中国煤科杭州研究院总经理郭中权：智能化煤矿水务技术的发展与展望

高盐矿井水处理

高盐矿井水具有含盐量高、溶解性盐类成分复杂、不同盐类含量悬殊等特点，针对常规零排放处理过程中除硬规模大、采出率较低、投资及运行费用高等问题，中国煤科杭州研究院开发了多类型高盐矿井水“分步协同预处理+多级耦合膜浓缩+多组分分盐结晶”及全过程节能降耗处理技术。分步协同预处理以满足不同类型膜系统在当前处理阶段的防污染、防结垢的目的，分步进行适度、协同预处理，从而降低预处理规模，提高药剂效率；多级耦合膜浓缩处理，根据不同类型膜系统处理典型高盐水的性能特点，确定膜处理工艺的性能边界及其耦合作用，实现多种膜系统耦合处理高盐矿井水，从而降低处理费用，提高处理效果；多组分分盐结晶技术针对高盐矿井水浓缩后的浓盐水水质特征，通过优化集成热法结晶分盐、冷冻结晶分盐和纳滤/热法结晶分盐3种不同的结晶分盐工艺技术，实现分盐结晶的稳定高效运行；通过加强高盐矿井水零排放全过程的能源及热量管理，提高能源利用效率，降低运行费用，以实现高盐矿井水零排放过程中的高效低耗处理。高盐矿井水零排放处理成套设备如图1所示。

图1 高盐矿井水零排放处理成套设备

图2 煤矿井下水处理技术路线

（a）络合诱导除氟剂 

（b）除氟工艺构筑物 

（c）技术原理

图3 络合诱导除氟剂、除氟工艺构筑物和技术原理

图4 酸性矿井水井下与地面协同处理系统

图5 煤矿水资源链中的全过程水平衡示意

煤矿水务是指煤矿的原水（水源）、煤矿水处理（净化处理）、供水（中水回用）、排水等单元（简称“源-净-供-排”）构成的整个水资源链以及相关的生产经营活动。煤矿水务在煤矿生产运行过程中发挥着不可替代的作用。智能化煤矿水务是指以煤矿水务和配套的智能装备为基础，将工业互联网、大数据、云计算、人工智能等技术应用到煤矿水务的“源-净-供-排”整个水资源链中，通过信息化和数字化手段对感知数据进行整合、分析和应用，使信息资源与生产经营深度融合，以实现设备智能运行、状态智能监测、过程智能控制、参数智能调节、预测智能动态、管理智能精细、分析决策智能可靠等煤矿水务的智能化运行模式，最终达到水质合格稳定、工人劳动强度低、作业人员数量少、经济效益高的多重目标，使煤矿水务更加智能化。

智能化煤矿水务的建设，一般可以从3个层级来实施，自上而下，分别为系统智能化、单元智能化和环节智能化。智能化煤矿水务建设层级如图6所示。

顶层的系统智能化主要是智能化煤矿水务综合运营平台的建设，聚焦煤矿水务全局，最大程度上实现煤矿水务“源-净-供-排”的全方位智能化运营；中间层的单元智能化主要针对煤矿水务的各子单元，以生产过程控制的智能化为主；底层的环节智能化主要是各水处理单元中对关键工艺环节运行及控制的智能化，以实现对工艺运行参数进行精准控制。因此，智能化煤矿水务的建设是一个多层级、多单元的系统建设，需要自上而下的整体规划与设计，统筹布局，而实施过程中则需要自下而上逐级建设，不断完善。

智能化煤矿水务综合运营平台

（1）平台总体架构

智能化煤矿水务综合运营平台采用由数据感知层、ICT基础设施层、数据平台层、应用层组成的4层总体架构。

1）数据感知层负责煤矿水务系统全要素信息的全面感知，该层的生产单元智能控制系统用于完成生产过程的集中智能化控制，生产保障系统用于完成对辅助保障系统的全面监控，2个系统直接面向生产过程，接收来自上层的各类智能决策结果，并完成生产过程中智能控制的执行及反馈。

2）ICT基础设施层负责提供运行基础环境与互联互通的网络，主要包括网络基础设施、云基础设施等。

3）数据平台层负责数据的分类、清洗、融合，形成基础数据库、监测数据库、专题数据库、模型数据库等，并对煤矿水务不同层级、不同单元、不同业务系统的数据资源进行融合，为智能化煤矿水务提供一体化的数据支撑。

4）应用层则根据不同的需求功能，提供多种业务应用，采用微服务架构，通过向数据平台层发送应用服务请求或调用数据，获取基于大数据分析的应用结果，采用数据可视化技术，将各类业务应用结果以图形或图像的形式进行展现，并同时将决策结果反馈给生产单元的智能控制系统，以实现煤矿水务系统的智能化运行。智能化煤矿水务综合运营平台的总体架构如图7所示。

图7 智能化煤矿水务综合运营平台的总体架构

遵循全面感知、智能控制、数据驱动、智能决策的理念，平台的主要业务功能包括：驾驶舱功能、基于实时数据和历史数据的分析功能、智能业务报表功能、智能预警和预测功能、专家决策支持功能及移动管控功能等，可全面展示煤矿水务的关键运行数据和生产考核指标，其中包括进水数据、产水数据、供水数据、排水数据、电耗数据、药耗数据、设备数据等。智能化煤矿水务监控大屏如图8所示。

（1）矿井水净化处理智能

加药与智能排泥加药与排泥是矿井水净化处理中重要的工艺环节，直接影响出水水质和运行成本。中国煤科杭州研究院开发的智能加药与智能排泥技术将水质（浊度、悬浮物、泥位）在线监测、水下絮体图像识别与粒径分析、加药量（排泥量）实时纠偏调节、可视化智能监控等技术融为一体，以提高加药的实时性和排泥的及时性，以高效、低成本、可靠安全的特点为矿井水净化处理加药与排泥技术提供升级保障。矿井水净化处理智能控制技术原理如9所示。

图9 矿井水净化处理智能控制技术原理

脱盐处理是矿井水深度处理（零排放）的核心单元，涉及的工艺设备多，参数要求高。中国煤科杭州研究院开发的脱盐处理智能控制技术主要包括以下3个方面:

1）药剂投加智能控制技术结合高盐矿井水水质和药剂的特性，依据影响因素赋值，构建投加量优化控制模型，形成进出水闭环反馈系统，通过多环智能控制算法，实现投加量实时适量纠偏调节功能。

2）超滤单元多组并列运行与清洗智能控制技术，综合超滤装置运行的边界条件和步序逻辑关系，根据运行过程中的工艺参数，实时调整单组超滤装置的各步序运行时间。当多组超滤装置并列运行时，应用智能算法实现公用冲洗装置的排队控制插队控制。

3）反渗透系统运行与清洗智能控制技术，可通过分析压力、温度、电导率和流量等多参数控制边界，构建膜污染预测和防控模型，利用研发的智能控制算法，实现膜系统清洗的智能化控制。

煤矿生活污水处理智能化关键技术

煤矿生活污水处理智能控制技术原理（图10），主要包括智能曝气控制、回流与排泥智能控制2个部分。

（1）智能曝气控制

智能曝气控制通过活性污泥动力学模型和溶解氧多变量控制理论计算得到微生物需氧量，利用实时在线监测数据建立动力学模型，通过优化控制策略和智能算法进行纠偏调节，从而精准控制生化系统的曝气强度和溶解氧浓度。

（2）回流与排泥智能控制

回流与排泥智能控制技术主要体现在回流与排泥系统中设备运行的控制策略和模拟逻辑设计。控制策略设计用于保证回流和排泥的操作过程，模拟逻辑设计利用模糊逻辑和神经网络技术，建立模糊神经网络模型，通过仿真模拟得到模糊控制规则，并根据输入变量确定输出变量，实现回流和排泥参数的精准控制。

智能化煤矿水务建设的根本目标是实现运营高效化、生产智能化、管理精细化、决策科学化、服务灵活化，以此为衡量标准，对我国现有智能化煤矿水务的建设情况进行了梳理，发现主要存在以下5个问题：

（1）构建煤矿水处理设施（设备）故障诊断和预测模型，仍是煤矿水务智能化建设的主要难点，目前尚未能真正实现高水平智能化煤矿水务。

（2）煤矿水务系统的基础信息感知仍存在一定的缺陷，包括监测精度、监测频率、监测广度3个方面，数据质量也存在不可靠的问题。

（3）智能化煤矿水务“源-净-供-排”各子单元的建设和实施水平不平衡，其中“源、净、排”3个子单元相对比较深入，功能也较为完善；而“供”子单元的深度不够，功能也不完善。

（4）多数智能化煤矿水务建设过程中只有数据的采集与展示，缺少有针对性的数据分析模型和控制算法，没有形成数据的闭环应用，对数据价值的挖掘潜力不够。

（5）煤矿水务系统的智能化装备欠缺，例如尚无水处理智能巡检装备、智能化加药装备等，底层的执行力较低，无法支撑智能化平台的高效运行。

随着各类新技术的不断发展和完善，智能化煤矿水务也将逐步向少人化、无人化以及远程化的目标迈进。未来智能化煤矿水务的发展方向将主要聚焦在以下5个方面，这也是中国煤科杭州研究院进行技术突破的重点。

（1）研究开发矿井水、生活污水处理的智能化装备，如智能化刮泥机、智能化浓缩机、智能化压滤机、智能化加药装备等，使装备具备自我控制、自我调参、自我学习的能力，从而保障水处理单元的高效运行，提高整个水处理系统的智能化水平。

（2）研究矿井水、生活污水处理关键工艺环节控制参数的智能化调节技术，开发以数据分析模型、控制模型为基础的多参数融合智能控制算法，以实现对工艺控制参数的精准调节。

（3）研究煤炭企业水资源实时跟踪及动态调配技术，实现全矿区取水、净水、供水、用水、排水的全面规划和综合平衡，从而提高水资源的利用率，降低污染物的排放量。

（4）研究开发水处理关键工艺设备的故障诊断技术，如超滤、管式微滤、反渗透、电渗析等设备，形成基于历史运行数据和状态最优参数的设备状态诊断方法，并及时对设备的运行状态进行反馈和预警。

（5）研究开发基于3D数字孪生的智能化煤矿水务平台，对煤矿水务系统的构筑物、生产设备、管网等进行超精细三维数字化复原，并与实时生产数据进行同步，形成基于虚拟现实的煤矿水务整体视图，实现物理水务与数字水务的交互与融合，从而实现煤矿水务的透明化管理，全面提升管理效率。