某錳礦達標廢水在井下防塵防火中的應用研究

朱祥德

(貴州遵義匯興鐵合金有限責任公司，貴州 遵義 563000)

隨著國家經濟和社會的發展，人民生活水平不斷提高，企業職工安全健康的防護要求越來越高，已經成為當前國家及各企業關注的重點，各礦山均陸續建設了作業場所和車場的防火防塵設施，如井下礦井廢水處理設施和井下消火栓系統。但各企業作業場的防塵設施及消火栓防火設施均用水泵在井下水倉或某中段溝渠匯流集水倉后取水供水，供水壓力靠水泵或匯流在一定標高的水倉高差提供，動力消耗大，不但運行成本高，水質不穩定且無法保障及時連續供水，缺乏系統化、自動化考慮。研究將經過礦井廢水處理系統處理后的達標外排廢水，利用于井下各用水點的技術方案，以及PLC和智能傳感器在井下防塵防火設施設備中的升級改造及未來礦山發展，并就其可行性進行探討具有重要的現實意義。

1 某礦山及相關廢水設施設備概況

1.1 企業概況

某錳礦共3個礦段、4個采區，有2個運輸大巷，各采區采掘作業面標高為570.8～675 m，各采區排水通過采掘點建立臨時水倉，通過由液位開關或人工定時啟動排污水泵，將水倉水提升至784 m大巷，再通過東西方向約高于中間的中央水倉進行收集，污水因通過排水溝渠收集，未完全封閉，自流至784 m中央水倉后水源將再次受到污染，最后利用775 m中央水泵房系統，通過值班人員或簡單液位控制開關啟停泵將水抽到井外的850 m處集中進行井下污水處理，其污水處理系統根據轄區政府職能部門要求已經建設完成并實現排放在線監測達標驗收。其排水口至滅火防塵作業面高差約200 m。

1.2 井下水處理概況

因原污水收集和排放都是通過井下采掘通道的溝渠和水倉分區分點位進行水倉簡易收集后，再通過排水泵提升到一定高度的開放式排放，水中顆粒和懸浮物、重金屬等嚴重超標，井下廢水必須進行處理并達標后才能排放。國家專家組就轄區同類企業的井下設施設備、防塵防火安全隱患進行了指導和幫扶，針對《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2020)[1]中設施設備和重大安全隱患相關條款，以修改后的新標準對井下設施設備和安全進行了重點檢查，并對井下電纜要求使用低煙、低鹵型阻燃電纜等，提出了系列整改意見。企業綜合未來的發展和目前實際，及時進行了選址和建設運行水處理系統，其處理量超1 000 m3/d，經在線監測，各水質排放指標均達到國家《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[2]Ⅲ類標準。排水中Fe濃度≤1.0 mg/L，達到《貴州省環境污染物排放標準》(DB 52/864—2013)[3]標準并直接對外排放，為后續水源的利用和創建一個井下防塵防火的常高壓給水源創造了條件。水處理采用當前同類系統中比較成熟而可行的設施設備，主要工藝為曝氣調節+隔油+混凝沉淀+錳砂過濾+紫外線消毒，工藝流程見圖1。

圖1 水處理工藝流程

1.3 井下防塵防火設施設備

企業現有井下防塵防火僅采取簡單的中段或一定高度的就地集水倉直接取水，或就地應用水泵提升采區水倉水，通過就地手動控制啟停泵來給防塵防火系統給水。系統壓力不穩定，水中有懸浮物和重金屬，其控制簡單，無法保證除塵滅火時第一時間提供穩定的水源，且所用水是未處理的污水廢水，不能滿足防塵防火設施設備和人員作業場所的要求，部分重金屬在霧化使用后易使人中毒或排出井外造成二次環境污染。同時存在井下集水井排水因自動化程度不高，無法完全實現自動化和無人化控制，無法實時顯示和監測現場情況等問題，存在排水、井下作業人員及設施設備的重大安全隱患，這也為利用PLC、智能傳感器的升級改造和5G物聯網在井下礦山的應用留下了空間。

2 礦井達標水在井下防塵防火的利用

2.1 在消防常高壓給水系統中的利用

在水處理系統達標水排放口修建一個一定容量的儲水池(通過設置溢流管對原水處理系統進行正常的排放，原有水處理系統功能不受任何影響)，與井下防火等應用點形成一個常高壓給水源。在新建水池上安裝智能液位控制儀器儀表，可實時顯示水池液位和儲水情況，安裝水流量開關或智能壓力表，可實時動態顯示井下各用水情況，與各采區用水點安裝的感煙、感溫及防塵傳感器聯網，便可精準地知道是哪個區及末端用水的情況。利用比例調節電動閥，可根據末端用水量需要設置水倉大小并及時通過調節電動閥對水倉進行自動補水，確保水倉儲備的水量在滅火、除塵或其他應用中的需要。這樣通過智能傳感器和儀器儀表，根據各液位、流量和電動閥的設置，形成一個自動給水的閉環控制系統，以達到未端系統穩定的壓力和一定容量的水，同時利用原有排水管道井進行鋪設管網，即方便安裝又給應用創造了條件，這樣形成的常高壓給水系統，始終能滿足井下防塵防火水系統所需要的工作壓力和流量。無須增設消防水泵和給水控制系統，形成的常高壓給水系統可向任何井下水滅火、除塵或其他礦山用水的系統供水。解決了原簡單防火防塵系統中給水的應用成本高和有污染的問題，確保了井下用水安全和設施設備安全，且因使用了清潔、無污染的達標的水，使得系統設備和管網運行安全，運行維護成本大大降低，設施設備使用壽命延長。

2.2 管網和水倉的改造

在原有管道井或巷道向各采區末端鋪設給水管道，利用前述設置的中間水倉，形成一個以采區末端用水的設施設備為主的穩定給水系統，這樣按礦山井下應用水的設置分成若干獨立采區。利用前述液位控制比例調節電動閥自動控制補水，或在各采區利用一定標高設置的多級中間水倉和浮球閥控制其水倉的補水，從而達到控制不同標高差間的工作壓力，確保各采區末端設施設備用水的壓力在設計規范內。同時可利用在末端管網設置一套泄壓裝置，確保管網安全和壓力穩定。

2.3 末端防塵防火設施設備的自動控制

在各采區作業面或車場，安裝防火防塵的消火栓或噴淋噴霧等設施設備進行滅火和除塵，根據各防塵防火和其他用水特點，按不同的分區和應用，在各分區支管上安裝電磁閥、流量開關或壓力傳感器，通過安裝的智能煙感、溫感或復合型傳感器、粉塵傳感器等進行報警和控制其電磁閥，以達到準確、快速、自動滅火除塵的目的。

其自動控制簡述如下：當各采區防塵防火應用點發生初期火災或需進行除塵時，為防止誤報警，可按設置的智能傳感器在兩個以上報警時則認可為發生了火災或需除塵，便根據系統設置的允許/禁止狀態控制其分區電磁閥的打開與關閉，現場也可設置聲光報警裝置進行現場報警，同時上傳報警信號。當末端電磁閥允許動作時，末端中間水倉不斷向分區供水，當水倉液位下降到設置的低液位時，智能液位控制器向系統設置為允許/禁止狀態的比例調節電動閥進行控制向中間水倉進行自動補水，并上傳液位信號(或通過中間水倉浮球開關動作，逐級向中間水倉進行自動補水，根據系統設置和需要安裝智能傳感器)。當補水到設置的上限時，智能液位傳感器動作，電動閥或浮球開關關閉，停止向水倉補水。通過中間水倉液位的變化和分區探頭傳感器的動作情況，可綜合分析現場是否發生了火災或粉塵爆炸或管道爆裂等故障情況。通過常高壓系統水池出口處安裝的流量計或開關、壓力開關和液位顯示儀，可根據設置需要進行報警和用水量的統計。

3 PLC控制和智能傳感器在礦山的應用

此次井下達標外排水在井下防塵防火的應用，形成了一套獨立的常高壓自動滅火除塵系統，可利用其他輔助聲光或遠程報警控制，可利用PLC對原有排水泵進行就地、遠程控制(水泵房可設獨立控制柜，每臺水泵都有一臺現場控制箱，設置就地/遠程PLC轉換功能，設置一套手動聯鎖控制回路，保障緊急情況下使用)通過與傳感器的有機結合，可新增設振動傳感器、電量傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、設備開停傳感器或電觸點信號、閥門開閉傳感器和水池液位傳感器，可實現水泵的電壓、電流、實時功率、電機前后軸溫度、水泵前后軸溫度、排水流量、實時水池水位高度等的實時監測和數據采集。利用5G物聯網實現水泵房及未來設施設備、生產調度、安全環保等的數據與設備控制的零延時對接與操作?？蓪崟r采集現場傳來的檢測數據，利用互聯網大數據運算平臺，實時進行本地顯示、報警和分析處理等，同時將機房或上級的控制命令下達到現場，實現遠程無人操作與控制。

4 應用成果

主要成果是利用水處理后的達標排放水作為井下的防塵防火等的水源應用，解決了原有礦山簡單再利用中的水不達標問題。部分礦區存在嚴重的重金屬二次環境污染和作業人員身體中毒傷害的問題，同時應用中的管道和設施設備存在嚴重的腐蝕問題，這些問題不但增加了設施設備的運行維護成本，而且還縮短了設施設備的正常使用壽命。其次利用出水口與井下應用點自然形成的高差，形成了一個常高壓給水系統，不再消耗其他能源和增加給水水泵設備，便能滿足一定壓力的足夠給水源。利用比例調節電動閥或中間水倉和減壓閥，便可根據末端所需的壓力情況，滿足其一定的穩定壓力，減少了穩壓系統的投入和電能消耗，同時便于系統的自動化改造與升級。最后通過原有噴淋滅火裝置的升級，并應用智能傳感器和電磁閥，實現實時報警和控制滅火除塵等功能，不但能精準控制，減少了現場操作人員及誤操作的發生，大大地降低了火災處理不及時而繼續發展的可能。

5 結 語

通過系列井下礦山設施設備的整改和水資源的處理與利用，與未來智慧礦山頂層設計，利用更多的工控機和PLC在礦山設施設備、消防安全、生產調度的應用，利用5G物聯網的數據運算、分析與傳輸、各種程序的開發與應用，使得達標廢水合理再利用，減少了錳礦山的消防安全隱患，提高了消防降塵設備作業效率，降低了設施設備的運行維護成本，為礦山減排有重要意義。