智能化供排水系統(tǒng)在井下的應(yīng)用研究

史興義

（國(guó)家能源集團(tuán)神東公司哈拉溝煤礦,陜西 榆林 719315）

引言

通常情況下，在煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中都會(huì)有很多安全問(wèn)題存在，同時(shí)也有一些涉及到浪費(fèi)資源的問(wèn)題。為了保證煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)能始終處于安全的狀態(tài)，就必須在煤礦生產(chǎn)期間對(duì)安全問(wèn)題更加關(guān)注。因?yàn)椴傻V工藝日漸提升了自動(dòng)化與機(jī)械化水平，所以，煤礦開(kāi)采設(shè)備的質(zhì)量及其性能應(yīng)該得到全面保障，并對(duì)當(dāng)前最先進(jìn)的開(kāi)采工藝有所掌握。在煤礦開(kāi)采實(shí)踐中，供排水系統(tǒng)仍有安全隱患存在，水泵的檢修維護(hù)量較大，對(duì)煤礦生產(chǎn)安全產(chǎn)生了不利影響。為此，在煤礦建設(shè)期間，就有必要對(duì)當(dāng)前的供排水系統(tǒng)加以優(yōu)化，積極對(duì)供排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，應(yīng)用智能化供排水系統(tǒng)，以達(dá)到煤礦生產(chǎn)的安全要求，同時(shí)也能保證水資源的利用率進(jìn)一步提高。

一、煤礦井下應(yīng)用供排水系統(tǒng)的概述

（一）供水系統(tǒng)

當(dāng)前的礦井開(kāi)采方案中有三種開(kāi)采方式：平硐開(kāi)采、斜井開(kāi)采及立井開(kāi)采。不管利用的是哪一種方式，都是以主巷道水平為主呈多級(jí)分布。即便煤層相同，也可能有不同的煤炭?jī)?chǔ)存位置。基于此，各采區(qū)就有著不同的標(biāo)高差，而且差異很大，再加上水的靜壓作用影響，導(dǎo)致地面向井下供水時(shí)就會(huì)產(chǎn)生供水不足或水壓過(guò)高等問(wèn)題。礦區(qū)為了使標(biāo)高比較高的采區(qū)有充足的供水，不至于造成嚴(yán)重的粉塵污染和設(shè)備高溫運(yùn)作等，一般會(huì)有一個(gè)中央減壓處理水泵被設(shè)置于主巷道，降低水壓后再運(yùn)送至標(biāo)高較低的采區(qū)。選用這樣的處理方式能將各采區(qū)分水壓不均的問(wèn)題徹底解決，但是也有弊端存在。一是要由人工對(duì)中央減壓處理水泵進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)管，加大了勞動(dòng)強(qiáng)度，所以對(duì)人力資源的要求比較高；二是在維護(hù)和修理運(yùn)輸管道設(shè)備和中央減壓處理水泵的過(guò)程中，支出的經(jīng)費(fèi)較高，這就直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；三是在運(yùn)行過(guò)程中，中央減壓處理水泵對(duì)電能的消耗很大，這是一大筆的支出。

（二）排水系統(tǒng)

工業(yè)用水在經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)之后會(huì)向沉淀池不斷地流入，確保沉淀處理能符合排放要求，再利用排水系統(tǒng)向地面進(jìn)行排放。水文地質(zhì)有所不同，與此同時(shí)，礦井的涌水量也是不同的，在此基礎(chǔ)上，排水系統(tǒng)就要在滿20 小時(shí)的情況下，才能將礦井最大涌水期時(shí)一天的水量排完，對(duì)備用排水泵的運(yùn)作效率也有一定要求，要求其至少為主泵的75%。排水系統(tǒng)的組成部分主要有以下設(shè)備：過(guò)濾網(wǎng)、離心式水泵、調(diào)節(jié)閘閥等。如果以排出方式來(lái)劃分，可以分成以下三種設(shè)備：一是壓入式排水泵。該設(shè)備是指需排水的水位要比吸水口高，借助于壓力差將水壓入泵中排出到地面，而不能借助真空泵等壓力設(shè)備。此設(shè)備消耗的電能少，但是有很多不可控因素，不具有較高的安全性，一旦水壓過(guò)大，可能會(huì)有意外事故發(fā)生。二是吸入式排水泵。此設(shè)備是指排水的水位要比泵的吸水口低，吸水裝置被啟動(dòng)，再將水吸入泵中，這種方式有很高的安全系數(shù)，缺點(diǎn)則是高耗能。三是壓、吸并存式排水泵。這種裝置主要有兩個(gè)水倉(cāng)，即：上水倉(cāng)和下水倉(cāng)，上水倉(cāng)比泵的吸水口要高一些，而下水倉(cāng)的高度則比泵的吸水口要低。所以，可以同時(shí)進(jìn)行壓水、吸水，該設(shè)備既可靠又安全，但是造價(jià)較高。

二、智能化供排水系統(tǒng)在井下的應(yīng)用

（一）實(shí)時(shí)監(jiān)控采空區(qū)水

在煤礦開(kāi)采中會(huì)產(chǎn)生大量的水，我們要將水排在采空區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存并沉淀，防止采空區(qū)水位過(guò)高，在采空區(qū)上利用水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)的水壓（水位）和水溫等進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用壓力的溫度傳感器采集成的頻率信號(hào)，經(jīng)集成電路處理后，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)顯示于分站顯示屏上，水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)能在地面、井下準(zhǔn)確的測(cè)量水位的高度，該系統(tǒng)能夠在長(zhǎng)期無(wú)人值守的條件下自動(dòng)對(duì)水壓（水位）和水溫等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確地知道采空區(qū)水位高度，防止采空區(qū)的水位過(guò)高產(chǎn)生的水患。礦井采空區(qū)水害是五大災(zāi)害之一，通過(guò)使用該系統(tǒng)，可以有效地解決采空區(qū)高水位帶來(lái)的安全隱患，把采空區(qū)高水位的危險(xiǎn)性轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫盟Y源，避免了不必要排水設(shè)備的使用，節(jié)約了電費(fèi)和排水設(shè)備固定費(fèi)用的投入，徹底地扭轉(zhuǎn)了礦井水的危險(xiǎn)性，為礦井安全打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）合理利用礦區(qū)水

2012年之前，工作面用水一直是采空區(qū)過(guò)濾直供，由于采空區(qū)水缺氧，形成了Fe和Mn離子。此種水質(zhì)一旦接觸到空氣中的氧氣，會(huì)迅速形成難溶于水的鐵錳離子沉淀物，會(huì)堵塞工作面液壓系統(tǒng)，影響生產(chǎn)。

2012年施建了首套井下礦井水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將11-14采空區(qū)沉淀過(guò)濾后的水，通過(guò)6 臺(tái)原水泵抽進(jìn)4 臺(tái)凈水處理裝置，同時(shí)加入高錳酸鉀，把污水中鐵錳離子清除，然后通過(guò)過(guò)濾和沉淀輸出凈化水，充分用于井下生產(chǎn)復(fù)用，復(fù)用量為200m3/h。全礦工作面實(shí)際用水量約為120 m3/h，復(fù)用水處理系統(tǒng)的能力為200m3/h，所以剩余的80m3/h 處理凈化水，可以利用外排水泵直接提升至地面洗煤廠使用，從而使其更有效的再利用。通過(guò)我礦的復(fù)用水系統(tǒng)的合理應(yīng)用，可以為建設(shè)周邊的綠水青山提供充足的水資源，為哈拉溝煤礦生態(tài)示范基地提供了保障。自從該系統(tǒng)投入后，為礦井和礦區(qū)帶來(lái)了諸多效益。

（三）有完善的供排水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在煤礦井下對(duì)智能化供排水系統(tǒng)的應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)完善的供排水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供排水系統(tǒng)的多級(jí)化遠(yuǎn)程檢測(cè)監(jiān)控，進(jìn)而能對(duì)管道供水水壓進(jìn)行分配管理，排水問(wèn)題也得到解決。目前，智能化供排水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的基本都是PLC 編程軟件，建立的是流體管網(wǎng)系統(tǒng)模型，人工成本減少的同時(shí)還能提升供排水系統(tǒng)效率，由此便能達(dá)到平衡系統(tǒng)的全面水力的目的。該系統(tǒng)投入前，礦井都是使用接力排水，最后進(jìn)入中央水倉(cāng)后重新排入采空區(qū)或者外排。自從有了該系統(tǒng)后，每個(gè)綜采工作面的污水直接排入采空區(qū)，利用水位差直接自流到水處理裝置，有效地減少了礦井的排水設(shè)備投資。

（四）環(huán)境效益

節(jié)約自來(lái)水資源。由于該系統(tǒng)直接使用井下采空區(qū)的系統(tǒng)處理水，來(lái)代替使用井上自來(lái)水資源，相當(dāng)于每年節(jié)約輸送自來(lái)水約1314000m3。

減少CO2排放。自從復(fù)用水系統(tǒng)投入后，我礦每年可以節(jié)約使用自來(lái)水100多萬(wàn)方，供水系統(tǒng)和電力設(shè)備使用量也相應(yīng)大幅減少，從而大大減少了相應(yīng)CO2的排放量。

緩解了水資源。我礦處于陜北嚴(yán)重缺水地區(qū)，每年外排處理后的凈化水水量約為438000m3，通過(guò)這套系統(tǒng)，哈拉溝煤礦可以自給自足、為礦區(qū)居民生活用水騰出更多水資源，能夠更好地緩解礦區(qū)地面水資源缺乏。

帶動(dòng)了周邊生態(tài)環(huán)境的完善建設(shè)。通過(guò)我礦的復(fù)用水系統(tǒng)的合理應(yīng)用，可以為建設(shè)周邊的綠水青山提供充足的水資源，為哈拉溝煤礦生態(tài)示范基地提供了保障。

（五）使用多功能水泵控制閥

在煤礦井下排水系統(tǒng)中，電動(dòng)閘閥是比較常用的，只是這種閘閥有非常明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)為：電動(dòng)閘閥能迅速地開(kāi)啟和關(guān)閉，并且縮短閥門啟閉的時(shí)間；便于操作控制，對(duì)壓力和口徑較大的閥門比較適合；實(shí)現(xiàn)智能化控制。缺點(diǎn)為：安裝維修的難度大、昂貴的價(jià)格，不便于控制，安全系數(shù)低。所以，受電子閘閥的局限性所影響，智能化供排水系統(tǒng)就利用了多功能水泵控制閥，這種閘閥更加安全、更合理，而完全取代逆水閥、電動(dòng)閘閥和水錘消除器這三種裝置是這一新型閥門具備的最大特點(diǎn)。簡(jiǎn)述其工作原理可以概括為：由于啟動(dòng)之前閥門出口端有壓力，閥門就處于緊閉的狀態(tài)，膜片控制器上腔與壓力水是直接連通的，而下腔是和閥門進(jìn)口段低壓保持相通的，啟動(dòng)后致使進(jìn)口處的壓力升高，由此可打開(kāi)主閥門。此外，也能通過(guò)對(duì)外接管路上的控制閥有效利用，進(jìn)而對(duì)主閥門的開(kāi)啟速度實(shí)行控制和調(diào)節(jié)，智能且便于人工操控，水泵停止工作時(shí)就會(huì)降低閥門進(jìn)口段壓力，當(dāng)水流量基本不存在時(shí)，主閥門受自身重力的影響能夠自行關(guān)閉，人可以去控制關(guān)閉速度。

結(jié)語(yǔ)

在煤礦發(fā)展過(guò)程中，井下智能化供排水系統(tǒng)的應(yīng)用尤為重要。本文先討論了井下供排水系統(tǒng)，也指出了當(dāng)前供排水的安全以及浪費(fèi)資源等問(wèn)題，并提出要加強(qiáng)應(yīng)用智能化供排水系統(tǒng)，能夠發(fā)揮供排水循環(huán)功能，合理利用礦區(qū)涌水，有完善的供排水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還能優(yōu)化排水點(diǎn)以及運(yùn)用多功能水泵控制閥，這對(duì)于煤礦企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展都具有重要意義。