营盘壕煤矿矿井水井下复用技术研究

2022-11-05王汝庆

山东煤炭科技 2022年10期

王汝庆陈晨刘毅

（1.兖矿能源集团鄂尔多斯能化有限公司营盘壕煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000 ；2.兖矿能源集团股份有限公司山东煤炭科技研究院分公司，山东济南 250000）

1 现状

营盘壕煤矿老空区排水直接经管路排往中央水仓，与水仓内污水混合后经中央泵房排水泵排至地面再进行处理，处理后的水源再下井使用，未进行井下净水与污水的前期分离及储存，存在矿井污水处理压力大、污水处理和排水成本高、矿井水复用率不高等问题。受国家“污水零排放”等环保政策约束，矿井涌水和污水处理已成为制约矿井安全高效发展的瓶颈，矿井生产运行成本增高，设备损耗速率变大，不利于矿井安全高效生产[1]。

2 复用工程的工艺分析及选择

根据多次老空水采样水质化验，确定水源内仅悬浮物含量超过井下水使用标准，本工程中水处理工艺选用悬浮物矿井水处理方法。

2.1 水处理工艺选择分析

水质净化选用石英砂过滤净化装置。石英砂过滤器利用石英砂作为过滤介质，该滤料具有强度高、寿命长、处理流量大、出水水质稳定可靠的显著优点。石英砂的功能主要是去除水中悬浮物、胶体、泥沙、铁锈，采用水泵加压，使原水通过过滤介质去除水中的悬浮物，从而达到过滤的目的[2]。

2.2 工艺流程设计

矿井水中悬浮物在过滤器的过滤作用下得到去除，从而使得水源得到净化，达标回用。矿井水过滤净化、复用工艺流程如图1。

图1 矿井井下处理、复用工艺流程

工艺具有以下特点：（1）不需要沉淀池或澄清池，无需排泥设备、无需加药，简化了工艺流程。（2）采用并联式过滤器装置，反冲洗通过管路连接实现，不需要专门的反冲洗水泵。该过滤器为井下矿井水处理开发，适合井下特殊环境[3]。（3）更易于实现自动运行、远程控制。

2.3 反冲洗工艺设计

本工程使用并联式过滤器装置，当其中一个压力过滤器反冲洗时，其反冲水来自其余五个过滤器的过滤水，这样即节省了反冲洗水泵，又简化了系统。为防止滤料板结、形成泥球，过滤器反冲洗采取定期气、水反冲洗方式。用气反冲洗时，煤矿井下已有压缩空气管道，因此不需额外增加压风设备[4]。

2.4 过滤器选择

根据单个过滤器过滤能力和总处理水量要求，选用35 m3/h 处理能力的过滤器6 台。6 台过滤器可同时运行，也可根据水量情况单独运行。

2.5 控制流程

矿井水首先流入集水池，过滤器供水泵加压后进入过滤器，因某一过滤器反冲洗用水为过滤器组出水，因此，需要保证过滤器出水具有一定压力，保证≥0.1 MPa（过滤器反冲洗水压）。过滤器出水直接流入清水池，清水经加压泵加压后进入矿井生产用水管路。

3 现场应用

设备整体布置依次是加压泵、配电及电控设施、清水池、原水池、过滤装置。考虑加压泵维修、配电设备进出等情况，加压泵基础与配电设备基础平台不在巷道同一侧布置[5]。

水源输送至复用水巷道内原水池，池内装有潜水泵两台，升压排至过滤装置中，过滤后的水通过管路输送至清水池。清水经加压泵加压至3 MPa 后与井下管网并联，实现井上下同时供水，减少地面水处理、井下排水系统压力。同时，该水处理系统可地面远程控制，方便地面、井下水处理系统实时切换，且互为备用。系统组成如下：

（1）集中控制系统。采用S7-200 PLC 可编程控制器对泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制原水系统、过滤系统和供水泵组的启停。

系统启动前，根据预设条件判定是否具备启动条件（原水池水位、清水池水位，各闸阀处于关闭状态，系统无报警未复位情况）。根据原水池、清水池液位传感器、加压泵出口压力传感器等监测装置的返回数据，系统自动完成低水位保护停机、PID反馈压力自动调整等功能。当进水水源水量不足以满足井下水量需求，潜水泵保护性停机，防止潜水泵空转损坏。此时加压泵继续运行，当清水池水位低于设定值时，加压泵保护性停机，并提示开启地面供水系统。当进水水源水量较大，原水池水位持续上涨，进水管电动闸阀自动关闭，进水水源经原排水管流至水仓。当清水池水位高于设定值时，原水池水泵停机，不再处理水源，原水池水位升至设定值时，进水管电动闸阀关闭，防止水位过高溢流。

加压泵出口压力根据设定将持续稳定在3 MPa左右，根据井下用水量变化而适时调整变频器输出功率，保证水泵出口压力稳定。系统每周定时进行单罐逐一自动反冲洗，反冲洗使用其他罐产水进行，系统控制电磁阀吸合与释放，实现罐体出水管、进水管、反洗出水管等管路阀门的通断，继而实现罐体自动气、水反冲洗。

（2）原水系统。在井下设置原水池，用于储存原水，原水池内安装两台矿用潜水泵用于给过滤系统供水。考虑日常电缆巡检等，原水池、清水池上面搭设行人检修通道。

（3）过滤系统。主要设备为6 台多介质过滤器及配套阀门，系统设计处理量200 m3/h。系统管路主阀门选用气动阀门，阀门动作依靠电控箱控制，动力可直接使用井下压风管路。系统可设定固定时间进行自动单罐逐一反冲洗。

（4）供电系统。系统设置配电点，安装1 台矿用隔爆型移动变电站作为进线开关及变压供电，2 台矿用隔爆兼本质安全型真空电磁启动器用于潜水泵启停控制，2 台矿用隔爆型真空馈电开关用于分路电源供电控制，矿用隔爆兼本质安全型照明信号照明综保装置用于现场照明线路供电保护，另配有PLC 控制箱、变频器各1 台。

（5）恒压供水系统。为保证供水系统运行的连续性，系统设置清水仓，水池内设投入式水位传感器，当水位低于规定值时，停止供水泵运行，开启地面供水系统。加压泵出口管路与井下管网合茬位置装有0～6.4 MPa 量程压力传感器，系统根据压力传感器反馈回来的管路压力调整变频器运行频率，继而调整加压泵的转速引起水泵出水口压力及流量变化，使管路压力维持在设定值。当管网压力较长时间不下降时，变频器进入休眠状态，水泵停转，减少设备运行磨损及电量消耗。

（6）监测监控系统。系统自原水池进水端起始至加压泵出水端，均设有完备的监测装置，包括原水池、清水池内配置的投入式液位传感器；水泵出口安装压力传感器；与主巷道合茬管路位置加装电磁流量计，对水处理量进行统计，方便日常管理；原水池、清水池内加装浊度传感器。

（7）反冲洗系统。过滤罐反冲洗使用其他罐产水完成，当到达系统设定反冲洗时间时，电磁阀受控制箱控制吸合或释放，压缩空气带动气动阀门启闭，使该罐进水管阀门自动关闭，反冲洗排水管阀门自动开启，其他罐产水自罐体出水管返回至该罐内部并自下而上流出罐体，经罐体反冲洗排水管流出至排水沟内，水流流出带走滤料中掺杂的杂质。经过长时间使用，滤料易板结结块，反冲洗系统带压缩空气反洗功能，可实现气、水同时反冲洗，气体自下而上穿过滤料，扩大滤料间空隙，流水带走杂质，提高反冲洗效率。

4 系统特点

（1）该系统整体布置简洁，利用现有闲置巷道构建挡水墙3 面，部分地板硬化即可完成水处理系统基础构建。

（2）投运后的井下水处理系统每小时可处理水200 m³，并可根据实际需要及现场空间增大或减小水处理量。

（3）系统可实现定时自动反冲洗，主要阀门采用气动阀门型式，结构简单耐用，无大的维护量。

（4）系统可过滤处理水源悬浮物超标的水质，实现处理后水源的直接加压供给，并可根据井下管网压力进行自我调节出口压力抑或启停，确保供压稳定与运行经济性。

（5）系统地面远控平台完善，可远程查看设备运行状态，进行水泵启停、单一阀门开关等操作，方便与地面供水系统备用互补。

5 经济效益

矿井污水处理运行费用为0.41～0.68 元/m3（按0.5 元/ m3计算），水处理后外排排污费1.4 元/ m3。按设备处理能力200 m3/h 计算，每年节约污水处理、排放等费用约（0.5+1.4）×200×24×365 ≈333 万元，若不考虑外排费用，则污水处理费0.5×200×24×365=87.6 万元。

矿井水提升电耗，原来需要提升735 m 高度（井深），井下复用后，供水压力变为3.2 MPa（320 m），井下复用部分（200 m3/h）可节约415 m 的排水电耗。年节约电费0.4×4.15×200×0.6×24×365 ≈174 万元（以吨水百米电耗0.4 kW·h 计算，电费0.6 元/kW·h）。