山东兖州矿区矿井水排水及处理技术
矿井水是地下开采煤炭资源的"副产品"，长期以来被片面地作为危及安全生产的隐患相待，并习惯性地以工业废水长年外排流失。在企业步入社会大生产和市场经济的过程中，极有必要重新认识矿井水的综合利用。任何资源只有通过资源化才能发挥自身的价值，煤矿的矿井水源是一种宝贵的天然资源，只是因人为的采掘作业和传统的理念而处理不当。兖州矿业（集团）有限责任公司及下属单位对矿井水的综合利用，尤其是以排供结合基本实现了矿井水资源化的模式，虽然仅仅是初步的实践和探索，却可以从中得到诸多有益的启示。
1 煤矿矿井水农灌对土壤环境的污染研究
济宁、枣庄两市是山东省重要的煤炭能源基地，两地内有大小煤矿百余家。煤矿开采要进行排水，水质较差的矿井水在外排过程中被当地用于农业灌溉的现象较为普遍，会对土壤环境产生一定的污染。最近，山东省地质环境监测总站对此开展了研究分析，并且提出了规划建议。此项调查表明，引用矿井水浇灌土地的土壤全盐量明显增加。其土壤易溶盐分析项目中，SO42-、H0、M较对照值明显偏高，而且老矿区的土壤含量高于新矿区，兖州矿区内的单家村煤矿、兴隆庄煤矿、鲍店煤矿与落陵煤矿附近长期利用矿井水灌溉的土地，其全盐量超出对照值0.4～1.7倍。
济宁、枣庄矿区矿井水综合利用应遵循两条原则：立足于现状处理手段，扩大矿山自身利用空间，尽快实现矿山利用矿井水全面化和深入化；在满足矿山自身用水的基础上，进一步与当地水资源利用相结合，2010年考虑向当地农业、工业及居民生活供水。
矿井水的综合利用主要考虑七个方面：井下消防洒水；选煤厂洗煤补充水；黄泥灌浆用水；热电厂循环冷却水；绿化、道路及储煤场防尘洒水、工业广场办公及生活用水；农田灌溉以及养殖用水；居民区生活饮用水。济宁、枣庄矿区矿井水的矿山自身综合利用率2005年达到48.6%，比2000年提高了13.5%；计划到2010年将达到53.9%，并在满足矿山自身的需求以后全面向当地供水。规划在兖州、济宁、滕州、官桥和陶枣煤田共建设7个矿井水处理站，将外排的矿井水收集处理以后用于工农业生产及城市绿化、除尘、消防等方面，总供水能力为9.1万m3/d;另在官桥煤田规划一处供水水源地,向枣庄市新城区局面生活供水, 供水能力为1万m3/d。
2煤矿矿井水处理技术的研究
1）井下煤泥水处理系统的研究与应用
兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿五采区正常涌水量200～300 m3/h，急剧的涌水造成工作面大量浮煤被夹带入泄水巷，导致井底水仓严重淤积。他们通过对矿井涌水、工作面煤泥水和主水仓排水能力与状况的分析，建立了从工作面源头到主水仓的大型煤泥水处理系统，在与高产高效矿井实现配套设施能力匹配的同时，也取得了较好的资源回收和环境保护效果。
他们根据煤泥水处理设备各部分的性能，有选择地对该设备进行了功能分解和科学使用，按照防淤与治淤相结合的方案建立了三级拦截处理煤泥系统。
① 采煤工作面碎煤连续拦截系统。工作面源头是治理煤泥非常关键的环节。在采用该设备的基础上，配合配套过滤工程实现工作面碎煤的初步拦截。以现有的泄水巷为主要硐室，安装脱水设备，进行工作面初级处理；碎煤拦截系统可使大于8mm粒级的碎煤达到95%以上的拦截率，脱水煤泥的含水率小于35%；碎煤提取、脱水和运输系统具有结构紧凑、安装方便与防爆等特点，占用硐室量不超过180m3。
② 采区水仓煤泥浓缩及脱水系统。经过在工作面对粒级较大的碎煤处理后，大量粒级较小的煤泥和少部分粒级较大碎煤通过泄水巷流入采区水仓，由此系统定期清挖。利用现有的采区硐室进行煤泥自然浓缩沉淀；进行小于8mm小粒级煤泥浓缩处理，浓缩煤泥采用连续稳定提取措施；小于0.5mm粒级煤泥的浓缩率达到85% 以上、提取率达到75%以上。
③ 井底水仓自动连续清挖系统。通过工作面和采区水仓的煤泥拦截、清挖和脱水系统的建立，对大于0.25mm粒级煤泥的去除率可以达到85%以上，但是大部分小于0.25mm粒级的煤泥因沿途的吸附作用已经形成胶核，难以在自然状态下浓缩沉淀。为此，采取了自然沉淀控制的办法，在井底水仓进行日常处理和定期清挖。施工专用硐室，采用新型矿井水仓清挖设备进行小粒级煤泥快速浓缩与脱水处理，小于0.25mm粒级煤泥的去除率达到80%以上、提取率达到70%以上，脱水煤泥的含水率小于45%。通过以上处理，基本顺利实现了煤矿井下煤泥的浓排、浓缩、脱水、装车自动化和机械流水线。
2）矿井水井下净化处理工程
兖州矿业（集团）公司东滩煤矿在国内首家实现了矿井污水井下处理和处理后的净化水直接利用，是矿井污水处理和水资源综合利用技术的重大突破与创新，居国内领先水平，有着广泛的推广价值，已经由山东省科委组织并通过了专家的技术鉴定。近年来，国内为了寻求解决矿井井下水仓清理的好办法，曾经试验用过高压水管和螺旋水仓清理机，也用过柱塞泵和特制的挖斗效果都不理想，所以现在仍然采取劳动强度大、环境卫生条件恶劣的人工清理。在此项课题研究中，他们根据矿井现有的条件，于入仓之前布置了污水处理系统先进行处理，把水仓变成清水储水仓，并在其上设置了工业供水装置，同时解决了工业用水的问题。
原水经过反应以后，水中的悬浮物形成细小颗粒并聚合絮凝，沉淀的部分煤泥通过快开阀排入调节池。经过处理后的矿井水一部分进入井下工业用水系统，用作消防洒水和采掘机械用水，剩余部分排至地面，进入选煤厂和煤泥热电厂作为工业用水。矿井主排水泵由排浊水变成排清水，有利于延长水泵及管路使用寿命，减少其维护费用。水处理过程中产生的煤泥进入贮泥池、泥浆浓缩塔，注入到厢式自动板框压滤机，将煤泥压滤成煤饼，装车升井。
专家们认为：该工程在调研、实验、比选的基础上确定的格栅-沉砂-混合-旋流反应及斜管沉淀-混凝-过滤吸附以及污泥压滤之工艺先进完善，保证了出水水质，从根本上解决了井下水仓清理的难题。该系统的建成投运，起到了保护生态环境及矿井主排水泵的作用，同时处理后的矿井水得以重复利用，充分开发了宝贵的水资源，减少了环境污染，具有明显的经济效益和环保效益。
3）平流沉淀池清淤装置
兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿矿井水处理厂的实际运行无法实现原设计的排淤要求，池内每天至少积存0.3%以上的超过20g/L高浓度淤泥水，为此，他们研制出了一套省工省时的排淤泥装置，提高了矿井水处理质量。
该装置是仿制人工清理污泥的原理而设计的。人工清理工艺先将调节池中的水排干，多人穿着防水衣下到池内，人工用扫帚将淤泥推入到几台小型潜污泵附近，再来回拉动潜污泵进行排淤。新上的机械装置可带动几台泵同时进行纵向移动排污，机械收泥装置在移动的过程中自动将污泥推向泵的附近，不需要排干池子内的水，达到了自动化连续排污的目的。
该装置由以下几部分组成：①行走装置。主要包括行走工作平台、行走传动机构两部分，是承载和移动排污泵及收泥器的主要载体。行走工作平台主要由主支承梁、次构造梁、平台铺板组成。传动机构包括电动机、减速器、行走轮、从动轮及轨道。根据机械设计手册并且参照相关行车资料，选择行走轮直径为Φ400mm，行走速度为1.0m/min。轨道选用38kg/m。由于行走速度很慢，加之污水的比重仅为 1.2～1.4kg/cm3，物体在水中的移动阻力可以忽略，因此主要依据克服摩擦力进行选型。②排污设施。选用4台液下排污泵，流量40m3/h，扬程 25m，排污溜槽为400mm×600mm的玻璃钢内衬钢板。③收泥装置。主要由10mm钢板按60。倾角焊接而成，安设在污泥泵附近。④限位装置。在沉淀池内设限位开关和防撞缓冲及报警机构。⑤检修起吊装置。鉴于水体杂物易堵塞污泥泵，在行走平台上方设手动行走起吊装置，便于检查和更换。⑥电气控制部分。能实现清淤装置的就地/远程控制。
4）集散式分布控制系统应用于矿井水处理系统
兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿原有的矿井水处理设施已经无法满足矿井水排量的需求，必须对原处理设施进行技术改造，提高矿井水的处理能力。为此，他们在山东省煤炭科学研究所的帮助下增设了一套新的矿井水处理设备。为了降低了水处理成本，采用了集散式分布控制系统，对设备异常采用超级文本指示可能出现故障的原因，有利于准确分析、判断和排除故障。
济二矿的矿井水处理设施分两点布置，一级站与二级站相距450m。站内设备布置相对集中，分别设有1台可编程控制器（PLC）对设备进行控制。由于过程控制涉及到整个系统设备监控、数据采集以及自动加药排泥、消毒等诸多环节，所以自动加药排泥和消毒都具备独立的控制单元。矿井水处理过程控制系统由网络服务器、上位机系统、PLC控制系统、二氧化氯消毒控制系统、智能仪表、传感变送器以及打印机等组成。此系统采用 Porfibus工业总线集散式分布控制方式。上位系统通过MPI总线与下位控制单元PLC、智能控制单元等进行通讯，从而完成相关设备运转的工况监控、相关工艺参数的实时监测和显示、工艺流程控制、动画显示、数据存储、报表管理、定时打印。
实践表明，集散分布控制方式的最大优势在于控制风险分担，将控制功能分散到若干个智能控制单元，避免系统某一环节异常或故障而造成整体瘫痪，有着较高的可靠性。下位机如PLC、智能仪表具有独立的CPU，既可脱离上位机独立完成控制功能，又可通过网络通讯接受上位机的监控与管理。由于系统配置灵活、扩展方便，各工控智能单元作为下位机既独立又与整个系统融为一体，优势得以充分发挥，具有较高的性能价格比。
5）矿井水处理设备改型
兖州矿业（集团）公司南屯煤矿与山东科技大学合作，对原设计的地面组合式矿井水处理设备进行了改型，变原来的组合式为分体式，分别加工制造了井下用絮凝反应装置、沉淀装置和过滤装置，用于该矿井下矿井水处理站，有利于保护水资源、促进矿井洁净生产、保护地面生态环境，具有显著的社会效益。
此项研究认为：传统的矿井排供水系统存在着系统负杂、路线长、占用设备多、排水高程大等问题，应依据矿井井下的需水量，在井底水仓附近建立矿井井下用水净化处理系统，然后利用自然压差将净化处理的矿井水供给下部水平的生产采区、掘进迎头等井下用水点。此外，传统的矿井水处理工艺系统虽然具有处理量大的优点，但同时也具有施工过程复杂和硐室施工量大的缺点。如果在井下采取一些清、浊分流或预沉措施，矿井水中的悬浮物比排至地面的混合水会低得多，因此其处理难度也小。
屯矿井底水仓标高为-350m，而目前的开采水平位于-570m以下。通过方案比较，确定其井下水处理系统位于井底水仓附近，以便于实现对现有采掘区域的无动力供水。其主要工艺参数和特点如下：按照井下需水量，设计处理能力为2500m3/d；设计选用沉淀装置和过滤装置各3套，每套处理能力为50m3 /h，同时配备絮凝反应装置2套、加药装置2套、施工调节池（硐室）2个、清水蓄水池1个、污泥脱水系统1套；沉淀装置具有机械排泥系统，系统排泥不会影响沉淀装置的运行；絮凝反应、沉淀和过滤装置，采取地面制造、井下安装，大大减少了井下硐室的施工量和整个系统的施工安装周期；清水蓄水池的合理设计，实现了井下无动力供水。
6）兖矿应用迷宫斜板沉淀效果好
最近，兖州矿业（集团）公司环保中心根据煤矿矿井水的水质特点，对于在兖州矿区使用比较多的迷宫斜板沉淀池工作原理及其效果进行了分析，研究了矿井水处理站迷宫斜板沉淀池的沉淀效率、沉淀时间、占地面积及悬浮物浓度等参数的变化，为煤矿矿井水的深度净化处理提供了科学的依据。随着兖州矿区生产的不断发展，矿井涌水量也不断增加。为了贯彻水污染防治法及扩大水资源的利用率，他们建立了7座矿井水处理站，全年处理量为14.32Mt，处理率为84.48%，处理达标率100%；矿井水复用量为8.58Mt，复用率 50%。
根据各矿不同的特点与用途，矿井水的处理工艺、方法也不尽相同，但沉淀池是一个不可缺少的构筑物。迷宫斜板沉淀具有涡流，能将颗粒强制输送到沉淀效果良好的迷宫内，所以其沉淀效率为平流式的40~50倍，是普通斜板沉淀池的5倍，是斜管沉淀池的2.3倍。他们以斜板沉淀出水浊度为标准，在同一条件下比较了侧向流迷宫斜板和普通斜板的停留时间，结果表明迷宫斜板的停留时间极短。由于沉淀效率高，斜板沉淀池占地面积比平流沉淀池、斜管沉淀池和普通斜板沉淀池小。此外，迷宫斜板沉淀池的投资少，一般吨水投资为400元左右。鉴于迷宫斜板沉淀池的上述优点，从而在水处理中的应用越来越广泛。兖州矿区矿井水在悬浮物浓度不很高的情况下，仅经过混凝迷宫斜板沉淀及消毒即可作为饮用水源，简化了处理工艺，减少了投资与占地面积；另外，迷宫斜板沉淀池尤其适用于原有沉淀池的改、扩建工程。因此，他们认为迷宫斜板沉淀是矿井水处理中较为有效的方法，值得大力发展应用。
3 排水系统及设备的研究
1）井下组装式水仓
兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿4304（北）综采工作面为四采区边角煤开采工作面，各生产系统均利用六采区的生产系统，但六采区的水仓当时尚未施工故不能形成排水系统。根据以往的经验，施工装备一个永久水仓至少需要半年时间。为了实现4304（北）综采工作面按期投产的目标，要求另劈蹊径寻找一种快速高效施工井下水仓的方法。经过充分的调研和论证，他们确定利用大口径聚丙烯管道配合法兰盘连接，在六采区皮带下山与4304（北）综采工作面皮带机头东侧安装组装式水仓。由于该工作面的最大涌水量大约在4m3/h左右，组装式水仓设计容量为50m3，两台排水泵分别为MD155-30×6型矿用多级泵（排水量119m3/h）和QBK-50-100型气动隔膜泵（排水量14.4m3/h），能够满足4304（北）综采工作面和六采区各个掘进头的排水需要。
①组装工艺。首先确定合适的安装地点，平整施工现场的底板；将几个直径为1.5m的大口径聚丙烯管道利用法兰盘连接成长度为2.8m，把连接好的管道与相关设备运至井下安装地点；按照安装图纸对管路及相关设备进行组装；安装完毕以后，进行设备试运转。
②排水路线。4304（北）综采工作面两顺槽低洼点→六采区轨道下山→六采区皮带下山的组装水仓→北翼皮带大巷→井底水仓。在正常的情况下由小泵排水，如果水量比较大就启用大泵排水。同时，在安装小泵的泵窝内还装有水位自动监测装置，当水位上升到了一定位置的时候，小泵就会自动排水，实现了排水自动化。水仓的清理是通过清理管路配合阀门，利用沉淀池将淤煤沉淀，然后装车上井。由于计划周密、措施得力，从设备下井至安装完毕仅用了3天，而且试运转一次成功，达到了预期的目的。实践证明，井下组装式水仓具有安装快速、容量可任意调节和重复利用等特点，可以应用于中转排水点及各类水仓，有着很高的推广价值。
2）煤矿井下排水系统全自动控制
兖州矿业（集团）公司北宿煤矿采用传感器监测井下水仓水位、水泵入口真空度及出口压力、电机工作电流等参数，并利用可编程序控制器根据水仓水位的高低和连续开机次数累加等条件自动控制3台泵的启动和停止，实现轮换启动、故障报警和保护停机等功能，从而实现对井下排水系统的全自动控制。
他们根据二水平水泵房自动监控系统的要求以及将来扩展的要求，选用西门子 S7-300型可编程序控制器，并配备1块32点数字量输入模块、1块16点数字量输入模块和2块8点模拟量输入模块。软件的设计思路如下：程序是通过判断水位的高低来控制泵的启动和停止的。当液面上升达到设定水位时，运行开机程序，打开射流电磁阀自动灌引水、开启排水泵、自动打开排水管路上的电动阀，实现排水泵自动开机；当液面下降到设定水位时，运行关机程序，自动关闭排水管路上的电动阀，关闭排水泵实现排水泵自动开机。
针对现场可能出现的情况，主要考虑了以下抗干扰措施：在选择系统模块时进行了功耗计算，严格遵循了各模块总功耗值小于电源框架容量的原则；采用"一对一"屏蔽电缆直接将变送器输出信号送入PLC；模拟量输入时，系统本身具有模拟电路与数字电路的光电距离，使用中主要考虑外部干扰的抑制，如确保工作电源电压稳定、保证A/D转换精度、注意输入输出阻抗匹配、模拟量输入范围不得超过允许值等；在安装过程中，为防止电磁干扰，所有输入线与强电导线严格分开，输入线和输出线分开连线，不能分开时均使用整体屏蔽型电缆，屏蔽层在PLC侧接地；在软件的编程上，通过设置程序口令、自检程序、强制运行等措施，提高软件的抗干扰能力，保证系统的支持运行。
3）采区水窝无人值守自动排水装置
兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿的采区开拓巷道及回采准备巷道均布置在煤层底板中，巷道容易积水，需要设置临时水窝进行排水。巷道距离较长时则要采取多级排水。为此，他们研制出了采区水窝无人值守自动排水装置，实现了采区临时水窝排水自动化，消除了掘进工作面和回采巷道涌水、淋水积聚和倒流的现象。
该自动排水装置由隔爆型液位控制器（包括电源电路、执行电路、集中控制电路、显示电路、传感器电路）、电极、低压防爆开关、水泵等组成的。其工作原理如下：液位控制器与低压防爆开关的控制回路连接，电极始终没于水中，当水位达到液位上限的时候，液位上限与电极构成回路，液位控制器动作，延时5～10s（延时时间可以调整，避免因为液位波动造成开关和水泵频繁启动而损坏）由液位控制器控制低压防爆开关闭合，启动水泵运行；当水位低于液位下限的时候，液位下限与电极构成的回路断开，延时 5～10s停机。电路传感采用电极式，传感信号比较强，使得液位的高低控制更加准确，并且安装方便，液位的高低差可以随意调节。需要紧急排水或者自动控制电路出现故障的时候，可以采用手动操作继续工作；当忘记停机的时候，由于有保护电路，同样可以自动停机，避免排干水窝使水泵空转而损坏。
迄今为止，该矿已经有20台采区水窝无人值守自动排水装置在井下投入使用，运转情况良好。行家们指出：此项成果改变了以往临时水窝安装水泵以后必须留人值班的状况，有利于规范化管理和标准化建设；减少了电器设备因为被水浸泡而导致的设备故障，保障了安全生产；积水的及时排出还有利于工人的现场操作和身体健康，具有很好的推广应用价值。
4）矿井主排水设备的经济运行
矿井排水设备消耗的电能占矿井总耗能量的比例很大，其运行经济性对矿井生产成本具有重要的影响。最近，兖州矿业（集团）公司职工大学通过对煤矿主排水设备运行特性的分析，提出了经济运行的措施和优化方案，以节约能源、降低生产成本。
一项研究提出，影响矿井主排水泵工况的因素比较多，在条件许可的情况下应当从以下几个方面着手，例如采用新型的高效泵、合理选择水泵的工况点、优化富裕的扬程（减少叶轮的数目和削短叶轮叶片的直径）、降低排水管路的阻力和改善管路的特性、降低吸水的高度和减小吸水的阻力、加强水泵的技术测定和科学安排大修的周期等。
近年来，兖州矿区的29台主排水泵综合采用了这些方案，综合效率由62.2%提高到了70%以上，节约功率458kW以上。
5）离心式水泵经济运行措施研究
在煤矿地下开采过程中，井下排水泵的耗电量非常大，一般可占到总耗电量的20%左右。为此，兖州矿业（集团）有限责任公司开展了离心式水泵经济运行措施的研究。
⑴合理选择水泵的工况点。水泵运行工况离开设计工况越远效率越低。因此，从经济运行节约用电考虑，选取排水系统实际工况时最好选在特性曲线最佳效率点的右侧。如选在最佳点运行，由于叶轮对部件磨损及管路积垢等会使工况点左移，效率将明显降低；如选在右侧运行，工况点左移后反而靠近最佳工况点。
⑵采用新型高效泵。高效泵的特点是设计制造精度高、各部配合间隙小，具有扭曲叶片的叶轮，降低了水流损失，其效率可达78%，一般对一级叶轮采取加宽进水口和叶片扭曲角的办法，以改善泵的汽蚀性能。
⑶保持水泵高效运行的装配措施。如采用符合质量标准的零部件、保证各部配合间隙、轴向串量应保证叶轮与导翼轮对中、水泵螺旋密封、联轴器端面间隙等。
⑷调整水泵扬程。①水泵的正常工作扬程大于矿井需要扬程，如超过一个以上叶轮所产生的扬程时，可减少叶轮数目降低水泵扬程。②当水泵的扬程大于矿井需要的扬程，但又不足一个叶轮所产生的扬程时，也可利用切削叶轮外径的方法调节。
⑸降低排水管路阻力，改善网络特性。①清扫排水管路积垢。可用刷子、块石或棘球清扫。②实行多管排水。须注意单管排水时的水泵实际工况点。如在最佳效率点的左侧，实行多管排水的效果受限；若已在最佳效率点右侧，多管排水后继续右移，流量增大，如不出现气蚀、电动机也不过负荷，则多管排水是经济的。
⑹降低系统吸上真空高度，减少吸程阻力。水泵的总扬程包括吸水和排水集合高度与管路阻力损失，但吸上真空高度对排水系统效率的影响不仅是吸水高度和阻力损失，还与水泵结构和吸水特性有关。水泵工作工况必须与吸上真空高度相适应，才能充分发挥排水效率。具体措施有无底阀排水、高水位排水、正压排水和及时清理吸水小井和水仓。
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