魏然

[摘 ? ?要]煤礦用水一直處于匱乏狀態(tài)，探討礦井水處理措施是煤礦開采中不能回避的問題。隨著智能化、自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，礦井水處理站也研究應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)，把礦井水處理過程優(yōu)化為智能、自動(dòng)執(zhí)行。簡單介紹礦井水的資源概況，分析目前礦井水存在的問題，闡明礦井水處理的必要性，結(jié)合實(shí)際探討礦井水凈化自動(dòng)化控制及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

[關(guān)鍵詞]礦井水處理站;自動(dòng)化控制;凈水處理;設(shè)計(jì)研究

[中圖分類號(hào)]TD74 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]Coal mine water has been in a state of scarcity. It is an unavoidable problem to discuss the treatment measures of mine water in coal mining. With the rapid development of intelligent and automatic technology， the mine water treatment station also studies the application of automatic control system to optimize the mine water treatment process into intelligent and automatic execution. This paper briefly introduces the general situation of mine water resources， analyzes the existing problems of mine water， expounds the necessity of mine water treatment， and discusses the automatic control and system design scheme of mine water purification combined with practice.

[Keywords]mine water treatment station; automatic control; water treatment; design research

我國地域面積廣闊，煤炭資源儲(chǔ)備豐富，多數(shù)礦井所處地域位置干旱少雨，煤礦用水缺乏一直是難以解決的問題。水資源的長途運(yùn)輸不僅耗費(fèi)大量的人力物力，而且難以滿足礦山日常用水需求。因此，圍繞礦井建設(shè)礦井水處理站是解決這一問題的有效途徑。早期，當(dāng)自動(dòng)化技術(shù)還處于萌芽階段時(shí)，水處理的每一步，都需要專門人員人工操作和人工記錄，隨著礦區(qū)逐漸擴(kuò)大，需要對(duì)水源進(jìn)行凈化處理，第一個(gè)問題是工作量越來越大;另一個(gè)是很嚴(yán)重的問題，與普通地下水礦井水相比，其成分更為復(fù)雜，所以一般的凈水處理程序無法滿足礦井水凈化后的使用標(biāo)準(zhǔn)，需要更復(fù)雜的凈化步驟和凈化藥劑。人工操作會(huì)帶來很多誤差，造成水質(zhì)很難符合要求。近年來，隨著我國自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，礦井凈水采用自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方案成為發(fā)展必然趨勢(shì)?；诖吮尘埃疚奶岢隽送晟频牡V井凈水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 礦井水的資源概況

1.1 礦井水分類

與地下水相比，礦井水的化學(xué)物質(zhì)成分更為復(fù)雜，因此與普通的凈水工藝有很大差異。為了達(dá)到對(duì)凈水過程的更加精確控制目的，必須開展對(duì)礦井水主要成分的研究，從而提出有效的凈水處理方案。根據(jù)對(duì)礦山地理位置及各種環(huán)境差異的分析比較，發(fā)現(xiàn)礦山排水主要有以下幾種類型。①礦井排水，與普通地質(zhì)水類似，只需簡單的物理處理，如過濾水中的顆粒。②含有多種化學(xué)成分的礦井水，如高鹵水，除了需要過濾沉淀等簡單處理外，還需要稀釋水中的鹽分，該過程可以使用電滲析工藝。③對(duì)于含有其他化學(xué)物質(zhì)的水，可以添加無害反應(yīng)或其他凈化方法，實(shí)現(xiàn)處理后的礦井水達(dá)到可用標(biāo)準(zhǔn)為最終目的。

1.2 礦井水資源特點(diǎn)

我國煤炭資源普遍埋藏比較深，主要是地下開采，在煤炭開采過程中，需要排放大量涌出的地下水，即礦井水。礦井水的主要來源有：①地下水，主要來自奧陶系和寒武系的灰?guī)r水、砂巖裂隙水、第四季沖積層水、老窯水等。各煤層地質(zhì)構(gòu)造不一樣，并且引流量相差很大。②煤礦生產(chǎn)廢水，采礦過程中，地面要輸入生產(chǎn)用水用于液壓支柱、機(jī)電設(shè)備、挖煤過程中防塵降塵灑水等產(chǎn)生的極少量的廢水。③地表裂縫下滲的地表水。大量的礦井水沒有經(jīng)凈化處理直接排放，不僅造成了水資源的極大浪費(fèi)，而且還會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)周圍土地環(huán)境以及地表水環(huán)境的污染。

煤礦所處地質(zhì)構(gòu)造、所在區(qū)域和開采方式不一樣，導(dǎo)致礦井水水質(zhì)存在較大不同。根據(jù)水質(zhì)，大致可分為純凈礦井水、高鹽礦井水（又稱咸水）、懸浮物礦井水、酸性礦井水和特殊污染礦井水。

2 礦井水存在的問題

煤礦水不僅屬于具有工業(yè)特征的污染源，同時(shí)也是一種寶貴的水資源。目前，我國許多煤礦即面臨嚴(yán)重缺水情況，又存在沒有經(jīng)過處理就直接排放，造成大量水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的現(xiàn)象，給煤炭行業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展帶來阻礙。因此，探討將煤礦水凈化后，作為煤礦工業(yè)用水或生活用水處理，不僅解決了礦區(qū)缺水問題，而且充分利用了礦井水資源，節(jié)約了地下水資源，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)效益提升具有重要作用。

煤礦廢水凈化處理二次利用是礦井水資源處理的發(fā)展趨勢(shì)，需要從業(yè)人員在實(shí)踐中堅(jiān)持不懈探索，目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃中存在以下問題。

（1）由于國家宏觀政策的缺失和傳統(tǒng)觀念的影響，水資源在大多數(shù)煤礦區(qū)被當(dāng)作一種廉價(jià)資源被無目的的使用和浪費(fèi)，這與我國水資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀完全相悖。要改變這種局面，必須制定嚴(yán)格的法律法規(guī)，廣泛宣傳。

（2）由于對(duì)礦井水缺乏最基本的水化學(xué)成分認(rèn)識(shí)，目前煤礦區(qū)對(duì)礦井水的利用仍是比較粗放和簡單化的，這種現(xiàn)象又反過來加重了人們對(duì)礦井水的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，因此，在一定程度上限制了礦井水大面積使用。

（3）為提高我國煤礦礦井水處理的技術(shù)水平，必須在詳細(xì)分析礦井水的水化學(xué)組成和物化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，研究合適的礦井水處理工藝和參數(shù)，以提高煤礦礦井水利用的技術(shù)水平。

3 礦井水處理的必要性

礦山水是一種可再生水資源，礦區(qū)多為干旱缺水地區(qū)。礦山排水二次利用對(duì)該地區(qū)的自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。例如，中國的煤礦主要分布在華北和西北半干旱和少雨地區(qū)。礦山排水不僅污染水資源，而且浪費(fèi)大量水資源。此外，它還造成環(huán)境污染，降低地下水位，制約當(dāng)?shù)氐V業(yè)企業(yè)的發(fā)展。研究表明，產(chǎn)煤大省山西省地下水位平均下降2～4 m，運(yùn)城部分地區(qū)地下水位下降80 m。礦產(chǎn)資源拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)，提高地方經(jīng)濟(jì)水平，但也破壞地下水環(huán)境，加劇水資源短缺，同時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)、土地、林業(yè)造成一定影響，經(jīng)濟(jì)損失更為嚴(yán)重。

科學(xué)有效地對(duì)礦山排水進(jìn)行資源化，可以大幅減少因礦產(chǎn)開發(fā)造成的水資源短缺、地下水位下降和過度開采對(duì)環(huán)境的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。處理后的礦井水可不同程度地利用。面對(duì)我國缺水狀況，礦山水資源的利用，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件和地理環(huán)境，選擇科學(xué)有效的方法和技術(shù)，將有利于礦業(yè)的長久持續(xù)發(fā)展。

4 礦井水凈化自動(dòng)化控制

通過對(duì)礦井水所含成分的分析，在進(jìn)行礦井水凈化處理時(shí)，除了簡單的沉淀過濾等過程以外，還有幾個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的過程，下面對(duì)各個(gè)流程進(jìn)行簡略的分析，提出礦井水自動(dòng)化控制的解決方案。

①把地下的礦井水排放到預(yù)沉調(diào)節(jié)池里進(jìn)行初步沉淀，②再把上層的水轉(zhuǎn)送到至專業(yè)沉淀池，此項(xiàng)工作由提升水裝置來自動(dòng)完成。按照控制臺(tái)自動(dòng)發(fā)出的指令，把一定量的藥物加入到專業(yè)沉淀池中，將水中的雜質(zhì)凝結(jié)、沉淀，通過排水系統(tǒng)把完成過濾的上層水轉(zhuǎn)排到下一個(gè)過濾裝置，這個(gè)過程反復(fù)多次進(jìn)行，一直到水質(zhì)能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)為止，最后把處理后的水排放到清水池進(jìn)行再次利用。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)首先對(duì)需要處理的水量、水的濁化程度等信息進(jìn)行采集，由自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果把凈化藥量反饋給加藥裝置，加藥裝置按指令自動(dòng)執(zhí)行加藥。同時(shí)液位儀表在線顯示記錄每個(gè)水池的水位，及時(shí)對(duì)水位進(jìn)行預(yù)警和處理，防止水池出現(xiàn)水位超標(biāo)現(xiàn)象。

自動(dòng)化凈水控制雖然減少了人的參與，但是，整個(gè)過程都是儀器設(shè)備在進(jìn)行全程記錄，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)操作步驟的命令參數(shù)和所有設(shè)備的狀態(tài)，防止出現(xiàn)故障而造成損失。該系統(tǒng)具備報(bào)警和保護(hù)功能，當(dāng)某一步驟發(fā)生故障的同時(shí)，在上位機(jī)中都可以進(jìn)行手動(dòng)操作進(jìn)行控制。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上構(gòu)想的自動(dòng)化流程，依據(jù)礦井的具體情況，設(shè)計(jì)包括上位機(jī)、各種硬件模塊相結(jié)合的礦井水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，全自動(dòng)化執(zhí)行凈水過程，并且有監(jiān)控對(duì)各個(gè)過程的執(zhí)行進(jìn)行記錄，防止發(fā)生故障。

（1）各個(gè)自動(dòng)化流程主要由上位機(jī)來控制實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)要具有用戶管理、數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程傳輸以及各種日志的存儲(chǔ)打印等功能，上位機(jī)需要在環(huán)境惡劣的條件下長時(shí)間進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，因此選擇上位機(jī)要充分考慮耐用、抗干擾、需要大量的存儲(chǔ)空間記錄相關(guān)數(shù)據(jù)等條件。

（2）硬件組成部分。主要由傳感器（液位傳感器、流量傳感器、濁度傳感器及壓力傳感器等）、電控柜、主控單元、電動(dòng)閥等部分構(gòu)成硬件部分。其中最主要的是主控單元和各種傳感器，主控單元的主要任務(wù)是進(jìn)行信號(hào)采集并運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果調(diào)控凈水處理過程中各個(gè)步驟所要執(zhí)行的參數(shù)值。例如，機(jī)電設(shè)備的起停時(shí)間、加藥量等，最終使處理后的水能夠達(dá)到再次使用的標(biāo)準(zhǔn)。為主控單元采集相關(guān)數(shù)據(jù)主要由各種傳感器來完成，傳感器主要分布在各個(gè)設(shè)備及水池上，其主要任務(wù)是采集各種數(shù)據(jù)參數(shù)并傳遞給主控系統(tǒng)，供主控系統(tǒng)進(jìn)行各種計(jì)算和使用。

（3）自動(dòng)控制部分。自動(dòng)控制部分主要包括PLC控制器、與上位機(jī)及各個(gè)設(shè)備建立通訊連接的控制程序。主控單元通過PLC控制器與各傳感器通信，獲取液位、濁度、輸出水量等重要數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)，控制單元對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算并產(chǎn)生可調(diào)參數(shù)來控制水凈化設(shè)備完成各種任務(wù)，它可以脫離對(duì)上位機(jī)軟件的手動(dòng)控制，具有智能性，能夠獨(dú)立自動(dòng)完成工作任務(wù)，對(duì)整個(gè)凈水系統(tǒng)進(jìn)行可靠的控制。同時(shí)，上位機(jī)可以顯示這部分工作當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)是連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行的，相關(guān)工作人員只要在控制室里利用上位機(jī)來進(jìn)行監(jiān)視就可以了，相關(guān)工作人員要定時(shí)對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行檢查，一旦發(fā)生故障一定要及時(shí)排除。

6 結(jié)語

對(duì)我國的煤礦地區(qū)自然環(huán)境現(xiàn)狀及煤礦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行的分析表明，我國的煤礦地域大多數(shù)都是干旱少雨的，煤礦的正常生產(chǎn)用水資源基本都是短缺的。如果大量的礦井水不再次利用就全部外排的話，既浪費(fèi)了水資源，也會(huì)對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。

目前，大多數(shù)針對(duì)這部分水資源進(jìn)行再次處理及利用的各項(xiàng)工藝及控制流程都存在很多的不足和弊端，因此，要加大針對(duì)礦井水再次處理利用的技術(shù)研究與開發(fā)。本文針對(duì)我國目前的這一現(xiàn)狀，提出了切實(shí)可行的煤礦礦井水自動(dòng)控制處理系統(tǒng)方案，該方案主要包括上位機(jī)及相關(guān)軟件、相應(yīng)的硬件配套設(shè)施等，通過對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并驗(yàn)證，該方案能夠滿足大多數(shù)礦井的礦井水處理需求，并且經(jīng)濟(jì)成本也不高，比較適合在煤礦企業(yè)中廣泛推廣使用。當(dāng)然，該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度還需要隨著自動(dòng)化進(jìn)程的發(fā)展不斷改進(jìn)、不斷完善、不斷加強(qiáng)。

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