礦井供水系統運行分析及管路流量智能在線監測研究

賀敏慧

（晉能控股煤業集團寺河煤礦，山西 晉城 048200）

在煤礦系統中，礦井供水系統是必不可少的一部分，在開采過程中維護著生產安全，因此礦井供水系統被稱作礦井的“生命線”。老礦井因為開采時間較長，系統管道長期經受雨水侵蝕、巷道變形加劇、原本的自然條件受到影響、礦井采動壓發生變化，導致礦井發生跑冒滴漏的現象，給采掘礦井工作帶來巨大的挑戰，常會因為管路出現斷裂或者水壓力過低而不得不停止工作，這種情況下，將會對水資源的浪費特別嚴重，而且還會對采掘方面的作業有一定的限制，從而導致企業不能夠正常運營[1]。

寺河礦井的供水管路鋪設的位置主要在運輸巷道或者是機采工作面巷道處，通過對質量方面的相關規定，可知需在管路中增加三通球閥門，尤其要注意的是在各個巷道的交叉處進行設置。過去對礦井泄露的現象進行檢查的方式主要依賴于人工，這種方法不僅費時費力，在遇到緊急情況時會出現處理不及時的問題，還無法進行實時監控，導致無法對采掘工作面供水不足的情況及時發現并處理，從而影響了采掘工作的進度[2]。

目前，寺河礦井為了改變傳統方法上的缺點和不足，積極采取科學的措施，改變現狀，提高工作效率，主要有減少單班下井人員的數量，廣泛推行智能化和自動化的設備，實現了對礦井供水系統運行狀態的科學分析和安全管控。

1 煤礦供水系統

1.1 煤礦井下供水用途

現代化的礦井想要實現高產能，就必須通過大型機電設備來實現，但是大型機電設備在運行過程中會產生大量的熱，導致機器溫度急劇上升，普通的風流冷卻方式已經無法滿足這樣的散熱需求，因此需要采用供水系統為其提供冷卻散熱。煤礦供水系統可稀釋井下高濃度的煤塵、巖塵和瓦斯等，并且具有降塵消塵的作用，改善了礦井下的條件，同時也可作為消防用水[3]。其次綜掘工作面所采用的液壓支架和液壓單體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統提供。此外供水系統還可以為井下衛生清理和沖洗雜物提供用水，對礦井安全質量標準化有重要意義[4]。

1.2 供水系統設計

圖1 是供水系統的工作流程圖。供水系統的水源是煤礦地下水庫，在“自然壓差”的作用下進入管路；原水倉的水位具有上下限值，進水管的電動閥通過液位傳感器進行啟閉，可將水位控制在恒定范圍。清水倉的水位同樣具有上下限值，清水泵通過液位傳感器進行啟停，可將水位控制在恒定范圍[5]。清水倉通過安裝多種智能化和自動化的設備，如多參數水質監測儀，實現了計量泵與清水泵的聯合。監測儀通過監測水的pH值、溫度、電導率等參數控制計量泵的啟閉，可到達自動、定量添加藥劑以改善水質條件的目的。供水系統的功能具體實現過程：將電動閥門安裝在凈水箱反沖洗管路上，計算機智能化設定電動閥門的啟閉時間和周期，達到自動沖洗沉淀物的目的?？筛鶕删蚬ぷ鞯男枰獙⒈P區采掘工作面的供水壓力的設定值發送到PLC，與供水系統管路的總壓力值對比，將調頻信號傳輸到變頻器，從而實現PID的自動控制；如果首臺變頻器在50Hz的工作頻率下，總管路的出水動壓還沒有達到上位機的設定閾值，那么就保持該變頻器的工作狀態，開啟下一臺變頻器實現聯合調速，從而使總管路出水動壓達到設定值，采用多臺增壓泵聯合調配情況下的原理相同[6]。

圖1 智能供水系統流程圖

供水系統故障判斷方法：如果該系統在恒壓供水條件下運行，總管路出水動壓基本維持在一個固定的值，盤區采掘工作面的供水壓力值在很短時間內出現陡降，說明供水系統管路出現了滲漏，PLC識別后停止工作，對上位機發出警報，生產指揮人員會立即指示相關人員進行巡查并排除故障[7]。供水系統的維護人員可以通過儲存在上位機服務器中的智能供水系統歷史運行數據曲線來判斷供水系統的運行狀況。例如，維護人員在分析一臺加壓泵的運行數據曲線時，發現當加壓泵工作頻率工作下的時轉速為1400r/min，出水壓力是2.3MPa，如果出水壓力明顯低于3.3MPa時，就說明泵葉輪或軸承出現了磨損嚴重的故障。

2 礦井供水管路流量智能化在線監測

2.1 在線監測原理

在線監測系統主要由5部分組成，分別是礦用管道流量傳感器、上傳裝置、傳輸線纜、監測分站和網絡交換機。礦井下設置有水流量傳感器，安裝在主要供水管路的進水口，其主要由3部分組成，分別是閥體、水流轉子組件和微電腦顯示器。當水流經過所對應的傳感器的過程中，設計的流量計通過其轉速和水流的速度相匹配，水流的流速將會影響轉速的大小，將產生的信號傳送到控制器，此時控制器對相關數值進行分析，并判斷水流量的大小，并且可以進一步地觀察水流量的變化情況。通過這種方式，不僅可以在井下對水流的狀態進行實時監測，還能夠通過KJ90X 礦井的相關系統反應變化的曲線[8]。

2.2 電動閥門遠程控制

電動控制閥門安裝在礦井管道流量傳感器的前端，可以達到遠程控制閥門開關，從而控制管路流量的目的。

2.3 管道流量傳感器

法拉第電磁感應定律指出導體在磁場中運動時，與磁場方向和其運動方向相互垂直方向的導體兩端會產生感應電動勢，該感應電動勢的大小分別與導體的運動速度和磁場的感應強度有關，運動速度越快，磁感應強度越大，感應電動勢越大。因此，管道流量傳感器可以實現對管道內水流量大小的實時監測[9]。

3 現場應用

3.1 在線監測系統組成

所謂的在線監測系統是通過將安全監控系統和水流量傳感器相結合的系統，其作用是能夠有效地反映出在主供水管路的水流大小情況，且還可以通過對繪制出的水流量變化圖來進一步分析每個地區的供水狀態以及是否有異常情況出現等。通過以日常用水量為標準，能夠采用以在線監測系統為基礎，對各地區的用水量進行設置一個上限值，如果超出上限值將會觸發警報，相關的工作人員能夠迅速鎖定地區，并在短時間內進行處理[10]。

3.2 礦用管道流量傳感器安裝

通過對礦井下各個地點的供水管路分布情況和供水管網的分析，將礦用管路流量傳感器的安裝分為三個層級。首先是為了監測水源情況，將流量壓力傳感器安裝至礦井污水處理站入井工程管路下口；其次是為了監測主供水管路水流量情況，將流量壓力傳感器安裝至各采區主要供水管路末端；最后為了監測分支供水管路水流量情況，將流量壓力傳感器安裝至分支管路。從而使整個供水管網形成一個樹狀拓撲結構，各主、支供水管路的水流量變化情況就能更加直觀地呈現?；贙J90X 煤礦安全監控系統，工作人員能夠及時、快速、準確地獲取井下供水主、支管路的水流量變化情況，以便采取正確的處理措施。

3.3 電動閥門遠程控制

每個流量傳感器前端都應該安裝有電動控制閥門，以達到遠程控制閥門開關的作用，如果需要關閉管路水流，采用電動控制閥門就可以及時實現遠程控制，從而減少水資源的浪費[11]。

3.4 供水流量上下限值確定

礦井各管路的供水水流方向是固定的，結合礦井現場生產的實際情況，可以發現在工作面生產期間，管路的水流流量會呈現小幅波動，但基本都保持在一個范圍內，通過對歷史流量變化數據的分析，可以確定水流量的正常波動范圍。當管路發生斷裂或者關閉閥門時，供水管路水流量會發生相應變化，會偏離水流量的正常波動范圍，此時，工作人員就能迅速做出判斷并及時處理故障。

3.5 供水事故判定

采用該檢測系統具有的特點是不需要依靠人工進行監測，其工作原理是在管路上轉配的傳感器將會對流經管路處的水流量進行連續性監測，并且根據相關智能化推理為參考，對管路處的情況進行判斷，確定是否出現破裂或者是其他異常的情況，從而能夠及時地解決在采煤工作面處出現水量不足的現象。

3.6 動態監控

基于礦用管路流量傳感器，利用KJ90X 礦井安全監控系統平臺，對礦井供水系統運行和管路流量進行實時監測，數據以監測曲線形式呈現，更加直觀，從而實現了遠程動態監控[12]。

4 結論

(1)礦井管路流量監測系統通過對管路中流經的水量進行連續監測，并對管路的狀態進行實時分析和判斷，這樣的優勢是能夠有效地輔助對礦井供水狀態，這對未來礦井進行作業發揮了重要的作用。

(2)該系統通過對供水管路的實時監測，可以測定供水主、支管路水流量的變化情況，從而分析并掌握不同時段的用水量。

(3)該系統通過對歷史日流量變化數據的分析，得到了工作面正常生產期間供水量的允許波動范圍，為礦井供水系統設計提供了參考依據。

(4)當系統內管路出現斷裂故障或工作人員誤關閥門等情況，管路水流量會發生較大變化，超出水流量的允許波動范圍，此時工作人員可根據管路流量變化情況及時準確做出判斷和處理措施，從而保障了采掘工作面的安全生產。