大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

上海自動(dòng)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(fèi)，大柳塔煤礦開(kāi)展了井下智能 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改造。從礦山各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合智能化自我調(diào)節(jié)的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)智能化的工作原理后，重點(diǎn)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(shè)備運(yùn)行效率 和使用壽命，降低了電能損耗，可及時(shí)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(jià)格較低、資源開(kāi)采越來(lái)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(lái)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(wú)人化發(fā)展也是必 然趨勢(shì)。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(gè)建設(shè)目標(biāo)，即生產(chǎn)工藝 自動(dòng)化、物流管理智能化、固定設(shè)施無(wú)人化、生產(chǎn)管理全面信息化，非常終實(shí)現(xiàn)礦山的安全、綠色、高效開(kāi) 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(chǔ)與分析平臺(tái)和礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這是 實(shí)現(xiàn)礦山智能化的先決條件。其次是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、遙控化乃至無(wú)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(yùn)輸環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)完全無(wú)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(guò)對(duì)井下 供水系統(tǒng)的自動(dòng)化改造，達(dá)到供水泵房無(wú)人值守、運(yùn) 行異常報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)分析、故障判斷等目的，使整 個(gè)供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水自我調(diào)節(jié)、系統(tǒng)漏水自動(dòng) 停泵等功能。

1． 1 大柳塔煤礦地下水庫(kù)

大柳塔煤礦地下水庫(kù)利用“水往低處流”原理， 在流動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了污水凈化的功能，流到低凹處 實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)水成庫(kù)的功，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(kù)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)施工了安全可靠的地下水庫(kù)人工壩體，并將井污 水全部回灌到采空區(qū)自然凈化儲(chǔ)存利用，實(shí)現(xiàn)污水 近零升井; 同時(shí)，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(shí)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(shí)

現(xiàn)的，此類設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(lái)源。綜采工作面液壓支架、液壓?jiǎn)误w的乳化液需要將乳化油與 水按比例調(diào)制，作為液壓傳動(dòng)的媒介，其中的水就來(lái)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(wèn)題: 煤礦井下供水一般由地面通過(guò)供水 管路利用自然壓差供水，由于采區(qū)層高不同會(huì)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(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為礦井的安全生 產(chǎn)帶來(lái)隱患。水質(zhì)問(wèn)題: 大柳塔煤礦井下供水系統(tǒng)水源來(lái)自 地下水庫(kù)，由于沉淀過(guò)濾不完全和管路銹蝕等原因 導(dǎo)致水體渾濁、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)堵塞凈水系統(tǒng)過(guò) 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(guò)程中需要崗位工手動(dòng)開(kāi)泵注入，憑經(jīng)驗(yàn)判斷，無(wú)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(tái)供水加壓泵同時(shí)運(yùn)行無(wú)法精確提供出水壓力，造 成能量的浪費(fèi)和設(shè)備的過(guò)度運(yùn)行。 2 大柳塔煤礦井下智能供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(wú)法對(duì)供水安全系統(tǒng)有效監(jiān)測(cè)，嚴(yán)重制約供水質(zhì)量，需要對(duì)供水安全系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造。

2． 1 水凈化處理系統(tǒng)設(shè)備改造 更換水倉(cāng)進(jìn)水閥門: 地下水庫(kù)利用自然壓差向

原水倉(cāng)供水，原水倉(cāng)利用閥門調(diào)節(jié)供水量維持原水 倉(cāng)液位滿足生產(chǎn); 將原水倉(cāng)進(jìn)水閥門更換為電動(dòng)閥， 根據(jù)原水倉(cāng)液位設(shè)定的上下限值控制電動(dòng)閥開(kāi)停， 使原水倉(cāng)液位維持在限定值內(nèi)。 安裝多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀: 原水倉(cāng)水源經(jīng)過(guò)凈化 水箱凈化后由離心泵注入清水倉(cāng)，清水倉(cāng)安裝多參 數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)。 安裝計(jì)量泵: 凈化水藥箱通過(guò)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(jì)量泵，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)參數(shù)控制計(jì)量泵啟停，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量添加藥劑，改善水質(zhì)。 凈水箱反沖洗管路安裝電動(dòng)閥: 凈化水箱沉淀 物通過(guò)反沖洗管理實(shí)現(xiàn)外排，在凈水箱反沖洗管路 安裝電動(dòng)閥，通過(guò)程序遠(yuǎn)程控制電動(dòng)閥定時(shí)啟停，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗，清理水箱沉淀物。 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制: 水倉(cāng)液位、電動(dòng)閥、多參 數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、計(jì)量泵通過(guò) PLC 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)和流量計(jì): 加壓泵電機(jī)由變頻器控 制，通過(guò) PLC 給定頻率實(shí)現(xiàn)加壓泵電機(jī)的變頻調(diào)速 和多臺(tái)加壓泵電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。供水系統(tǒng)總管路出 口處安裝壓力計(jì)和流量計(jì)，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(jì)，獲取用水點(diǎn)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(dòng)閥: 每臺(tái)加壓泵出水 管路安裝電動(dòng)閥，通過(guò) PLC 將電動(dòng)閥與泵電機(jī)聯(lián) 動(dòng)，防止停泵期間水流逆行。變頻器、壓力計(jì)、流量 計(jì)和 PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，在上位機(jī)建立人機(jī)對(duì) 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(dòng)變電 站、真空饋電開(kāi)關(guān)、真空電磁啟動(dòng)器、變頻器、照明信 號(hào)綜合保護(hù)裝置。移動(dòng)變電站將礦井 10 kV 高壓電 變成 660 V 低壓動(dòng)力電，并對(duì)低壓供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù); 真空饋電開(kāi)關(guān)對(duì)下一級(jí)供電設(shè)備進(jìn)行保 護(hù)并對(duì)上一級(jí)供電線路隔離，真空電磁啟動(dòng)器與變 頻器啟動(dòng)電機(jī)，照明信號(hào)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(dòng)變電站、真 空饋電開(kāi)關(guān)、真空電磁啟動(dòng)器、變頻器、照明信號(hào)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(shí)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:大柳塔煤礦地下水庫(kù)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(cāng)水位上下限值，原 水倉(cāng)通過(guò)液位傳感器控制進(jìn)水管電動(dòng)閥啟停使原水 倉(cāng)水位維持在恒定范圍。設(shè)定清水倉(cāng)水位上下限值，清水倉(cāng)通過(guò)液位傳感器控制清水泵啟停為清水 倉(cāng)注水，使清水倉(cāng)水位維持在恒定范圍。清水倉(cāng)安 裝多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，將計(jì)量泵與清水泵聯(lián)動(dòng)，通過(guò)監(jiān)測(cè) pH 值、溫度值、電導(dǎo)率、濁度值的水質(zhì)參數(shù)控 制計(jì)量泵啟停，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量添加藥劑改善水質(zhì)。

功能實(shí)現(xiàn): 凈水箱反沖洗管路上安裝電動(dòng)閥，通 過(guò)計(jì)算機(jī)程序設(shè)定電動(dòng)閥啟停時(shí)間與啟停周期，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)，通過(guò)比對(duì)結(jié)果將調(diào)頻信 號(hào)發(fā)送到變頻器，進(jìn)行 PID 自動(dòng)控制; 當(dāng)非常好臺(tái)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(shí)，則在保持當(dāng)前變頻器工頻運(yùn)行的 狀態(tài)下啟動(dòng)下一臺(tái)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(tái)增壓泵聯(lián)動(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí) PLC 下發(fā)緊急停車命 令，并在上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警，生產(chǎn)指揮人員接到報(bào)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(chǔ)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(guò)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(tái)加壓泵運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線，在工頻運(yùn)行時(shí)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(shí)，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): 預(yù)設(shè)定原水倉(cāng)液位上下限，當(dāng)水位低于下 限設(shè)定值時(shí)則打開(kāi)電動(dòng)閥給原水倉(cāng)補(bǔ)液，當(dāng)水位高 于上限設(shè)定值時(shí)則關(guān)閉電動(dòng)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(cāng)水位上下限值，當(dāng)清水 倉(cāng)液位低于下限設(shè)定值時(shí)則開(kāi)啟預(yù)選定泵電機(jī)給清 水倉(cāng)補(bǔ)液，當(dāng)清水倉(cāng)液位高于上限設(shè)定值時(shí)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(cāng)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: 恒供水系統(tǒng)集控畫(huà)面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、水質(zhì)、 水倉(cāng)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(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)整供水參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和人機(jī)對(duì)話。 供電系統(tǒng)集控: 供電系統(tǒng)集控畫(huà)面，智能供水系統(tǒng)的供電系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān) 控、供電系統(tǒng)故障報(bào)警及故障判斷判斷、遠(yuǎn)程分合閘、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史操作記錄等功能。

3 結(jié)語(yǔ)

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(wú)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(shí)施顯示， 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，解放了人的勞動(dòng)力; 水 凈化處理系統(tǒng)自動(dòng)改善水質(zhì)，上海自動(dòng)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(hù)成本; 供水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行根據(jù)實(shí)際 使用需求自動(dòng)調(diào)節(jié)至非常優(yōu)狀態(tài)，避免了能量和機(jī)械 的額外損耗。通過(guò)系統(tǒng)不同區(qū)域位置的供水壓力值對(duì)比分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，為礦井安全生產(chǎn)提供保障。