大柳塔煤礦井下智能供水系統設計與應用

王 飛

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

目前煤礦產品價格較低、資源開采越來越深、作業環境惡劣、從業人員老齡化嚴重、人才短缺、人力成本攀升，安全環保要求越來越嚴格等不利條件都迫使煤礦企業必須向規模化、集約化、協同化轉變，采礦手段向遙控化、智能化乃至無人化發展也是必然趨勢。智能礦山目前尚未形成統一定義，根據當前的發展階段，大致形成一個建設目標，即生產工藝自動化、物流管理智能化、固定設施無人化、生產管理全面信息化，最終實現礦山的安全、綠色、高效開采，做到理念創新、體制創新、管理創新、技術創新[1-3]。智能礦山建設首先是基礎數據建設，即建成大數據存儲與分析平臺和礦山物聯網平臺，這是實現礦山智能化的先決條件。其次是實現生產管理的網絡化、遠程化、遙控化乃至無人化，最后使煤礦企業采礦作業環節、篩選加工環節、運輸環節、銷售環節實現完全無縫化、智能化[4-6]。而井下供水系統智能化是礦井智能化建設的一部分，通過對井下供水系統的自動化改造，達到供水泵房無人值守、運行異常報警、歷史數據分析、故障判斷等目的，使整個供水系統實現恒壓供水自我調節、系統漏水自動停泵等功能。

1 大柳塔煤礦井下供水系統

1.1 大柳塔煤礦地下水庫

大柳塔煤礦地下水庫利用“水往低處流”原理，在流動過程中實現了污水凈化的功能，流到低凹處實現了儲水成庫的功能，清水流出利用自壓輸水的功能。首次在井下建設了地下水庫，創造性地設計施工了安全可靠的地下水庫人工壩體，并將井下污水全部回灌到采空區自然凈化儲存利用，實現污水近零升井；同時，首次成功施工了155 m的大垂深垂直鉆孔，并利用“連通器”原理，盡可能地實現“自然壓差供水”，合理高效循環利用，讓礦井水牢牢處于掌控之中，節省了能源，保護了水資源，保護了環境，保證了礦井安全。

1.2 煤礦井下供水用途

現代化礦井中的高產能是利用大型機電設備實現的，此類設備運行過程中往往發熱較高，普通的風流冷卻方式已經不能滿足設備散熱需求，所以需要供水系統提供冷卻介質，提高散熱效率[7-11]。煤礦井下煤塵、巖塵、瓦斯等濃度較高，供水系統將水霧噴灑到空氣中具有很強的降塵消塵作用，可以有效改善礦井氣候，也是消防用水的主要來源。綜采工作面液壓支架、液壓單體的乳化液需要將乳化油與水按比例調制，作為液壓傳動的媒介，其中的水就來自井下供水系統。供水系統為井下路面沖洗、衛生清理提供水源，可以有效提高礦井安全質量標準化。綜上所述煤礦井下供水主要用于設備散熱、噴霧降塵、消防滅火、配置乳化液、提高安全質量標準化等用途。

1.3 煤礦井下供水系統缺陷

安全問題：煤礦井下供水一般由地面通過供水管路利用自然壓差供水，由于采區層高不同會影響礦井安全生產；供水管路出現漏水現象主要依靠工人沿供水線路巡察，無法及時發現，為礦井的安全生產帶來隱患。

水質問題：大柳塔煤礦井下供水系統水源來自地下水庫，由于沉淀過濾不完全和管路銹蝕等原因導致水體渾濁、水質不達標，會出現堵塞凈水系統過濾網的現象影響正常生產，而改善水質添加藥劑的過程中需要崗位工手動開泵注入，憑經驗判斷，無法準確把握藥量。

資源浪費：凈化水箱需要崗位工定期清理沖洗沉淀物，增加了工作量，占用了人力資源。然后，多臺供水加壓泵同時運行無法精確提供出水壓力，造成能量的浪費和設備的過度運行。

2 大柳塔煤礦井下智能供水系統設計

大柳塔煤礦井下智能供水系統分為水凈化處理系統和恒壓供水系統兩部分。老舊的供水系統各環節都需要人工操作，工序繁復效率低下，無法對供水安全系統有效監測，嚴重制約供水質量，需要對供水安全系統進行自動化改造。

2.1 水凈化處理系統設備改造

更換水倉進水閥門：地下水庫利用自然壓差向原水倉供水，原水倉利用閥門調節供水量維持原水倉液位滿足生產；將原水倉進水閥門更換為電動閥，根據原水倉液位設定的上下限值控制電動閥開停，使原水倉液位維持在限定值內。

安裝多參數水質監測儀：原水倉水源經過凈化水箱凈化后由離心泵注入清水倉，清水倉安裝多參數水質監測儀，實時監測水質參數。

安裝計量泵：凈化水藥箱通過自然沉淀和添加藥劑改善水質，在藥劑箱與凈化水箱之間安裝計量泵，通過監測到的水質參數控制計量泵啟停，實現自動定量添加藥劑，改善水質。

凈水箱反沖洗管路安裝電動閥：凈化水箱沉淀物通過反沖洗管理實現外排，在凈水箱反沖洗管路安裝電動閥，通過程序遠程控制電動閥定時啟停，實現自動反沖洗，清理水箱沉淀物。

實現自動和遠程控制：水倉液位、電動閥、多參數水質監測儀、計量泵通過PLC實現自動控制和上位機的遠程集中監控。

2.2 智能恒壓供水系統設備改造

安裝壓力計和流量計：加壓泵電機由變頻器控制，通過PLC給定頻率實現加壓泵電機的變頻調速和多臺加壓泵電機的聯動控制。供水系統總管路出口處安裝壓力計和流量計，將壓力值與流量值作為恒壓供水調節的參考值。煤礦井下盤區采掘工作面供水管路安裝壓力計，獲取用水點壓力值為恒壓供水系統壓力設定提供參考值。

加壓泵出水管路安裝電動閥：每臺加壓泵出水管路安裝電動閥，通過PLC將電動閥與泵電機聯動，防止停泵期間水流逆行。變頻器、壓力計、流量計和PLC進行遠程集中監控，在上位機建立人機對話界面。

2.3 智能供水系統供電設備改造

煤礦井下供水系統的供電設備主要有移動變電站、真空饋電開關、真空電磁啟動器、變頻器、照明信號綜合保護裝置。移動變電站將礦井10 kV高壓電變成660 V低壓動力電，并對低壓供電網絡進行監測和保護；真空饋電開關對下一級供電設備進行保護并對上一級供電線路隔離，真空電磁啟動器與變頻器啟動電機，照明信號綜合保護裝置為井下照明及信息網絡設備提供電源和保護。移動變電站、真空饋電開關、真空電磁啟動器、變頻器、照明信號綜合保護裝置全部改裝為可通訊保護器，使其具備數據上傳功能，利用Tcp/IP和Modbus通訊協議與PLC通信，實現數據上傳，由上位機遠程集中監控。

2.4 智能供水系統工作流程

工作原理：智能供水系統流程圖如圖1所示。大柳塔煤礦地下水庫水源利用“自然壓差”流入智能供水系統進水管路；設定原水倉水位上下限值，原水倉通過液位傳感器控制進水管電動閥啟停使原水倉水位維持在恒定范圍。設定清水倉水位上下限值，清水倉通過液位傳感器控制清水泵啟停為清水倉注水，使清水倉水位維持在恒定范圍。清水倉安裝多參數水質監測儀，將計量泵與清水泵聯動，通過監測pH值、溫度值、電導率、濁度值的水質參數控制計量泵啟停，實現自動定量添加藥劑改善水質。

圖1 智能供水系統流程圖

功能實現：凈水箱反沖洗管路上安裝電動閥，通過計算機程序設定電動閥啟停時間與啟停周期，實現自動沖洗凈水箱沉淀物。上位機采集煤礦井下盤區采掘工作面供水壓力值，根據生產需要將壓力設定值發送到PLC，PLC采集供水系統總管路壓力值與上位機壓力設定值比對，通過比對結果將調頻信號發送到變頻器，進行PID自動控制；當第一臺變頻器達到50 Hz工頻運行后總管路出水壓力仍未達到上位機設定值時，則在保持當前變頻器工頻運行的狀態下啟動下一臺變頻器進行調速，直到總管路出水壓力達到上位機設定值，多臺增壓泵聯動情況下原理相同。

故障判斷：當供水系統處于恒壓供水狀態運行時，總管路出水壓力值保持不變，而盤區采掘工作面供水壓力值短時間內出現急劇下降的情況，則判斷供水系統管路出現漏水，此時PLC下發緊急停車命令，并在上位機進行報警，生產指揮人員接到報警后指示相關巡察人員排除故障。上位機服務器存儲智能供水系統歷史運行數據，供水系統維護人員通過分析歷史運行數據曲線判斷設備運行健康狀態。例如，分析一臺加壓泵運行數據曲線，在工頻運行時轉速為1 400 rad/min，出水壓力為2.3 MPa，當出現工頻運行的轉速為1 400 rad/min，出水壓力明顯低于3.3 MPa時，則可判斷為泵葉輪磨損較大或軸承磨損嚴重等故障，由此為設備故障判斷提供可靠依據，提供設備檢修效率。

2.5 智能供水系統遠程集中監控

水凈化處理系統：水凈化處理系統示意圖，如圖2所示。預設定原水倉液位上下限，當水位低于下限設定值時則打開電動閥給原水倉補液，當水位高于上限設定值時則關閉電動閥停止補液。預選定水凈化系統泵電機，設定清水倉水位上下限值，當清水倉液位低于下限設定值時則開啟預選定泵電機給清水倉補液，當清水倉液位高于上限設定值時則關閉預選定泵電機停止補液。復用水系統保持清水倉液位始終在上下限設定值區間內，確保滿足智能供水系統需求。

恒壓供水系統集控：恒壓供水系統集控畫面，如圖3所示，實時監測智能供水系統運行狀態、水質、水倉液位、管路供水壓力、管路供水流量等參數。生產指揮人員可根據實際生產需求調整供水參數，實現全系統的遠程集中監控和人機對話。

供電系統集控：供電系統集控畫面，如圖4所示，智能供水系統的供電系統完全實現遠程集中監控、供電系統故障報警及故障判斷判斷、遠程分合閘、歷史數據存儲和歷史操作記錄等功能。

圖2 水凈化處理系統圖

圖3 恒壓供水系統集控畫面

圖4 供電系統集控畫面

3 結語

大柳塔煤礦井下智能供水系統的使用，大大減少了井下工人的工作量與工作強度，提高了設備運行效率，增加了系統使用壽命，降低了電能的損耗，降低了礦井企業的材料成本與人力成本。大柳塔煤礦井下智能供水系統運行后，加壓泵房無需再安排崗位工值守，供水系統運行狀態在上位機實施顯示，系統運行狀態實現自我調節，解放了人的勞動力；水凈化處理系統自動改善水質，減少了供水管路堵塞和銹蝕損耗，從根源上減少了供水系統故障發生率，降低了系統維護成本；供水系統設備運行根據實際使用需求自動調節至最優狀態，避免了能量和機械的額外損耗。通過系統不同區域位置的供水壓力值對比分析，可以及時發現漏水現象，為礦井安全生產提供保障。