底抽巷智能煤水處理系統設計

常云飛 寧雪艷

摘要：為了解決煤礦底抽巷水力沖孔煤水混合物清理難題，本文介紹了一種由制漿遠程輸送機、煤渣精準計量系統、振動式煤水分離篩、過濾水循環再利用設備及管路裝置等構成底抽巷煤水智能處理系統，對該系統的整體方案進行了描述，對實現煤水所含煤渣的在線實時計量進行了原理分析和硬件選型，并對煤水智能處理的控制系統進行了設計。應用結果表明，利用流量計和濃度計測量得到的煤量與時間成正比關系，滿足計量精度要求。經過近八個月的運行，底抽巷煤水混合物智能處理系統運行表現穩定，系統處理后的煤粒樣本的含水率約為28%，煤水分離效率達到了92%，取得了良好的底抽巷煤水混合物的清理效果。

關鍵詞：底抽巷；水力沖孔；煤水混合物；在線實時計量

DOI：10.12433/zgkjtz.20240404

隨著我國煤炭開采規模不斷擴大，開采深度逐步增加，煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水害、熱害等災害也日益頻發，其中尤以瓦斯事故更為嚴重。區域瓦斯治理是高突礦井實現安全生產、有效防范重大災害事故的根本措施。

焦作礦區瓦斯地質條件復雜，煤層瓦斯含量高、透氣性差、危險性大。通過多年的實踐，焦作礦區目前確立了“底抽巷穿層鉆孔+水力沖孔”的區域瓦斯治理模式。水力沖孔作業期間，大量煤水混合物排到巷道內，煤水亂流、泵坑淤積，底抽巷面貌臟、亂、差；煤渣計量誤差大；運輸設備多，設備維護和人工清煤工作量大；煤水混合物處理效率低。

部分學者及技術人員對底抽巷水力沖孔排出煤水混合物的高效處理技術及裝備進行了研究及試驗，顏威合等設計了由脫水篩、接煤裝置、液下渣漿泵、專用泥漿泵、液壓系統、水箱以及附件等組成的成套裝備。郭俊強在鶴煤公司八礦3205底抽巷開展“鉆沖篩運”一體化瓦斯治理技術研究，利用孔口密封裝置和連接裝置使鉆孔施工過程中排出的煤水全部流入煤、氣、水收集設備內，并利用振動篩固液分離機對煤水進行篩分，分離后的煤渣經輸送帶直接裝入礦車。郝殿等研制了履帶式煤水分離及計量輸送裝置，該裝置采用履帶行走，通過螺旋輸送機及條縫篩實現煤、水自動分離，利用計量箱體完成煤渣的一次計量，再經輸送裝置將煤渣輸送到礦車上。

但上述各技術方案均無法實現煤渣的在線實時計量，無法為水力沖孔作業工藝的及時調整提供依據。另外，水力沖孔作業時消耗大量的清水，造成了水資源浪費，增加了生產成本，制約了當前煤礦智能化發展的進程。為此，本文介紹底抽巷煤水混合物智能處理系統，可以解決煤礦底抽巷水力沖孔煤水混合物清理這一難題，增強底抽巷煤水混合物的清理效果，為安全高效生產提供有力保障。

一、煤水智能處理系統方案設計

為提高底抽巷水力沖孔排出的煤水混合物的清理輸送效率，煤礦在1508底抽巷應用管道輸送的方式，構建了煤水混合物遠距離輸送智能處理系統，整體構成如圖1所示，具有對煤礦瓦斯抽放巷道打鉆和水力沖孔排出煤水混合物的收集、破碎制漿、遠距離輸送、煤水分離、煤渣在線計量及過濾水循環利用等功能。

由圖1可知，該煤水遠距離輸送處理系統主要由制漿遠程輸送機、煤渣計量系統、精細篩分機、過濾水循環再利用及管路系統構成。其中，制漿遠程輸送機主要由破碎裝置、煤水貯存箱、泵送裝置和管道沖洗裝置等構成。由破碎裝置對水力沖孔排出的煤水混合物中的煤塊及矸石塊進行破碎，使其達到合適的粒度后進入煤水箱中，泵送裝置利用渣漿泵將煤水貯存箱中的煤水經管道進行遠距離輸送。當泵送裝置停止輸送煤水時，利用管道沖洗裝置將管道中殘余的煤水沖出管道，避免管道煤粉淤積。

煤水混合物由特種制漿輸送機經管道輸送到井下采區運輸系統的皮帶輸送機旁，煤水混合物由精細篩分機進行固液分離，篩分后的煤粉轉載至采區皮帶機運出，過濾水經管道流入積水坑中，由沉入積水坑中的清水泵把過濾水輸送到底抽巷水力沖孔用的沖孔泵的水箱中，實現過濾水的循環利用。

煤水混合物在經管道輸送過程中，利用流量計和濃度計對管道中輸送的煤水混合物的瞬時流量和瞬時濃度進行檢測，分析顯示出管道中流過的煤水混合物中的煤粉的瞬時質量和累積質量，實現煤水混合物中煤粉的初次計量。

二、煤水智能處理控制系統硬件設計

根據煤水混合物體積濃度定義，管道輸送的煤水混合物所含煤渣的體積為

式中，Vm—煤水混合物中煤渣體積；

Cv—煤水混合物中煤渣的體積濃度；

Q—煤水混合物總流量，m3/h；

t—煤水混合物的輸送時間，h。

利用對管道輸送時煤水混合物流量和濃度的測量，能推算出煤水混合物所含煤渣的體積，實現水力沖孔煤水混合物所含煤渣量的在線實時計量。在此，選用GB－CMR型礦漿在線濃度計，該傳感器基于元器件振動原理進行工作，由于煤水混合物的體積濃度和被測液體流動時的震動頻率密切相關，當被測煤水體積濃度變化時，煤水流動時的振動頻率也隨之改變，進而實現對煤水混合物濃度、固含量等參數的檢測。

擬合計算后，得到其標定方程為

同時，選用LZD127/50G型礦用隔爆兼本安型電磁流量計對煤水混合物的流量進行實時測量。該流量計是基于法拉第電磁感應定律進行工作的，當導電體在磁場內運動時，與磁場方向和運動方向相互垂直的導電體兩端產生感應電動勢，生成感應電動勢的大小與導電體的運動速度和磁感應強度大小成正比。

當煤水以平均流速V（m/s）通過裝有一對測量電極的內徑為D（m）的絕緣管時，該管處于一個均勻的磁感應強度為B（T）的磁場中，對電極會產生同時垂直于磁場方向和液體流動方向的感應電動勢E（v），則有

其中，。因此，流量與感應電動勢E成正比。

根據煤水混合物煤渣計量及顯示的要求，選用KXJ660型礦用隔爆兼本安型顯示控制箱。該顯示控制箱由防爆箱體、西門子S7－1200PLC可編程控制器、輸入模擬量信號模塊、輸入模擬量信號隔離安全柵、輸入頻率信號隔離器、24V本安電源、文本顯示屏、輸入變壓器和輸出繼電器等構成，控制器外部可以配接隔爆型真空電磁起動器、設備開停傳感器、瓦斯及CO濃度傳感器、流量傳感器、礦漿濃度傳感器、水位傳感器等煤礦電氣設備，具有自動控制、遠程通信、實時監控、及時報警等功能，通過顯示屏顯示設備運行狀態及參數，可以通過網絡或RS485等通訊方式實現數據的遠距離通訊傳輸。該控制系統的原理如圖2所示。

三、煤水智能處理控制系統軟件設計

根據水力沖孔煤水混合物不落地遠程管道輸送工藝和系統的設計要求，該控制系統需要具備如下功能：第一，通過控制柜上的旋鈕實現系統運行方式的切換和系統各設備的運行控制。第二，接收液位傳感器信號，通過補水閥實現煤水箱液位的自動補水。第三，接收流量計和濃度計等傳感器信號，經過PLC的模數轉換及計算分析，通過顯示屏顯示煤水經管道輸送時的瞬時流量、瞬時濃度，計算煤渣的瞬時質量和累積質量等；第四，當異常狀況出現時，系統進行報警輸出及顯示；第五，根據倒計時設計，定時進行管道自動反沖洗。

控制系統軟件分為系統軟件和用戶程序兩個部分。系統程序是固化CPU中的程序，用于控制PLC本身的運作，實現系統自檢、PLC運行管理及存儲空間管理。用戶程序存儲于系統管理程序指定的存儲區內，用于對具體控制對象的運行控制，實現對所采集數據的處理、對中斷的響應以及對異常和錯誤的處理。

系統軟件在上電后首先執行啟動程序，進行系統初始化和參數設置，然后會進入主循環，在每次循環中執行用戶主程序。液位傳感器把貯水箱的液位輸入PLC，并與設定的下限值進行比較，當液位超過下限值而低于上限值時，依次啟動煤水篩分機、破碎裝置、泵閥及輸送泵，流量計及濃度計將檢測的管道中渣水的流量和濃度信號輸入到PLC，經過模數轉換及計算后，得到煤水混合物流經管道時所含煤渣的瞬時質量和累積質量，并在屏幕上進行實時顯示。

當系統需要停機時，為了避免管道中煤渣沉積，系統將關閉泵閥，開啟沖管閥，沖洗管道中殘留的煤渣，經過延時后，系統自動停機，如果不需要停機，系統會依次循環運行。

四、系統運行效果分析

底抽巷煤水混合物智能處理系統首先在焦煤公司古漢山礦1508底抽巷進行了試驗和應用，利用該處理系統對1508底抽巷水力沖孔排出的煤水進行遠距離泵送和在線計量，最遠輸送距離達到900m。試驗過程中測量得到的煤量如圖3所示。

從圖3可以看出，利用流量計和濃度計測量得到的煤量與時間成正比，測試時利用計量刮板輸送機算得的當班的沖孔煤量約為1.41T/h，兩者測量結果基本一致，滿足計量精度要求。

經過近八個月的運行，底抽巷煤水混合物智能處理系統運行穩定，通過對水力沖孔排出煤水混合物進行篩分后的煤粒進行取樣，利用振動式煤水分離篩篩分后的煤粒樣本的含水率約為28%，煤水分離效率達92%，取得了良好的對水力沖孔煤水混合物的固液分離效果。

五、結語

為了對底抽巷水力沖孔排出煤水混合物進行高效清理輸送，本文構建了一套由制漿遠程輸送機、煤渣計量系統、精細篩分機、過濾水循環再利用及管路系統構成等構成的水力沖孔煤水混合物智能處理系統。該系統能實現水力沖孔排出煤水的連續輸送處理，減少煤渣清理環節，提高鉆孔的作業效率，同時能夠實現沖孔煤水含渣量的在線實時精準計量，為水力沖孔作業的優化提供可靠的依據，提高鉆孔整體成孔效率，縮短瓦斯治理周期，確保區域瓦斯治理抽采達標，節約采面投產準備時間，解決礦井采掘比例失調的難題，可為礦井的安全高效生產提供有力保障，助力礦井創造更大的經濟效益和社會效益，推動煤炭行業底抽巷煤水混合物處理的機械化、自動化和智能化發展。

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作者簡介：常云飛（1987），男，河南省盧氏縣人，本科，工程師，主要研究方向為礦山機電技術及管理。