某锰矿达标废水在井下防尘防火中的应用研究

朱祥德

(贵州遵义汇兴铁合金有限责任公司，贵州 遵义 563000)

随着国家经济和社会的发展，人民生活水平不断提高，企业职工安全健康的防护要求越来越高，已经成为当前国家及各企业关注的重点，各矿山均陆续建设了作业场所和车场的防火防尘设施，如井下矿井废水处理设施和井下消火栓系统。但各企业作业场的防尘设施及消火栓防火设施均用水泵在井下水仓或某中段沟渠汇流集水仓后取水供水，供水压力靠水泵或汇流在一定标高的水仓高差提供，动力消耗大，不但运行成本高，水质不稳定且无法保障及时连续供水，缺乏系统化、自动化考虑。研究将经过矿井废水处理系统处理后的达标外排废水，利用于井下各用水点的技术方案，以及PLC和智能传感器在井下防尘防火设施设备中的升级改造及未来矿山发展，并就其可行性进行探讨具有重要的现实意义。

1 某矿山及相关废水设施设备概况

1.1 企业概况

某锰矿共3个矿段、4个采区，有2个运输大巷，各采区采掘作业面标高为570.8～675 m，各采区排水通过采掘点建立临时水仓，通过由液位开关或人工定时启动排污水泵，将水仓水提升至784 m大巷，再通过东西方向约高于中间的中央水仓进行收集，污水因通过排水沟渠收集，未完全封闭，自流至784 m中央水仓后水源将再次受到污染，最后利用775 m中央水泵房系统，通过值班人员或简单液位控制开关启停泵将水抽到井外的850 m处集中进行井下污水处理，其污水处理系统根据辖区政府职能部门要求已经建设完成并实现排放在线监测达标验收。其排水口至灭火防尘作业面高差约200 m。

1.2 井下水处理概况

因原污水收集和排放都是通过井下采掘通道的沟渠和水仓分区分点位进行水仓简易收集后，再通过排水泵提升到一定高度的开放式排放，水中颗粒和悬浮物、重金属等严重超标，井下废水必须进行处理并达标后才能排放。国家专家组就辖区同类企业的井下设施设备、防尘防火安全隐患进行了指导和帮扶，针对《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)[1]中设施设备和重大安全隐患相关条款，以修改后的新标准对井下设施设备和安全进行了重点检查，并对井下电缆要求使用低烟、低卤型阻燃电缆等，提出了系列整改意见。企业综合未来的发展和目前实际，及时进行了选址和建设运行水处理系统，其处理量超1 000 m3/d，经在线监测，各水质排放指标均达到国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[2]Ⅲ类标准。排水中Fe浓度≤1.0 mg/L，达到《贵州省环境污染物排放标准》(DB 52/864—2013)[3]标准并直接对外排放，为后续水源的利用和创建一个井下防尘防火的常高压给水源创造了条件。水处理采用当前同类系统中比较成熟而可行的设施设备，主要工艺为曝气调节+隔油+混凝沉淀+锰砂过滤+紫外线消毒，工艺流程见图1。

图1 水处理工艺流程

1.3 井下防尘防火设施设备

企业现有井下防尘防火仅采取简单的中段或一定高度的就地集水仓直接取水，或就地应用水泵提升采区水仓水，通过就地手动控制启停泵来给防尘防火系统给水。系统压力不稳定，水中有悬浮物和重金属，其控制简单，无法保证除尘灭火时第一时间提供稳定的水源，且所用水是未处理的污水废水，不能满足防尘防火设施设备和人员作业场所的要求，部分重金属在雾化使用后易使人中毒或排出井外造成二次环境污染。同时存在井下集水井排水因自动化程度不高，无法完全实现自动化和无人化控制，无法实时显示和监测现场情况等问题，存在排水、井下作业人员及设施设备的重大安全隐患，这也为利用PLC、智能传感器的升级改造和5G物联网在井下矿山的应用留下了空间。

2 矿井达标水在井下防尘防火的利用

2.1 在消防常高压给水系统中的利用

在水处理系统达标水排放口修建一个一定容量的储水池(通过设置溢流管对原水处理系统进行正常的排放，原有水处理系统功能不受任何影响)，与井下防火等应用点形成一个常高压给水源。在新建水池上安装智能液位控制仪器仪表，可实时显示水池液位和储水情况，安装水流量开关或智能压力表，可实时动态显示井下各用水情况，与各采区用水点安装的感烟、感温及防尘传感器联网，便可精准地知道是哪个区及末端用水的情况。利用比例调节电动阀，可根据末端用水量需要设置水仓大小并及时通过调节电动阀对水仓进行自动补水，确保水仓储备的水量在灭火、除尘或其他应用中的需要。这样通过智能传感器和仪器仪表，根据各液位、流量和电动阀的设置，形成一个自动给水的闭环控制系统，以达到未端系统稳定的压力和一定容量的水，同时利用原有排水管道井进行铺设管网，即方便安装又给应用创造了条件，这样形成的常高压给水系统，始终能满足井下防尘防火水系统所需要的工作压力和流量。无须增设消防水泵和给水控制系统，形成的常高压给水系统可向任何井下水灭火、除尘或其他矿山用水的系统供水。解决了原简单防火防尘系统中给水的应用成本高和有污染的问题，确保了井下用水安全和设施设备安全，且因使用了清洁、无污染的达标的水，使得系统设备和管网运行安全，运行维护成本大大降低，设施设备使用寿命延长。

2.2 管网和水仓的改造

在原有管道井或巷道向各采区末端铺设给水管道，利用前述设置的中间水仓，形成一个以采区末端用水的设施设备为主的稳定给水系统，这样按矿山井下应用水的设置分成若干独立采区。利用前述液位控制比例调节电动阀自动控制补水，或在各采区利用一定标高设置的多级中间水仓和浮球阀控制其水仓的补水，从而达到控制不同标高差间的工作压力，确保各采区末端设施设备用水的压力在设计规范内。同时可利用在末端管网设置一套泄压装置，确保管网安全和压力稳定。

2.3 末端防尘防火设施设备的自动控制

在各采区作业面或车场，安装防火防尘的消火栓或喷淋喷雾等设施设备进行灭火和除尘，根据各防尘防火和其他用水特点，按不同的分区和应用，在各分区支管上安装电磁阀、流量开关或压力传感器，通过安装的智能烟感、温感或复合型传感器、粉尘传感器等进行报警和控制其电磁阀，以达到准确、快速、自动灭火除尘的目的。

其自动控制简述如下：当各采区防尘防火应用点发生初期火灾或需进行除尘时，为防止误报警，可按设置的智能传感器在两个以上报警时则认可为发生了火灾或需除尘，便根据系统设置的允许/禁止状态控制其分区电磁阀的打开与关闭，现场也可设置声光报警装置进行现场报警，同时上传报警信号。当末端电磁阀允许动作时，末端中间水仓不断向分区供水，当水仓液位下降到设置的低液位时，智能液位控制器向系统设置为允许/禁止状态的比例调节电动阀进行控制向中间水仓进行自动补水，并上传液位信号(或通过中间水仓浮球开关动作，逐级向中间水仓进行自动补水，根据系统设置和需要安装智能传感器)。当补水到设置的上限时，智能液位传感器动作，电动阀或浮球开关关闭，停止向水仓补水。通过中间水仓液位的变化和分区探头传感器的动作情况，可综合分析现场是否发生了火灾或粉尘爆炸或管道爆裂等故障情况。通过常高压系统水池出口处安装的流量计或开关、压力开关和液位显示仪，可根据设置需要进行报警和用水量的统计。

3 PLC控制和智能传感器在矿山的应用

此次井下达标外排水在井下防尘防火的应用，形成了一套独立的常高压自动灭火除尘系统，可利用其他辅助声光或远程报警控制，可利用PLC对原有排水泵进行就地、远程控制(水泵房可设独立控制柜，每台水泵都有一台现场控制箱，设置就地/远程PLC转换功能，设置一套手动联锁控制回路，保障紧急情况下使用)通过与传感器的有机结合，可新增设振动传感器、电量传感器、温度传感器、流量传感器、设备开停传感器或电触点信号、阀门开闭传感器和水池液位传感器，可实现水泵的电压、电流、实时功率、电机前后轴温度、水泵前后轴温度、排水流量、实时水池水位高度等的实时监测和数据采集。利用5G物联网实现水泵房及未来设施设备、生产调度、安全环保等的数据与设备控制的零延时对接与操作。可实时采集现场传来的检测数据，利用互联网大数据运算平台，实时进行本地显示、报警和分析处理等，同时将机房或上级的控制命令下达到现场，实现远程无人操作与控制。

4 应用成果

主要成果是利用水处理后的达标排放水作为井下的防尘防火等的水源应用，解决了原有矿山简单再利用中的水不达标问题。部分矿区存在严重的重金属二次环境污染和作业人员身体中毒伤害的问题，同时应用中的管道和设施设备存在严重的腐蚀问题，这些问题不但增加了设施设备的运行维护成本，而且还缩短了设施设备的正常使用寿命。其次利用出水口与井下应用点自然形成的高差，形成了一个常高压给水系统，不再消耗其他能源和增加给水水泵设备，便能满足一定压力的足够给水源。利用比例调节电动阀或中间水仓和减压阀，便可根据末端所需的压力情况，满足其一定的稳定压力，减少了稳压系统的投入和电能消耗，同时便于系统的自动化改造与升级。最后通过原有喷淋灭火装置的升级，并应用智能传感器和电磁阀，实现实时报警和控制灭火除尘等功能，不但能精准控制，减少了现场操作人员及误操作的发生，大大地降低了火灾处理不及时而继续发展的可能。

5 结 语

通过系列井下矿山设施设备的整改和水资源的处理与利用，与未来智慧矿山顶层设计，利用更多的工控机和PLC在矿山设施设备、消防安全、生产调度的应用，利用5G物联网的数据运算、分析与传输、各种程序的开发与应用，使得达标废水合理再利用，减少了锰矿山的消防安全隐患，提高了消防降尘设备作业效率，降低了设施设备的运行维护成本，为矿山减排有重要意义。