煤礦礦井水處理站自動控制系統(tǒng)設計

魏然

[摘 ? ?要]煤礦用水一直處于匱乏狀態(tài)，探討礦井水處理措施是煤礦開采中不能回避的問題。隨著智能化、自動化技術的快速發(fā)展，礦井水處理站也研究應用自動控制系統(tǒng)，把礦井水處理過程優(yōu)化為智能、自動執(zhí)行。簡單介紹礦井水的資源概況，分析目前礦井水存在的問題，闡明礦井水處理的必要性，結合實際探討礦井水凈化自動化控制及系統(tǒng)設計方案。

[關鍵詞]礦井水處理站;自動化控制;凈水處理;設計研究

[中圖分類號]TD74 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]Coal mine water has been in a state of scarcity. It is an unavoidable problem to discuss the treatment measures of mine water in coal mining. With the rapid development of intelligent and automatic technology， the mine water treatment station also studies the application of automatic control system to optimize the mine water treatment process into intelligent and automatic execution. This paper briefly introduces the general situation of mine water resources， analyzes the existing problems of mine water， expounds the necessity of mine water treatment， and discusses the automatic control and system design scheme of mine water purification combined with practice.

[Keywords]mine water treatment station; automatic control; water treatment; design research

我國地域面積廣闊，煤炭資源儲備豐富，多數(shù)礦井所處地域位置干旱少雨，煤礦用水缺乏一直是難以解決的問題。水資源的長途運輸不僅耗費大量的人力物力，而且難以滿足礦山日常用水需求。因此，圍繞礦井建設礦井水處理站是解決這一問題的有效途徑。早期，當自動化技術還處于萌芽階段時，水處理的每一步，都需要專門人員人工操作和人工記錄，隨著礦區(qū)逐漸擴大，需要對水源進行凈化處理，第一個問題是工作量越來越大;另一個是很嚴重的問題，與普通地下水礦井水相比，其成分更為復雜，所以一般的凈水處理程序無法滿足礦井水凈化后的使用標準，需要更復雜的凈化步驟和凈化藥劑。人工操作會帶來很多誤差，造成水質(zhì)很難符合要求。近年來，隨著我國自動化技術的飛速發(fā)展，礦井凈水采用自動控制的設計方案成為發(fā)展必然趨勢?；诖吮尘埃疚奶岢隽送晟频牡V井凈水自動控制系統(tǒng)設計方案。

1 礦井水的資源概況

1.1 礦井水分類

與地下水相比，礦井水的化學物質(zhì)成分更為復雜，因此與普通的凈水工藝有很大差異。為了達到對凈水過程的更加精確控制目的，必須開展對礦井水主要成分的研究，從而提出有效的凈水處理方案。根據(jù)對礦山地理位置及各種環(huán)境差異的分析比較，發(fā)現(xiàn)礦山排水主要有以下幾種類型。①礦井排水，與普通地質(zhì)水類似，只需簡單的物理處理，如過濾水中的顆粒。②含有多種化學成分的礦井水，如高鹵水，除了需要過濾沉淀等簡單處理外，還需要稀釋水中的鹽分，該過程可以使用電滲析工藝。③對于含有其他化學物質(zhì)的水，可以添加無害反應或其他凈化方法，實現(xiàn)處理后的礦井水達到可用標準為最終目的。

1.2 礦井水資源特點

我國煤炭資源普遍埋藏比較深，主要是地下開采，在煤炭開采過程中，需要排放大量涌出的地下水，即礦井水。礦井水的主要來源有：①地下水，主要來自奧陶系和寒武系的灰?guī)r水、砂巖裂隙水、第四季沖積層水、老窯水等。各煤層地質(zhì)構造不一樣，并且引流量相差很大。②煤礦生產(chǎn)廢水，采礦過程中，地面要輸入生產(chǎn)用水用于液壓支柱、機電設備、挖煤過程中防塵降塵灑水等產(chǎn)生的極少量的廢水。③地表裂縫下滲的地表水。大量的礦井水沒有經(jīng)凈化處理直接排放，不僅造成了水資源的極大浪費，而且還會導致礦區(qū)周圍土地環(huán)境以及地表水環(huán)境的污染。

煤礦所處地質(zhì)構造、所在區(qū)域和開采方式不一樣，導致礦井水水質(zhì)存在較大不同。根據(jù)水質(zhì)，大致可分為純凈礦井水、高鹽礦井水（又稱咸水）、懸浮物礦井水、酸性礦井水和特殊污染礦井水。

2 礦井水存在的問題

煤礦水不僅屬于具有工業(yè)特征的污染源，同時也是一種寶貴的水資源。目前，我國許多煤礦即面臨嚴重缺水情況，又存在沒有經(jīng)過處理就直接排放，造成大量水資源浪費和環(huán)境污染的現(xiàn)象，給煤炭行業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展帶來阻礙。因此，探討將煤礦水凈化后，作為煤礦工業(yè)用水或生活用水處理，不僅解決了礦區(qū)缺水問題，而且充分利用了礦井水資源，節(jié)約了地下水資源，對社會經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護和社會效益提升具有重要作用。

煤礦廢水凈化處理二次利用是礦井水資源處理的發(fā)展趨勢，需要從業(yè)人員在實踐中堅持不懈探索，目前系統(tǒng)設計規(guī)劃中存在以下問題。

（1）由于國家宏觀政策的缺失和傳統(tǒng)觀念的影響，水資源在大多數(shù)煤礦區(qū)被當作一種廉價資源被無目的的使用和浪費，這與我國水資源嚴重短缺的現(xiàn)狀完全相悖。要改變這種局面，必須制定嚴格的法律法規(guī)，廣泛宣傳。

（2）由于對礦井水缺乏最基本的水化學成分認識，目前煤礦區(qū)對礦井水的利用仍是比較粗放和簡單化的，這種現(xiàn)象又反過來加重了人們對礦井水的錯誤認識，因此，在一定程度上限制了礦井水大面積使用。

（3）為提高我國煤礦礦井水處理的技術水平，必須在詳細分析礦井水的水化學組成和物化性質(zhì)的基礎上，研究合適的礦井水處理工藝和參數(shù)，以提高煤礦礦井水利用的技術水平。

3 礦井水處理的必要性

礦山水是一種可再生水資源，礦區(qū)多為干旱缺水地區(qū)。礦山排水二次利用對該地區(qū)的自然環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。例如，中國的煤礦主要分布在華北和西北半干旱和少雨地區(qū)。礦山排水不僅污染水資源，而且浪費大量水資源。此外，它還造成環(huán)境污染，降低地下水位，制約當?shù)氐V業(yè)企業(yè)的發(fā)展。研究表明，產(chǎn)煤大省山西省地下水位平均下降2～4 m，運城部分地區(qū)地下水位下降80 m。礦產(chǎn)資源拉動經(jīng)濟，提高地方經(jīng)濟水平，但也破壞地下水環(huán)境，加劇水資源短缺，同時對農(nóng)業(yè)、土地、林業(yè)造成一定影響，經(jīng)濟損失更為嚴重。

科學有效地對礦山排水進行資源化，可以大幅減少因礦產(chǎn)開發(fā)造成的水資源短缺、地下水位下降和過度開采對環(huán)境的影響，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。處理后的礦井水可不同程度地利用。面對我國缺水狀況，礦山水資源的利用，結合當?shù)亟?jīng)濟條件和地理環(huán)境，選擇科學有效的方法和技術，將有利于礦業(yè)的長久持續(xù)發(fā)展。

4 礦井水凈化自動化控制

通過對礦井水所含成分的分析，在進行礦井水凈化處理時，除了簡單的沉淀過濾等過程以外，還有幾個相對比較復雜的過程，下面對各個流程進行簡略的分析，提出礦井水自動化控制的解決方案。

①把地下的礦井水排放到預沉調(diào)節(jié)池里進行初步沉淀，②再把上層的水轉送到至專業(yè)沉淀池，此項工作由提升水裝置來自動完成。按照控制臺自動發(fā)出的指令，把一定量的藥物加入到專業(yè)沉淀池中，將水中的雜質(zhì)凝結、沉淀，通過排水系統(tǒng)把完成過濾的上層水轉排到下一個過濾裝置，這個過程反復多次進行，一直到水質(zhì)能夠達到使用標準為止，最后把處理后的水排放到清水池進行再次利用。在這個過程中，系統(tǒng)首先對需要處理的水量、水的濁化程度等信息進行采集，由自動控制系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行計算，依據(jù)計算結果把凈化藥量反饋給加藥裝置，加藥裝置按指令自動執(zhí)行加藥。同時液位儀表在線顯示記錄每個水池的水位，及時對水位進行預警和處理，防止水池出現(xiàn)水位超標現(xiàn)象。

自動化凈水控制雖然減少了人的參與，但是，整個過程都是儀器設備在進行全程記錄，對重要數(shù)據(jù)進行實時顯示和存儲，實時監(jiān)控各個操作步驟的命令參數(shù)和所有設備的狀態(tài)，防止出現(xiàn)故障而造成損失。該系統(tǒng)具備報警和保護功能，當某一步驟發(fā)生故障的同時，在上位機中都可以進行手動操作進行控制。

5 系統(tǒng)設計方案

根據(jù)以上構想的自動化流程，依據(jù)礦井的具體情況，設計包括上位機、各種硬件模塊相結合的礦井水處理自動控制系統(tǒng)，全自動化執(zhí)行凈水過程，并且有監(jiān)控對各個過程的執(zhí)行進行記錄，防止發(fā)生故障。

（1）各個自動化流程主要由上位機來控制實現(xiàn)。上位機要具有用戶管理、數(shù)據(jù)管理、遠程傳輸以及各種日志的存儲打印等功能，上位機需要在環(huán)境惡劣的條件下長時間進行運轉，因此選擇上位機要充分考慮耐用、抗干擾、需要大量的存儲空間記錄相關數(shù)據(jù)等條件。

（2）硬件組成部分。主要由傳感器（液位傳感器、流量傳感器、濁度傳感器及壓力傳感器等）、電控柜、主控單元、電動閥等部分構成硬件部分。其中最主要的是主控單元和各種傳感器，主控單元的主要任務是進行信號采集并運算，并根據(jù)運算結果調(diào)控凈水處理過程中各個步驟所要執(zhí)行的參數(shù)值。例如，機電設備的起停時間、加藥量等，最終使處理后的水能夠達到再次使用的標準。為主控單元采集相關數(shù)據(jù)主要由各種傳感器來完成，傳感器主要分布在各個設備及水池上，其主要任務是采集各種數(shù)據(jù)參數(shù)并傳遞給主控系統(tǒng)，供主控系統(tǒng)進行各種計算和使用。

（3）自動控制部分。自動控制部分主要包括PLC控制器、與上位機及各個設備建立通訊連接的控制程序。主控單元通過PLC控制器與各傳感器通信，獲取液位、濁度、輸出水量等重要數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳到上位機進行記錄并存儲，控制單元對這些數(shù)據(jù)進行分析和計算并產(chǎn)生可調(diào)參數(shù)來控制水凈化設備完成各種任務，它可以脫離對上位機軟件的手動控制，具有智能性，能夠獨立自動完成工作任務，對整個凈水系統(tǒng)進行可靠的控制。同時，上位機可以顯示這部分工作當前的運行狀態(tài)，整個系統(tǒng)是連續(xù)自動運行的，相關工作人員只要在控制室里利用上位機來進行監(jiān)視就可以了，相關工作人員要定時對設備運轉情況進行檢查，一旦發(fā)生故障一定要及時排除。

6 結語

對我國的煤礦地區(qū)自然環(huán)境現(xiàn)狀及煤礦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進行的分析表明，我國的煤礦地域大多數(shù)都是干旱少雨的，煤礦的正常生產(chǎn)用水資源基本都是短缺的。如果大量的礦井水不再次利用就全部外排的話，既浪費了水資源，也會對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞。

目前，大多數(shù)針對這部分水資源進行再次處理及利用的各項工藝及控制流程都存在很多的不足和弊端，因此，要加大針對礦井水再次處理利用的技術研究與開發(fā)。本文針對我國目前的這一現(xiàn)狀，提出了切實可行的煤礦礦井水自動控制處理系統(tǒng)方案，該方案主要包括上位機及相關軟件、相應的硬件配套設施等，通過對各種數(shù)據(jù)進行分析并驗證，該方案能夠滿足大多數(shù)礦井的礦井水處理需求，并且經(jīng)濟成本也不高，比較適合在煤礦企業(yè)中廣泛推廣使用。當然，該系統(tǒng)的自動化程度還需要隨著自動化進程的發(fā)展不斷改進、不斷完善、不斷加強。

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