煤礦井下水自動化處理系統(tǒng)設(shè)計

趙奕杰 黨濱 王東

摘要：近幾年，我國大部分地區(qū)水資源短缺，加之我國大部分豐富的煤炭資源就分布在水資源匱乏的地區(qū)，為保護(hù)環(huán)境、節(jié)約成本且滿足煤礦企業(yè)用水需求，合理處理并利用煤礦井下水資源已迫在眉睫。該方案是對現(xiàn)代煤礦水處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，適合新建礦企和舊礦的擴(kuò)能改建，成本低，耗能少，效率高，值得推廣。

關(guān)鍵詞：井下水;混凝;超磁分離;電泳;PLC

1引言

我國是一個水資源嚴(yán)重不足的國家，就煤炭行業(yè)而言，全國86個國有重點(diǎn)煤礦區(qū)中有71%缺水，40%嚴(yán)重缺水，80%的煤礦職工飲用不潔水。因此，礦井水的資源化及提高井下水的利用率對于緩解礦區(qū)水資源匱乏和環(huán)境污染，提高人們生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義[1-3]。

本文通過分析井下水水質(zhì)及煤礦用水主要用途，結(jié)合傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代工藝進(jìn)行井下水凈化處理，設(shè)計出一套煤礦井下水處理方案，實(shí)現(xiàn)了井下水的高效開發(fā)和利用，提高了礦井水的綜合利用率。

2煤礦井下水水質(zhì)分析

井下水主要由地表水、地下水和礦井廢水組成。我國大部分地區(qū)地下水的水質(zhì)差異不大，因此井下水的水質(zhì)主要與開采煤層中所含的礦物質(zhì)成分和井下工人作業(yè)、生活方式有關(guān)。地下水沿井筒流入井下水倉的過程中與地層中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水中的離子和化合物含量不斷增多，致使井下水硬度、含鹽量增高，井下水呈酸性或者堿性。同時，井下工人生產(chǎn)作業(yè)和生活，導(dǎo)致井下水中懸浮物（主要包括細(xì)小煤質(zhì)顆粒、泥沙等）、細(xì)菌和有機(jī)物含量不斷增加。因此，煤礦井下水是硬度高、含鹽量高的或酸或堿性懸濁液。

3煤礦井下水自動化處理工藝

3.1傳統(tǒng)工藝

（1）混凝—沉淀—過濾—消毒

（2）預(yù)沉—混凝沉淀—?dú)飧　^濾—消毒

3.2現(xiàn)代工藝

（1）超磁分離井下水處理工藝

超磁分離水體凈化工藝是一種新興水處理技術(shù)。將超磁分離水體凈化工藝應(yīng)用于煤礦井下水處理，可以提高懸浮物去除效率，減少絮凝劑等藥劑的使用，有效防止了水質(zhì)的二次污染。

（2）電泳降沉井下水處理工藝

電泳是指帶電荷的粒子或分子在電場中移動的現(xiàn)象。該工藝較傳統(tǒng)的重力沉淀去除井下水中懸浮物效果好，凈化效率高，同樣可以減少絮凝劑等藥劑的使用，有效防止水質(zhì)的二次污染。

4煤礦井下水自動化處理方案設(shè)計

針對煤礦井下排水量普遍較大，我們采用井下井上水處理一體化設(shè)計，傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代工藝相結(jié)合，有效提高井下水處理效率。

方案設(shè)計水處理廠為地上和地下兩部分。同時將井下水分為井下廢水和地下水兩部分處理，未污染的地下水直接采集提升到地面處理廠進(jìn)行消毒處理，供井上井下的生活用水;被污染的井下廢水匯集到井下水倉進(jìn)行處理。井下設(shè)置主、副兩個水倉，均須滿足有效容積8小時以上的井下正常涌水量，且在清理維護(hù)時互不受限?？蓪⒃忻旱V井下水倉進(jìn)行改造與重新布置，在水倉中設(shè)置阻流堰進(jìn)行井下水的調(diào)節(jié)、中和，并將水倉中部分割成若干沉淀池進(jìn)行預(yù)沉淀，在水倉倉尾分割出一氣浮池進(jìn)行細(xì)小懸浮顆粒與油污的氣浮處理。初級處理之后的井下水加藥與磁粉混合反應(yīng)，然后通入井下的超磁分離器進(jìn)行二次處理，除去一次沉淀未處理完全的懸浮物等雜質(zhì)。初級沉淀與二次處理產(chǎn)生的雜質(zhì)全排出到井下污泥池，進(jìn)行壓濾處理，將煤泥提升到井上作煤礦鍋爐燃煤使用，磁粉回收再利用。處理后的水一部分直接供井下生產(chǎn)作業(yè)用水，一部分經(jīng)高壓泵提升到地面處理廠。提升到地面的水一部分直接供煤礦工業(yè)用水，包括選煤廠補(bǔ)充用水、設(shè)備冷卻、綠化清潔等;另一部分經(jīng)地面處理廠消毒處理達(dá)標(biāo)后供井上井下的生活用水。經(jīng)處理后的水，使用后可再次收集進(jìn)行循環(huán)處理。井下水自動化處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

5煤礦井下水自動化處理系統(tǒng)設(shè)計

5.1系統(tǒng)主要裝置及結(jié)構(gòu)方案

煤礦井下水自動化處理系統(tǒng)主要由現(xiàn)場信號采集設(shè)備、西門子S7-200PLC、以太網(wǎng)交換機(jī)、以太環(huán)網(wǎng)和上位機(jī)組成。液位、流量、壓力等傳感器采集到的信號傳輸?shù)骄挛鏖T子S7-200PLC，然后通過以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)入井下以太環(huán)網(wǎng)，經(jīng)由以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機(jī)。采用Wincc組態(tài)軟件作為上位機(jī)組態(tài)軟件，傳輸至上位機(jī)中的信號通過組態(tài)軟件界面的工藝流程圖進(jìn)行實(shí)時顯示。同時PLC接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令，對系統(tǒng)開關(guān)量進(jìn)行起?？刂?。井下水自動化處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

5.2系統(tǒng)主要裝置設(shè)計

5.2.1西門子S7-200PLC

PLC具有結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高、編程簡單、耗電量小、功能強(qiáng)大、維修方便和設(shè)計周期短等特點(diǎn)，適用于井下惡劣的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，本系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC。S7-200PLC基本構(gòu)成框圖如圖3所示。

PLC對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理，PLC 主要控制水泵開停、電動閥門開關(guān)以及互沖洗濾罐閥門的開關(guān)。

5.2.2液位傳感器

由于煤礦井下排水系統(tǒng)的重要性，而液位傳感器是整個排水系統(tǒng)合理運(yùn)行的關(guān)鍵所在，選擇合適的液位傳感器以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）穩(wěn)定性要好，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行;

（2）井下空氣中懸浮的粉塵較多;

（3）傳感器制造成本;

（4）水池高2m，傳感器量程無需太大。

綜合以上條件，我們選擇穩(wěn)定性好、制造成本較低、量程在4～8m的投入式液位傳感器。投入式液位傳感器功能模塊圖如圖4所示。

6煤礦井下水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)井下水自動化處理的控制要求進(jìn)行方案制定，主要包括PLC軟件程序設(shè)計和Wincc組態(tài)軟件程序設(shè)計兩個部分。

6.1PLC軟件程序設(shè)計

PLC軟件程序設(shè)計采用西門子標(biāo)準(zhǔn)編程軟件Step7編程，使用梯形邏輯圖、功能模塊和語句表進(jìn)行程序編制。整個程序包括供電狀態(tài)檢測、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)檢測（包括液位、流量、壓力、開關(guān)量等）、水泵開?？刂?、閥門開關(guān)控制、故障報警等模塊。

6.2Wincc組態(tài)軟件程序設(shè)計

上位機(jī)組態(tài)軟件主要是生成人機(jī)交互界面，以便監(jiān)控人員進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。本系統(tǒng)采用Wincc7.0組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面開發(fā)，該應(yīng)用軟件可以對模擬量和開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。人機(jī)界面主要有工藝流程圖、模擬量歷史曲線、實(shí)時報表、歷史報表、報警系統(tǒng)和操作畫面。

7結(jié)束語

綜上所述，煤礦井下水是煤礦用水的重要來源，將煤礦井下水資源化迫在眉睫，對煤礦系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整和改善人們生活水平具有重要的意義。該水處理系統(tǒng)方案設(shè)計是對煤礦水處理系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，能耗低、效率高，貼合國家節(jié)能減排政策，實(shí)現(xiàn)煤礦水資源的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[3] 賈希榮.煤礦區(qū)開發(fā)與環(huán)境保護(hù)[J].2000年西部礦物資源開發(fā)利用發(fā)展找略研討會，2000.

作者簡介：趙奕杰（1991—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，本科，助理工程師，主要從事鉆探裝備技術(shù)研究與推廣工作。

（作者單位：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司）