大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王 飛

(神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719315)

0 引言

目前煤礦產(chǎn)品價格較低、資源開采越來越深、作業(yè)環(huán)境惡劣、從業(yè)人員老齡化嚴(yán)重、人才短缺、人力成本攀升，安全環(huán)保要求越來越嚴(yán)格等不利條件都迫使煤礦企業(yè)必須向規(guī)?；?、集約化、協(xié)同化轉(zhuǎn)變，采礦手段向遙控化、智能化乃至無人化發(fā)展也是必然趨勢。智能礦山目前尚未形成統(tǒng)一定義，根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展階段，大致形成一個建設(shè)目標(biāo)，即生產(chǎn)工藝自動化、物流管理智能化、固定設(shè)施無人化、生產(chǎn)管理全面信息化，最終實現(xiàn)礦山的安全、綠色、高效開采，做到理念創(chuàng)新、體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新[1-3]。智能礦山建設(shè)首先是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)，即建成大數(shù)據(jù)存儲與分析平臺和礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺，這是實現(xiàn)礦山智能化的先決條件。其次是實現(xiàn)生產(chǎn)管理的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、遙控化乃至無人化，最后使煤礦企業(yè)采礦作業(yè)環(huán)節(jié)、篩選加工環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)實現(xiàn)完全無縫化、智能化[4-6]。而井下供水系統(tǒng)智能化是礦井智能化建設(shè)的一部分，通過對井下供水系統(tǒng)的自動化改造，達(dá)到供水泵房無人值守、運(yùn)行異常報警、歷史數(shù)據(jù)分析、故障判斷等目的，使整個供水系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水自我調(diào)節(jié)、系統(tǒng)漏水自動停泵等功能。

1 大柳塔煤礦井下供水系統(tǒng)

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(xiàn)了污水凈化的功能，流到低凹處實現(xiàn)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(shè)了地下水庫，創(chuàng)造性地設(shè)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(qū)自然凈化儲存利用，實現(xiàn)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(xiàn)“自然壓差供水”，合理高效循環(huán)利用，讓礦井水牢牢處于掌控之中，節(jié)省了能源，保護(hù)了水資源，保護(hù)了環(huán)境，保證了礦井安全。

1.2 煤礦井下供水用途

現(xiàn)代化礦井中的高產(chǎn)能是利用大型機(jī)電設(shè)備實現(xiàn)的，此類設(shè)備運(yùn)行過程中往往發(fā)熱較高，普通的風(fēng)流冷卻方式已經(jīng)不能滿足設(shè)備散熱需求，所以需要供水系統(tǒng)提供冷卻介質(zhì)，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(tǒng)將水霧噴灑到空氣中具有很強(qiáng)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(diào)制，作為液壓傳動的媒介，其中的水就來自井下供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)為井下路面沖洗、衛(wèi)生清理提供水源，可以有效提高礦井安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。綜上所述煤礦井下供水主要用于設(shè)備散熱、噴霧降塵、消防滅火、配置乳化液、提高安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化等用途。

1.3 煤礦井下供水系統(tǒng)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(qū)層高不同會影響礦井安全生產(chǎn)；供水管路出現(xiàn)漏水現(xiàn)象主要依靠工人沿供水線路巡察，無法及時發(fā)現(xiàn)，為礦井的安全生產(chǎn)帶來隱患。

水質(zhì)問題：大柳塔煤礦井下供水系統(tǒng)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?qū)е滤w渾濁、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，會出現(xiàn)堵塞凈水系統(tǒng)過濾網(wǎng)的現(xiàn)象影響正常生產(chǎn)，而改善水質(zhì)添加藥劑的過程中需要崗位工手動開泵注入，憑經(jīng)驗判斷，無法準(zhǔn)確把握藥量。

資源浪費(fèi)：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(yùn)行無法精確提供出水壓力，造成能量的浪費(fèi)和設(shè)備的過度運(yùn)行。

2 大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)設(shè)計

大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)分為水凈化處理系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)兩部分。老舊的供水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都需要人工操作，工序繁復(fù)效率低下，無法對供水安全系統(tǒng)有效監(jiān)測，嚴(yán)重制約供水質(zhì)量，需要對供水安全系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造。

2.1 水凈化處理系統(tǒng)設(shè)備改造

更換水倉進(jìn)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(diào)節(jié)供水量維持原水倉液位滿足生產(chǎn)；將原水倉進(jìn)水閥門更換為電動閥，根據(jù)原水倉液位設(shè)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(nèi)。

安裝多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀：原水倉水源經(jīng)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(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，實時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)。

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(zhì)，在藥劑箱與凈化水箱之間安裝計量泵，通過監(jiān)測到的水質(zhì)參數(shù)控制計量泵啟停，實現(xiàn)自動定量添加藥劑，改善水質(zhì)。

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(xiàn)外排，在凈水箱反沖洗管路安裝電動閥，通過程序遠(yuǎn)程控制電動閥定時啟停，實現(xiàn)自動反沖洗，清理水箱沉淀物。

實現(xiàn)自動和遠(yuǎn)程控制：水倉液位、電動閥、多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀、計量泵通過PLC實現(xiàn)自動控制和上位機(jī)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

2.2 智能恒壓供水系統(tǒng)設(shè)備改造

安裝壓力計和流量計：加壓泵電機(jī)由變頻器控制，通過PLC給定頻率實現(xiàn)加壓泵電機(jī)的變頻調(diào)速和多臺加壓泵電機(jī)的聯(lián)動控制。供水系統(tǒng)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(diào)節(jié)的參考值。煤礦井下盤區(qū)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(tǒng)壓力設(shè)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(jī)聯(lián)動，防止停泵期間水流逆行。變頻器、壓力計、流量計和PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，在上位機(jī)建立人機(jī)對話界面。

2.3 智能供水系統(tǒng)供電設(shè)備改造

煤礦井下供水系統(tǒng)的供電設(shè)備主要有移動變電站、真空饋電開關(guān)、真空電磁啟動器、變頻器、照明信號綜合保護(hù)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)；真空饋電開關(guān)對下一級供電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)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(jī)，照明信號綜合保護(hù)裝置為井下照明及信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供電源和保護(hù)。移動變電站、真空饋電開關(guān)、真空電磁啟動器、變頻器、照明信號綜合保護(hù)裝置全部改裝為可通訊保護(hù)器，使其具備數(shù)據(jù)上傳功能，利用Tcp/IP和Modbus通訊協(xié)議與PLC通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，由上位機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

2.4 智能供水系統(tǒng)工作流程

工作原理：智能供水系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)水管路；設(shè)定原水倉水位上下限值，原水倉通過液位傳感器控制進(jìn)水管電動閥啟停使原水倉水位維持在恒定范圍。設(shè)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(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，將計量泵與清水泵聯(lián)動，通過監(jiān)測pH值、溫度值、電導(dǎo)率、濁度值的水質(zhì)參數(shù)控制計量泵啟停，實現(xiàn)自動定量添加藥劑改善水質(zhì)。

圖1 智能供水系統(tǒng)流程圖

功能實現(xiàn)：凈水箱反沖洗管路上安裝電動閥，通過計算機(jī)程序設(shè)定電動閥啟停時間與啟停周期，實現(xiàn)自動沖洗凈水箱沉淀物。上位機(jī)采集煤礦井下盤區(qū)采掘工作面供水壓力值，根據(jù)生產(chǎn)需要將壓力設(shè)定值發(fā)送到PLC，PLC采集供水系統(tǒng)總管路壓力值與上位機(jī)壓力設(shè)定值比對，通過比對結(jié)果將調(diào)頻信號發(fā)送到變頻器，進(jìn)行PID自動控制；當(dāng)?shù)谝慌_變頻器達(dá)到50 Hz工頻運(yùn)行后總管路出水壓力仍未達(dá)到上位機(jī)設(shè)定值時，則在保持當(dāng)前變頻器工頻運(yùn)行的狀態(tài)下啟動下一臺變頻器進(jìn)行調(diào)速，直到總管路出水壓力達(dá)到上位機(jī)設(shè)定值，多臺增壓泵聯(lián)動情況下原理相同。

故障判斷：當(dāng)供水系統(tǒng)處于恒壓供水狀態(tài)運(yùn)行時，總管路出水壓力值保持不變，而盤區(qū)采掘工作面供水壓力值短時間內(nèi)出現(xiàn)急劇下降的情況，則判斷供水系統(tǒng)管路出現(xiàn)漏水，此時PLC下發(fā)緊急停車命令，并在上位機(jī)進(jìn)行報警，生產(chǎn)指揮人員接到報警后指示相關(guān)巡察人員排除故障。上位機(jī)服務(wù)器存儲智能供水系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，供水系統(tǒng)維護(hù)人員通過分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線判斷設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)。例如，分析一臺加壓泵運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，在工頻運(yùn)行時轉(zhuǎn)速為1 400 rad/min，出水壓力為2.3 MPa，當(dāng)出現(xiàn)工頻運(yùn)行的轉(zhuǎn)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(yán)重等故障，由此為設(shè)備故障判斷提供可靠依據(jù)，提供設(shè)備檢修效率。

2.5 智能供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控

水凈化處理系統(tǒng)：水凈化處理系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。預(yù)設(shè)定原水倉液位上下限，當(dāng)水位低于下限設(shè)定值時則打開電動閥給原水倉補(bǔ)液，當(dāng)水位高于上限設(shè)定值時則關(guān)閉電動閥停止補(bǔ)液。預(yù)選定水凈化系統(tǒng)泵電機(jī)，設(shè)定清水倉水位上下限值，當(dāng)清水倉液位低于下限設(shè)定值時則開啟預(yù)選定泵電機(jī)給清水倉補(bǔ)液，當(dāng)清水倉液位高于上限設(shè)定值時則關(guān)閉預(yù)選定泵電機(jī)停止補(bǔ)液。復(fù)用水系統(tǒng)保持清水倉液位始終在上下限設(shè)定值區(qū)間內(nèi)，確保滿足智能供水系統(tǒng)需求。

恒壓供水系統(tǒng)集控：恒壓供水系統(tǒng)集控畫面，如圖3所示，實時監(jiān)測智能供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、水質(zhì)、水倉液位、管路供水壓力、管路供水流量等參數(shù)。生產(chǎn)指揮人員可根據(jù)實際生產(chǎn)需求調(diào)整供水參數(shù)，實現(xiàn)全系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和人機(jī)對話。

供電系統(tǒng)集控：供電系統(tǒng)集控畫面，如圖4所示，智能供水系統(tǒng)的供電系統(tǒng)完全實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、供電系統(tǒng)故障報警及故障判斷判斷、遠(yuǎn)程分合閘、歷史數(shù)據(jù)存儲和歷史操作記錄等功能。

圖2 水凈化處理系統(tǒng)圖

圖3 恒壓供水系統(tǒng)集控畫面

圖4 供電系統(tǒng)集控畫面

3 結(jié)語

大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)的使用，大大減少了井下工人的工作量與工作強(qiáng)度，提高了設(shè)備運(yùn)行效率，增加了系統(tǒng)使用壽命，降低了電能的損耗，降低了礦井企業(yè)的材料成本與人力成本。大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)運(yùn)行后，加壓泵房無需再安排崗位工值守，供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)在上位機(jī)實施顯示，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，解放了人的勞動力；水凈化處理系統(tǒng)自動改善水質(zhì)，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(tǒng)故障發(fā)生率，降低了系統(tǒng)維護(hù)成本；供水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行根據(jù)實際使用需求自動調(diào)節(jié)至最優(yōu)狀態(tài)，避免了能量和機(jī)械的額外損耗。通過系統(tǒng)不同區(qū)域位置的供水壓力值對比分析，可以及時發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，為礦井安全生產(chǎn)提供保障。