矿井水在线监控实验平台设计

朱冬旭 伯冰洋

【关键词】矿井水;高效利用;在线监控;实验平台

矿井水是伴随着矿产开采过程中的地下涌水，在很多矿区，矿井水不经过处理直接排放，这不仅造成了矿区生态环境的破坏，也造成了矿井水的浪费[1]。在此情况下，对矿井水进行实时监测、回收处理、重复使用，对于保护资源、提高生态环境来说势在必行[2][3]。在传统的监测方式中，由于监测设备不发达，会产生记录误差大、通信不及时等问题，进而造成矿井水监测处理的效率较低[4][5][6]。因此，本文提出了一种基于矿井水优化处理的在线监控技术，构建了模拟矿井水处理和复用的实验平台，可模拟矿井水实时监测和有效复用，具有速度快、精度高等特点。

一、矿井水处理工艺优化

以内蒙古自治区某煤矿为例，矿区井下排水中的主要污染物为煤颗粒、岩面颗粒物形成的悬浮物以及生产过程中产生的乳化液油类[7]。从提高回用率的角度考虑，本文结合不同用水阶段、水质标准等综合因素，分井下-地面两个空间对矿井水利用途径进行处理[8]。

将该矿井水处理工艺分为预处理、二级处理和深度处理三个单元，在井下预处理单元，一部分矿井水经过井下调节预沉池的水进入清水池，当出水量满足消防用水、灌浆用水、降尘用水、冷却用水和液压支架用水要求时，可直接回用。另一部分井下的矿井水通过调节预沉池来到油污水处理装置和高效旋流器，后进入井上中间水池。中间水池中的水一部分回用于地面除尘和消防用水，另一部分进入二级处理。进入二级处理（包括高密度沉淀池和V型滤池）的矿井水一部分通过潜水泵提升进入高位水池，为选煤、换热站、冷却、绿化以及其他生活用水提供水源;另一部分通过深度处理，进入复用水池，为生活、农业和绿化等提供高品质矿井水。

二、矿井水在线监控系统设计

为实时动态监测矿井水的水质水量信息变化、水泵开关状态等运行数据，做到各用水点的协同控制，本文设计了一种矿井水在线监控系统。该系统可实现井下水处理的可视化和可操作化，具有动态性、多样性、交互性等优点。

在线监控系统整体架构分为三个部分：数据采集装置、在线监测平台、调度控制系统。在数据采集装置中，液位传感器、pH传感器、SS传感器、电导率传感器、水中油传感器将采集到的量质信息转换为电信号，传至模拟量采集器，再通过串行通讯和无线传输将水质水量数据上传至本地服务器，在线监测平台可以实现本地服务器对数据的接收，通过上位机在线监测平台，为用户进行实时显示;在调度控制系统中，服务器通过STM32芯片、Wi-Fi继电器等组成的调度控制系统，结合服务器的累加、计算结果，为水泵提供控制信息，实现各用水点的回用调度。

三、实验平台搭建

（一）数据采集装置

数据采集是矿井水在线监控系统的基础。本文根据所研究矿区的水质水量特点，选取了五个监测点，分别为中间水池、复用水池、高位水池、调节预沉池和清水池，选用了5种传感器，即SS、pH、电导率、水中油4种水质传感器以及液位传感器。为了将电信号转化为数字信号，并对多种数据进行汇总整理，本项目选用了多路信号采集器，最多可接收16路传感器的实时数据，满足多个用水点的监测感知需求。

（二）在线监测平台

为了将矿井水监测信息更加直观地显示，更好地对矿井水数据进行解释和分析，本文在force control软件的基础上搭建矿井水在线监测平台，具体流程包括：矿井水实时数据连接、数据监测界面绘制以及组件逻辑程序编写三部分。

矿井水实时数据的连接是分析平台能否正常显示的基础步骤，通过Python编程将数据采集系统收集到的矿井水实时数据信息上传到数据库中，将状态变量与数据库连接，实现矿井水在线监测的数据分析与管理。以实际工程为基础，本文建立了矿井水处理流程总界面，将矿井水处理过程中水质变化和工程调度以动画方式展现在服务器上，包括5个反应池详细监测数据界面、历史数据曲线界面、历史数据报表界面和报警界面等。编写组件逻辑程序包括：设置监测变量（量质信息，开关状态）、连接界面参数（界面数字，曲线）、设计逻辑程序（量质变化内在联系）。

（三）调度控制系统

为实现矿井水调度系统的远程操控，本控制系统以STM32芯片、Wi-Fi无线传输模块和继电器作为外设，开发了矿井水调度控制系统。控制系统通过Wi-Fi无线模块从服务器和控制端接收控制信号，可实现调度指令无线下发，并同时控制多路继电器，从而控制各用水点水泵的运行状态，实现在线调度。

四、矿井水在线监控实验平台

（四）实验平台模拟实物图

利用矿井水在线监控实验平台代替矿区实际用水点进行试验。该装置具有智能化程度高、通用性强的特点，可模拟用户控制端发出各种控制指令，并监视各用水点当前状态，满足清水池、中间水池、高位水池、复用水池等矿区用水点的水质水量的监测、矿井水调度控制等需求。该实验平台模拟实物图如图1。

（二）实验平台测试与分析

1、在线监测平台测试

在矿井水在线监控实验平台实物搭建的基础上，进行了矿井水水质水量信息的在线监测。测试设计了矿井水处理工艺中水质水量在线监测，监测对象为复用水池和中间水池的液位、SS、pH、水中油、电导率等信息，监测时间为1小时。为了更加体现监测数据的真实性，在实验中添加高浓度矿井水，观察矿井水监测系统变化。

实验结果为：复用水池的液位为9 2 . 5 0毫米，S S为4.70mg/l，pH为7.27，水中油为0.40ppb，电导率为1.36mS/m。中间水池的液位为112.88毫米，SS为34.38mg/l，pH为8.65，水中油为0.90ppb，电导率为12.74mS/m。具体信息如图2。

2、調度控制系统运行测试

本实验模拟矿井水处理工艺中中间水池回用点的回用情况，以2000 ml的储水槽作为中间水池回用点，设置两个地面用水点，分别以1号烧杯为地面除尘用水、2号烧杯为地面消防用水。在中间水池中放置SS传感器，两个烧杯内部分别放有液位传感器。

测试中，中间水池的SS为15mg/L，符合两个回用水点回用标准。当水质达到用水点使用标准时，系统根据用水点设定水量进行供水，当供水达到设定水量时，控制器关闭对应水泵，停止供水。当水质不达标时，系统根据用水点水质需求标准停止供水，待向中间水池中加入高浓度矿井水后，使得SS浓度增加，达到100 mg/L，不满足两个用水点需求，控制器控制水泵，停止供水。实验结果显示，系统能够根据水质变化控制水泵的开关，实现了矿井水的调度控制。

五、结论

针对目前矿井水处理后回用成本高、循环利用率低等问题，本文在矿井水分层优化处理工艺流程的基础上，设计出了矿井水在线监控系统，完成了矿井水在线监控实验平台的搭建。该装置的研发大大地提高了矿井水在生产过程中的回用效率，产品的优势得到了充分体现。