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煤礦井下供水設計
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之前介紹高壓減壓閥，現(xiàn)在介紹煤礦井下供水設計分析了煤炭給排水的現(xiàn)狀及存在問題，從給水水源選擇、井下供水、礦井工業(yè)場地的循環(huán)冷卻用水及煤礦污水處理等方面探討了煤礦給排水設計存在的問題及改進方向，論述了合理利用礦井排水資源，合理配置給排水及循環(huán)水系統(tǒng)，提出煤礦污水處理必須實際選擇可行性方案。
煤礦井下供水設計煤礦給水設計的基本任務是滿足礦井建設生產(chǎn)對水量、水壓和水質(zhì)的要求。主要包括礦井工業(yè)廣場的生產(chǎn)、生活及消防用水;各類工業(yè)設備的冷卻循環(huán)用水;礦井住宅區(qū)的生活及消防用水;礦井井下給水。
煤礦排水設計的基本任務是將礦井工業(yè)廣場及居住區(qū)產(chǎn)生的各類生產(chǎn)廢水、生活污水及雨水有組織的、符合環(huán)境保護要求排入地面水體。
煤礦給排水設計與城市給排水設計相比較有許多相似之處但又有其特殊性。一方面生產(chǎn)生活需要大量用水，另一方面煤礦開采又大大破壞地下水資源。在煤礦建設過程中，怎樣才能符合市場經(jīng)濟規(guī)律，進行商業(yè)化、城市化給排水設計，怎樣合理利用水資源，保護地面水環(huán)境，是煤礦給排水設計工作者必須重視的問題。本文結(jié)合多年從事煤礦設計的實踐，對煤礦建設給排水設計存在的若干問題提出自己的看法。
1給水設計
1.1水源的選擇
目前大多數(shù)礦井工業(yè)場地及居住區(qū)供水以取水源井地下水為主要供水水源、礦井水凈化后回用作為輔助供水水源。給水設計
1.1 水源的選擇
目前大多數(shù)礦井工業(yè)場地及居住區(qū)供水以取水源井地下水為主要供水水源、礦井水凈化后回用作為輔助供水水源。
1.1.1 存在問題
以上供水方式存在下列問題：
①為保證礦井生產(chǎn)、生活用水，必須建許多水源井，以淮南礦區(qū)為例，潘三、謝橋煤礦均建有10多座水源井，這些水源井的泵房及設備投入大，且每座水源井還得征地保護。水源井輸水管路較長。另外水源井取水能耗高，以淮南地區(qū)為例，一般成井深度超過80m，需要15～22KW的深井泵將地下水提升送至工業(yè)場地及居住區(qū)水池。
②工業(yè)場地及居住區(qū)供水設施分散，重復建設較多。特別是工業(yè)場地礦井水供水為非飲用水系統(tǒng)與水源井供水系統(tǒng)必須分開設置，連管道亦單獨建設。因此，供水系統(tǒng)投資較高。
③礦井水利用率低，水資源浪費嚴重。
1.1.2 解決辦法
因此，在進行煤礦給水設計時應解放思想，打破慣用的供水模式，充分利用礦井排水資源，在礦井工業(yè)場地建一座集中式的凈化水廠，將礦井排水處理為生活飲用水，負責向礦井工業(yè)場地和居住區(qū)供水。以安徽省兩淮地區(qū)的礦井排水為例，礦井排水中除懸浮物和細菌外，其余理化及毒理指標都符合生活飲用水的標準。大多數(shù)礦井排水經(jīng)處理后全部回用足以保證礦井工業(yè)場地和居住區(qū)的生產(chǎn)、生活用水。部分水量充足的礦井滿足自己用水外還有富余，凈化水廠可在收取一定的水增容費和管網(wǎng)建設費后，向附近居民供水。礦井水凈化處理流程如圖2所示。
1.1.3 采用凈化水的優(yōu)勢
采取凈化礦井水供水模式的優(yōu)點主要有：
①充分利用了地下水資源，由于氣候條件、地理、地質(zhì)環(huán)境不同，我國水資源的時空分布極不均勻。煤礦建設一方面大量礦井排水污染環(huán)境；另一方面由于地下水資源被破壞導致礦區(qū)供水嚴重短缺；礦井水凈化回用，大大減少地下水的開采量，避免水資源緊缺矛盾，有利于礦井周圍工農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展，因而環(huán)境和社會效益顯著。
②大大減少了煤礦給排水設施重復建設，節(jié)省大量建設資金。礦井水充分回用，工業(yè)場地的供水管網(wǎng)、給水構(gòu)筑物及設備單一化，投資大大節(jié)??；同時減少了新建水源井、輸水管路、道路、征地費用以及若干年后由于煤礦開采引起地表沉降而導致的水源井、輸水管路及道路的重建費用；減少了礦井排水的處理費用［2］。
③管理、運行費用降低；
④供水成本降低。
1.2 井下供水設計問題探討
隨著采掘工藝的機械化，自動化程度的提高，為滿足生產(chǎn)安全和防塵的要求，煤礦井下供水的范圍越趨廣泛，其主要供水對象歸納起來有：采掘工藝防塵用水、生產(chǎn)用水、消防用水。對于井下各用水點用水設備的用水量及水壓要求，在煤礦設計規(guī)范中已有規(guī)定，本文不再贅述，下面主要就井下消防灑水設計存在的問題作一些探討。
1.2.1 水源選擇
目前大多數(shù)礦井設計中都將地面生產(chǎn)生活供水水源作為井下供水水源。由地面用管道將水引至井下，采用集中供水方式。其優(yōu)點為水質(zhì)可以保證，不需增加管理人員，對于用立井及斜井開發(fā)的礦井，井下水壓較大，能滿足采掘設備以及灑水器的水壓要求，一般不需加壓。缺點是井筒內(nèi)管道長，部分礦井垂直向下高達1000m，井底大巷水壓過大，使用不安全，特別對井筒深、井巷長者尤甚。其實，井下供水水源還有其他方案可供選擇：如利用井下深部底板水源、利用井下排水。
①利用井下深部底板水源。若井底大巷內(nèi)底板下有較好的含水層，可采取向下鉆水源孔取水，借用地下水的承壓水頭滿足井下采掘設備、灑水器及消防用水的水壓要求。采取深部底板鉆孔分散供水的優(yōu)點：井下供水管道短，不耗電，節(jié)能，管道承壓低，使用安全。缺點是必須做較多的水文地質(zhì)工作，因為并非在井下所有地點打鉆孔均可取到水。
②利用井下排水。當井下排水量較大，而且大部分為疏干底板水時，由于水量大，水較清，可在井下建水倉，稍作沉淀后，用泵送至井下供水管網(wǎng)。
綜上所述，我們在進行礦井井下供水設計時，應認真分析水文地質(zhì)資料，視各礦井的實際情況因地制宜。當井下有疏干水或底板含水層近且水量大時，宜優(yōu)先選擇井下疏干水或井下鉆孔取水做水源。當井下水質(zhì)很差或不具備取水條件時，應從地面供水。
1.2.2 井下防塵灑水及其自動化問題
井下防塵灑水主要為消除巖塵及煤塵，盡量使井下風流中的巖塵濃度控制在2 mg/m3以下，煤塵濃度控制在10 mg/m3以下，保證煤礦生產(chǎn)安全及工人身體健康。但實際情況是許多礦井井下煤塵濃度超標，而防塵灑水設備卻閑置不用，分析其原因，有生產(chǎn)管理與思想認識不足，不夠重視問題，亦有設計不能使灑水器自動化工作，管理不便的問題。由于井下運輸中煤流不均勻，尤其是裝車點或翻籠都是間歇工作的，灑水器時開時停，人工操作不方便也不及時。無煤時也灑水，導致水到處漫流或影響皮帶運行等。結(jié)果是工人干脆不開灑水器。設計上可采取下列措施達到灑水器自動啟閉：在灑水器前管道上加電磁閥及在煤流控制點設置光感器。當有煤流通過或礦車到達裝車點及罐籠，光線被擋，光電器作用打開電磁閥，灑水器噴水，反之立即關閉。這樣不但方便管理，又節(jié)約用水，更主要保證生產(chǎn)安全。因此，在井下防塵灑水的系統(tǒng)設計時，應力求實現(xiàn)自動化。
1.2.3 井下給水管道防腐及管材選擇
井下管道防腐一直是井下供水設計的難題，由于井下環(huán)境條件較差，空氣濕度大，管道極易腐蝕。而且因為承壓較高，往往使用無縫鋼管或鍍鋅鋼管。目前，民用建筑用來取代鍍鋅鋼管的pp－R管，其公稱壓力已達2.5mpa，該管不存在防腐問題，在以后的井下供水設計中，當管道工作壓力不大于1.6mpa時，可做一些試用研究工作。
1.1.1存在問題
以上供水方式存在下列問題：
①為保證礦井生產(chǎn)、生活用水，必須建許多水源井，以淮南礦區(qū)為例，潘三、謝橋煤礦均建有10多座水源井，這些水源井的泵房及設備投入大，且每座水源井還得征地保護。水源井輸水管路較長。另外水源井取水能耗高，以淮南地區(qū)為例，一般成井深度超過80m，需要15～22KW的深井泵將地下水提升送至工業(yè)場地及居住區(qū)水池。
②工業(yè)場地及居住區(qū)供水設施分散，重復建設較多。特別是工業(yè)場地礦井水供水為非飲用水系統(tǒng)與水源井供水系統(tǒng)必須分開設置，連管道亦單獨建設。因此，供水系統(tǒng)投資較高。
③礦井水利用率低，水資源浪費嚴重。
1.1.2解決辦法
因此，在進行煤礦給水設計時應解放思想，打破慣用的供水模式，充分利用礦井排水資源，在礦井工業(yè)場地建一座集中式的凈化水廠，將礦井排水處理為生活飲用水，負責向礦井工業(yè)場地和居住區(qū)供水。以安徽省兩淮地區(qū)的礦井排水為例，礦井排水中除懸浮物和細菌外，其余理化及毒理指標都符合生活飲用水的標準。大多數(shù)礦井排水經(jīng)處理后全部回用足以保證礦井工業(yè)場地和居住區(qū)的生產(chǎn)、生活用水。部分水量充足的礦井滿足自己用水外還有富余，凈化水廠可在收取一定的水增容費和管網(wǎng)建設費后，向附近居民供水。礦井水凈化處理流程如圖2所示。
1.1.3采用凈化水的優(yōu)勢
采取凈化礦井水供水模式的優(yōu)點主要有：
①充分利用了地下水資源，由于氣候條件、地理、地質(zhì)環(huán)境不同，我國水資源的時空分布極不均勻。煤礦建設一方面大量礦井排水污染環(huán)境;另一方面由于地下水資源被破壞導致礦區(qū)供水嚴重短缺;礦井水凈化回用，大大減少地下水的開采量，避免水資源緊缺矛盾，有利于礦井周圍工農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展，因而環(huán)境和社會效益顯著。
②大大減少了煤礦給排水設施重復建設，節(jié)省大量建設資金。礦井水充分回用，工業(yè)場地的供水管網(wǎng)、給水構(gòu)筑物及設備單一化，投資大大節(jié)省;同時減少了新建水源井、輸水管路、道路、征地費用以及若干年后由于煤礦開采引起地表沉降而導致的水源井、輸水管路及道路的重建費用;減少了礦井排水的處理費用。
③管理、運行費用降低;
④供水成本降低。
1.2井下供水設計問題探討
隨著采掘工藝的機械化，自動化程度的提高，為滿足生產(chǎn)安全和防塵的要求，煤礦井下供水的范圍越趨廣泛，其主要供水對象歸納起來有：采掘工藝防塵用水、生產(chǎn)用水、消防用水。對于井下各用水點用水設備的用水量及水壓要求，在煤礦設計規(guī)范中已有規(guī)定，本文不再贅述，下面主要就井下消防灑水設計存在的問題作一些探討。
1.2.1水源選擇
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥目前大多數(shù)礦井設計中都將地面生產(chǎn)生活供水水源作為井下供水水源。由地面用管道將水引至井下，采用集中供水方式。其優(yōu)點為水質(zhì)可以保證，不需增加管理人員，對于用立井及斜井開發(fā)的礦井，井下水壓較大，能滿足采掘設備以及灑水器的水壓要求，一般不需加壓。缺點是井筒內(nèi)管道長，部分礦井垂直向下高達1000m，井底大巷水壓過大，使用不安全，特別對井筒深、井巷長者尤甚。其實，井下供水水源還有其他方案可供選擇：如利用井下深部底板水源、利用井下排水。
①利用井下深部底板水源。若井底大巷內(nèi)底板下有較好的含水層，可采取向下鉆水源孔取水，借用地下水的承壓水頭滿足井下采掘設備、灑水器及消防用水的水壓要求。采取深部底板鉆孔分散供水的優(yōu)點：井下供水管道短，不耗電，節(jié)能，管道承壓低，使用安全。缺點是必須做較多的水文地質(zhì)工作，因為并非在井下所有地點打鉆孔均可取到水。
②利用井下排水。當井下排水量較大，而且大部分為疏干底板水時，由于水量大，水較清，可在井下建水倉，稍作沉淀后，用泵送至井下供水管網(wǎng)。
綜上所述，我們在進行礦井井下供水設計時，應認真分析水文地質(zhì)資料，視各礦井的實際情況因地制宜。當井下有疏干水或底板含水層近且水量大時，宜優(yōu)先選擇井下疏干水或井下鉆孔取水做水源。當井下水質(zhì)很差或不具備取水條件時，應從地面供水。
1.2.2井下防塵灑水及其自動化問題
井下防塵灑水主要為消除巖塵及煤塵，盡量使井下風流中的巖塵濃度控制在2mg/m3以下，煤塵濃度控制在10mg/m3以下，保證煤礦生產(chǎn)安全及工人身體健康。但實際情況是許多礦井井下煤塵濃度超標，而防塵灑水設備卻閑置不用，分析其原因，有生產(chǎn)管理與思想認識不足，不夠重視問題，亦有設計不能使灑水器自動化工作，管理不便的問題。由于井下運輸中煤流不均勻，尤其是裝車點或翻籠都是間歇工作的，灑水器時開時停，人工操作不方便也不及時。無煤時也灑水，導致水到處漫流或影響皮帶運行等。結(jié)果是工人干脆不開灑水器。設計上可采取下列措施達到灑水器自動啟閉：在灑水器前管道上加電磁閥及在煤流控制點設置光感器。當有煤流通過或礦車到達裝車點及罐籠，光線被擋，光電器作用打開電磁閥，灑水器噴水，反之立即關閉。這樣不但方便管理，又節(jié)約用水，更主要保證生產(chǎn)安全。因此，在井下防塵灑水的系統(tǒng)設計時，應力求實現(xiàn)自動化。
1.2.3井下給水管道防腐及管材選擇
井下管道防腐一直是井下供水設計的難題，由于井下環(huán)境條件較差，空氣濕度大，管道極易腐蝕。而且因為承壓較高，往往使用無縫鋼管或鍍鋅鋼管。目前，民用建筑用來取代鍍鋅鋼管的pp-R管，其公稱壓力已達2.5mpa，該管不存在防腐問題，在以后的井下供水設計中，當管道工作壓力不大于1.6mpa時，可做一些試用研究工作。
1.3工業(yè)廣場循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計
由于煤礦通風、瓦斯抽放、井下滅火的需要，在礦井工業(yè)廣場一般建有空壓機站、瓦斯抽放站及制氮站。而空壓機、瓦斯抽排機、制氮機等設備均需用水冷卻。因需水量較大，采用循環(huán)冷卻水。其供水流程如圖3所示。
1.3.1循環(huán)水系統(tǒng)重復設置問題
目前大多數(shù)礦井循環(huán)水設計均采用空壓機站、制氮站、瓦斯抽放站等各自配套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。采用這種分散設置存在以下弊端：
①冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的水池、泵房等構(gòu)筑物及水泵、冷卻塔、軟化水等設備重復建設，占地大，投資高;
②冷卻水池、冷卻設備布置在被冷卻設備車間附近，導致車間衛(wèi)生環(huán)境較差;
③分散設置能耗高，運行費用高;
④操作、管理人員較多，且技術力量分散。空壓機站、制氮站、瓦斯抽放站對冷卻用水的水質(zhì)要求均為軟化水，冷卻進水溫度均要求小于35℃，設備出水溫度39～42℃。因此，礦井建設設計應綜合考慮，在礦井工業(yè)場地適當位置設計一座循環(huán)水中心站，通過管道向各被冷卻設備供水，設備冷卻出水通過管道自流至循環(huán)水中心站。這樣設置不但可克服上述分散設置的許多缺點，而且設備的維修、更換對生產(chǎn)影響小;節(jié)能降耗明顯;便于對循環(huán)供水出現(xiàn)的技術問題組織力量攻關。
1.3.2冷卻設備的合理配置問題
從已投入運行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的使用效果來看，循環(huán)冷卻水設備與被冷卻設備配置不合理，導致冷卻效果不佳或節(jié)能效果很差，以淮南煤礦的潘三、謝橋礦井空壓機站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配置為例，空壓機站一般有3～5臺空壓機，根據(jù)井下通風情況，可合理調(diào)節(jié)空壓機啟閉臺數(shù)，而循環(huán)水系統(tǒng)水泵配置采用一臺冷水泵、一臺熱水泵、一臺互為備用泵。冷、熱水泵流量按空壓機組zui大通風時所需冷卻水量選型，這樣配置的結(jié)果，不論空壓機組開啟幾臺，冷卻水泵均按zui大流量在運行，而且空壓機開啟臺數(shù)轉(zhuǎn)換頻繁時，冷卻水量調(diào)節(jié)只能靠頻繁調(diào)節(jié)冷、熱水泵出口管道閥門的開啟度，很難控制，有時導致空壓機冒水現(xiàn)象，為便于調(diào)節(jié)，又不得不在出水管上增加旁路回水。這種運行方式對水泵使用壽命影響大，能耗高。因此，在循環(huán)水系統(tǒng)設計時，一定要根據(jù)被冷卻設備運行時需水量的變化情況合理配置冷卻設備，如冷、熱水泵、冷卻塔、軟化水裝置的臺數(shù)及流量搭配等。若從節(jié)能的角度出發(fā)，還可以考慮在循環(huán)水系統(tǒng)的冷、熱水泵上增加變頻調(diào)節(jié)功能，使流量調(diào)節(jié)隨被冷卻設備需水量變化更合理。雖然增加變頻調(diào)節(jié)功能一次性投資有所增大，但4～的節(jié)能費用就可收回增加的投資。
2煤礦排水設計存在問題
煤礦排水設計的難點是生活污水處理設計，煤炭系統(tǒng)新建礦井非常重視環(huán)保建設，并投入了大量的環(huán)保建設資金。煤炭設計部門也對生活污水處理進行了多工藝、多方案比較與探索。如淮南地區(qū)，潘二礦的生物曝氣工藝、潘三礦的生物轉(zhuǎn)盤工藝、謝橋礦的表面曝氣工藝、新集礦的氧化溝工藝。但從投入使用的實際效果及資金利用率來看均不理想。下面對煤礦生活污水處理作一些分析與探討。
2.1煤礦生活污水處理設施重復建設現(xiàn)象普遍
目前部分煤礦礦井工業(yè)場地和居住區(qū)各建一座污水處理廠，這樣兩處征地，重復建設，投資大大增加，運行能耗高，管理費用高，技術力量分散，噸水處理成本高。一般來說，礦井工業(yè)場地和居住區(qū)相距不是很遠，合建一座污水處理廠更合理，考慮從居住區(qū)向工業(yè)場地排水，管道埋設太深，可在中間設置污水提升泵站，或者在工業(yè)場地與居住區(qū)中間地段征地建設污水處理廠。采取合建方式，不但可節(jié)省投資，更主要可大大降低運行成本。
2.2污水處理設計參數(shù)選擇不合理
進行煤礦生活污水處理廠設計時，對污水中污染物指標BOD5、CODCr、SS取值，不是按實測，也不是用類比，而是套用城市生活污水污染物指標為設計依據(jù)，以BOD5為例，城市生活污水為200mg/L，而實際煤礦BOD5值一般只有70～80mg/L.由于生活污水中有機物含量太低，致使原來設計的不少活性污泥法處理工藝，在運轉(zhuǎn)過程中微生物得不到zui低限度的營養(yǎng)物質(zhì)，而被“餓死”、分解、礦化，形不成活性污泥。為此不少處理廠停止了回流活性污泥，保持了原來設計中的曝氣環(huán)節(jié)，使原來的設計失去了核心環(huán)節(jié)--活性污泥及其工藝過程，變成了簡單的一級強化處理。即使氧化溝污水處理工藝，也存在同樣的問題，往往設計流程中的回流活性污泥回流不起來，致使原氧化溝系統(tǒng)變成了附加曝氣的帶狀平流沉淀池;原設計中的不少配套設施成為多余，如消泡池、污泥集中處理池和污泥晾曬場等，造成了大量資金的浪費[5].
山西古交礦區(qū)的許多礦井采用二級生物接觸氧化法處理煤礦生活污水，效果很好。此工藝的特點是能適應礦區(qū)低濃度、變化大的污水，同時投資省，操作維護也比活性污泥法簡單。它的原理是利用固體濾料表面所形成的生物膜凈化廢水?？衫玫臑V料是多種多樣的，如爐渣、玻璃鋼或塑料蜂窩狀材料、半軟性纖維球等[6].
因此，在進行煤礦污水設計時，一定要分析進水污染物指標，選擇適用性強、耐沖擊負荷高的污水處理方案，提交環(huán)境保護部門專家組審查后確定zui終處理工藝。
3結(jié)語
總之，煤礦建設的水資源化，煤礦給水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)的合理配置，煤礦污水治理與環(huán)境保護等問題，值得煤礦給排水設計工作者深入研究與探討。與本文相關的論文：調(diào)節(jié)閥流通能力Kv值
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