煤礦鉆孔施工水復用系統研究與設計

張偉龍

(國能神東煤炭集團有限責任公司技術研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦在正常生產過程中需要在井下施工大量鉆孔，比如探放水鉆孔、瓦斯抽采鉆孔、防突鉆孔等等，這些鉆孔的施工需要消耗大量的水資源[1-3]，不但增加了供排水生產成本、水達標排放處理成本，而且對礦井當地的水生態環境也造成了巨大影響，在我國西北等水資源匱乏地區這種矛盾更是明顯，也是間接導致地企關系緊張的原因之一。同時部分煤礦開采煤層上部分布有弱含水層，掘進作業時工作面淋水量大，但是正常情況下這些水資源都直接進入排水系統，惡化了工作環境，浪費了寶貴的水資源，卻成為了水患，沒有發揮應有的價值，如果能夠將這些水資源收集利用，變廢為寶，意義巨大[4-6]。

目前已有用于鉆孔生產污水處理再復用的設備[7-9]，主要用于定向鉆孔施工，定向鉆具對水質要求極高，因此定向鉆孔生產用水的復用設備結構復雜，體積巨大，安裝及搬運都極其不便，同時維護費用也較高，這也是限制其使用的重要原因。現有定向鉆孔施工復用水設備主要通過電動過濾篩過濾鉆孔生產污水，再用電動注漿泵將處理后的清水泵入鉆進系統達到水復用的目的。非定向鉆孔施工對水質沒有定向鉆孔施工對水質要求高，該研究正是通過一種新的方案實現了對施工時生產污水的有效處理(也能實現巷道淋水等污水的處理要求)，滿足了普通鉆探施工水復用的難題。

1 鉆孔施工水復用系統的理論基礎及設計特點

1.1 鉆孔施工水復用系統的理論基礎

煤礦200 m以內的非定向鉆孔施工時要求供水壓力一般為1～3 MPa，耗水量為5～10 m3/h，該系統選用的氣動注漿泵為2ZBQ210/4，使用壓縮空氣作動力，在氣源壓力0.6 MPa，供氣量為3 m3/min時，額定流量為12.6 m3/h，額定壓力為4 MPa，并且通過調節供氣量的大小可以調節供水量，能夠在大淋水高瓦斯場合安全使用，可以長時間運轉而無發熱問題，達到了本質安全，滿足井下正常施工鉆孔用水要求。鉆孔生產污水過濾箱體積和形狀可以根據每個單位作業場地特點加工，保證污水處理量滿足泵的需要即可。如果需要利用巷道淋水的單位可以增設一臺排水泵，將巷道淋水抽排入水收集與處理裝置，實現變廢為寶，達到水資源高效利用的目的。

1.2 鉆孔施工水復用系統設計特點

探放水或瓦斯抽放孔鉆窩深度一般小于6 m，空間狹窄，不允許放置過多的設備，因此限制了大型設備的使用。鉆孔施工期間噴孔、濺水是常見現象[10-12]，該現象對電器設備的穩定性有極大影響，主要會導致電器設備漏電、短接等問題，采用皮帶傳動的注漿泵受水的影響會導致皮帶打滑等問題。并且鉆孔施工期間鉆場電器設備多，額外加設電器設備增加了電工接線維護等工作的強度。因此該研究與設計采用氣動注漿泵作為泵水的動力源，避免了電動注漿泵常見的問題。該注漿泵以壓縮空氣為動力，體積小，重量輕，可以長時間運轉而無發熱問題，因此可以在大淋水高瓦斯場合安全使用，解決鉆孔施工水復用難題的同時達到了本質安全，并且安裝與拆除方便，水資源的利用率達到了90%以上，減少了礦井生產成本，改善了員工作業環境，減少了礦井生產對當地生態環境的影響。

2 鉆孔施工水復用系統研究與設計

該裝置在設計時采用全封閉的設計理念，避免生產污水在某個環節溢出系統，確保水資源的高效復用率，系統主要包括孔口鉆進水回收裝置、鉆進水回收管路、水收集與處理裝置、復用水輸送管路。如圖1所示，各部分功能介紹如下。

圖1 煤礦鉆孔施工水復用系統結構示意

2.1 水回收裝置及管路

孔口鉆進水回收裝置主要位于鉆孔孔口，與鉆孔封孔器連接，用于收集鉆孔中的生產污水。如果施工鉆孔過程中伴隨有毒有害氣體溢出，可以在該裝置的上側開孔連接抽放系統，確保安全生產。

鉆進水回收管路主要用于將回收的生產污水輸送到鉆進水收集箱中。

2.2 水收集與過濾

水收集與處理裝置是該研究與設計的核心部件，主要由鉆進水收集箱、過濾板、兩級過濾箱和注漿泵組成。過濾板分為一級過濾板和二級過濾板，一級過濾板為10目，用于把污水中3 mm以上的顆粒與水分離；二級過濾板為20目，主要用于把污水中1 mm以上的顆粒與水分離；通過對生產污水的兩級過濾實現二級過濾箱中水雜質粒度小于1 mm，達到鉆進生產水水質要求。鉆進水收集箱和過濾箱的體積和形狀可以根據各個單位實際情況設計與加工，原則是過濾水量滿足注漿泵正常工作需要即可。氣動注漿泵為2ZBQ210/4，在氣源壓力0.6 MPa，供氣量為3 m3/min時，額定流量為12.6 m3/h，額定壓力為4 MPa，可以泵送含有顆粒小于5 mm的液體，并且注漿泵的注漿流量可以通過調節供風量的大小調節，滿足鉆進作業不同階段對供水量的精確控制。注漿泵將二級過濾箱中的清水通過復用水輸送管路泵入鉆進系統實現水的重復利用。該系統中一級過濾箱和二級過濾箱上部為開放結構，施工過程中作業人員可以及時清理箱內煤(巖)屑，保證水收集與處理裝置有足夠的儲水空間，同時也可以接納巷道淋水，實現多種水資源的重復利用。

3 鉆孔施工水復用系統使用與經濟效益

3.1 系統使用

鉆孔施工水復用系統使用前先做準備工作，將所有設備連接到位，試運轉氣動注漿泵，對需要填注潤滑油的部位填注潤滑油，將孔口鉆進水回收裝置固定到鉆孔封孔器上，然后向水收集與處理裝置中注入清水、巷道淋水或其他可以重復利用的水資源，開啟注漿泵，等待鉆進水回收管路的污水流入鉆進水收集箱后停止注清水。打鉆施工期間，及時清理鉆進水收集箱和一級過濾箱中的煤(巖)屑，確保有足夠的儲水空間。施工過程中伴隨清理煤(巖)屑會產生一定水量的損耗，及時補償水量即可。

3.2 經濟效益

該系統目前已經在神東煤炭集團保德煤礦投入使用，主要使用地點有綜采工作面抽采瓦斯的非定向鉆場、掘進工作面超前探放水鉆場。保德煤礦按照各個鉆場的空間訂制加工了水收集與處理箱，滿足了空間方面的需要，并且在鉆場的低洼處設置了一臺中轉水泵，用于將巷道內的積水排入鉆進水收集箱，實現了巷道淋水的回收利用。保德煤礦年鉆孔施工量為190 000 m，使用水復用設備前耗水量為32 m3/100 m，累計年耗水量6.08萬m3，按照水費3.2元/m3計算每年節約水費約19.45萬元，按照電費0.585 5元/度計算每年節約電費約7.10萬元。僅電費和水費每年就至少節約26.55萬元。

3.3 使用效果

鉆孔施工水復用系統的研究與應用對于煤礦生產起到了積極作用，主要總結如下：①該研究與設計采用氣動注漿泵為泵水的動力源，避免了電動注漿泵電動機經常出現的漏電、皮帶打滑等弊端，減少了鉆場電工作業強度，保證了系統工作的穩定性，實現了在大淋水高瓦斯場合安全使用，達到了本質安全。②非定向鉆機在施工200 m以內的鉆孔時，要求供水壓力一般為1～3 MPa，耗水量為5～10 m3/h，該系統使用氣動注漿泵，可以泵送含有顆粒小于5 mm的液體，并且通過調節供氣量來調節供水量，滿足正常鉆孔施工要求。③該系統水收集與處理裝置的一、二級過濾箱上部為開放結構，施工作業人員可及時清理箱內煤泥，保證水復用裝置有足夠的儲水空間，同時也可在巷道積水點設置中轉水泵抽排巷道淋水，處理后作為鉆孔施工水使用，變廢為寶。④該裝置改變了鉆場施工時現場臟亂差的現狀，所有生產水都在封閉的循環系統中流動與運行。⑤該系統的使用將非定向鉆場生產水的復用率提高了90%以上，極大地節約了鉆孔施工時的生產用水，對于水生態環境的保護，員工工作環境的改善，現場安全標準化的提升，節約礦井生產成本都具有重大意義。

4 結語

煤礦鉆孔施工水復用系統研究與使用不僅減少了煤礦生產成本，改善了鉆場的施工環境，提高了安全生產標準。對于水資源緊缺的西北地區，該系統的使用更是在一定程度緩解了缺水窘境，其研究與投產對于煤礦生產意義重大，為煤礦鉆孔施工生產污水的復用提供了新思路。