煤礦鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張偉龍

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦在正常生產(chǎn)過程中需要在井下施工大量鉆孔，比如探放水鉆孔、瓦斯抽采鉆孔、防突鉆孔等等，這些鉆孔的施工需要消耗大量的水資源[1-3]，不但增加了供排水生產(chǎn)成本、水達(dá)標(biāo)排放處理成本，而且對(duì)礦井當(dāng)?shù)氐乃鷳B(tài)環(huán)境也造成了巨大影響，在我國西北等水資源匱乏地區(qū)這種矛盾更是明顯，也是間接導(dǎo)致地企關(guān)系緊張的原因之一。同時(shí)部分煤礦開采煤層上部分布有弱含水層，掘進(jìn)作業(yè)時(shí)工作面淋水量大，但是正常情況下這些水資源都直接進(jìn)入排水系統(tǒng)，惡化了工作環(huán)境，浪費(fèi)了寶貴的水資源，卻成為了水患，沒有發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值，如果能夠?qū)⑦@些水資源收集利用，變廢為寶，意義巨大[4-6]。

目前已有用于鉆孔生產(chǎn)污水處理再復(fù)用的設(shè)備[7-9]，主要用于定向鉆孔施工，定向鉆具對(duì)水質(zhì)要求極高，因此定向鉆孔生產(chǎn)用水的復(fù)用設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積巨大，安裝及搬運(yùn)都極其不便，同時(shí)維護(hù)費(fèi)用也較高，這也是限制其使用的重要原因?，F(xiàn)有定向鉆孔施工復(fù)用水設(shè)備主要通過電動(dòng)過濾篩過濾鉆孔生產(chǎn)污水，再用電動(dòng)注漿泵將處理后的清水泵入鉆進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到水復(fù)用的目的。非定向鉆孔施工對(duì)水質(zhì)沒有定向鉆孔施工對(duì)水質(zhì)要求高，該研究正是通過一種新的方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工時(shí)生產(chǎn)污水的有效處理(也能實(shí)現(xiàn)巷道淋水等污水的處理要求)，滿足了普通鉆探施工水復(fù)用的難題。

1 鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

煤礦200 m以內(nèi)的非定向鉆孔施工時(shí)要求供水壓力一般為1～3 MPa，耗水量為5～10 m3/h，該系統(tǒng)選用的氣動(dòng)注漿泵為2ZBQ210/4，使用壓縮空氣作動(dòng)力，在氣源壓力0.6 MPa，供氣量為3 m3/min時(shí)，額定流量為12.6 m3/h，額定壓力為4 MPa，并且通過調(diào)節(jié)供氣量的大小可以調(diào)節(jié)供水量，能夠在大淋水高瓦斯場合安全使用，可以長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)而無發(fā)熱問題，達(dá)到了本質(zhì)安全，滿足井下正常施工鉆孔用水要求。鉆孔生產(chǎn)污水過濾箱體積和形狀可以根據(jù)每個(gè)單位作業(yè)場地特點(diǎn)加工，保證污水處理量滿足泵的需要即可。如果需要利用巷道淋水的單位可以增設(shè)一臺(tái)排水泵，將巷道淋水抽排入水收集與處理裝置，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，達(dá)到水資源高效利用的目的。

1.2 鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

探放水或瓦斯抽放孔鉆窩深度一般小于6 m，空間狹窄，不允許放置過多的設(shè)備，因此限制了大型設(shè)備的使用。鉆孔施工期間噴孔、濺水是常見現(xiàn)象[10-12]，該現(xiàn)象對(duì)電器設(shè)備的穩(wěn)定性有極大影響，主要會(huì)導(dǎo)致電器設(shè)備漏電、短接等問題，采用皮帶傳動(dòng)的注漿泵受水的影響會(huì)導(dǎo)致皮帶打滑等問題。并且鉆孔施工期間鉆場電器設(shè)備多，額外加設(shè)電器設(shè)備增加了電工接線維護(hù)等工作的強(qiáng)度。因此該研究與設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)注漿泵作為泵水的動(dòng)力源，避免了電動(dòng)注漿泵常見的問題。該注漿泵以壓縮空氣為動(dòng)力，體積小，重量輕，可以長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)而無發(fā)熱問題，因此可以在大淋水高瓦斯場合安全使用，解決鉆孔施工水復(fù)用難題的同時(shí)達(dá)到了本質(zhì)安全，并且安裝與拆除方便，水資源的利用率達(dá)到了90%以上，減少了礦井生產(chǎn)成本，改善了員工作業(yè)環(huán)境，減少了礦井生產(chǎn)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響。

2 鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

該裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采用全封閉的設(shè)計(jì)理念，避免生產(chǎn)污水在某個(gè)環(huán)節(jié)溢出系統(tǒng)，確保水資源的高效復(fù)用率，系統(tǒng)主要包括孔口鉆進(jìn)水回收裝置、鉆進(jìn)水回收管路、水收集與處理裝置、復(fù)用水輸送管路。如圖1所示，各部分功能介紹如下。

圖1 煤礦鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 水回收裝置及管路

孔口鉆進(jìn)水回收裝置主要位于鉆孔孔口，與鉆孔封孔器連接，用于收集鉆孔中的生產(chǎn)污水。如果施工鉆孔過程中伴隨有毒有害氣體溢出，可以在該裝置的上側(cè)開孔連接抽放系統(tǒng)，確保安全生產(chǎn)。

鉆進(jìn)水回收管路主要用于將回收的生產(chǎn)污水輸送到鉆進(jìn)水收集箱中。

2.2 水收集與過濾

水收集與處理裝置是該研究與設(shè)計(jì)的核心部件，主要由鉆進(jìn)水收集箱、過濾板、兩級(jí)過濾箱和注漿泵組成。過濾板分為一級(jí)過濾板和二級(jí)過濾板，一級(jí)過濾板為10目，用于把污水中3 mm以上的顆粒與水分離；二級(jí)過濾板為20目，主要用于把污水中1 mm以上的顆粒與水分離；通過對(duì)生產(chǎn)污水的兩級(jí)過濾實(shí)現(xiàn)二級(jí)過濾箱中水雜質(zhì)粒度小于1 mm，達(dá)到鉆進(jìn)生產(chǎn)水水質(zhì)要求。鉆進(jìn)水收集箱和過濾箱的體積和形狀可以根據(jù)各個(gè)單位實(shí)際情況設(shè)計(jì)與加工，原則是過濾水量滿足注漿泵正常工作需要即可。氣動(dòng)注漿泵為2ZBQ210/4，在氣源壓力0.6 MPa，供氣量為3 m3/min時(shí)，額定流量為12.6 m3/h，額定壓力為4 MPa，可以泵送含有顆粒小于5 mm的液體，并且注漿泵的注漿流量可以通過調(diào)節(jié)供風(fēng)量的大小調(diào)節(jié)，滿足鉆進(jìn)作業(yè)不同階段對(duì)供水量的精確控制。注漿泵將二級(jí)過濾箱中的清水通過復(fù)用水輸送管路泵入鉆進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水的重復(fù)利用。該系統(tǒng)中一級(jí)過濾箱和二級(jí)過濾箱上部為開放結(jié)構(gòu)，施工過程中作業(yè)人員可以及時(shí)清理箱內(nèi)煤(巖)屑，保證水收集與處理裝置有足夠的儲(chǔ)水空間，同時(shí)也可以接納巷道淋水，實(shí)現(xiàn)多種水資源的重復(fù)利用。

3 鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)使用與經(jīng)濟(jì)效益

3.1 系統(tǒng)使用

鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)使用前先做準(zhǔn)備工作，將所有設(shè)備連接到位，試運(yùn)轉(zhuǎn)氣動(dòng)注漿泵，對(duì)需要填注潤滑油的部位填注潤滑油，將孔口鉆進(jìn)水回收裝置固定到鉆孔封孔器上，然后向水收集與處理裝置中注入清水、巷道淋水或其他可以重復(fù)利用的水資源，開啟注漿泵，等待鉆進(jìn)水回收管路的污水流入鉆進(jìn)水收集箱后停止注清水。打鉆施工期間，及時(shí)清理鉆進(jìn)水收集箱和一級(jí)過濾箱中的煤(巖)屑，確保有足夠的儲(chǔ)水空間。施工過程中伴隨清理煤(巖)屑會(huì)產(chǎn)生一定水量的損耗，及時(shí)補(bǔ)償水量即可。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

該系統(tǒng)目前已經(jīng)在神東煤炭集團(tuán)保德煤礦投入使用，主要使用地點(diǎn)有綜采工作面抽采瓦斯的非定向鉆場、掘進(jìn)工作面超前探放水鉆場。保德煤礦按照各個(gè)鉆場的空間訂制加工了水收集與處理箱，滿足了空間方面的需要，并且在鉆場的低洼處設(shè)置了一臺(tái)中轉(zhuǎn)水泵，用于將巷道內(nèi)的積水排入鉆進(jìn)水收集箱，實(shí)現(xiàn)了巷道淋水的回收利用。保德煤礦年鉆孔施工量為190 000 m，使用水復(fù)用設(shè)備前耗水量為32 m3/100 m，累計(jì)年耗水量6.08萬m3，按照水費(fèi)3.2元/m3計(jì)算每年節(jié)約水費(fèi)約19.45萬元，按照電費(fèi)0.585 5元/度計(jì)算每年節(jié)約電費(fèi)約7.10萬元。僅電費(fèi)和水費(fèi)每年就至少節(jié)約26.55萬元。

3.3 使用效果

鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)的研究與應(yīng)用對(duì)于煤礦生產(chǎn)起到了積極作用，主要總結(jié)如下：①該研究與設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)注漿泵為泵水的動(dòng)力源，避免了電動(dòng)注漿泵電動(dòng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的漏電、皮帶打滑等弊端，減少了鉆場電工作業(yè)強(qiáng)度，保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了在大淋水高瓦斯場合安全使用，達(dá)到了本質(zhì)安全。②非定向鉆機(jī)在施工200 m以內(nèi)的鉆孔時(shí)，要求供水壓力一般為1～3 MPa，耗水量為5～10 m3/h，該系統(tǒng)使用氣動(dòng)注漿泵，可以泵送含有顆粒小于5 mm的液體，并且通過調(diào)節(jié)供氣量來調(diào)節(jié)供水量，滿足正常鉆孔施工要求。③該系統(tǒng)水收集與處理裝置的一、二級(jí)過濾箱上部為開放結(jié)構(gòu)，施工作業(yè)人員可及時(shí)清理箱內(nèi)煤泥，保證水復(fù)用裝置有足夠的儲(chǔ)水空間，同時(shí)也可在巷道積水點(diǎn)設(shè)置中轉(zhuǎn)水泵抽排巷道淋水，處理后作為鉆孔施工水使用，變廢為寶。④該裝置改變了鉆場施工時(shí)現(xiàn)場臟亂差的現(xiàn)狀，所有生產(chǎn)水都在封閉的循環(huán)系統(tǒng)中流動(dòng)與運(yùn)行。⑤該系統(tǒng)的使用將非定向鉆場生產(chǎn)水的復(fù)用率提高了90%以上，極大地節(jié)約了鉆孔施工時(shí)的生產(chǎn)用水，對(duì)于水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，員工工作環(huán)境的改善，現(xiàn)場安全標(biāo)準(zhǔn)化的提升，節(jié)約礦井生產(chǎn)成本都具有重大意義。

4 結(jié)語

煤礦鉆孔施工水復(fù)用系統(tǒng)研究與使用不僅減少了煤礦生產(chǎn)成本，改善了鉆場的施工環(huán)境，提高了安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于水資源緊缺的西北地區(qū)，該系統(tǒng)的使用更是在一定程度緩解了缺水窘境，其研究與投產(chǎn)對(duì)于煤礦生產(chǎn)意義重大，為煤礦鉆孔施工生產(chǎn)污水的復(fù)用提供了新思路。