煤礦閉式恒壓循環污水處理系統設計及應用

郭全順

(同煤集團 大唐塔山煤礦有限公司， 山西 大同 037001)

0 引言

同煤集團大唐塔山煤礦位于大同市南郊區楊家窯村，其礦井設計生產能力為15 Mt/a，采用平硐開拓方式。礦井目前回采盤區為一盤區、二盤區、三盤區，回采煤層為石炭系3#～5#煤層，采用綜合機械化采掘工藝。

根據塔山煤礦提供的地質資料顯示，礦井生產期間涌水量大，主要來源于上覆侏羅系采空區積水，其2#、4#層近距離采空區積水，小煤柱工作面同層采空區積水，寒武-奧陶系巖溶承壓水等，礦井平均涌水量達65 m3/h。

為保證礦井生產的安全，塔山煤礦在1070運輸大巷3 500 m處建立一個中央水泵房，主要用于礦井積水排放，水泵房容積為4 500 m3，中央水泵房通過安裝的5臺MD280型多級離心式水泵將污水排至地面山頭污水處理站。但塔山煤礦回采煤層穩定性差，回采期間積水中煤泥量大，導致污水進入水泵房后水倉內煤泥淤積量大，需每隔10 d進行人工清理，不僅加大了勞動強度，而且污水處理時耗電量大、效果差，對礦山環境破壞性也大。對此通過分析研究，為了減少污水排放量，提高污水處理能力，實現污水循環恒壓利用，需設計一套閉式恒壓循環污水處理系統，主要包括閉式污水循環處理系統和恒壓供水控制系統兩部分[1]。

1 閉式污水處理系統

1.1 閉式污水循環處理系統

采用磁分離水體凈化成套技術設備，處理水量為300 m3/h，將礦井污水通過管道排入系統內進行凈化處理。系統主要包括著水砂分離器、沉淀池、混凝反應池、固液分離設備、電控系統、磁分離機、污泥池、壓濾機等部分組成，如圖1所示。其電控系統主要包括聯鎖開關、PLC控制柜、遠程操控臺等部分，遠程操控臺內設有主機、打印機、顯示器，主機通過安裝軟件在顯示器界面可現實閉式污水循環處理系統各設備運行狀態、運行時間、故障點等，并可實現遠程操作控制。

圖1 閉式污水循環處理系統結構

1.2 閉式污水循環處理系統工作原理

1) 水泵房內污水經過水砂分離器，將污水與砂石進行分離，水砂分離后污水進入預沉池進行沉淀處理，在預沉池內3個沉料槽內分別埋入吸料管。

2) 預沉池污水沉淀一段時間后，池內上部污水流入混泥反映池內，下部沉淀污物通過高壓吸泵作用，經吸料管進入污泥池內。

3) 通過在混泥反應池內加入磁種和混凝劑對污水種懸浮顆粒進行混凝，混凝后污水經高位水箱，將含有磁性凝聚物的混合污水送至分離器中進行固液分離[3]。

4) 經固液分離后清水直接排至恒壓供水系統，含有磁性物質的污水進入磁分離機，并對鐵質進行清除；經磁分離后污水再次進入混凝反應池內，煤泥進入煤泥池內。

5) 污泥池煤泥經吸泥泵吸入壓濾機進行脫水，脫水后煤泥排至膠帶輸送機運出。

6) 該系統在進行污水處理時，實現無人值守自動化控制，電控系統中PLC控制柜可對混凝系統及其它設備進行自動調節控制作用。

2 恒壓供水控制系統

2.1 系統結構

恒壓供水控制系統安裝2套恒壓供水系統，每套使用2臺90 kW水泵(660 V)，2臺防爆變頻器，1臺操作臺，2臺閥門控制箱，2臺PLC控制箱等進行調速控制。該系統以PLC控制的變頻恒壓供水，采用本質安全型壓力變送器實時監測出水管路壓力值；可對系統流量、液位等信息進行實時采集；輔以合理的水泵控制策略，保證整個系統運行的可靠性。控制方式分為自動控制、手動一鍵控制、就地檢修控制[2]。

2.2 恒壓供水控制系統工作原理

恒壓供水控制系統中清水池水源經高壓水泵作用進行加壓，經過電控液閥集控系統進行流量控制及水壓控制，調節后的水流達到恒壓狀態，然后經供水管路輸送機至礦井各個用水點，該系統中水壓控制主要由2種方式：全自動恒壓控制和手動一鍵控制。

1) 全自動恒壓控制。本著水位優先的原則實現各個水泵的自動控制，當水位達到高位或不在低水位值時，允許開啟水泵，之后通過檢測管路的壓力值，從而自動調節變頻器的頻率，使設備在預設的壓力范圍內進行工作；當管路壓力過低時，也可以開啟備用泵來實現穩壓[4]。

2) 手動一鍵控制。根據實際需要可從自動控制方式切換到手動控制方式。此方式下操作人員在操作臺上人工手動控制。可對單個設備進行啟、停操作但是水泵的頻率值需要人為設定，并當水位過低時水泵無法開啟。

3 煤礦閉式恒壓循環污水處理系統優缺點分析

3.1 主要優點

1) 系統操作簡單、故障率低。該系統中所有設備間采用PLC控制柜聯鎖控制作用，系統操作簡單，且系統在運行過程中可通過操控系統定期巡檢各個系統設備故障并實現自動故障排除，降低了系統故障率。

2) 自動化水平高，勞動強度低。該系統在運行過程只需一人在遠程操控室內通過監控系統對設備運行狀態進行觀察即可，無需專人對系統設備進行開啟，實現了無人值守污水處理的目的，大大提高了污水處理自動化水平，降低了勞動強度。

3) 減少了污水排放量。采用該系統后可直接對中央水泵房污水進行循環處理，并對污水處理后進行恒壓處理，供給礦井采掘工作面，減少了地面靜壓水供給量及污水排放量；同時污水處理后煤泥可直接混入礦井原煤中，提高了煤炭產量[5]。

3.2 主要缺點

1) 由于礦井污水中含鐵器雜質較多，閉式污水循環處理系統中磁分離機工作時負荷量大，導致磁分離機經常出現故障，加大了設備維修成本費用。

2) 由于3#～5#煤層煤泥量大，且煤泥黏度高，造成吸泥泵對污泥池內煤泥吸收不干凈，需專人定期對污泥池進行清理。

4 實際應用效果

塔山煤礦中央水泵房于2018年5月投入使用了閉式恒壓循環污水處理系統，通過實際應用發現，該系統處理污水能力300 m3/h，截至2018年11月共計處理1.74×104m3污水，與傳統地面污水處理系統相比，減少地面污水排放量1.58×104m3，不僅有效地避免了污水對礦山環境破壞，而且該系統處理后可利用煤泥0.45萬t/月，全年可提高原煤銷售利益890萬元,同時礦井污水處理后，通過恒壓系統可對井下各用水點進行供水，減少了地面靜壓水供水量，全年可減少地面供水量3.2×104m3。

5 結論

同煤大唐塔山煤礦有限公司通過技術研究，對礦井原污水處理系統進行優化，設計一套煤礦閉式恒壓循環污水處理系統并在1070運輸大巷中央水泵房進行應用。通過實際運行發現，應用該系統后減少了礦井污水排放量，降低了污水對礦山環境影響范圍，實現了污水自動循環利用，同時減少了地面靜壓水供給量，提高了原煤產量，取得了顯著經濟效益。