大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)設計與應用

上海自動化儀表為使供水壓力恰到好處的滿足生產(chǎn)需求，減少人力和能源浪費，大柳塔煤礦開展了井下智能 供水系統(tǒng)設計與改造。從礦山各系統(tǒng)實現(xiàn)綜合智能化自我調(diào)節(jié)的目標出發(fā)，闡述了大柳塔煤礦井下 供水系統(tǒng)的用途和缺陷; 在明確供水系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的工作原理后，重點敘述了智能供水系統(tǒng)所具備 的功能。大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)的使用，大大減少了工作量，提高了設備運行效率 和使用壽命，降低了電能損耗，可及時發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，為礦井安全生產(chǎn)提供了一定保障。

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)人員老齡化嚴重、人才短缺、人力 成本攀升，安全環(huán)保要求越來越嚴格等不利條件都 迫使煤礦企業(yè)必須向規(guī)模化、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 前的發(fā)展階段，大致形成一個建設目標，即生產(chǎn)工藝 自動化、物流管理智能化、固定設施無人化、生產(chǎn)管理全面信息化，非常終實現(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］。智能礦山建設首先是基礎數(shù)據(jù)建設，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)絡化、遠程化、遙控化乃至無人化，非常后使煤礦企業(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的一部分，通過對井下 供水系統(tǒng)的自動化改造，達到供水泵房無人值守、運 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． 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，清水流出利用自壓輸水的 功能。首次在井下建設了地下水庫，創(chuàng)造性地設計施工了安全可靠的地下水庫人工壩體，并將井污 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，保護了水源，保護了環(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)能是利用大型機電設備實

現(xiàn)的，此類設備運行過程中往往發(fā)熱較高，普通的風 流冷卻方式已經(jīng)不能滿足設備散熱需求，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)量標準化。 綜上所述煤礦井下供水主要用于設備散熱、噴霧降塵、 消防滅火、配置乳化液、提高安全質(zhì)量標準化等用途。

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 導致水體渾濁、水質(zhì)不達標，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 準確把握藥量。 資源浪

費: 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行無法精確提供出水壓力，造 成能量的浪費和設備的過度運行。 2 大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)設計 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，工序繁復效率低下，無法對供水安全系統(tǒng)有效監(jiān)測，嚴重制約供水質(zhì)量，需要對供水安全系統(tǒng)進行自動化改造。

2． 1 水凈化處理系統(tǒng)設備改造 更換水倉進水閥門: 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); 將原水倉進水閥門更換為電動閥， 根據(jù)原水倉液位設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)自動控制和上位機的遠程集中監(jiān)控。

2． 2 智能恒壓供水系統(tǒng)設備改造

安裝壓力計和流量計: 加壓泵電機由變頻器控 制，通過 PLC 給定頻率實現(xiàn)加壓泵電機的變頻調(diào)速 和多臺加壓泵電機的聯(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進行遠程集中監(jiān)控，在上位機建立人機對 話界面。

2． 3 智能供水系統(tǒng)供電設備改造

煤礦井下供水系統(tǒng)的供電設備主要有移動變電 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)絡進行監(jiān)測和保護; 真空饋電開關(guān)對下一級供電設備進行保 護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，照明信號綜合保護裝置為井下照明 及信息網(wǎng)絡設備提供電源和保護。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 合保護裝置全部改裝為可通訊

保護器，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，由上位機遠程集中監(jiān)控。

2． 4 智能供水系統(tǒng)工作流程

工作原理: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)進水管路; 設定原水倉水位上下限值，原 水倉通過液位傳感器控制進水管電動閥啟停使原水 倉水位維持在恒定范圍。設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)。

功能實現(xiàn): 凈水箱反沖洗管路上安裝電動閥，通 過計算機程序設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 定值發(fā)送到 PLC，PLC 采集供水系統(tǒng)總管路壓力值 與上位機壓力設定值比對，通過比對結(jié)果將調(diào)頻信 號發(fā)送到變頻器，進行 PID 自動控制; 當非常好臺變頻 器達到50 Hz 工頻運行后總管路出水壓力仍未達到 上位機設定值時，則在保持當前變頻器工頻運行的 狀態(tài)下啟動下一臺變頻器進行調(diào)速，直到總管路出 水壓力達到上位機設定值，多臺增壓泵聯(lián)動情況下 原理相同。故障判斷: 當供水系統(tǒng)處于恒壓供水狀態(tài)運行 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，并在上位機進行報警，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。上位機服務器存儲智能供水系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)，供水系統(tǒng)維護人員通過分析歷史運行數(shù)據(jù)曲線判斷設備運行健康狀態(tài)。例 如，分析一臺加壓泵運行數(shù)據(jù)曲線，在工頻運行時轉(zhuǎn)速為 1 400 rad /min，出水壓力為 2． 3 MPa，當出現(xiàn)工頻運行的轉(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 損嚴重等故障，由此為設備故障判斷提供可靠依據(jù)，提供設備檢修效率。

2． 5 智能供水系統(tǒng)遠程集中監(jiān)控

水凈化處理系統(tǒng): 預設定原水倉液位上下限，當水位低于下 限設定值時則打開電動閥給原水倉補液，當水位高 于上限設定值時則關(guān)閉電動閥停止補液。預選定水 凈化系統(tǒng)泵電機，設定清水倉水位上下限值，當清水 倉液位低于下限設定值時則開啟預選定泵電機給清 水倉補液，當清水倉液位高于上限設定值時則關(guān)閉預選定泵電機停止補液。復用水系統(tǒng)保持清水倉液 位始終在上下限設定值區(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: 恒供水系統(tǒng)集控畫面，實時監(jiān)測智能供水系統(tǒng)運行狀態(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)的遠程集中監(jiān)控和人機對話。 供電系統(tǒng)集控: 供電系統(tǒng)集控畫面，智能供水系統(tǒng)的供電系統(tǒng)完全實現(xiàn)遠程集中監(jiān) 控、供電系統(tǒng)故障報警及故障判斷判斷、遠程分合閘、歷史數(shù)據(jù)存儲和歷史操作記錄等功能。

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度，提高了設備運行效率，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)運行后，加壓泵房無需再安排 崗位工值守，供水系統(tǒng)運行狀態(tài)在上位機實施顯示， 系統(tǒng)運行狀態(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)，上海自動化儀表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)維護成本; 供水系統(tǒng)設備運行根據(jù)實際 使用需求自動調(diào)節(jié)至非常優(yōu)狀態(tài)，避免了能量和機械 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。