煤礦井下水自動化處理系統設計

趙奕杰 黨濱 王東

摘要：近幾年，我國大部分地區水資源短缺，加之我國大部分豐富的煤炭資源就分布在水資源匱乏的地區，為保護環境、節約成本且滿足煤礦企業用水需求，合理處理并利用煤礦井下水資源已迫在眉睫。該方案是對現代煤礦水處理系統的優化設計，適合新建礦企和舊礦的擴能改建，成本低，耗能少，效率高，值得推廣。

關鍵詞：井下水;混凝;超磁分離;電泳;PLC

1引言

我國是一個水資源嚴重不足的國家，就煤炭行業而言，全國86個國有重點煤礦區中有71%缺水，40%嚴重缺水，80%的煤礦職工飲用不潔水。因此，礦井水的資源化及提高井下水的利用率對于緩解礦區水資源匱乏和環境污染，提高人們生活質量，實現礦區水資源的可持續發展具有重要戰略意義[1-3]。

本文通過分析井下水水質及煤礦用水主要用途，結合傳統工藝和現代工藝進行井下水凈化處理，設計出一套煤礦井下水處理方案，實現了井下水的高效開發和利用，提高了礦井水的綜合利用率。

2煤礦井下水水質分析

井下水主要由地表水、地下水和礦井廢水組成。我國大部分地區地下水的水質差異不大，因此井下水的水質主要與開采煤層中所含的礦物質成分和井下工人作業、生活方式有關。地下水沿井筒流入井下水倉的過程中與地層中的礦物質發生化學反應，使水中的離子和化合物含量不斷增多，致使井下水硬度、含鹽量增高，井下水呈酸性或者堿性。同時，井下工人生產作業和生活，導致井下水中懸浮物（主要包括細小煤質顆粒、泥沙等）、細菌和有機物含量不斷增加。因此，煤礦井下水是硬度高、含鹽量高的或酸或堿性懸濁液。

3煤礦井下水自動化處理工藝

3.1傳統工藝

（1）混凝—沉淀—過濾—消毒

（2）預沉—混凝沉淀—氣浮—過濾—消毒

3.2現代工藝

（1）超磁分離井下水處理工藝

超磁分離水體凈化工藝是一種新興水處理技術。將超磁分離水體凈化工藝應用于煤礦井下水處理，可以提高懸浮物去除效率，減少絮凝劑等藥劑的使用，有效防止了水質的二次污染。

（2）電泳降沉井下水處理工藝

電泳是指帶電荷的粒子或分子在電場中移動的現象。該工藝較傳統的重力沉淀去除井下水中懸浮物效果好，凈化效率高，同樣可以減少絮凝劑等藥劑的使用，有效防止水質的二次污染。

4煤礦井下水自動化處理方案設計

針對煤礦井下排水量普遍較大，我們采用井下井上水處理一體化設計，傳統工藝與現代工藝相結合，有效提高井下水處理效率。

方案設計水處理廠為地上和地下兩部分。同時將井下水分為井下廢水和地下水兩部分處理，未污染的地下水直接采集提升到地面處理廠進行消毒處理，供井上井下的生活用水;被污染的井下廢水匯集到井下水倉進行處理。井下設置主、副兩個水倉，均須滿足有效容積8小時以上的井下正常涌水量，且在清理維護時互不受限。可將原有煤礦井下水倉進行改造與重新布置，在水倉中設置阻流堰進行井下水的調節、中和，并將水倉中部分割成若干沉淀池進行預沉淀，在水倉倉尾分割出一氣浮池進行細小懸浮顆粒與油污的氣浮處理。初級處理之后的井下水加藥與磁粉混合反應，然后通入井下的超磁分離器進行二次處理，除去一次沉淀未處理完全的懸浮物等雜質。初級沉淀與二次處理產生的雜質全排出到井下污泥池，進行壓濾處理，將煤泥提升到井上作煤礦鍋爐燃煤使用，磁粉回收再利用。處理后的水一部分直接供井下生產作業用水，一部分經高壓泵提升到地面處理廠。提升到地面的水一部分直接供煤礦工業用水，包括選煤廠補充用水、設備冷卻、綠化清潔等;另一部分經地面處理廠消毒處理達標后供井上井下的生活用水。經處理后的水，使用后可再次收集進行循環處理。井下水自動化處理系統結構圖如圖1所示。

5煤礦井下水自動化處理系統設計

5.1系統主要裝置及結構方案

煤礦井下水自動化處理系統主要由現場信號采集設備、西門子S7-200PLC、以太網交換機、以太環網和上位機組成。液位、流量、壓力等傳感器采集到的信號傳輸到井下西門子S7-200PLC，然后通過以太網交換機進入井下以太環網，經由以太環網傳輸到監控中心上位機。采用Wincc組態軟件作為上位機組態軟件，傳輸至上位機中的信號通過組態軟件界面的工藝流程圖進行實時顯示。同時PLC接收上位機發出的控制指令，對系統開關量進行起停控制。井下水自動化處理系統硬件結構圖如圖2所示。

5.2系統主要裝置設計

5.2.1西門子S7-200PLC

PLC具有結構靈活、可靠性高、編程簡單、耗電量小、功能強大、維修方便和設計周期短等特點，適用于井下惡劣的生產作業環境，本系統選用西門子S7-200PLC。S7-200PLC基本構成框圖如圖3所示。

PLC對整個系統進行管理，PLC 主要控制水泵開停、電動閥門開關以及互沖洗濾罐閥門的開關。

5.2.2液位傳感器

由于煤礦井下排水系統的重要性，而液位傳感器是整個排水系統合理運行的關鍵所在，選擇合適的液位傳感器以下幾個方面的內容：

（1）穩定性要好，能夠長期穩定運行;

（2）井下空氣中懸浮的粉塵較多;

（3）傳感器制造成本;

（4）水池高2m，傳感器量程無需太大。

綜合以上條件，我們選擇穩定性好、制造成本較低、量程在4～8m的投入式液位傳感器。投入式液位傳感器功能模塊圖如圖4所示。

6煤礦井下水處理自動化監控系統軟件設計

本監控系統軟件設計根據井下水自動化處理的控制要求進行方案制定，主要包括PLC軟件程序設計和Wincc組態軟件程序設計兩個部分。

6.1PLC軟件程序設計

PLC軟件程序設計采用西門子標準編程軟件Step7編程，使用梯形邏輯圖、功能模塊和語句表進行程序編制。整個程序包括供電狀態檢測、系統運行參數檢測（包括液位、流量、壓力、開關量等）、水泵開停控制、閥門開關控制、故障報警等模塊。

6.2Wincc組態軟件程序設計

上位機組態軟件主要是生成人機交互界面，以便監控人員進行實時監控。本系統采用Wincc7.0組態軟件進行人機界面開發，該應用軟件可以對模擬量和開關量進行實時監控。人機界面主要有工藝流程圖、模擬量歷史曲線、實時報表、歷史報表、報警系統和操作畫面。

7結束語

綜上所述，煤礦井下水是煤礦用水的重要來源，將煤礦井下水資源化迫在眉睫，對煤礦系統優化調整和改善人們生活水平具有重要的意義。該水處理系統方案設計是對煤礦水處理系統的進一步優化，能耗低、效率高，貼合國家節能減排政策，實現煤礦水資源的可持續發展。

參考文獻

[1] 唐壽明.阜新礦區礦井水混凝及過濾優化研究[D].遼寧工程技術大學，2009.

[2] 曾東.清潔生產機制在煤炭資源開發利用中的發展[J].2006年中法學會環境資源法學研究會年會，2006.

[3] 賈希榮.煤礦區開發與環境保護[J].2000年西部礦物資源開發利用發展找略研討會，2000.

作者簡介：趙奕杰（1991—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，本科，助理工程師，主要從事鉆探裝備技術研究與推廣工作。

（作者單位：中煤科工集團西安研究院有限公司）