智能化供排水系统在井下的应用研究

史兴义

（国家能源集团神东公司哈拉沟煤矿,陕西 榆林 719315）

引言

通常情况下，在煤矿井下开采过程中都会有很多安全问题存在，同时也有一些涉及到浪费资源的问题。为了保证煤矿井下生产作业能始终处于安全的状态，就必须在煤矿生产期间对安全问题更加关注。因为采矿工艺日渐提升了自动化与机械化水平，所以，煤矿开采设备的质量及其性能应该得到全面保障，并对当前最先进的开采工艺有所掌握。在煤矿开采实践中，供排水系统仍有安全隐患存在，水泵的检修维护量较大，对煤矿生产安全产生了不利影响。为此，在煤矿建设期间，就有必要对当前的供排水系统加以优化，积极对供排水系统进行改造，应用智能化供排水系统，以达到煤矿生产的安全要求，同时也能保证水资源的利用率进一步提高。

一、煤矿井下应用供排水系统的概述

（一）供水系统

当前的矿井开采方案中有三种开采方式：平硐开采、斜井开采及立井开采。不管利用的是哪一种方式，都是以主巷道水平为主呈多级分布。即便煤层相同，也可能有不同的煤炭储存位置。基于此，各采区就有着不同的标高差，而且差异很大，再加上水的静压作用影响，导致地面向井下供水时就会产生供水不足或水压过高等问题。矿区为了使标高比较高的采区有充足的供水，不至于造成严重的粉尘污染和设备高温运作等，一般会有一个中央减压处理水泵被设置于主巷道，降低水压后再运送至标高较低的采区。选用这样的处理方式能将各采区分水压不均的问题彻底解决，但是也有弊端存在。一是要由人工对中央减压处理水泵进行严格的监管，加大了劳动强度，所以对人力资源的要求比较高；二是在维护和修理运输管道设备和中央减压处理水泵的过程中，支出的经费较高，这就直接影响到企业的经济效益；三是在运行过程中，中央减压处理水泵对电能的消耗很大，这是一大笔的支出。

（二）排水系统

工业用水在经过开发生产之后会向沉淀池不断地流入，确保沉淀处理能符合排放要求，再利用排水系统向地面进行排放。水文地质有所不同，与此同时，矿井的涌水量也是不同的，在此基础上，排水系统就要在满20 小时的情况下，才能将矿井最大涌水期时一天的水量排完，对备用排水泵的运作效率也有一定要求，要求其至少为主泵的75%。排水系统的组成部分主要有以下设备：过滤网、离心式水泵、调节闸阀等。如果以排出方式来划分，可以分成以下三种设备：一是压入式排水泵。该设备是指需排水的水位要比吸水口高，借助于压力差将水压入泵中排出到地面，而不能借助真空泵等压力设备。此设备消耗的电能少，但是有很多不可控因素，不具有较高的安全性，一旦水压过大，可能会有意外事故发生。二是吸入式排水泵。此设备是指排水的水位要比泵的吸水口低，吸水装置被启动，再将水吸入泵中，这种方式有很高的安全系数，缺点则是高耗能。三是压、吸并存式排水泵。这种装置主要有两个水仓，即：上水仓和下水仓，上水仓比泵的吸水口要高一些，而下水仓的高度则比泵的吸水口要低。所以，可以同时进行压水、吸水，该设备既可靠又安全，但是造价较高。

二、智能化供排水系统在井下的应用

（一）实时监控采空区水

在煤矿开采中会产生大量的水，我们要将水排在采空区内储存并沉淀，防止采空区水位过高，在采空区上利用水文监测系统，对采空区的水压（水位）和水温等进行自动监测和记录监测设备，利用压力的温度传感器采集成的频率信号，经集成电路处理后，转化成数字信号显示于分站显示屏上，水文监测系统同时能在地面、井下准确的测量水位的高度，该系统能够在长期无人值守的条件下自动对水压（水位）和水温等进行监测，可以准确地知道采空区水位高度，防止采空区的水位过高产生的水患。矿井采空区水害是五大灾害之一，通过使用该系统，可以有效地解决采空区高水位带来的安全隐患，把采空区高水位的危险性转变为可利用水资源，避免了不必要排水设备的使用，节约了电费和排水设备固定费用的投入，彻底地扭转了矿井水的危险性，为矿井安全打下坚实基础。

（二）合理利用矿区水

2012年之前，工作面用水一直是采空区过滤直供，由于采空区水缺氧，形成了Fe和Mn离子。此种水质一旦接触到空气中的氧气，会迅速形成难溶于水的铁锰离子沉淀物，会堵塞工作面液压系统，影响生产。

2012年施建了首套井下矿井水处理系统。该系统是将11-14采空区沉淀过滤后的水，通过6 台原水泵抽进4 台净水处理装置，同时加入高锰酸钾，把污水中铁锰离子清除，然后通过过滤和沉淀输出净化水，充分用于井下生产复用，复用量为200m³/h。全矿工作面实际用水量约为120 m³/h，复用水处理系统的能力为200m³/h，所以剩余的80m³/h 处理净化水，可以利用外排水泵直接提升至地面洗煤厂使用，从而使其更有效的再利用。通过我矿的复用水系统的合理应用，可以为建设周边的绿水青山提供充足的水资源，为哈拉沟煤矿生态示范基地提供了保障。自从该系统投入后，为矿井和矿区带来了诸多效益。

（三）有完善的供排水智能监测系统

在煤矿井下对智能化供排水系统的应用中，通过对完善的供排水智能监测系统的应用，就可以实现对供排水系统的多级化远程检测监控，进而能对管道供水水压进行分配管理，排水问题也得到解决。目前，智能化供排水系统的监测系统采用的基本都是PLC 编程软件，建立的是流体管网系统模型，人工成本减少的同时还能提升供排水系统效率，由此便能达到平衡系统的全面水力的目的。该系统投入前，矿井都是使用接力排水，最后进入中央水仓后重新排入采空区或者外排。自从有了该系统后，每个综采工作面的污水直接排入采空区，利用水位差直接自流到水处理装置，有效地减少了矿井的排水设备投资。

（四）环境效益

节约自来水资源。由于该系统直接使用井下采空区的系统处理水，来代替使用井上自来水资源，相当于每年节约输送自来水约1314000m³。

减少CO2排放。自从复用水系统投入后，我矿每年可以节约使用自来水100多万方，供水系统和电力设备使用量也相应大幅减少，从而大大减少了相应CO2的排放量。

缓解了水资源。我矿处于陕北严重缺水地区，每年外排处理后的净化水水量约为438000m³，通过这套系统，哈拉沟煤矿可以自给自足、为矿区居民生活用水腾出更多水资源，能够更好地缓解矿区地面水资源缺乏。

带动了周边生态环境的完善建设。通过我矿的复用水系统的合理应用，可以为建设周边的绿水青山提供充足的水资源，为哈拉沟煤矿生态示范基地提供了保障。

（五）使用多功能水泵控制阀

在煤矿井下排水系统中，电动闸阀是比较常用的，只是这种闸阀有非常明显的优缺点，优点为：电动闸阀能迅速地开启和关闭，并且缩短阀门启闭的时间；便于操作控制，对压力和口径较大的阀门比较适合；实现智能化控制。缺点为：安装维修的难度大、昂贵的价格，不便于控制，安全系数低。所以，受电子闸阀的局限性所影响，智能化供排水系统就利用了多功能水泵控制阀，这种闸阀更加安全、更合理，而完全取代逆水阀、电动闸阀和水锤消除器这三种装置是这一新型阀门具备的最大特点。简述其工作原理可以概括为：由于启动之前阀门出口端有压力，阀门就处于紧闭的状态，膜片控制器上腔与压力水是直接连通的，而下腔是和阀门进口段低压保持相通的，启动后致使进口处的压力升高，由此可打开主阀门。此外，也能通过对外接管路上的控制阀有效利用，进而对主阀门的开启速度实行控制和调节，智能且便于人工操控，水泵停止工作时就会降低阀门进口段压力，当水流量基本不存在时，主阀门受自身重力的影响能够自行关闭，人可以去控制关闭速度。

结语

在煤矿发展过程中，井下智能化供排水系统的应用尤为重要。本文先讨论了井下供排水系统，也指出了当前供排水的安全以及浪费资源等问题，并提出要加强应用智能化供排水系统，能够发挥供排水循环功能，合理利用矿区涌水，有完善的供排水智能监测系统，还能优化排水点以及运用多功能水泵控制阀，这对于煤矿企业提升经济效益和长远发展都具有重要意义。