煤礦開采原煤生產(chǎn)水耗實驗與數(shù)據(jù)對比分析

李 銳，劉永峰，周正弘，趙乃力

(黃河水資源保護科學研究院，河南 鄭州 450004)

1 原煤生產(chǎn)水耗釋義

煤炭采選業(yè)是指開采地下煤炭資源并進行物理加工的行業(yè)，可以劃分為煤炭開采和煤炭洗選加工兩個子行業(yè)。其中，煤炭開采業(yè)的產(chǎn)品是原煤，煤炭洗選業(yè)的產(chǎn)品是不同粒徑和灰分等級的商品[1]。

在開展煤炭采選業(yè)水資源論證或節(jié)水評價工作的過程中，原煤生產(chǎn)水耗和選煤補水量是衡量煤礦用水水平的兩個關鍵指標。根據(jù)《清潔生產(chǎn)標準煤炭采選業(yè)》(HJ 446-2008)，井工煤礦原煤生產(chǎn)水耗一級標準為≤0.1，露天煤礦原煤生產(chǎn)水耗一級標準為≤0.2；選煤補水量一級標準為≤0.1。

當下，選煤廠煤泥水多采取閉路循環(huán)，選煤補水量指標可以用進出選煤廠的原煤含水率差值來測算。而原煤生產(chǎn)水耗指標目前還沒有較好的測算方法，原因是在煤炭開采過程中主要用水環(huán)節(jié)為灑水降塵，井工礦還包括黃泥灌漿用水，而此部分水量除煤炭運輸帶走一部分，剩余大部分留在巷道內(nèi)，順著集水渠匯入水倉，與礦井涌水一起進入礦井水處理站處理后進一步循環(huán)回用于生產(chǎn)或外排，無法界定在此過程中實際的耗水量。以井工礦為例，井下灑水的用水量多以調(diào)查井下噴霧設備的數(shù)量及用水時間匡算，井下析出水量則以專工提供的經(jīng)驗值估算，無法通過測流或者臺賬統(tǒng)計支持該指標的準確性，因此亦無法準確評估原煤生產(chǎn)水耗達到的清潔生產(chǎn)等級。

深入多家煤礦了解原煤開采全過程，分析調(diào)研其用水特點，提出本次原煤水耗測定實驗的實驗原理：假定井下工作環(huán)境為一個黑箱，黑箱中所有耗水環(huán)節(jié)所消耗水量即為原煤開采的耗水量，這主要包括三部分：原煤帶走的水量、井下通風帶走的水量以及黃泥灌漿留在工作面內(nèi)漿液所攜帶的水量。以此為基礎，開展原煤生產(chǎn)水耗的測定實驗。

2 實驗測定過程

此次實驗開展地點為甘肅省平?jīng)鍪芯硟?nèi)華亭礦區(qū)的華亭煤礦、硯北煤礦和大柳煤礦。華亭煤礦、硯北煤礦位于華亭市境內(nèi)，建設規(guī)模分別為400萬t/a、600萬t/a；大柳煤礦屬于崇信縣，建設規(guī)模分別為240萬t/a。三煤礦均為井工礦井。

2.1 測定方法選擇

原煤帶走水量根據(jù)綜采工作面未噴水原煤含水量與升井皮帶原煤含水量的差值計算得出。通風帶走水量可根據(jù)通風量及測定進風、回風井口濕度計算得出。黃泥灌漿留在工作面內(nèi)漿液所包含的水量可通過測定黃泥灌漿析出水量反推，而黃泥灌漿析出水量可通過灌漿漿液靜置分層后稱重得出。

2.2 原煤帶走水量測定

綜采工作面未噴水原煤、升井皮帶原煤由各礦選煤廠化驗室負責測定，其中實驗期內(nèi)大柳煤礦正在進行回撤搬面工作，處于停產(chǎn)狀態(tài)，收集數(shù)據(jù)為到正常生產(chǎn)期內(nèi)實測數(shù)據(jù)。原煤帶走水量測定試驗結果見表1。

表1 原煤帶走水量測定試驗結果

2.3 通風帶走水量測定

外環(huán)境及風井井口含水率通過“標智GM1365”便攜式溫濕度記錄儀檢測，同批次本型號儀器測得的溫度誤差為0～0.8℃，相對濕度誤差為-1.1%～9.2%。風井通風量由各礦通風部測定，通過設計資料進行校核。

華亭煤礦回風井具備實測條件，其余兩個煤礦出于安全考慮未實測進出口濕度，由于三礦區(qū)域相對位置較近，可用華亭煤礦實測數(shù)據(jù)作為參考，同時收集到兩礦通風部提供數(shù)據(jù)，見表2。

表2 通風帶走水量測定試驗結果

2.4 黃泥灌漿析出水量測定

因三個煤礦中只有硯北煤礦日常生產(chǎn)中使用灌漿，因此實驗在硯北煤礦進行。硯北煤礦黃泥灌漿工藝為回采完注漿，即待工作面回采完成后向密閉墻內(nèi)注漿，黃泥灌漿析出水可通過密閉墻設置的排水孔排出。由于硯北煤礦為沖擊地壓礦井，井下試驗存在一定危險性，因此與礦方協(xié)調(diào)取硯北煤礦當日灌漿漿液靜置計算黃泥灌漿析出量。

為防止泥渣堵塞管道，黃泥灌漿調(diào)配好漿液攪拌均勻后需濾去大塊土石渣，取稀泥漿作為灌漿材料輸送至井下。本次將漿液灌入塑料瓶靜置沉淀1.5天后倒出清水，分別對漿液、清水、泥漿進行稱重，析出率為清水與漿液的比值。

根據(jù)稱重結果，漿液總重609.6 g，清水重519 g，泥漿重90.6 g。由此計算硯北煤礦黃泥灌漿清水的析出率為85.1%。硯北煤礦黃泥灌漿水土比按5∶1設計，漿液的含水率僅為83.33%，實際析出率已超出了理論比例。分析原因主要是在黃泥灌漿實際操作過程中，水土比憑經(jīng)驗配比，且黃土中本身含有水分，灌漿漿液配置好后大顆粒被濾除，導致實際漿液中含水量更高。通過1.5天沉淀后的泥漿水土分離程度及稱重結果，可以定性判斷硯北煤礦密閉墻排水口若足夠低，這些析出水均可排出。

根據(jù)《煤炭工業(yè)給水排水設計規(guī)范》(GB 50810-2012)“灌漿析出水量按工藝專業(yè)資料計算，確無資料時可按30%～50%的灌漿量計算”。本次試驗雖不能準確測定析出水比例，但通過以上試驗觀察可以判定水土比為5∶1的黃泥灌漿的析出水可以按《煤炭工業(yè)給水排水設計規(guī)范》(GB 50810-2012)中析出量的上限50%取值。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 原煤指標計算公式

原煤帶走水量、通風消耗水量、原煤生產(chǎn)水耗根據(jù)下列公式計算：

原煤帶走水量=核準產(chǎn)量×(升井皮帶煤含水率-綜采面原煤含水率)

通風消耗水量=通風量×(回風溫度對應的飽和含水率×相對濕度-進風溫度對應的飽和含水率×相對濕度)

原煤生產(chǎn)水耗=(原煤帶走水量+通風消耗水量+黃泥灌漿消耗水量)/核準產(chǎn)量

3.2 黃泥灌漿損失水量計算

另據(jù)調(diào)研硯北煤礦灌漿方式為采后灌漿，除析出水外，剩余漿液主要留在密閉墻內(nèi)，因此其損失應當單獨計算，經(jīng)調(diào)研硯北煤礦黃泥灌漿平均用水量為255 m3/d，析出量按50%計算。硯北煤礦黃泥灌漿消耗水量約為127 m3/d。

3.3 結果匯總及分析

綜上所述，各環(huán)節(jié)損失水量及現(xiàn)狀原煤生產(chǎn)水耗見表3。

由表3可知測定的原煤生產(chǎn)水耗在均在清潔生產(chǎn)一級標準之內(nèi)，甚至遠遠小于0.1 m3/t的標準值。此次試驗所取采掘面原煤含水率決定了本次試驗的準確性，考慮到所取原煤受人類活動擾動已處于采掘過程中，受導水裂隙帶發(fā)育的影響，頂板水下滲會增加采掘面原煤含水率，也應算作原煤生產(chǎn)耗水量的一部分。因此本次亦選取地勘階段鉆孔的原煤含水率作為采掘工作面原煤含水率進行計算，原煤生產(chǎn)水耗計算結果見表4。可知以地勘階段鉆孔的原煤含水率計算的原煤生產(chǎn)水耗較符合實際。

表3 測定的原煤生產(chǎn)水耗

表4 采用鉆孔原煤含水率計算的原煤生產(chǎn)水耗

4 結語

本次采取現(xiàn)場試驗的方法分別對原煤開采中的原煤帶走的水量、井下通風帶走的水量以及黃泥灌漿留在工作面內(nèi)漿液所攜帶的水量進行測量分析，通過對實驗數(shù)據(jù)進行整理分析，確定原煤生產(chǎn)水耗指標計算取值的合理性，進而確定其測定方法。本次實驗提出的原煤生產(chǎn)水耗計算指標選取及測定方法具有很強的操作性和實用性，可在水資源論證、節(jié)水評價技術及其它清潔生產(chǎn)評估技術報告中推廣應用。