營盤壕煤礦礦井水井下復用技術研究

王汝慶 陳 晨 劉 毅

（1.兗礦能源集團鄂爾多斯能化有限公司營盤壕煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000 ；2.兗礦能源集團股份有限公司山東煤炭科技研究院分公司，山東 濟南 250000）

1 現狀

營盤壕煤礦老空區排水直接經管路排往中央水倉，與水倉內污水混合后經中央泵房排水泵排至地面再進行處理，處理后的水源再下井使用，未進行井下凈水與污水的前期分離及儲存，存在礦井污水處理壓力大、污水處理和排水成本高、礦井水復用率不高等問題。受國家“污水零排放”等環保政策約束，礦井涌水和污水處理已成為制約礦井安全高效發展的瓶頸，礦井生產運行成本增高，設備損耗速率變大，不利于礦井安全高效生產[1]。

2 復用工程的工藝分析及選擇

根據多次老空水采樣水質化驗，確定水源內僅懸浮物含量超過井下水使用標準，本工程中水處理工藝選用懸浮物礦井水處理方法。

2.1 水處理工藝選擇分析

水質凈化選用石英砂過濾凈化裝置。石英砂過濾器利用石英砂作為過濾介質，該濾料具有強度高、壽命長、處理流量大、出水水質穩定可靠的顯著優點。石英砂的功能主要是去除水中懸浮物、膠體、泥沙、鐵銹，采用水泵加壓，使原水通過過濾介質去除水中的懸浮物，從而達到過濾的目的[2]。

2.2 工藝流程設計

礦井水中懸浮物在過濾器的過濾作用下得到去除，從而使得水源得到凈化，達標回用。礦井水過濾凈化、復用工藝流程如圖1。

圖1 礦井井下處理、復用工藝流程

工藝具有以下特點：（1）不需要沉淀池或澄清池，無需排泥設備、無需加藥，簡化了工藝流程。（2）采用并聯式過濾器裝置，反沖洗通過管路連接實現，不需要專門的反沖洗水泵。該過濾器為井下礦井水處理開發，適合井下特殊環境[3]。（3）更易于實現自動運行、遠程控制。

2.3 反沖洗工藝設計

本工程使用并聯式過濾器裝置，當其中一個壓力過濾器反沖洗時，其反沖水來自其余五個過濾器的過濾水，這樣即節省了反沖洗水泵，又簡化了系統。為防止濾料板結、形成泥球，過濾器反沖洗采取定期氣、水反沖洗方式。用氣反沖洗時，煤礦井下已有壓縮空氣管道，因此不需額外增加壓風設備[4]。

2.4 過濾器選擇

根據單個過濾器過濾能力和總處理水量要求，選用35 m3/h 處理能力的過濾器6 臺。6 臺過濾器可同時運行，也可根據水量情況單獨運行。

2.5 控制流程

礦井水首先流入集水池，過濾器供水泵加壓后進入過濾器，因某一過濾器反沖洗用水為過濾器組出水，因此，需要保證過濾器出水具有一定壓力，保證≥0.1 MPa（過濾器反沖洗水壓）。過濾器出水直接流入清水池，清水經加壓泵加壓后進入礦井生產用水管路。

3 現場應用

設備整體布置依次是加壓泵、配電及電控設施、清水池、原水池、過濾裝置。考慮加壓泵維修、配電設備進出等情況，加壓泵基礎與配電設備基礎平臺不在巷道同一側布置[5]。

水源輸送至復用水巷道內原水池，池內裝有潛水泵兩臺，升壓排至過濾裝置中，過濾后的水通過管路輸送至清水池。清水經加壓泵加壓至3 MPa 后與井下管網并聯，實現井上下同時供水，減少地面水處理、井下排水系統壓力。同時，該水處理系統可地面遠程控制，方便地面、井下水處理系統實時切換，且互為備用。系統組成如下：

（1）集中控制系統。采用S7-200 PLC 可編程控制器對泵房設備運行實行在線監控，自動、手動控制原水系統、過濾系統和供水泵組的啟停。

系統啟動前，根據預設條件判定是否具備啟動條件（原水池水位、清水池水位，各閘閥處于關閉狀態，系統無報警未復位情況）。根據原水池、清水池液位傳感器、加壓泵出口壓力傳感器等監測裝置的返回數據，系統自動完成低水位保護停機、PID反饋壓力自動調整等功能。當進水水源水量不足以滿足井下水量需求，潛水泵保護性停機，防止潛水泵空轉損壞。此時加壓泵繼續運行，當清水池水位低于設定值時，加壓泵保護性停機，并提示開啟地面供水系統。當進水水源水量較大，原水池水位持續上漲，進水管電動閘閥自動關閉，進水水源經原排水管流至水倉。當清水池水位高于設定值時，原水池水泵停機，不再處理水源，原水池水位升至設定值時，進水管電動閘閥關閉，防止水位過高溢流。

加壓泵出口壓力根據設定將持續穩定在3 MPa左右，根據井下用水量變化而適時調整變頻器輸出功率，保證水泵出口壓力穩定。系統每周定時進行單罐逐一自動反沖洗，反沖洗使用其他罐產水進行，系統控制電磁閥吸合與釋放，實現罐體出水管、進水管、反洗出水管等管路閥門的通斷，繼而實現罐體自動氣、水反沖洗。

（2）原水系統。在井下設置原水池，用于儲存原水，原水池內安裝兩臺礦用潛水泵用于給過濾系統供水。考慮日常電纜巡檢等，原水池、清水池上面搭設行人檢修通道。

（3）過濾系統。主要設備為6 臺多介質過濾器及配套閥門，系統設計處理量200 m3/h。系統管路主閥門選用氣動閥門，閥門動作依靠電控箱控制，動力可直接使用井下壓風管路。系統可設定固定時間進行自動單罐逐一反沖洗。

（4）供電系統。系統設置配電點，安裝1 臺礦用隔爆型移動變電站作為進線開關及變壓供電，2 臺礦用隔爆兼本質安全型真空電磁啟動器用于潛水泵啟停控制，2 臺礦用隔爆型真空饋電開關用于分路電源供電控制，礦用隔爆兼本質安全型照明信號照明綜保裝置用于現場照明線路供電保護，另配有PLC 控制箱、變頻器各1 臺。

（5）恒壓供水系統。為保證供水系統運行的連續性，系統設置清水倉，水池內設投入式水位傳感器，當水位低于規定值時，停止供水泵運行，開啟地面供水系統。加壓泵出口管路與井下管網合茬位置裝有0～6.4 MPa 量程壓力傳感器，系統根據壓力傳感器反饋回來的管路壓力調整變頻器運行頻率，繼而調整加壓泵的轉速引起水泵出水口壓力及流量變化，使管路壓力維持在設定值。當管網壓力較長時間不下降時，變頻器進入休眠狀態，水泵停轉，減少設備運行磨損及電量消耗。

（6）監測監控系統。系統自原水池進水端起始至加壓泵出水端，均設有完備的監測裝置，包括原水池、清水池內配置的投入式液位傳感器；水泵出口安裝壓力傳感器；與主巷道合茬管路位置加裝電磁流量計，對水處理量進行統計，方便日常管理；原水池、清水池內加裝濁度傳感器。

（7）反沖洗系統。過濾罐反沖洗使用其他罐產水完成，當到達系統設定反沖洗時間時，電磁閥受控制箱控制吸合或釋放，壓縮空氣帶動氣動閥門啟閉，使該罐進水管閥門自動關閉，反沖洗排水管閥門自動開啟，其他罐產水自罐體出水管返回至該罐內部并自下而上流出罐體，經罐體反沖洗排水管流出至排水溝內，水流流出帶走濾料中摻雜的雜質。經過長時間使用，濾料易板結結塊，反沖洗系統帶壓縮空氣反洗功能，可實現氣、水同時反沖洗，氣體自下而上穿過濾料，擴大濾料間空隙，流水帶走雜質，提高反沖洗效率。

4 系統特點

（1）該系統整體布置簡潔，利用現有閑置巷道構建擋水墻3 面，部分地板硬化即可完成水處理系統基礎構建。

（2）投運后的井下水處理系統每小時可處理水200 m3，并可根據實際需要及現場空間增大或減小水處理量。

（3）系統可實現定時自動反沖洗，主要閥門采用氣動閥門型式，結構簡單耐用，無大的維護量。

（4）系統可過濾處理水源懸浮物超標的水質，實現處理后水源的直接加壓供給，并可根據井下管網壓力進行自我調節出口壓力抑或啟停，確保供壓穩定與運行經濟性。

（5）系統地面遠控平臺完善，可遠程查看設備運行狀態，進行水泵啟停、單一閥門開關等操作，方便與地面供水系統備用互補。

5 經濟效益

礦井污水處理運行費用為0.41～0.68 元/m3（按0.5 元/ m3計算），水處理后外排排污費1.4 元/ m3。按設備處理能力200 m3/h 計算，每年節約污水處理、排放等費用約（0.5+1.4）×200×24×365 ≈333 萬元，若不考慮外排費用，則污水處理費0.5×200×24×365=87.6 萬元。

礦井水提升電耗，原來需要提升735 m 高度（井深），井下復用后，供水壓力變為3.2 MPa（320 m），井下復用部分（200 m3/h）可節約415 m 的排水電耗。年節約電費0.4×4.15×200×0.6×24×365 ≈174 萬元（以噸水百米電耗0.4 kW·h 計算，電費0.6 元/kW·h）。

6 結語

營盤壕煤礦老空區水質比較清澈，出水量較為穩定，礦井水井下復用技術實施后，將老空水部分就地處理復用，作為礦井供水系統的水源，節省排水電耗、地面污水處理等各項開支數額可觀，具有較高的推廣應用價值。