张乘风，崔东锋，肖 松，郭中权，李鹏翔，洪 飞

(1. 陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000；
2. 中煤科工集团杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

煤炭企业在生产过程中，需要大量的水资源作为生产用水和生活用水。我国大多数煤矿地处北方地区，水资源更加匮乏。然而在煤炭开采过程中会排放大量的矿井水，矿井水作为非常规水资源，对其进行处理利用，既可以解决煤矿的用水问题，也可以减少废水的外排量。一般可以将煤炭企业作为一个独立的用水系统，对其开展水平衡监测，从而全面掌握企业取水、用水及排水等情况。水平衡是指在一个确定的用水单元内，输入水量和输出水量之间遵守物质守恒定律和能量守恒定律，各种水量之间存在着平衡关系[1-4]。

目前，大多数煤矿的水资源系统采用人工报表的形式对取水、用水及排水等数据信息进行记录，且报表是以日报表和月报表为主，对水资源系统异常情况的反馈具有很大的滞后性，水平衡分析及运行调度以人工经验为主，无法及时对水资源系统的平衡问题进行有效的预警，不能形成全矿区统一的协调机制。

因此，通过对巴拉素煤矿水资源系统的研究和分析，构建了一套水平衡智能监测系统，用于对巴拉素煤矿的水资源平衡状态进行实时监测和管理。

通过对巴拉素煤矿的取水、用水、排水和水处理等系统进行梳理，全矿区的用水系统包括生产用水和生活用水两部分。生产用水按用途和工艺流程划分主要有煤矿井下生产用水、地面生产用水。生产用水的所有来源均为净化处理或深度处理后的矿井水，其中矿井水净化处理工艺为预沉调节+重介速沉+高效澄清+过滤，矿井水深度处理工艺为自清洗过滤+一级超滤+一级反渗透+二级高效沉淀+多介质过滤+离子交换+二级反渗透+蒸发结晶。

井下生产用水包括综采、综掘工作面防尘洒水、设备冷却用水、巷道降尘喷雾用水、喷浆、注浆用水等。地面生产用水包括选煤厂用水、消防用水、锅炉房用水、制冷站用水、风机房用水等。

生活用水系统包括行政办公楼、各区队办公楼、职工公寓、食堂、浴室等。其水源包括临时水源和永久水源，临时水源采用自备水源井的方式获取地下水，永久水源采用经过反渗透处理后的矿井水，其中临时水源在矿井正常生产后将关闭。生活用水除少量消耗外，产生的污水排至生活污水处理系统。生活污水处理系统采用沉沙调节+ICEAS生化反应+化学沉淀+过滤的处理工艺，处理后的中水作为煤矿绿化用水和井下黄泥灌浆用水。

巴拉素煤矿水资源利用图如图1所示。

图1 巴拉素煤矿水资源利用图Fig.1 Water resources utilization of Balasu Coal Mine

根据巴拉素煤矿水资源系统的实际情况，结合水平衡分析的一般要求，对巴拉素煤矿水平衡智能监测系统的需求进行了分析，主要包括以下几个方面。

2.1 管网数据的实时采集与存储

对矿区取水、供水、排水及水处理所有主要管网进行流量监测，具有瞬时流量和累积流量监测功能；
对采集到的实时数据和历史数据进行存储，形成数据库，以备随时进行处理和查询，并开放数据接口，为上层数据分析应用提供数据源。

2.2 水资源系统信息的统计分析

系统可以将采集到的数据通过可视化的方式进行展示，将数字变成形象的图像，将仪表数据从“数字孤岛”变为一个智能管理网络中的智能节点，包括时间分布状况和空间分布状况，提供各类日报、月报和年报等历史报表、曲线图、直方图、趋势图等。

2.3 水资源系统的预测预警

构建水资源系统的预测模型和预警模型，对矿区的取水、用水等趋势进行预测分析；
对管网异常情况自动发出预警信号；
系统允许用户制定自定义的信号预警阈值。

2.4 水平衡在线动态分析

通过构建水平衡分析模型，结合实时监测数据和历史数据，进行在线实时水平衡分析和历史水平衡分析，根据分析结果，为上层决策者提供多角度、可选择的水资源配置、调度方案。

结合《企业水平衡测试通则》(GB/T 12452—2008)，将巴拉素煤矿供水水源(水源井和矿井涌水)作为一级体系，矿区内各用水单元作为二级体系。根据《用水单位水计量器具配备和管理通则》(GB 2478—2009)的规定，巴拉素煤矿水平衡在线监测仪表的具体点位布设见表1，其一级水和二级水计量设施的安装率和计量率均达到100%。

根据上述分析的水平衡监测系统功能需求和监测点位的布置，智能监测系统融合物联网、大数据、云平台等新一代技术，构建了一套前后端分离的智能化监测系统，实现水资源系统数据的采集、存储、分析和应用。

4.1 总体设计

水平衡智能监测系统采用分层技术架构，主要由采集层、传输层、应用层3部分组成。采集层通过现代感知技术，运用监测仪表获取管路上的流量、压力和水质等信息，完成底层信息数据的感

表1 水平衡在线监测点位表

知汇聚；
传输层利用网络技术、通信技术传输汇聚信息；
应用层负责数据处理和信息发布，实现用户接口，整体采用B/S架构，通过MySQL进行数据的存储，根据具体工作需要，搭建业务应用功能模块，实现智能化应用。监测系统总体架构如图2所示。

图2 监测系统总体架构图Fig.2 Overall architecture of the monitoring syetem

4.2 硬件设计

硬件设备主要包括服务器、监控计算机、监测仪表、数据传输单元、供电单元等。

(1)服务器

服务器主要负责对现场监测层的数据进行采集、存储与分析，指令的收发，系统信息的收集和通知。服务器采用煤矿大数据中心分配的虚拟服务器来实现。

(2)监控计算机

监控计算机作为客户端，主要提供简洁直观、快捷方便的人机界面，接受用户指令至服务器，同时从服务端接收经过分析的数据信息和报警信息提供给用户。

(3)监测仪表

流量传感器选择超声波流量计，外加式安装方式，实现流量非接触式测量，实时对监测点的瞬时流量和累积流量进行监测。压力传感器选择智能压力变送器。水质传感器包括pH、电导率、余氯等。上述各传感器均同时具有模拟量4～20 mA信号输出和采用MODBUS协议的串行通讯接口。

(4)无线数据传输单元

由于水平衡监测点位于矿区不同的位置，其分布非常分散，如果采用有线方式，需要敷设大量的电缆，或穿管埋地敷设或电缆桥架架空敷设，其工程量和施工难度都较大，因此采用无线通讯技术来实现数据的远程传输。无线数据传输单元选用具有4G/5G/WIFI通讯功能的数据采集终端，数据采集终端与监测仪表采用有线通讯方式，与服务器采用无线通讯方式。

(5)供电单元

水平衡监测点位的供电主要取自附近的各建筑物或构筑物，以及路边的路灯控制箱等。对部分供电线路敷设难度大的点位采用太阳能供电，解决传感器和数据传输设备的供电问题。单个太阳能供电单元主要包括太阳能电池板、控制器、蓄电池等。根据监测点位的用电需求，单个监测节点配置1台直流12 V、容量为50 Ah锂电池的太阳能供电单元，可以保证单个监测节点在负载功率≤5 W的条件下连续工作5～10 d。

4.3 软件设计

软件设计主要是根据系统实现的功能设计不同的软件功能模块，主要软件功能模块包括以下几个部分[5-7]。

(1)综合展示模块

以矿区管网图为基础，直观的展现水平衡各监测点位的安装位置、设备在线情况、实时数据等信息，对矿区的取水、用水和排水等信息进行展示，实时掌握企业水资源情况。

(2)数据实时监测模块

对各终端监测模块的在线情况、数据采集情况进行实时监视，直观展示各监测点位的运行状态，以多行列表和块状图的形式进行展示，包括测点名称、编号、无线通讯识别码、数据更新时间、瞬时值、累计值、设备状态等信息。

(3)数据统计及报表模块

表格类：对各用水单元的用水量按照分钟为单位展示其实时用水量，以日为单位进行查询。形成表格类日报表、月报表和年报表，从而可以掌握各个用水单元的具体用水情况。

图形类：为了直观展现各用水单元的用水峰值、谷值及变化趋势，对各用水单元的用水量按照时间形成小时、日、月、年用水量的折线图和柱状图；
对同一用水单元绘制日用水量和月用水量环比折线图。

(4)用水指标分析模块

根据企业的产量，人均用水定额等指标对用水情况进行分析，提升用水的精细化管理水平。

(5)预警模块

阈值预警(异常用水预警)：结合各用水单元的用水量定额和长期累积日均用水量的均值，对各用水单元的水量超限设置阈值，当出现用水量大于消耗均值时，通过水压和流量数据的分析，快速判断用水量是否发生异常，若出现异常则紧急预警，提醒相关技术人员，并通过传感器的安装位置进行定位，展示异常位置的方位和编号，例如管路漏损严重或爆管等情况。

趋势预警：当某个用水单元的用水量逐渐增加时，只有当用水总量超过报警阈值时，才会发出报警，导致处理故障的时间紧迫，因此，针对该种情况，采用趋势预警的方式，通过对用水量数据的变化趋势进行直线拟合，确定其变化的斜率。同时结合历史极限斜率，进行对比分析，当斜率超过一定的范围时，对该用水单元的用水量发出预警，从而实现异常情况的提前预警，为处理故障预留更多的时间。

(6)水平衡分析模块

通过筛选某个时间段的所有取水、用水和排水数据信息，依据水量分配、单位产煤耗水量、生活用水定额标准等，系统可自动生成水平衡分析结果。

通过对全矿区水资源信息的梳理，重点分析了取水、用水和排水等系统的工艺环节，构建了基于物联网的全流程一体化水资源平衡监控体系，实现了水资源系统关键数据信息的集中展示、运行监控、数据分析、预测预警等，使水资源系统的生产数据在水平衡管理方面得到了充分的利用，为实时掌握矿区水平衡变化情况和辅助决策提供了技术支撑。

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