董愛青

神華神東煤炭集團(tuán)

模塊化水凈化裝置在煤礦井下的應(yīng)用

董愛青

神華神東煤炭集團(tuán)

隨著煤礦井下開采工藝與設(shè)備的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)用水水質(zhì)提出了更高的要求。神東煤炭集團(tuán)煤炭公司面臨著水資源匱乏、原水水質(zhì)惡劣、處理手段單一的問題，如何在井下空間有限的硐室內(nèi)安裝合理工藝的水質(zhì)處理設(shè)備，進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，降低開采成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保采煤，是神東煤炭集團(tuán)煤炭公司亟需解決的緊迫任務(wù)。本文分析了神東煤炭集團(tuán)公司井下生產(chǎn)用水存在的問題，并提出了具體解決方案，分析了實(shí)際應(yīng)用效果。

礦井水；綜采工作面；循環(huán)利用；模塊化

引言

礦床開采破壞了地下水原始賦存狀態(tài)并產(chǎn)生了裂隙，密切了大氣降水、地表水、地下水和生活用水，各含水層之間的水力聯(lián)系，使各種水沿著原有的和新裂隙滲入井下采掘空間形成礦井水[1]。礦井水是煤炭生產(chǎn)過程中排放量最多的廢水。將煤礦礦井水處理后作為煤礦工業(yè)用水或生活飲用水，不僅解決了礦區(qū)缺水問題，而且充分利用了礦井水水資源，節(jié)省了地下水資源，具有明顯經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益[2]。

1、神東煤炭集團(tuán)公司煤礦生產(chǎn)用水現(xiàn)狀

神東煤炭集團(tuán)公司在生產(chǎn)過程中，通過不斷的摸索，建立了與自身情況相符合的煤礦供水模式，目前面臨著用水成本居高不下、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)對(duì)煤礦開采設(shè)備安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生了不利影響。在水資源匱乏的西北地區(qū)，煤炭開采存在用水成本高、水質(zhì)管理粗放的現(xiàn)狀。在面對(duì)現(xiàn)代化開采工藝和設(shè)備的情況下，煤礦企業(yè)要系統(tǒng)考慮水的循環(huán)利用、采取分級(jí)處理的手段、簡(jiǎn)單易行的處理工藝，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)，保障生產(chǎn)。

1.1 采空區(qū)復(fù)用水水質(zhì)情況

經(jīng)過對(duì)3個(gè)煤礦7處空區(qū)復(fù)用水進(jìn)行化驗(yàn)，結(jié)果顯示8類共計(jì)56項(xiàng)指標(biāo)中有28項(xiàng)超標(biāo)。

礦井水井下凈化后主要用于井下消防灑水、采煤設(shè)備冷卻以及液壓支架用水，為此應(yīng)達(dá)到《 煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50383—2006)井下消防灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以及采煤機(jī)、液壓支架用水參考水質(zhì)指標(biāo)，如表1。

1.2 水質(zhì)不達(dá)標(biāo)帶來(lái)的危害及影響

鐵錳離子超標(biāo)，工作面水處理設(shè)備(在線反洗精密過濾器)頻繁更換濾芯，含鐵錳較高的水質(zhì)作為介質(zhì)時(shí)，常造成軟化設(shè)備中離子交換設(shè)備污染中毒，設(shè)備結(jié)褐色堅(jiān)硬的鐵垢，致使其發(fā)生腐蝕、變形甚至炸裂事故。

鐵錳離子超標(biāo)，工作面水處理設(shè)備(在線反洗精密過濾器)頻繁更換濾芯，含鐵錳較高的水質(zhì)作為介質(zhì)時(shí)，常造成軟化設(shè)備中離子交換設(shè)備污染中毒，設(shè)備結(jié)褐色堅(jiān)硬的鐵垢，致使其發(fā)生腐蝕、變形甚至炸裂事故。

采煤機(jī)中的冷卻水沿著水道流動(dòng)的過程中，溫度不斷升高，水中超標(biāo)的Ca2+、Mg2+離子會(huì)結(jié)垢，水中析出的CaCO3、CaSO4、Mg(OH)2等結(jié)晶會(huì)附著于管道內(nèi)壁，降低其導(dǎo)熱性能，致使采煤機(jī)的液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、齒輪等部件溫度升高，觸發(fā)其溫控保護(hù)系統(tǒng)，導(dǎo)致采煤機(jī)停止工作，甚至?xí)鸩擅簷C(jī)內(nèi)部部件的損毀。

煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT76-2002《液壓支架(柱)用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》中規(guī)定，配制液壓液時(shí)所用水質(zhì)應(yīng)符合以下要求：水質(zhì)外觀：無(wú)色、無(wú)異味、無(wú)懸浮物和機(jī)械雜質(zhì)；pH：6～9；Cl-≤200mg/L，SO42- ≤ 400mg/L 。乳化液中Cl-、SO42-離子含量超標(biāo)的水，在使用過程中會(huì)出現(xiàn)一些析油析皂現(xiàn)象，堵塞閥芯、濾網(wǎng)等液壓支架配件，給生產(chǎn)帶來(lái)許多安全上的隱患。 同時(shí)離子含量較高的水質(zhì)，容易腐蝕液壓支架的外缸、中缸及活柱等與水接觸的部件，造成設(shè)備的銹蝕，影響其使用壽命。

1.3 現(xiàn)有的水處理工藝：

掘進(jìn)工作面噴霧、冷卻用水未經(jīng)處理，直接復(fù)用。

綜采工作面上按照了2級(jí)過濾器，濾網(wǎng)分別是50um、10um，屬于精細(xì)過濾，缺少初級(jí)過濾環(huán)節(jié)。

2、神東煤炭集團(tuán)公司基于模塊化式水凈化裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 神東煤炭集團(tuán)公司采空區(qū)水復(fù)用水質(zhì)工藝的研究

由于礦井井下空間環(huán)境的特殊性，使得礦井水井下處理難度遠(yuǎn)大于地面，需要解決和處理好諸多的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括井下空間利用、安全防爆技術(shù)、完善的自動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)的模塊化和可移動(dòng)化設(shè)計(jì)等。本著節(jié)能、先進(jìn)、可靠的原則，選用切合實(shí)際的處理工藝，提高設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)井下巷道斷面實(shí)際尺寸專門設(shè)計(jì)設(shè)備，就要求設(shè)備占地面積小，自動(dòng)化程度高，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

神東煤炭集團(tuán)公司組織相關(guān)研究院、水處理設(shè)備加工企業(yè)，對(duì)工藝進(jìn)行了交流探討。經(jīng)討論方案有：方案一是反滲透膜處理工藝，可有效降低濁度、去除Fe、Mn、Ca、Mg，出水水質(zhì)能直飲水標(biāo)準(zhǔn)；方案二氧化、沉淀過濾加軟化工藝，能有效降低濁度、去除Fe、Mn、Ca、Mg，目前市場(chǎng)暫無(wú)礦用防爆型軟水器，只能開發(fā)；方案三是氧化、沉淀過濾工藝，只降低濁度、去除Fe、Mn。

(1)方案經(jīng)濟(jì)性比對(duì)：

方案一：噸水運(yùn)行成本是1.45元；設(shè)備投資約2.6萬(wàn)元/m3；

方案二：噸水運(yùn)行成本是0.30元；設(shè)備投資約1.6萬(wàn)元/m3；

方案三：噸水運(yùn)行成本是0.22元；設(shè)備投資約1.3萬(wàn)元/m3

(2)工作原理：

利用射流器直接曝氣，使空氣中的氧氣與水中的Fe2+充分接觸，氧化成Fe3+沉淀物4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓；利用加藥裝置，使高錳酸鉀溶液與水中的Mn2+反應(yīng)，形成難溶于水的MnO2沉淀物3Mn2+ +2KMnO4+2H2O=5MnO2+2K+ +4H+。最終通過設(shè)備過濾室將Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物從水中分離開來(lái)，使水中Fe和Mn離子含量達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物則采用自動(dòng)反沖洗技術(shù)定期排放。

表1 煤礦井下生產(chǎn)用水水質(zhì)指標(biāo)

離子交換式軟水器工作原理：離子交換法是液相中的離子和固相中離子間所進(jìn)行的的一種可逆性化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時(shí)，便會(huì)被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價(jià)離子回溶液中。用離子交換劑除去鈣鎂離子。

經(jīng)公司研究，選用了方案二，氧化、沉淀過濾工藝，能有效降低濁度、去除Fe、Mn離子，去除了然后環(huán)節(jié)，避免非防爆設(shè)備在井下應(yīng)用。系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)：濁度≤15NTU、鐵離子濃度≤1.5mg/L、錳離子濃度≤0.4mg/L的情況下設(shè)備出水水質(zhì)達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)：濁度≤5NTU、鐵離子濃度≤0.3mg/L、錳離子濃度≤0.1mg/L。詳細(xì)工藝流程圖如圖1：

2.2 神東煤炭集團(tuán)公司采空區(qū)水復(fù)用水質(zhì)設(shè)備的選型

每套系統(tǒng)由4—6個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊處理能力50m3/h，單個(gè)模塊運(yùn)輸?shù)骄掳惭b地點(diǎn)后，再對(duì)模塊進(jìn)行并列組裝?？偺幚砟芰?00--300m3/h。為了保證設(shè)備運(yùn)輸不受井下巷道尺寸限制，要求每個(gè)模塊設(shè)備尺寸(長(zhǎng)×寬×高)不得大于6.0×3.0×3.0m。為降低投資，盡可能利用井下現(xiàn)有加壓泵房、現(xiàn)有清水池、現(xiàn)有硐室。

結(jié)合哈拉溝煤礦試點(diǎn)應(yīng)用暴露出的問題，本次設(shè)計(jì)選型時(shí)務(wù)必解決以下三個(gè)問題：一是按照定時(shí)或壓差設(shè)定為自動(dòng)排污、自動(dòng)反沖洗；二是材質(zhì)方面，高錳酸鉀藥箱以及與高錳酸鉀溶液接觸的泵、管路系統(tǒng)應(yīng)選用耐腐蝕的特殊材質(zhì)，不宜選用鋼制材料。對(duì)鋼制模塊式水處理箱體需采取噴涂聚脲防腐防水涂料，以延長(zhǎng)設(shè)備整體壽命。三是設(shè)備啟停、運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)、水質(zhì)指標(biāo)等要在計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)人值守，只需區(qū)域巡視工巡視即可，達(dá)到減人增效的目的。

原水泵：考慮到節(jié)能和系統(tǒng)簡(jiǎn)單的原則，系統(tǒng)入水盡量利用采空區(qū)出水壓力直接壓入系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)出水壓力小于0.1Mpa的情況下方可安裝原水泵，給模塊式裝置提供原水。

絮凝劑及氧化劑投加裝置：加藥量：20～100L/h；儲(chǔ)藥桶材質(zhì)：外6mm厚鋼板，內(nèi)襯4mm厚PVC板；配套設(shè)備支架材質(zhì)：碳鋼聚脲防腐涂料；與藥劑接觸的所有管件要求均為UPVC材質(zhì)。要求配置LYEXD-IV(防爆型)總鐵(鐵離子)指數(shù)分析儀，在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品水中鐵離子的含量，自動(dòng)調(diào)整氧化劑加藥量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和最大化的藥劑成本控制。

自動(dòng)控制設(shè)備：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置控制主機(jī)和PLC控制柜，柜內(nèi)元器件選用AB公司可編程序控制器。地面集控室設(shè)置以太網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)PLC站的連接為光纖(利于各礦現(xiàn)有備用光纖)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度室集中控制。整個(gè)系統(tǒng)采用以AB公司可編程控制器為主的集中和分散相結(jié)合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、連鎖和報(bào)警以及報(bào)表打印，通過使用在主站和遠(yuǎn)程站間的一系列通訊鏈，完成整個(gè)工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊，順序控制，時(shí)間控制，回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。在滿足工藝流程的要求之外，還能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)管理水平。

其它方面要求：反沖洗用自身水源不用外接水源；設(shè)備工作壓力不得大于0.07Mpa；水處理系統(tǒng)采用自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式，在自動(dòng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)反沖和自動(dòng)排泥。清水倉(cāng)液位保護(hù)功能，如超過規(guī)定液位，控制器關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)。如液位回落則重新啟動(dòng)系統(tǒng)。整個(gè)糸統(tǒng)加藥設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加藥，根據(jù)設(shè)備處理水流量大小，鐵，錳含量多少，采用總鐵在線分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵錳含量由PLC控制，自動(dòng)調(diào)整加藥量，既節(jié)省運(yùn)行成本，又提高出水質(zhì)量。

3、項(xiàng)目的組織實(shí)施

經(jīng)統(tǒng)計(jì)神東煤炭集團(tuán)公司13個(gè)礦井中除哈拉溝煤礦外其他12座煤礦井下均沒有初級(jí)水處理裝置，公司計(jì)劃分期組織實(shí)施按照水處理復(fù)用與凈化系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)礦井19座加壓泵房水質(zhì)化驗(yàn)分析，優(yōu)先對(duì)離子超標(biāo)嚴(yán)重的大柳塔煤礦、補(bǔ)連塔煤礦、上灣煤礦、保德煤礦安裝井下水處理裝置共計(jì)6套。總處理能力為1700m3/h，項(xiàng)目設(shè)備購(gòu)置列2013年第二批專項(xiàng)資金，總費(fèi)用3030萬(wàn)元。

3.1 合作制造

2014 年初公司啟動(dòng)采購(gòu)程序，2014年7月份公司確定由維修三廠與合作方合作制造，合作制造的目的與意義在于為后期其他8個(gè)礦井設(shè)備的加工、安裝、運(yùn)行做好技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)能節(jié)約大量資金。經(jīng)測(cè)算一期6套設(shè)備合作制造比購(gòu)置可節(jié)約資金300萬(wàn)元，19處加壓泵房可節(jié)約1000萬(wàn)元。

維修三廠加工內(nèi)容：負(fù)責(zé)購(gòu)置項(xiàng)目13項(xiàng)，包括水泵、閥門、濾料、流量液位傳感器等。負(fù)責(zé)加工項(xiàng)目2項(xiàng)，鐵錳離子處理模塊主體鋼結(jié)構(gòu)件及氧化劑添加系統(tǒng)，計(jì)劃工期90天，優(yōu)先完成大柳塔煤礦2套設(shè)備的加工任務(wù)。合作方負(fù)責(zé)配套內(nèi)容：鐵錳離子處理模塊設(shè)備內(nèi)部的反應(yīng)區(qū)玻紋直扳系統(tǒng)、沉淀區(qū)玻紋斜扳系統(tǒng)，每個(gè)模塊的PLC控制系統(tǒng)、每個(gè)泵房的PLC中央控制系統(tǒng)。

為保證合作制造順利進(jìn)行，公司與合作方簽訂了合作制造協(xié)議，協(xié)議規(guī)定了相互學(xué)習(xí)培訓(xùn)計(jì)劃、安裝指導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)故障處理、整機(jī)技術(shù)資料等交付方面內(nèi)容：

(一)培訓(xùn)計(jì)劃

1)電氣控制部分培訓(xùn)

合作方提供的電氣控制部分為外委制作，維修三廠派三名電氣技術(shù)人員到生產(chǎn)廠家培訓(xùn)電氣控制部分的組裝、調(diào)試等工作，計(jì)劃培訓(xùn)時(shí)間為20天(根據(jù)培訓(xùn)效果，可適當(dāng)調(diào)整)，培訓(xùn)后甲方三名電氣技術(shù)人員能夠熟練操作電氣控制部分，同時(shí)能夠獨(dú)立進(jìn)行編程，合作方協(xié)調(diào)相關(guān)培訓(xùn)工作。

2)加工現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)

由合作方安排2名技術(shù)人員(機(jī)械、電氣各一名)到甲方負(fù)責(zé)加工制作的技術(shù)指導(dǎo)工作，甲方安排相關(guān)人員進(jìn)行加工制作井下復(fù)用水處理系統(tǒng)，直至甲方能夠獨(dú)立加工制作，同時(shí)能夠進(jìn)行設(shè)備安裝、調(diào)試等工作。

3)故障處理

合作方為甲方相關(guān)人員進(jìn)行可能會(huì)出現(xiàn)的故障處理培訓(xùn)，原則上設(shè)備安裝后出現(xiàn)故障由甲方處理，如甲方無(wú)法處理的，由合作方安排人員進(jìn)行處理。

(二)合作方為我方提供如下技術(shù)資料：

1)設(shè)備使用說明書。

2)設(shè)備圖紙，包括零部件圖紙。

3)電氣控制部分圖紙。

4)所有外購(gòu)零部件技術(shù)參數(shù)，并提供供貨廠家。

5)煤安證。

6)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

7)設(shè)計(jì)、制作標(biāo)準(zhǔn)。

圖1

8)工藝流程。

3.2 設(shè)備安裝與運(yùn)行效果

項(xiàng)目實(shí)施過程中涉及安裝位置、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、礦務(wù)工程、設(shè)備安裝工程、施工單位確定等工作必須統(tǒng)籌考慮合理安排，2015年2月份維修中心完成5套設(shè)備加工任務(wù)，2016年各礦開始陸續(xù)安裝設(shè)備。安裝投產(chǎn)后對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)做了跟蹤化驗(yàn)，渾濁度、鐵離子濃度、錳離子濃度均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，工程實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。2017年初起公司陸續(xù)對(duì)寸草塔一礦、烏蘭木倫煤礦實(shí)施該項(xiàng)目。

公司從模塊化式水凈化裝置的設(shè)備工藝流程、首次運(yùn)行注意事項(xiàng)以及操作、自動(dòng)化部分的操作與使用、加藥操作、設(shè)備維護(hù)、手動(dòng)反沖洗操作、設(shè)備運(yùn)行時(shí)需注意的事項(xiàng)、設(shè)備常用備件等方面下發(fā)了操作規(guī)程，進(jìn)一步保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

4.經(jīng)濟(jì)效益分析：

以2012年哈拉溝煤礦采用氧化、沉淀過濾工藝，處理能力為200 m3/h的項(xiàng)目投資與運(yùn)行情況進(jìn)行效益分析：設(shè)備投資為280萬(wàn)元，礦建投資90萬(wàn)，總投資370萬(wàn)元。藥劑、電力消耗，日常維護(hù)等費(fèi)用為0.22元/m3，加上設(shè)備折舊綜合運(yùn)行成本為0.495元/ m3，遠(yuǎn)低于地面礦井水處理廠1.3元/ m3的用水價(jià)格，每立方水為礦井節(jié)約生產(chǎn)成本0.805元。同時(shí)還大大減少了將礦井水下從井底提升至地面的電力消耗。

經(jīng)過對(duì)哈拉溝礦水處理裝置投用前后個(gè)兩個(gè)月濾芯消耗量統(tǒng)計(jì)分析，2個(gè)綜采隊(duì)每月可節(jié)約濾芯費(fèi)用8萬(wàn)元，每年節(jié)約96萬(wàn)元。按此估算，一期項(xiàng)目的上灣煤礦、大柳塔煤礦、補(bǔ)連塔煤礦、保德煤礦共計(jì)10個(gè)綜采工作面每年濾芯費(fèi)用節(jié)約480萬(wàn)元。液壓支架大修是鍍鉻防腐費(fèi)用每套每年約80萬(wàn)元，10套液壓支架大修鍍鉻防腐每年費(fèi)費(fèi)用約800萬(wàn)元。濾芯消耗與鍍鉻每年可減少經(jīng)濟(jì)損失約1280萬(wàn)元。

5、結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家“節(jié)能減排政策”及建設(shè)資源節(jié)約型、綠色環(huán)保礦山的時(shí)代背景下，煤礦開采產(chǎn)生的水源在井下的就地凈化和復(fù)用即實(shí)現(xiàn)了水、電資源的節(jié)約，同時(shí)大大提升了采煤設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性?？茖W(xué)利用井下空間、解決好安全防爆技術(shù)和開發(fā)模塊化可移動(dòng)的井下處理裝置，是礦井水 井下處理就地復(fù)用的關(guān)鍵所在[3]。

[1]煤礦礦井水處理新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]何緒文，李福勤 《煤炭科學(xué)技術(shù)》 2010，38(11)：17-22

[2]煤礦礦井水利用的必要性.張忠善 - 《企業(yè)技術(shù)開發(fā)下》 2011

[3]煤礦礦井水井下處理就地復(fù)用工藝及關(guān)鍵技術(shù) 《河北工程大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )》 ，2010，27(2)：46-49

董愛青(1981-12)男，內(nèi)蒙古包頭人，漢族，工程師，神東煤炭集團(tuán)從事井下供排水，工業(yè)供暖，專項(xiàng)資金等機(jī)電管理工作。本科學(xué)歷。