矿井排水节能环保研究

王 荣，王新园

(1.国家能源神东煤炭集团有限责任公司 哈拉沟煤矿，陕西 神木 719315；2.陕西榆林能源集团 横山煤电有限公司，陕西 神木 719000)

节约资源是我国的基本国策，也是企业落实科学发展观，提高企业经济发展质量和效益、增强企业核心竞争力的根本要求。当今时代把“能耗”作为评价一个企业综合竞争力的重要指标，能耗指标越来越成为一个国家和企业持续发展的重要动力。水害是煤矿五大自然灾害之一，治理水害[1]的主要手段有防、堵、疏、排、截，其中重点是排水，排水设备也是煤矿主要能耗因素，据分析神东哈拉沟煤矿2016年排水电耗，约占全矿电耗的12%～18%。目前，矿井排水管理主要工作目标是实现排除积水、消除水患，这种粗放型管理，已不能适应企业可持续发展的要求。因此，从制度建设、系统设计、现场管控等环节，如何优化排水系统，实现精益化管理，做到节能排水、环保排水，建设资源节约型、绿色环保型企业，对降低矿井总体能耗有着重要意义[2]。

1 健全能耗管理体系

建立健全节能降耗工作责任制和问责制，细化能耗考核体系，层层抓落实，将一把手做为节能降耗工作的第一责任人，将节能降耗责任具体落实到科室、区队、班组、岗位，做到全员参与，使各项节能管理工作有法可依，有章可循。大力宣传、贯彻学习《节约能源法》，进一步提高企业全员的节能降耗[3]法制意识。科学合理制订年度节能目标任务，落实节能降耗责任，定人、定点、定量、定责。制定节能奋斗目标指标，要充分考虑历史能耗水平和现有设备设施状况，循序渐进，可操作性强，要瞄准国内国际先进水平，要对标一流找差距，针对性制定整改提升方案，大处着眼小处着手，逐步追赶超越。依托现代信息体系，将能耗进行实时监控、日跟踪、周通报、旬分析、月总结，及时发现和调整排水过程中所出现的各种问题，不断优化排水方案，做到动态监管、事前控制。在日常工作中采取多种宣传、培训、激励措施，提高全员的节能意识，充分调动一线职工主动参与节能降耗的积极性，为降低能耗成本出谋划策，使节能成为每个职工的自觉行动。

2 科学设计系统

节能排水、环保排水，必须首先从矿井初步设计开始考虑，从源头上为矿井排水系统的运行创造节能环保基础条件。因此，排水系统的设计必须遵循以下几个原则：

2.1 采掘系统设计

采掘工作面设计时必须充分考虑矿井防治水利与弊，回采时排水的安全性、节能性。优先设计为由低至高顺序布置工作面，仰采效果较好，让新采空区出水直接流进老采空区，减少排水，降低电耗。

2.2 基础工程建设

2.2.1 水仓设计

中转水仓必须根据巷道长度、坡度、水泵排水能力、涌水量大小综合考虑，一般1000～1500m左右设置一处中转水仓为宜，下坡时可适当延长，上坡坡度较大可适当加密，但不得过密，龙门增加会增加管损，降低系统效率。过远，管损较大会造成水泵扬程不足流量降低，效率骤降。

巷道条件允许的情况下，中转水仓应设置双水仓周转使用，即一个水仓排水，另一个沉淀清淤，可有效提高水仓沉淀煤泥效果，减少管路淤泥堵塞，提高管路效率，提高水泵效率，降低能耗。

2.2.2 水窝设计

巷道小股水流抽排，必须设置水泵小水窝，特别是顺槽巷道、掘进巷道，零星小股水较多，不设水窝，水浅水泵底座高，无法抽排。小水窝最好能存储半小时涌水量，减少水泵频繁起停造成大电流高能耗，降低水泵寿命。

2.2.3 水沟设计

矿井一般巷道的巷边均应设计施工水沟，水沟必须设计在巷道较低一侧，施工混凝土底板时必须水沟一侧略低，便于巷道水自流到水沟内，减少巷道积水。主要大巷的水沟必须调坡，有条件的可全长度巷道整体调整坡度，不具备条件的可分段调整坡度，对于高低起伏较大的巷道，还可以将高处水沟挖深，低处砌筑挡墙修沟，在保障巷壁安全的前提下，最大限度的调整坡度实现水沟自留，减少水泵排水，降低能耗。水沟必须支模夯实混凝土料，确保强度，防止车辆通行压坏，抹面光滑，减小阻力；遇联巷口，必须覆盖高强度的水沟盖板，防止车辆调车压变形。

2.3 排水系统设计

2.3.1 管路的设计安装

1)排水管路能力设计必须结合采掘工作面的布置方式及采场条件，参考本地区历史降水量及近年降水量；要充分依据地测预测预报正常用水量及最大涌水量。同时要考虑管路淤积增加阻力系数。

2)管路流速选择1.5～1.8m/s左右[4]，流速过高管损剧增，系统效率低能耗增加。

3)管路安装位置应统筹兼顾两个或多个工作面共用，管路安装在共用巷道内；管路尽可能综合利用，一管多用，压风管、注浆管、供水管均可应急切换为排水管用，增加系统应急能力，减少管路安装。

4)管材优先选择PE管类[5]管内壁光滑的管件，PE管具有较高的抗外冲击性，极高的抗内冲击性能，内壁光滑水阻系数小，使用寿命长，耐腐蚀性强，柔韧性好，重量轻，不结垢等优点。钢管的糙度为0.012，PE管为0.009。PE管的初期材料费较钢管贵，但后期的运行费较钢管小，能耗是钢管的81.33%。当然，在辅助运输巷道交叉路口、拐弯处宜选用钢管，不易被剐蹭、碰撞损坏。

2.3.2 主排水泵选择

应选用高效节能产品，并宜选用耐磨泵[6]；水泵在整个运转期间其工况应位于高效区，效率不低于80%[7]。固定水泵房水泵的控制应优先选用变频控制，既有利于电机的软启动，更有利于电耗的有效降低。

2.3.3 综合循环利用

设计以采空区矸石作为过滤、净化污水的载体，将井下排水直接注入采空区进行初级净化，然后再进行二次处理后供井下及地面生产使用；通过水质保障、清污分离等措施，将未经生产污染的采空区涌水、探放水、顶板淋水收集后集中抽排到地面，供地面生活使用，实现矿井水的综合循环利用。

3 排水管路经济运行

1)均衡排水。有计划的均衡排水，杜绝高度集中、突击排水，造成管路排水拥堵，降低了水泵效率，增加了能耗。根据排水系统能力，提前有计划的安排新的掘进、回采工作面疏放水钻孔疏放水，科学合理组织、调控，适量排放水，最大限度的有效利用现有排水系统的能力，减少突击排水、新增管路安装费用。

2)集中排水。应先将顺槽零星小股涌水用小泵抽排到中转水仓，然后集中用较大水泵直接抽排到主管路至中央水泵房或采空区，然后由中央水泵房或采空区再集中抽排到地面或井下管网重复利用。

3)高低压分设系统排水。即扬程相近的水泵可共用管路同时排水，扬程相差较大的水泵严禁共管排水。若条件限制必须共用管路排水，则应分时段排水，即高、低扬程水泵分别分时间段排水，防止扬程高的水泵将扬程低的水泵堵压，低扬程水泵无效或低效运行，造成积水并增加能耗。

4)排水管路的定期检查。矿井水中含有煤泥等悬浮物以及一些难溶盐类，所以矿井水排放会导致排水管道结垢，增加管道阻力，管道结垢达到一定程度，会大大降低排水管道的排水效率，影响煤矿井下安全生产，同时增加排水电耗。定期检查管路积淤情况、检查中转水仓积淤情况。管路积淤检查必须分段断开检查，特别是龙门处、低洼处等易积淤的地方要加强检查。根据检查情况定期清淤，严重的必须拆换管路。清淤可采用多种方法，直径200mm以上的管路可采用高压水射流清理技术清淤，利用管道除垢机器人，高压水射流是从20世纪70年代发展起来的新技术，利用高压泵提供的高压水，经高压胶管送至喷头，由喷嘴将高压流速水流转变为低压高流速射流，冲击管壁结垢，利用其冲力作用、磨削作用等使污垢和附着物从管壁脱离。由于人无法深入排水管道并进行清洗作业，所以将机器人技术与高压水射流技术相结合，可高效完成对排水管路的清洗。中转水仓视积淤情况及时清理，一般要求积淤不得超过50%，但雨季前必须全面彻底清理一次。

4 节能排水法

4.1 水沟引流排水法

主要针对巷道零星淋水、小股涌水，巷道边留设边沟做水沟，将巷道小股涌水引入水沟，利用巷道边水沟高差，让水自流入水仓，再用水泵集中抽排。

4.2 管路引流排水法

主要针对顶板淋水、上覆采空区积水或基岩富水区钻探疏放水等的排水。将顶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；将钻探疏放水钻孔套管就近与巷道排水管路直接对接排放水。

4.3 无能耗虹吸排水法

虹吸现象在我国很早就被发现并得到应用，据史料记载，宋朝就有用竹筒制作虹吸。古代称“注子”、“偏提”、“渴乌”[8]或“过山龙”等称谓均属虹吸现象。虹吸现象就是连通器技术，即水柱间两侧液面存在高差，其内部液体就会自然流动，该现象称之为虹吸现象，即液态分子间引力与位能差所产生的现象。其原理是利用水柱压力差，使水上升后再流到低处，由于管口水面承受不同的大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的水面变成相同的高度，水就会停止流动。井下利用采空区与大巷水沟、水仓、水泵房或采空区储水点的高差，将需要防治排水的采空区积水用适配的管路连接引水排放，取消水泵动力排放，消除能耗。

神东哈拉沟煤矿22526采空区涌水达225m3/ h，在22526采空区排水方案中，充分利用22526采空区出水口地理位置高，与22211—22214采空区的高差，将22526采空区涌水用管路引流至22211—22214采空区，在出水口加装电动阀，利用PLC编程控制水位蓄势，自动控制排放水，成功实施虹吸无能耗排水。既能控制采空区水位，防止吸空漏气自然，又能自动控制水位蓄势，防止水位过高造成采空区密闭压损危险隐患，同时取消了电泵排水能耗，仅电耗年可节约1051200kWh，又实现了减员增效。

4.4 综合利用排水

采空区积水排放应考虑清污分离，检验达标的可直接排放地面，减少二次污水处理耗能；将采空区达标积水抽排到井下、地面生产系统用水、消防用水，特别是地面洗煤厂用水；采空区达标积水抽排到地面饮用水管网补给或地面灌溉、养殖用水，改善生态环境，绿色环保开采[9]。对于巷道积水及采空区检验不达标积水，应考虑先排放到储水采空区，然后再二次抽排利用，还不达标的可在井下就近建立污水处理站，处理后直接用于井下生产、消防等用水，减少直接提升抽排到地面及地面自来水抽到井下过程中的能耗。

神东哈拉沟煤矿将采掘工作面产生的污水，通过管道抽排到主运大巷集中管道后直接注入各采空区注水点(22211、22204注水点)注入采空区进行初级过滤、净化。采空区初级净化、过滤后的清水再经过二次深度处理，水循环处理系统设施建在井下2-2煤二盘区22211—22214采空区出水点旁边，处理后的净化水一部分由管路输送到各采掘工作面供水点、巷道喷雾、洒水使用，另一部分通过管路输送到地面供洗煤厂、锅炉房、消防蓄水池、鱼塘、环保绿化、农田灌溉等使用。年可节约污水处理电耗219000kWh。

将采空区涌水、各盘区工作面探放水、顶板淋水等洁净矿井水源，通过管路收集，注入四盘区采空区储水区(22401—407采空区)的注水点(如22405、22401注水点)，在最低点22401回风巷泄水措施巷通过钻孔强排至地面哈拉沟净水厂，经过处理，通过管路输入矿区供水管网，供神东矿区生活饮用水，年可节约电耗253500kWh。

4.5 自动化排水

自动化的排水系统能够大大提高矿井排水的安全性和工作效率。现阶段，井下自动化排水主要有三种方式，即全自动模式、半自动模式和手动模式(检修时使用)。全自动排水可实现调度指挥中心远程监控、停送电、自动水位监测起停水泵、水泵运行参数的监测监控、异常状况的自动分析处理等功能，实现完全无人化自动管理。使用全自动模式系统需要对检测到的数据信息进行综合分析和考虑，从而对水泵的开启和停止进行有效把控，要求水位、水泵、开关、移变等的数据采集传输要可靠、精准。主要水泵房应实现全自动模式，中转水仓应实现半自动或全自动排水模式。监测排水管路的系统压力、流量，电动阀自动开关连通水泵和管路，合理调配管路负荷，均衡各管路压力、流量，避免个别管路多处多台水泵同时排水造成拥堵，管压大，水泵效率低，增加能耗。

特别是零散小水窝水泵应全部安装水位监测传感器控制开关，实现自动排水。由于零散小股涌水流量小，不能维持水泵长时间抽排，如果设专人手动开关费时、费工，成本太大；如不设专人、不安装水位监测传感器(传感器较贵)，水泵长时间空转高温会烧坏，而且能耗大幅增加。加装水位监测传感器控制开关后，水泵寿命可提高2倍以上，且能耗可降低40%～60%左右。 水位传感器的安装固定及高度调整必须可靠合理，否则水泵频繁起停不仅会降低水泵寿命，而且会增加能耗。

4.6 错峰用电排水

主要水泵房及其他可调整排水时间的中转水仓的水泵运行尽量错开电网用电高峰期[10]，尽量协调安排在当地电网用电低谷期集中力量排水，电网用电低谷期电网性能质量高，既能提高水泵效率，减少能耗，又能大幅降低电费。

4.7 推广使用风泵排水

风泵由于控制方便，通过控制进气闸阀的开度即可灵活控制风泵排水能力，吸水管水位较低(30mm深的水即可吸排)，且压风管路遍布井下所有巷道，全天候供气，因此，对于涌水量较小的零散小水窝、水沟等的排水，可优先选择风泵排水，可有效降低能耗。

4.8 隔离排水

综采工作面机尾排水，由于顶板淋水、老塘涌水，常常造成工作面刮板运输机机尾返拉水煤泥，必须将机尾观察板出水口处加装导水槽，将煤泥水导出机尾，在顺槽根据巷道起伏变化情况，距机尾合适位置打设挡水沙袋墙沉淀隔离煤泥，或制作安装煤泥过滤格栅，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将大幅降低，甚至降到30%以下，既抽不动水，又大幅增加电耗。

4.9 根据需求排水

井下水通过钻孔直接提升到地面的，可综合错峰排水、均衡排水，结合地面复用水需求，科学合理安排井下水的排放时间、排放量，以便最大限度的满足地面环保绿化、养殖灌溉等的用水，提高矿井水的综合利用率，整体降低抽排水能耗，实现矿井绿色环保开采。

5 结 语

随着矿井开采的深度延伸发展，井下涌水量渐增，抽排水能耗随之增加，占矿井总能耗的比重同步增加。因此，矿井排水节能降耗成为企业管理的重要部分。一是制度建设需高瞻远瞩、持续发展，建立健全能源计量管理、能源统计和能源利用状况分析制度，对重点用能单位实施节能降耗目标管理，并制订中长期节能降耗发展规划，促进企业节能降耗上水平。二是系统设计要科学合理、节能环保。随着矿井信息化、自动化建设水平的不断提高，特别是引进德国工业4.0管理理念后，要充分利用、挖掘PSI系统功能，更多、更好的实施高度智能自动化排水，更好的实现节能降耗。三是现场管控当精细管理、全员当责。找出重点用能单位节能管理中的薄弱环节，挖掘节能空间，发动全员积极参与创新创效。四是积极推广节能新技术和新机制。积极了解掌握内外各类能耗信息、先进节能技术、新工艺、新设备及先进管理经验，引导企业挖潜改造，提高能效。运用市场化机制，引导全员节能降耗，逐步实现矿井节能开采、环保开采、绿色开采。