井下清濁水分離排水和煤水分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

葫蘆素煤礦位于東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)，井田南北走向長(zhǎng)約7.4 km，東西傾斜寬約13.0 km，面積為92.761 km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為13.0 Mt/a。開(kāi)拓方式為立井開(kāi)拓，井田內(nèi)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y），其中含可采煤層8層，礦井初期開(kāi)采的2-1煤范圍內(nèi)，東翼煤層厚度為1.10～3.75 m，平均厚度為2.38 m。西翼煤層厚度為1.87～5.61 m，平均厚度為4.17 m。煤層傾角小，為近水平煤層，大巷均沿煤層布置。井下煤炭運(yùn)輸采用帶式輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)輸方式。

葫蘆素煤礦首采綜采工作面回采后涌水量逐步增大，高峰期全礦涌水量超過(guò)1 000 m3/h。隨著21103、21204工作面的陸續(xù)回采，礦井涌水量進(jìn)一步增加。而礦井水處理站設(shè)計(jì)能力為700 m3/h，擴(kuò)容后共計(jì)處理污水為1 050 m3/h，處理污水能力不足。工作面回采期間，頂板淋水和采空區(qū)涌水高，保持在200～300 m3/h，刮板運(yùn)輸機(jī)帶出大量工作面煤泥，在工作面回風(fēng)順槽和主運(yùn)輸順槽漫流，造成工作面兩巷淤泥沉積，積水抽排困難。

綜采工作面刮板運(yùn)輸機(jī)將大量的水煤帶入順槽膠帶運(yùn)輸機(jī)，從而進(jìn)入主煤流系統(tǒng)，水量最大瞬時(shí)量為幾十噸，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行，特別是對(duì)上倉(cāng)皮帶影響較為嚴(yán)重，皮帶滑煤、煤倉(cāng)竄倉(cāng)事故頻發(fā)。下行采煤時(shí)因?yàn)樗簡(jiǎn)栴}每天停產(chǎn)5～6次已成常態(tài)，每一次至少要30 min，每天耽誤幾個(gè)小時(shí)生產(chǎn)已成常態(tài)。需要耗費(fèi)大量人力物力去清理灑落的煤炭，大大增加職工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)給礦井生產(chǎn)和安全造成極大隱患，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)能力的提升，影響礦井正規(guī)循環(huán)生產(chǎn)。

工作面及采空區(qū)涌出大量的水和煤泥進(jìn)入中央水倉(cāng)后，水質(zhì)極差，嚴(yán)重時(shí)中央水倉(cāng)內(nèi)濁水SS值（懸浮物）達(dá)到了12 000 mg/L，造成中央水倉(cāng)清淤頻繁，中央水泵房水泵損壞頻繁，排水效率降低，排水困難，嚴(yán)重威脅礦井安全。同時(shí)，SS值（懸浮物）超出設(shè)計(jì)處理能力6倍，造成礦井水處理站預(yù)沉池積淤嚴(yán)重，迷宮斜板堵塞，處理能力下降，處理水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。葫蘆素煤礦對(duì)上述問(wèn)題一直非常重視，但由于之前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相似條件下的可借鑒范例，只能摸著石頭過(guò)河地在探索中進(jìn)行小技改，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但僅靠小技改就解決大問(wèn)題是根本不現(xiàn)實(shí)的。

1 設(shè)計(jì)改造方案

在充分調(diào)研當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)礦井水治理和水煤治理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合葫蘆素煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用現(xiàn)有井下條件，本研究確定清濁水排水系統(tǒng)、淤泥沉降系統(tǒng)、煤水分離系統(tǒng)工藝方案和相關(guān)的機(jī)電設(shè)備配套。當(dāng)前，有必要從源頭上脫除水煤中的外在水以滿足葫蘆素煤礦礦井正常生產(chǎn)的需求，確保葫蘆素煤礦在工作面出現(xiàn)較大涌水情況下實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，降低職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，穩(wěn)定職工隊(duì)伍，保持葫蘆素煤礦礦井安全高效的連續(xù)生產(chǎn)。具體方案如下。

1.1 清濁水分離排水系統(tǒng)

礦井疏放水及采空區(qū)涌水多為清水，經(jīng)檢測(cè)完全符合《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 20426—2006），同時(shí)滿足中天合創(chuàng)深度水處理站對(duì)水質(zhì)的要求，可以直接排放。為節(jié)省礦建費(fèi)用，將井下原爆炸材料庫(kù)改造為一個(gè)容量約1 000 m3的清水倉(cāng)，在2-1煤東翼綜采工作面和西翼綜采工作面泄水巷布置專用的清水專用DN200排水管路兩趟?；仫L(fēng)大巷改造DN300專用排水管路到清水倉(cāng)。工作面采空區(qū)涌水和頂板疏放水通過(guò)礦用潛水泵將清水直接排至爆炸材料庫(kù)改造的清水倉(cāng)。

清水泵房設(shè)置主井井底附近，排水高度為667.3 m，排水管路長(zhǎng)度為1 270 m。通過(guò)設(shè)備配套計(jì)算，選用MD420-96×8型礦用耐磨多級(jí)離心水泵4臺(tái)，配YB2型防爆電動(dòng)機(jī)，功率為1 600 kW，電壓為10 kV，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，排水管路選用主井現(xiàn)有DN400無(wú)縫鋼管1趟。直接把清水排至地面礦井水處理站清水池。

1.2 淤泥沉降系統(tǒng)

采用清濁水分離排水系統(tǒng)后，濁水懸浮物（SS）濃度增大，中央水倉(cāng)積淤嚴(yán)重，將影響礦井主排水系統(tǒng)安全。為降低主排水系統(tǒng)濁水中懸浮物（SS）濃度，必須建立淤泥沉降系統(tǒng)，才能保證清濁水排水系統(tǒng)有效實(shí)施。在工作面機(jī)尾回風(fēng)巷內(nèi)，根據(jù)巷道剖面圖，預(yù)先選擇連續(xù)下山的一段巷道，設(shè)立多級(jí)沉淀池，在工作面回撤通道內(nèi)設(shè)置一組沉淀池，在井下中央水倉(cāng)外側(cè)增加施工沉淀池，長(zhǎng)430 m、寬5 m、容積1 800 m3。

工作面污水先后經(jīng)過(guò)多級(jí)沉淀池、回撤通道內(nèi)的沉淀池、盤區(qū)水倉(cāng)和中央水倉(cāng)外側(cè)沉淀池，通過(guò)設(shè)置沉淀池，污水流速減緩，經(jīng)過(guò)沿途多次沉淀后，大量的煤泥顆粒在沉淀池中沉降，控制流入水倉(cāng)內(nèi)的煤泥量。污水再進(jìn)入中央水倉(cāng)并進(jìn)行最后一步沉淀，此時(shí)污水濁度已經(jīng)很小，從初級(jí)沉淀池SS值（懸浮物）25 000 mg/L降到1 500 mg/L左右，最后經(jīng)過(guò)中央水倉(cāng)水泵房的水泵抽排至地面礦井水處理站。沉淀池長(zhǎng)度比水倉(cāng)小很多，又在通風(fēng)條件良好的巷道中布置，便于采用機(jī)械化清理和壓濾作業(yè)，縮短了清淤時(shí)間。

1.3 煤水分離系統(tǒng)

在充分調(diào)研當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)礦井水煤治理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合葫蘆素煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按照原煤1 300萬(wàn)t/a考慮，以工作制度（333 d/a、20 h/d）進(jìn)行計(jì)算，平均每小時(shí)煤水分離系統(tǒng)處理煤炭能力為1 951.95 t。由于主煤流系統(tǒng)沒(méi)有緩沖倉(cāng)，按主運(yùn)皮帶帶速及實(shí)際皮帶上運(yùn)原煤斷面面積計(jì)算后，瞬間煤量可達(dá)5 369 t/h，最終系統(tǒng)處理量按照5 000 t/h來(lái)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次取樣觀測(cè)，確定煤水分離系統(tǒng)工藝方案和相關(guān)的機(jī)電設(shè)備配套。2015年6月24日、25日和26日，井下主運(yùn)皮帶（破碎機(jī)前）上的采樣化驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.3.1 水煤脫水工藝設(shè)計(jì)

在葫蘆素煤礦的主井東翼2-1大巷機(jī)頭和西翼2-1大巷與上倉(cāng)皮帶機(jī)尾處，增加5 000 t/h大型原煤脫水系統(tǒng)工程，拆除原有的溜槽，重新做基礎(chǔ)安裝新系統(tǒng)。脫水工藝可描述為：綜采工作面產(chǎn)生的大量煤流經(jīng)主運(yùn)皮帶拋落到篩分破碎機(jī)的滾盤篩，篩上進(jìn)破碎機(jī)，經(jīng)破碎后及滾盤篩篩下的煤炭依靠重力、流體曳力落到大型濾水系統(tǒng)，大型濾水系統(tǒng)篩上物依靠緩沖溜槽掉落至上倉(cāng)皮帶直接進(jìn)入煤倉(cāng)，大型濾水系統(tǒng)篩下物透篩掉落至下層重型脫水給料篩，重型脫水給料篩篩上物通過(guò)溜槽掉落至上倉(cāng)皮帶后直接入煤倉(cāng)，重型脫水給料篩篩下物-煤泥水（-1.0 mm），經(jīng)篩下溜槽收集后流入附近原撒煤清理巷道進(jìn)行濃縮沉淀待進(jìn)一步處理。

表1 原煤粒度組成

1.3.2 篩下煤泥水（-1.0 mm）工藝設(shè)計(jì)

將原撒煤清理巷道進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，將40 m長(zhǎng)的巷道分成三大段，第一段為粗煤泥沉降池（容積70 m3），第二段為細(xì)煤泥濃縮沉降池（120 m3），第三段為清水池（50 m3）。大型脫水系統(tǒng)脫出來(lái)的煤泥水通過(guò)管路首先流入第一段粗煤泥沉降池，在此段巷道加兩個(gè)可移動(dòng)的泵車，采用煤泥專用潛污泵，自帶防堵旋轉(zhuǎn)刮刀，具有防堵及攪拌雙重功能，兩泵車一用一備，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。第二段為細(xì)煤泥濃縮沉降池，同樣加兩個(gè)可移動(dòng)的泵車，采用煤泥清理專用渣漿泵，自帶防堵攪拌裝置，具有防堵及攪拌雙重功能，兩泵車一用一備，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，第三段清水池設(shè)立式渣漿泵一臺(tái)。

經(jīng)大型水煤脫水系統(tǒng)處理后的篩下水主要為粗粒煤泥及水，因原煤水分時(shí)刻在變化即粗粒煤泥水量及濃度不穩(wěn)定，直接進(jìn)入高頻篩脫水存在跑篩可能，因此需要設(shè)定分級(jí)旋流器將某一粒徑的煤水分離出去，根據(jù)煤流水量大小范圍及所需分級(jí)粒度選擇不同規(guī)格的旋流器。

篩下煤泥水（-1.0 mm）經(jīng)篩下溜槽收集后流入第一段粗煤泥沉降池經(jīng)快速沉降后，細(xì)顆粒煤泥溢流到第二段細(xì)煤泥濃縮沉降池，快速沉降后的粗煤泥用泵車打入分級(jí)旋流器進(jìn)行粒度分級(jí)，分級(jí)旋流器底流進(jìn)入高頻篩脫水，篩上+0.25 mm煤泥進(jìn)入高頻篩脫水后至提升皮帶；分級(jí)旋流器溢流、高頻篩篩下水-0.25 mm，通過(guò)管道收集流入第二段細(xì)煤泥濃縮沉降池進(jìn)行濃縮沉降，細(xì)粒煤在120 m3細(xì)煤泥濃縮沉降池進(jìn)行濃縮沉降后，清水溢流到第三段清水池，濃縮后細(xì)煤泥經(jīng)泵車打到壓濾機(jī)進(jìn)行二次脫水，壓濾后干煤泥直接落入皮帶，壓濾后清水直接流入第三段清水池，再經(jīng)水泵打到中央水倉(cāng)。煤水分離設(shè)備安裝示意圖如圖1所示。

圖1 煤水分離設(shè)備安裝示意圖

1.3.3 煤水分離系統(tǒng)工藝流程

煤水分離系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 煤水分離系統(tǒng)工藝流程

2 效果和效益分析

2.1 清濁水分離排水效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

清濁水分離排水系統(tǒng)提高了排水系統(tǒng)的整體排水能力，清水不進(jìn)入地面水處理站處理，直接排至地面外排水池，可以降低地面水處理站的處理費(fèi)用，節(jié)約水處理站擴(kuò)容等相關(guān)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)提高了礦井排水能力。

目前，葫蘆素煤礦礦井水處理站處理濁水的綜合成本為1.22元/m3，采空區(qū)及頂板疏放水約為600 m3/h，采用清濁水分離排水每年可以直接節(jié)省水處理綜合費(fèi)用為732萬(wàn)元。另外，清水直接外排可減少礦井水處理站擴(kuò)容600 m3/h的投資費(fèi)用約1 500萬(wàn)元。

2.2 淤泥沉降系統(tǒng)效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

充分利用閑置巷道和廢棄巷道，構(gòu)建煤泥沉淀設(shè)施，既降低了基建成本，又縮短了施工時(shí)間，所有沉降的煤泥均回收到煤流系統(tǒng)，既能最大限度地回收煤炭資源，又避免了煤泥對(duì)下游工序的影響。上游淤泥的沉降，極大地降低了中央水倉(cāng)的清淤量，將淤泥分段沉積在多級(jí)沉淀池、盤區(qū)水倉(cāng)和中央水倉(cāng)沉淀池內(nèi)，避免了淤泥在工作面機(jī)尾和中央水倉(cāng)無(wú)序、大量沉積，顯著提高了清淤速度，保障了排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了礦井涌水對(duì)生產(chǎn)和安全造成的影響，從側(cè)面提高了礦井生產(chǎn)效率、綜采開(kāi)機(jī)率和礦井原煤產(chǎn)量。

淤泥沉降系統(tǒng)的實(shí)施，降低了主排水泵房懸浮物濃度，將MD420型礦用耐磨離心泵大修周期由原來(lái)的3個(gè)月延長(zhǎng)至7個(gè)月，直接節(jié)省備件費(fèi)和維修費(fèi)用75.6萬(wàn)元。

2.3 煤水分離系統(tǒng)效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

煤水分離系統(tǒng)投用使用以來(lái)，集中上倉(cāng)斜巷帶式輸送機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)滑煤和皮帶打滑的現(xiàn)象，不再需要大量人工清理巷道撒落的煤炭，改善了工作環(huán)境，降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，符合以人為本的現(xiàn)代理念。同時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)因水煤在上倉(cāng)帶式輸送機(jī)上聚集導(dǎo)致帶式輸送機(jī)過(guò)載停車、無(wú)法起車的問(wèn)題。主井井底煤倉(cāng)、地面煤倉(cāng)不再出現(xiàn)潰倉(cāng)現(xiàn)象，減少了大量的人力投入，避免了水煤對(duì)下游機(jī)電設(shè)備的損害，減少了機(jī)電設(shè)備了維修量，提高了機(jī)電設(shè)備的服務(wù)年限，節(jié)約了維修費(fèi)用，確保了礦井的安全和正常生產(chǎn)。

礦井產(chǎn)出原煤含水率得到了有效的控制，系統(tǒng)未投用前原煤含水率基本在15%左右，系統(tǒng)投用后，原煤含水率降低到12%以下，降低原煤含水率，有效提高少原煤的煤質(zhì)。

煤水分離系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析。隨著開(kāi)采時(shí)間推移，“水煤”現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重，“水煤”引發(fā)的事故越來(lái)越頻繁?！八骸痹斐傻慕?jīng)濟(jì)損失估算如下：因水煤?jiǎn)栴}停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)礦上不完全統(tǒng)計(jì)，2016年平均每月因水煤造成停產(chǎn)約73 h（按最少時(shí)間算），按平均每小時(shí)產(chǎn)量為1 951.95 t，每噸煤炭利潤(rùn)按現(xiàn)在市場(chǎng)價(jià)200元計(jì)算，預(yù)計(jì)礦上每月?lián)p失為73 h×1 951.95 t/h×200元/t=2 849.8萬(wàn)元。投入煤水分離系統(tǒng)后，礦井正常生產(chǎn)11 d即可全部收回兩套煤水分離設(shè)備投資費(fèi)用（共計(jì)978.5萬(wàn)元）。

該煤水分離系統(tǒng)可避免水煤導(dǎo)致的高頻率停機(jī)。按每月多運(yùn)行73 h（按最少時(shí)間算），按平均每小時(shí)產(chǎn)量是1 951.95 t，每噸煤炭利潤(rùn)按現(xiàn)在市場(chǎng)價(jià)200元計(jì)算，預(yù)計(jì)礦上一年（12個(gè)月）可因增加本脫水系統(tǒng)后增加效益：73 h×1 951.95 t/h×200元/t×12=3.42億元。

3 結(jié)論

清濁水分離排水與淤泥沉降系統(tǒng)主要適用于井下工作面、采空區(qū)涌水量大、水質(zhì)達(dá)標(biāo)、煤泥量大的礦井。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)打破常規(guī)思路，根據(jù)葫蘆素煤礦實(shí)際涌水情況和地面排水環(huán)境，優(yōu)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將部分已掘進(jìn)的巷道作為清水倉(cāng)使用，減少礦建投入。在提升礦井排水能力，保障系統(tǒng)安全的同時(shí)降低地面水處理站建設(shè)和運(yùn)行投入費(fèi)用。清濁水分離排水系統(tǒng)互相獨(dú)立又可相互切換，系統(tǒng)靈活，適用范圍廣，系統(tǒng)可靠性高，能有效解決礦井水處理壓力和環(huán)保問(wèn)題，同時(shí)提高了礦井排水系統(tǒng)的安全系數(shù)。在葫蘆素煤礦實(shí)施后，效果良好，目前已在周邊礦井推廣。

煤水分離系統(tǒng)自成體系，能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況方便快捷地加入或甩離主煤流生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)井下工況條件變化的適應(yīng)性強(qiáng)，且整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，最大限度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工人的作業(yè)環(huán)境，降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，避免了水煤對(duì)下游機(jī)電設(shè)備的損害，減少了機(jī)電設(shè)備的維修量，提高了機(jī)電設(shè)備的服務(wù)年限，節(jié)約了維修費(fèi)用，確保了礦井的安全，保障礦井正常生產(chǎn)。葫蘆素煤礦5 000 t/h井下煤水分離系統(tǒng)工藝及技術(shù)裝備，對(duì)其他礦井治理水煤具有積極的借鑒意義。