平煤股份八矿矿井水利用的合理配置及效果评价

2020-10-22张平卿刘小满王心义

煤炭工程 2020年10期

张平卿，赵伟，刘小满，张波，王心义

(1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南平顶山 467000；2.西安中地环境科技有限公司，陕西西安 710000；3.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000；4.中国平煤神马集团能源化工研究院，河南平顶山 467000)

近些年随着我国环境意识与环保力度的加强，矿井水作为水资源的需求也越来越高，矿井水的利用进入了一个较快的发展阶段[1，2]。同时，随着我国以“节水”为核心的机制逐步的形成，矿井水的价值将不断提高，这可以为采矿企业大规模利用矿井水提供了有利的市场环境[3，4]。在环境方面，矿井水充分利用也符合现阶段我国建设“资源节约型，环境友好型”社会的方针，改变人们对煤矿行业高污染的不良印象[5，6]。因此采取措施促进矿井水综合利用具有重要意义。

平煤股份公司八矿(以下简称八矿)目前矿井涌水量527m3/h，除200m3/h的寒武灰岩疏放水被利用外，其他矿井涌水均为简单处理后的外排。另外，矿区工业及生活总需水量为424m3/h，除200m3/h来自于寒武灰岩疏放水外，其他均由市政供水，每年支出的水费较高。为满足矿井优质水源的需求，减少矿井水外排量，提高经济和社会效益，本文针对设计的矿井水利用方案，构建了评价矿井排水利用方案效果的数学模型，确定了合理的配置方案，以期为更好的利用矿井水提供新的思路与方案。

1 概况

八矿位于平顶山市东北部约8km，西与十二矿相邻，东至沙河，北至李口向斜，南至煤层露头。矿区东西走向长12.5km，南北倾向宽3.36km，面积41.42km2。八矿现阶段主要开采丁组、戊组和己组煤层，矿井水来源主要为生产废水、井筒淋水、老空水及灰岩水，总涌水量约527m3/h，井下排水路径如图1所示。

图1 八矿矿井水井下排水路径图

在八矿527m3/h的矿井涌水中，来自二水平的矿井水约为200m3/h，为寒武系灰岩疏放水，其水质和水量均满足洗浴用水要求，加之温度高达50℃，因此设置了独立的供水系统专供地面职工洗浴。另外327m3/h的矿井涌水浊度较大，但其他指标符合井下生产用水要求，可处理后使用；同时该部分矿井水中F-和总硬度超过了《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的限值，若用于生活用水必须对其进行处理。

2 模型建立及现状评价

2.1 基本模型

根据八矿现有的排水与利用状况，对其提出相应的矿井水利用配置方案，然后从矿井水利用率和效益分析两方面建立配置评价模型[7]，最终确定合理配置方案。其中矿井水的利用系数为矿井水的使用量所占矿井涌水量的比值，效益分析包括经济效益、环境效益和社会效益。经济效益定义为合理配置后所节省的单位矿井水处理费与现阶段矿井水处理费的比值；环境效益为矿井水排放量与矿井涌水量的比值；社会经济效益为现阶段与合理配置后生活需水单位水价之差与现阶段生活需水单位水价比值。

P+KH=1

(3)

式中，P为矿井水利用系数；Y为矿井涌水量，m3/h；K为效益系数；KJ、KH和KS分别为经济效益系数、环境效益系数和社会效益系数；x为矿井水利用量，m3/h；Kj0为现阶段的矿井水综合处理费；Kj1为合理配置后的矿井水综合处理费，元/m3；Ks0为现阶段单位水价，元/m3；Ks1为合理配置后单位水价，元/m3。

由P、KJ和KS计算得出矿井水配置效果系数F：

F=Max(P+KJ+KS)/3

(4)

式中，Fi的大小可以反映出配置方案的好坏，其值越大说明其配置效果越好。

综合效益值为W：

式中，W1、W2和W3分别为矿区每小时节省费用，元/h；矿井水利用率，%；矿井水减排率，%；xJ和xS分别为矿井水涌水量和生活需水量，m3/h；n为时间，h。

2.2 现状评价

根据调查，市政供水价格为3.92元/m3；1m3矿井水从井下提升至地面耗电为0.42(kW·h)/100m(考虑水泵和电机的效率)，峰谷综合单价为0.6元/kW·h；矿井水排放费为1元/m3，污水外排资源费为0.3元/m3，八矿目前矿井水综合处理费用(包括矿井水处理费、排水耗电费、矿井水排放费和污水外排资源费)计算公式为：

式中，R1、R2、R3和R4分别为：包括矿井水处理费、排水耗电费、矿井水排放费和污水外排资源费，元/m3；x1、x2、x3和x4分别为：矿井水处理量、排水量、矿井水排放量和污水外排资源量，m3。计算求得八矿的综合处理费为6.44元/m3。

调查表明，八矿目前的需水量主要包括两个部分，即生活需水(200.00m3/h)和生产用水(224.00m3/h，其中井下需水量为175.00m3/h)。利用式(1)和(2)分别计算得到八矿的矿井水利用系数(P)，经济效益系数(KJ)，环境效益系数(KH)和社会效益系数(KS)；同时分别计算P、KJ和KS区间值，其中区间值的最小值为没有合理配置利用矿井水的值，最大值为矿井水利用的理想值，见表1。

表1 八矿矿井水利用现状效果系数

除环境系数外其他系数越大则越优。由表1可知，八矿的矿井水利用率最大利用系数达不到1.00，是因为八矿涌水量(527m3/h)超过了矿区工业和生活用水的总需水量。由式(4)计算的八矿排水利用现状的效果系数Fi仅为0.14。

3 合理配置

3.1 基本方案

因此，根据上述分析结果提出两种配置方案。第一种方案为：将二水平约200m3/h的矿井水直接用于井下生产；327m3/h的矿井水排至地面进行处理，其中200m3/h深度处理后用于矿院生活，127m3/h简单处理后用于地面工业用水或排放。第二种方案为：将二水平约200m3/h的矿井水独立存储，然后排至地面经除F-和消毒处理后用于矿院生活用水；其他二水平矿井水排至一水平，同一水平矿井水一起经过井下处理后，部分用于井下生产使用，多余排至地面深度处理后用于矿院生活等。

方案一的地面处理工艺如图2所示[8-11]，矿井水提升至地面经已有设施进行处理后，存储到储水池中，一部分用于地面工业用水或外排，另一部分再经过活性炭处理器[12-15]吸附水中的氟化物，然后进行软化处理，消毒后存储起来以供生活用水使用。其需要在井下二水平水仓的位置扩建一个1600m3的清水仓储存二水平的疏放水，然后通过井下现有管道供给井下生产使用。

方案二的地面处理工艺如图3所示，二水平疏放水提升至地面经活性炭吸附器去除氟化物，然后进行软化处理，消毒后存储起来以供生活用水使用。其他井下多余的矿井水，经井下处理后提升至地面，存储起来以供地面工业用水或后期补充生活用水使用。

图2 八矿方案一地面水处理工艺

根据相关资料，该处理方法运行成本费主要包括：人工费、耗电费、药剂费和其他相关费用，方案一和方案二每吨水的处理费用分为1.52元和0.35元(井下)、0.87元(地面)。一水平至地面的高差大约为500m，所以1m3矿井水从一水平提升至地面的耗电费为1.26元；二水平至地面的高差大约为700m，所以1m3矿井水从二水平提升至地面的耗电费为1.76元。由式(6)计算得到两种方案综合处理费分别为3.69元/m3和5.48元/m3。