千米定向鉆機使用循環水打鉆工藝研究

陸永強

（山西晉能控股煤業集團沁秀公司， 山西 晉城 048006）

引言

隨著當前煤炭開采條件不斷復雜和開采深度的不斷增加，瓦斯已成為制約礦井生產的主要因素。為提高瓦斯抽放效率及效果，保障煤礦安全、高效生產，井下一般采用千米定向鉆機區域抽采治理瓦斯[1]。但定向鉆孔在鉆進期間要返出大量煤屑，要想重復利用循環水就必須將循環水中的煤屑分離出來，確保循環水在鉆進期間攜沙正常、泵壓無明顯異常。此外，定向鉆進工藝對鉆井也要求較高，需確保螺桿馬達在定向鉆進的數百小時內穩定工作，避免退鉆造成孔內事故[2]。因此，研究定向鉆機打鉆的水循環工藝具有較高的推廣價值和社會意義。

1 現場概況

岳城煤礦為晉能控股煤業集團下屬高瓦斯礦井。目前該礦已全面推廣定向鉆孔工藝，現使用ZYWL-6000D、ZDY6000LD、GDST15-38、ZDY12000LD型定向鉆機，保有量已超過20 臺，每年打鉆進尺超過1 000 km。為確保定向鉆機正常鉆進，岳城煤礦在現有定向鉆機施工定向鉆孔時，使用的是無污染的清水鉆進，同時孔內返出的污水采用污水泵直接從排污管內排走，為此，必須為施工鉆場鋪設專用供水管路和排污管路。定向鉆機每天累計的耗水量非常大，打鉆后的廢水通過排污泵直接排走，造成水資源的浪費，不符合當前國家和集團公司的相關標準要求。

2 問題分析

原供水系統流程如圖1 所示。

由圖1 可知，原先千米鉆機工作面產生的污水，經5 次轉載（用水點→集中排水點→盤區水倉→主水倉→污水處理廠→地面蓄水池）送至地面污水處理廠，污水處理廠通過加藥沉淀、過濾等工序，凈化出的清水凈化后再返回井下用水點，煤泥水送往洗煤廠處理。原系統存在的問題：一是地面污水和處理站能力有限，極易造成千米鉆機待水停機現象，制約抽掘采進度；二是千米鉆機用水量大，造成排水系統壓力增加，影響其他用水點的供需；三是經過5 次轉載，水處理費用很高，約5.8 元/m3；四是排水管路安裝工程量、排水倉施工工程量大，還存在環保方面的隱患，處理費用高。

圖1 原千米鉆機污水處理系統流程

3 系統流程

設計一種新型水循環凈化系統，即在中水回用模組內采用平板陶瓷膜組作為凈化裝置的核心技術[3]，只通過模板表面進行過濾，容易實現自動清洗；采用全氣源作為驅動動力，有效避免千米鉆場高瓦斯突出造成的火災危險；通過自動氣控元件進行延時控制，實現現場一鍵啟動要求。其工藝流程如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，系統在千米鉆機工作面增加振動篩與中水回用裝置，污水先經過振動篩預處理，分離出大顆粒煤粉回收，同時起到改善中水回用膜組工況條件的作用，再經由沉淀池進行二次沉降凈化，沉淀出篩分水中的細小顆粒，然后進入系統的中水回用裝置[4]。污水通過中水回用裝置，在外壓內吸作用下，粒徑小的水分子團和離子透過平板陶瓷膜，粒徑大的固體雜質被阻擋在陶瓷膜表面，從而達到固液分離凈化的效果。千米鉆機工作面產生的污水就可以進行就地處理，凈化后的水質可以滿足鉆機循環使用要求，達到就地處理、循環利用的目的。

圖2 設計水循環凈化系統流程圖

4 核心部件設計

4.1 振動篩篩分裝置

系統篩分裝置采用脫水振動篩，主要作用是脫水、脫泥、脫介質，其中激振器采用進口氣動式驅動，其功率可根據調節進氣量的大小，滿足各環境下的使用要求。同時為保證篩選效率，增加了反沖洗功能，可及時處理篩分過程中的網眼堵塞。

4.2 平板陶瓷膜過濾系統

平板陶瓷膜是采用無機陶瓷材料燒制而成，具有中空結構，膜面布滿一定數量和直徑的通透濾道。其工藝流程如圖3 所示。

圖3 平板陶瓷膜過濾系統工藝流程圖

由圖3 可知，平板陶瓷模組的主要作用是將單片的平板陶瓷膜進行組裝黏合，使其可以多膜片同時工作，提高凈化指標，同時將過濾清洗循環裝置集成到模組內，做到設備的小型化與集成化。為保證設備凈化指標和速度滿足鉆機用水要求，保證7.5 t/h 的膜組凈水效率，將膜板拆分為400 片，每片凈化能力為0.5 t/h，同時為避免膜組破損后由串聯效應引起的設備故障，每片膜組均有逆止閥門，單片膜組破損后可通過逆止閥將單片破損膜組隔離，每破損一片影響裝置處理能力0.25%，破損20 片影響裝置處理能力5%，且每片膜板都可獨立密封，破損后的膜板不影響運行，不影響設備凈水效率。

4.3 自動補水裝置

自動補水裝置工藝流程示意圖，如圖4 所示。

圖4 高壓自動補水裝置工藝流程示意圖

由圖4 可知，高壓自動補水裝置可根據受水容器（水箱、水塔等）的液位升降，實現高壓水自動補充，保持受水容器液位穩定。部件全部由機械和氣動元器件組成，適應各種補水環境，尤其適應防爆環境的自動補水。自動補水不受水壓限制，不但適用于水的自動補充，而且適用于其他溶液和腐蝕性液體的液位自動補充。

5 效果驗證

該項目于2020 年11 月21 日在礦東五盤區抽放措施一巷實施，由千米鉆機一隊負責該系統試驗，至2021 年4 月2 日完成全部試運行進尺10 000 m。千米鉆機（每臺）日正常用水量為12～15 m3/h，回水經除砂裝置處理后，除砂率≥96%，顆粒物粒度在90～110 μm，雜質總含量小于1%。按每天工作20 h 計算，日耗水量為240～300 m3。循環水箱日產水量為鉆機用水量的80%～90%，補水量為10%～20%，每日補充清水量與回收上井廢水相同，極大地減小了礦井排水管路壓力，滿足了生產要求。

6 結語

在不降低鉆孔鉆進效率和螺桿馬達使用壽命的前提下，優化現有打鉆工藝，研究水循環系統，減少定向鉆進專用排水管路的鋪設，節約用水，降低定向鉆孔的鉆進成本。目前岳城煤礦全面推廣定向鉆孔工藝，按每天工作20 h 計算，日耗水量為240～300 m3，排污泵功率22.5 kW，日耗電量為450 kW·h，岳城煤礦每天開工鉆機約為30 臺，鉆機每天的耗水成本為840～1 050 元，耗電成本為675 元，水力成本和電力成本合計1 515～1 725 元，一年按300 個工作日計算，總成本約50 萬元。因此研究定向鉆機循環水打鉆工藝，可以有效減少勞動強度、節約水資源，具有良好的市場前景和推廣價值。