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摘要：呼吉爾特和榆橫北部礦區多數礦井水文地質條件均為復雜型，礦井井下涌水量大，井下排水系統運行壓力大、維護成本高，如何加強井下涌水的治理和給排水系統的建設，已成為該區域礦井安全生產中的重點問題之一。以中天合創能源有限責任公司煤炭分公司葫蘆素煤礦和門克慶煤礦為例，詳細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、優化井下消防灑水系統等一系列工藝和技術，并對實施效果進行了說明，針對復雜水文條件礦井的井下涌水綜合治理和給排水系統綜合優化設計方面總結出一系列具有建設性的新思路。

關鍵詞：水處理；涌水；水文地質條件；給排水系統；消防供水

呼吉爾特和榆橫北部礦區現存有多個礦井，該區域井田水文地質類型多為復雜型，井下涌水量大，防治水工作是井下采掘生產組織和安全管理的重中之重。礦區內中天合創能源有限責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、投產礦井，兩礦井設計生產能力合計2.5×107t/a，核定生產能力均為8×106t/a。由于礦井建設之初水文地質資料有限，勘探預測礦井涌水量均與投產后實際涌水量有較大差異，由此引發多個系統性風險和問題，該區域多個其他礦井也存在類似情況[1]。為此在礦井建設至生產逐步正?；倪^程中，針對礦井水害問題，在井下給排水系統建設方面采取了多項措施，有效控制了礦井涌水量突增帶來的多個風險隱患，降低了礦井在水害防治、系統運行方面的成本消耗，確保了礦井生產組織的安全高效開展。

1礦井建設投產后存在的問題

葫蘆素煤礦和門克慶煤礦在礦井初步設計時，根據補充勘探報告，礦井全井田范圍內投產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，涌水量在設計指標范圍內，礦井配套排水、水處理系統等均已建設完成，綜采工作面投產后，礦井涌水量大幅度增加，實際正常涌水量已接近原設計最大涌水量，由此引發以下問題：a)礦井配套設計主排水泵房已不滿足《煤礦安全規程》規定要求，排水能力不足，嚴重制約礦井安全生產；b)礦井地面配套設計的污水預處理站的能力無法滿足井下排水需求，嚴重制約礦井給排水系統安全運行，當水處理站無法及時處理井下排水時，將導致井下排水受限，系統存在被水淹、地面被迫直排污水等生產安全和環保風險；c)井下生產用水水源來自地面污水預處理站（處理能力700m3/h），井下泵房將污水排至地面水處理站經處理后回供井下生產和消防用水，當污水量增大時，污水預處理站超負荷運行，產水水質無法達到設計指標，回供井下后將造成井下用水設備壽命縮短、故障率升高，提高系統故障率，影響生產組織；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，礦井排水點增多，排水點的運行和維護需投入大量人力，降低生產益。

2礦井給排水系統優化建設完善

2.1全面調查井下涌水來源

提高給排水系統能力、消除系統性風險后，還需要解決一系列井上下配套設施的制約問題。為此，礦井針對井下涌水來源進行了全面調查和分析：a)礦井一般生產時期有2個綜采工作面生產，4～6個掘進工作面開拓，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、油脂等雜質含量較高，水質整體較差；c)綜采工作面排水主要包括工作面支架前涌水和采空區涌水，由于礦井設計有配套的盤區泄水巷，采空區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涌水，通過現場觀察，這部分涌水的清潔度整體較好。

2.2建設井下清濁分離排水系統

根據對井下涌水來源的分析，初步確定了將采空區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行壓力，系統設備運行維護工作量明顯減少[3]。a)中天合創能源有限責任公司地面配套建設有3000m3/h處理能力的深度水處理站進行深度水處理。通過對礦井涌水的組成、來源及排水路徑的分析，發現礦井涌水中有超過約50%的涌水為采空區涌水，該部分水質情況較好，基本不需要進行預處理，可直接排至深度水處理站進行處理，若采空區涌水無需預處理，則礦井的污水預處理站能力可滿足礦井排水系統配套需求。采空區清水與深度水處理站進水指標成分對比如表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，配套多級泵排水，并在擋水墻上預埋引水管路與多級泵進水口對接。水泵吸水口始終為正壓狀態，消除了水泵汽蝕的可能。在擋水墻至井底水倉施工導水水溝，在無需由清水泵房排水時，清水倉滿倉溢流后的清水可直接流入井底主水倉。c)在井底長期閑置DN400強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，減少系統建設投資的同時符合規范要求，不影響災害發生時強排系統的正常運行。d)每個盤區設置1趟DN300清水排管路，采空區泄水巷排水管與盤區清水排水管路對接，直接排水至清水泵房，達到按水源、水質分離排水的目的。e)對采空區泄水巷的排水點全部進行改造，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置蓄水箱，將密閉墻引水管直接接至水箱內，實現水源不落地，保證采空區涌水清潔度，清水排水點設備故障、損耗量明顯減少。f)在強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，當強排管路用作清水排水用途時，直接排水至地面礦井水處理站的清水池（省略預處理工序），由清水池排水泵排送至深度水處理站。g)定期對清水倉水質進行化驗，水質不達標時立即停止直排，始終確保水質滿足直接深度處理的要求。

2.3全面分析井下用水需求

在對礦井的排水系統問題進行梳理并對應制定優化改良措施后，對礦井生產用水再行分析，在沖水量消耗層面探尋在水資源和系統優化方面進一步提升改造的可能性。a)井下固定大巷巷道沖洗、噴霧、零星設備冷卻、井下消防等用途消耗用水量40～60m3/h；b)礦井各掘進工作面用水取自消防灑水管網，主要用于迎頭打鉆、設備冷卻、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用水取自消防灑水管網，但為提高水質，每個工作面均安裝1臺三級過濾設備，其最大產水能力為70m3/h，礦井每個綜采工工作面用水量40～50m3/h，2個工作面用水量80～100m3/h；d)結合上述分析計算并與井下消防灑水供水管網流量計核對可知，正常生產組織情況下，井下供水總用水量高峰時為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集中供應井下采掘生產用水

根據前述分析可知，井下采空區涌水在水質方面已經滿足直接進行深度水處理的要求，且井下采掘工作面用水量也是生產用水的主要消耗點，因此考慮在井下建立1套深度水處理系統，直接對井下一部分采空區涌水進行深度處理，并供給采掘工作面使用，進一步提高設備用水水質[4]。a)經過對生產組織過程中的用水情況的實際測定，150m3/h的純水量即可滿足所有綜采和掘進工作面的設備冷卻、乳化液配比等生產設備和設施使用。b)在井底清水水倉附近建設井下深度水處理站，深度水處理站的原水取自清水水倉，通過深度水處理，進一步將濁度、懸浮物、膠體、微生物和有機物去除，處理后的水用于采掘生產，設備工況得到了有效改善。c)選擇技術先進成熟、安全可靠、節能環保的工藝流程，如圖1所示。整個水處理設備由4套預處理裝置和反滲透裝置組成，每套裝置最大設計能力為進水流量45m3/h，總體產水能力不低于150m3/h。d)在礦井井下建設深度水處理站，配套改造井下供水管網，實現不同用途的分離供水，不僅能實現井下水不上排直接就地處理、利用，降低排水系統能耗和檢修維護工作量，還能有效提升生產用水水質，優化設備運行工況，直接減少礦井上排水量150m3/h，按礦井往期成本測算情況，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系統

通過建設井下深度水處理系統，可有效減少地面向井下的供水量，但井下的巷道沖洗、降塵噴霧等用水設施的供水還是由地面經井筒管路向井下輸送。通過建立井下消防灑水就地供應系統，可進一步提高井下供水系統效能。a)通過對井下巷道沖洗、噴霧防塵用水的水質需求和井下采空區涌水的水質進行對比分析，發現井下采空區涌水的水質基本能滿足井下巷道沖洗、噴霧防塵等用水需求，并通過了實際應用檢驗。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連通，并在連通處設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管網相匹配的壓力等級。c)在井底清水泵房設備運行時，清水泵房向地面礦井水處理站清水池排水的同時，也向井下消防灑水管網中輸送清水。此時井筒內的消防灑水管網因壓力均衡，不再向井下消防灑水管網內注入水源，實現井下消防灑水由清水泵房供給的功能。d)在井底清水泵房設備檢修時，井下消防灑水管網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時刻保持穩定壓力和流量的供水工況。e)在礦井各順槽口管網支路和消防灑水與清水泵房排水管網的連通處設置大流量的反沖洗過濾器，并定時反沖洗，確保過濾效果。同時加強井底清水泵房的水質檢測，依托井下深度水處理站配套的檢測設備，對清水池懸浮物濃度做到每天檢測，出現水質異常時，及時切換有地面水處理站共給水源。f)通過以上系統改造優化措施，可直接減少井下向地面直接排水水量約100m3/h，排水用電費用降低7.2×0.5×24×365×100=3153600元/a；井筒管網運行時間顯著縮短，管網維護人工投入降低費用4.5×105元/a。

3礦井給排水系統優化成效

3.1經濟效益

系統改造優化建成后的經濟效益體現在：清污分離系統建設后地面污水預處理站處理量明顯減少，節約水處理成本費用1.82208×106元/a，降低了設備損耗，維修費用降低約6.5×105元/a；深度水站投用降低排水電耗費用4.7304×106元/a；井下消防灑水就地供應改造后降低排水電耗3.1536×106元/a，合計降低生產成本1.035608×107元/a。

3.2安全和社會效益

系統改造優化建成后的安全和社會效益體現在：a)直接消除了由于礦井設計之初的系統能力與投產后實際需求不符導致的安全隱患，使礦井生產安全得到了有效保障；b)通過項目的實施，明顯降低了礦井在井下供水、排水系統的能源消耗，合理充分地就地利用井下水源開展生產組織工作，具有良好的節能減排示范效益；c)通過對系統的完善優化，全面實現了礦井生產組織的污水零排放設計目標，礦井順利通過環保驗收，也樹立了典型的環保型礦井建設典范；d)項目的實施使礦井井下供排水系統運行工作量大幅度減少，人工消耗明顯降低，作業環境明顯改善，提高了礦井在同行業中的競爭力和人才吸引力，為礦井的可持續高效發展提供了有效助力。

4結語

結合復雜水文地質條件礦井井下涌水、給排水系統的特點和問題，針對性地采取了一系列系統優化改進措施，使礦井給排水系統的可靠性得到了顯著提高，減少了系統設備的損耗，降低了系統的運行能耗和成本。該項目關于清濁分離排水、井下水就地復用等系統優化建設理念，可以在其他相似條件礦井參考實施。

參考文獻：

［1］梁磊.紅柳煤礦2煤頂板離層水防治技術總結［J］.科技創新導報，2017，14(31)：69-70.

［2］譚小虎.劉橋一礦“人本工程”提升“幸福指數”［N］.企業家日報，2015-08-18(11)．

［3］胡劍.煤礦清污分離排水與大流量深度水處理系統的綜合設計及應用［J］.礦業裝備，2020(3)：206-207.

［4］王楊，高洪強，王海龍.煤礦綜采工作面用水處理設備淺析［J］.中國科技縱橫，2020(9)：172-173.

作者:楊光 單位:中天合創能源有限責任公司煤炭分公司