張平卿，趙 偉，劉小滿，張 波，王心義

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.西安中地環(huán)境科技有限公司，陜西 西安 710000；3.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；4.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南 平頂山 467000)

近些年隨著我國(guó)環(huán)境意識(shí)與環(huán)保力度的加強(qiáng)，礦井水作為水資源的需求也越來(lái)越高，礦井水的利用進(jìn)入了一個(gè)較快的發(fā)展階段[1，2]。同時(shí)，隨著我國(guó)以“節(jié)水”為核心的機(jī)制逐步的形成，礦井水的價(jià)值將不斷提高，這可以為采礦企業(yè)大規(guī)模利用礦井水提供了有利的市場(chǎng)環(huán)境[3，4]。在環(huán)境方面，礦井水充分利用也符合現(xiàn)階段我國(guó)建設(shè)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會(huì)的方針，改變?nèi)藗儗?duì)煤礦行業(yè)高污染的不良印象[5，6]。因此采取措施促進(jìn)礦井水綜合利用具有重要意義。

平煤股份公司八礦(以下簡(jiǎn)稱八礦)目前礦井涌水量527m3/h，除200m3/h的寒武灰?guī)r疏放水被利用外，其他礦井涌水均為簡(jiǎn)單處理后的外排。另外，礦區(qū)工業(yè)及生活總需水量為424m3/h，除200m3/h來(lái)自于寒武灰?guī)r疏放水外，其他均由市政供水，每年支出的水費(fèi)較高。為滿足礦井優(yōu)質(zhì)水源的需求，減少礦井水外排量，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，本文針對(duì)設(shè)計(jì)的礦井水利用方案，構(gòu)建了評(píng)價(jià)礦井排水利用方案效果的數(shù)學(xué)模型，確定了合理的配置方案，以期為更好的利用礦井水提供新的思路與方案。

1 概 況

八礦位于平頂山市東北部約8km，西與十二礦相鄰，東至沙河，北至李口向斜，南至煤層露頭。礦區(qū)東西走向長(zhǎng)12.5km，南北傾向?qū)?.36km，面積41.42km2。八礦現(xiàn)階段主要開(kāi)采丁組、戊組和己組煤層，礦井水來(lái)源主要為生產(chǎn)廢水、井筒淋水、老空水及灰?guī)r水，總涌水量約527m3/h，井下排水路徑如圖1所示。

圖1 八礦礦井水井下排水路徑圖

在八礦527m3/h的礦井涌水中，來(lái)自二水平的礦井水約為200m3/h，為寒武系灰?guī)r疏放水，其水質(zhì)和水量均滿足洗浴用水要求，加之溫度高達(dá)50℃，因此設(shè)置了獨(dú)立的供水系統(tǒng)專供地面職工洗浴。另外327m3/h的礦井涌水濁度較大，但其他指標(biāo)符合井下生產(chǎn)用水要求，可處理后使用；同時(shí)該部分礦井水中F-和總硬度超過(guò)了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的限值，若用于生活用水必須對(duì)其進(jìn)行處理。

2 模型建立及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

2.1 基本模型

根據(jù)八礦現(xiàn)有的排水與利用狀況，對(duì)其提出相應(yīng)的礦井水利用配置方案，然后從礦井水利用率和效益分析兩方面建立配置評(píng)價(jià)模型[7]，最終確定合理配置方案。其中礦井水的利用系數(shù)為礦井水的使用量所占礦井涌水量的比值，效益分析包括經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。經(jīng)濟(jì)效益定義為合理配置后所節(jié)省的單位礦井水處理費(fèi)與現(xiàn)階段礦井水處理費(fèi)的比值；環(huán)境效益為礦井水排放量與礦井涌水量的比值；社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益為現(xiàn)階段與合理配置后生活需水單位水價(jià)之差與現(xiàn)階段生活需水單位水價(jià)比值。

P+KH=1

(3)

式中，P為礦井水利用系數(shù)；Y為礦井涌水量，m3/h；K為效益系數(shù)；KJ、KH和KS分別為經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)、環(huán)境效益系數(shù)和社會(huì)效益系數(shù)；x為礦井水利用量，m3/h；Kj0為現(xiàn)階段的礦井水綜合處理費(fèi)；Kj1為合理配置后的礦井水綜合處理費(fèi)，元/m3；Ks0為現(xiàn)階段單位水價(jià)，元/m3；Ks1為合理配置后單位水價(jià)，元/m3。

由P、KJ和KS計(jì)算得出礦井水配置效果系數(shù)F：

F=Max(P+KJ+KS)/3

(4)

式中，F(xiàn)i的大小可以反映出配置方案的好壞，其值越大說(shuō)明其配置效果越好。

綜合效益值為W：

式中，W1、W2和W3分別為礦區(qū)每小時(shí)節(jié)省費(fèi)用，元/h；礦井水利用率，%；礦井水減排率，%；xJ和xS分別為礦井水涌水量和生活需水量，m3/h；n為時(shí)間，h。

2.2 現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

根據(jù)調(diào)查，市政供水價(jià)格為3.92元/m3；1m3礦井水從井下提升至地面耗電為0.42(kW·h)/100m(考慮水泵和電機(jī)的效率)，峰谷綜合單價(jià)為0.6元/kW·h；礦井水排放費(fèi)為1元/m3，污水外排資源費(fèi)為0.3元/m3，八礦目前礦井水綜合處理費(fèi)用(包括礦井水處理費(fèi)、排水耗電費(fèi)、礦井水排放費(fèi)和污水外排資源費(fèi))計(jì)算公式為：

式中，R1、R2、R3和R4分別為：包括礦井水處理費(fèi)、排水耗電費(fèi)、礦井水排放費(fèi)和污水外排資源費(fèi)，元/m3；x1、x2、x3和x4分別為：礦井水處理量、排水量、礦井水排放量和污水外排資源量，m3。計(jì)算求得八礦的綜合處理費(fèi)為6.44元/m3。

調(diào)查表明，八礦目前的需水量主要包括兩個(gè)部分，即生活需水(200.00m3/h)和生產(chǎn)用水(224.00m3/h，其中井下需水量為175.00m3/h)。利用式(1)和(2)分別計(jì)算得到八礦的礦井水利用系數(shù)(P)，經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)(KJ)，環(huán)境效益系數(shù)(KH)和社會(huì)效益系數(shù)(KS)；同時(shí)分別計(jì)算P、KJ和KS區(qū)間值，其中區(qū)間值的最小值為沒(méi)有合理配置利用礦井水的值，最大值為礦井水利用的理想值，見(jiàn)表1。

表1 八礦礦井水利用現(xiàn)狀效果系數(shù)

除環(huán)境系數(shù)外其他系數(shù)越大則越優(yōu)。由表1可知，八礦的礦井水利用率最大利用系數(shù)達(dá)不到1.00，是因?yàn)榘说V涌水量(527m3/h)超過(guò)了礦區(qū)工業(yè)和生活用水的總需水量。由式(4)計(jì)算的八礦排水利用現(xiàn)狀的效果系數(shù)Fi僅為0.14。

3 合理配置

3.1 基本方案

因此，根據(jù)上述分析結(jié)果提出兩種配置方案。第一種方案為：將二水平約200m3/h的礦井水直接用于井下生產(chǎn)；327m3/h的礦井水排至地面進(jìn)行處理，其中200m3/h深度處理后用于礦院生活，127m3/h簡(jiǎn)單處理后用于地面工業(yè)用水或排放。第二種方案為：將二水平約200m3/h的礦井水獨(dú)立存儲(chǔ)，然后排至地面經(jīng)除F-和消毒處理后用于礦院生活用水；其他二水平礦井水排至一水平，同一水平礦井水一起經(jīng)過(guò)井下處理后，部分用于井下生產(chǎn)使用，多余排至地面深度處理后用于礦院生活等。

方案一的地面處理工藝如圖2所示[8-11]，礦井水提升至地面經(jīng)已有設(shè)施進(jìn)行處理后，存儲(chǔ)到儲(chǔ)水池中，一部分用于地面工業(yè)用水或外排，另一部分再經(jīng)過(guò)活性炭處理器[12-15]吸附水中的氟化物，然后進(jìn)行軟化處理，消毒后存儲(chǔ)起來(lái)以供生活用水使用。其需要在井下二水平水倉(cāng)的位置擴(kuò)建一個(gè)1600m3的清水倉(cāng)儲(chǔ)存二水平的疏放水，然后通過(guò)井下現(xiàn)有管道供給井下生產(chǎn)使用。

方案二的地面處理工藝如圖3所示，二水平疏放水提升至地面經(jīng)活性炭吸附器去除氟化物，然后進(jìn)行軟化處理，消毒后存儲(chǔ)起來(lái)以供生活用水使用。其他井下多余的礦井水，經(jīng)井下處理后提升至地面，存儲(chǔ)起來(lái)以供地面工業(yè)用水或后期補(bǔ)充生活用水使用。

圖2 八礦方案一地面水處理工藝

根據(jù)相關(guān)資料，該處理方法運(yùn)行成本費(fèi)主要包括：人工費(fèi)、耗電費(fèi)、藥劑費(fèi)和其他相關(guān)費(fèi)用，方案一和方案二每噸水的處理費(fèi)用分為1.52元和0.35元(井下)、0.87元(地面)。一水平至地面的高差大約為500m，所以1m3礦井水從一水平提升至地面的耗電費(fèi)為1.26元；二水平至地面的高差大約為700m，所以1m3礦井水從二水平提升至地面的耗電費(fèi)為1.76元。由式(6)計(jì)算得到兩種方案綜合處理費(fèi)分別為3.69元/m3和5.48元/m3。

3.2 配置效果

根據(jù)對(duì)八礦的合理配置措施，利用式(1)和式(2)計(jì)算合理配置后的礦井水利用率、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益系數(shù)(見(jiàn)表2)，利用式(4)計(jì)算礦井水配置效果系數(shù)Fi。其生活需水水價(jià)定位為生活需水處理費(fèi)與生活需水量排水耗電費(fèi)之和加0.5元。則八礦方案一的水價(jià)為3.02元/m3，方案二為2.87元/m3。

圖3 八礦方案二地面水處理工藝

表2 合理配置后效果系數(shù)

由式(4)計(jì)算的兩種方案合理配置后效果系數(shù)Fi分別為0.48和0.40。顯然，兩種方案的效果系數(shù)都有所增加，分別增加了70.8%和65%，說(shuō)明礦井水合理配置方案可以給礦區(qū)帶來(lái)很大的效益值。由于方案一的效果系數(shù)大于方案二，因此，選擇方案一進(jìn)行八礦礦井排水利用的配置屬更佳。

最終由式(5)算得八礦方案一的綜合效益值W為：

即八礦礦井水利用合理配置后，每年節(jié)約費(fèi)用1427.88萬(wàn)元，礦井水利用率達(dá)到78%?？傊?，合理配置方案使得礦井水利用率達(dá)到最理想的狀態(tài)，并且可以降低生活需水的水價(jià)，減少礦井水的排放量，同時(shí)也為礦區(qū)礦井水處理節(jié)省很多投資。

4 結(jié) 論

1)基于礦井水利用率、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，構(gòu)建了評(píng)價(jià)礦井排水利用方案效果的數(shù)學(xué)模型，并用于平煤股份公司八礦礦井水利用方案的綜合評(píng)價(jià)，為礦井水利用的合理配置提供新的思路與方法。

2)八礦礦井水的合理配置方案是將二水平200m3/h的礦井水直接用于井下生產(chǎn)；327m3/h的礦井水排至地面進(jìn)行處理，其中200m3/h深度處理后用于礦院生活，127m3/h簡(jiǎn)單處理后用于地面工業(yè)用水或排放。

3)八礦礦井水利用合理配置后，合理配置后的效果系數(shù)達(dá)到0.48，比配置前增加了70.8%，每年節(jié)約水處理費(fèi)用1427.88萬(wàn)元，礦井水利用率達(dá)到78%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和社會(huì)效益。