煤矿给排水设计若干问题的探讨

袁存忠
煤炭工业部合肥设计研究院，安徽　合肥　230041

　　摘要：分析了煤炭给排水的现状及存在问题，从给水水源选择、井下供水、矿井工业场地的循环冷却用水及煤矿污水处理等方面探讨了煤矿给排水设计存在的问题及改进方向，论述了合理利用矿井排水资源，合理配置给排水及循环水系统，提出煤矿污水处理必须联系实际选择可行性方案。
　　关键词：煤矿；给排水；循环冷却水；污水处理；给排水设计
　　中图分类号：TD218，TD74
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2000）06－0005－04

An Approach to Some Questions in Water Supply and Drainage Design for coal mines
YUAN cun_zhong

　　AbstrAct：The current situation of water supply And drainage in coal mines and existing problems are analyzed.problems existing in the design of water supply and drainage for coal mines as well as the way forward for improvement are studied in the aspects of selection of water supply sources?water supply in mines，treatment of circulating cooling water for mining industrial sites and of wastewater from coal mines，etc.Discussions are made on rational utilization of the effluent water resources in mines and rational disposition of water supply and drainage systems and circulating water systems，with a conclusion made that feasible so lutions for the treatment of coal mine wastewater must be selected in combination with practice.
　　Keywords：coal mine?water supply and drainage；circulating cooling water；wastewater treatment；water supply and drainage design

　　煤矿给水设计的基本任务是满足矿井建设生产对水量、水压和水质的要求。主要包括矿井工业广场的生产、生活及消防用水；各类工业设备的冷却循环用水；矿井住宅区的生活及消防用水；矿井井下给水。
　　煤矿排水设计的基本任务是将矿井工业广场及居住区产生的各类生产废水、生活污水及雨水有组织的、符合环境保护要求排入地面水体。
　　煤矿给排水设计与城市给排水设计相比较有许多相似之处但又有其特殊性。一方面生产生活需要大量用水，另一方面煤矿开采又大大破坏地下水资源。在煤矿建设过程中，怎样才能符合市场经济规律，进行商业化、城市化给排水设计，怎样合理利用水资源，保护地面水环境，是煤矿给排水设计工作者必须重视的问题。本文结合多年从事煤矿设计的实践，对煤矿建设给排水设计存在的若干问题提出自己的看法。

1　给水设计

1.1　水源的选择
　　目前大多数矿井工业场地及居住区供水以取水源井地下水为主要供水水源、矿井水净化后回用作为辅助供水水源。供水系统设置情况如图１所示：

1.1.1　存在问题
　　以上供水方式存在下列问题：
　　①为保证矿井生产、生活用水，必须建许多水源井，以淮南矿区为例，潘三、谢桥煤矿均建有10多座水源井，这些水源井的泵房及设备投入大，且每座水源井还得征地保护。水源井输水管路较长。另外水源井取水能耗高，以淮南地区为例，一般成井深度超过80m，需要15～22KW的深井泵将地下水提升送至工业场地及居住区水池。
　　②工业场地及居住区供水设施分散，重复建设较多。特别是工业场地矿井水供水为非饮用水系统与水源井供水系统必须分开设置，连管道亦单独建设。因此，供水系统投资较高。
　　③矿井水利用率低，水资源浪费严重。
1.1.2　解决办法
　　因此，在进行煤矿给水设计时应解放思想，打破惯用的供水模式，充分利用矿井排水资源，在矿井工业场地建一座集中式的净化水厂，将矿井排水处理为生活饮用水，负责向矿井工业场地和居住区供水。以安徽省两淮地区的矿井排水为例，矿井排水中除悬浮物和细菌外，其余理化及毒理指标都符合生活饮用水的标准。大多数矿井排水经处理后全部回用足以保证矿井工业场地和居住区的生产、生活用水。部分水量充足的矿井满足自己用水外还有富余，净化水厂可在收取一定的水增容费和管网建设费后，向附近居民供水。矿井水净化处理流程如图2所示。

1.1.3　采用净化水的优势
　　采取净化矿井水供水模式的优点主要有：
　　①充分利用了地下水资源，由于气候条件、地理、地质环境不同，我国水资源的时空分布极不均匀。煤矿建设一方面大量矿井排水污染环境；另一方面由于地下水资源被破坏导致矿区供水严重短缺；矿井水净化回用，大大减少地下水的开采量，避免水资源紧缺矛盾，有利于矿井周围工农业的进一步发展，因而环境和社会效益显著。
　　②大大减少了煤矿给排水设施重复建设，节省大量建设资金。矿井水充分回用，工业场地的供水管网、给水构筑物及设备单一化，投资大大节省；同时减少了新建水源井、输水管路、道路、征地费用以及若干年后由于煤矿开采引起地表沉降而导致的水源井、输水管路及道路的重建费用；减少了矿井排水的处理费用［2］。
　　③管理、运行费用降低；
　　④供水成本降低。
1.2　井下供水设计问题探讨
　　随着采掘工艺的机械化，自动化程度的提高，为满足生产安全和防尘的要求，煤矿井下供水的范围越趋广泛，其主要供水对象归纳起来有：采掘工艺防尘用水、生产用水、消防用水。对于井下各用水点用水设备的用水量及水压要求，在煤矿设计规范中已有规定，本文不再赘述，下面主要就井下消防洒水设计存在的问题作一些探讨。
1.2.1　水源选择
　　目前大多数矿井设计中都将地面生产生活供水水源作为井下供水水源。由地面用管道将水引至井下，采用集中供水方式。其优点为水质可以保证，不需增加管理人员，对于用立井及斜井开发的矿井，井下水压较大，能满足采掘设备以及洒水器的水压要求，一般不需加压。缺点是井筒内管道长，部分矿井垂直向下高达1000m，井底大巷水压过大，使用不安全，特别对井筒深、井巷长者尤甚。其实，井下供水水源还有其他方案可供选择：如利用井下深部底板水源、利用井下排水。
　　①利用井下深部底板水源。若井底大巷内底板下有较好的含水层，可采取向下钻水源孔取水，借用地下水的承压水头满足井下采掘设备、洒水器及消防用水的水压要求。采取深部底板钻孔分散供水的优点：井下供水管道短，不耗电，节能，管道承压低，使用安全。缺点是必须做较多的水文地质工作，因为并非在井下所有地点打钻孔均可取到水。
　　②利用井下排水。当井下排水量较大，而且大部分为疏干底板水时，由于水量大，水较清，可在井下建水仓，稍作沉淀后，用泵送至井下供水管网。
　　综上所述，我们在进行矿井井下供水设计时，应认真分析水文地质资料，视各矿井的实际情况因地制宜。当井下有疏干水或底板含水层近且水量大时，宜优先选择井下疏干水或井下钻孔取水做水源。当井下水质很差或不具备取水条件时，应从地面供水。?
1.2.2　井下防尘洒水及其自动化问题
　　井下防尘洒水主要为消除岩尘及煤尘，尽量使井下风流中的岩尘浓度控制在2mg/m³以下，煤尘浓度控制在10mg/m³以下，保证煤矿生产安全及工人身体健康。但实际情况是许多矿井井下煤尘浓度超标，而防尘洒水设备却闲置不用，分析其原因，有生产管理与思想认识不足，不够重视问题，亦有设计不能使洒水器自动化工作，管理不便的问题。由于井下运输中煤流不均匀，尤其是装车点或翻笼都是间歇工作的，洒水器时开时停，人工操作不方便也不及时。无煤时也洒水，导致水到处漫流或影响皮带运行等。结果是工人干脆不开洒水器。设计上可采取下列措施达到洒水器自动启闭：在洒水器前管道上加电磁阀及在煤流控制点设置光感器。当有煤流通过或矿车到达装车点及罐笼，光线被挡，光电器作用打开电磁阀，洒水器喷水，反之立即关闭。这样不但方便管理，又节约用水，更主要保证生产安全。因此，在井下防尘洒水的系统设计时，应力求实现自动化。
1.2.3　井下给水管道防腐及管材选择
　　井下管道防腐一直是井下供水设计的难题，由于井下环境条件较差，空气湿度大，管道极易腐蚀。而且因为承压较高，往往使用无缝钢管或镀锌钢管。目前，民用建筑用来取代镀锌钢管的pp－R管，其公称压力已达2.5 mpa，该管不存在防腐问题，在以后的井下供水设计中，当管道工作压力不大于1.6mpa时，可做一些试用研究工作。
1.3　工业广场循环冷却水系统设计
　　由于煤矿通风、瓦斯抽放、井下灭火的需要，在矿井工业广场一般建有空压机站、瓦斯抽放站及制氮站。而空压机、瓦斯抽排机、制氮机等设备均需用水冷却。因需水量较大，采用循环冷却水。其供水流程如图3所示。

1.3.1　循环水系统重复设置问题
　　目前大多数矿井循环水设计均采用空压机站、制氮站、瓦斯抽放站等各自配套循环冷却水系统。采用这种分散设置存在以下弊端：
　　①冷却循环水系统的水池、泵房等构筑物及水泵、冷却塔、软化水等设备重复建设，占地大，投资高；
　　②冷却水池、冷却设备布置在被冷却设备车间附近，导致车间卫生环境较差；
　　③分散设置能耗高，运行费用高；
　　④　操作、管理人员较多，且技术力量分散。空压机站、制氮站、瓦斯抽放站对冷却用水的水质要求均为软化水，冷却进水温度均要求小于35℃，设备出水温度39～42℃。因此，矿井建设设计应综合考虑，在矿井工业场地适当位置设计一座循环水中心站，通过管道向各被冷却设备供水，设备冷却出水通过管道自流至循环水中心站。这样设置不但可克服上述分散设置的许多缺点，而且设备的维修、更换对生产影响小；节能降耗明显；便于对循环供水出现的技术问题组织力量攻关［3］。
1.3.2　冷却设备的合理配置问题
　　从已投入运行的循环冷却水系统的使用效果来看，循环冷却水设备与被冷却设备配置不合理，导致冷却效果不佳或节能效果很差，以淮南煤矿的潘三、谢桥矿井空压机站循环冷却水系统配置为例，空压机站一般有3～5台空压机，根据井下通风情况，可合理调节空压机启闭台数，而循环水系统水泵配置采用一台冷水泵、一台热水泵、一台互为备用泵。冷、热水泵流量按空压机组最大通风时所需冷却水量选型，这样配置的结果，不论空压机组开启几台，冷却水泵均按最大流量在运行，而且空压机开启台数转换频繁时，冷却水量调节只能靠频繁调节冷、热水泵出口管道阀门的开启度，很难控制，有时导致空压机冒水现象，为便于调节，又不得不在出水管上增加旁路回水。这种运行方式对水泵使用寿命影响大，能耗高。因此，在循环水系统设计时，一定要根据被冷却设备运行时需水量的变化情况合理配置冷却设备，如冷、热水泵、冷却塔、软化水装置的台数及流量搭配等。若从节能的角度出发，还可以考虑在循环水系统的冷、热水泵上增加变频调节功能，使流量调节随被冷却设备需水量变化更合理。虽然增加变频调节功能一次性投资有所增大，但4～5a的节能费用就可收回增加的投资［4］。

2　煤矿排水设计存在问题

　　煤矿排水设计的难点是生活污水处理设计，煤炭系统新建矿井非常重视环保建设，并投入了大量的环保建设资金。煤炭设计部门也对生活污水处理进行了多工艺、多方案比较与探索。如淮南地区，潘二矿的生物曝气工艺、潘三矿的生物转盘工艺、谢桥矿的表面曝气工艺、新集矿的氧化沟工艺。但从投入使用的实际效果及资金利用率来看均不理想。下面对煤矿生活污水处理作一些分析与探讨。
2.1　煤矿生活污水处理设施重复建设现象普遍
　　目前部分煤矿矿井工业场地和居住区各建一座污水处理厂，这样两处征地，重复建设，投资大大增加，运行能耗高，管理费用高，技术力量分散，吨水处理成本高。一般来说，矿井工业场地和居住区相距不是很远，合建一座污水处理厂更合理，考虑从居住区向工业场地排水，管道埋设太深，可在中间设置污水提升泵站，或者在工业场地与居住区中间地段征地建设污水处理厂。采取合建方式，不但可节省投资，更主要可大大降低运行成本。
2.2　污水处理设计参数选择不合理
　　进行煤矿生活污水处理厂设计时，对污水中污染物指标BOD₅、COD_Cr、SS取值，不是按实测，也不是用类比，而是套用城市生活污水污染物指标为设计依据，以BOD₅为例，城市生活污水为200 mg/L，而实际煤矿BOD₅值一般只有70～80mg/L。由于生活污水中有机物含量太低，致使原来设计的不少活性污泥法处理工艺，在运转过程中微生物得不到最低限度的营养物质，而被“饿死”、分解、矿化，形不成活性污泥。为此不少处理厂停止了回流活性污泥，保持了原来设计中的曝气环节，使原来的设计失去了核心环节--活性污泥及其工艺过程，变成了简单的一级强化处理。即使氧化沟污水处理工艺，也存在同样的问题，往往设计流程中的回流活性污泥回流不起来，致使原氧化沟系统变成了附加曝气的带状平流沉淀池；原设计中的不少配套设施成为多余，如消泡池、污泥集中处理池和污泥晾晒场等，造成了大量资金的浪费[5]。
　　山西古交矿区的许多矿井采用二级生物接触氧化法处理煤矿生活污水，效果很好。此工艺的特点是能适应矿区低浓度、变化大的污水，同时投资省，操作维护也比活性污泥法简单。它的原理是利用固体滤料表面所形成的生物膜净化废水。可利用的滤料是多种多样的，如炉渣、玻璃钢或塑料蜂窝状材料、半软性纤维球等[6]。
　　因此，在进行煤矿污水设计时，一定要分析进水污染物指标，选择适用性强、耐冲击负荷高的污水处理方案，提交环境保护部门专家组审查后确定最终处理工艺。

3　结语

　　总之，煤矿建设的水资源化，煤矿给水系统，循环水系统的合理配置，煤矿污水治理与环境保护等问题，值得煤矿给排水设计工作者深入研究与探讨。

参考文献：
　［1］?B.A.?高尔什可夫（苏）.煤炭工业企业废水的净化及利用［m］.山西：山西科学教育出版社，1987.
　［2］?石振华，李传尧.城市地下水工程与管理手册［m］.北京?中国建筑工业出版社，1993.
　［3］?严煦世.给水工程（第三版）［m］.北京：?中国建筑工业出版社，1995.
　［4］?陈培康，裘本昌.给水净化新工艺［m］.北京?学术书刊出版社，1990.
　［5］?魏先勋.环境工程设计手册［m］.湖南?湖南科学技术出版社，1992.
　［6］?周本省.工业水处理技术［m］.北京?化学工业出版社，1997.

作者简介：
袁存忠（1963－），男，1988年7月毕业于中国矿业大学能源环境工程系。联系电话：0551－2884634