张文锋

（河北钢铁集团滦县常峪铁矿有限公司  河北省唐山市   063700）

摘要：地下金属矿山排水系统的智能化改造是提升矿井安全与能效的关键路径。本文以某地下金属矿山项目为例，分析了排水泵远程控制原有机制存在的问题，以响应滞后、依赖人工诊断故障、能耗效率低下为代表。具体的自动化改造目标是构建全参数感知体系、开发多级安全联锁机制、设计自适应控制算法并通过融合历史工况数据与实时监测信息。在此基础上，本文围绕全参数实时监测与智能调控改造、多级安全连锁与故障自诊断改造、能耗优化与自适应控制改造三个方面，分析了地下金属矿山排水泵远程控制自动化改造技术的实践应用，供参考。

关键词：地下金属矿山；排水泵；远程控制；自动化改造

引言

在地下金属矿山开采过程中，排水泵是保障矿井生产安全的核心设备之一，主要承担排除作业面涌水、维持巷道稳定性的关键任务。一般来说，随着开采深度的逐渐增加，金属矿山地质条件的复杂程度会逐渐加大，导致涌水量的稳定性下降。这一客观条件对排水泵的控制模式、控制精度均提出了更加严格的要求。传统的人工或半自动排水控制模式存在响应滞后、调控精度不足、能耗效率低下等问题；而一般的远程控制多采用基础的PLC可编程逻辑控制架构，依赖固定阈值决定水泵的启停，一旦涌水量呈现出“非线性变化”的趋势，这种常规的远程控制机制的控制效果便会大打折扣。基于此，必须对排水泵的远程控制机制进行自动化改造升级，从而达到提高地下金属矿山工程生产安全性的目的。

1.地下金属矿山排水泵远程控制自动化改造案例概况

1.1矿山排水系统及远程控制现状概述

地下金属矿山排水系统通常由多级离心泵、管道网络、蓄水仓及控制单元组成，其核心功能是通过动态调节水泵运行状态实现矿井涌水的持续排放[1]。当前多数矿山采用基于PLC的远程控制系统，通过压力传感器、液位计等设备采集关键参数，依托工业以太网将数据传输至地面监控中心。典型控制逻辑以固定阈值判断水泵启停，例如当蓄水仓液位超过预设的1600mm时启动主泵，低于300mm时停止运行。现有系统普遍存在数据采样频率偏低（通常为1次/10s）、调控响应延迟（平均5～8s）以及传感器冗余度不足的问题，导致涌水量突变时易出现排水滞后或设备空转。此外，传统远程控制缺乏对水泵电机振动（监测精度±0.5mm/s）、轴承温度（量程0～150℃）等健康状态的实时诊断能力，故障预警主要依赖人工经验判断，平均故障排查耗时超过2h。通信协议多采用Modbus RTU，其抗干扰能力较弱，在井下电磁环境复杂区域易出现数据丢包率升高（最高达12%），直接影响控制系统的可靠性。

1.2自动化改造升级的必要性与目标

矿山开采深度的持续增加导致水文地质条件日趋复杂，涌水量波动范围从日常的110 m3/h骤增至突水工况下的220m3/h，传统固定阈值控制模式难以适应非线性排水需求。现有系统在突水工况下调控延迟可能引发蓄水仓溢流风险，实测表明当液位超过警戒值1.8m时巷道淹没概率增加47%。人工巡检机制受限于井下环境恶劣、巡检周期长（通常6h/次），难以及时发现泵体气蚀、密封失效等渐进式故障，据统计35%的突发停机事件源于未被监测的隐性设备劣化。国家安全生产法规对矿山排水系统提出强制性要求，规定涌水排放滞后时间不得超过3min，而现有系统在极端工况下响应时间可能突破5min。基于此，自动化改造需实现三大目标：一是构建全参数感知体系，通过升级传感器网络（采样频率提升至1次/s）与边缘计算模块，对流量（精度±1.5%）、扬程（量程0～10MPa）、电机效率（监测误差＜0.8%）等参数进行同步采集；二是开发多级安全联锁机制，将水位超限、振动超标（阈值4.5mm/s）、绝缘电阻下降（下限1MΩ）等风险因子纳入实时决策模型，确保故障触发至执行停机的全流程耗时压缩至500ms以内；三是设计自适应控制算法，通过融合历史工况数据与实时监测信息，动态优化水泵启停组合与转速策略，目标将系统综合能效。

2.排水泵远程控制自动化改造技术实践分析

2.1全参数实时监测与智能调控改造

在案例项目中，传统排水泵控制系统的单参数阈值判断机制已无法满足深部开采动态涌水的调控需求[2]。矿山-425m中段实测数据显示，涌水量在24h内的波动范围可达110～220m3/h，而原有液位传感器的采样间隔为10s，控制逻辑仅基于蓄水仓液位单一变量，导致水泵频繁启停，日均动作次数超过50次，且扬程利用率不足60%。为此，改造方案聚焦于构建多维度感知网络，与自适应控制算法深度融合，通过引入模糊PID（比例-积分-微分）算法，目的是对泵组运行参数进行动态优化。具体来说，首先需要构建水泵流量与扬程的动态平衡方程，其输出调整量Δu(t)由模糊PID算法确定：

该值通过归一化映射为水泵转速调整指令，将3#泵转速从额定值2900r/min提升至3120r/min（增幅7.6%），同时关闭冗余的1#泵。为评估算法有效性，选取三种典型工况进行对比测试（如表1所示）。

​表1 模糊PID算法调控效果对比​

数据分析表明：在动态波动涌水工况下，系统响应时间从改造前的8s缩短至1.8s，液位控制精度提升至±0.05m（原系统为±0.2m）。能耗方面，峰值高涌水工况的单日能耗从改造前的58.3kW·h降至45.9kW·h，降幅达21.3%。这一改进源于算法对多泵协同运行的优化调度，避免了低效泵组的持续空转。此外，积分项的累积效应有效抑制了液位的周期性波动，微分项则显著降低了超调风险。

2.2多级安全连锁与故障自诊断改造

在案例项目中，传统排水系统的安全防护机制依赖于单一液位超限触发停机的简单逻辑，缺乏对设备运行状态、环境风险因子的综合感知能力^[3]。矿山-425m中段曾因电机绕组局部过热（监测值达155℃）未被及时识别，导致主泵烧毁并引发排水中断，造成直接经济损失超过120万元。现有系统仅配置温度传感器阈值报警（设定值150℃），但未与水泵控制逻辑形成联锁，且故障诊断依赖人工经验判断，平均故障定位耗时超过90min。为此，改造方案通过构建多级安全联锁模型与LSTM（长短期记忆）神经网络驱动的故障自诊断系统，希望能够主动预防各类故障，避免故障出现后被动相应。多级安全联锁的核心在于建立多维度风险因子与设备动作的实时映射关系。定义安全联锁触发函数为：

①遗忘门：根据当前输入数据（如振动频谱、温度）与前一时刻的隐藏状态，计算需要从历史记忆中遗忘的信息比例，通过Sigmoid函数输出0～1的权重值^[4]；

②输入门：同步计算两部分内容：其一，使用Sigmoid函数确定哪些新信息需要加入记忆单元；其二，通过tanh函数生成候选记忆内容（如电机电流的异常波动模式）；

③记忆单元更新：将遗忘门的输出与上一时刻的记忆单元状态相乘，剔除无效历史信息，再叠加输入门筛选的新候选内容，形成更新后的长期记忆；

④输出门：结合更新后的记忆单元与当前输入数据，通过tanh函数激活并输出隐藏状态，用于故障分类（如气蚀、轴承磨损等）。

根据该结果，系统立即切断电源并启动备用泵，较改造前的手动处置时间明显缩短。故障自诊断模块的训练数据涵盖矿山12个月的历史运行日志，包括电机电流、轴承温度、振动频谱等多个维度的特征。LSTM网络经测试集验证，对气蚀、轴承磨损、绝缘老化、叶轮堵塞四类故障的诊断准确率提升至93.7%。通过对比测试（如表2所示），LSTM模型对绝缘老化的识别准确率显著优于传统阈值报警，且平均响应时间控制在9秒以内。此外，LSTM模型对渐进式故障（如绝缘老化）的识别优势显著，其准确率较阈值报警提升50%以上。在叶轮堵塞案例中，模型提前12min预警振动幅值趋势异常（从2.1mm/s缓增至4.8mm/s），为维护人员争取了应急处置窗口。

​表2 故障自诊断性能对比测试数据​

2.3能耗优化与自适应控制改造

在案例项目中，传统排水泵组的能耗效率受限于固定转速运行与人工调度策略，尤其在涌水量波动剧烈的深部开采中，系统综合能效比长期低于0.75kW·h/m³。矿山-425m中段配备5台额定功率为344 kW，额定流量155 m³/h的离心泵。实测数据显示，当涌水量低于120m³/h时，单泵运行效率仅为额定值的65%～70%，且夜间电价低谷时段（0.38元/kW·h）的泵组利用率不足30%。为此，改造方案通过引入多目标优化算法与动态优先级调度策略，构建基于实时工况的能耗自适应控制体系。水泵系统总能耗E可建模为：

3.结语

综上，地下金属矿山排水泵远程控制自动化改造技术，通过集成智能感知、动态调控与预测性维护，实现了从传统经验驱动向数据驱动的跨越。未来，随着人工智能与物联网技术的深度融合，矿山装备的自主决策能力将进一步提升。

参考文献：

[1]张健.基于物联网技术的防汛防涝管理系统[J].广东土木与建筑,2023,30(06):105-106+114.

[2]王艺明.煤矿主排水泵自动化吸水系统设计[J].陕西煤炭,2022,41(02):115-118.

[3]王彪,刘建东,韩晓辉,等.井下主排水泵远程控制系统在张庄矿的应用[J].现代矿业,2021,37(12):89-90.

[4]何水龙,钟毅,吴富姬,等.DCS控制系统在矿井水泵远程控制中的应用研究□[J].中国新通信,2021,23(20):100-101.