井下清濁水分離排水和煤水分離系統設計及應用

（中天合創能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

葫蘆素煤礦位于東勝煤田呼吉爾特礦區，井田南北走向長約7.4 km，東西傾斜寬約13.0 km，面積為92.761 km2。礦井設計生產能力為13.0 Mt/a。開拓方式為立井開拓，井田內含煤地層為侏羅系中統延安組（J2y），其中含可采煤層8層，礦井初期開采的2-1煤范圍內，東翼煤層厚度為1.10～3.75 m，平均厚度為2.38 m。西翼煤層厚度為1.87～5.61 m，平均厚度為4.17 m。煤層傾角小，為近水平煤層，大巷均沿煤層布置。井下煤炭運輸采用帶式輸送機連續運輸方式。

葫蘆素煤礦首采綜采工作面回采后涌水量逐步增大，高峰期全礦涌水量超過1 000 m3/h。隨著21103、21204工作面的陸續回采，礦井涌水量進一步增加。而礦井水處理站設計能力為700 m3/h，擴容后共計處理污水為1 050 m3/h，處理污水能力不足。工作面回采期間，頂板淋水和采空區涌水高，保持在200～300 m3/h，刮板運輸機帶出大量工作面煤泥，在工作面回風順槽和主運輸順槽漫流，造成工作面兩巷淤泥沉積，積水抽排困難。

綜采工作面刮板運輸機將大量的水煤帶入順槽膠帶運輸機，從而進入主煤流系統，水量最大瞬時量為幾十噸，嚴重影響生產的正常運行，特別是對上倉皮帶影響較為嚴重，皮帶滑煤、煤倉竄倉事故頻發。下行采煤時因為水煤問題每天停產5～6次已成常態，每一次至少要30 min，每天耽誤幾個小時生產已成常態。需要耗費大量人力物力去清理灑落的煤炭，大大增加職工勞動強度，同時給礦井生產和安全造成極大隱患，嚴重影響礦井生產能力的提升，影響礦井正規循環生產。

工作面及采空區涌出大量的水和煤泥進入中央水倉后，水質極差，嚴重時中央水倉內濁水SS值（懸浮物）達到了12 000 mg/L，造成中央水倉清淤頻繁，中央水泵房水泵損壞頻繁，排水效率降低，排水困難，嚴重威脅礦井安全。同時，SS值（懸浮物）超出設計處理能力6倍，造成礦井水處理站預沉池積淤嚴重，迷宮斜板堵塞，處理能力下降，處理水質不達標。葫蘆素煤礦對上述問題一直非常重視，但由于之前國內外沒有相似條件下的可借鑒范例，只能摸著石頭過河地在探索中進行小技改，減輕了工人的勞動強度，但僅靠小技改就解決大問題是根本不現實的。

1 設計改造方案

在充分調研當前國內生產礦井水治理和水煤治理技術的基礎上，結合葫蘆素煤礦現場實際情況，利用現有井下條件，本研究確定清濁水排水系統、淤泥沉降系統、煤水分離系統工藝方案和相關的機電設備配套。當前，有必要從源頭上脫除水煤中的外在水以滿足葫蘆素煤礦礦井正常生產的需求，確保葫蘆素煤礦在工作面出現較大涌水情況下實現安全生產，降低職工的勞動強度，穩定職工隊伍，保持葫蘆素煤礦礦井安全高效的連續生產。具體方案如下。

1.1 清濁水分離排水系統

礦井疏放水及采空區涌水多為清水，經檢測完全符合《煤炭工業污染物排放標準》（GB 20426—2006），同時滿足中天合創深度水處理站對水質的要求，可以直接排放。為節省礦建費用，將井下原爆炸材料庫改造為一個容量約1 000 m3的清水倉，在2-1煤東翼綜采工作面和西翼綜采工作面泄水巷布置專用的清水專用DN200排水管路兩趟。回風大巷改造DN300專用排水管路到清水倉。工作面采空區涌水和頂板疏放水通過礦用潛水泵將清水直接排至爆炸材料庫改造的清水倉。

清水泵房設置主井井底附近，排水高度為667.3 m，排水管路長度為1 270 m。通過設備配套計算，選用MD420-96×8型礦用耐磨多級離心水泵4臺，配YB2型防爆電動機，功率為1 600 kW，電壓為10 kV，轉速為1 480 r/min，排水管路選用主井現有DN400無縫鋼管1趟。直接把清水排至地面礦井水處理站清水池。

1.2 淤泥沉降系統

采用清濁水分離排水系統后，濁水懸浮物（SS）濃度增大，中央水倉積淤嚴重，將影響礦井主排水系統安全。為降低主排水系統濁水中懸浮物（SS）濃度，必須建立淤泥沉降系統，才能保證清濁水排水系統有效實施。在工作面機尾回風巷內，根據巷道剖面圖，預先選擇連續下山的一段巷道，設立多級沉淀池，在工作面回撤通道內設置一組沉淀池，在井下中央水倉外側增加施工沉淀池，長430 m、寬5 m、容積1 800 m3。

工作面污水先后經過多級沉淀池、回撤通道內的沉淀池、盤區水倉和中央水倉外側沉淀池，通過設置沉淀池，污水流速減緩，經過沿途多次沉淀后，大量的煤泥顆粒在沉淀池中沉降，控制流入水倉內的煤泥量。污水再進入中央水倉并進行最后一步沉淀，此時污水濁度已經很小，從初級沉淀池SS值（懸浮物）25 000 mg/L降到1 500 mg/L左右，最后經過中央水倉水泵房的水泵抽排至地面礦井水處理站。沉淀池長度比水倉小很多，又在通風條件良好的巷道中布置，便于采用機械化清理和壓濾作業，縮短了清淤時間。

1.3 煤水分離系統

在充分調研當前國內生產礦井水煤治理技術的基礎上，結合葫蘆素煤礦現場實際情況，按照原煤1 300萬t/a考慮，以工作制度（333 d/a、20 h/d）進行計算，平均每小時煤水分離系統處理煤炭能力為1 951.95 t。由于主煤流系統沒有緩沖倉，按主運皮帶帶速及實際皮帶上運原煤斷面面積計算后，瞬間煤量可達5 369 t/h，最終系統處理量按照5 000 t/h來進行工程設計計算。依據現場多次取樣觀測，確定煤水分離系統工藝方案和相關的機電設備配套。2015年6月24日、25日和26日，井下主運皮帶（破碎機前）上的采樣化驗結果如表1所示。

1.3.1 水煤脫水工藝設計

在葫蘆素煤礦的主井東翼2-1大巷機頭和西翼2-1大巷與上倉皮帶機尾處，增加5 000 t/h大型原煤脫水系統工程，拆除原有的溜槽，重新做基礎安裝新系統。脫水工藝可描述為：綜采工作面產生的大量煤流經主運皮帶拋落到篩分破碎機的滾盤篩，篩上進破碎機，經破碎后及滾盤篩篩下的煤炭依靠重力、流體曳力落到大型濾水系統，大型濾水系統篩上物依靠緩沖溜槽掉落至上倉皮帶直接進入煤倉，大型濾水系統篩下物透篩掉落至下層重型脫水給料篩，重型脫水給料篩篩上物通過溜槽掉落至上倉皮帶后直接入煤倉，重型脫水給料篩篩下物-煤泥水（-1.0 mm），經篩下溜槽收集后流入附近原撒煤清理巷道進行濃縮沉淀待進一步處理。

表1 原煤粒度組成

1.3.2 篩下煤泥水（-1.0 mm）工藝設計

將原撒煤清理巷道進行簡單改造，將40 m長的巷道分成三大段，第一段為粗煤泥沉降池（容積70 m3），第二段為細煤泥濃縮沉降池（120 m3），第三段為清水池（50 m3）。大型脫水系統脫出來的煤泥水通過管路首先流入第一段粗煤泥沉降池，在此段巷道加兩個可移動的泵車，采用煤泥專用潛污泵，自帶防堵旋轉刮刀，具有防堵及攪拌雙重功能，兩泵車一用一備，確保系統運行可靠性。第二段為細煤泥濃縮沉降池，同樣加兩個可移動的泵車，采用煤泥清理專用渣漿泵，自帶防堵攪拌裝置，具有防堵及攪拌雙重功能，兩泵車一用一備，確保系統運行可靠性，第三段清水池設立式渣漿泵一臺。

經大型水煤脫水系統處理后的篩下水主要為粗粒煤泥及水，因原煤水分時刻在變化即粗粒煤泥水量及濃度不穩定，直接進入高頻篩脫水存在跑篩可能，因此需要設定分級旋流器將某一粒徑的煤水分離出去，根據煤流水量大小范圍及所需分級粒度選擇不同規格的旋流器。

篩下煤泥水（-1.0 mm）經篩下溜槽收集后流入第一段粗煤泥沉降池經快速沉降后，細顆粒煤泥溢流到第二段細煤泥濃縮沉降池，快速沉降后的粗煤泥用泵車打入分級旋流器進行粒度分級，分級旋流器底流進入高頻篩脫水，篩上+0.25 mm煤泥進入高頻篩脫水后至提升皮帶；分級旋流器溢流、高頻篩篩下水-0.25 mm，通過管道收集流入第二段細煤泥濃縮沉降池進行濃縮沉降，細粒煤在120 m3細煤泥濃縮沉降池進行濃縮沉降后，清水溢流到第三段清水池，濃縮后細煤泥經泵車打到壓濾機進行二次脫水，壓濾后干煤泥直接落入皮帶，壓濾后清水直接流入第三段清水池，再經水泵打到中央水倉。煤水分離設備安裝示意圖如圖1所示。

圖1 煤水分離設備安裝示意圖

1.3.3 煤水分離系統工藝流程

煤水分離系統工藝流程如圖2所示。

圖2 煤水分離系統工藝流程

2 效果和效益分析

2.1 清濁水分離排水效果及經濟效益分析

清濁水分離排水系統提高了排水系統的整體排水能力，清水不進入地面水處理站處理，直接排至地面外排水池，可以降低地面水處理站的處理費用，節約水處理站擴容等相關設施建設費用，同時提高了礦井排水能力。

目前，葫蘆素煤礦礦井水處理站處理濁水的綜合成本為1.22元/m3，采空區及頂板疏放水約為600 m3/h，采用清濁水分離排水每年可以直接節省水處理綜合費用為732萬元。另外，清水直接外排可減少礦井水處理站擴容600 m3/h的投資費用約1 500萬元。

2.2 淤泥沉降系統效果及經濟效益分析

充分利用閑置巷道和廢棄巷道，構建煤泥沉淀設施，既降低了基建成本，又縮短了施工時間，所有沉降的煤泥均回收到煤流系統，既能最大限度地回收煤炭資源，又避免了煤泥對下游工序的影響。上游淤泥的沉降，極大地降低了中央水倉的清淤量，將淤泥分段沉積在多級沉淀池、盤區水倉和中央水倉沉淀池內，避免了淤泥在工作面機尾和中央水倉無序、大量沉積，顯著提高了清淤速度，保障了排水系統的穩定性，降低了礦井涌水對生產和安全造成的影響，從側面提高了礦井生產效率、綜采開機率和礦井原煤產量。

淤泥沉降系統的實施，降低了主排水泵房懸浮物濃度，將MD420型礦用耐磨離心泵大修周期由原來的3個月延長至7個月，直接節省備件費和維修費用75.6萬元。

2.3 煤水分離系統效果及經濟效益分析

煤水分離系統投用使用以來，集中上倉斜巷帶式輸送機沒有出現過滑煤和皮帶打滑的現象，不再需要大量人工清理巷道撒落的煤炭，改善了工作環境，降低了職工的勞動強度，符合以人為本的現代理念。同時，沒有出現過因水煤在上倉帶式輸送機上聚集導致帶式輸送機過載停車、無法起車的問題。主井井底煤倉、地面煤倉不再出現潰倉現象，減少了大量的人力投入，避免了水煤對下游機電設備的損害，減少了機電設備了維修量，提高了機電設備的服務年限，節約了維修費用，確保了礦井的安全和正常生產。

礦井產出原煤含水率得到了有效的控制，系統未投用前原煤含水率基本在15%左右，系統投用后，原煤含水率降低到12%以下，降低原煤含水率，有效提高少原煤的煤質。

煤水分離系統經濟效益分析。隨著開采時間推移，“水煤”現象也越來越嚴重，“水煤”引發的事故越來越頻繁。“水煤”造成的經濟損失估算如下：因水煤問題停機造成的經濟損失，據礦上不完全統計，2016年平均每月因水煤造成停產約73 h（按最少時間算），按平均每小時產量為1 951.95 t，每噸煤炭利潤按現在市場價200元計算，預計礦上每月損失為73 h×1 951.95 t/h×200元/t=2 849.8萬元。投入煤水分離系統后，礦井正常生產11 d即可全部收回兩套煤水分離設備投資費用（共計978.5萬元）。

該煤水分離系統可避免水煤導致的高頻率停機。按每月多運行73 h（按最少時間算），按平均每小時產量是1 951.95 t，每噸煤炭利潤按現在市場價200元計算，預計礦上一年（12個月）可因增加本脫水系統后增加效益：73 h×1 951.95 t/h×200元/t×12=3.42億元。

3 結論

清濁水分離排水與淤泥沉降系統主要適用于井下工作面、采空區涌水量大、水質達標、煤泥量大的礦井。該系統設計打破常規思路，根據葫蘆素煤礦實際涌水情況和地面排水環境，優化排水系統設計。將部分已掘進的巷道作為清水倉使用，減少礦建投入。在提升礦井排水能力，保障系統安全的同時降低地面水處理站建設和運行投入費用。清濁水分離排水系統互相獨立又可相互切換，系統靈活，適用范圍廣，系統可靠性高，能有效解決礦井水處理壓力和環保問題，同時提高了礦井排水系統的安全系數。在葫蘆素煤礦實施后，效果良好，目前已在周邊礦井推廣。

煤水分離系統自成體系，能根據實際生產情況方便快捷地加入或甩離主煤流生產系統，對井下工況條件變化的適應性強，且整個系統各項技術指標先進，自動化程度高，最大限度降低了工人的勞動強度，改善了工人的作業環境，降低了職工的勞動強度。同時，避免了水煤對下游機電設備的損害，減少了機電設備的維修量，提高了機電設備的服務年限，節約了維修費用，確保了礦井的安全，保障礦井正常生產。葫蘆素煤礦5 000 t/h井下煤水分離系統工藝及技術裝備，對其他礦井治理水煤具有積極的借鑒意義。