模塊化水凈化裝置在煤礦井下的應用

董愛青

神華神東煤炭集團

模塊化水凈化裝置在煤礦井下的應用

董愛青

神華神東煤炭集團

隨著煤礦井下開采工藝與設備的發展，對生產用水水質提出了更高的要求。神東煤炭集團煤炭公司面臨著水資源匱乏、原水水質惡劣、處理手段單一的問題，如何在井下空間有限的硐室內安裝合理工藝的水質處理設備，進一步提高設備運行的可靠性，降低開采成本，實現經濟、環保采煤，是神東煤炭集團煤炭公司亟需解決的緊迫任務。本文分析了神東煤炭集團公司井下生產用水存在的問題，并提出了具體解決方案，分析了實際應用效果。

礦井水；綜采工作面；循環利用；模塊化

引言

礦床開采破壞了地下水原始賦存狀態并產生了裂隙，密切了大氣降水、地表水、地下水和生活用水，各含水層之間的水力聯系，使各種水沿著原有的和新裂隙滲入井下采掘空間形成礦井水[1]。礦井水是煤炭生產過程中排放量最多的廢水。將煤礦礦井水處理后作為煤礦工業用水或生活飲用水，不僅解決了礦區缺水問題，而且充分利用了礦井水水資源，節省了地下水資源，具有明顯經濟、環境和社會效益[2]。

1、神東煤炭集團公司煤礦生產用水現狀

神東煤炭集團公司在生產過程中，通過不斷的摸索，建立了與自身情況相符合的煤礦供水模式，目前面臨著用水成本居高不下、水質不達標對煤礦開采設備安全、穩定、經濟運行產生了不利影響。在水資源匱乏的西北地區，煤炭開采存在用水成本高、水質管理粗放的現狀。在面對現代化開采工藝和設備的情況下，煤礦企業要系統考慮水的循環利用、采取分級處理的手段、簡單易行的處理工藝，確保水質達標，保障生產。

1.1 采空區復用水水質情況

經過對3個煤礦7處空區復用水進行化驗，結果顯示8類共計56項指標中有28項超標。

礦井水井下凈化后主要用于井下消防灑水、采煤設備冷卻以及液壓支架用水，為此應達到《 煤礦井下消防、灑水設計規范》(GB50383—2006)井下消防灑水水質標準，以及采煤機、液壓支架用水參考水質指標，如表1。

1.2 水質不達標帶來的危害及影響

鐵錳離子超標，工作面水處理設備(在線反洗精密過濾器)頻繁更換濾芯，含鐵錳較高的水質作為介質時，常造成軟化設備中離子交換設備污染中毒，設備結褐色堅硬的鐵垢，致使其發生腐蝕、變形甚至炸裂事故。

鐵錳離子超標，工作面水處理設備(在線反洗精密過濾器)頻繁更換濾芯，含鐵錳較高的水質作為介質時，常造成軟化設備中離子交換設備污染中毒，設備結褐色堅硬的鐵垢，致使其發生腐蝕、變形甚至炸裂事故。

采煤機中的冷卻水沿著水道流動的過程中，溫度不斷升高，水中超標的Ca2+、Mg2+離子會結垢，水中析出的CaCO3、CaSO4、Mg(OH)2等結晶會附著于管道內壁，降低其導熱性能，致使采煤機的液壓系統、電控系統、齒輪等部件溫度升高，觸發其溫控保護系統，導致采煤機停止工作，甚至會引起采煤機內部部件的損毀。

煤炭行業標準MT76-2002《液壓支架(柱)用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》中規定，配制液壓液時所用水質應符合以下要求：水質外觀：無色、無異味、無懸浮物和機械雜質；pH：6～9；Cl-≤200mg/L，SO42- ≤ 400mg/L 。乳化液中Cl-、SO42-離子含量超標的水，在使用過程中會出現一些析油析皂現象，堵塞閥芯、濾網等液壓支架配件，給生產帶來許多安全上的隱患。 同時離子含量較高的水質，容易腐蝕液壓支架的外缸、中缸及活柱等與水接觸的部件，造成設備的銹蝕，影響其使用壽命。

1.3 現有的水處理工藝：

掘進工作面噴霧、冷卻用水未經處理，直接復用。

綜采工作面上按照了2級過濾器，濾網分別是50um、10um，屬于精細過濾，缺少初級過濾環節。

2、神東煤炭集團公司基于模塊化式水凈化裝置的設計與應用

2.1 神東煤炭集團公司采空區水復用水質工藝的研究

由于礦井井下空間環境的特殊性，使得礦井水井下處理難度遠大于地面，需要解決和處理好諸多的關鍵技術問題，包括井下空間利用、安全防爆技術、完善的自動控制技術、系統的模塊化和可移動化設計等。本著節能、先進、可靠的原則，選用切合實際的處理工藝，提高設備選型標準，根據井下巷道斷面實際尺寸專門設計設備，就要求設備占地面積小，自動化程度高，出水水質穩定。

神東煤炭集團公司組織相關研究院、水處理設備加工企業，對工藝進行了交流探討。經討論方案有：方案一是反滲透膜處理工藝，可有效降低濁度、去除Fe、Mn、Ca、Mg，出水水質能直飲水標準；方案二氧化、沉淀過濾加軟化工藝，能有效降低濁度、去除Fe、Mn、Ca、Mg，目前市場暫無礦用防爆型軟水器，只能開發；方案三是氧化、沉淀過濾工藝，只降低濁度、去除Fe、Mn。

(1)方案經濟性比對：

方案一：噸水運行成本是1.45元；設備投資約2.6萬元/m3；

方案二：噸水運行成本是0.30元；設備投資約1.6萬元/m3；

方案三：噸水運行成本是0.22元；設備投資約1.3萬元/m3

(2)工作原理：

利用射流器直接曝氣，使空氣中的氧氣與水中的Fe2+充分接觸，氧化成Fe3+沉淀物4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓；利用加藥裝置，使高錳酸鉀溶液與水中的Mn2+反應，形成難溶于水的MnO2沉淀物3Mn2+ +2KMnO4+2H2O=5MnO2+2K+ +4H+。最終通過設備過濾室將Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物從水中分離開來，使水中Fe和Mn離子含量達到國家飲用水標準，而Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物則采用自動反沖洗技術定期排放。

表1 煤礦井下生產用水水質指標

離子交換式軟水器工作原理：離子交換法是液相中的離子和固相中離子間所進行的的一種可逆性化學反應，當液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時，便會被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價離子回溶液中。用離子交換劑除去鈣鎂離子。

經公司研究，選用了方案二，氧化、沉淀過濾工藝，能有效降低濁度、去除Fe、Mn離子，去除了然后環節，避免非防爆設備在井下應用。系統進水水質：濁度≤15NTU、鐵離子濃度≤1.5mg/L、錳離子濃度≤0.4mg/L的情況下設備出水水質達到如下標準：濁度≤5NTU、鐵離子濃度≤0.3mg/L、錳離子濃度≤0.1mg/L。詳細工藝流程圖如圖1：

2.2 神東煤炭集團公司采空區水復用水質設備的選型

每套系統由4—6個模塊組成，每個模塊處理能力50m3/h，單個模塊運輸到井下安裝地點后，再對模塊進行并列組裝。總處理能力200--300m3/h。為了保證設備運輸不受井下巷道尺寸限制，要求每個模塊設備尺寸(長×寬×高)不得大于6.0×3.0×3.0m。為降低投資，盡可能利用井下現有加壓泵房、現有清水池、現有硐室。

結合哈拉溝煤礦試點應用暴露出的問題，本次設計選型時務必解決以下三個問題：一是按照定時或壓差設定為自動排污、自動反沖洗；二是材質方面，高錳酸鉀藥箱以及與高錳酸鉀溶液接觸的泵、管路系統應選用耐腐蝕的特殊材質，不宜選用鋼制材料。對鋼制模塊式水處理箱體需采取噴涂聚脲防腐防水涂料，以延長設備整體壽命。三是設備啟停、運行關鍵參數、水質指標等要在計算機監測監控，最終實現系統的無人值守，只需區域巡視工巡視即可，達到減人增效的目的。

原水泵：考慮到節能和系統簡單的原則，系統入水盡量利用采空區出水壓力直接壓入系統，對采空區出水壓力小于0.1Mpa的情況下方可安裝原水泵，給模塊式裝置提供原水。

絮凝劑及氧化劑投加裝置：加藥量：20～100L/h；儲藥桶材質：外6mm厚鋼板，內襯4mm厚PVC板；配套設備支架材質：碳鋼聚脲防腐涂料；與藥劑接觸的所有管件要求均為UPVC材質。要求配置LYEXD-IV(防爆型)總鐵(鐵離子)指數分析儀，在線監測產品水中鐵離子的含量，自動調整氧化劑加藥量，實現自動控制和最大化的藥劑成本控制。

自動控制設備：現場設置控制主機和PLC控制柜，柜內元器件選用AB公司可編程序控制器。地面集控室設置以太網交換機，交換機與現場PLC站的連接為光纖(利于各礦現有備用光纖)，實現調度室集中控制。整個系統采用以AB公司可編程控制器為主的集中和分散相結合的自動化控制系統，實現對全廠工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監測、控制、連鎖和報警以及報表打印，通過使用在主站和遠程站間的一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時間控制，回路調節及上位監視和管理作用。在滿足工藝流程的要求之外，還能實現安全生產，提高生產管理水平。

其它方面要求：反沖洗用自身水源不用外接水源；設備工作壓力不得大于0.07Mpa；水處理系統采用自動、手動兩種控制方式，在自動運行過程中實現自動運行、自動反沖和自動排泥。清水倉液位保護功能，如超過規定液位，控制器關閉整個系統。如液位回落則重新啟動系統。整個糸統加藥設備實現動態加藥，根據設備處理水流量大小，鐵，錳含量多少，采用總鐵在線分析儀，實時監測鐵錳含量由PLC控制，自動調整加藥量，既節省運行成本，又提高出水質量。

3、項目的組織實施

經統計神東煤炭集團公司13個礦井中除哈拉溝煤礦外其他12座煤礦井下均沒有初級水處理裝置，公司計劃分期組織實施按照水處理復用與凈化系統。經過對礦井19座加壓泵房水質化驗分析，優先對離子超標嚴重的大柳塔煤礦、補連塔煤礦、上灣煤礦、保德煤礦安裝井下水處理裝置共計6套?？偺幚砟芰?700m3/h，項目設備購置列2013年第二批專項資金，總費用3030萬元。

3.1 合作制造

2014 年初公司啟動采購程序，2014年7月份公司確定由維修三廠與合作方合作制造，合作制造的目的與意義在于為后期其他8個礦井設備的加工、安裝、運行做好技術儲備，同時能節約大量資金。經測算一期6套設備合作制造比購置可節約資金300萬元，19處加壓泵房可節約1000萬元。

維修三廠加工內容：負責購置項目13項，包括水泵、閥門、濾料、流量液位傳感器等。負責加工項目2項，鐵錳離子處理模塊主體鋼結構件及氧化劑添加系統，計劃工期90天，優先完成大柳塔煤礦2套設備的加工任務。合作方負責配套內容：鐵錳離子處理模塊設備內部的反應區玻紋直扳系統、沉淀區玻紋斜扳系統，每個模塊的PLC控制系統、每個泵房的PLC中央控制系統。

為保證合作制造順利進行，公司與合作方簽訂了合作制造協議，協議規定了相互學習培訓計劃、安裝指導、現場故障處理、整機技術資料等交付方面內容：

(一)培訓計劃

1)電氣控制部分培訓

合作方提供的電氣控制部分為外委制作，維修三廠派三名電氣技術人員到生產廠家培訓電氣控制部分的組裝、調試等工作，計劃培訓時間為20天(根據培訓效果，可適當調整)，培訓后甲方三名電氣技術人員能夠熟練操作電氣控制部分，同時能夠獨立進行編程，合作方協調相關培訓工作。

2)加工現場培訓

由合作方安排2名技術人員(機械、電氣各一名)到甲方負責加工制作的技術指導工作，甲方安排相關人員進行加工制作井下復用水處理系統，直至甲方能夠獨立加工制作，同時能夠進行設備安裝、調試等工作。

3)故障處理

合作方為甲方相關人員進行可能會出現的故障處理培訓，原則上設備安裝后出現故障由甲方處理，如甲方無法處理的，由合作方安排人員進行處理。

(二)合作方為我方提供如下技術資料：

1)設備使用說明書。

2)設備圖紙，包括零部件圖紙。

3)電氣控制部分圖紙。

4)所有外購零部件技術參數，并提供供貨廠家。

5)煤安證。

6)驗收標準。

7)設計、制作標準。

圖1

8)工藝流程。

3.2 設備安裝與運行效果

項目實施過程中涉及安裝位置、圖紙設計、礦務工程、設備安裝工程、施工單位確定等工作必須統籌考慮合理安排，2015年2月份維修中心完成5套設備加工任務，2016年各礦開始陸續安裝設備。安裝投產后對出水水質指標做了跟蹤化驗，渾濁度、鐵離子濃度、錳離子濃度均達到了設計指標，工程實現了預期目標。2017年初起公司陸續對寸草塔一礦、烏蘭木倫煤礦實施該項目。

公司從模塊化式水凈化裝置的設備工藝流程、首次運行注意事項以及操作、自動化部分的操作與使用、加藥操作、設備維護、手動反沖洗操作、設備運行時需注意的事項、設備常用備件等方面下發了操作規程，進一步保證設備安全可靠運行。

4.經濟效益分析：

以2012年哈拉溝煤礦采用氧化、沉淀過濾工藝，處理能力為200 m3/h的項目投資與運行情況進行效益分析：設備投資為280萬元，礦建投資90萬，總投資370萬元。藥劑、電力消耗，日常維護等費用為0.22元/m3，加上設備折舊綜合運行成本為0.495元/ m3，遠低于地面礦井水處理廠1.3元/ m3的用水價格，每立方水為礦井節約生產成本0.805元。同時還大大減少了將礦井水下從井底提升至地面的電力消耗。

經過對哈拉溝礦水處理裝置投用前后個兩個月濾芯消耗量統計分析，2個綜采隊每月可節約濾芯費用8萬元，每年節約96萬元。按此估算，一期項目的上灣煤礦、大柳塔煤礦、補連塔煤礦、保德煤礦共計10個綜采工作面每年濾芯費用節約480萬元。液壓支架大修是鍍鉻防腐費用每套每年約80萬元，10套液壓支架大修鍍鉻防腐每年費費用約800萬元。濾芯消耗與鍍鉻每年可減少經濟損失約1280萬元。

5、結束語

在國家“節能減排政策”及建設資源節約型、綠色環保礦山的時代背景下，煤礦開采產生的水源在井下的就地凈化和復用即實現了水、電資源的節約，同時大大提升了采煤設備運行的安全性、可靠性。科學利用井下空間、解決好安全防爆技術和開發模塊化可移動的井下處理裝置，是礦井水 井下處理就地復用的關鍵所在[3]。

[1]煤礦礦井水處理新技術及發展趨勢[J]何緒文，李福勤 《煤炭科學技術》 2010，38(11)：17-22

[2]煤礦礦井水利用的必要性.張忠善 - 《企業技術開發下》 2011

[3]煤礦礦井水井下處理就地復用工藝及關鍵技術 《河北工程大學學報 (自然科學版 )》 ，2010，27(2)：46-49

董愛青(1981-12)男，內蒙古包頭人，漢族，工程師，神東煤炭集團從事井下供排水，工業供暖，專項資金等機電管理工作。本科學歷。