復(fù)雜水文地質(zhì)條件礦井給排水系統(tǒng)建設(shè)范文

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摘要：呼吉爾特和榆橫北部礦區(qū)多數(shù)礦井水文地質(zhì)條件均為復(fù)雜型，礦井井下涌水量大，井下排水系統(tǒng)運(yùn)行壓力大、維護(hù)成本高，如何加強(qiáng)井下涌水的治理和給排水系統(tǒng)的建設(shè)，已成為該區(qū)域礦井安全生產(chǎn)中的重點(diǎn)問題之一。以中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司煤炭分公司葫蘆素煤礦和門克慶煤礦為例，詳細(xì)分析了礦井所采用的清濁分離排放井下涌水、建立井下深度水處理系統(tǒng)、優(yōu)化井下消防灑水系統(tǒng)等一系列工藝和技術(shù)，并對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行了說明，針對(duì)復(fù)雜水文條件礦井的井下涌水綜合治理和給排水系統(tǒng)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方面總結(jié)出一系列具有建設(shè)性的新思路。

關(guān)鍵詞：水處理；涌水；水文地質(zhì)條件；給排水系統(tǒng)；消防供水

呼吉爾特和榆橫北部礦區(qū)現(xiàn)存有多個(gè)礦井，該區(qū)域井田水文地質(zhì)類型多為復(fù)雜型，井下涌水量大，防治水工作是井下采掘生產(chǎn)組織和安全管理的重中之重。礦區(qū)內(nèi)中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司煤炭分公司的葫蘆素煤礦和門克慶煤礦屬于較早建設(shè)、投產(chǎn)礦井，兩礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力合計(jì)2.5×107t/a，核定生產(chǎn)能力均為8×106t/a。由于礦井建設(shè)之初水文地質(zhì)資料有限，勘探預(yù)測(cè)礦井涌水量均與投產(chǎn)后實(shí)際涌水量有較大差異，由此引發(fā)多個(gè)系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)和問題，該區(qū)域多個(gè)其他礦井也存在類似情況[1]。為此在礦井建設(shè)至生產(chǎn)逐步正常化的過程中，針對(duì)礦井水害問題，在井下給排水系統(tǒng)建設(shè)方面采取了多項(xiàng)措施，有效控制了礦井涌水量突增帶來的多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)隱患，降低了礦井在水害防治、系統(tǒng)運(yùn)行方面的成本消耗，確保了礦井生產(chǎn)組織的安全高效開展。

1礦井建設(shè)投產(chǎn)后存在的問題

葫蘆素煤礦和門克慶煤礦在礦井初步設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)補(bǔ)充勘探報(bào)告，礦井全井田范圍內(nèi)投產(chǎn)煤層正常涌水量均不超過800m3/h，最大涌水量均不超過1000m3/h。礦井巷道開拓階段由于揭露頂板面積小，涌水量在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，礦井配套排水、水處理系統(tǒng)等均已建設(shè)完成，綜采工作面投產(chǎn)后，礦井涌水量大幅度增加，實(shí)際正常涌水量已接近原設(shè)計(jì)最大涌水量，由此引發(fā)以下問題：a)礦井配套設(shè)計(jì)主排水泵房已不滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定要求，排水能力不足，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)；b)礦井地面配套設(shè)計(jì)的污水預(yù)處理站的能力無法滿足井下排水需求，嚴(yán)重制約礦井給排水系統(tǒng)安全運(yùn)行，當(dāng)水處理站無法及時(shí)處理井下排水時(shí)，將導(dǎo)致井下排水受限，系統(tǒng)存在被水淹、地面被迫直排污水等生產(chǎn)安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)；c)井下生產(chǎn)用水水源來自地面污水預(yù)處理站（處理能力700m3/h），井下泵房將污水排至地面水處理站經(jīng)處理后回供井下生產(chǎn)和消防用水，當(dāng)污水量增大時(shí)，污水預(yù)處理站超負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)水水質(zhì)無法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，回供井下后將造成井下用水設(shè)備壽命縮短、故障率升高，提高系統(tǒng)故障率，影響生產(chǎn)組織；d)礦井排水水量、水處理量增大，礦井排水及水處理成本增加，礦井排水點(diǎn)增多，排水點(diǎn)的運(yùn)行和維護(hù)需投入大量人力，降低生產(chǎn)效。

2礦井給排水系統(tǒng)優(yōu)化建設(shè)完善

2.1全面調(diào)查井下涌水來源

提高給排水系統(tǒng)能力、消除系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)后，還需要解決一系列井上下配套設(shè)施的制約問題。為此，礦井針對(duì)井下涌水來源進(jìn)行了全面調(diào)查和分析：a)礦井一般生產(chǎn)時(shí)期有2個(gè)綜采工作面生產(chǎn)，4～6個(gè)掘進(jìn)工作面開拓，除部分永久巷道頂板淋水外（約占礦井總涌水量的5%），這些采掘工作面是主要的礦井涌水來源[2]；b)掘進(jìn)工作面涌水多為工作面迎頭排水、中間巷道零星排水，整體水量較小，占礦井總涌水量的5%～10%，且由于其中主要涌水為工作面迎頭排水，煤泥、油脂等雜質(zhì)含量較高，水質(zhì)整體較差；c)綜采工作面排水主要包括工作面支架前涌水和采空區(qū)涌水，由于礦井設(shè)計(jì)有配套的盤區(qū)泄水巷，采空區(qū)涌水多由泄水巷排出，工作面支架前涌水占礦井總涌水量的25%～30%；d)除掘進(jìn)工作面和綜采工作面支架前涌水外，50%～60%的礦井涌水均為采空區(qū)涌水，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，這部分涌水的清潔度整體較好。

2.2建設(shè)井下清濁分離排水系統(tǒng)

根據(jù)對(duì)井下涌水來源的分析，初步確定了將采空區(qū)涌水和礦井其他污水分離排放的改造思路。通過分離排放，可有效降低礦井地面水處理站的運(yùn)行壓力，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量明顯減少[3]。a)中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司地面配套建設(shè)有3000m3/h處理能力的深度水處理站進(jìn)行深度水處理。通過對(duì)礦井涌水的組成、來源及排水路徑的分析，發(fā)現(xiàn)礦井涌水中有超過約50%的涌水為采空區(qū)涌水，該部分水質(zhì)情況較好，基本不需要進(jìn)行預(yù)處理，可直接排至深度水處理站進(jìn)行處理，若采空區(qū)涌水無需預(yù)處理，則礦井的污水預(yù)處理站能力可滿足礦井排水系統(tǒng)配套需求。采空區(qū)清水與深度水處理站進(jìn)水指標(biāo)成分對(duì)比如表1所示。b)利用井底閑置的巷道兩端砌筑擋水墻改造出清水蓄水水倉，配套多級(jí)泵排水，并在擋水墻上預(yù)埋引水管路與多級(jí)泵進(jìn)水口對(duì)接。水泵吸水口始終為正壓狀態(tài)，消除了水泵汽蝕的可能。在擋水墻至井底水倉施工導(dǎo)水水溝，在無需由清水泵房排水時(shí)，清水倉滿倉溢流后的清水可直接流入井底主水倉。c)在井底長(zhǎng)期閑置DN400強(qiáng)排管路并安裝分支管及切換閥門，用作清水排水泵房的出水管路，減少系統(tǒng)建設(shè)投資的同時(shí)符合規(guī)范要求，不影響災(zāi)害發(fā)生時(shí)強(qiáng)排系統(tǒng)的正常運(yùn)行。d)每個(gè)盤區(qū)設(shè)置1趟DN300清水排管路，采空區(qū)泄水巷排水管與盤區(qū)清水排水管路對(duì)接，直接排水至清水泵房，達(dá)到按水源、水質(zhì)分離排水的目的。e)對(duì)采空區(qū)泄水巷的排水點(diǎn)全部進(jìn)行改造，將原有的由密閉墻引水管落地后流至水泵窩的引流方式，改造為在密閉墻前設(shè)置蓄水箱，將密閉墻引水管直接接至水箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水源不落地，保證采空區(qū)涌水清潔度，清水排水點(diǎn)設(shè)備故障、損耗量明顯減少。f)在強(qiáng)排管路的地面管段增加三通和閥門，分支接至水處理站清水池，當(dāng)強(qiáng)排管路用作清水排水用途時(shí)，直接排水至地面礦井水處理站的清水池（省略預(yù)處理工序），由清水池排水泵排送至深度水處理站。g)定期對(duì)清水倉水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)立即停止直排，始終確保水質(zhì)滿足直接深度處理的要求。

2.3全面分析井下用水需求

在對(duì)礦井的排水系統(tǒng)問題進(jìn)行梳理并對(duì)應(yīng)制定優(yōu)化改良措施后，對(duì)礦井生產(chǎn)用水再行分析，在沖水量消耗層面探尋在水資源和系統(tǒng)優(yōu)化方面進(jìn)一步提升改造的可能性。a)井下固定大巷巷道沖洗、噴霧、零星設(shè)備冷卻、井下消防等用途消耗用水量40～60m3/h；b)礦井各掘進(jìn)工作面用水取自消防灑水管網(wǎng)，主要用于迎頭打鉆、設(shè)備冷卻、防塵及巷道沖洗等用途，用水量約40m3/h；c)井下各綜采工作面生產(chǎn)用水取自消防灑水管網(wǎng)，但為提高水質(zhì)，每個(gè)工作面均安裝1臺(tái)三級(jí)過濾設(shè)備，其最大產(chǎn)水能力為70m3/h，礦井每個(gè)綜采工工作面用水量40～50m3/h，2個(gè)工作面用水量80～100m3/h；d)結(jié)合上述分析計(jì)算并與井下消防灑水供水管網(wǎng)流量計(jì)核對(duì)可知，正常生產(chǎn)組織情況下，井下供水總用水量高峰時(shí)為160～200m3/h，這部分水源由礦井水處理站清水池通過副井井筒內(nèi)布置的消防灑水管路供至井下，主要為井下排至地面并處理之后的井下涌水。

2.4建立井下深度水處理系統(tǒng)集中供應(yīng)井下采掘生產(chǎn)用水

根據(jù)前述分析可知，井下采空區(qū)涌水在水質(zhì)方面已經(jīng)滿足直接進(jìn)行深度水處理的要求，且井下采掘工作面用水量也是生產(chǎn)用水的主要消耗點(diǎn)，因此考慮在井下建立1套深度水處理系統(tǒng)，直接對(duì)井下一部分采空區(qū)涌水進(jìn)行深度處理，并供給采掘工作面使用，進(jìn)一步提高設(shè)備用水水質(zhì)[4]。a)經(jīng)過對(duì)生產(chǎn)組織過程中的用水情況的實(shí)際測(cè)定，150m3/h的純水量即可滿足所有綜采和掘進(jìn)工作面的設(shè)備冷卻、乳化液配比等生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)施使用。b)在井底清水水倉附近建設(shè)井下深度水處理站，深度水處理站的原水取自清水水倉，通過深度水處理，進(jìn)一步將濁度、懸浮物、膠體、微生物和有機(jī)物去除，處理后的水用于采掘生產(chǎn)，設(shè)備工況得到了有效改善。c)選擇技術(shù)先進(jìn)成熟、安全可靠、節(jié)能環(huán)保的工藝流程，如圖1所示。整個(gè)水處理設(shè)備由4套預(yù)處理裝置和反滲透裝置組成，每套裝置最大設(shè)計(jì)能力為進(jìn)水流量45m3/h，總體產(chǎn)水能力不低于150m3/h。d)在礦井井下建設(shè)深度水處理站，配套改造井下供水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同用途的分離供水，不僅能實(shí)現(xiàn)井下水不上排直接就地處理、利用，降低排水系統(tǒng)能耗和檢修維護(hù)工作量，還能有效提升生產(chǎn)用水水質(zhì)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行工況，直接減少礦井上排水量150m3/h，按礦井往期成本測(cè)算情況，排水電耗為7.2kWh/m•3，按0.5元/(kWh)核算，可減少排水電耗7.2•×0.5×24×365×150=4730400元/a。

2.5建立井下消防灑水就地供應(yīng)系統(tǒng)

通過建設(shè)井下深度水處理系統(tǒng)，可有效減少地面向井下的供水量，但井下的巷道沖洗、降塵噴霧等用水設(shè)施的供水還是由地面經(jīng)井筒管路向井下輸送。通過建立井下消防灑水就地供應(yīng)系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高井下供水系統(tǒng)效能。a)通過對(duì)井下巷道沖洗、噴霧防塵用水的水質(zhì)需求和井下采空區(qū)涌水的水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)井下采空區(qū)涌水的水質(zhì)基本能滿足井下巷道沖洗、噴霧防塵等用水需求，并通過了實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)。b)通過改造將清水泵房的水泵出水管路與井下消防灑水供水管網(wǎng)連通，并在連通處設(shè)置減壓閥和切換檢修閥門，將壓力降低到與礦井消防灑水系統(tǒng)管網(wǎng)相匹配的壓力等級(jí)。c)在井底清水泵房設(shè)備運(yùn)行時(shí)，清水泵房向地面礦井水處理站清水池排水的同時(shí)，也向井下消防灑水管網(wǎng)中輸送清水。此時(shí)井筒內(nèi)的消防灑水管網(wǎng)因壓力均衡，不再向井下消防灑水管網(wǎng)內(nèi)注入水源，實(shí)現(xiàn)井下消防灑水由清水泵房供給的功能。d)在井底清水泵房設(shè)備檢修時(shí)，井下消防灑水管網(wǎng)又可以從井筒的供水管路中獲取水源，保證井下消防灑水管網(wǎng)時(shí)刻保持穩(wěn)定壓力和流量的供水工況。e)在礦井各順槽口管網(wǎng)支路和消防灑水與清水泵房排水管網(wǎng)的連通處設(shè)置大流量的反沖洗過濾器，并定時(shí)反沖洗，確保過濾效果。同時(shí)加強(qiáng)井底清水泵房的水質(zhì)檢測(cè)，依托井下深度水處理站配套的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)清水池懸浮物濃度做到每天檢測(cè)，出現(xiàn)水質(zhì)異常時(shí)，及時(shí)切換有地面水處理站共給水源。f)通過以上系統(tǒng)改造優(yōu)化措施，可直接減少井下向地面直接排水水量約100m3/h，排水用電費(fèi)用降低7.2×0.5×24×365×100=3153600元/a；井筒管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間顯著縮短，管網(wǎng)維護(hù)人工投入降低費(fèi)用4.5×105元/a。

3礦井給排水系統(tǒng)優(yōu)化成效

3.1經(jīng)濟(jì)效益

系統(tǒng)改造優(yōu)化建成后的經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在：清污分離系統(tǒng)建設(shè)后地面污水預(yù)處理站處理量明顯減少，節(jié)約水處理成本費(fèi)用1.82208×106元/a，降低了設(shè)備損耗，維修費(fèi)用降低約6.5×105元/a；深度水站投用降低排水電耗費(fèi)用4.7304×106元/a；井下消防灑水就地供應(yīng)改造后降低排水電耗3.1536×106元/a，合計(jì)降低生產(chǎn)成本1.035608×107元/a。

3.2安全和社會(huì)效益

系統(tǒng)改造優(yōu)化建成后的安全和社會(huì)效益體現(xiàn)在：a)直接消除了由于礦井設(shè)計(jì)之初的系統(tǒng)能力與投產(chǎn)后實(shí)際需求不符導(dǎo)致的安全隱患，使礦井生產(chǎn)安全得到了有效保障；b)通過項(xiàng)目的實(shí)施，明顯降低了礦井在井下供水、排水系統(tǒng)的能源消耗，合理充分地就地利用井下水源開展生產(chǎn)組織工作，具有良好的節(jié)能減排示范效益；c)通過對(duì)系統(tǒng)的完善優(yōu)化，全面實(shí)現(xiàn)了礦井生產(chǎn)組織的污水零排放設(shè)計(jì)目標(biāo)，礦井順利通過環(huán)保驗(yàn)收，也樹立了典型的環(huán)保型礦井建設(shè)典范；d)項(xiàng)目的實(shí)施使礦井井下供排水系統(tǒng)運(yùn)行工作量大幅度減少，人工消耗明顯降低，作業(yè)環(huán)境明顯改善，提高了礦井在同行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力和人才吸引力，為礦井的可持續(xù)高效發(fā)展提供了有效助力。

4結(jié)語

結(jié)合復(fù)雜水文地質(zhì)條件礦井井下涌水、給排水系統(tǒng)的特點(diǎn)和問題，針對(duì)性地采取了一系列系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)措施，使礦井給排水系統(tǒng)的可靠性得到了顯著提高，減少了系統(tǒng)設(shè)備的損耗，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和成本。該項(xiàng)目關(guān)于清濁分離排水、井下水就地復(fù)用等系統(tǒng)優(yōu)化建設(shè)理念，可以在其他相似條件礦井參考實(shí)施。

作者：楊光 單位：中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司煤炭分公司