礦井排水節能環保研究

王 榮，王新園

(1.國家能源神東煤炭集團有限責任公司 哈拉溝煤礦，陜西 神木 719315；2.陜西榆林能源集團 橫山煤電有限公司，陜西 神木 719000)

節約資源是我國的基本國策，也是企業落實科學發展觀，提高企業經濟發展質量和效益、增強企業核心競爭力的根本要求。當今時代把“能耗”作為評價一個企業綜合競爭力的重要指標，能耗指標越來越成為一個國家和企業持續發展的重要動力。水害是煤礦五大自然災害之一，治理水害[1]的主要手段有防、堵、疏、排、截，其中重點是排水，排水設備也是煤礦主要能耗因素，據分析神東哈拉溝煤礦2016年排水電耗，約占全礦電耗的12%～18%。目前，礦井排水管理主要工作目標是實現排除積水、消除水患，這種粗放型管理，已不能適應企業可持續發展的要求。因此，從制度建設、系統設計、現場管控等環節，如何優化排水系統，實現精益化管理，做到節能排水、環保排水，建設資源節約型、綠色環保型企業，對降低礦井總體能耗有著重要意義[2]。

1 健全能耗管理體系

建立健全節能降耗工作責任制和問責制，細化能耗考核體系，層層抓落實，將一把手做為節能降耗工作的第一責任人，將節能降耗責任具體落實到科室、區隊、班組、崗位，做到全員參與，使各項節能管理工作有法可依，有章可循。大力宣傳、貫徹學習《節約能源法》，進一步提高企業全員的節能降耗[3]法制意識。科學合理制訂年度節能目標任務，落實節能降耗責任，定人、定點、定量、定責。制定節能奮斗目標指標，要充分考慮歷史能耗水平和現有設備設施狀況，循序漸進，可操作性強，要瞄準國內國際先進水平，要對標一流找差距，針對性制定整改提升方案，大處著眼小處著手，逐步追趕超越。依托現代信息體系，將能耗進行實時監控、日跟蹤、周通報、旬分析、月總結，及時發現和調整排水過程中所出現的各種問題，不斷優化排水方案，做到動態監管、事前控制。在日常工作中采取多種宣傳、培訓、激勵措施，提高全員的節能意識，充分調動一線職工主動參與節能降耗的積極性，為降低能耗成本出謀劃策，使節能成為每個職工的自覺行動。

2 科學設計系統

節能排水、環保排水，必須首先從礦井初步設計開始考慮，從源頭上為礦井排水系統的運行創造節能環保基礎條件。因此，排水系統的設計必須遵循以下幾個原則：

2.1 采掘系統設計

采掘工作面設計時必須充分考慮礦井防治水利與弊，回采時排水的安全性、節能性。優先設計為由低至高順序布置工作面，仰采效果較好，讓新采空區出水直接流進老采空區，減少排水，降低電耗。

2.2 基礎工程建設

2.2.1 水倉設計

中轉水倉必須根據巷道長度、坡度、水泵排水能力、涌水量大小綜合考慮，一般1000～1500m左右設置一處中轉水倉為宜，下坡時可適當延長，上坡坡度較大可適當加密，但不得過密，龍門增加會增加管損，降低系統效率。過遠，管損較大會造成水泵揚程不足流量降低，效率驟降。

巷道條件允許的情況下，中轉水倉應設置雙水倉周轉使用，即一個水倉排水，另一個沉淀清淤，可有效提高水倉沉淀煤泥效果，減少管路淤泥堵塞，提高管路效率，提高水泵效率，降低能耗。

2.2.2 水窩設計

巷道小股水流抽排，必須設置水泵小水窩，特別是順槽巷道、掘進巷道，零星小股水較多，不設水窩，水淺水泵底座高，無法抽排。小水窩最好能存儲半小時涌水量，減少水泵頻繁起停造成大電流高能耗，降低水泵壽命。

2.2.3 水溝設計

礦井一般巷道的巷邊均應設計施工水溝，水溝必須設計在巷道較低一側，施工混凝土底板時必須水溝一側略低，便于巷道水自流到水溝內，減少巷道積水。主要大巷的水溝必須調坡，有條件的可全長度巷道整體調整坡度，不具備條件的可分段調整坡度，對于高低起伏較大的巷道，還可以將高處水溝挖深，低處砌筑擋墻修溝，在保障巷壁安全的前提下，最大限度的調整坡度實現水溝自留，減少水泵排水，降低能耗。水溝必須支模夯實混凝土料，確保強度，防止車輛通行壓壞，抹面光滑，減小阻力；遇聯巷口，必須覆蓋高強度的水溝蓋板，防止車輛調車壓變形。

2.3 排水系統設計

2.3.1 管路的設計安裝

1)排水管路能力設計必須結合采掘工作面的布置方式及采場條件，參考本地區歷史降水量及近年降水量；要充分依據地測預測預報正常用水量及最大涌水量。同時要考慮管路淤積增加阻力系數。

2)管路流速選擇1.5～1.8m/s左右[4]，流速過高管損劇增，系統效率低能耗增加。

3)管路安裝位置應統籌兼顧兩個或多個工作面共用，管路安裝在共用巷道內；管路盡可能綜合利用，一管多用，壓風管、注漿管、供水管均可應急切換為排水管用，增加系統應急能力，減少管路安裝。

4)管材優先選擇PE管類[5]管內壁光滑的管件，PE管具有較高的抗外沖擊性，極高的抗內沖擊性能，內壁光滑水阻系數小，使用壽命長，耐腐蝕性強，柔韌性好，重量輕，不結垢等優點。鋼管的糙度為0.012，PE管為0.009。PE管的初期材料費較鋼管貴，但后期的運行費較鋼管小，能耗是鋼管的81.33%。當然，在輔助運輸巷道交叉路口、拐彎處宜選用鋼管，不易被剮蹭、碰撞損壞。

2.3.2 主排水泵選擇

應選用高效節能產品，并宜選用耐磨泵[6]；水泵在整個運轉期間其工況應位于高效區，效率不低于80%[7]。固定水泵房水泵的控制應優先選用變頻控制，既有利于電機的軟啟動，更有利于電耗的有效降低。

2.3.3 綜合循環利用

設計以采空區矸石作為過濾、凈化污水的載體，將井下排水直接注入采空區進行初級凈化，然后再進行二次處理后供井下及地面生產使用；通過水質保障、清污分離等措施，將未經生產污染的采空區涌水、探放水、頂板淋水收集后集中抽排到地面，供地面生活使用，實現礦井水的綜合循環利用。

3 排水管路經濟運行

1)均衡排水。有計劃的均衡排水，杜絕高度集中、突擊排水，造成管路排水擁堵，降低了水泵效率，增加了能耗。根據排水系統能力，提前有計劃的安排新的掘進、回采工作面疏放水鉆孔疏放水，科學合理組織、調控，適量排放水，最大限度的有效利用現有排水系統的能力，減少突擊排水、新增管路安裝費用。

2)集中排水。應先將順槽零星小股涌水用小泵抽排到中轉水倉，然后集中用較大水泵直接抽排到主管路至中央水泵房或采空區，然后由中央水泵房或采空區再集中抽排到地面或井下管網重復利用。

3)高低壓分設系統排水。即揚程相近的水泵可共用管路同時排水，揚程相差較大的水泵嚴禁共管排水。若條件限制必須共用管路排水，則應分時段排水，即高、低揚程水泵分別分時間段排水，防止揚程高的水泵將揚程低的水泵堵壓，低揚程水泵無效或低效運行，造成積水并增加能耗。

4)排水管路的定期檢查。礦井水中含有煤泥等懸浮物以及一些難溶鹽類，所以礦井水排放會導致排水管道結垢，增加管道阻力，管道結垢達到一定程度，會大大降低排水管道的排水效率，影響煤礦井下安全生產，同時增加排水電耗。定期檢查管路積淤情況、檢查中轉水倉積淤情況。管路積淤檢查必須分段斷開檢查，特別是龍門處、低洼處等易積淤的地方要加強檢查。根據檢查情況定期清淤，嚴重的必須拆換管路。清淤可采用多種方法，直徑200mm以上的管路可采用高壓水射流清理技術清淤，利用管道除垢機器人，高壓水射流是從20世紀70年代發展起來的新技術，利用高壓泵提供的高壓水，經高壓膠管送至噴頭，由噴嘴將高壓流速水流轉變為低壓高流速射流，沖擊管壁結垢，利用其沖力作用、磨削作用等使污垢和附著物從管壁脫離。由于人無法深入排水管道并進行清洗作業，所以將機器人技術與高壓水射流技術相結合，可高效完成對排水管路的清洗。中轉水倉視積淤情況及時清理，一般要求積淤不得超過50%，但雨季前必須全面徹底清理一次。

4 節能排水法

4.1 水溝引流排水法

主要針對巷道零星淋水、小股涌水，巷道邊留設邊溝做水溝，將巷道小股涌水引入水溝，利用巷道邊水溝高差，讓水自流入水倉，再用水泵集中抽排。

4.2 管路引流排水法

主要針對頂板淋水、上覆采空區積水或基巖富水區鉆探疏放水等的排水。將頂板淋水用小漏斗收集，用管路就近直接引接到巷道排水管路上；將鉆探疏放水鉆孔套管就近與巷道排水管路直接對接排放水。

4.3 無能耗虹吸排水法

虹吸現象在我國很早就被發現并得到應用，據史料記載，宋朝就有用竹筒制作虹吸。古代稱“注子”、“偏提”、“渴烏”[8]或“過山龍”等稱謂均屬虹吸現象。虹吸現象就是連通器技術，即水柱間兩側液面存在高差，其內部液體就會自然流動，該現象稱之為虹吸現象，即液態分子間引力與位能差所產生的現象。其原理是利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處，由于管口水面承受不同的大氣壓力，水會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直到兩邊的大氣壓力相等，容器內的水面變成相同的高度，水就會停止流動。井下利用采空區與大巷水溝、水倉、水泵房或采空區儲水點的高差，將需要防治排水的采空區積水用適配的管路連接引水排放，取消水泵動力排放，消除能耗。

神東哈拉溝煤礦22526采空區涌水達225m3/ h，在22526采空區排水方案中，充分利用22526采空區出水口地理位置高，與22211—22214采空區的高差，將22526采空區涌水用管路引流至22211—22214采空區，在出水口加裝電動閥，利用PLC編程控制水位蓄勢，自動控制排放水，成功實施虹吸無能耗排水。既能控制采空區水位，防止吸空漏氣自然，又能自動控制水位蓄勢，防止水位過高造成采空區密閉壓損危險隱患，同時取消了電泵排水能耗，僅電耗年可節約1051200kWh，又實現了減員增效。

4.4 綜合利用排水

采空區積水排放應考慮清污分離，檢驗達標的可直接排放地面，減少二次污水處理耗能；將采空區達標積水抽排到井下、地面生產系統用水、消防用水，特別是地面洗煤廠用水；采空區達標積水抽排到地面飲用水管網補給或地面灌溉、養殖用水，改善生態環境，綠色環保開采[9]。對于巷道積水及采空區檢驗不達標積水，應考慮先排放到儲水采空區，然后再二次抽排利用，還不達標的可在井下就近建立污水處理站，處理后直接用于井下生產、消防等用水，減少直接提升抽排到地面及地面自來水抽到井下過程中的能耗。

神東哈拉溝煤礦將采掘工作面產生的污水，通過管道抽排到主運大巷集中管道后直接注入各采空區注水點(22211、22204注水點)注入采空區進行初級過濾、凈化。采空區初級凈化、過濾后的清水再經過二次深度處理，水循環處理系統設施建在井下2-2煤二盤區22211—22214采空區出水點旁邊，處理后的凈化水一部分由管路輸送到各采掘工作面供水點、巷道噴霧、灑水使用，另一部分通過管路輸送到地面供洗煤廠、鍋爐房、消防蓄水池、魚塘、環保綠化、農田灌溉等使用。年可節約污水處理電耗219000kWh。

將采空區涌水、各盤區工作面探放水、頂板淋水等潔凈礦井水源，通過管路收集，注入四盤區采空區儲水區(22401—407采空區)的注水點(如22405、22401注水點)，在最低點22401回風巷泄水措施巷通過鉆孔強排至地面哈拉溝凈水廠，經過處理，通過管路輸入礦區供水管網，供神東礦區生活飲用水，年可節約電耗253500kWh。

4.5 自動化排水

自動化的排水系統能夠大大提高礦井排水的安全性和工作效率。現階段，井下自動化排水主要有三種方式，即全自動模式、半自動模式和手動模式(檢修時使用)。全自動排水可實現調度指揮中心遠程監控、停送電、自動水位監測起停水泵、水泵運行參數的監測監控、異常狀況的自動分析處理等功能，實現完全無人化自動管理。使用全自動模式系統需要對檢測到的數據信息進行綜合分析和考慮，從而對水泵的開啟和停止進行有效把控，要求水位、水泵、開關、移變等的數據采集傳輸要可靠、精準。主要水泵房應實現全自動模式，中轉水倉應實現半自動或全自動排水模式。監測排水管路的系統壓力、流量，電動閥自動開關連通水泵和管路，合理調配管路負荷，均衡各管路壓力、流量，避免個別管路多處多臺水泵同時排水造成擁堵，管壓大，水泵效率低，增加能耗。

特別是零散小水窩水泵應全部安裝水位監測傳感器控制開關，實現自動排水。由于零散小股涌水流量小，不能維持水泵長時間抽排，如果設專人手動開關費時、費工，成本太大；如不設專人、不安裝水位監測傳感器(傳感器較貴)，水泵長時間空轉高溫會燒壞，而且能耗大幅增加。加裝水位監測傳感器控制開關后，水泵壽命可提高2倍以上，且能耗可降低40%～60%左右。 水位傳感器的安裝固定及高度調整必須可靠合理，否則水泵頻繁起停不僅會降低水泵壽命，而且會增加能耗。

4.6 錯峰用電排水

主要水泵房及其他可調整排水時間的中轉水倉的水泵運行盡量錯開電網用電高峰期[10]，盡量協調安排在當地電網用電低谷期集中力量排水，電網用電低谷期電網性能質量高，既能提高水泵效率，減少能耗，又能大幅降低電費。

4.7 推廣使用風泵排水

風泵由于控制方便，通過控制進氣閘閥的開度即可靈活控制風泵排水能力，吸水管水位較低(30mm深的水即可吸排)，且壓風管路遍布井下所有巷道，全天候供氣，因此，對于涌水量較小的零散小水窩、水溝等的排水，可優先選擇風泵排水，可有效降低能耗。

4.8 隔離排水

綜采工作面機尾排水，由于頂板淋水、老塘涌水，常常造成工作面刮板運輸機機尾返拉水煤泥，必須將機尾觀察板出水口處加裝導水槽，將煤泥水導出機尾，在順槽根據巷道起伏變化情況，距機尾合適位置打設擋水沙袋墻沉淀隔離煤泥，或制作安裝煤泥過濾格柵，然后再由水泵抽排，切勿直接用水泵抽排煤泥，事倍功半，水泵因煤泥堵塞效率將大幅降低，甚至降到30%以下，既抽不動水，又大幅增加電耗。

4.9 根據需求排水

井下水通過鉆孔直接提升到地面的，可綜合錯峰排水、均衡排水，結合地面復用水需求，科學合理安排井下水的排放時間、排放量，以便最大限度的滿足地面環保綠化、養殖灌溉等的用水，提高礦井水的綜合利用率，整體降低抽排水能耗，實現礦井綠色環保開采。

5 結 語

隨著礦井開采的深度延伸發展，井下涌水量漸增，抽排水能耗隨之增加，占礦井總能耗的比重同步增加。因此，礦井排水節能降耗成為企業管理的重要部分。一是制度建設需高瞻遠矚、持續發展，建立健全能源計量管理、能源統計和能源利用狀況分析制度，對重點用能單位實施節能降耗目標管理，并制訂中長期節能降耗發展規劃，促進企業節能降耗上水平。二是系統設計要科學合理、節能環保。隨著礦井信息化、自動化建設水平的不斷提高，特別是引進德國工業4.0管理理念后，要充分利用、挖掘PSI系統功能，更多、更好的實施高度智能自動化排水，更好的實現節能降耗。三是現場管控當精細管理、全員當責。找出重點用能單位節能管理中的薄弱環節，挖掘節能空間，發動全員積極參與創新創效。四是積極推廣節能新技術和新機制。積極了解掌握內外各類能耗信息、先進節能技術、新工藝、新設備及先進管理經驗，引導企業挖潛改造，提高能效。運用市場化機制，引導全員節能降耗，逐步實現礦井節能開采、環保開采、綠色開采。