煤礦給排水設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的探討

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摘要：分析了煤炭給排水的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，從給水水源選擇、井下供水、礦井工業(yè)場(chǎng)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(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及改進(jìn)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聯(lián)系實(shí)際選擇可行性方案。
關(guān)鍵詞：煤礦 給排水 循環(huán)冷卻水 污水處理 給排水設(shè)計(jì)
  
An Approach to Some Questions in Water Supply and Drainage Design for coal mines
　　AbstrAct：The current situation of water supply And drainage in coal mines and existing problems are analyzed.problems existing in the design of water supply and drainage for coal mines as well as the way forward for improvement are studied in the aspects of selection of water supply sources?water supply in mines，treatment of circulating cooling water for mining industrial sites and of wastewater from coal mines，etc.Discussions are made on rational utilization of the effluent water resources in mines and rational disposition of water supply and drainage systems and circulating water systems，with a conclusion made that feasible so lutions for the treatment of coal mine wastewater must be selected in combination with practice.
　　Keywords：coal mine?water supply and drainage；circulating cooling water；wastewater treatment；water supply and drainage design
 
　　煤礦給水設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是滿足礦井建設(shè)生產(chǎn)對(duì)水量、水壓和水質(zhì)的要求。主要包括礦井工業(yè)廣場(chǎng)的生產(chǎn)、生活及消防用水；各類工業(yè)設(shè)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(shè)計(jì)的基本任務(wù)是將礦井工業(yè)廣場(chǎng)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(hù)要求排入地面水體。
　　煤礦給排水設(shè)計(jì)與城市給排水設(shè)計(jì)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(kāi)采又大大破壞地下水資源。在煤礦建設(shè)過(guò)程中，怎樣才能符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律，進(jìn)行商業(yè)化、城市化給排水設(shè)計(jì)，怎樣合理利用水資源，保護(hù)地面水環(huán)境，是煤礦給排水設(shè)計(jì)工作者必須重視的問(wèn)題。本文結(jié)合多年從事煤礦設(shè)計(jì)的實(shí)踐，對(duì)煤礦建設(shè)給排水設(shè)計(jì)存在的若干問(wèn)題提出自己的看法。
1　給水設(shè)計(jì)
1.1　水源的選擇
　　目前大多數(shù)礦井工業(yè)場(chǎng)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(wèn)題
　　以上供水方式存在下列問(wèn)題：
　?、贋楸ＷC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(shè)備投入大，且每座水源井還得征地保護(hù)。水源井輸水管路較長(zhǎng)。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(guò)80m，需要15～22KW的深井泵將地下水提升送至工業(yè)場(chǎng)地及居住區(qū)水池。
　　②工業(yè)場(chǎng)地及居住區(qū)供水設(shè)施分散，重復(fù)建設(shè)較多。特別是工業(yè)場(chǎng)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(kāi)設(shè)置，連管道亦單獨(dú)建設(shè)。因此，供水系統(tǒng)投資較高。
　?、鄣V井水利用率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。
1.1.2　解決辦法
　　因此，在進(jìn)行煤礦給水設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(chǎng)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(fù)責(zé)向礦井工業(yè)場(chǎng)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(xì)菌外，其余理化及毒理指標(biāo)都符合生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。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(chǎng)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(fèi)和管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)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(shì)
　　采取凈化礦井水供水模式的優(yōu)點(diǎn)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(guó)水資源的時(shí)空分布極不均勻。煤礦建設(shè)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(dǎo)致礦區(qū)供水嚴(yán)重短缺；礦井水凈化回用，大大減少地下水的開(kāi)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(jìn)一步發(fā)展，因而環(huán)境和社會(huì)效益顯著。
　　②大大減少了煤礦給排水設(shè)施重復(fù)建設(shè)，節(jié)省大量建設(shè)資金。礦井水充分回用，工業(yè)場(chǎng)地的供水管網(wǎng)、給水構(gòu)筑物及設(shè)備單一化，投資大大節(jié)省；同時(shí)減少了新建水源井、輸水管路、道路、征地費(fèi)用以及若干年后由于煤礦開(kāi)采引起地表沉降而導(dǎo)致的水源井、輸水管路及道路的重建費(fèi)用；減少了礦井排水的處理費(fèi)用［2］。
　?、酃芾怼⑦\(yùn)行費(fèi)用降低；
　　④供水成本降低。
1.2　井下供水設(shè)計(jì)問(wèn)題探討
　　隨著采掘工藝的機(jī)械化，自動(dòng)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(duì)象歸納起來(lái)有：采掘工藝防塵用水、生產(chǎn)用水、消防用水。對(duì)于井下各用水點(diǎn)用水設(shè)備的用水量及水壓要求，在煤礦設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)存在的問(wèn)題作一些探討。
1.2.1　水源選擇
　　目前大多數(shù)礦井設(shè)計(jì)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(diǎn)為水質(zhì)可以保證，不需增加管理人員，對(duì)于用立井及斜井開(kāi)發(fā)的礦井，井下水壓較大，能滿足采掘設(shè)備以及灑水器的水壓要求，一般不需加壓。缺點(diǎn)是井筒內(nèi)管道長(zhǎng)，部分礦井垂直向下高達(dá)1000m，井底大巷水壓過(guò)大，使用不安全，特別對(duì)井筒深、井巷長(zhǎng)者尤甚。其實(shí)，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(shè)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(diǎn)：井下供水管道短，不耗電，節(jié)能，管道承壓低，使用安全。缺點(diǎn)是必須做較多的水文地質(zhì)工作，因?yàn)椴⒎窃诰滤械攸c(diǎn)打鉆孔均可取到水。
　?、诶镁屡潘?。當(dāng)井下排水量較大，而且大部分為疏干底板水時(shí)，由于水量大，水較清，可在井下建水倉(cāng)，稍作沉淀后，用泵送至井下供水管網(wǎng)。
　　綜上所述，我們?cè)谶M(jìn)行礦井井下供水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析水文地質(zhì)資料，視各礦井的實(shí)際情況因地制宜。當(dāng)井下有疏干水或底板含水層近且水量大時(shí)，宜優(yōu)先選擇井下疏干水或井下鉆孔取水做水源。當(dāng)井下水質(zhì)很差或不具備取水條件時(shí)，應(yīng)從地面供水。?
1.2.2　井下防塵灑水及其自動(dòng)化問(wèn)題
　　井下防塵灑水主要為消除巖塵及煤塵，盡量使井下風(fēng)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(shí)際情況是許多礦井井下煤塵濃度超標(biāo)，而防塵灑水設(shè)備卻閑置不用，分析其原因，有生產(chǎn)管理與思想認(rèn)識(shí)不足，不夠重視問(wèn)題，亦有設(shè)計(jì)不能使灑水器自動(dòng)化工作，管理不便的問(wèn)題。由于井下運(yùn)輸中煤流不均勻，尤其是裝車點(diǎn)或翻籠都是間歇工作的，灑水器時(shí)開(kāi)時(shí)停，人工操作不方便也不及時(shí)。無(wú)煤時(shí)也灑水，導(dǎo)致水到處漫流或影響皮帶運(yùn)行等。結(jié)果是工人干脆不開(kāi)灑水器。設(shè)計(jì)上可采取下列措施達(dá)到灑水器自動(dòng)啟閉：在灑水器前管道上加電磁閥及在煤流控制點(diǎn)設(shè)置光感器。當(dāng)有煤流通過(guò)或礦車到達(dá)裝車點(diǎn)及罐籠，光線被擋，光電器作用打開(kāi)電磁閥，灑水器噴水，反之立即關(guān)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shè)計(jì)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?yàn)槌袎狠^高，往往使用無(wú)縫鋼管或鍍鋅鋼管。目前，民用建筑用來(lái)取代鍍鋅鋼管的pp－R管，其公稱壓力已達(dá)2.5 mpa，該管不存在防腐問(wèn)題，在以后的井下供水設(shè)計(jì)中，當(dāng)管道工作壓力不大于1.6mpa時(shí)，可做一些試用研究工作。
1.3　工業(yè)廣場(chǎng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　由于煤礦通風(fēng)、瓦斯抽放、井下滅火的需要，在礦井工業(yè)廣場(chǎng)一般建有空壓機(jī)站、瓦斯抽放站及制氮站。而空壓機(jī)、瓦斯抽排機(jī)、制氮機(jī)等設(shè)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(fù)設(shè)置問(wèn)題
　　目前大多數(shù)礦井循環(huán)水設(shè)計(jì)均采用空壓機(jī)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(shè)置存在以下弊端：
　?、倮鋮s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(shè)備重復(fù)建設(shè)，占地大，投資高；
　?、诶鋮s水池、冷卻設(shè)備布置在被冷卻設(shè)備車間附近，導(dǎo)致車間衛(wèi)生環(huán)境較差；
　?、鄯稚⒃O(shè)置能耗高，運(yùn)行費(fèi)用高；
　　④　操作、管理人員較多，且技術(shù)力量分散?？諌簷C(jī)站、制氮站、瓦斯抽放站對(duì)冷卻用水的水質(zhì)要求均為軟化水，冷卻進(jìn)水溫度均要求小于35℃，設(shè)備出水溫度39～42℃。因此，礦井建設(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮，在礦井工業(yè)場(chǎng)地適當(dāng)位置設(shè)計(jì)一座循環(huán)水中心站，通過(guò)管道向各被冷卻設(shè)備供水，設(shè)備冷卻出水通過(guò)管道自流至循環(huán)水中心站。這樣設(shè)置不但可克服上述分散設(shè)置的許多缺點(diǎn)，而且設(shè)備的維修、更換對(duì)生產(chǎn)影響??；節(jié)能降耗明顯；便于對(duì)循環(huán)供水出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題組織力量攻關(guān)［3］。
1.3.2　冷卻設(shè)備的合理配置問(wèn)題
　　從已投入運(yùn)行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的使用效果來(lái)看，循環(huán)冷卻水設(shè)備與被冷卻設(shè)備配置不合理，導(dǎo)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(jī)站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配置為例，空壓機(jī)站一般有3～5臺(tái)空壓機(jī)，根據(jù)井下通風(fēng)情況，可合理調(diào)節(jié)空壓機(jī)啟閉臺(tái)數(shù)，而循環(huán)水系統(tǒng)水泵配置采用一臺(tái)冷水泵、一臺(tái)熱水泵、一臺(tái)互為備用泵。冷、熱水泵流量按空壓機(jī)組最大通風(fēng)時(shí)所需冷卻水量選型，這樣配置的結(jié)果，不論空壓機(jī)組開(kāi)啟幾臺(tái)，冷卻水泵均按最大流量在運(yùn)行，而且空壓機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)轉(zhuǎn)換頻繁時(shí)，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(kāi)啟度，很難控制，有時(shí)導(dǎo)致空壓機(jī)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(yùn)行方式對(duì)水泵使用壽命影響大，能耗高。因此，在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)被冷卻設(shè)備運(yùn)行時(shí)需水量的變化情況合理配置冷卻設(shè)備，如冷、熱水泵、冷卻塔、軟化水裝置的臺(tái)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(shè)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4～5a的節(jié)能費(fèi)用就可收回增加的投資［4］。

2　煤礦排水設(shè)計(jì)存在問(wèn)題
　　煤礦排水設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是生活污水處理設(shè)計(jì)，煤炭系統(tǒng)新建礦井非常重視環(huán)保建設(shè)，并投入了大量的環(huán)保建設(shè)資金。煤炭設(shè)計(jì)部門也對(duì)生活污水處理進(jìn)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(shí)際效果及資金利用率來(lái)看均不理想。下面對(duì)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(shè)施重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象普遍
　　目前部分煤礦礦井工業(yè)場(chǎng)地和居住區(qū)各建一座污水處理廠，這樣兩處征地，重復(fù)建設(shè)，投資大大增加，運(yùn)行能耗高，管理費(fèi)用高，技術(shù)力量分散，噸水處理成本高。一般來(lái)說(shuō)，礦井工業(yè)場(chǎng)地和居住區(qū)相距不是很遠(yuǎn)，合建一座污水處理廠更合理，考慮從居住區(qū)向工業(yè)場(chǎng)地排水，管道埋設(shè)太深，可在中間設(shè)置污水提升泵站，或者在工業(yè)場(chǎng)地與居住區(qū)中間地段征地建設(shè)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(yùn)行成本。
2.2　污水處理設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不合理
　　進(jìn)行煤礦生活污水處理廠設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)污水中污染物指標(biāo)BOD5、CODCr、SS取值，不是按實(shí)測(cè)，也不是用類比，而是套用城市生活污水污染物指標(biāo)為設(shè)計(jì)依據(jù)，以BOD5為例，城市生活污水為200 mg/L，而實(shí)際煤礦BOD5值一般只有70～80mg/L。由于生活污水中有機(jī)物含量太低，致使原來(lái)設(shè)計(jì)的不少活性污泥法處理工藝，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中微生物得不到最低限度的營(yíng)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(lái)設(shè)計(jì)中的曝氣環(huán)節(jié)，使原來(lái)的設(shè)計(jì)失去了核心環(huán)節(jié)--活性污泥及其工藝過(guò)程，變成了簡(jiǎn)單的一級(jí)強(qiáng)化處理。即使氧化溝污水處理工藝，也存在同樣的問(wèn)題，往往設(shè)計(jì)流程中的回流活性污泥回流不起來(lái)，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(shè)計(jì)中的不少配套設(shè)施成為多余，如消泡池、污泥集中處理池和污泥晾曬場(chǎng)等，造成了大量資金的浪費(fèi)[5]。
　　山西古交礦區(qū)的許多礦井采用二級(jí)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(diǎn)是能適應(yīng)礦區(qū)低濃度、變化大的污水，同時(shí)投資省，操作維護(hù)也比活性污泥法簡(jiǎn)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(jìn)行煤礦污水設(shè)計(jì)時(shí)，一定要分析進(jìn)水污染物指標(biāo)，選擇適用性強(qiáng)、耐沖擊負(fù)荷高的污水處理方案，提交環(huán)境保護(hù)部門專家組審查后確定最終處理工藝。
3　結(jié)語(yǔ)
　　總之，煤礦建設(shè)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(hù)等問(wèn)題，值得煤礦給排水設(shè)計(jì)工作者深入研究與探討。
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