王家傳，田新，謝允飛，白付干

(山西省中陽榮欣焦化有限公司，山西 呂梁 033400)

0 引言

山西省中陽榮欣焦化有限公司高家莊煤礦井田面積39.976 km2，可采煤層為2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)，礦井總資源量為503.83 Mt。水文地質(zhì)類型為中等。礦井現(xiàn)階段涌水量較小，經(jīng)測(cè)量，目前礦井的最大涌水量為46 m3/h，正常涌水量為15 m3，正常生產(chǎn)用水量15 m3/h。井下建立有獨(dú)立完善的排水系統(tǒng)，混合井底建有主排水泵房，布置有主、副水倉，總?cè)莘e1180 m3。水泵房安裝有D155-67×8型多級(jí)離心泵三臺(tái)，額定流量為155 m3/h, 揚(yáng)程536 m。主排水管為兩趟D219×(9 mm、6 mm)的無縫鋼管，沿混合立井敷設(shè)至地面礦井水處理站。礦井在西翼軌道大巷設(shè)置采區(qū)水倉，西翼采掘工作面的水通過管路及水溝排至采區(qū)水倉，采區(qū)水泵房排出的水經(jīng)過管路及水溝排入中央水倉，采區(qū)水倉和采區(qū)水泵房滿足采區(qū)排水需求。礦井東翼各采掘工作面的水通過水溝及管路排至東翼軌道大巷水溝內(nèi)，然后通過東翼軌道大巷水溝自流進(jìn)入中央水倉。

為了探索更高效的循環(huán)用水的辦法，礦井水處理站于2014年2月開工建設(shè)，2015年3月投入運(yùn)行，處理站規(guī)模為150 m3/h，采用混凝、沉淀、過濾為一體的處理工藝、達(dá)到了《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，2019年11月2020年3月對(duì)礦井水處理站進(jìn)行提標(biāo)改造，采用“旋流預(yù)沉器+絮凝混合反應(yīng)器+煤水分離器+多介質(zhì)過濾器+超濾系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)+消毒系統(tǒng)”工藝，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。礦井水處理站經(jīng)過反滲透水質(zhì)達(dá)到地表三類標(biāo)準(zhǔn)的能力為每小時(shí)25 m3/h。

煤礦目前的排水系統(tǒng)存在用水量較大的問題，加上井底水倉常常發(fā)生淤堵的現(xiàn)象，從而增加了清理次數(shù)和時(shí)間[1]。這樣就降低了排水系統(tǒng)運(yùn)行過程中的可靠性，且隨著礦井規(guī)模越來越大，該種模式的排水系統(tǒng)也很難勝任礦井正常的生產(chǎn)需求，急需做出一定的改進(jìn)[2]。

1 定向鉆機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及存在的問題

煤礦定向鉆進(jìn)技術(shù)具有軌跡深，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域治理：軌跡深，有好的防突作用；軌跡可控，有效進(jìn)尺多；鉆孔少，便于封孔、管理；區(qū)域治理，預(yù)抽期長等特點(diǎn)[3]。由于礦井瓦斯治理需要，2020年4月份后，先后購買4臺(tái)ZYL-6000D型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)，進(jìn)行瓦斯治理。

該型號(hào)鉆采用水排粉，單臺(tái)正常用水量15～20 m3/h，使用四臺(tái)鉆機(jī)，正常開機(jī)3臺(tái)同時(shí)開機(jī)，需要增加生產(chǎn)打鉆用水45～60 m3/h，為礦井水處理站處理能力2.4倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過礦井地面污水站處理能力，同時(shí)由于生產(chǎn)用排水量大大增加，水質(zhì)夾帶大量煤泥，造成大巷水溝，井底水倉經(jīng)常淤堵，增加清理頻次和時(shí)間[4]。因此，如何解決定向鉆機(jī)打鉆用水排水問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗減排，打鉆污水循環(huán)再利用，是一個(gè)十分值得探索的問題[5]。

自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)取得了長足的發(fā)展，產(chǎn)品規(guī)格增多、產(chǎn)品性能得到改善、工藝水平也進(jìn)一步提高，目前已形成了系列鉆機(jī)品牌，并研究出以穩(wěn)定組合鉆具控制鉆孔軌跡為主流代表的專用裝備和定向鉆進(jìn)技術(shù)。其中，最新的履帶自行走式全液壓設(shè)計(jì)，較大增加了千米鉆機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，已在部分礦區(qū)應(yīng)用，并取得了成功[6]。

但是，隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和普及，定向鉆機(jī)在技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用方面，也存在著一些問題。如鉆機(jī)施工工藝、封孔工藝、鉆孔參數(shù)和抽采參數(shù)合理匹配方面的研究亟待加強(qiáng)等。隨著定向鉆孔技術(shù)的應(yīng)用，其要求也應(yīng)隨之發(fā)生變化。因此，在應(yīng)用定向鉆機(jī)的過程中，無論從安全的角度或經(jīng)濟(jì)的角度，都應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)的施工工藝、封孔技術(shù)、鉆進(jìn)參數(shù)合理匹配等方面的研究，從而最大程度地發(fā)揮定向鉆機(jī)的裝備優(yōu)勢(shì)[7]。

定向鉆機(jī)使用普通清水水質(zhì)要求應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下幾點(diǎn)。

(1) 由于大顆粒煤巖顆粒水在高壓力作用下，對(duì)于鉆機(jī)馬達(dá)鉆桿內(nèi)壁，有破壞影響。因此，水質(zhì)應(yīng)當(dāng)達(dá)到懸浮物顆粒粒徑0.3 mm以下。

(2) 快速處理能力，能夠在短時(shí)間處理再利用，因?yàn)榇蜚@現(xiàn)場(chǎng)一般空間受限，不可能放置大容量凈化水裝備。

(3) 設(shè)備以及井下現(xiàn)場(chǎng)成套配套，便于就近循環(huán)利用，減少煤泥淤積長度和范圍。

(4) 便于現(xiàn)場(chǎng)人員操作。打鉆使用后污水只增加煤巖顆粒物，無其他污染物質(zhì)，因此，復(fù)用打鉆污水只需去顆粒物凈化。煤礦清水過濾站裝備不少，但是大多數(shù)用于煤礦液壓設(shè)備高精密水質(zhì)處理，滿足以上條件直接使用的準(zhǔn)備不多。

2 優(yōu)化定向鉆機(jī)排水系統(tǒng)的技術(shù)方案

目前、經(jīng)過查閱相關(guān)資料和了解，國內(nèi)對(duì)于打鉆循環(huán)水使用，也有此方面相關(guān)研究和應(yīng)用介紹，其方法有采用簡單過濾，有采用氣動(dòng)沖劇過濾物?？傮w來說，沒有成熟產(chǎn)品可供應(yīng)用。

2.1 具體過濾裝置

采用礦用全自動(dòng)反沖洗清水過濾站(JSYL-QDX-ZD-DN100 4.0 MPa)，對(duì)其過濾粒徑改造設(shè)為120～300 μm，反沖洗工作壓力1.0～4.0 MPa，設(shè)計(jì)流量 50 t/h。配電控制器 ZLF127 礦用乳化液泵站過濾器反沖洗電控裝置，防爆 DN50 電動(dòng)球閥絲扣連接，具體過濾器參數(shù)見表1。

表1 過濾器參數(shù)

引入該裝置并進(jìn)行改造，并在現(xiàn)場(chǎng)施工沉淀池或者水箱2～3個(gè)，沉淀池加管路連接，加濾網(wǎng)，配電潛泵或者風(fēng)泵。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作，單人同時(shí)控制操作啟動(dòng)過濾系統(tǒng)運(yùn)行。

圖1 循環(huán)水使用現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2.2 循環(huán)水使用流程

(1) 定向鉆機(jī)施工抽采鉆孔的打鉆污水，先進(jìn)入氣水分離器，大部分煤渣在此沉降進(jìn)行清理；

(2) 氣水分離器中細(xì)小顆粒隨污水進(jìn)入3級(jí)凈化水箱，進(jìn)行逐級(jí)沉降過濾；

(3) 電潛泵在第3個(gè)凈化水池吸入污水經(jīng)進(jìn)水管送入過濾器；

(4) 過濾后的水進(jìn)入泥漿泵車水箱，最后成為打鉆用水。

2.3 改進(jìn)情況

首次使用時(shí)，只有2個(gè)凈化水箱，每個(gè)凈化水箱容積只有0.6 m3，總?cè)莘e僅為1.2 m3，污水中的顆粒物不能得到有效沉降；再加上為過濾器供水使用的是隔膜風(fēng)泵，供水壓力不均衡；導(dǎo)致過濾裝置過濾效果差、水量小。

在使用過程中，通過不斷觀察、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，多次對(duì)沉淀水池、過濾裝置管路連接等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、布置、連接，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行部分改進(jìn)，達(dá)到了使用效果。主要改進(jìn)如下：

(1) 增加了凈化水箱的個(gè)數(shù)和容積。將原有的2個(gè)凈化水箱增加到3個(gè)，加上打鉆氣水分離器和反沖洗過濾器，形成5級(jí)沉降過濾，將單個(gè)凈化水箱容積由原有的0.6 m3增加到2.1 m3，總?cè)莘e達(dá)到了6.3 m3。解決了顆粒物在小空間內(nèi)不能得到有效沉降的問題。

(2) 對(duì)凈化水箱的連接和內(nèi)部進(jìn)行改進(jìn)。將原有的每個(gè)凈化水箱使用1個(gè)6寸管連接改為現(xiàn)有的每個(gè)凈化水箱之間使用3個(gè)6寸管連接，6寸管成對(duì)角式布置，這種布置方式增大了進(jìn)出水口距離，減少水流對(duì)細(xì)小顆粒的帶動(dòng)，有利于細(xì)小顆粒沉降；6寸管兩端設(shè)計(jì)了活動(dòng)式鐵網(wǎng)，鐵網(wǎng)外包裹細(xì)砂網(wǎng)，進(jìn)一步對(duì)細(xì)小顆粒進(jìn)行過濾，經(jīng)使用，大部分細(xì)小顆粒在第一個(gè)凈化水箱就得到了有效沉降、阻擋。

(3) 對(duì)過濾器供水水泵進(jìn)行改進(jìn)。原有使用隔膜風(fēng)泵供水，存在供水壓力不均衡，引起進(jìn)水管擺動(dòng)，經(jīng)常導(dǎo)致進(jìn)水管脫落，造成過濾器停止工作[8]。改為電潛泵后，供水壓力、供水水量均衡持續(xù)穩(wěn)定，過濾器能夠正常工作，自動(dòng)反沖洗[9]。

3 打鉆使用循環(huán)水的實(shí)施效果作用分析

自2021年4月以來，根據(jù)設(shè)計(jì)思路，利用現(xiàn)場(chǎng)地形環(huán)境布置定向鉆機(jī)、泥漿泵車、水箱、凈化水箱、水泵、過濾裝置、管路連接及其他各種裝備位置，并進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，在礦井東翼2207膠帶運(yùn)輸順槽進(jìn)行試用，達(dá)到使用效果，完全滿足打鉆需要。

3.1 效果分析

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)。自動(dòng)反沖洗清水過濾站基礎(chǔ)上的循環(huán)水利用系統(tǒng)自2021年7月～8月在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試使用，經(jīng)過不斷的摸索實(shí)踐、總結(jié)與分析，逐漸規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)打鉆污水循環(huán)使用，減少了打鉆地點(diǎn)用水外排。改進(jìn)及結(jié)果見打鉆循環(huán)水系統(tǒng)改進(jìn)情況表。

表2 打鉆循環(huán)水系統(tǒng)改進(jìn)情況表

續(xù)表

3.2 打鉆使用循環(huán)水經(jīng)濟(jì)效益分析

一套打鉆使用循環(huán)水處理系統(tǒng)投入：過濾器裝置價(jià)格24萬元，其他裝置0.3萬元，全套循環(huán)水處理裝置24.3萬元，日處理復(fù)用水量300 m3，如全礦將有3套同時(shí)使用，日處理復(fù)用水量900 m3。 礦井排水費(fèi)用1.5元/m3。礦井水處理費(fèi)用8元/m3，合計(jì)水處理9.5元/m3。日節(jié)約水處理費(fèi)用0.855萬元，年節(jié)約水處理費(fèi)用312.075萬元，測(cè)算的經(jīng)濟(jì)效益還不包括減少人工清理大巷水溝以及水倉費(fèi)用。可見打鉆使用循環(huán)水經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

4 結(jié)論

(1) 由于采用快速過濾復(fù)用，大粒徑煤巖顆粒物被過濾，粒徑小于0.3 mm，完全能夠滿足要求，但是水懸浮物濃度隨著循環(huán)次數(shù)和時(shí)間增加，會(huì)越來越大，當(dāng)懸浮物含量大于300 mg / L，對(duì)打鉆使用影響較大。由此，每48～72 h應(yīng)當(dāng)補(bǔ)水或換水1～2次，換水量5～10 m3。

(2) 為了加快循環(huán)水懸浮物沉降速度，在凈化水箱加次氧化鈉凈水藥劑、速凝劑等，加速除去顆粒物。 反沖洗清水過濾站沖洗過濾雜質(zhì)頻次可調(diào)節(jié)，頻次不宜過多，一般間隔時(shí)間大于1 h。凈化水箱、反沖洗裝置底部沉淀物要及時(shí)清理。反沖洗裝置排泄污水閥門直徑加大，大于50 mm便于排細(xì)顆粒沉淀物。 打鉆應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，均勻供水，避免水量供給排出過大或者過小，造成裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，水泵‘時(shí)開時(shí)?！l次高，不利于設(shè)備保護(hù)。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)有較大空間的情況下，加大凈化水箱體積和個(gè)數(shù)，增大循環(huán)水沉淀時(shí)間，有利于污水過濾效果。 要定期對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行檢查維護(hù)保養(yǎng)，當(dāng)出現(xiàn)漏、滴油時(shí)，必須及時(shí)處理，避免油污進(jìn)入凈化水池。油污本身具有黏性，會(huì)與浮動(dòng)的細(xì)小粉末黏合，不但會(huì)堵塞凈化水池間濾網(wǎng)，還會(huì)對(duì)打鉆水造成二次污染。使用過濾裝置系統(tǒng)后，管路連接較多，管路在高壓下持續(xù)工作，可能會(huì)接頭松動(dòng)、開裂，應(yīng)經(jīng)常檢查各個(gè)管路及連接完好性。