楊 波 潘秋祥

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 齊河 251100）

邱集煤礦受地質(zhì)條件影響，開采完成后的工作面約有200m3/h的老空水涌出，正常情況下流入水倉后排出地面。礦井生產(chǎn)用水和排水現(xiàn)狀是：一方面打鉆、防塵、工作面設(shè)備冷卻等需要消耗大量的地下水，每天消耗水量在100m3/h左右；另一方面老空水排至地面，增加原煤生產(chǎn)成本。為充分將老空水作為井下用水，減少礦井排水量，將PID控制與自動(dòng)引水兩項(xiàng)技術(shù)融合，老空水引入專用供水管網(wǎng)，回用于井下打鉆、設(shè)備冷卻降溫、巷道沖塵和生產(chǎn)防塵等用水環(huán)節(jié)，代替水源井取水，日回用量在2000m3左右，有效緩解了礦井排水壓力，降低了排水費(fèi)用。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)布局

邱集煤礦設(shè)有-447m和-395m兩個(gè)水平，現(xiàn)開采煤層為11煤。生產(chǎn)過程產(chǎn)生的涌水全部自流入-447m水平，-447m水平設(shè)有水平泵房一座，主要承擔(dān)11煤生產(chǎn)過程涌出礦井水的排放。-447m水平泵房排至-395m水平，由-395m水平的中央泵房排至地面。

1.1 供水管網(wǎng)及用水、老空水疏放情況

1.1.1 井下供水來源及凈化方式

邱集煤礦井下水源分兩部分：一是按照供水施救系統(tǒng)要求，由地面供至井下各工作面、進(jìn)回風(fēng)巷零散施工地點(diǎn)、應(yīng)急避險(xiǎn)硐室等；另一水源來自井下11煤一采區(qū)軌道巷水源井，主要為生產(chǎn)、防塵、打鉆等用水，滿足不同施工環(huán)節(jié)對(duì)水質(zhì)要求。各掘進(jìn)工作面防塵水管入口處安裝了水質(zhì)過濾器，大巷防塵水幕就近安裝了過濾器，采煤工作面用水采用RO反滲透純凈水處理技術(shù)，將水中的雜質(zhì)和有害元素全部去除。用于打鉆過程鉆頭降溫、沖出巖粉的水源對(duì)水質(zhì)要求不高，可不進(jìn)行凈化處理直接引入。由于系統(tǒng)最大取水量約為120m3/h，老空水涌出量約200m3/h，涌出量與取水量之間有80m3/h的差值，無需考慮供水量不足的問題。

1.1.2 管網(wǎng)布置

井下生產(chǎn)主供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)水壓4MPa，管材均為DN108無縫鋼管（涂塑），膠帶運(yùn)輸巷、煤倉等用水量較少的零散地點(diǎn)采用DN50無縫鋼管，掘進(jìn)巷道、采煤工作面順槽等有打鉆施工地點(diǎn)為DN75無縫鋼管，管網(wǎng)管徑、耐壓情況均按生產(chǎn)需求設(shè)置。

1.1.3 11煤老空水涌出地點(diǎn)及流徑

一采區(qū)1101采煤工作面為11煤首采工作面，11煤95%以上的老空水由1101采空區(qū)涌出。1101采煤工作面推采完成后，工作面的老空水通過貫穿11煤上部（-338m）與下部（-447m）聯(lián)通的11煤集中軌道上山排放。老空水疏放管道安設(shè)在11煤集中軌道上山-424m處的聯(lián)絡(luò)巷，流入11煤集中運(yùn)輸巷-418m處安設(shè)的沉淀池，老空水沉淀后再流入-447m水倉，經(jīng)水平泵房內(nèi)的排水泵排至-395m水平。經(jīng)一段時(shí)間疏放，老空水中的懸浮雜質(zhì)基本沖除干凈，與水源井水質(zhì)無明顯并別。

1.2 系統(tǒng)安設(shè)布局設(shè)計(jì)

鑒于11煤采煤工作面老空水水質(zhì)較好，按照系統(tǒng)控制簡單、運(yùn)行安全穩(wěn)定、維護(hù)方便的原則制定了井下老空水回用取水系統(tǒng)的組合方案。如圖1所示。

1.2.1 水泵和引水方式的確定

根據(jù)井下現(xiàn)場用水要求，采用臥式離心水泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加壓，將水泵安裝在集中運(yùn)輸巷-418m處的沉淀池上方。水泵安裝處壓力保持在2.2 MPa以上，最高點(diǎn)（-338m）壓力保持在1.2MPa以上，以滿足打鉆施工、防塵、設(shè)備冷卻等用水壓力需求。引水裝置采用蓄水緩存方式的負(fù)壓自動(dòng)引水裝置，滿足水泵啟動(dòng)時(shí)的引水要求。水泵的進(jìn)水口與負(fù)壓自動(dòng)引水裝置相連，出水口用同徑管與沉淀池硐室口處的供水管網(wǎng)連接。

圖1 井下老空水回用系統(tǒng)取水設(shè)備設(shè)施布置圖

1.2.2 控制和運(yùn)行方式的確定

結(jié)合現(xiàn)場供電設(shè)施布置情況，在沉淀池硐室上方約10m處的井下注漿站安裝電控設(shè)施，利用現(xiàn)場配電點(diǎn)為系統(tǒng)供電。管路安裝壓力變送器，壓力信號(hào)輸出線與變頻器連接，利用壓力變送器輸出的4～20mA信號(hào)與變頻器控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)PID控制。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)定壓力平衡值，調(diào)整比例、積分、微分等參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)為保持供水壓力和變頻器輸出頻率的穩(wěn)定，在注漿站硐室內(nèi)安裝了蓄壓裝置以維持水壓的相對(duì)恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓變流供水，最大程度滿足現(xiàn)場用水需求。

1.2.3 管網(wǎng)及現(xiàn)場水質(zhì)凈化設(shè)施的設(shè)置

由于原系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)置滿足供水水量和壓力要求，水質(zhì)凈化設(shè)施采用就地設(shè)置的方式，因此管網(wǎng)和水質(zhì)凈化設(shè)施仍沿用原設(shè)置方式，不再進(jìn)行更改。

2 PID控制與自動(dòng)引水技術(shù)的融合

系統(tǒng)采用壓力變送器與變頻器配合實(shí)現(xiàn)PID控制的主要目的，同時(shí)加裝水壓蓄壓裝置解決水壓波動(dòng)大的問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。采用負(fù)壓自動(dòng)引水裝置解決了引水環(huán)節(jié)復(fù)雜、自動(dòng)化控制繁瑣的問題。

2.1 PID控制技術(shù)應(yīng)用

2.1.1 系統(tǒng)原理

井下用水主要要求是水壓恒定，以保證現(xiàn)場用水壓力穩(wěn)定要求。由于液體具有不可壓縮性，氣體具有較強(qiáng)的壓縮性，利用氮?dú)饽业木弶涸?，將穩(wěn)壓裝置內(nèi)的皮囊充入約1 MPa的氮?dú)猓?dāng)系統(tǒng)水壓較高時(shí)氣體被壓縮，吸收系統(tǒng)壓力，當(dāng)系統(tǒng)水壓下降時(shí)氣體膨脹，向系統(tǒng)內(nèi)釋放壓力。通過安裝穩(wěn)壓裝置一方面可減輕由于用水不均勻造成的壓力波動(dòng)，使系統(tǒng)壓力變換平滑，利于PID參數(shù)的設(shè)置和水泵運(yùn)行的穩(wěn)定。另一方面當(dāng)各地點(diǎn)不用水或用水較少時(shí)，壓力上升到設(shè)定值以上水泵停機(jī)，穩(wěn)壓裝置蓄存的壓力可保持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，減少下降時(shí)間，延長停機(jī)時(shí)間。

2.1.2 PID及主要參數(shù)的調(diào)整設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場情況，選定水泵額定揚(yáng)程240m，工頻運(yùn)行最大實(shí)際壓力2.4MPa，現(xiàn)場設(shè)定平衡壓力2.3MPa。變頻器選用ZJT2-250/660型，首先將控制方式設(shè)定為模擬量，在對(duì)比例系數(shù)與積分系數(shù)調(diào)整上，通過現(xiàn)場配合測試，比例系數(shù)P調(diào)為35、積分系數(shù)調(diào)整為15補(bǔ)償比例差值，微分系數(shù)調(diào)整為1，輸入隨輸出量變化均較為平滑，無大的波動(dòng)，頻率隨壓力輸入4～20mA模擬量變化實(shí)時(shí)調(diào)整。考慮取樣時(shí)間與輸出頻率之間的時(shí)間差，通過對(duì)加速時(shí)間與減速時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，保持變頻器輸出頻率的穩(wěn)定。

2.1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

從現(xiàn)場調(diào)試和使用效果看，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）系統(tǒng)通過變頻調(diào)節(jié)水量的方式保持水壓恒定的功能，解決了使用水源井用水多時(shí)水壓低、用水量少時(shí)水壓高的不利因素造成的影響，管路始終在恒定狀態(tài)下，各用水地點(diǎn)均能保持足夠的水量和恒定的水壓，實(shí)現(xiàn)變流穩(wěn)壓的功能。

（2）采用變頻器控制，通過頻率變化調(diào)整水泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，可有效減少損耗，相比于長時(shí)間工頻運(yùn)行的設(shè)備具有較強(qiáng)的節(jié)電功能。

（3）如若在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開啟水源井，水源井壓力一般較高，壓力變送器會(huì)將壓力信號(hào)傳送給變頻器，變頻器會(huì)很快將運(yùn)行頻率降到0Hz，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，避免兩個(gè)水源給系統(tǒng)供水造成的擾動(dòng)，具有保護(hù)功能。

（4）利用變頻器上的RS485通訊口讀取壓力、電壓、電流、頻率等參數(shù)，設(shè)立分站后上傳至地面，監(jiān)控系統(tǒng)簡單實(shí)用。

2.2 負(fù)壓自動(dòng)引水技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 負(fù)壓自動(dòng)引水裝置構(gòu)成及安裝方式

系統(tǒng)組成的負(fù)壓自動(dòng)引水裝置由蓄水罐體、吸水管、出水管、加水管、補(bǔ)償管、閘閥六部分組成。如圖2所示。

圖2 負(fù)壓引水裝置部件構(gòu)成圖

安裝時(shí)蓄水罐安裝于平臺(tái)，與水泵安裝平臺(tái)同一水平。蓄水罐安裝完成后吸水管伸入蓄水池內(nèi)，保證排水時(shí)水位高于管口，防止氣蝕。出水管與水泵進(jìn)水口相連。加水管管口接至主管路，用于安裝完成后罐內(nèi)加水，加完水后即可將加水管閘閥關(guān)閉，正常使用無需再加水。補(bǔ)償管閘閥應(yīng)保持常開，下管口伸入蓄水池內(nèi)，伸入水池深度應(yīng)不小于吸水管伸入水池的深度。

2.2.2 負(fù)壓自動(dòng)引水裝置工作原理

設(shè)備安裝完成后首先打開閥門往蓄水罐內(nèi)加水，加至吸水管往外溢水即可。水泵開啟后，蓄水罐內(nèi)水位下降形成負(fù)壓，在負(fù)壓作用下吸水管內(nèi)水位上升，水流引入罐內(nèi)，水流形成循環(huán)，水池內(nèi)的水不斷流入罐內(nèi)，罐內(nèi)的水通過水泵壓入主管路，一般要求水罐內(nèi)暫存水量不得少于循環(huán)水量的2.5倍。當(dāng)水泵停機(jī)后止回閥關(guān)閉，吸水管內(nèi)的水位下降，罐內(nèi)形成負(fù)壓，補(bǔ)償管內(nèi)水流在罐內(nèi)負(fù)壓作用下流入罐內(nèi)。當(dāng)吸水管水位降至與蓄水池水面同一水平時(shí)，補(bǔ)償管在虹吸作用下仍會(huì)向罐內(nèi)注水，直至罐內(nèi)形成正壓將補(bǔ)償管內(nèi)的水頂出，不再向罐內(nèi)注水。如圖3所示。

圖3 負(fù)壓引水裝置工作原理圖

2.2.3 技術(shù)優(yōu)勢

負(fù)壓自動(dòng)引水技術(shù)充分利用水泵自身動(dòng)能形成負(fù)壓引水，相比傳統(tǒng)的環(huán)流泵和射流引水簡單實(shí)用，無動(dòng)力設(shè)施和專用密封件，無需人工操作，免維護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

2.3 PID控制與負(fù)壓自動(dòng)引水技術(shù)融合

本項(xiàng)目將PID控制與負(fù)壓自動(dòng)引水兩技術(shù)融合，與常規(guī)水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)相比，省去一套引水控制系統(tǒng)，利用變頻器自帶的PID控制功能和串口通訊接口，省去一套專門的自動(dòng)化控制和監(jiān)控單元，從而組合成一套系統(tǒng)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、節(jié)能效果顯著的供水系統(tǒng)。