复杂水文地质条件矿井给排水系统探析

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摘要：呼吉尔特和榆横北部矿区多数矿井水文地质条件均为复杂型，矿井井下涌水量大，井下排水系统运行压力大、维护成本高，如何加强井下涌水的治理和给排水系统的建设，已成为该区域矿井安全生产中的重点问题之一。以中天合创能源有限责任公司煤炭分公司葫芦素煤矿和门克庆煤矿为例，详细分析了矿井所采用的清浊分离排放井下涌水、建立井下深度水处理系统、优化井下消防洒水系统等一系列工艺和技术，并对实施效果进行了说明，针对复杂水文条件矿井的井下涌水综合治理和给排水系统综合优化设计方面总结出一系列具有建设性的新思路。

关键词：水处理；涌水；水文地质条件；给排水系统；消防供水

呼吉尔特和榆横北部矿区现存有多个矿井，该区域井田水文地质类型多为复杂型，井下涌水量大，防治水工作是井下采掘生产组织和安全管理的重中之重。矿区内中天合创能源有限责任公司煤炭分公司的葫芦素煤矿和门克庆煤矿属于较早建设、投产矿井，两矿井设计生产能力合计2.5×107t/a，核定生产能力均为8×106t/a。由于矿井建设之初水文地质资料有限，勘探预测矿井涌水量均与投产后实际涌水量有较大差异，由此引发多个系统性风险和问题，该区域多个其他矿井也存在类似情况[1]。为此在矿井建设至生产逐步正常化的过程中，针对矿井水害问题，在井下给排水系统建设方面采取了多项措施，有效控制了矿井涌水量突增带来的多个风险隐患，降低了矿井在水害防治、系统运行方面的成本消耗，确保了矿井生产组织的安全高效开展。

1矿井建设投产后存在的问题

葫芦素煤矿和门克庆煤矿在矿井初步设计时，根据补充勘探报告，矿井全井田范围内投产煤层正常涌水量均不超过800m3/h，最大涌水量均不超过1000m3/h。矿井巷道开拓阶段由于揭露顶板面积小，涌水量在设计指标范围内，矿井配套排水、水处理系统等均已建设完成，综采工作面投产后，矿井涌水量大幅度增加，实际正常涌水量已接近原设计最大涌水量，由此引发以下问题：a)矿井配套设计主排水泵房已不满足《煤矿安全规程》规定要求，排水能力不足，严重制约矿井安全生产；b)矿井地面配套设计的污水预处理站的能力无法满足井下排水需求，严重制约矿井给排水系统安全运行，当水处理站无法及时处理井下排水时，将导致井下排水受限，系统存在被水淹、地面被迫直排污水等生产安全和环保风险；c)井下生产用水水源来自地面污水预处理站（处理能力700m3/h），井下泵房将污水排至地面水处理站经处理后回供井下生产和消防用水，当污水量增大时，污水预处理站超负荷运行，产水水质无法达到设计指标，回供井下后将造成井下用水设备寿命缩短、故障率升高，提高系统故障率，影响生产组织；d)矿井排水水量、水处理量增大，矿井排水及水处理成本增加，矿井排水点增多，排水点的运行和维护需投入大量人力，降低生产益。

2矿井给排水系统优化建设完善

2.1全面调查井下涌水来源

提高给排水系统能力、消除系统性风险后，还需要解决一系列井上下配套设施的制约问题。为此，矿井针对井下涌水来源进行了全面调查和分析：a)矿井一般生产时期有2个综采工作面生产，4～6个掘进工作面开拓，除部分永久巷道顶板淋水外（约占矿井总涌水量的5%），这些采掘工作面是主要的矿井涌水来源[2]；b)掘进工作面涌水多为工作面迎头排水、中间巷道零星排水，整体水量较小，占矿井总涌水量的5%～10%，且由于其中主要涌水为工作面迎头排水，煤泥、油脂等杂质含量较高，水质整体较差；c)综采工作面排水主要包括工作面支架前涌水和采空区涌水，由于矿井设计有配套的盘区泄水巷，采空区涌水多由泄水巷排出，工作面支架前涌水占矿井总涌水量的25%～30%；d)除掘进工作面和综采工作面支架前涌水外，50%～60%的矿井涌水均为采空区涌水，通过现场观察，这部分涌水的清洁度整体较好。

2.2建设井下清浊分离排水系统

根据对井下涌水来源的分析，初步确定了将采空区涌水和矿井其他污水分离排放的改造思路。通过分离排放，可有效降低矿井地面水处理站的运行压力，系统设备运行维护工作量明显减少[3]。a)中天合创能源有限责任公司地面配套建设有3000m3/h处理能力的深度水处理站进行深度水处理。通过对矿井涌水的组成、来源及排水路径的分析，发现矿井涌水中有超过约50%的涌水为采空区涌水，该部分水质情况较好，基本不需要进行预处理，可直接排至深度水处理站进行处理，若采空区涌水无需预处理，则矿井的污水预处理站能力可满足矿井排水系统配套需求。采空区清水与深度水处理站进水指标成分对比如表1所示。b)利用井底闲置的巷道两端砌筑挡水墙改造出清水蓄水水仓，配套多级泵排水，并在挡水墙上预埋引水管路与多级泵进水口对接。水泵吸水口始终为正压状态，消除了水泵汽蚀的可能。在挡水墙至井底水仓施工导水水沟，在无需由清水泵房排水时，清水仓满仓溢流后的清水可直接流入井底主水仓。c)在井底长期闲置DN400强排管路并安装分支管及切换阀门，用作清水排水泵房的出水管路，减少系统建设投资的同时符合规范要求，不影响灾害发生时强排系统的正常运行。d)每个盘区设置1趟DN300清水排管路，采空区泄水巷排水管与盘区清水排水管路对接，直接排水至清水泵房，达到按水源、水质分离排水的目的。e)对采空区泄水巷的排水点全部进行改造，将原有的由密闭墙引水管落地后流至水泵窝的引流方式，改造为在密闭墙前设置蓄水箱，将密闭墙引水管直接接至水箱内，实现水源不落地，保证采空区涌水清洁度，清水排水点设备故障、损耗量明显减少。f)在强排管路的地面管段增加三通和阀门，分支接至水处理站清水池，当强排管路用作清水排水用途时，直接排水至地面矿井水处理站的清水池（省略预处理工序），由清水池排水泵排送至深度水处理站。g)定期对清水仓水质进行化验，水质不达标时立即停止直排，始终确保水质满足直接深度处理的要求。

2.3全面分析井下用水需求

在对矿井的排水系统问题进行梳理并对应制定优化改良措施后，对矿井生产用水再行分析，在冲水量消耗层面探寻在水资源和系统优化方面进一步提升改造的可能性。a)井下固定大巷巷道冲洗、喷雾、零星设备冷却、井下消防等用途消耗用水量40～60m3/h；b)矿井各掘进工作面用水取自消防洒水管网，主要用于迎头打钻、设备冷却、防尘及巷道冲洗等用途，用水量约40m3/h；c)井下各综采工作面生产用水取自消防洒水管网，但为提高水质，每个工作面均安装1台三级过滤设备，其最大产水能力为70m3/h，矿井每个综采工工作面用水量40～50m3/h，2个工作面用水量80～100m3/h；d)结合上述分析计算并与井下消防洒水供水管网流量计核对可知，正常生产组织情况下，井下供水总用水量高峰时为160～200m3/h，这部分水源由矿井水处理站清水池通过副井井筒内布置的消防洒水管路供至井下，主要为井下排至地面并处理之后的井下涌水。

2.4建立井下深度水处理系统集中供应井下采掘生产用水

根据前述分析可知，井下采空区涌水在水质方面已经满足直接进行深度水处理的要求，且井下采掘工作面用水量也是生产用水的主要消耗点，因此考虑在井下建立1套深度水处理系统，直接对井下一部分采空区涌水进行深度处理，并供给采掘工作面使用，进一步提高设备用水水质[4]。a)经过对生产组织过程中的用水情况的实际测定，150m3/h的纯水量即可满足所有综采和掘进工作面的设备冷却、乳化液配比等生产设备和设施使用。b)在井底清水水仓附近建设井下深度水处理站，深度水处理站的原水取自清水水仓，通过深度水处理，进一步将浊度、悬浮物、胶体、微生物和有机物去除，处理后的水用于采掘生产，设备工况得到了有效改善。c)选择技术先进成熟、安全可靠、节能环保的工艺流程，如图1所示。整个水处理设备由4套预处理装置和反渗透装置组成，每套装置最大设计能力为进水流量45m3/h，总体产水能力不低于150m3/h。d)在矿井井下建设深度水处理站，配套改造井下供水管网，实现不同用途的分离供水，不仅能实现井下水不上排直接就地处理、利用，降低排水系统能耗和检修维护工作量，还能有效提升生产用水水质，优化设备运行工况，直接减少矿井上排水量150m3/h，按矿井往期成本测算情况，排水电耗为7.2kWh/m·3，按0.5元/(kWh)核算，可减少排水电耗7.2·×0.5×24×365×150=4730400元/a。

2.5建立井下消防洒水就地供应系统

通过建设井下深度水处理系统，可有效减少地面向井下的供水量，但井下的巷道冲洗、降尘喷雾等用水设施的供水还是由地面经井筒管路向井下输送。通过建立井下消防洒水就地供应系统，可进一步提高井下供水系统效能。a)通过对井下巷道冲洗、喷雾防尘用水的水质需求和井下采空区涌水的水质进行对比分析，发现井下采空区涌水的水质基本能满足井下巷道冲洗、喷雾防尘等用水需求，并通过了实际应用检验。b)通过改造将清水泵房的水泵出水管路与井下消防洒水供水管网连通，并在连通处设置减压阀和切换检修阀门，将压力降低到与矿井消防洒水系统管网相匹配的压力等级。c)在井底清水泵房设备运行时，清水泵房向地面矿井水处理站清水池排水的同时，也向井下消防洒水管网中输送清水。此时井筒内的消防洒水管网因压力均衡，不再向井下消防洒水管网内注入水源，实现井下消防洒水由清水泵房供给的功能。d)在井底清水泵房设备检修时，井下消防洒水管网又可以从井筒的供水管路中获取水源，保证井下消防洒水管网时刻保持稳定压力和流量的供水工况。e)在矿井各顺槽口管网支路和消防洒水与清水泵房排水管网的连通处设置大流量的反冲洗过滤器，并定时反冲洗，确保过滤效果。同时加强井底清水泵房的水质检测，依托井下深度水处理站配套的检测设备，对清水池悬浮物浓度做到每天检测，出现水质异常时，及时切换有地面水处理站共给水源。f)通过以上系统改造优化措施，可直接减少井下向地面直接排水水量约100m3/h，排水用电费用降低7.2×0.5×24×365×100=3153600元/a；井筒管网运行时间显著缩短，管网维护人工投入降低费用4.5×105元/a。

3矿井给排水系统优化成效

3.1经济效益

系统改造优化建成后的经济效益体现在：清污分离系统建设后地面污水预处理站处理量明显减少，节约水处理成本费用1.82208×106元/a，降低了设备损耗，维修费用降低约6.5×105元/a；深度水站投用降低排水电耗费用4.7304×106元/a；井下消防洒水就地供应改造后降低排水电耗3.1536×106元/a，合计降低生产成本1.035608×107元/a。

3.2安全和社会效益

系统改造优化建成后的安全和社会效益体现在：a)直接消除了由于矿井设计之初的系统能力与投产后实际需求不符导致的安全隐患，使矿井生产安全得到了有效保障；b)通过项目的实施，明显降低了矿井在井下供水、排水系统的能源消耗，合理充分地就地利用井下水源开展生产组织工作，具有良好的节能减排示范效益；c)通过对系统的完善优化，全面实现了矿井生产组织的污水零排放设计目标，矿井顺利通过环保验收，也树立了典型的环保型矿井建设典范；d)项目的实施使矿井井下供排水系统运行工作量大幅度减少，人工消耗明显降低，作业环境明显改善，提高了矿井在同行业中的竞争力和人才吸引力，为矿井的可持续高效发展提供了有效助力。

4结语

结合复杂水文地质条件矿井井下涌水、给排水系统的特点和问题，针对性地采取了一系列系统优化改进措施，使矿井给排水系统的可靠性得到了显著提高，减少了系统设备的损耗，降低了系统的运行能耗和成本。该项目关于清浊分离排水、井下水就地复用等系统优化建设理念，可以在其他相似条件矿井参考实施。

参考文献：

［1］梁磊.红柳煤矿2煤顶板离层水防治技术总结［J］.科技创新导报，2017，14(31)：69-70.

［2］谭小虎.刘桥一矿“人本工程”提升“幸福指数”［N］.企业家日报，2015-08-18(11)．

［3］胡剑.煤矿清污分离排水与大流量深度水处理系统的综合设计及应用［J］.矿业装备，2020(3)：206-207.

［4］王杨，高洪强，王海龙.煤矿综采工作面用水处理设备浅析［J］.中国科技纵横，2020(9)：172-173.

作者:杨光 单位:中天合创能源有限责任公司煤炭分公司