摘 要：根据山西某矿井下生产供水方案，分析恒压变频供水装置的选型与要求，包括蓄水池、管路、恒压变频泵及其供电系统的造型与要求，以及自动化控制系统的设计与要求。该矿井通过恒压变频水泵与南翼主供水管路并网，将 3 号奥灰水直接在井下利用，为南翼盘区工作面生产供水，保证工作面水量充足，压力稳定，全自动化监测系统运行情况，实现无人值守。
引言
随着矿井工作面的延伸，供水压力已不能满足生产的需要，同时考虑减轻地面污水处理压力，奥灰水不上井，直接在井下利用，作为南翼盘区的生产水源。山西某矿井下生产供水系统为：依靠地面蓄水池静压水，通过主管道向井下供水。
1 供水方案
南辅大巷 3 号奥灰水的涌水 80 m 3 /h，如图 1 所示通过南辅 DN100 mm管道排至西一盘区辅运大巷蓄水池（建两个 150 m 3 左右的蓄水池，容积满足加压 1 台水泵 1 h 用水即可）；如果奥灰水补水不足，可通过地面静压水，向蓄水池补水。同时通过潜水泵、隔爆变频器、
压力变送器与 PLC 控制箱控制（2套，1 用 1 备定时轮换），经 DN150 mm 管路输出压力恒定的水流，经一趟 DN200 mm管引到南翼采区管路上，专供南翼用水（如水池水位到达下限，水位控制器动作，水泵停止输出）。 [1] 保证工作面水量充足，压力稳定，工作面压力要求达到 1.6 ~1.8 MPa。
注水时电动阀 1 关闭，奥灰水通过阀 3、阀 4 进入蓄水池 1、2，达到上限水位，通过液位信号可编程控制箱控制电动阀 1 打开，奥灰水直接流向水仓。当水位下降 0.3 m，电动阀自动关闭，继续向水池注水。如奥灰水供水不能满足用水要求，蓄水池水位低于1 m 时，自动打开电动阀 2，地面静压水通过阀 8、阀9 进入蓄水池 1、2，达到上限水位，电动阀关闭 [2] 。
2 选型及要求
根据矿井南翼用水量，需 150 m 3 /h 的蓄水池作为水源储蓄。
2.1 蓄水池的选择及相关要求
经过对比筛选，供水硐室决定布置在西一盘区辅运大巷内，距离南翼 3 号奥灰水孔 850 m，落差 5 m。
2.1.1 选址原因
1）该巷道目前处于闲置状态，长度有 100 m，可以直接改造成供水硐室；
2）该巷道沿煤层顶板布置，底板煤厚约 2 m，施工蓄水池时底板破岩量少；
3）该巷道有独立的通风系统，满足供水硐室的使用要求。
2.1.2 水池建造方案
设置两个蓄水池（见下页图 2），一用一备。蓄水能力 2×150 m 3 ，单个水池尺寸：长×宽×高 =20 m×3 m×3 m。
单个水池尺寸：长×宽×高 =20 m×3 m×3 m（底板以上 1 m+ 底板以下 2 m），四周浇筑 0.6 m厚的素混凝土，水池中间浇筑 0.8 m厚的钢筋混凝土，墙体采用锚杆（索）+ 网片进行支护，锚杆间排距为 800mm×1 000 mm，锚索间排距为 1 000 mm×2 000 mm。在每个蓄水池中间位置各施工一个放置泵体的水窝，水窝尺寸：长×宽×高 =7 m×2 m×0.7 m。
在水池东帮各留设一个溢流口，高于巷道底板200 mm，并在巷道东帮留设 200 mm×200 mm的水沟；在中间墙体设置两个 Φ159 mm 的连接孔，且安装配套阀门，距水池底板 1 m。硐室内砌筑设备安装平台，平台尺寸为：长×宽×高 =30 m×2 m×0.5 m。
2.2 管路选型、系统及施工要求
2.2.1 管路材质、管径选择
1）奥灰水进蓄水池管路选择，南翼 3 号奥灰水出水口管径为 DN80 mm，水质检验报告内含有硫酸根离子与碳酸根离子，为防治酸根离子对钢管腐蚀，故选定为 DN100 mm的环氧树脂涂层复合钢管 [3] 。
2）蓄水池出水管路选择，除满足不被酸根离子腐蚀外，为减少恒压变频泵扬程阻力，降低管路投资成本，选定为 DN150 mm的环氧树脂涂层复合钢管。
3）地面供水管路进蓄水池管路选择，为减少普通无缝钢管管内锈质、减少供水阻力，降低管路投资成本，选定为 DN150 mm的环氧树脂涂层复合钢管。
2.2.2 管路系统
2.2.2.1 补水管路系统
1）从南翼 3 号奥灰水出水点安装至西一盘区辅运大巷蓄水池内。
2）从南翼胶带大巷 DN200mm静压水管，经南辅与南胶 9 号联巷，安装至西一盘区辅运大巷蓄水池内。
2.2.2.2 供水管路系统
从西一盘区辅运大巷蓄水池，管路安装至南翼胶带大巷，南翼各大巷分别与南翼胶带大巷静压水主管路联通，为南翼工作面供水 [4] 。
2.3 恒压变频泵选择及供电系统
根据南翼 3 号奥灰水孔标高 +467 m，出水量80 m 3 /h，水压 1.8 MPa 及水质检验报告分析；蓄水池位置标高 +472 m，最远工作面供水距离 6 300 m，供水落差为 80 m；满足工作面压力 1.6 ~1.8 MPa。
1）选定型号：BQS160- 390- 350，扬程 390 m，电压 1 140 V，电机功率 350 kW。外形尺寸：长 5.1 m，直径 600 mm，重量 2 300 kg。防腐蚀型不锈钢矿用排沙电泵 2 台，一用一备。
2）供电系统。恒压变频泵站采用 1 140 V 双回路供电，双回路电源来自南翼瓦斯泵站变电所，经南辅大巷引至西一盘区辅运绕道泵站低压馈电开关。潜水泵采用变频驱动，泵站配备 2 台变频器 。
2.4 自动化控制系统设计及要求
监控传输系统，井下奥灰水恒压变频供水监控系统需将信号接口转变为 RJ45 后接入该矿井千兆以太环网,将信号传输给地面的上位机，并支持相关单位通过网页方式（B/S） 或者安装客户端的方式（C/S）访问上位机查看数据。
3 工作要求
3.1 系统组成
通过潜水泵、变频器与压力变送器实现恒压（0~2.5 MPa）控制，满足工况要求。
3.2 系统原理
如图 3 所示，其原理是：将主管出口压力作为调控参数，通过
智能压力变送器将主管出口压力信号，转换为 4~20 mA直流信号，送入调节器，与压力设定比较，其差值由调节器作 PI 运算，输出信号送给变频器，随时调整变频器的输出频率，控制电机转速，改变泵的排水量，维持主管出口压力稳定在设定的压力值上；若主管压力改变时，将自动进行调节，如：当用水量减少而主管压力增加时，调节过程使变频器信号大于设定信号，调节器输出减少，变频输出频率低，电机转速下降，泵排水量减小，使主管压力减小；由于其调控过程较快，短时间内变频器信号和压力给定信号便处于动态平衡状态，从而维持了变频器输出频率的稳定，实现了主管出口压力，平稳供水—— — 恒压供水。
如果误操作关闭主管道阀门或长时间不用水时，水泵在变频器设定的下限频率运行 5 min 后，将进入休眠状态，节省了电能；等到有地方用水时，自动唤醒功能起效，水泵正常工作，维持设定压力。
3.3 系统要求
实现手、自一体化，可设置手动、自动功能，定时轮换。
1）手动时可随意启动任一台泵。
2）自动时默认 1 号泵先启动，到达设定时间自动切换到 2 号泵，往复循环。
3）设置水池缺水、出水口超压预警值，可自动停机；恢复后，自动投入运行。
4）可通过安全监控分站，利用矿上现有环网，向地面传输两套系统工况，通过显示屏监视包括双电源状态、运行状态、流量、水位、入口、出口压力，温度等，可控制泵启停，实现无人值守。
5）监测现场 CO 2、H2 S、SO 2 、NH 3 、CO 等气体情况，设置报警断电。将监控探头吊挂在水池下风侧。
4 结论
1）恒压供水能自动 24 h 维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，调整压力，供水方便，不需要重复升井处理后再下井使用的复杂过程 [7] 。
2）直接将静压水转换为动压供水，减少沿途压力损失，维持工作面用水压力恒定。
3）采用恒压变频供水保护，可监测水泵运行情况、流量、水位、入口、出口压力、温度等。
4）系统配置可实现全自动供水，实现无人值守自动供水。控制系统具有故障报警和显示功能，并可进行工变频转换，应急供水。
5）系统根据工作面用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作在高效区，当系统零流量时，机组进入休眠状态，水泵停止，流量增加后才进行工作，节电效果明显，比恒速水泵节电 23%~55%。
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