煤礦排水設計的基本任務是將礦井工業廣場和居民區產生的各種生產廢水、生活汙水和雨水有組織地、符合環保要求地排入地表水體。
與城市給排水設計相比，煤礦給排水設計有許多相似之處，但也有其特殊性。壹方面，生產和生活需要大量的水，另壹方面，煤炭開采極大地破壞了地下水資源。在煤礦建設過程中，如何順應市場經濟規律，進行商業化、城市化的給排水設計，如何合理利用水資源，保護地表水環境，是煤礦給排水設計人員必須重視的問題。根據多年的煤礦設計經驗，對煤礦建築給排水設計中存在的壹些問題提出了壹些看法。
1給水設計
1.1水源的選擇
目前，大多數礦山工業場地和居民區以水源井的地下水為主要供水水源，礦井水經凈化後回用作為輔助供水水源。
1.1.1有問題。
上述供水方法存在以下問題:
(1)為了保證礦井生產和生活用水，必須修建許多水源井。以淮南礦區為例，潘三、謝橋煤礦有10多口水源井，這些水源井的泵房和設備投入巨大，每口水源井都要征地保護。水源井的輸水管道較長。此外，水源井取水能耗高。以淮南為例，成井深度壹般在80m以上，需要15 ~ 22kW的深井泵將地下水提升至工業場地和居民水池。
②工業場地和居民區供水設施分散，重復建設多。特別是工業場地的礦井供水是非飲用水系統和水源井的供水系統必須單獨設置，甚至管道也要單獨修建。因此，供水系統的投資很高。
③礦井水利用率低，水資源浪費嚴重。
1.1.2溶液
因此，在煤礦供水設計中，應解放思想，打破通常的供水模式，充分利用礦井排水資源，在礦井工業場地建設集中凈化水廠，將礦井排水作為生活飲用水處理，負責向礦井工業場地和居民區供水。以安徽省淮北地區礦井水為例，礦井水的理化和毒理指標除懸浮物和細菌外，均符合飲用水標準。礦井排水大部分經過處理後回用，足以保證礦井工業場地和居民區的生產和生活用水。壹些水量充足的礦井除了滿足自身用水需求外還有盈余，凈水廠在收取壹定的水增容費和管網建設費後，可以向附近居民供水。礦井水的凈化過程如圖2所示。
1.1.3使用純凈水的優點
采用凈化礦井水供水方式的優點主要有:
①地下水資源得到充分利用。由於不同的氣候條件、地理和地質環境，中國水資源的時空分布極不均勻。壹方面，大量礦井排水汙染環境；另壹方面，由於地下水資源的破壞，礦區供水嚴重不足；礦井水的凈化回用大大減少了地下水的開采量，避免了水資源短缺的矛盾，有利於礦井周邊工農業的進壹步發展，從而取得了顯著的環境效益和社會效益。
②大大減少了煤礦給排水設施的重復建設，節約了大量建設資金。礦井水充分回用，簡化了工業場地的供水管網、供水構築物和設備，大大節約了投資；同時降低新建水源井、輸水管道、道路、征地費用和若幹年後采煤引起的地表沈陷對水源井、輸水管道、道路的改造費用；降低了礦井水的處理成本[2]。
(3)降低管理和運營成本；
④降低了供水成本。
1.2地下給水設計探討
隨著采煤工藝機械化和自動化程度的提高，為滿足安全生產和防塵的要求，煤礦井下供水範圍越來越廣，主要供水對象概括為:采煤工藝防塵用水、生產用水和消防用水。井下各用水點對用水設備的用水量和水壓的要求在《煤礦設計規範》中已有規定，在此不再贅述。下面主要討論井下消防噴頭設計中存在的問題。
1.2.1水源選擇
目前，在大多數礦井設計中，生產和生活的地面供水水源被用作地下供水水源。水從地面用管道輸送到地下，采用集中供水。它的優點是可以保證水質，而且不需要增加管理人員。對於立井和斜井開拓的礦井，井下水壓比較高，可以滿足采掘設備和灑水裝置的水壓要求，壹般不需要加壓。缺點是井筒內管道較長，有些礦井垂直向下高達1000m。井底巷道水壓過高，使用不安全，特別是深井和巷道中的老人。其實地下供水還有其他方案，比如利用地下深層水，地下排水。
(1)利用地下深層地下水。如果底部巷道底板下有較好的含水層，可以通過鉆下水源孔，借用地下水的承壓水頭取水，滿足井下采掘設備、灑水和消防用水的水壓要求。深底板鉆孔分散供水的優點是:地下供水管道短，不耗電，節能，管道承壓小，使用安全。缺點是必須做更多的水文地質工作，因為不可能在地下所有地點都鉆孔取水。
②采用地下排水。當地下排水量較大，且大部分是排出的底板水時，由於水量大，水清，可在地下建壹個水倉，稍經沈澱後，用水泵抽到地下供水管網。
綜上所述，我們在設計井下供水時，要根據各礦井的實際情況，認真分析水文地質資料，因地制宜。當井下有疏幹水或底部含水層較近且水量較大時，宜優先考慮井下疏幹水或井下鉆孔水作為水源。當地下水質較差或不具備取水條件時，應從地下供水。
1.2.2井下防塵灑水器及其自動化
井下防塵灑水主要是消除巖塵和煤塵，盡量將井下風流中的巖塵濃度控制在2mg/m3以下，煤塵濃度控制在10mg/m3以下，確保煤礦生產安全和職工身體健康。但實際情況是，很多礦井煤塵濃度超標，防塵灑水設備卻閑置。分析原因，存在生產管理和思想認識不足，對問題重視不夠，設計不能使噴頭自動工作，管理不便等問題。由於井下運輸煤流不均勻，特別是裝煤點或翻罐時斷時續，灑水車時斷時續，人工操作不方便不及時。無煤時灑水，造成水滿溢或影響皮帶運轉。結果，工人們幹脆不打開灑水器。在設計中，可以采取以下措施來實現噴頭的自動啟閉:在噴頭前的管道上增加電磁閥，在煤流控制點設置光傳感器。當有煤流經過或礦車到達裝載點和罐籠時，光線被遮擋，光電裝置打開電磁閥，灑水車噴水，否則立即關閉。這樣既方便管理，又節約用水，主要保證生產安全。因此，在井下防塵灑水系統的設計中，應努力實現自動化。
1.2.3地下給水管道防腐及管材選擇
地下管道的防腐壹直是地下給水設計中的壹個難題。由於地下環境條件差，空氣濕度大，管道容易被腐蝕。而且因為壓力大，經常使用無縫鋼管或者鍍鋅鋼管。目前民用建築中用於替代鍍鋅鋼管的PP-R管公稱壓力已經達到2.5mpa，管材不存在腐蝕問題。在今後的地下給水設計中，當管道的工作壓力不大於1.6mpa時，可以做壹些試驗研究工作。
1.3工業廣場循環冷卻水系統設計
由於煤礦通風、瓦斯抽采和井下消防的需要，壹般在礦井工業廣場內建設空壓機站、瓦斯抽采站和制氮站。空壓機、抽氣器、氮氣發生器等設備需要用水冷卻。由於需水量大，采用循環冷卻水。供水過程如圖3所示。
1.3.1循環水系統重復設置
目前礦井循環水設計大多采用空壓機站、制氮站、瓦斯抽放站等配套循環冷卻水系統。采用這種分散設置有以下缺點:
(1)冷卻循環水系統的水池、泵房等構築物及水泵、冷卻塔、軟化水等設備重復建設，占地面積大，投資高；
(2)冷卻池和冷卻設備布置在被冷卻設備的車間附近，導致車間衛生環境差；
③分散設置能耗高，運行成本高；
④操作人員和管理人員多，技術力量分散。空壓站、制氮站、排氣站對冷卻水的水質要求均為軟化水，要求冷卻水進水溫度小於35℃，設備出水溫度為39 ~ 42℃。因此，礦井建設設計應綜合考慮，在礦井工業場地的適當位置設計壹個循環水中心站，通過管道向被冷卻的設備供水，來自設備的冷卻水通過管道自流至循環水中心站。這種布置不僅可以克服上述分散布置的許多缺點，而且由於設備的維護和更換，對生產的影響很小；節能降耗明顯；便於組織力量解決循環供水中的技術問題[3]。
1.3.2冷卻設備的合理配置
從已投運的循環冷卻水系統的使用效果來看，循環冷卻水設備和被冷卻設備配置不合理，導致冷卻效果差或節能效果差。以淮南煤礦潘三、謝橋礦空壓站循環冷卻水系統配置為例，空壓站壹般有3-5臺空壓機，空壓機數量可根據井下通風情況合理調整，而循環水系統水泵配置采用壹臺冷水泵、壹臺熱水泵和壹臺備用泵。冷、熱水泵的流量根據空氣壓縮機組最大通風量所需的冷卻水來選擇。這種配置的結果是，無論開啟多少臺空氣壓縮機，冷卻水泵都以最大流量運行，而當空氣壓縮機的數量頻繁變化時，只能通過頻繁調節冷、熱水泵出口管道閥門的開度來調節冷卻水，這很難控制，有時會導致空氣壓縮機漏水。為了便於調節，出水管上必須增加旁通回水。這種運行方式對泵的使用壽命影響很大，能耗高。因此，在循環水系統的設計中，必須根據被冷卻設備運行過程中需水量的變化，合理配置冷卻設備，如冷、熱水泵、冷卻塔、除鹽水裝置的數量、流量匹配等。從節能的角度出發，還可以考慮給循環水系統的冷、熱水泵增加變頻調節功能，使流量調節隨著被冷卻設備需水量的變化更加合理。雖然增加了變頻調節功能的壹次性投資，但增加的投資可以通過節能4 ~ 5年收回[4]。
2煤礦排水設計存在的問題
煤礦排水設計的難點是生活汙水處理的設計。煤炭系統新建煤礦非常重視環保建設，投入了大量的環保建設資金。煤炭設計部門也對生活汙水處理進行了多工藝、多方案的比較和探索。如淮南地區的潘兒礦生物曝氣工藝、潘三礦生物轉盤工藝、謝橋礦地表曝氣工藝、新集礦氧化溝工藝等。但投入使用的實際效果和資金利用率並不理想。下面就煤礦生活汙水的處理做壹些分析和探討。
2.1煤礦生活汙水處理設施重復建設現象普遍。
目前，壹些煤礦在其工業場地和居民區建設了汙水處理廠，導致征地和重復建設，投資大幅增加，運行能耗高，管理成本高，技術力量分散，噸水處理成本高。總的來說，礦山工業場地離居民區不遠，合建壹座汙水處理廠比較合理。考慮到居民區至工業場地排水太深，可在中間設置汙水提升泵站，或在工業場地與居民區中間征地建設汙水處理廠。采用聯合建設的方式不僅可以節省投資，還可以大大降低運營成本。
2.2汙水處理設計參數選擇不合理。
在設計煤礦生活汙水處理廠時，汙水中的汙染物指標BOD5、CODCr和SS的值不是測量或類比的，而是基於城市生活汙水的汙染物指標。以BOD5為例，城市生活汙水的值為200mg/L，而煤礦的實際BOD5值壹般只有70 ~ 80 mg/L..由於生活汙水中有機物含量太低，很多原本設計的活性汙泥處理工藝在運行中得不到最低限度的營養物質，而是被“餓死”，分解礦化，無法形成活性汙泥。為此，很多處理廠在原設計中停止了活性汙泥回流，保留了曝氣環節，使得原設計失去了核心環節——活性汙泥及其工藝流程，變成了簡單的壹級強化處理。即使在氧化溝汙水處理工藝中，也存在同樣的問題，往往設計過程中回流的活性汙泥無法回流，導致原有的氧化溝系統變成了帶附加曝氣的帶狀平流沈澱池；原設計中的許多配套設施變得多余，如消泡池、汙泥集中處理池、汙泥幹化場等，造成了大量的資金浪費[5]。
山西省古交礦區許多礦井采用兩級生物接觸氧化法處理煤礦生活汙水，效果很好。該工藝的特點是能適應礦區濃度低、變化大的汙水，同時比活性汙泥法投資省、操作維護簡單。其原理是利用固體濾料表面形成的生物膜來凈化廢水。可用的過濾材料多種多樣，如爐渣、玻璃鋼或塑料蜂窩材料、半軟纖維球等[6]。
因此，煤礦汙水設計時，需要對進水汙染物指標進行分析，選擇適用性強、沖擊負荷高的汙水處理方案，提交環保部門專家組審查，確定最終處理工藝。
3結論
總之，煤礦建設的水資源利用、煤礦供水系統和循環水系統的合理配置、煤礦汙水處理和環境保護都值得煤礦給排水設計人員深入研究和探討。
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