底抽巷智能煤水处理系统设计

常云飞 宁雪艳

摘要：为了解决煤矿底抽巷水力冲孔煤水混合物清理难题，本文介绍了一种由制浆远程输送机、煤渣精准计量系统、振动式煤水分离筛、过滤水循环再利用设备及管路装置等构成底抽巷煤水智能处理系统，对该系统的整体方案进行了描述，对实现煤水所含煤渣的在线实时计量进行了原理分析和硬件选型，并对煤水智能处理的控制系统进行了设计。应用结果表明，利用流量计和浓度计测量得到的煤量与时间成正比关系，满足计量精度要求。经过近八个月的运行，底抽巷煤水混合物智能处理系统运行表现稳定，系统处理后的煤粒样本的含水率约为28%，煤水分离效率达到了92%，取得了良好的底抽巷煤水混合物的清理效果。

关键词：底抽巷；水力冲孔；煤水混合物；在线实时计量

DOI：10.12433/zgkjtz.20240404

随着我国煤炭开采规模不断扩大，开采深度逐步增加，煤与瓦斯突出、冲击地压、水害、热害等灾害也日益频发，其中尤以瓦斯事故更为严重。区域瓦斯治理是高突矿井实现安全生产、有效防范重大灾害事故的根本措施。

焦作矿区瓦斯地质条件复杂，煤层瓦斯含量高、透气性差、危险性大。通过多年的实践，焦作矿区目前确立了“底抽巷穿层钻孔+水力冲孔”的区域瓦斯治理模式。水力冲孔作业期间，大量煤水混合物排到巷道内，煤水乱流、泵坑淤积，底抽巷面貌脏、乱、差；煤渣计量误差大；运输设备多，设备维护和人工清煤工作量大；煤水混合物处理效率低。

部分学者及技术人员对底抽巷水力冲孔排出煤水混合物的高效处理技术及装备进行了研究及试验，颜威合等设计了由脱水筛、接煤装置、液下渣浆泵、专用泥浆泵、液压系统、水箱以及附件等组成的成套装备。郭俊强在鹤煤公司八矿3205底抽巷开展“钻冲筛运”一体化瓦斯治理技术研究，利用孔口密封装置和连接装置使钻孔施工过程中排出的煤水全部流入煤、气、水收集设备内，并利用振动筛固液分离机对煤水进行筛分，分离后的煤渣经输送带直接装入矿车。郝殿等研制了履带式煤水分离及计量输送装置，该装置采用履带行走，通过螺旋输送机及条缝筛实现煤、水自动分离，利用计量箱体完成煤渣的一次计量，再经输送装置将煤渣输送到矿车上。

但上述各技术方案均无法实现煤渣的在线实时计量，无法为水力冲孔作业工艺的及时调整提供依据。另外，水力冲孔作业时消耗大量的清水，造成了水资源浪费，增加了生产成本，制约了当前煤矿智能化发展的进程。为此，本文介绍底抽巷煤水混合物智能处理系统，可以解决煤矿底抽巷水力冲孔煤水混合物清理这一难题，增强底抽巷煤水混合物的清理效果，为安全高效生产提供有力保障。

一、煤水智能处理系统方案设计

为提高底抽巷水力冲孔排出的煤水混合物的清理输送效率，煤矿在1508底抽巷应用管道输送的方式，构建了煤水混合物远距离输送智能处理系统，整体构成如图1所示，具有对煤矿瓦斯抽放巷道打钻和水力冲孔排出煤水混合物的收集、破碎制浆、远距离输送、煤水分离、煤渣在线计量及过滤水循环利用等功能。

由图1可知，该煤水远距离输送处理系统主要由制浆远程输送机、煤渣计量系统、精细筛分机、过滤水循环再利用及管路系统构成。其中，制浆远程输送机主要由破碎装置、煤水贮存箱、泵送装置和管道冲洗装置等构成。由破碎装置对水力冲孔排出的煤水混合物中的煤块及矸石块进行破碎，使其达到合适的粒度后进入煤水箱中，泵送装置利用渣浆泵将煤水贮存箱中的煤水经管道进行远距离输送。当泵送装置停止输送煤水时，利用管道冲洗装置将管道中残余的煤水冲出管道，避免管道煤粉淤积。

煤水混合物由特种制浆输送机经管道输送到井下采区运输系统的皮带输送机旁，煤水混合物由精细筛分机进行固液分离，筛分后的煤粉转载至采区皮带机运出，过滤水经管道流入积水坑中，由沉入积水坑中的清水泵把过滤水输送到底抽巷水力冲孔用的冲孔泵的水箱中，实现过滤水的循环利用。

煤水混合物在经管道输送过程中，利用流量计和浓度计对管道中输送的煤水混合物的瞬时流量和瞬时浓度进行检测，分析显示出管道中流过的煤水混合物中的煤粉的瞬时质量和累积质量，实现煤水混合物中煤粉的初次计量。

二、煤水智能处理控制系统硬件设计

根据煤水混合物体积浓度定义，管道输送的煤水混合物所含煤渣的体积为

式中，Vm—煤水混合物中煤渣体积；

Cv—煤水混合物中煤渣的体积浓度；

Q—煤水混合物总流量，m3/h；

t—煤水混合物的输送时间，h。

利用对管道输送时煤水混合物流量和浓度的测量，能推算出煤水混合物所含煤渣的体积，实现水力冲孔煤水混合物所含煤渣量的在线实时计量。在此，选用GB－CMR型矿浆在线浓度计，该传感器基于元器件振动原理进行工作，由于煤水混合物的体积浓度和被测液体流动时的震动频率密切相关，当被测煤水体积浓度变化时，煤水流动时的振动频率也随之改变，进而实现对煤水混合物浓度、固含量等参数的检测。

拟合计算后，得到其标定方程为

同时，选用LZD127/50G型矿用隔爆兼本安型电磁流量计对煤水混合物的流量进行实时测量。该流量计是基于法拉第电磁感应定律进行工作的，当导电体在磁场内运动时，与磁场方向和运动方向相互垂直的导电体两端产生感应电动势，生成感应电动势的大小与导电体的运动速度和磁感应强度大小成正比。

当煤水以平均流速V（m/s）通过装有一对测量电极的内径为D（m）的绝缘管时，该管处于一个均匀的磁感应强度为B（T）的磁场中，对电极会产生同时垂直于磁场方向和液体流动方向的感应电动势E（v），则有

其中，。因此，流量与感应电动势E成正比。

根据煤水混合物煤渣计量及显示的要求，选用KXJ660型矿用隔爆兼本安型显示控制箱。该显示控制箱由防爆箱体、西门子S7－1200PLC可编程控制器、输入模拟量信号模块、输入模拟量信号隔离安全栅、输入频率信号隔离器、24V本安电源、文本显示屏、输入变压器和输出继电器等构成，控制器外部可以配接隔爆型真空电磁起动器、设备开停传感器、瓦斯及CO浓度传感器、流量传感器、矿浆浓度传感器、水位传感器等煤矿电气设备，具有自动控制、远程通信、实时监控、及时报警等功能，通过显示屏顯示设备运行状态及参数，可以通过网络或RS485等通讯方式实现数据的远距离通讯传输。该控制系统的原理如图2所示。

三、煤水智能处理控制系统软件设计

根据水力冲孔煤水混合物不落地远程管道输送工艺和系统的设计要求，该控制系统需要具备如下功能：第一，通过控制柜上的旋钮实现系统运行方式的切换和系统各设备的运行控制。第二，接收液位传感器信号，通过补水阀实现煤水箱液位的自动补水。第三，接收流量计和浓度计等传感器信号，经过PLC的模数转换及计算分析，通过显示屏显示煤水经管道输送时的瞬时流量、瞬时浓度，计算煤渣的瞬时质量和累积质量等；第四，当异常状况出现时，系统进行报警输出及显示；第五，根据倒计时设计，定时进行管道自动反冲洗。

控制系统软件分为系统软件和用户程序两个部分。系统程序是固化CPU中的程序，用于控制PLC本身的运作，实现系统自检、PLC运行管理及存储空间管理。用户程序存储于系统管理程序指定的存储区内，用于对具体控制对象的运行控制，实现对所采集数据的处理、对中断的响应以及对异常和错误的处理。

系统软件在上电后首先执行启动程序，进行系统初始化和参数设置，然后会进入主循环，在每次循环中执行用户主程序。液位传感器把贮水箱的液位输入PLC，并与设定的下限值进行比较，当液位超过下限值而低于上限值时，依次启动煤水筛分机、破碎装置、泵阀及输送泵，流量计及浓度计将检测的管道中渣水的流量和浓度信号输入到PLC，经过模数转换及计算后，得到煤水混合物流经管道时所含煤渣的瞬时质量和累积质量，并在屏幕上进行实时显示。

当系统需要停机时，为了避免管道中煤渣沉积，系统将关闭泵阀，开启冲管阀，冲洗管道中残留的煤渣，经过延时后，系统自动停机，如果不需要停机，系统会依次循环运行。

四、系统运行效果分析

底抽巷煤水混合物智能处理系统首先在焦煤公司古汉山矿1508底抽巷进行了试验和应用，利用该处理系统对1508底抽巷水力冲孔排出的煤水进行远距离泵送和在线计量，最远输送距离达到900m。试验过程中测量得到的煤量如图3所示。

从图3可以看出，利用流量计和浓度计测量得到的煤量与时间成正比，测试时利用计量刮板输送机算得的当班的冲孔煤量约为1.41T/h，两者测量结果基本一致，满足计量精度要求。

经过近八个月的运行，底抽巷煤水混合物智能处理系统运行稳定，通过对水力冲孔排出煤水混合物进行筛分后的煤粒进行取样，利用振动式煤水分离筛筛分后的煤粒样本的含水率约为28%，煤水分离效率达92%，取得了良好的对水力冲孔煤水混合物的固液分离效果。

五、结语

为了对底抽巷水力冲孔排出煤水混合物进行高效清理输送，本文构建了一套由制浆远程输送机、煤渣计量系统、精细筛分机、过滤水循环再利用及管路系统构成等构成的水力冲孔煤水混合物智能处理系统。该系统能实现水力冲孔排出煤水的连续输送处理，减少煤渣清理环节，提高钻孔的作业效率，同时能够实现冲孔煤水含渣量的在线实时精准计量，为水力冲孔作业的优化提供可靠的依據，提高钻孔整体成孔效率，缩短瓦斯治理周期，确保区域瓦斯治理抽采达标，节约采面投产准备时间，解决矿井采掘比例失调的难题，可为矿井的安全高效生产提供有力保障，助力矿井创造更大的经济效益和社会效益，推动煤炭行业底抽巷煤水混合物处理的机械化、自动化和智能化发展。

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作者简介：常云飞（1987），男，河南省卢氏县人，本科，工程师，主要研究方向为矿山机电技术及管理。