论文部分内容阅读
[摘 要]煤矿用水一直处于匮乏状态，探讨矿井水处理措施是煤矿开采中不能回避的问题。随着智能化、自动化技术的快速发展，矿井水处理站也研究应用自动控制系统，把矿井水处理过程优化为智能、自动执行。简单介绍矿井水的资源概况，分析目前矿井水存在的问题，阐明矿井水处理的必要性，结合实际探讨矿井水净化自动化控制及系统设计方案。
[关键词]矿井水处理站;自动化控制;净水处理;设计研究
[中图分类号]TD74 [文献标志码]A [文章编号]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
我国地域面积广阔，煤炭资源储备丰富，多数矿井所处地域位置干旱少雨，煤矿用水缺乏一直是难以解决的问题。水资源的长途运输不仅耗费大量的人力物力，而且难以满足矿山日常用水需求。因此，围绕矿井建设矿井水处理站是解决这一问题的有效途徑。早期，当自动化技术还处于萌芽阶段时，水处理的每一步，都需要专门人员人工操作和人工记录，随着矿区逐渐扩大，需要对水源进行净化处理，第一个问题是工作量越来越大;另一个是很严重的问题，与普通地下水矿井水相比，其成分更为复杂，所以一般的净水处理程序无法满足矿井水净化后的使用标准，需要更复杂的净化步骤和净化药剂。人工操作会带来很多误差，造成水质很难符合要求。近年来，随着我国自动化技术的飞速发展，矿井净水采用自动控制的设计方案成为发展必然趋势。基于此背景，本文提出了完善的矿井净水自动控制系统设计方案。
1 矿井水的资源概况
1.1 矿井水分类
与地下水相比，矿井水的化学物质成分更为复杂，因此与普通的净水工艺有很大差异。为了达到对净水过程的更加精确控制目的，必须开展对矿井水主要成分的研究，从而提出有效的净水处理方案。根据对矿山地理位置及各种环境差异的分析比较，发现矿山排水主要有以下几种类型。①矿井排水，与普通地质水类似，只需简单的物理处理，如过滤水中的颗粒。②含有多种化学成分的矿井水，如高卤水，除了需要过滤沉淀等简单处理外，还需要稀释水中的盐分，该过程可以使用电渗析工艺。③对于含有其他化学物质的水，可以添加无害反应或其他净化方法，实现处理后的矿井水达到可用标准为最终目的。
1.2 矿井水资源特点
我国煤炭资源普遍埋藏比较深，主要是地下开采，在煤炭开采过程中，需要排放大量涌出的地下水，即矿井水。矿井水的主要来源有：①地下水，主要来自奥陶系和寒武系的灰岩水、砂岩裂隙水、第四季冲积层水、老窑水等。各煤层地质构造不一样，并且引流量相差很大。②煤矿生产废水，采矿过程中，地面要输入生产用水用于液压支柱、机电设备、挖煤过程中防尘降尘洒水等产生的极少量的废水。③地表裂缝下渗的地表水。大量的矿井水没有经净化处理直接排放，不仅造成了水资源的极大浪费，而且还会导致矿区周围土地环境以及地表水环境的污染。
煤矿所处地质构造、所在区域和开采方式不一样，导致矿井水水质存在较大不同。根据水质，大致可分为纯净矿井水、高盐矿井水（又称咸水）、悬浮物矿井水、酸性矿井水和特殊污染矿井水。
2 矿井水存在的问题
煤矿水不仅属于具有工业特征的污染源，同时也是一种宝贵的水资源。目前，我国许多煤矿即面临严重缺水情况，又存在没有经过处理就直接排放，造成大量水资源浪费和环境污染的现象，给煤炭行业生产的可持续发展带来阻碍。因此，探讨将煤矿水净化后，作为煤矿工业用水或生活用水处理，不仅解决了矿区缺水问题，而且充分利用了矿井水资源，节约了地下水资源，对社会经济发展、环境保护和社会效益提升具有重要作用。
煤矿废水净化处理二次利用是矿井水资源处理的发展趋势，需要从业人员在实践中坚持不懈探索，目前系统设计规划中存在以下问题。
（1）由于国家宏观政策的缺失和传统观念的影响，水资源在大多数煤矿区被当作一种廉价资源被无目的的使用和浪费，这与我国水资源严重短缺的现状完全相悖。要改变这种局面，必须制定严格的法律法规，广泛宣传。 （2）由于对矿井水缺乏最基本的水化学成分认识，目前煤矿区对矿井水的利用仍是比较粗放和简单化的，这种现象又反过来加重了人们对矿井水的错误认识，因此，在一定程度上限制了矿井水大面积使用。
（3）为提高我国煤矿矿井水处理的技术水平，必须在详细分析矿井水的水化学组成和物化性质的基础上，研究合适的矿井水处理工艺和参数，以提高煤矿矿井水利用的技术水平。
3 矿井水处理的必要性
矿山水是一种可再生水资源，矿区多为干旱缺水地区。矿山排水二次利用对该地区的自然环境和经济发展具有重要意义。例如，中国的煤矿主要分布在华北和西北半干旱和少雨地区。矿山排水不仅污染水资源，而且浪费大量水资源。此外，它还造成环境污染，降低地下水位，制约当地矿业企业的发展。研究表明，产煤大省山西省地下水位平均下降2～4 m，运城部分地区地下水位下降80 m。矿产资源拉动经济，提高地方经济水平，但也破坏地下水环境，加剧水资源短缺，同时对农业、土地、林业造成一定影响，经济损失更为严重。
科学有效地对矿山排水进行资源化，可以大幅减少因矿产开发造成的水资源短缺、地下水位下降和过度开采对环境的影响，具有良好的经济效益和社会效益。处理后的矿井水可不同程度地利用。面对我国缺水状况，矿山水资源的利用，结合当地经济条件和地理环境，选择科学有效的方法和技术，将有利于矿业的长久持续发展。
4 矿井水净化自动化控制
通过对矿井水所含成分的分析，在进行矿井水净化处理时，除了简单的沉淀过滤等过程以外，还有几个相对比较复杂的过程，下面对各个流程进行简略的分析，提出矿井水自动化控制的解决方案。
①把地下的矿井水排放到预沉调节池里进行初步沉淀，②再把上层的水转送到至专业沉淀池，此项工作由提升水装置来自动完成。按照控制台自动发出的指令，把一定量的药物加入到专业沉淀池中，将水中的杂质凝结、沉淀，通过排水系统把完成过滤的上层水转排到下一个过滤装置，这个过程反复多次进行，一直到水质能够达到使用标准为止，最后把处理后的水排放到清水池进行再次利用。在这个过程中，系统首先对需要处理的水量、水的浊化程度等信息进行采集，由自动控制系统对采集到的数据进行计算，依据计算结果把净化药量反馈给加药装置，加药装置按指令自动执行加药。同时液位仪表在线显示记录每个水池的水位，及时对水位进行预警和处理，防止水池出现水位超标现象。
自动化净水控制虽然减少了人的参与，但是，整个过程都是仪器设备在进行全程记录，对重要数据进行实时显示和存储，实时监控各个操作步骤的命令参数和所有设备的状态，防止出现故障而造成损失。该系统具备报警和保护功能，当某一步骤发生故障的同时，在上位机中都可以进行手动操作进行控制。
5 系统设计方案
根据以上构想的自动化流程，依据矿井的具体情况，设计包括上位机、各种硬件模块相结合的矿井水处理自动控制系统，全自动化执行净水过程，并且有监控对各个过程的执行进行记录，防止发生故障。
（1）各个自动化流程主要由上位机来控制实现。上位机要具有用户管理、数据管理、远程传输以及各种日志的存储打印等功能，上位机需要在环境恶劣的条件下长时间进行运转，因此选择上位机要充分考虑耐用、抗干扰、需要大量的存储空间记录相关数据等条件。
（2）硬件组成部分。主要由传感器（液位传感器、流量传感器、浊度传感器及壓力传感器等）、电控柜、主控单元、电动阀等部分构成硬件部分。其中最主要的是主控单元和各种传感器，主控单元的主要任务是进行信号采集并运算，并根据运算结果调控净水处理过程中各个步骤所要执行的参数值。例如，机电设备的起停时间、加药量等，最终使处理后的水能够达到再次使用的标准。为主控单元采集相关数据主要由各种传感器来完成，传感器主要分布在各个设备及水池上，其主要任务是采集各种数据参数并传递给主控系统，供主控系统进行各种计算和使用。
（3）自动控制部分。自动控制部分主要包括PLC控制器、与上位机及各个设备建立通讯连接的控制程序。主控单元通过PLC控制器与各传感器通信，获取液位、浊度、输出水量等重要数据。数据上传到上位机进行记录并存储，控制单元对这些数据进行分析和计算并产生可调参数来控制水净化设备完成各种任务，它可以脱离对上位机软件的手动控制，具有智能性，能够独立自动完成工作任务，对整个净水系统进行可靠的控制。同时，上位机可以显示这部分工作当前的运行状态，整个系统是连续自动运行的，相关工作人员只要在控制室里利用上位机来进行监视就可以了，相关工作人员要定时对设备运转情况进行检查，一旦发生故障一定要及时排除。
6 结语
对我国的煤矿地区自然环境现状及煤矿产业现状进行的分析表明，我国的煤矿地域大多数都是干旱少雨的，煤矿的正常生产用水资源基本都是短缺的。如果大量的矿井水不再次利用就全部外排的话，既浪费了水资源，也会对矿区的生态环境造成严重的破坏。
目前，大多数针对这部分水资源进行再次处理及利用的各项工艺及控制流程都存在很多的不足和弊端，因此，要加大针对矿井水再次处理利用的技术研究与开发。本文针对我国目前的这一现状，提出了切实可行的煤矿矿井水自动控制处理系统方案，该方案主要包括上位机及相关软件、相应的硬件配套设施等，通过对各种数据进行分析并验证，该方案能够满足大多数矿井的矿井水处理需求，并且经济成本也不高，比较适合在煤矿企业中广泛推广使用。当然，该系统的自动化程度还需要随着自动化进程的发展不断改进、不断完善、不断加强。
参考文献
[1] 周如禄，朱留生.煤矿矿井水处理厂自动控制技术探讨[J].煤炭科学技术，2003，31（1）：37-38.
[2] 尹清标.济宁二号煤矿矿井水处理站自动控制系统设计[J].煤矿现代化，2006（2）：38-39.
[3] 煤矿矿井水处理工程问题及对策研究[D].邯郸：河北工程大学，2013.
[4] 胡文容.煤矿矿井水处理技术[M].上海：同济大学出版社，2017.
[5] 孙红福，陈健，李博，等.干旱地区煤矿高矿化度矿井水资源化利用[J].煤炭工程，2016，47（9）：117-119.
[6] 郭超，刘怀英，马兆瑞，等.煤矿废水处理工艺及应用分析[J].煤炭工程，2018，47（5）：7982.
[7] 高亮，我国煤矿矿井水处理技术现状及其发展趋势[J].煤炭科学技术，2007（35）：1-5.
[8] 毕翀宇，煤矿矿井水处理及其资源化研究[D].太原：山西大学，2008.
[9] 周如禄，高亮，陈明智.煤矿含是浮物矿井水净化处理技木探讨[J].煤矿环境保护，2000，1（14）：28-30.
[关键词]矿井水处理站;自动化控制;净水处理;设计研究
[中图分类号]TD74 [文献标志码]A [文章编号]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
我国地域面积广阔，煤炭资源储备丰富，多数矿井所处地域位置干旱少雨，煤矿用水缺乏一直是难以解决的问题。水资源的长途运输不仅耗费大量的人力物力，而且难以满足矿山日常用水需求。因此，围绕矿井建设矿井水处理站是解决这一问题的有效途徑。早期，当自动化技术还处于萌芽阶段时，水处理的每一步，都需要专门人员人工操作和人工记录，随着矿区逐渐扩大，需要对水源进行净化处理，第一个问题是工作量越来越大;另一个是很严重的问题，与普通地下水矿井水相比，其成分更为复杂，所以一般的净水处理程序无法满足矿井水净化后的使用标准，需要更复杂的净化步骤和净化药剂。人工操作会带来很多误差，造成水质很难符合要求。近年来，随着我国自动化技术的飞速发展，矿井净水采用自动控制的设计方案成为发展必然趋势。基于此背景，本文提出了完善的矿井净水自动控制系统设计方案。
1 矿井水的资源概况
1.1 矿井水分类
与地下水相比，矿井水的化学物质成分更为复杂，因此与普通的净水工艺有很大差异。为了达到对净水过程的更加精确控制目的，必须开展对矿井水主要成分的研究，从而提出有效的净水处理方案。根据对矿山地理位置及各种环境差异的分析比较，发现矿山排水主要有以下几种类型。①矿井排水，与普通地质水类似，只需简单的物理处理，如过滤水中的颗粒。②含有多种化学成分的矿井水，如高卤水，除了需要过滤沉淀等简单处理外，还需要稀释水中的盐分，该过程可以使用电渗析工艺。③对于含有其他化学物质的水，可以添加无害反应或其他净化方法，实现处理后的矿井水达到可用标准为最终目的。
1.2 矿井水资源特点
我国煤炭资源普遍埋藏比较深，主要是地下开采，在煤炭开采过程中，需要排放大量涌出的地下水，即矿井水。矿井水的主要来源有：①地下水，主要来自奥陶系和寒武系的灰岩水、砂岩裂隙水、第四季冲积层水、老窑水等。各煤层地质构造不一样，并且引流量相差很大。②煤矿生产废水，采矿过程中，地面要输入生产用水用于液压支柱、机电设备、挖煤过程中防尘降尘洒水等产生的极少量的废水。③地表裂缝下渗的地表水。大量的矿井水没有经净化处理直接排放，不仅造成了水资源的极大浪费，而且还会导致矿区周围土地环境以及地表水环境的污染。
煤矿所处地质构造、所在区域和开采方式不一样，导致矿井水水质存在较大不同。根据水质，大致可分为纯净矿井水、高盐矿井水（又称咸水）、悬浮物矿井水、酸性矿井水和特殊污染矿井水。
2 矿井水存在的问题
煤矿水不仅属于具有工业特征的污染源，同时也是一种宝贵的水资源。目前，我国许多煤矿即面临严重缺水情况，又存在没有经过处理就直接排放，造成大量水资源浪费和环境污染的现象，给煤炭行业生产的可持续发展带来阻碍。因此，探讨将煤矿水净化后，作为煤矿工业用水或生活用水处理，不仅解决了矿区缺水问题，而且充分利用了矿井水资源，节约了地下水资源，对社会经济发展、环境保护和社会效益提升具有重要作用。
煤矿废水净化处理二次利用是矿井水资源处理的发展趋势，需要从业人员在实践中坚持不懈探索，目前系统设计规划中存在以下问题。
（1）由于国家宏观政策的缺失和传统观念的影响，水资源在大多数煤矿区被当作一种廉价资源被无目的的使用和浪费，这与我国水资源严重短缺的现状完全相悖。要改变这种局面，必须制定严格的法律法规，广泛宣传。 （2）由于对矿井水缺乏最基本的水化学成分认识，目前煤矿区对矿井水的利用仍是比较粗放和简单化的，这种现象又反过来加重了人们对矿井水的错误认识，因此，在一定程度上限制了矿井水大面积使用。
（3）为提高我国煤矿矿井水处理的技术水平，必须在详细分析矿井水的水化学组成和物化性质的基础上，研究合适的矿井水处理工艺和参数，以提高煤矿矿井水利用的技术水平。
3 矿井水处理的必要性
矿山水是一种可再生水资源，矿区多为干旱缺水地区。矿山排水二次利用对该地区的自然环境和经济发展具有重要意义。例如，中国的煤矿主要分布在华北和西北半干旱和少雨地区。矿山排水不仅污染水资源，而且浪费大量水资源。此外，它还造成环境污染，降低地下水位，制约当地矿业企业的发展。研究表明，产煤大省山西省地下水位平均下降2～4 m，运城部分地区地下水位下降80 m。矿产资源拉动经济，提高地方经济水平，但也破坏地下水环境，加剧水资源短缺，同时对农业、土地、林业造成一定影响，经济损失更为严重。
科学有效地对矿山排水进行资源化，可以大幅减少因矿产开发造成的水资源短缺、地下水位下降和过度开采对环境的影响，具有良好的经济效益和社会效益。处理后的矿井水可不同程度地利用。面对我国缺水状况，矿山水资源的利用，结合当地经济条件和地理环境，选择科学有效的方法和技术，将有利于矿业的长久持续发展。
4 矿井水净化自动化控制
通过对矿井水所含成分的分析，在进行矿井水净化处理时，除了简单的沉淀过滤等过程以外，还有几个相对比较复杂的过程，下面对各个流程进行简略的分析，提出矿井水自动化控制的解决方案。
①把地下的矿井水排放到预沉调节池里进行初步沉淀，②再把上层的水转送到至专业沉淀池，此项工作由提升水装置来自动完成。按照控制台自动发出的指令，把一定量的药物加入到专业沉淀池中，将水中的杂质凝结、沉淀，通过排水系统把完成过滤的上层水转排到下一个过滤装置，这个过程反复多次进行，一直到水质能够达到使用标准为止，最后把处理后的水排放到清水池进行再次利用。在这个过程中，系统首先对需要处理的水量、水的浊化程度等信息进行采集，由自动控制系统对采集到的数据进行计算，依据计算结果把净化药量反馈给加药装置，加药装置按指令自动执行加药。同时液位仪表在线显示记录每个水池的水位，及时对水位进行预警和处理，防止水池出现水位超标现象。
自动化净水控制虽然减少了人的参与，但是，整个过程都是仪器设备在进行全程记录，对重要数据进行实时显示和存储，实时监控各个操作步骤的命令参数和所有设备的状态，防止出现故障而造成损失。该系统具备报警和保护功能，当某一步骤发生故障的同时，在上位机中都可以进行手动操作进行控制。
5 系统设计方案
根据以上构想的自动化流程，依据矿井的具体情况，设计包括上位机、各种硬件模块相结合的矿井水处理自动控制系统，全自动化执行净水过程，并且有监控对各个过程的执行进行记录，防止发生故障。
（1）各个自动化流程主要由上位机来控制实现。上位机要具有用户管理、数据管理、远程传输以及各种日志的存储打印等功能，上位机需要在环境恶劣的条件下长时间进行运转，因此选择上位机要充分考虑耐用、抗干扰、需要大量的存储空间记录相关数据等条件。
（2）硬件组成部分。主要由传感器（液位传感器、流量传感器、浊度传感器及壓力传感器等）、电控柜、主控单元、电动阀等部分构成硬件部分。其中最主要的是主控单元和各种传感器，主控单元的主要任务是进行信号采集并运算，并根据运算结果调控净水处理过程中各个步骤所要执行的参数值。例如，机电设备的起停时间、加药量等，最终使处理后的水能够达到再次使用的标准。为主控单元采集相关数据主要由各种传感器来完成，传感器主要分布在各个设备及水池上，其主要任务是采集各种数据参数并传递给主控系统，供主控系统进行各种计算和使用。
（3）自动控制部分。自动控制部分主要包括PLC控制器、与上位机及各个设备建立通讯连接的控制程序。主控单元通过PLC控制器与各传感器通信，获取液位、浊度、输出水量等重要数据。数据上传到上位机进行记录并存储，控制单元对这些数据进行分析和计算并产生可调参数来控制水净化设备完成各种任务，它可以脱离对上位机软件的手动控制，具有智能性，能够独立自动完成工作任务，对整个净水系统进行可靠的控制。同时，上位机可以显示这部分工作当前的运行状态，整个系统是连续自动运行的，相关工作人员只要在控制室里利用上位机来进行监视就可以了，相关工作人员要定时对设备运转情况进行检查，一旦发生故障一定要及时排除。
6 结语
对我国的煤矿地区自然环境现状及煤矿产业现状进行的分析表明，我国的煤矿地域大多数都是干旱少雨的，煤矿的正常生产用水资源基本都是短缺的。如果大量的矿井水不再次利用就全部外排的话，既浪费了水资源，也会对矿区的生态环境造成严重的破坏。
目前，大多数针对这部分水资源进行再次处理及利用的各项工艺及控制流程都存在很多的不足和弊端，因此，要加大针对矿井水再次处理利用的技术研究与开发。本文针对我国目前的这一现状，提出了切实可行的煤矿矿井水自动控制处理系统方案，该方案主要包括上位机及相关软件、相应的硬件配套设施等，通过对各种数据进行分析并验证，该方案能够满足大多数矿井的矿井水处理需求，并且经济成本也不高，比较适合在煤矿企业中广泛推广使用。当然，该系统的自动化程度还需要随着自动化进程的发展不断改进、不断完善、不断加强。
参考文献
[1] 周如禄，朱留生.煤矿矿井水处理厂自动控制技术探讨[J].煤炭科学技术，2003，31（1）：37-38.
[2] 尹清标.济宁二号煤矿矿井水处理站自动控制系统设计[J].煤矿现代化，2006（2）：38-39.
[3] 煤矿矿井水处理工程问题及对策研究[D].邯郸：河北工程大学，2013.
[4] 胡文容.煤矿矿井水处理技术[M].上海：同济大学出版社，2017.
[5] 孙红福，陈健，李博，等.干旱地区煤矿高矿化度矿井水资源化利用[J].煤炭工程，2016，47（9）：117-119.
[6] 郭超，刘怀英，马兆瑞，等.煤矿废水处理工艺及应用分析[J].煤炭工程，2018，47（5）：7982.
[7] 高亮，我国煤矿矿井水处理技术现状及其发展趋势[J].煤炭科学技术，2007（35）：1-5.
[8] 毕翀宇，煤矿矿井水处理及其资源化研究[D].太原：山西大学，2008.
[9] 周如禄，高亮，陈明智.煤矿含是浮物矿井水净化处理技木探讨[J].煤矿环境保护，2000，1（14）：28-30.