煤矿钻孔施工水复用系统研究与设计

张伟龙

(国能神东煤炭集团有限责任公司技术研究院，陕西 神木 719315)

0 引言

煤矿在正常生产过程中需要在井下施工大量钻孔，比如探放水钻孔、瓦斯抽采钻孔、防突钻孔等等，这些钻孔的施工需要消耗大量的水资源[1-3]，不但增加了供排水生产成本、水达标排放处理成本，而且对矿井当地的水生态环境也造成了巨大影响，在我国西北等水资源匮乏地区这种矛盾更是明显，也是间接导致地企关系紧张的原因之一。同时部分煤矿开采煤层上部分布有弱含水层，掘进作业时工作面淋水量大，但是正常情况下这些水资源都直接进入排水系统，恶化了工作环境，浪费了宝贵的水资源，却成为了水患，没有发挥应有的价值，如果能够将这些水资源收集利用，变废为宝，意义巨大[4-6]。

目前已有用于钻孔生产污水处理再复用的设备[7-9]，主要用于定向钻孔施工，定向钻具对水质要求极高，因此定向钻孔生产用水的复用设备结构复杂，体积巨大，安装及搬运都极其不便，同时维护费用也较高，这也是限制其使用的重要原因。现有定向钻孔施工复用水设备主要通过电动过滤筛过滤钻孔生产污水，再用电动注浆泵将处理后的清水泵入钻进系统达到水复用的目的。非定向钻孔施工对水质没有定向钻孔施工对水质要求高，该研究正是通过一种新的方案实现了对施工时生产污水的有效处理(也能实现巷道淋水等污水的处理要求)，满足了普通钻探施工水复用的难题。

1 钻孔施工水复用系统的理论基础及设计特点

1.1 钻孔施工水复用系统的理论基础

煤矿200 m以内的非定向钻孔施工时要求供水压力一般为1～3 MPa，耗水量为5～10 m3/h，该系统选用的气动注浆泵为2ZBQ210/4，使用压缩空气作动力，在气源压力0.6 MPa，供气量为3 m3/min时，额定流量为12.6 m3/h，额定压力为4 MPa，并且通过调节供气量的大小可以调节供水量，能够在大淋水高瓦斯场合安全使用，可以长时间运转而无发热问题，达到了本质安全，满足井下正常施工钻孔用水要求。钻孔生产污水过滤箱体积和形状可以根据每个单位作业场地特点加工，保证污水处理量满足泵的需要即可。如果需要利用巷道淋水的单位可以增设一台排水泵，将巷道淋水抽排入水收集与处理装置，实现变废为宝，达到水资源高效利用的目的。

1.2 钻孔施工水复用系统设计特点

探放水或瓦斯抽放孔钻窝深度一般小于6 m，空间狭窄，不允许放置过多的设备，因此限制了大型设备的使用。钻孔施工期间喷孔、溅水是常见现象[10-12]，该现象对电器设备的稳定性有极大影响，主要会导致电器设备漏电、短接等问题，采用皮带传动的注浆泵受水的影响会导致皮带打滑等问题。并且钻孔施工期间钻场电器设备多，额外加设电器设备增加了电工接线维护等工作的强度。因此该研究与设计采用气动注浆泵作为泵水的动力源，避免了电动注浆泵常见的问题。该注浆泵以压缩空气为动力，体积小，重量轻，可以长时间运转而无发热问题，因此可以在大淋水高瓦斯场合安全使用，解决钻孔施工水复用难题的同时达到了本质安全，并且安装与拆除方便，水资源的利用率达到了90%以上，减少了矿井生产成本，改善了员工作业环境，减少了矿井生产对当地生态环境的影响。

2 钻孔施工水复用系统研究与设计

该装置在设计时采用全封闭的设计理念，避免生产污水在某个环节溢出系统，确保水资源的高效复用率，系统主要包括孔口钻进水回收装置、钻进水回收管路、水收集与处理装置、复用水输送管路。如图1所示，各部分功能介绍如下。

图1 煤矿钻孔施工水复用系统结构示意

2.1 水回收装置及管路

孔口钻进水回收装置主要位于钻孔孔口，与钻孔封孔器连接，用于收集钻孔中的生产污水。如果施工钻孔过程中伴随有毒有害气体溢出，可以在该装置的上侧开孔连接抽放系统，确保安全生产。

钻进水回收管路主要用于将回收的生产污水输送到钻进水收集箱中。

2.2 水收集与过滤

水收集与处理装置是该研究与设计的核心部件，主要由钻进水收集箱、过滤板、两级过滤箱和注浆泵组成。过滤板分为一级过滤板和二级过滤板，一级过滤板为10目，用于把污水中3 mm以上的颗粒与水分离；二级过滤板为20目，主要用于把污水中1 mm以上的颗粒与水分离；通过对生产污水的两级过滤实现二级过滤箱中水杂质粒度小于1 mm，达到钻进生产水水质要求。钻进水收集箱和过滤箱的体积和形状可以根据各个单位实际情况设计与加工，原则是过滤水量满足注浆泵正常工作需要即可。气动注浆泵为2ZBQ210/4，在气源压力0.6 MPa，供气量为3 m3/min时，额定流量为12.6 m3/h，额定压力为4 MPa，可以泵送含有颗粒小于5 mm的液体，并且注浆泵的注浆流量可以通过调节供风量的大小调节，满足钻进作业不同阶段对供水量的精确控制。注浆泵将二级过滤箱中的清水通过复用水输送管路泵入钻进系统实现水的重复利用。该系统中一级过滤箱和二级过滤箱上部为开放结构，施工过程中作业人员可以及时清理箱内煤(岩)屑，保证水收集与处理装置有足够的储水空间，同时也可以接纳巷道淋水，实现多种水资源的重复利用。

3 钻孔施工水复用系统使用与经济效益

3.1 系统使用

钻孔施工水复用系统使用前先做准备工作，将所有设备连接到位，试运转气动注浆泵，对需要填注润滑油的部位填注润滑油，将孔口钻进水回收装置固定到钻孔封孔器上，然后向水收集与处理装置中注入清水、巷道淋水或其他可以重复利用的水资源，开启注浆泵，等待钻进水回收管路的污水流入钻进水收集箱后停止注清水。打钻施工期间，及时清理钻进水收集箱和一级过滤箱中的煤(岩)屑，确保有足够的储水空间。施工过程中伴随清理煤(岩)屑会产生一定水量的损耗，及时补偿水量即可。

3.2 经济效益

该系统目前已经在神东煤炭集团保德煤矿投入使用，主要使用地点有综采工作面抽采瓦斯的非定向钻场、掘进工作面超前探放水钻场。保德煤矿按照各个钻场的空间订制加工了水收集与处理箱，满足了空间方面的需要，并且在钻场的低洼处设置了一台中转水泵，用于将巷道内的积水排入钻进水收集箱，实现了巷道淋水的回收利用。保德煤矿年钻孔施工量为190 000 m，使用水复用设备前耗水量为32 m3/100 m，累计年耗水量6.08万m3，按照水费3.2元/m3计算每年节约水费约19.45万元，按照电费0.585 5元/度计算每年节约电费约7.10万元。仅电费和水费每年就至少节约26.55万元。

3.3 使用效果

钻孔施工水复用系统的研究与应用对于煤矿生产起到了积极作用，主要总结如下：①该研究与设计采用气动注浆泵为泵水的动力源，避免了电动注浆泵电动机经常出现的漏电、皮带打滑等弊端，减少了钻场电工作业强度，保证了系统工作的稳定性，实现了在大淋水高瓦斯场合安全使用，达到了本质安全。②非定向钻机在施工200 m以内的钻孔时，要求供水压力一般为1～3 MPa，耗水量为5～10 m3/h，该系统使用气动注浆泵，可以泵送含有颗粒小于5 mm的液体，并且通过调节供气量来调节供水量，满足正常钻孔施工要求。③该系统水收集与处理装置的一、二级过滤箱上部为开放结构，施工作业人员可及时清理箱内煤泥，保证水复用装置有足够的储水空间，同时也可在巷道积水点设置中转水泵抽排巷道淋水，处理后作为钻孔施工水使用，变废为宝。④该装置改变了钻场施工时现场脏乱差的现状，所有生产水都在封闭的循环系统中流动与运行。⑤该系统的使用将非定向钻场生产水的复用率提高了90%以上，极大地节约了钻孔施工时的生产用水，对于水生态环境的保护，员工工作环境的改善，现场安全标准化的提升，节约矿井生产成本都具有重大意义。

4 结语

煤矿钻孔施工水复用系统研究与使用不仅减少了煤矿生产成本，改善了钻场的施工环境，提高了安全生产标准。对于水资源紧缺的西北地区，该系统的使用更是在一定程度缓解了缺水窘境，其研究与投产对于煤矿生产意义重大，为煤矿钻孔施工生产污水的复用提供了新思路。