矿井供水系统运行分析及管路流量智能在线监测研究

贺敏慧

（晋能控股煤业集团寺河煤矿，山西 晋城 048200）

在煤矿系统中，矿井供水系统是必不可少的一部分，在开采过程中维护着生产安全，因此矿井供水系统被称作矿井的“生命线”。老矿井因为开采时间较长，系统管道长期经受雨水侵蚀、巷道变形加剧、原本的自然条件受到影响、矿井采动压发生变化，导致矿井发生跑冒滴漏的现象，给采掘矿井工作带来巨大的挑战，常会因为管路出现断裂或者水压力过低而不得不停止工作，这种情况下，将会对水资源的浪费特别严重，而且还会对采掘方面的作业有一定的限制，从而导致企业不能够正常运营[1]。

寺河矿井的供水管路铺设的位置主要在运输巷道或者是机采工作面巷道处，通过对质量方面的相关规定，可知需在管路中增加三通球阀门，尤其要注意的是在各个巷道的交叉处进行设置。过去对矿井泄露的现象进行检查的方式主要依赖于人工，这种方法不仅费时费力，在遇到紧急情况时会出现处理不及时的问题，还无法进行实时监控，导致无法对采掘工作面供水不足的情况及时发现并处理，从而影响了采掘工作的进度[2]。

目前，寺河矿井为了改变传统方法上的缺点和不足，积极采取科学的措施，改变现状，提高工作效率，主要有减少单班下井人员的数量，广泛推行智能化和自动化的设备，实现了对矿井供水系统运行状态的科学分析和安全管控。

1 煤矿供水系统

1.1 煤矿井下供水用途

现代化的矿井想要实现高产能，就必须通过大型机电设备来实现，但是大型机电设备在运行过程中会产生大量的热，导致机器温度急剧上升，普通的风流冷却方式已经无法满足这样的散热需求，因此需要采用供水系统为其提供冷却散热。煤矿供水系统可稀释井下高浓度的煤尘、岩尘和瓦斯等，并且具有降尘消尘的作用，改善了矿井下的条件，同时也可作为消防用水[3]。其次综掘工作面所采用的液压支架和液压单体中的乳化液是由乳化油和水按照一定的比例配置的，其中水由井下供水系统提供。此外供水系统还可以为井下卫生清理和冲洗杂物提供用水，对矿井安全质量标准化有重要意义[4]。

1.2 供水系统设计

图1 是供水系统的工作流程图。供水系统的水源是煤矿地下水库，在“自然压差”的作用下进入管路；原水仓的水位具有上下限值，进水管的电动阀通过液位传感器进行启闭，可将水位控制在恒定范围。清水仓的水位同样具有上下限值，清水泵通过液位传感器进行启停，可将水位控制在恒定范围[5]。清水仓通过安装多种智能化和自动化的设备，如多参数水质监测仪，实现了计量泵与清水泵的联合。监测仪通过监测水的pH值、温度、电导率等参数控制计量泵的启闭，可到达自动、定量添加药剂以改善水质条件的目的。供水系统的功能具体实现过程：将电动阀门安装在净水箱反冲洗管路上，计算机智能化设定电动阀门的启闭时间和周期，达到自动冲洗沉淀物的目的。可根据采掘工作的需要将盘区采掘工作面的供水压力的设定值发送到PLC，与供水系统管路的总压力值对比，将调频信号传输到变频器，从而实现PID的自动控制；如果首台变频器在50Hz的工作频率下，总管路的出水动压还没有达到上位机的设定阈值，那么就保持该变频器的工作状态，开启下一台变频器实现联合调速，从而使总管路出水动压达到设定值，采用多台增压泵联合调配情况下的原理相同[6]。

图1 智能供水系统流程图

供水系统故障判断方法：如果该系统在恒压供水条件下运行，总管路出水动压基本维持在一个固定的值，盘区采掘工作面的供水压力值在很短时间内出现陡降，说明供水系统管路出现了渗漏，PLC识别后停止工作，对上位机发出警报，生产指挥人员会立即指示相关人员进行巡查并排除故障[7]。供水系统的维护人员可以通过储存在上位机服务器中的智能供水系统历史运行数据曲线来判断供水系统的运行状况。例如，维护人员在分析一台加压泵的运行数据曲线时，发现当加压泵工作频率工作下的时转速为1400r/min，出水压力是2.3MPa，如果出水压力明显低于3.3MPa时，就说明泵叶轮或轴承出现了磨损严重的故障。

2 矿井供水管路流量智能化在线监测

2.1 在线监测原理

在线监测系统主要由5部分组成，分别是矿用管道流量传感器、上传装置、传输线缆、监测分站和网络交换机。矿井下设置有水流量传感器，安装在主要供水管路的进水口，其主要由3部分组成，分别是阀体、水流转子组件和微电脑显示器。当水流经过所对应的传感器的过程中，设计的流量计通过其转速和水流的速度相匹配，水流的流速将会影响转速的大小，将产生的信号传送到控制器，此时控制器对相关数值进行分析，并判断水流量的大小，并且可以进一步地观察水流量的变化情况。通过这种方式，不仅可以在井下对水流的状态进行实时监测，还能够通过KJ90X 矿井的相关系统反应变化的曲线[8]。

2.2 电动阀门远程控制

电动控制阀门安装在矿井管道流量传感器的前端，可以达到远程控制阀门开关，从而控制管路流量的目的。

2.3 管道流量传感器

法拉第电磁感应定律指出导体在磁场中运动时，与磁场方向和其运动方向相互垂直方向的导体两端会产生感应电动势，该感应电动势的大小分别与导体的运动速度和磁场的感应强度有关，运动速度越快，磁感应强度越大，感应电动势越大。因此，管道流量传感器可以实现对管道内水流量大小的实时监测[9]。

3 现场应用

3.1 在线监测系统组成

所谓的在线监测系统是通过将安全监控系统和水流量传感器相结合的系统，其作用是能够有效地反映出在主供水管路的水流大小情况，且还可以通过对绘制出的水流量变化图来进一步分析每个地区的供水状态以及是否有异常情况出现等。通过以日常用水量为标准，能够采用以在线监测系统为基础，对各地区的用水量进行设置一个上限值，如果超出上限值将会触发警报，相关的工作人员能够迅速锁定地区，并在短时间内进行处理[10]。

3.2 矿用管道流量传感器安装

通过对矿井下各个地点的供水管路分布情况和供水管网的分析，将矿用管路流量传感器的安装分为三个层级。首先是为了监测水源情况，将流量压力传感器安装至矿井污水处理站入井工程管路下口；其次是为了监测主供水管路水流量情况，将流量压力传感器安装至各采区主要供水管路末端；最后为了监测分支供水管路水流量情况，将流量压力传感器安装至分支管路。从而使整个供水管网形成一个树状拓扑结构，各主、支供水管路的水流量变化情况就能更加直观地呈现。基于KJ90X 煤矿安全监控系统，工作人员能够及时、快速、准确地获取井下供水主、支管路的水流量变化情况，以便采取正确的处理措施。

3.3 电动阀门远程控制

每个流量传感器前端都应该安装有电动控制阀门，以达到远程控制阀门开关的作用，如果需要关闭管路水流，采用电动控制阀门就可以及时实现远程控制，从而减少水资源的浪费[11]。

3.4 供水流量上下限值确定

矿井各管路的供水水流方向是固定的，结合矿井现场生产的实际情况，可以发现在工作面生产期间，管路的水流流量会呈现小幅波动，但基本都保持在一个范围内，通过对历史流量变化数据的分析，可以确定水流量的正常波动范围。当管路发生断裂或者关闭阀门时，供水管路水流量会发生相应变化，会偏离水流量的正常波动范围，此时，工作人员就能迅速做出判断并及时处理故障。

3.5 供水事故判定

采用该检测系统具有的特点是不需要依靠人工进行监测，其工作原理是在管路上转配的传感器将会对流经管路处的水流量进行连续性监测，并且根据相关智能化推理为参考，对管路处的情况进行判断，确定是否出现破裂或者是其他异常的情况，从而能够及时地解决在采煤工作面处出现水量不足的现象。

3.6 动态监控

基于矿用管路流量传感器，利用KJ90X 矿井安全监控系统平台，对矿井供水系统运行和管路流量进行实时监测，数据以监测曲线形式呈现，更加直观，从而实现了远程动态监控[12]。

4 结论

(1)矿井管路流量监测系统通过对管路中流经的水量进行连续监测，并对管路的状态进行实时分析和判断，这样的优势是能够有效地辅助对矿井供水状态，这对未来矿井进行作业发挥了重要的作用。

(2)该系统通过对供水管路的实时监测，可以测定供水主、支管路水流量的变化情况，从而分析并掌握不同时段的用水量。

(3)该系统通过对历史日流量变化数据的分析，得到了工作面正常生产期间供水量的允许波动范围，为矿井供水系统设计提供了参考依据。

(4)当系统内管路出现断裂故障或工作人员误关阀门等情况，管路水流量会发生较大变化，超出水流量的允许波动范围，此时工作人员可根据管路流量变化情况及时准确做出判断和处理措施，从而保障了采掘工作面的安全生产。