千米定向鉆機(jī)使用循環(huán)水打鉆工藝研究

陸永強(qiáng)

（山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)沁秀公司， 山西 晉城 048006）

引言

隨著當(dāng)前煤炭開采條件不斷復(fù)雜和開采深度的不斷增加，瓦斯已成為制約礦井生產(chǎn)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(chǎn)，井下一般采用千米定向鉆機(jī)區(qū)域抽采治理瓦斯[1]。但定向鉆孔在鉆進(jìn)期間要返出大量煤屑，要想重復(fù)利用循環(huán)水就必須將循環(huán)水中的煤屑分離出來，確保循環(huán)水在鉆進(jìn)期間攜沙正常、泵壓無明顯異常。此外，定向鉆進(jìn)工藝對(duì)鉆井也要求較高，需確保螺桿馬達(dá)在定向鉆進(jìn)的數(shù)百小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定工作，避免退鉆造成孔內(nèi)事故[2]。因此，研究定向鉆機(jī)打鉆的水循環(huán)工藝具有較高的推廣價(jià)值和社會(huì)意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

岳城煤礦為晉能控股煤業(yè)集團(tuán)下屬高瓦斯礦井。目前該礦已全面推廣定向鉆孔工藝，現(xiàn)使用ZYWL-6000D、ZDY6000LD、GDST15-38、ZDY12000LD型定向鉆機(jī)，保有量已超過20 臺(tái)，每年打鉆進(jìn)尺超過1 000 km。為確保定向鉆機(jī)正常鉆進(jìn)，岳城煤礦在現(xiàn)有定向鉆機(jī)施工定向鉆孔時(shí)，使用的是無污染的清水鉆進(jìn)，同時(shí)孔內(nèi)返出的污水采用污水泵直接從排污管內(nèi)排走，為此，必須為施工鉆場(chǎng)鋪設(shè)專用供水管路和排污管路。定向鉆機(jī)每天累計(jì)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(fèi)，不符合當(dāng)前國(guó)家和集團(tuán)公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 問題分析

原供水系統(tǒng)流程如圖1 所示。

由圖1 可知，原先千米鉆機(jī)工作面產(chǎn)生的污水，經(jīng)5 次轉(zhuǎn)載（用水點(diǎn)→集中排水點(diǎn)→盤區(qū)水倉(cāng)→主水倉(cāng)→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(diǎn)，煤泥水送往洗煤廠處理。原系統(tǒng)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(jī)待水停機(jī)現(xiàn)象，制約抽掘采進(jìn)度；二是千米鉆機(jī)用水量大，造成排水系統(tǒng)壓力增加，影響其他用水點(diǎn)的供需；三是經(jīng)過5 次轉(zhuǎn)載，水處理費(fèi)用很高，約5.8 元/m3；四是排水管路安裝工程量、排水倉(cāng)施工工程量大，還存在環(huán)保方面的隱患，處理費(fèi)用高。

圖1 原千米鉆機(jī)污水處理系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)流程

設(shè)計(jì)一種新型水循環(huán)凈化系統(tǒng)，即在中水回用模組內(nèi)采用平板陶瓷膜組作為凈化裝置的核心技術(shù)[3]，只通過模板表面進(jìn)行過濾，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗；采用全氣源作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，有效避免千米鉆場(chǎng)高瓦斯突出造成的火災(zāi)危險(xiǎn)；通過自動(dòng)氣控元件進(jìn)行延時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)一鍵啟動(dòng)要求。其工藝流程如下頁(yè)圖2 所示。

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

圖2 設(shè)計(jì)水循環(huán)凈化系統(tǒng)流程圖

4 核心部件設(shè)計(jì)

4.1 振動(dòng)篩篩分裝置

系統(tǒng)篩分裝置采用脫水振動(dòng)篩，主要作用是脫水、脫泥、脫介質(zhì)，其中激振器采用進(jìn)口氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)，其功率可根據(jù)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的大小，滿足各環(huán)境下的使用要求。同時(shí)為保證篩選效率，增加了反沖洗功能，可及時(shí)處理篩分過程中的網(wǎng)眼堵塞。

4.2 平板陶瓷膜過濾系統(tǒng)

平板陶瓷膜是采用無機(jī)陶瓷材料燒制而成，具有中空結(jié)構(gòu)，膜面布滿一定數(shù)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(tǒng)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(jìn)行組裝黏合，使其可以多膜片同時(shí)工作，提高凈化指標(biāo)，同時(shí)將過濾清洗循環(huán)裝置集成到模組內(nèi)，做到設(shè)備的小型化與集成化。為保證設(shè)備凈化指標(biāo)和速度滿足鉆機(jī)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(shí)為避免膜組破損后由串聯(lián)效應(yīng)引起的設(shè)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(dú)立密封，破損后的膜板不影響運(yùn)行，不影響設(shè)備凈水效率。

4.3 自動(dòng)補(bǔ)水裝置

自動(dòng)補(bǔ)水裝置工藝流程示意圖，如圖4 所示。

圖4 高壓自動(dòng)補(bǔ)水裝置工藝流程示意圖

由圖4 可知，高壓自動(dòng)補(bǔ)水裝置可根據(jù)受水容器（水箱、水塔等）的液位升降，實(shí)現(xiàn)高壓水自動(dòng)補(bǔ)充，保持受水容器液位穩(wěn)定。部件全部由機(jī)械和氣動(dòng)元器件組成，適應(yīng)各種補(bǔ)水環(huán)境，尤其適應(yīng)防爆環(huán)境的自動(dòng)補(bǔ)水。自動(dòng)補(bǔ)水不受水壓限制，不但適用于水的自動(dòng)補(bǔ)充，而且適用于其他溶液和腐蝕性液體的液位自動(dòng)補(bǔ)充。

5 效果驗(yàn)證

該項(xiàng)目于2020 年11 月21 日在礦東五盤區(qū)抽放措施一巷實(shí)施，由千米鉆機(jī)一隊(duì)負(fù)責(zé)該系統(tǒng)試驗(yàn)，至2021 年4 月2 日完成全部試運(yùn)行進(jìn)尺10 000 m。千米鉆機(jī)（每臺(tái)）日正常用水量為12～15 m3/h，回水經(jīng)除砂裝置處理后，除砂率≥96%，顆粒物粒度在90～110 μm，雜質(zhì)總含量小于1%。按每天工作20 h 計(jì)算，日耗水量為240～300 m3。循環(huán)水箱日產(chǎn)水量為鉆機(jī)用水量的80%～90%，補(bǔ)水量為10%～20%，每日補(bǔ)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(chǎn)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

在不降低鉆孔鉆進(jìn)效率和螺桿馬達(dá)使用壽命的前提下，優(yōu)化現(xiàn)有打鉆工藝，研究水循環(huán)系統(tǒng)，減少定向鉆進(jìn)專用排水管路的鋪設(shè)，節(jié)約用水，降低定向鉆孔的鉆進(jìn)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(jì)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(jī)約為30 臺(tái)，鉆機(jī)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(jì)1 515～1 725 元，一年按300 個(gè)工作日計(jì)算，總成本約50 萬元。因此研究定向鉆機(jī)循環(huán)水打鉆工藝，可以有效減少勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約水資源，具有良好的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。