侯 嬪，段書樂，范業(yè)承，于 躍，何緒文，伯 磊，張子航

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083）

在我國，長期以來存在著煤炭開發(fā)與地下水資源保護(hù)不協(xié)調(diào)的問題。據(jù)調(diào)查，陜西省大海則煤礦區(qū)內(nèi)不僅水系不發(fā)達(dá)，而且旱季大部分河流均枯竭斷流。此外，該礦區(qū)年平均蒸發(fā)量為2 283.86 mm，是降雨量的5～7倍，又因?yàn)榫屡潘蠸O42-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Na+等離子含量較高（其中SO42-、Ca2+、Na+濃度分別為3 070.64、471.16、925.56 mg/L），懸浮物（SS）含量大（600～3 000 mg/L），常規(guī)的礦井水處理項(xiàng)目建設(shè)投資高、運(yùn)行處理成本高[1-2]。而且一般礦井水經(jīng)過水處理工藝凈化處理后，雖可重新回灌至地表松散層[3]，但該回用方法效率偏低，難免會(huì)造成水資源大量損耗。顯然，水資源缺乏、回用成本高和回用效率低已制約了該煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

如果要提高礦井水利用率、降低回用成本、改善時(shí)空用水分配不均和加強(qiáng)對(duì)水資源保護(hù)，就必須優(yōu)化礦井水的利用方案與處理技術(shù)。倪深海[5]對(duì)我國煤礦礦井水資源綜合利用潛力進(jìn)行系統(tǒng)推測(cè)，明確了各地區(qū)礦井水資源利用發(fā)展方向和利用重點(diǎn)；苗立永[6]等根據(jù)礦井水處理工藝以及用水單位對(duì)水質(zhì)的要求，總結(jié)了礦井水分質(zhì)資源化的綜合利用途徑，提出了礦井水回用于生產(chǎn)、生活、生態(tài)和其他用水的多方面利用理念；閆佳偉[7]等人總結(jié)了全國53處煤礦礦井水利用率、利用方式、利用價(jià)格等現(xiàn)狀基礎(chǔ)，提出開發(fā)高質(zhì)量礦井水、增加礦井水產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化與廢棄礦井水資源化利用的展望。以上研究成果雖然分別從礦井水源頭、利用途徑2個(gè)方面提高了礦井水的綜合利用率，但各地區(qū)礦井水資源存在地區(qū)差異和基礎(chǔ)利用條件不同的特點(diǎn)，依然制約著水資源高效利用的發(fā)展。此外，充分利用井下空間構(gòu)建井下和復(fù)用系統(tǒng)有利于礦井水的治污和排污[8]。同時(shí)還可考慮智能化技術(shù)與新興的分布式地下水庫凈化循環(huán)利用技術(shù)相結(jié)合，協(xié)同促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[9]。

近年來，“智慧水務(wù)”已成為當(dāng)今水處理行業(yè)的重點(diǎn)話題之一，尤其是在煤礦礦井水智能控制技術(shù)的發(fā)展過程中，已逐步可實(shí)現(xiàn)加藥、排泥、給水排水和冷卻等電動(dòng)液控系統(tǒng)的自動(dòng)化[10-14]的控制，以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)地下水位、水質(zhì)和預(yù)防地下水災(zāi)害等[15-17]的目的。然而，國內(nèi)礦井水排放與處理過程中仍普遍存在自動(dòng)化程度低、可靠性差、處理困難和工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題[18]，尚不能很好地實(shí)現(xiàn)全過程量質(zhì)耦合的高效綜合利用，所以有必要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，從而充分實(shí)現(xiàn)煤礦礦井水處理的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與控制，達(dá)到高效靈活的配置礦區(qū)水資源的目的。為此重點(diǎn)分析了陜西省大海則煤礦礦井水循環(huán)利用過程中存在的問題，探討了不同時(shí)間、空間條件下礦井水的水量水質(zhì)變化規(guī)律，重構(gòu)了礦區(qū)水平衡圖，確定了礦井水井下-地面綜合利用途徑，并初步提出了礦井水井下-地面多目標(biāo)協(xié)同智能調(diào)配技術(shù)，這對(duì)礦井水井下-地面高效利用的發(fā)展以及煤礦企業(yè)智慧化進(jìn)程具有重要推動(dòng)作用。

1 礦井水量質(zhì)耦合變化規(guī)律

1.1 礦井水水量

通過對(duì)該煤礦礦井水供水現(xiàn)狀的調(diào)查分析可知，該礦井正常涌水時(shí)井下排水量為35 520 m3/d（含黃泥灌漿析出水量為960 m3/d）。從水資源利用的角度分析，礦井水資源量應(yīng)為相對(duì)穩(wěn)定階段的礦井涌水量，但在實(shí)際生產(chǎn)中，影響礦井涌水的因素很多，同時(shí)這些因素彼此之間相互作用，這就造成該礦井涌水量的波動(dòng)，實(shí)際涌水量最大可達(dá)到52 800 m3/d。因此僅通過礦井水的供給端來實(shí)現(xiàn)高效利用是不滿足未來的發(fā)展方向的，還必須充分考慮礦區(qū)的需水情況[19]，讓礦井水資源形成適應(yīng)當(dāng)?shù)靥囟ㄐ枨蟮木C合利用方案。

首先分析了礦區(qū)采暖季的礦井水利用方案，礦區(qū)礦井水原水量平衡圖（采暖季）如圖1。

由圖1可知，該礦區(qū)生活、消防、灌漿和鍋爐房4個(gè)用水點(diǎn)的水資源需求量較大，分別為1 286.7、2 738.1、1 145.8、1 680.0 m3/d，總量約占礦區(qū)用水的76%。此外可知換熱站、乏風(fēng)機(jī)組用水總量為995.0 m3/d，綠化用水168.1 m3/d，洗煤補(bǔ)充用水924.2 m3/d，除塵用水量為80.0 m3/d。上述雖然對(duì)礦區(qū)礦井水大范圍需求量做了不同程度的分析，但不難發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)原礦井水就地利用率極低，回用于該礦區(qū)的總水量僅占礦井排水量的22.1%。因此，在礦井水的處理過程中，水量平衡分析不僅要表現(xiàn)為“總水量”的守恒，而是要用最短的流程把污染物處理掉，同時(shí)根據(jù)具體的用水要求，加強(qiáng)中間用水點(diǎn)的調(diào)控，提高處理過程中對(duì)用水潛力的開發(fā)，達(dá)到更經(jīng)濟(jì)有效的分級(jí)回用模式。

1.2 礦井水水質(zhì)分析

通過對(duì)礦區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和現(xiàn)場監(jiān)測(cè)可知，該礦區(qū)礦井水與附近礦井水質(zhì)特點(diǎn)相似，進(jìn)水SS和硬度分別為3 000 mg/L和1 333 mg/L，表現(xiàn)為“高濁和高硬度”。該礦區(qū)礦井水現(xiàn)采用二級(jí)處理技術(shù)，處理單元包括調(diào)節(jié)預(yù)沉池、機(jī)械過濾器、高效旋流器、高密度沉淀池和V型濾池，各處理單元水質(zhì)情況和回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖1 礦區(qū)礦井水原水量平衡圖（采暖季）Fig.1 Raw water balance of mine water in mining area（heating season）

表1 礦井水各處理單元水質(zhì)及回用標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Water quality and reuse standards of each treatment unit for mine water

由表1可以看出，預(yù)處理系統(tǒng)中調(diào)節(jié)預(yù)沉池可去除部分大顆粒懸浮物，高效旋流處理后可進(jìn)一步降低水中的懸浮物，出水SS可降至30 mg/L；二級(jí)處理單元經(jīng)除硬-混凝沉淀-pH調(diào)節(jié)-過濾4個(gè)部分后除SS和COD部分降低外，硬度基本除去。實(shí)際運(yùn)行中，調(diào)節(jié)池還具有調(diào)節(jié)水量的作用，解決了礦井水出水不均勻的問題，是該處理工藝重要的井下水處理構(gòu)筑物。但是，二級(jí)處理后出水還不能達(dá)到更高的礦井水回用標(biāo)準(zhǔn)和要求，因此將礦井水處理工藝優(yōu)化為三級(jí)處理系統(tǒng)，即在原有二級(jí)處理的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充三級(jí)深度處理工藝單元，包括自清洗過濾及超濾-反滲透-消毒，可有效降低菌類、鹽度、膠體和有機(jī)物等的濃度。在礦井水三級(jí)處理工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)用水需要，初步構(gòu)建了礦井水分級(jí)分質(zhì)利用途徑。

但從提高回用率的角度分析，僅考慮凈化工藝出水的水質(zhì)情況是否滿足回用標(biāo)準(zhǔn)是不夠的[20]，還需要根據(jù)對(duì)各處理階段水質(zhì)與復(fù)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的綜合分析，根據(jù)時(shí)間和空間布置確定具體的用水點(diǎn)和用水量，從而實(shí)現(xiàn)礦井水井下-地面、分級(jí)分質(zhì)的高效利用的目的。

1.3 礦井水量質(zhì)與時(shí)空變化的規(guī)律

為了進(jìn)一步明確礦井水高效利用的技術(shù)途徑，考察了不同時(shí)間（采暖季和非采暖季）和空間（井下-地面）對(duì)礦區(qū)實(shí)際礦井水回用水需求量的影響。

首先，通過分析發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)下該礦區(qū)回用水的需求量變化較大。主要表現(xiàn)在：①非采暖季礦井水蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于采暖季；②采暖期與非采暖期鍋爐補(bǔ)充水量不同，分別為1 680 m3/d和250 m3/d；③非采暖季洗浴用水增加，而采暖季節(jié)換熱站用水增加，綠化用水減少。

其次，不同空間對(duì)該礦區(qū)用水量的影響也較大，除受礦區(qū)原有工藝設(shè)備所處空間制約外，其地面需求量一般多于井下[21]。井下用水主要包括消防灑水、灌漿用水和井下灑水降塵，需求量僅為地面用水的14%左右，遠(yuǎn)小于地面生產(chǎn)、生活以及生態(tài)用水的需求量。由此可見，了解該礦區(qū)時(shí)空用水情況對(duì)提高礦井水利用率也至關(guān)重要。

綜上可知，該礦區(qū)礦井水在時(shí)間與空間上均具有水量分配不均和分級(jí)分質(zhì)利用不協(xié)調(diào)的特點(diǎn)。因此，在構(gòu)建礦區(qū)水量平衡圖時(shí)，有必要結(jié)合時(shí)空用水規(guī)律，協(xié)同分級(jí)分質(zhì)和多目標(biāo)的核心理念，最終確定礦井水高效利用技術(shù)途徑。

2 礦井水高效利用途徑

2.1 重構(gòu)礦區(qū)礦井水水量平衡

通過以上陜西省大海則煤礦礦井水原有水量平衡存在的問題分析，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)回用水量受季節(jié)影響較大，同時(shí)，現(xiàn)有的礦井水回用方向具有局限性且回用率低。因此，為了進(jìn)一步提高礦區(qū)水資源回用率，綜合礦區(qū)用水特點(diǎn)及冬季采暖對(duì)供水的影響，同時(shí)考慮礦區(qū)井下-地面不同空間用水需求的差異，重構(gòu)的不同季節(jié)的井下-地面水量平衡圖如圖2。

圖2 不同季節(jié)礦井水水量平衡對(duì)比圖（m3/d）Fig.2 Comparison of water balance for mine water in different seasons（m3/d）

在采暖季（12月—3月），總礦井水涌水量為35 520 m3/d，共分為井下和地面2個(gè)用水方向，用水量分別為4 060.9 m3/d和30 019.1 m3/d，主要用于井下和地面的生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水。其中，井下的礦井水經(jīng)井下預(yù)處理后分別用于井下的消防用水（2 738.1 m3/d）、灌漿用水（1 145.8 m3/d）和井下灑水降塵（177.0 m3/d）；而地面的礦井水經(jīng)過園區(qū)綜合處理后一部分用于地面生產(chǎn)用水（1 075 m3/d）、洗煤補(bǔ)充用水（964.2 m3/d）、鍋爐用水（1 680 m3/d）換熱站用水（850 m3/d）、除塵用水（155 m3/d）和生活用水（1 286.7 m3/d），另一部分則直接排入管網(wǎng)進(jìn)入附近電廠進(jìn)行進(jìn)一步的處理和回用。

在非采暖季（5月—8月），總礦井水涌水量為35 520 m3/d，共分為井下和地面2個(gè)用水方向，用水量分別為4 238.9 m3/d和29 841.1 m3/d，主要用于井下和地面的生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水，這與采暖季的用水方向是一樣的。而非采暖季與采暖季的水量平衡差異主要體現(xiàn)在地面的用水方向和用水量。具體來說，非采暖季的地面礦井水經(jīng)處理后少量用于鍋爐用水（250 m3/d）和換熱站用水（150 m3/d），其中增加了洗煤補(bǔ)充用水量（1 162.5 m3/d）、除塵用水（355 m3/d）和綠化用水量（168.1 m3/d），這主要是由于非采暖季溫度高、蒸發(fā)量大而導(dǎo)致的。

不難看出，不同季節(jié)的礦井水都可以經(jīng)過井下處理后回用于井下消防灑水、黃泥灌漿制漿用水和井下灑水降塵。再經(jīng)地面深度處理后，又可回用于洗煤廠用水、換熱站用水、除塵用水和綠化用水等生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水。相比于生活用水，生產(chǎn)用水呈現(xiàn)出水量大、水質(zhì)要求較低、用水點(diǎn)較為集中的特點(diǎn)，在礦區(qū)用水過程中更應(yīng)遵循“水十條”中對(duì)礦井水綜合利用的要求：①煤炭礦區(qū)的補(bǔ)充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水；②工業(yè)生產(chǎn)等要優(yōu)先使用再生水。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在采暖期除鍋爐用水量和換熱站用水量較大外，綠化用水和蒸發(fā)損耗的水量都要小于非采暖期的。此外，生活用水、其他生產(chǎn)用水以及消防、灌漿等用水在不同季節(jié)差異不明顯。因此，在建立水平衡圖時(shí)有必要考慮空間用水的布局，這樣會(huì)更有利于提高礦井水利用率、節(jié)約用水成本。

綜上所述，在重構(gòu)礦區(qū)礦井水水量平衡圖時(shí)，充分考慮了時(shí)間、空間和能耗的影響，可以實(shí)現(xiàn)井下處理井下回用，地面處理就地回用的井下-地面的礦井水高效綜合利用目標(biāo)。

2.2 礦井水井下-地面分級(jí)分質(zhì)高效綜合利用途徑

基于以上重構(gòu)的礦井水水量平衡圖，結(jié)合不同處理階段、不同水質(zhì)對(duì)回用水調(diào)配的影響規(guī)律，確定的礦井水井下-地面分級(jí)分質(zhì)高效綜合利用途徑如圖3。

圖3 礦井水井下-地面分級(jí)分質(zhì)高效綜合利用途徑Fig.3 Efficient utilization approach of mine water based on underground-surface and quality-quantity

由圖3可知，該礦井水處理工藝按照空間順序可分為井下處理和地面處理2個(gè)部分，按照時(shí)間順序可分為預(yù)處理、二級(jí)處理和深度處理3個(gè)單元。

在井下處理部分，以預(yù)處理單元為主。調(diào)節(jié)預(yù)沉池出水經(jīng)過混凝沉淀和機(jī)械過濾，儲(chǔ)存到清水池中，清水池出水水質(zhì)參數(shù)為：SS≤30 mg/L、COD≤60 mg/L和硬度≤450 mg/L，可滿足GB 50383—2006煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范中井下消防、灑水等標(biāo)準(zhǔn)，因此，可用水井下消防用水、灌漿用水和灑水降塵等。

在地面處理部分，部分井下的調(diào)節(jié)預(yù)沉池出水提升到地面處理，包括預(yù)處理（高效旋流）、二級(jí)處理（高密度沉淀池）和深度處理（超濾反滲透）3個(gè)單元，設(shè)置3個(gè)儲(chǔ)水點(diǎn)，即中間水池、高位水池和復(fù)用水池。其中，經(jīng)高效旋流處理后中間水池的礦井水水質(zhì)為：SS≤30 mg/L、COD≤50 mg/L和硬度≤450 mg/L，可以滿足地面降塵和消防用水；經(jīng)高密度沉淀池二級(jí)處理后高位水池的礦井水水質(zhì)為：SS≤30 mg/L、COD≤50 mg/L和硬度≤60 mg/L，能夠滿足CJ/T 48—1999生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中掃除標(biāo)準(zhǔn)和GBT 19923—2005城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)中的冷卻用水和工藝與產(chǎn)品用水的標(biāo)準(zhǔn)等，因此，可用于換熱、洗煤和循環(huán)冷卻等；而經(jīng)過超濾反滲透的復(fù)用水池則是為生活、農(nóng)業(yè)等提供高品質(zhì)礦井水，其余部分經(jīng)過該礦區(qū)礦井水深度處理站反滲透深度處理后其水質(zhì)可達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此可用于煤制甲醇和烯烴項(xiàng)目的生產(chǎn)用水、鍋爐房用水和綠化用水等生產(chǎn)生活生態(tài)用水。

此外，由圖3可知，全流程共設(shè)置了4個(gè)用水點(diǎn)：調(diào)節(jié)預(yù)沉池、清水池、高位水池和復(fù)用水池。本研究在4個(gè)用水點(diǎn)處，根據(jù)礦井水的時(shí)間和空間變化規(guī)律，結(jié)合分級(jí)分質(zhì)的核心理念，構(gòu)建了“分級(jí)分質(zhì)+時(shí)空協(xié)同”的礦井水井下-地面分級(jí)分質(zhì)高效綜合利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)礦井水的時(shí)空有序和分級(jí)分質(zhì)合理調(diào)度，可將處理后礦井水的循環(huán)使用率提高到100%，有助于彌補(bǔ)井下-地面礦井水調(diào)配模式單一和響應(yīng)遲緩的不足，解決了大型礦區(qū)礦井水高效利用的技術(shù)難題。

3 礦井水井下-地面高效利用智能調(diào)配系統(tǒng)

傳統(tǒng)的礦井水綜合利用方案大多采用人工控制的手段，仍存在人力消耗大、自動(dòng)化程度弱和操作不穩(wěn)定等問題。因此，為了解決上述問題，提出了礦井水井下-地面智能調(diào)配技術(shù)，構(gòu)建的兼有礦井水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無線傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)用與調(diào)控功能的智能分析平臺(tái)與控制系統(tǒng)如圖4。

圖4 智能調(diào)配系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of intelligent allocation system

由圖4可知，該系統(tǒng)由3部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能分析平臺(tái)和調(diào)配控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括多種水質(zhì)水量傳感器、監(jiān)測(cè)終端、GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送裝置和后臺(tái)接收裝置4個(gè)單元。首先采集傳感器獲得的水質(zhì)（pH、懸浮物和電導(dǎo)率等）數(shù)據(jù)；同時(shí)還需在反應(yīng)池內(nèi)增設(shè)水位傳感器、在控制終端的智能水泵設(shè)置流量傳感器，及時(shí)將構(gòu)筑物內(nèi)水量和水位信息反饋；最后通過STM32芯片與Wi-Fi模塊組成的系統(tǒng)上傳到后臺(tái)服務(wù)模塊?？梢钥闯觯瑪?shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)分析平臺(tái)與監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能如下：①水質(zhì)數(shù)據(jù)采集：通過多種水質(zhì)傳感器（SS、pH、電導(dǎo)率和水中油）的檢測(cè)，以數(shù)字信號(hào)和電信號(hào)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至采集模塊；②水量檢測(cè)：通過對(duì)井下或地面多個(gè)用水點(diǎn)的水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷水量需求，保證及時(shí)供給，保障生活生產(chǎn)；③設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)：采集模塊連接運(yùn)行設(shè)備，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

智能分析平臺(tái)是在force control軟件的基礎(chǔ)上搭建起來的系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)庫和前端服務(wù)裝置。首先接收整個(gè)礦井水處理過程中不同時(shí)間和空間監(jiān)測(cè)的水量與水質(zhì)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)庫分析、運(yùn)算和轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)管理功能后，在前端人機(jī)交互界面展示。本平臺(tái)共展示1個(gè)一級(jí)界面和9個(gè)二級(jí)界面，其中包括5個(gè)監(jiān)測(cè)水池界面、3個(gè)數(shù)據(jù)分析界面（歷史曲線，歷史報(bào)表，閾值報(bào)警）和1個(gè)系統(tǒng)設(shè)置界面。智能分析平臺(tái)一級(jí)界面如圖5，智能分析平臺(tái)二級(jí)界面如圖6。

圖5 智能分析平臺(tái)一級(jí)界面Fig.5 Main interface of intelligent analysis platform

圖6 智能分析平臺(tái)二級(jí)界面Fig.6 Secondary interface of intelligent analysis platform

由圖5可以看出，主要展示了礦井水水處理工藝流程變化，以及不同時(shí)間井下-地面5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（調(diào)節(jié)預(yù)沉池、清水池、中間水池、復(fù)用水池和高位水池）和4個(gè)用水點(diǎn)（清水池、中間水池、復(fù)用水池和高位水池）的水量水質(zhì)的變化情況，其中水量由液位傳感器監(jiān)測(cè)，水質(zhì)由pH、SS、水中油和電導(dǎo)率傳感器分別監(jiān)測(cè)。

由圖6可以看出，主要展示了礦井水從機(jī)械過濾器通過進(jìn)水閥門（綠色運(yùn)行狀態(tài)為開啟、紅色運(yùn)行狀態(tài)為關(guān)閉）流入清水池，礦井水通過水泵回用于灌漿用水、井下除塵用水和井下消防用水，可以看出清水池、井下除塵用水和井下消防用水的水位情況以及pH、SS、水中油和電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)情況。

由圖5和圖6可知，智能分析平臺(tái)系統(tǒng)界面可實(shí)現(xiàn)以下功能：①水質(zhì)數(shù)據(jù)連接：即監(jiān)測(cè)界面與傳感器連接，實(shí)時(shí)接收水質(zhì)信息，并通過界面實(shí)時(shí)顯示；②水質(zhì)數(shù)據(jù)處理：即通過水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，刻畫水質(zhì)變化曲線，形成水質(zhì)信息報(bào)表，監(jiān)視報(bào)警信息。這一過程有利于煤礦企業(yè)快速準(zhǔn)確獲得這些監(jiān)測(cè)指標(biāo)信息，優(yōu)化決策和水資源管理模式。

調(diào)配控制系統(tǒng)主要包括ARM開發(fā)板、電磁繼電器、工業(yè)水泵和分析控制程序。控制終端首先接收“后臺(tái)服務(wù)”，即智能分析平臺(tái)發(fā)送的水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)基于不同用水點(diǎn)的回用標(biāo)準(zhǔn)，通過控制程序設(shè)置水量和水質(zhì)閾值，然后給智能水泵下達(dá)指令，若實(shí)際水質(zhì)滿足回用標(biāo)準(zhǔn)，則可將其注入儲(chǔ)水池中加以利用，若實(shí)際水質(zhì)不能達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)回用工段的智能水泵停止工作，備用的泵組智能閥門開啟，將此階段的水返回上一工段重復(fù)處理或直接流入下一工段進(jìn)行后續(xù)處理。同樣，礦井水水量和水質(zhì)的控制模式相同，當(dāng)反應(yīng)池等構(gòu)筑物內(nèi)水位達(dá)到極限低水位時(shí)，報(bào)警信號(hào)傳出并停止出水水泵；當(dāng)貯水池液位超過限值時(shí)，后端及時(shí)傳出報(bào)警并合理調(diào)節(jié)前端配水量。在智能調(diào)配過程中，ARM開發(fā)板的功能是集成多種模塊和內(nèi)嵌控制程序，電磁繼電器的功能是接收控制信號(hào)，協(xié)調(diào)電路運(yùn)行，工業(yè)水泵的功能是監(jiān)測(cè)礦井水流量并控制礦井水調(diào)度，最后通過分析控制程序分析礦井水?dāng)?shù)據(jù)和判斷水質(zhì)信息，并最終發(fā)出控制信號(hào)。同時(shí)，在實(shí)際工況中還要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工況參數(shù)和水泵運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置泵的自檢與替換周期，提高水調(diào)度效率[22]。

綜上，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能分析平臺(tái)和調(diào)配控制系統(tǒng)三者之間的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了礦井水井下-地面高效智能調(diào)配系統(tǒng)，最終可實(shí)現(xiàn)以下功能：①根據(jù)回用標(biāo)準(zhǔn)按時(shí)按需分配回用水資源，包括采暖季/非采暖季和分級(jí)/分質(zhì)分配；②可實(shí)現(xiàn)井下-地面分節(jié)點(diǎn)協(xié)同智能調(diào)配，包括井下-地面5個(gè)貯水點(diǎn)的監(jiān)測(cè)及4個(gè)用水點(diǎn)的調(diào)配；③可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)礦井水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無線傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)用與大數(shù)據(jù)智能調(diào)控功能。

4結(jié)論

1）陜西省大海則煤礦區(qū)原礦井水水量較大，但就地利用率極低，僅為礦井總排水量的22.1%；同時(shí)礦井水水質(zhì)為高濁和高硬度，且在時(shí)間與空間上均具有水量分配不均、分級(jí)分質(zhì)利用不協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，因此，基于以上分析結(jié)果，將原有二級(jí)處理優(yōu)化為三級(jí)處理。

2）充分考慮了采暖季與非采暖季的時(shí)間變化、井下與地面的空間變化影響，以及分級(jí)分質(zhì)利用的原則，重構(gòu)了礦區(qū)礦井水水量平衡圖；形成了礦井水“分級(jí)分質(zhì)+時(shí)空協(xié)同+智能調(diào)配”的綜合利用技術(shù)，可將礦井水回用率提高到100%；有助于彌補(bǔ)井下-地面礦井水調(diào)配模式單一和響應(yīng)遲緩的不足。

3）同步構(gòu)建了基于“在線傳感器、STM32芯片、Wi-Fi模塊與嵌入式系統(tǒng)”的智能調(diào)配系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)礦井水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無線傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)用以及井下-地面分節(jié)點(diǎn)協(xié)同智能調(diào)配功能，形成了多目標(biāo)管理的高效智能模塊。