礦井供水系統(tǒng)運行分析及管路流量智能在線監(jiān)測研究

賀敏慧

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦，山西 晉城 048200）

在煤礦系統(tǒng)中，礦井供水系統(tǒng)是必不可少的一部分，在開采過程中維護(hù)著生產(chǎn)安全，因此礦井供水系統(tǒng)被稱作礦井的“生命線”。老礦井因為開采時間較長，系統(tǒng)管道長期經(jīng)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(fā)生變化，導(dǎo)致礦井發(fā)生跑冒滴漏的現(xiàn)象，給采掘礦井工作帶來巨大的挑戰(zhàn)，常會因為管路出現(xiàn)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(yán)重，而且還會對采掘方面的作業(yè)有一定的限制，從而導(dǎo)致企業(yè)不能夠正常運營[1]。

寺河礦井的供水管路鋪設(shè)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(zhì)量方面的相關(guān)規(guī)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(jìn)行設(shè)置。過去對礦井泄露的現(xiàn)象進(jìn)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(xiàn)處理不及時的問題，還無法進(jìn)行實時監(jiān)控，導(dǎo)致無法對采掘工作面供水不足的情況及時發(fā)現(xiàn)并處理，從而影響了采掘工作的進(jìn)度[2]。

目前，寺河礦井為了改變傳統(tǒng)方法上的缺點和不足，積極采取科學(xué)的措施，改變現(xiàn)狀，提高工作效率，主要有減少單班下井人員的數(shù)量，廣泛推行智能化和自動化的設(shè)備，實現(xiàn)了對礦井供水系統(tǒng)運行狀態(tài)的科學(xué)分析和安全管控。

1 煤礦供水系統(tǒng)

1.1 煤礦井下供水用途

現(xiàn)代化的礦井想要實現(xiàn)高產(chǎn)能，就必須通過大型機電設(shè)備來實現(xiàn)，但是大型機電設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致機器溫度急劇上升，普通的風(fēng)流冷卻方式已經(jīng)無法滿足這樣的散熱需求，因此需要采用供水系統(tǒng)為其提供冷卻散熱。煤礦供水系統(tǒng)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(tǒng)提供。此外供水系統(tǒng)還可以為井下衛(wèi)生清理和沖洗雜物提供用水，對礦井安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化有重要意義[4]。

1.2 供水系統(tǒng)設(shè)計

圖1 是供水系統(tǒng)的工作流程圖。供水系統(tǒng)的水源是煤礦地下水庫，在“自然壓差”的作用下進(jìn)入管路；原水倉的水位具有上下限值，進(jìn)水管的電動閥通過液位傳感器進(jìn)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(jìn)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(shè)備，如多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，實現(xiàn)了計量泵與清水泵的聯(lián)合。監(jiān)測儀通過監(jiān)測水的pH值、溫度、電導(dǎo)率等參數(shù)控制計量泵的啟閉，可到達(dá)自動、定量添加藥劑以改善水質(zhì)條件的目的。供水系統(tǒng)的功能具體實現(xiàn)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(shè)定電動閥門的啟閉時間和周期，達(dá)到自動沖洗沉淀物的目的。可根據(jù)采掘工作的需要將盤區(qū)采掘工作面的供水壓力的設(shè)定值發(fā)送到PLC，與供水系統(tǒng)管路的總壓力值對比，將調(diào)頻信號傳輸?shù)阶冾l器，從而實現(xiàn)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(dá)到上位機的設(shè)定閾值，那么就保持該變頻器的工作狀態(tài)，開啟下一臺變頻器實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)速，從而使總管路出水動壓達(dá)到設(shè)定值，采用多臺增壓泵聯(lián)合調(diào)配情況下的原理相同[6]。

圖1 智能供水系統(tǒng)流程圖

供水系統(tǒng)故障判斷方法：如果該系統(tǒng)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(qū)采掘工作面的供水壓力值在很短時間內(nèi)出現(xiàn)陡降，說明供水系統(tǒng)管路出現(xiàn)了滲漏，PLC識別后停止工作，對上位機發(fā)出警報，生產(chǎn)指揮人員會立即指示相關(guān)人員進(jìn)行巡查并排除故障[7]。供水系統(tǒng)的維護(hù)人員可以通過儲存在上位機服務(wù)器中的智能供水系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)曲線來判斷供水系統(tǒng)的運行狀況。例如，維護(hù)人員在分析一臺加壓泵的運行數(shù)據(jù)曲線時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加壓泵工作頻率工作下的時轉(zhuǎn)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(xiàn)了磨損嚴(yán)重的故障。

2 礦井供水管路流量智能化在線監(jiān)測

2.1 在線監(jiān)測原理

在線監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測分站和網(wǎng)絡(luò)交換機。礦井下設(shè)置有水流量傳感器，安裝在主要供水管路的進(jìn)水口，其主要由3部分組成，分別是閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和微電腦顯示器。當(dāng)水流經(jīng)過所對應(yīng)的傳感器的過程中，設(shè)計的流量計通過其轉(zhuǎn)速和水流的速度相匹配，水流的流速將會影響轉(zhuǎn)速的大小，將產(chǎn)生的信號傳送到控制器，此時控制器對相關(guān)數(shù)值進(jìn)行分析，并判斷水流量的大小，并且可以進(jìn)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(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，還能夠通過KJ90X 礦井的相關(guān)系統(tǒng)反應(yīng)變化的曲線[8]。

2.2 電動閥門遠(yuǎn)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(dá)到遠(yuǎn)程控制閥門開關(guān)，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(yīng)定律指出導(dǎo)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(dǎo)體兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢的大小分別與導(dǎo)體的運動速度和磁場的感應(yīng)強度有關(guān)，運動速度越快，磁感應(yīng)強度越大，感應(yīng)電動勢越大。因此，管道流量傳感器可以實現(xiàn)對管道內(nèi)水流量大小的實時監(jiān)測[9]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

所謂的在線監(jiān)測系統(tǒng)是通過將安全監(jiān)控系統(tǒng)和水流量傳感器相結(jié)合的系統(tǒng)，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(jìn)一步分析每個地區(qū)的供水狀態(tài)以及是否有異常情況出現(xiàn)等。通過以日常用水量為標(biāo)準(zhǔn)，能夠采用以在線監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對各地區(qū)的用水量進(jìn)行設(shè)置一個上限值，如果超出上限值將會觸發(fā)警報，相關(guān)的工作人員能夠迅速鎖定地區(qū)，并在短時間內(nèi)進(jìn)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(wǎng)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(jiān)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(jiān)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(qū)主要供水管路末端；最后為了監(jiān)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(wǎng)形成一個樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各主、支供水管路的水流量變化情況就能更加直觀地呈現(xiàn)。基于KJ90X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員能夠及時、快速、準(zhǔn)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(yuǎn)程控制

每個流量傳感器前端都應(yīng)該安裝有電動控制閥門，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制閥門開關(guān)的作用，如果需要關(guān)閉管路水流，采用電動控制閥門就可以及時實現(xiàn)遠(yuǎn)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(jié)合礦井現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，可以發(fā)現(xiàn)在工作面生產(chǎn)期間，管路的水流流量會呈現(xiàn)小幅波動，但基本都保持在一個范圍內(nèi)，通過對歷史流量變化數(shù)據(jù)的分析，可以確定水流量的正常波動范圍。當(dāng)管路發(fā)生斷裂或者關(guān)閉閥門時，供水管路水流量會發(fā)生相應(yīng)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(tǒng)具有的特點是不需要依靠人工進(jìn)行監(jiān)測，其工作原理是在管路上轉(zhuǎn)配的傳感器將會對流經(jīng)管路處的水流量進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測，并且根據(jù)相關(guān)智能化推理為參考，對管路處的情況進(jìn)行判斷，確定是否出現(xiàn)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(xiàn)水量不足的現(xiàn)象。

3.6 動態(tài)監(jiān)控

基于礦用管路流量傳感器，利用KJ90X 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)平臺，對礦井供水系統(tǒng)運行和管路流量進(jìn)行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)以監(jiān)測曲線形式呈現(xiàn)，更加直觀，從而實現(xiàn)了遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控[12]。

4 結(jié)論

(1)礦井管路流量監(jiān)測系統(tǒng)通過對管路中流經(jīng)的水量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并對管路的狀態(tài)進(jìn)行實時分析和判斷，這樣的優(yōu)勢是能夠有效地輔助對礦井供水狀態(tài)，這對未來礦井進(jìn)行作業(yè)發(fā)揮了重要的作用。

(2)該系統(tǒng)通過對供水管路的實時監(jiān)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(tǒng)通過對歷史日流量變化數(shù)據(jù)的分析，得到了工作面正常生產(chǎn)期間供水量的允許波動范圍，為礦井供水系統(tǒng)設(shè)計提供了參考依據(jù)。

(4)當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)管路出現(xiàn)斷裂故障或工作人員誤關(guān)閥門等情況，管路水流量會發(fā)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(jù)管路流量變化情況及時準(zhǔn)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(chǎn)。