朱冬旭 伯冰洋

【關(guān)鍵詞】礦井水;高效利用;在線監(jiān)控;實驗平臺

礦井水是伴隨著礦產(chǎn)開采過程中的地下涌水，在很多礦區(qū)，礦井水不經(jīng)過處理直接排放，這不僅造成了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞，也造成了礦井水的浪費[1]。在此情況下，對礦井水進行實時監(jiān)測、回收處理、重復使用，對于保護資源、提高生態(tài)環(huán)境來說勢在必行[2][3]。在傳統(tǒng)的監(jiān)測方式中，由于監(jiān)測設備不發(fā)達，會產(chǎn)生記錄誤差大、通信不及時等問題，進而造成礦井水監(jiān)測處理的效率較低[4][5][6]。因此，本文提出了一種基于礦井水優(yōu)化處理的在線監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建了模擬礦井水處理和復用的實驗平臺，可模擬礦井水實時監(jiān)測和有效復用，具有速度快、精度高等特點。

一、礦井水處理工藝優(yōu)化

以內(nèi)蒙古自治區(qū)某煤礦為例，礦區(qū)井下排水中的主要污染物為煤顆粒、巖面顆粒物形成的懸浮物以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的乳化液油類[7]。從提高回用率的角度考慮，本文結(jié)合不同用水階段、水質(zhì)標準等綜合因素，分井下-地面兩個空間對礦井水利用途徑進行處理[8]。

將該礦井水處理工藝分為預處理、二級處理和深度處理三個單元，在井下預處理單元，一部分礦井水經(jīng)過井下調(diào)節(jié)預沉池的水進入清水池，當出水量滿足消防用水、灌漿用水、降塵用水、冷卻用水和液壓支架用水要求時，可直接回用。另一部分井下的礦井水通過調(diào)節(jié)預沉池來到油污水處理裝置和高效旋流器，后進入井上中間水池。中間水池中的水一部分回用于地面除塵和消防用水，另一部分進入二級處理。進入二級處理（包括高密度沉淀池和V型濾池）的礦井水一部分通過潛水泵提升進入高位水池，為選煤、換熱站、冷卻、綠化以及其他生活用水提供水源;另一部分通過深度處理，進入復用水池，為生活、農(nóng)業(yè)和綠化等提供高品質(zhì)礦井水。

二、礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)設計

為實時動態(tài)監(jiān)測礦井水的水質(zhì)水量信息變化、水泵開關(guān)狀態(tài)等運行數(shù)據(jù)，做到各用水點的協(xié)同控制，本文設計了一種礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)井下水處理的可視化和可操作化，具有動態(tài)性、多樣性、交互性等優(yōu)點。

在線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)分為三個部分：數(shù)據(jù)采集裝置、在線監(jiān)測平臺、調(diào)度控制系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集裝置中，液位傳感器、pH傳感器、SS傳感器、電導率傳感器、水中油傳感器將采集到的量質(zhì)信息轉(zhuǎn)換為電信號，傳至模擬量采集器，再通過串行通訊和無線傳輸將水質(zhì)水量數(shù)據(jù)上傳至本地服務器，在線監(jiān)測平臺可以實現(xiàn)本地服務器對數(shù)據(jù)的接收，通過上位機在線監(jiān)測平臺，為用戶進行實時顯示;在調(diào)度控制系統(tǒng)中，服務器通過STM32芯片、Wi-Fi繼電器等組成的調(diào)度控制系統(tǒng)，結(jié)合服務器的累加、計算結(jié)果，為水泵提供控制信息，實現(xiàn)各用水點的回用調(diào)度。

三、實驗平臺搭建

（一）數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集是礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎。本文根據(jù)所研究礦區(qū)的水質(zhì)水量特點，選取了五個監(jiān)測點，分別為中間水池、復用水池、高位水池、調(diào)節(jié)預沉池和清水池，選用了5種傳感器，即SS、pH、電導率、水中油4種水質(zhì)傳感器以及液位傳感器。為了將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并對多種數(shù)據(jù)進行匯總整理，本項目選用了多路信號采集器，最多可接收16路傳感器的實時數(shù)據(jù)，滿足多個用水點的監(jiān)測感知需求。

（二）在線監(jiān)測平臺

為了將礦井水監(jiān)測信息更加直觀地顯示，更好地對礦井水數(shù)據(jù)進行解釋和分析，本文在force control軟件的基礎上搭建礦井水在線監(jiān)測平臺，具體流程包括：礦井水實時數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)監(jiān)測界面繪制以及組件邏輯程序編寫三部分。

礦井水實時數(shù)據(jù)的連接是分析平臺能否正常顯示的基礎步驟，通過Python編程將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的礦井水實時數(shù)據(jù)信息上傳到數(shù)據(jù)庫中，將狀態(tài)變量與數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)礦井水在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析與管理。以實際工程為基礎，本文建立了礦井水處理流程總界面，將礦井水處理過程中水質(zhì)變化和工程調(diào)度以動畫方式展現(xiàn)在服務器上，包括5個反應池詳細監(jiān)測數(shù)據(jù)界面、歷史數(shù)據(jù)曲線界面、歷史數(shù)據(jù)報表界面和報警界面等。編寫組件邏輯程序包括：設置監(jiān)測變量（量質(zhì)信息，開關(guān)狀態(tài)）、連接界面參數(shù)（界面數(shù)字，曲線）、設計邏輯程序（量質(zhì)變化內(nèi)在聯(lián)系）。

（三）調(diào)度控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)礦井水調(diào)度系統(tǒng)的遠程操控，本控制系統(tǒng)以STM32芯片、Wi-Fi無線傳輸模塊和繼電器作為外設，開發(fā)了礦井水調(diào)度控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過Wi-Fi無線模塊從服務器和控制端接收控制信號，可實現(xiàn)調(diào)度指令無線下發(fā)，并同時控制多路繼電器，從而控制各用水點水泵的運行狀態(tài)，實現(xiàn)在線調(diào)度。

四、礦井水在線監(jiān)控實驗平臺

（四）實驗平臺模擬實物圖

利用礦井水在線監(jiān)控實驗平臺代替礦區(qū)實際用水點進行試驗。該裝置具有智能化程度高、通用性強的特點，可模擬用戶控制端發(fā)出各種控制指令，并監(jiān)視各用水點當前狀態(tài)，滿足清水池、中間水池、高位水池、復用水池等礦區(qū)用水點的水質(zhì)水量的監(jiān)測、礦井水調(diào)度控制等需求。該實驗平臺模擬實物圖如圖1。

（二）實驗平臺測試與分析

1、在線監(jiān)測平臺測試

在礦井水在線監(jiān)控實驗平臺實物搭建的基礎上，進行了礦井水水質(zhì)水量信息的在線監(jiān)測。測試設計了礦井水處理工藝中水質(zhì)水量在線監(jiān)測，監(jiān)測對象為復用水池和中間水池的液位、SS、pH、水中油、電導率等信息，監(jiān)測時間為1小時。為了更加體現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性，在實驗中添加高濃度礦井水，觀察礦井水監(jiān)測系統(tǒng)變化。

實驗結(jié)果為：復用水池的液位為9 2 . 5 0毫米，S S為4.70mg/l，pH為7.27，水中油為0.40ppb，電導率為1.36mS/m。中間水池的液位為112.88毫米，SS為34.38mg/l，pH為8.65，水中油為0.90ppb，電導率為12.74mS/m。具體信息如圖2。

2、調(diào)度控制系統(tǒng)運行測試

本實驗模擬礦井水處理工藝中中間水池回用點的回用情況，以2000 ml的儲水槽作為中間水池回用點，設置兩個地面用水點，分別以1號燒杯為地面除塵用水、2號燒杯為地面消防用水。在中間水池中放置SS傳感器，兩個燒杯內(nèi)部分別放有液位傳感器。

測試中，中間水池的SS為15mg/L，符合兩個回用水點回用標準。當水質(zhì)達到用水點使用標準時，系統(tǒng)根據(jù)用水點設定水量進行供水，當供水達到設定水量時，控制器關(guān)閉對應水泵，停止供水。當水質(zhì)不達標時，系統(tǒng)根據(jù)用水點水質(zhì)需求標準停止供水，待向中間水池中加入高濃度礦井水后，使得SS濃度增加，達到100 mg/L，不滿足兩個用水點需求，控制器控制水泵，停止供水。實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠根據(jù)水質(zhì)變化控制水泵的開關(guān)，實現(xiàn)了礦井水的調(diào)度控制。

五、結(jié)論

針對目前礦井水處理后回用成本高、循環(huán)利用率低等問題，本文在礦井水分層優(yōu)化處理工藝流程的基礎上，設計出了礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)，完成了礦井水在線監(jiān)控實驗平臺的搭建。該裝置的研發(fā)大大地提高了礦井水在生產(chǎn)過程中的回用效率，產(chǎn)品的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)。