位传感器精准检测水仓液位高度，通过调节前置泵转速n使其水仓液位保持正常水位高度不变，当增大（或减小）前置泵转速至ni，即增大（或减小）了水泵排水量，水仓液位开始下降（或上升），则有（1）式中为水仓水位变化量，L/min；h前置泵转速为n时水仓液位高度，m；h2前置泵转速为ni时水仓液位位置高度，m；S(hi )为水仓液位变化时等效断面面积m2。 此时可精确计算出该段时间t内涌水速率的变化，有（2）式中Δe为当前水位上升（或下降）速率，m/s； 通过实时在线检测水泵排水量变化，可准确计算出水仓液位下降或上升时水仓容量变化的准确值，构建水仓液位变化与水仓容量变化知识库，通过在线实时迭代学习，自动获取知识，完成水仓水位变化速率Δe及不同液位hi对应的水仓有效容量的精准计算。以涌水速率及其误差变化率为输入变量，以水泵的台数和排量为输出变量，构建自学习模糊控制系统结构。 （2）构建正压给水系统装置效率函数，依据约束条件，求系统装置效率函数取最大值时，确定前置泵最佳转速。（3）式中分别为主泵电机和前置泵电机的电压、电流和功率因数；为排水高度和吸水高度。 （3）针对多区域、多水平、多泵房排水特点，设定液位、水仓容量、流量、阶段电价等约束条件，以各阶段水仓水位为状态向量，开泵数量为控制向量，采用动态规划法，研究正常涌水条件下多水平排水泵房协同控制策略，构建费用函数，使其成为最优泛函，达到“避峰填谷”目标；基于自适应遗传算法对泵房水泵群的效率进行优化设计，利用算法迭代寻找稳定并且具有高效率的工况点。 5、矿井排水网络智能控制系统及可靠性设计 （1）创新了泵房和排水系统布置方式。设计了主排泵房大巷顶置布置方法，基于正压给水技术，提高了电泵的安装高度，在突水和特大水灾发生时，大巷顺序淹没过程中，电泵仍然可以可靠运行，并保持最大排水能力，延长了强排和抢险时间。设计了矿井主排和强排双系统联合布置方式、智能切换模式，实现了水情异常时发出预警，超临界值时自动智能切换。 （2）完成了智能控制系统软硬件设计。矿井智能排水系统由PLC控制柜、现场数据总线触摸屏、检测部分（模拟量和开关量输入模块、各种监测探头、行程开关、液位仪等）、执行部分及上位机（工控机）等组成，总体结构如图7所示。本控制系统的软件设计由下位机PLC程序和上位机程序组成，PLC控制程序包括：主程序、水泵一键启动程序、水泵自动轮换子程序、“避峰填谷”子程序、系统保护子程序、抢险强排系统与主排系统智能切换程序、故障监测和保护程序等。完成硬件组态和PLC程序设计后，基于虚拟仪器开展了上位机组态软件设计，系统分别以动画、报表、棒图和报警等数据方式， 实现了矿井多水平排水泵群的远程一键启停、状态监测监控和智能过程控制。 （3）针对排水系统的故障，从传感器冗余、控制器软冗余、光纤环网、备用电源等关键设备入手，开展控制与通讯系统可靠性设计。使用标准Web浏览器远程实时监测监控SCADA Server动态数据，通过编解码技术及碎片式云端多路备份加密技术，确保系统的网络通讯安全。 3、与当前国内外同类技术比较 到目前国内外尚未有集煤矿数据管理、涌水预测、联合布置与智能排水一体的综合性系统。本课题将井巷基础地理信息与排水系统的设备信息紧密耦合，基于智能控制决策理论构建井巷水灾预测、预警模型，开发井巷与排水系统的三维网络，并以立体、直观地方式进行可视化展示，实现多信息数据融合分析。并且，实现了主排水泵的高效率、长寿命，泵效提高了15～20%。本课题在煤矿系统大水矿井具有示范意义及广泛的应用价值。