山東兗州礦區礦井水排水及處理技術
礦井水是地下開采煤炭資源的"副產品"，長期以來被片面地作為危及安全生產的隱患相待，并習慣性地以工業廢水長年外排流失。在企業步入社會大生產和市場經濟的過程中，極有必要重新認識礦井水的綜合利用。任何資源只有通過資源化才能發揮自身的價值，煤礦的礦井水源是一種寶貴的天然資源，只是因人為的采掘作業和傳統的理念而處理不當。兗州礦業（集團）有限責任公司及下屬單位對礦井水的綜合利用，尤其是以排供結合基本實現了礦井水資源化的模式，雖然僅僅是初步的實踐和探索，卻可以從中得到諸多有益的啟示。
1 煤礦礦井水農灌對土壤環境的污染研究
濟寧、棗莊兩市是山東省重要的煤炭能源基地，兩地內有大小煤礦百余家。煤礦開采要進行排水，水質較差的礦井水在外排過程中被當地用于農業灌溉的現象較為普遍，會對土壤環境產生一定的污染。最近，山東省地質環境監測總站對此開展了研究分析，并且提出了規劃建議。此項調查表明，引用礦井水澆灌土地的土壤全鹽量明顯增加。其土壤易溶鹽分析項目中，SO42-、H0、M較對照值明顯偏高，而且老礦區的土壤含量高于新礦區，兗州礦區內的單家村煤礦、興隆莊煤礦、鮑店煤礦與落陵煤礦附近長期利用礦井水灌溉的土地，其全鹽量超出對照值0.4～1.7倍。
濟寧、棗莊礦區礦井水綜合利用應遵循兩條原則：立足于現狀處理手段，擴大礦山自身利用空間，盡快實現礦山利用礦井水全面化和深入化；在滿足礦山自身用水的基礎上，進一步與當地水資源利用相結合，2010年考慮向當地農業、工業及居民生活供水。
礦井水的綜合利用主要考慮七個方面：井下消防灑水；選煤廠洗煤補充水；黃泥灌漿用水；熱電廠循環冷卻水；綠化、道路及儲煤場防塵灑水、工業廣場辦公及生活用水；農田灌溉以及養殖用水；居民區生活飲用水。濟寧、棗莊礦區礦井水的礦山自身綜合利用率2005年達到48.6%，比2000年提高了13.5%；計劃到2010年將達到53.9%，并在滿足礦山自身的需求以后全面向當地供水。規劃在兗州、濟寧、滕州、官橋和陶棗煤田共建設7個礦井水處理站，將外排的礦井水收集處理以后用于工農業生產及城市綠化、除塵、消防等方面，總供水能力為9.1萬m3/d;另在官橋煤田規劃一處供水水源地,向棗莊市新城區局面生活供水, 供水能力為1萬m3/d。
2煤礦礦井水處理技術的研究
1）井下煤泥水處理系統的研究與應用
兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦五采區正常涌水量200～300 m3/h，急劇的涌水造成工作面大量浮煤被夾帶入泄水巷，導致井底水倉嚴重淤積。他們通過對礦井涌水、工作面煤泥水和主水倉排水能力與狀況的分析，建立了從工作面源頭到主水倉的大型煤泥水處理系統，在與高產高效礦井實現配套設施能力匹配的同時，也取得了較好的資源回收和環境保護效果。
他們根據煤泥水處理設備各部分的性能，有選擇地對該設備進行了功能分解和科學使用，按照防淤與治淤相結合的方案建立了三級攔截處理煤泥系統。
① 采煤工作面碎煤連續攔截系統。工作面源頭是治理煤泥非常關鍵的環節。在采用該設備的基礎上，配合配套過濾工程實現工作面碎煤的初步攔截。以現有的泄水巷為主要硐室，安裝脫水設備，進行工作面初級處理；碎煤攔截系統可使大于8mm粒級的碎煤達到95%以上的攔截率，脫水煤泥的含水率小于35%；碎煤提取、脫水和運輸系統具有結構緊湊、安裝方便與防爆等特點，占用硐室量不超過180m3。
② 采區水倉煤泥濃縮及脫水系統。經過在工作面對粒級較大的碎煤處理后，大量粒級較小的煤泥和少部分粒級較大碎煤通過泄水巷流入采區水倉，由此系統定期清挖。利用現有的采區硐室進行煤泥自然濃縮沉淀；進行小于8mm小粒級煤泥濃縮處理，濃縮煤泥采用連續穩定提取措施；小于0.5mm粒級煤泥的濃縮率達到85% 以上、提取率達到75%以上。
③ 井底水倉自動連續清挖系統。通過工作面和采區水倉的煤泥攔截、清挖和脫水系統的建立，對大于0.25mm粒級煤泥的去除率可以達到85%以上，但是大部分小于0.25mm粒級的煤泥因沿途的吸附作用已經形成膠核，難以在自然狀態下濃縮沉淀。為此，采取了自然沉淀控制的辦法，在井底水倉進行日常處理和定期清挖。施工專用硐室，采用新型礦井水倉清挖設備進行小粒級煤泥快速濃縮與脫水處理，小于0.25mm粒級煤泥的去除率達到80%以上、提取率達到70%以上，脫水煤泥的含水率小于45%。通過以上處理，基本順利實現了煤礦井下煤泥的濃排、濃縮、脫水、裝車自動化和機械流水線。
2）礦井水井下凈化處理工程
兗州礦業（集團）公司東灘煤礦在國內首家實現了礦井污水井下處理和處理后的凈化水直接利用，是礦井污水處理和水資源綜合利用技術的重大突破與創新，居國內領先水平，有著廣泛的推廣價值，已經由山東省科委組織并通過了專家的技術鑒定。近年來，國內為了尋求解決礦井井下水倉清理的好辦法，曾經試驗用過高壓水管和螺旋水倉清理機，也用過柱塞泵和特制的挖斗效果都不理想，所以現在仍然采取勞動強度大、環境衛生條件惡劣的人工清理。在此項課題研究中，他們根據礦井現有的條件，于入倉之前布置了污水處理系統先進行處理，把水倉變成清水儲水倉，并在其上設置了工業供水裝置，同時解決了工業用水的問題。
原水經過反應以后，水中的懸浮物形成細小顆粒并聚合絮凝，沉淀的部分煤泥通過快開閥排入調節池。經過處理后的礦井水一部分進入井下工業用水系統，用作消防灑水和采掘機械用水，剩余部分排至地面，進入選煤廠和煤泥熱電廠作為工業用水。礦井主排水泵由排濁水變成排清水，有利于延長水泵及管路使用壽命，減少其維護費用。水處理過程中產生的煤泥進入貯泥池、泥漿濃縮塔，注入到廂式自動板框壓濾機，將煤泥壓濾成煤餅，裝車升井。
專家們認為：該工程在調研、實驗、比選的基礎上確定的格柵-沉砂-混合-旋流反應及斜管沉淀-混凝-過濾吸附以及污泥壓濾之工藝先進完善，保證了出水水質，從根本上解決了井下水倉清理的難題。該系統的建成投運，起到了保護生態環境及礦井主排水泵的作用，同時處理后的礦井水得以重復利用，充分開發了寶貴的水資源，減少了環境污染，具有明顯的經濟效益和環保效益。
3）平流沉淀池清淤裝置
兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦礦井水處理廠的實際運行無法實現原設計的排淤要求，池內每天至少積存0.3%以上的超過20g/L高濃度淤泥水，為此，他們研制出了一套省工省時的排淤泥裝置，提高了礦井水處理質量。
該裝置是仿制人工清理污泥的原理而設計的。人工清理工藝先將調節池中的水排干，多人穿著防水衣下到池內，人工用掃帚將淤泥推入到幾臺小型潛污泵附近，再來回拉動潛污泵進行排淤。新上的機械裝置可帶動幾臺泵同時進行縱向移動排污，機械收泥裝置在移動的過程中自動將污泥推向泵的附近，不需要排干池子內的水，達到了自動化連續排污的目的。
該裝置由以下幾部分組成：①行走裝置。主要包括行走工作平臺、行走傳動機構兩部分，是承載和移動排污泵及收泥器的主要載體。行走工作平臺主要由主支承梁、次構造梁、平臺鋪板組成。傳動機構包括電動機、減速器、行走輪、從動輪及軌道。根據機械設計手冊并且參照相關行車資料，選擇行走輪直徑為Φ400mm，行走速度為1.0m/min。軌道選用38kg/m。由于行走速度很慢，加之污水的比重僅為 1.2～1.4kg/cm3，物體在水中的移動阻力可以忽略，因此主要依據克服摩擦力進行選型。②排污設施。選用4臺液下排污泵，流量40m3/h，揚程 25m，排污溜槽為400mm×600mm的玻璃鋼內襯鋼板。③收泥裝置。主要由10mm鋼板按60。傾角焊接而成，安設在污泥泵附近。④限位裝置。在沉淀池內設限位開關和防撞緩沖及報警機構。⑤檢修起吊裝置。鑒于水體雜物易堵塞污泥泵，在行走平臺上方設手動行走起吊裝置，便于檢查和更換。⑥電氣控制部分。能實現清淤裝置的就地/遠程控制。
4）集散式分布控制系統應用于礦井水處理系統
兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦原有的礦井水處理設施已經無法滿足礦井水排量的需求，必須對原處理設施進行技術改造，提高礦井水的處理能力。為此，他們在山東省煤炭科學研究所的幫助下增設了一套新的礦井水處理設備。為了降低了水處理成本，采用了集散式分布控制系統，對設備異常采用超級文本指示可能出現故障的原因，有利于準確分析、判斷和排除故障。
濟二礦的礦井水處理設施分兩點布置，一級站與二級站相距450m。站內設備布置相對集中，分別設有1臺可編程控制器（PLC）對設備進行控制。由于過程控制涉及到整個系統設備監控、數據采集以及自動加藥排泥、消毒等諸多環節，所以自動加藥排泥和消毒都具備獨立的控制單元。礦井水處理過程控制系統由網絡服務器、上位機系統、PLC控制系統、二氧化氯消毒控制系統、智能儀表、傳感變送器以及打印機等組成。此系統采用 Porfibus工業總線集散式分布控制方式。上位系統通過MPI總線與下位控制單元PLC、智能控制單元等進行通訊，從而完成相關設備運轉的工況監控、相關工藝參數的實時監測和顯示、工藝流程控制、動畫顯示、數據存儲、報表管理、定時打印。
實踐表明，集散分布控制方式的最大優勢在于控制風險分擔，將控制功能分散到若干個智能控制單元，避免系統某一環節異常或故障而造成整體癱瘓，有著較高的可靠性。下位機如PLC、智能儀表具有獨立的CPU，既可脫離上位機獨立完成控制功能，又可通過網絡通訊接受上位機的監控與管理。由于系統配置靈活、擴展方便，各工控智能單元作為下位機既獨立又與整個系統融為一體，優勢得以充分發揮，具有較高的性能價格比。
5）礦井水處理設備改型
兗州礦業（集團）公司南屯煤礦與山東科技大學合作，對原設計的地面組合式礦井水處理設備進行了改型，變原來的組合式為分體式，分別加工制造了井下用絮凝反應裝置、沉淀裝置和過濾裝置，用于該礦井下礦井水處理站，有利于保護水資源、促進礦井潔凈生產、保護地面生態環境，具有顯著的社會效益。
此項研究認為：傳統的礦井排供水系統存在著系統負雜、路線長、占用設備多、排水高程大等問題，應依據礦井井下的需水量，在井底水倉附近建立礦井井下用水凈化處理系統，然后利用自然壓差將凈化處理的礦井水供給下部水平的生產采區、掘進迎頭等井下用水點。此外，傳統的礦井水處理工藝系統雖然具有處理量大的優點，但同時也具有施工過程復雜和硐室施工量大的缺點。如果在井下采取一些清、濁分流或預沉措施，礦井水中的懸浮物比排至地面的混合水會低得多，因此其處理難度也小。
屯礦井底水倉標高為-350m，而目前的開采水平位于-570m以下。通過方案比較，確定其井下水處理系統位于井底水倉附近，以便于實現對現有采掘區域的無動力供水。其主要工藝參數和特點如下：按照井下需水量，設計處理能力為2500m3/d；設計選用沉淀裝置和過濾裝置各3套，每套處理能力為50m3 /h，同時配備絮凝反應裝置2套、加藥裝置2套、施工調節池（硐室）2個、清水蓄水池1個、污泥脫水系統1套；沉淀裝置具有機械排泥系統，系統排泥不會影響沉淀裝置的運行；絮凝反應、沉淀和過濾裝置，采取地面制造、井下安裝，大大減少了井下硐室的施工量和整個系統的施工安裝周期；清水蓄水池的合理設計，實現了井下無動力供水。
6）兗礦應用迷宮斜板沉淀效果好
最近，兗州礦業（集團）公司環保中心根據煤礦礦井水的水質特點，對于在兗州礦區使用比較多的迷宮斜板沉淀池工作原理及其效果進行了分析，研究了礦井水處理站迷宮斜板沉淀池的沉淀效率、沉淀時間、占地面積及懸浮物濃度等參數的變化，為煤礦礦井水的深度凈化處理提供了科學的依據。隨著兗州礦區生產的不斷發展，礦井涌水量也不斷增加。為了貫徹水污染防治法及擴大水資源的利用率，他們建立了7座礦井水處理站，全年處理量為14.32Mt，處理率為84.48%，處理達標率100%；礦井水復用量為8.58Mt，復用率 50%。
根據各礦不同的特點與用途，礦井水的處理工藝、方法也不盡相同，但沉淀池是一個不可缺少的構筑物。迷宮斜板沉淀具有渦流，能將顆粒強制輸送到沉淀效果良好的迷宮內，所以其沉淀效率為平流式的40~50倍，是普通斜板沉淀池的5倍，是斜管沉淀池的2.3倍。他們以斜板沉淀出水濁度為標準，在同一條件下比較了側向流迷宮斜板和普通斜板的停留時間，結果表明迷宮斜板的停留時間極短。由于沉淀效率高，斜板沉淀池占地面積比平流沉淀池、斜管沉淀池和普通斜板沉淀池小。此外，迷宮斜板沉淀池的投資少，一般噸水投資為400元左右。鑒于迷宮斜板沉淀池的上述優點，從而在水處理中的應用越來越廣泛。兗州礦區礦井水在懸浮物濃度不很高的情況下，僅經過混凝迷宮斜板沉淀及消毒即可作為飲用水源，簡化了處理工藝，減少了投資與占地面積；另外，迷宮斜板沉淀池尤其適用于原有沉淀池的改、擴建工程。因此，他們認為迷宮斜板沉淀是礦井水處理中較為有效的方法，值得大力發展應用。
3 排水系統及設備的研究
1）井下組裝式水倉
兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦4304（北）綜采工作面為四采區邊角煤開采工作面，各生產系統均利用六采區的生產系統，但六采區的水倉當時尚未施工故不能形成排水系統。根據以往的經驗，施工裝備一個永久水倉至少需要半年時間。為了實現4304（北）綜采工作面按期投產的目標，要求另劈蹊徑尋找一種快速高效施工井下水倉的方法。經過充分的調研和論證，他們確定利用大口徑聚丙烯管道配合法蘭盤連接，在六采區皮帶下山與4304（北）綜采工作面皮帶機頭東側安裝組裝式水倉。由于該工作面的最大涌水量大約在4m3/h左右，組裝式水倉設計容量為50m3，兩臺排水泵分別為MD155-30×6型礦用多級泵（排水量119m3/h）和QBK-50-100型氣動隔膜泵（排水量14.4m3/h），能夠滿足4304（北）綜采工作面和六采區各個掘進頭的排水需要。
①組裝工藝。首先確定合適的安裝地點，平整施工現場的底板；將幾個直徑為1.5m的大口徑聚丙烯管道利用法蘭盤連接成長度為2.8m，把連接好的管道與相關設備運至井下安裝地點；按照安裝圖紙對管路及相關設備進行組裝；安裝完畢以后，進行設備試運轉。
②排水路線。4304（北）綜采工作面兩順槽低洼點→六采區軌道下山→六采區皮帶下山的組裝水倉→北翼皮帶大巷→井底水倉。在正常的情況下由小泵排水，如果水量比較大就啟用大泵排水。同時，在安裝小泵的泵窩內還裝有水位自動監測裝置，當水位上升到了一定位置的時候，小泵就會自動排水，實現了排水自動化。水倉的清理是通過清理管路配合閥門，利用沉淀池將淤煤沉淀，然后裝車上井。由于計劃周密、措施得力，從設備下井至安裝完畢僅用了3天，而且試運轉一次成功，達到了預期的目的。實踐證明，井下組裝式水倉具有安裝快速、容量可任意調節和重復利用等特點，可以應用于中轉排水點及各類水倉，有著很高的推廣價值。
2）煤礦井下排水系統全自動控制
兗州礦業（集團）公司北宿煤礦采用傳感器監測井下水倉水位、水泵入口真空度及出口壓力、電機工作電流等參數，并利用可編程序控制器根據水倉水位的高低和連續開機次數累加等條件自動控制3臺泵的啟動和停止，實現輪換啟動、故障報警和保護停機等功能，從而實現對井下排水系統的全自動控制。
他們根據二水平水泵房自動監控系統的要求以及將來擴展的要求，選用西門子 S7-300型可編程序控制器，并配備1塊32點數字量輸入模塊、1塊16點數字量輸入模塊和2塊8點模擬量輸入模塊。軟件的設計思路如下：程序是通過判斷水位的高低來控制泵的啟動和停止的。當液面上升達到設定水位時，運行開機程序，打開射流電磁閥自動灌引水、開啟排水泵、自動打開排水管路上的電動閥，實現排水泵自動開機；當液面下降到設定水位時，運行關機程序，自動關閉排水管路上的電動閥，關閉排水泵實現排水泵自動開機。
針對現場可能出現的情況，主要考慮了以下抗干擾措施：在選擇系統模塊時進行了功耗計算，嚴格遵循了各模塊總功耗值小于電源框架容量的原則；采用"一對一"屏蔽電纜直接將變送器輸出信號送入PLC；模擬量輸入時，系統本身具有模擬電路與數字電路的光電距離，使用中主要考慮外部干擾的抑制，如確保工作電源電壓穩定、保證A/D轉換精度、注意輸入輸出阻抗匹配、模擬量輸入范圍不得超過允許值等；在安裝過程中，為防止電磁干擾，所有輸入線與強電導線嚴格分開，輸入線和輸出線分開連線，不能分開時均使用整體屏蔽型電纜，屏蔽層在PLC側接地；在軟件的編程上，通過設置程序口令、自檢程序、強制運行等措施，提高軟件的抗干擾能力，保證系統的支持運行。
3）采區水窩無人值守自動排水裝置
兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦的采區開拓巷道及回采準備巷道均布置在煤層底板中，巷道容易積水，需要設置臨時水窩進行排水。巷道距離較長時則要采取多級排水。為此，他們研制出了采區水窩無人值守自動排水裝置，實現了采區臨時水窩排水自動化，消除了掘進工作面和回采巷道涌水、淋水積聚和倒流的現象。
該自動排水裝置由隔爆型液位控制器（包括電源電路、執行電路、集中控制電路、顯示電路、傳感器電路）、電極、低壓防爆開關、水泵等組成的。其工作原理如下：液位控制器與低壓防爆開關的控制回路連接，電極始終沒于水中，當水位達到液位上限的時候，液位上限與電極構成回路，液位控制器動作，延時5～10s（延時時間可以調整，避免因為液位波動造成開關和水泵頻繁啟動而損壞）由液位控制器控制低壓防爆開關閉合，啟動水泵運行；當水位低于液位下限的時候，液位下限與電極構成的回路斷開，延時 5～10s停機。電路傳感采用電極式，傳感信號比較強，使得液位的高低控制更加準確，并且安裝方便，液位的高低差可以隨意調節。需要緊急排水或者自動控制電路出現故障的時候，可以采用手動操作繼續工作；當忘記停機的時候，由于有保護電路，同樣可以自動停機，避免排干水窩使水泵空轉而損壞。
迄今為止，該礦已經有20臺采區水窩無人值守自動排水裝置在井下投入使用，運轉情況良好。行家們指出：此項成果改變了以往臨時水窩安裝水泵以后必須留人值班的狀況，有利于規范化管理和標準化建設；減少了電器設備因為被水浸泡而導致的設備故障，保障了安全生產；積水的及時排出還有利于工人的現場操作和身體健康，具有很好的推廣應用價值。
4）礦井主排水設備的經濟運行
礦井排水設備消耗的電能占礦井總耗能量的比例很大，其運行經濟性對礦井生產成本具有重要的影響。最近，兗州礦業（集團）公司職工大學通過對煤礦主排水設備運行特性的分析，提出了經濟運行的措施和優化方案，以節約能源、降低生產成本。
一項研究提出，影響礦井主排水泵工況的因素比較多，在條件許可的情況下應當從以下幾個方面著手，例如采用新型的高效泵、合理選擇水泵的工況點、優化富裕的揚程（減少葉輪的數目和削短葉輪葉片的直徑）、降低排水管路的阻力和改善管路的特性、降低吸水的高度和減小吸水的阻力、加強水泵的技術測定和科學安排大修的周期等。
近年來，兗州礦區的29臺主排水泵綜合采用了這些方案，綜合效率由62.2%提高到了70%以上，節約功率458kW以上。
5）離心式水泵經濟運行措施研究
在煤礦地下開采過程中，井下排水泵的耗電量非常大，一般可占到總耗電量的20%左右。為此，兗州礦業（集團）有限責任公司開展了離心式水泵經濟運行措施的研究。
⑴合理選擇水泵的工況點。水泵運行工況離開設計工況越遠效率越低。因此，從經濟運行節約用電考慮，選取排水系統實際工況時最好選在特性曲線最佳效率點的右側。如選在最佳點運行，由于葉輪對部件磨損及管路積垢等會使工況點左移，效率將明顯降低；如選在右側運行，工況點左移后反而靠近最佳工況點。
⑵采用新型高效泵。高效泵的特點是設計制造精度高、各部配合間隙小，具有扭曲葉片的葉輪，降低了水流損失，其效率可達78%，一般對一級葉輪采取加寬進水口和葉片扭曲角的辦法，以改善泵的汽蝕性能。
⑶保持水泵高效運行的裝配措施。如采用符合質量標準的零部件、保證各部配合間隙、軸向串量應保證葉輪與導翼輪對中、水泵螺旋密封、聯軸器端面間隙等。
⑷調整水泵揚程。①水泵的正常工作揚程大于礦井需要揚程，如超過一個以上葉輪所產生的揚程時，可減少葉輪數目降低水泵揚程。②當水泵的揚程大于礦井需要的揚程，但又不足一個葉輪所產生的揚程時，也可利用切削葉輪外徑的方法調節。
⑸降低排水管路阻力，改善網絡特性。①清掃排水管路積垢？捎盟⒆、塊石或棘球清掃。②實行多管排水。須注意單管排水時的水泵實際工況點。如在最佳效率點的左側，實行多管排水的效果受限；若已在最佳效率點右側，多管排水后繼續右移，流量增大，如不出現氣蝕、電動機也不過負荷，則多管排水是經濟的。
⑹降低系統吸上真空高度，減少吸程阻力。水泵的總揚程包括吸水和排水集合高度與管路阻力損失，但吸上真空高度對排水系統效率的影響不僅是吸水高度和阻力損失，還與水泵結構和吸水特性有關。水泵工作工況必須與吸上真空高度相適應，才能充分發揮排水效率。具體措施有無底閥排水、高水位排水、正壓排水和及時清理吸水小井和水倉。
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