煤矿井下水自动化处理系统设计

赵奕杰 党滨 王东

摘要：近几年，我国大部分地区水资源短缺，加之我国大部分丰富的煤炭资源就分布在水资源匮乏的地区，为保护环境、节约成本且满足煤矿企业用水需求，合理处理并利用煤矿井下水资源已迫在眉睫。该方案是对现代煤矿水处理系统的优化设计，适合新建矿企和旧矿的扩能改建，成本低，耗能少，效率高，值得推广。

关键词：井下水;混凝;超磁分离;电泳;PLC

1引言

我国是一个水资源严重不足的国家，就煤炭行业而言，全国86个国有重点煤矿区中有71%缺水，40%严重缺水，80%的煤矿职工饮用不洁水。因此，矿井水的资源化及提高井下水的利用率对于缓解矿区水资源匮乏和环境污染，提高人们生活质量，实现矿区水资源的可持续发展具有重要战略意义[1-3]。

本文通过分析井下水水质及煤矿用水主要用途，结合传统工艺和现代工艺进行井下水净化处理，设计出一套煤矿井下水处理方案，实现了井下水的高效开发和利用，提高了矿井水的综合利用率。

2煤矿井下水水质分析

井下水主要由地表水、地下水和矿井废水组成。我国大部分地区地下水的水质差异不大，因此井下水的水质主要与开采煤层中所含的矿物质成分和井下工人作业、生活方式有关。地下水沿井筒流入井下水仓的过程中与地层中的矿物质发生化学反应，使水中的离子和化合物含量不断增多，致使井下水硬度、含盐量增高，井下水呈酸性或者碱性。同时，井下工人生产作业和生活，导致井下水中悬浮物（主要包括细小煤质颗粒、泥沙等）、细菌和有机物含量不断增加。因此，煤矿井下水是硬度高、含盐量高的或酸或碱性悬浊液。

3煤矿井下水自动化处理工艺

3.1传统工艺

（1）混凝—沉淀—过滤—消毒

（2）预沉—混凝沉淀—气浮—过滤—消毒

3.2现代工艺

（1）超磁分离井下水处理工艺

超磁分离水体净化工艺是一种新兴水处理技术。将超磁分离水体净化工艺应用于煤矿井下水处理，可以提高悬浮物去除效率，减少絮凝剂等药剂的使用，有效防止了水质的二次污染。

（2）电泳降沉井下水处理工艺

电泳是指带电荷的粒子或分子在电场中移动的现象。该工艺较传统的重力沉淀去除井下水中悬浮物效果好，净化效率高，同样可以减少絮凝剂等药剂的使用，有效防止水质的二次污染。

4煤矿井下水自动化处理方案设计

针对煤矿井下排水量普遍较大，我们采用井下井上水处理一体化设计，传统工艺与现代工艺相结合，有效提高井下水处理效率。

方案设计水处理厂为地上和地下两部分。同时将井下水分为井下废水和地下水两部分处理，未污染的地下水直接采集提升到地面处理厂进行消毒处理，供井上井下的生活用水;被污染的井下废水汇集到井下水仓进行处理。井下设置主、副两个水仓，均须满足有效容积8小时以上的井下正常涌水量，且在清理维护时互不受限。可将原有煤矿井下水仓进行改造与重新布置，在水仓中设置阻流堰进行井下水的调节、中和，并将水仓中部分割成若干沉淀池进行预沉淀，在水仓仓尾分割出一气浮池进行细小悬浮颗粒与油污的气浮处理。初级处理之后的井下水加药与磁粉混合反应，然后通入井下的超磁分离器进行二次处理，除去一次沉淀未处理完全的悬浮物等杂质。初级沉淀与二次处理产生的杂质全排出到井下污泥池，进行压滤处理，将煤泥提升到井上作煤矿锅炉燃煤使用，磁粉回收再利用。处理后的水一部分直接供井下生产作业用水，一部分经高压泵提升到地面处理厂。提升到地面的水一部分直接供煤矿工业用水，包括选煤厂补充用水、设备冷却、绿化清洁等;另一部分经地面处理厂消毒处理达标后供井上井下的生活用水。经处理后的水，使用后可再次收集进行循环处理。井下水自动化处理系统结构图如图1所示。

5煤矿井下水自动化处理系统设计

5.1系统主要装置及结构方案

煤矿井下水自动化处理系统主要由现场信号采集设备、西门子S7-200PLC、以太网交换机、以太环网和上位机组成。液位、流量、压力等传感器采集到的信号传输到井下西门子S7-200PLC，然后通过以太网交换机进入井下以太环网，经由以太环网传输到监控中心上位机。采用Wincc组态软件作为上位机组态软件，传输至上位机中的信号通过组态软件界面的工艺流程图进行实时显示。同时PLC接收上位机发出的控制指令，对系统开关量进行起停控制。井下水自动化处理系统硬件结构图如图2所示。

5.2系统主要装置设计

5.2.1西门子S7-200PLC

PLC具有结构灵活、可靠性高、编程简单、耗电量小、功能强大、维修方便和设计周期短等特点，适用于井下恶劣的生产作业环境，本系统选用西门子S7-200PLC。S7-200PLC基本构成框图如图3所示。

PLC对整个系统进行管理，PLC 主要控制水泵开停、电动阀门开关以及互冲洗滤罐阀门的开关。

5.2.2液位传感器

由于煤矿井下排水系统的重要性，而液位传感器是整个排水系统合理运行的关键所在，选择合适的液位传感器以下几个方面的内容：

（1）稳定性要好，能够长期稳定运行;

（2）井下空气中悬浮的粉尘较多;

（3）传感器制造成本;

（4）水池高2m，传感器量程无需太大。

综合以上条件，我们选择稳定性好、制造成本较低、量程在4～8m的投入式液位传感器。投入式液位传感器功能模块图如图4所示。

6煤矿井下水处理自动化监控系统软件设计

本监控系统软件设计根据井下水自动化处理的控制要求进行方案制定，主要包括PLC软件程序设计和Wincc组态软件程序设计两个部分。

6.1PLC軟件程序设计

PLC软件程序设计采用西门子标准编程软件Step7编程，使用梯形逻辑图、功能模块和语句表进行程序编制。整个程序包括供电状态检测、系统运行参数检测（包括液位、流量、压力、开关量等）、水泵开停控制、阀门开关控制、故障报警等模块。

6.2Wincc组态软件程序设计

上位机组态软件主要是生成人机交互界面，以便监控人员进行实时监控。本系统采用Wincc7.0组态软件进行人机界面开发，该应用软件可以对模拟量和开关量进行实时监控。人机界面主要有工艺流程图、模拟量历史曲线、实时报表、历史报表、报警系统和操作画面。

7结束语

综上所述，煤矿井下水是煤矿用水的重要来源，将煤矿井下水资源化迫在眉睫，对煤矿系统优化调整和改善人们生活水平具有重要的意义。该水处理系统方案设计是对煤矿水处理系统的进一步优化，能耗低、效率高，贴合国家节能减排政策，实现煤矿水资源的可持续发展。

参考文献

[1] 唐寿明.阜新矿区矿井水混凝及过滤优化研究[D].辽宁工程技术大学，2009.

[2] 曾东.清洁生产机制在煤炭资源开发利用中的发展[J].2006年中法学会环境资源法学研究会年会，2006.

[3] 贾希荣.煤矿区开发与环境保护[J].2000年西部矿物资源开发利用发展找略研讨会，2000.

作者简介：赵奕杰（1991—），男，汉族，新疆乌鲁木齐人，本科，助理工程师，主要从事钻探装备技术研究与推广工作。

（作者单位：中煤科工集团西安研究院有限公司）