煤矿闭式恒压循环污水处理系统设计及应用

郭全顺

(同煤集团 大唐塔山煤矿有限公司， 山西 大同 037001)

0 引言

同煤集团大唐塔山煤矿位于大同市南郊区杨家窑村，其矿井设计生产能力为15 Mt/a，采用平硐开拓方式。矿井目前回采盘区为一盘区、二盘区、三盘区，回采煤层为石炭系3#～5#煤层，采用综合机械化采掘工艺。

根据塔山煤矿提供的地质资料显示，矿井生产期间涌水量大，主要来源于上覆侏罗系采空区积水，其2#、4#层近距离采空区积水，小煤柱工作面同层采空区积水，寒武-奥陶系岩溶承压水等，矿井平均涌水量达65 m3/h。

为保证矿井生产的安全，塔山煤矿在1070运输大巷3 500 m处建立一个中央水泵房，主要用于矿井积水排放，水泵房容积为4 500 m3，中央水泵房通过安装的5台MD280型多级离心式水泵将污水排至地面山头污水处理站。但塔山煤矿回采煤层稳定性差，回采期间积水中煤泥量大，导致污水进入水泵房后水仓内煤泥淤积量大，需每隔10 d进行人工清理，不仅加大了劳动强度，而且污水处理时耗电量大、效果差，对矿山环境破坏性也大。对此通过分析研究，为了减少污水排放量，提高污水处理能力，实现污水循环恒压利用，需设计一套闭式恒压循环污水处理系统，主要包括闭式污水循环处理系统和恒压供水控制系统两部分[1]。

1 闭式污水处理系统

1.1 闭式污水循环处理系统

采用磁分离水体净化成套技术设备，处理水量为300 m3/h，将矿井污水通过管道排入系统内进行净化处理。系统主要包括着水砂分离器、沉淀池、混凝反应池、固液分离设备、电控系统、磁分离机、污泥池、压滤机等部分组成，如图1所示。其电控系统主要包括联锁开关、PLC控制柜、远程操控台等部分，远程操控台内设有主机、打印机、显示器，主机通过安装软件在显示器界面可现实闭式污水循环处理系统各设备运行状态、运行时间、故障点等，并可实现远程操作控制。

图1 闭式污水循环处理系统结构

1.2 闭式污水循环处理系统工作原理

1) 水泵房内污水经过水砂分离器，将污水与砂石进行分离，水砂分离后污水进入预沉池进行沉淀处理，在预沉池内3个沉料槽内分别埋入吸料管。

2) 预沉池污水沉淀一段时间后，池内上部污水流入混泥反映池内，下部沉淀污物通过高压吸泵作用，经吸料管进入污泥池内。

3) 通过在混泥反应池内加入磁种和混凝剂对污水种悬浮颗粒进行混凝，混凝后污水经高位水箱，将含有磁性凝聚物的混合污水送至分离器中进行固液分离[3]。

4) 经固液分离后清水直接排至恒压供水系统，含有磁性物质的污水进入磁分离机，并对铁质进行清除；经磁分离后污水再次进入混凝反应池内，煤泥进入煤泥池内。

5) 污泥池煤泥经吸泥泵吸入压滤机进行脱水，脱水后煤泥排至胶带输送机运出。

6) 该系统在进行污水处理时，实现无人值守自动化控制，电控系统中PLC控制柜可对混凝系统及其它设备进行自动调节控制作用。

2 恒压供水控制系统

2.1 系统结构

恒压供水控制系统安装2套恒压供水系统，每套使用2台90 kW水泵(660 V)，2台防爆变频器，1台操作台，2台阀门控制箱，2台PLC控制箱等进行调速控制。该系统以PLC控制的变频恒压供水，采用本质安全型压力变送器实时监测出水管路压力值；可对系统流量、液位等信息进行实时采集；辅以合理的水泵控制策略，保证整个系统运行的可靠性。控制方式分为自动控制、手动一键控制、就地检修控制[2]。

2.2 恒压供水控制系统工作原理

恒压供水控制系统中清水池水源经高压水泵作用进行加压，经过电控液阀集控系统进行流量控制及水压控制，调节后的水流达到恒压状态，然后经供水管路输送机至矿井各个用水点，该系统中水压控制主要由2种方式：全自动恒压控制和手动一键控制。

1) 全自动恒压控制。本着水位优先的原则实现各个水泵的自动控制，当水位达到高位或不在低水位值时，允许开启水泵，之后通过检测管路的压力值，从而自动调节变频器的频率，使设备在预设的压力范围内进行工作；当管路压力过低时，也可以开启备用泵来实现稳压[4]。

2) 手动一键控制。根据实际需要可从自动控制方式切换到手动控制方式。此方式下操作人员在操作台上人工手动控制。可对单个设备进行启、停操作但是水泵的频率值需要人为设定，并当水位过低时水泵无法开启。

3 煤矿闭式恒压循环污水处理系统优缺点分析

3.1 主要优点

1) 系统操作简单、故障率低。该系统中所有设备间采用PLC控制柜联锁控制作用，系统操作简单，且系统在运行过程中可通过操控系统定期巡检各个系统设备故障并实现自动故障排除，降低了系统故障率。

2) 自动化水平高，劳动强度低。该系统在运行过程只需一人在远程操控室内通过监控系统对设备运行状态进行观察即可，无需专人对系统设备进行开启，实现了无人值守污水处理的目的，大大提高了污水处理自动化水平，降低了劳动强度。

3) 减少了污水排放量。采用该系统后可直接对中央水泵房污水进行循环处理，并对污水处理后进行恒压处理，供给矿井采掘工作面，减少了地面静压水供给量及污水排放量；同时污水处理后煤泥可直接混入矿井原煤中，提高了煤炭产量[5]。

3.2 主要缺点

1) 由于矿井污水中含铁器杂质较多，闭式污水循环处理系统中磁分离机工作时负荷量大，导致磁分离机经常出现故障，加大了设备维修成本费用。

2) 由于3#～5#煤层煤泥量大，且煤泥黏度高，造成吸泥泵对污泥池内煤泥吸收不干净，需专人定期对污泥池进行清理。

4 实际应用效果

塔山煤矿中央水泵房于2018年5月投入使用了闭式恒压循环污水处理系统，通过实际应用发现，该系统处理污水能力300 m3/h，截至2018年11月共计处理1.74×104m3污水，与传统地面污水处理系统相比，减少地面污水排放量1.58×104m3，不仅有效地避免了污水对矿山环境破坏，而且该系统处理后可利用煤泥0.45万t/月，全年可提高原煤销售利益890万元,同时矿井污水处理后，通过恒压系统可对井下各用水点进行供水，减少了地面静压水供水量，全年可减少地面供水量3.2×104m3。

5 结论

同煤大唐塔山煤矿有限公司通过技术研究，对矿井原污水处理系统进行优化，设计一套煤矿闭式恒压循环污水处理系统并在1070运输大巷中央水泵房进行应用。通过实际运行发现，应用该系统后减少了矿井污水排放量，降低了污水对矿山环境影响范围，实现了污水自动循环利用，同时减少了地面静压水供给量，提高了原煤产量，取得了显著经济效益。