CN112897720A - 一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿井下钻进作业技术领域，公开了一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统及方法，本系统包括孔口装置、联合装备和钻机，联合装备包括行走式作业台及集成于行走式作业台上的一级固液分离装置、缓冲箱、二级泵、二级固液分离装置、清水箱和回用泵，一级固液分离装置的进液口与孔口装置相连、排液口与缓冲箱相接，缓冲箱通过二级泵还与二级固液分离装置相连，二级固液分离装置的产水口与清水箱相连、排污口与缓冲箱或一级固液分离装置相连，清水箱的出水口A通过回用泵与钻机相连。本发明通过联合装备集成两级固液分离处理，能实现钻渣的回收及废液的循环利用，对井下工作面的环保指标控制、生产运行成本控制起到提升和推动作用。

Description

一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统及方法

技术领域

本发明属于煤矿井下钻进作业技术领域，具体涉及一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统及方法。

背景技术

煤矿井下大量采用坑道钻进设备进行钻孔施工，主要应用于瓦斯抽采治理、地质沟通探测、矿井水害防治等，采用的钻孔方式有钻机驱动钻具回转钻进及基于孔底动力的定向钻进，对于岩层较硬区域通常采用孔底冲击钻进。钻进过程中主要采用清水作为冲洗介质，钻孔施工产生的钻屑是钻渣和水的混合物。

煤矿井下近水平定向钻进是采用孔底马达作为孔底动力，通过泥浆泵对水进行加压，并通过钻杆向孔底输送高压水，驱动孔底马达转子回转，带动钻头回转碎岩。与普通回转钻进相比，定向钻进需要的清水量更大，以φ73mm、5/6头孔底马达为例，其单根用水量达15m³/h；近年来随着煤矿井下定向钻进技术与装备的不断发展，定向钻进技术与装备向大功率、大孔径和超深孔的方向发展，随之而来的是定向钻孔施工用水量越来越大，目前使用的φ127mm规格的孔底马达用水量高达40-50m³/h。液动冲击钻进与定向钻进原理相似，也是采用泥浆泵对清水加压后通过钻杆向孔底输送高压水，其用水量与同孔径的定向钻进相当。

高压柱塞泵、孔底马达和液动锤对水中的固相含量要求非常严格，钻孔冲洗液中含有大量煤渣或岩屑，如不经处理直接经高压柱塞泵泵入孔底马达或液动锤，非常容易造成其部内卡死憋钻，其寿命均将大幅降低。研究表明：如循环使用冲洗液，对其所含的各种硬质颗粒必须予以限制，因为它会加速轴承、马达的磨损而降低钻具的使用寿命。冲洗液中的粒径小于74微米含砂量应控制在1％以下(事实证明，若含砂量达到5％，孔底马达使用寿命会降低50％)。

近年来煤矿井下钻孔施工技术与装备得很到飞速发展，但是对于钻孔冲洗液的循环利用却少有研究，目前绝大部分矿井采用简单的自然沉淀处理，实现钻屑的固液粗放式分离，分离后的液相中微小颗粒含量较高，无法循环利用；或采用一级或多级振动筛分工艺对含煤渣水除砂除泥，但需要在井下修建污水仓，然后用泵输送至地面处理后排放或利用离心机、旋流器等进行二次分离后回用，其工艺过程复杂，通常需要设置较大容积的沉淀池，且设备尺寸总体偏大，功率高，重量重，不适合在巷道狭窄环境应用及煤矿巷道内移动式作业，给煤矿带来较大的经济压力与环保压力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统及方法，旨在解决现有设备占地大，运输困难，工作条件恶劣，振动噪声、能耗都较大的问题。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，包括固定在矿壁上的孔口装置及与该孔口装置分别连接的联合装备和钻机，联合装备包括行走式作业台及集成于行走式作业台上的一级固液分离装置、缓冲箱、二级泵、二级固液分离装置、清水箱和回用泵，一级固液分离装置的进液口与孔口装置相连、排液口与缓冲箱相接，缓冲箱通过二级泵还与二级固液分离装置相连，二级固液分离装置的产水口与清水箱相连、排污口与缓冲箱或一级固液分离装置相连，清水箱的出水口A通过回用泵与钻机相连。

进一步，一级固液分离装置采用多级椭叠固液分离机，二级固液分离装置采用陶瓷膜设备。

进一步，还包括有与一级固液分离装置的排渣口连接的输送装置，采用皮带机或刮板机。

进一步，还包括有与孔口装置相连的废液收集装置，废液收集装置通过一级泵还与一级固液分离装置的进液口相连。

进一步，缓冲箱内设有隔板，隔板用于将缓冲箱分隔成第一腔体和第二腔体，且两者之间在隔板的上方连通，其在与一级固液分离装置连接的第一腔体设有液位传感器A和排泥泵，其在与二级固液分离装置连接的第二腔体设有液位传感器B。

进一步，二级泵与二级固液分离装置之间的管道上配置有止回阀A、流量计、压力传感器A和浊度计A。

进一步，二级固液分离装置的浓液管道上配置有压力传感器C，其滤液管道上配置有压力传感器B和浊度计B。

进一步，清水箱上还设有补水口、出水口B和液位传感器C，出水口B通过反洗泵连回至二级固液分离装置。

进一步，回用泵与钻机之间的管路上配置有止回阀B和压力传感器D。

本发明还提供一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用方法，利用上述系统，所述方法包括：收集出钻机的钻孔冲洗液；对收集出的钻孔冲洗液进行连续的第一级机械分离和第二级膜式分离；将分离后的产水回输钻机。

本发明的有益效果是：

1、本发明系统通过联合装备采用了两级固液分离处理工艺，第一级粗分离用于快速分离较大粒径的钻屑，也可独立应用于井下其它渣水分离场合，而专用陶瓷膜元件设计成第二级精分离，实现超低浊度产水；并为无池化的简洁处理工艺，有效的保证了该套联合装备的高集成度，可在井下巷道内便捷移位。同时，采用自动控制技术实现专用陶瓷膜设备的连续自动化运行，保证该套装备在无人值守情况下可自动化运转，大大降低了施工强度。

2、本发明系统适用于煤矿井下钻孔冲洗废液的就地快速处理，能实现钻渣的回收及废液的循环利用，并将对井下工作面的环保指标控制、生产运行成本控制起到提升和推动作用，还能够产生良好的社会效益和经济效益，具有推广应用价值。

3、本发明系统的联合装备能集中在作业台车上，方便运输，能耗低，全自动运行，相比较于现有技术，此结构简单，可靠性强，操作方便，成本低，适用于煤矿井下作业。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明系统的流程示意图。

附图标记：100为联合装备、200为孔口装置、300为钻机、400为输送装置、500为废液收集装置；1为行走式作业台、2为一级固液分离装置、3为缓冲箱、4为二级泵、5为二级固液分离装置、6为清水箱、7为回用泵、8为反洗泵、9为排泥泵、10为一级泵；21为进液口、22为排渣口、23为排液口；31为隔板、32为液位传感器A、33为液位传感器B；41为止回阀A、42为流量计、43为压力传感器A、44为浊度计A；产水口51、排污口52、53为压力传感器C、54为压力传感器B、55为浊度计B；61为补水口、62为出水口A、63为出水口B、64为液位传感器C；71为止回阀B、72为压力传感器D。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

针对目前煤矿井下钻孔、冲孔及水力割缝用水量大且钻孔冲洗液无法就地循环利用的问题；通过分析钻屑粒径分布规律，结合自动控制技术及传感器技术，研制出一套矿用钻孔冲洗液固液分离并循环利用的联合装备，可实现钻孔冲洗液的两级固液分离，最终产水浊度低于1NTU，满足钻孔循环利用要求。

如图1所示，本实施例中提及的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用方法，包括：收集出钻机的钻孔冲洗液，并对收集出的钻孔冲洗液进行连续的两级分离，再将分离后的产水回输钻机。实现将钻孔冲洗液废水实现渣水分离，并将钻渣回收，且将最终滤液循环利用。为实现该方法所采用的系统主要由联合装备100、孔口装置200和钻机300组成，其中，孔口装置200被固定在矿壁上，而联合装备100和钻机300与孔口装置200分别连接，即钻机300的钻杆将钻孔冲洗液送入孔口装置200内，瓦斯等气体从孔口装置200的上出口至负压装置(未画出)，而钻孔冲洗液废水则由孔口装置200的下孔至一级固液分离装置；联合装备100则包括有行走式作业台1及集成于行走式作业台1上的一级固液分离装置2、缓冲箱3、二级泵4、二级固液分离装置5、清水箱6和回用泵7，其中，该行走式作业台1采用的行走机构可为轮胎式结构，亦可为履带式或轮轨式结构，以方便运输；一级固液分离装置2采用多级椭叠固液分离机，其能耗低，体积小，无明显振动噪声，并能将0.5mm以上固体颗粒拦截，且拦截后的固体钻渣无自由态水分，其上设有用于接收孔口装置200流出的钻孔冲洗液废水的进液口21、用于分离钻孔冲洗液废水中的钻渣的排渣口22及用于分离钻孔冲洗液废水中的废液并与缓冲箱3相连的排液口23；而缓冲箱3则通过二级泵4与二级固液分离装置5相连，缓冲箱3内设有隔板31，隔板31用于将缓冲箱3分隔成第一腔体和第二腔体，且两个腔体在隔板31的上方连通，即从一级固液分离装置2的排液口23流入缓冲箱3内的废液，先经过第一腔体后快速沉淀并将上清液溢流进入第二腔体；而二级固液分离装置5采用陶瓷膜设备，可根据水质参数设置陶瓷膜运行通量等技术参数，其与二级泵4相连的进水口接有气动/电动阀(未标记)，便于通断水路，其上设有用于分离滤液并与清水箱6相连的产水口51、及用于分离浓液并连回至缓冲箱3第一个腔体的排污口52，当然在不同的实施例中的排污口52还可以与一级固液分离装置2的进液口21相连；清水箱6上设有用于向清水箱6补水的补水口61及用于与回用泵7相连的出水口A62，其补水口61上还配置有气动/电动阀(未标记)，与井下补水管路连接，当清水箱液位低时，阀门开启补水，当液位高时，阀门关闭，回用泵7用于将清水箱6内的清水输送至煤矿钻进中，以作为钻孔冲洗液回收水使用，从而达到对钻孔冲洗液的循环利用。

工作时，连接在钻机上并随其钻杆一起工作的钻孔冲洗液从孔口装置中排出，并进入到一级固液分离装置内进行第一次粗分离后，其钻渣被单独排除及运输至指定位置，其滤液则进入缓冲箱内，并在缓冲箱内的第一腔体内沉淀后经隔板上方流至第二腔体；接着利用二级泵运输至二级固液分离装置内进行第二次精分离后，其浊液通过管道返回至缓冲箱或一次固液分离装置中进行循环过滤，其清液则进入清水箱内，并被回用泵抽取向钻机供水，以形成钻孔冲洗液的循环利用；同时，清水箱内还可以通过补水口进行水量补充，以保证对钻机的持续供应。

在本实施例中的系统还包括有与一级固液分离装置2的排渣口22连接的输送装置400，采用带机或刮板机，用于将一级固液分离装置中分离出的钻渣进行输送作业。

在本实施例中的系统还包括有与孔口装置200相连的废液收集装置500，废液收集装置500通过一级泵10还与一级固液分离装置2的进液口21相连。这样，废液收集装置可对钻孔冲洗液废水进行另行收集，并再通过一级泵进行抽取，以供应给一级固液分离装置。

在本实施例中的第一腔体上设有液位传感器A32，并配置有手动阀(未标记)及排泥泵9，该液位传感器A用于搜集第一腔体的液位，排泥泵9则用于定期排除第一腔体沉淀的钻渣，手动阀在排泥泵9运行时打开，在检修更换排泥泵9时关闭；同时，缓冲箱3的第二腔体设有与二级泵4联合运行的液位传感器B33，即该液位传感器B用于搜集第二腔体的液位，和二级泵4实现联动，当其液位低时，二级泵4停机，液位高时，二级泵4开机。

在本实施例中的二级泵4与二级固液分离装置5之间的管道上配置有止回阀A41、流量计42、压力传感器A43和浊度计A44，用于分别监测流量、压力和浊度，同时，管道上还设有气动/电动阀(未标记)，用于控制二级固液分离装置的进水。

在本实施例中的二级固液分离装置5与缓冲箱3连接的浓液管道上配置有压力传感器C53，并配置有气动/电动阀和手动阀并联结构，实现自动化控制，其与清水箱6连接的滤液管道上配置有压力传感器B54和浊度计B55，并配置有气动/电动阀，实现自动化控制。

在本实施例中的清水箱6上还设有出水口B63，出水口B63则通过反洗泵8连回至二级固液分离装置5，其反洗管路上还配置有气动/电动阀(未画出)，实现自动化控制，并用于冲洗二级固液分离装置。

在本实施例中的清水箱6上还设有液位传感器C64，以获取清水箱内的液位，便于控制从补水口补水，并使回用泵与清水箱的液位传感器C实现高低液位联动控制。

在本实施例中的回用泵7与钻机300连接的回用管路上配置有止回阀B71和压力传感器D72，回用泵将产水输入钻机进水口的过程中具有可控性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，包括固定在矿壁上的孔口装置(200)及与该孔口装置分别连接的联合装备(100)和钻机(300)，所述联合装备包括行走式作业台(1)及集成于行走式作业台上的一级固液分离装置(2)、缓冲箱(3)、二级泵(4)、二级固液分离装置(5)、清水箱(6)和回用泵(7)，一级固液分离装置的进液口(21)与孔口装置相连、排液口(23)与缓冲箱相接，缓冲箱通过二级泵还与二级固液分离装置相连，二级固液分离装置的产水口(51)与清水箱相连、排污口(52)与缓冲箱或一级固液分离装置相连，清水箱的出水口A(62)通过回用泵与钻机相连。

2.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，所述一级固液分离装置采用多级椭叠固液分离机，所述二级固液分离装置采用陶瓷膜设备。

3.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，还包括有与一级固液分离装置的排渣口(22)连接的输送装置(400)，采用带机或刮板机。

4.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，还包括有与孔口装置相连的废液收集装置(500)，所述废液收集装置通过一级泵(10)还与一级固液分离装置的进液口相连。

5.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，所述缓冲箱内设有隔板(31)，所述隔板用于将缓冲箱分隔成第一腔体和第二腔体，且两者之间在隔板的上方连通，其在与一级固液分离装置连接的第一腔体设有液位传感器A(32)和排泥泵(9)，其在与二级固液分离装置连接的第二腔体设有液位传感器B(33)。

6.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，所述二级泵与二级固液分离装置之间的管道上配置有止回阀A(41)、流量计(42)、压力传感器A(43)和浊度计A(44)。

7.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，所述二级固液分离装置的浓液管道上配置有压力传感器C(53)，其滤液管道上配置有压力传感器B(54)和浊度计B(55)。

8.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，所述清水箱上还设有补水口(61)、出水口B(63)和液位传感器C(64)，所述出水口B通过反洗泵(8)连回至二级固液分离装置。

9.根据权利要求1所述的矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用系统，其特征在于，所述回用泵与钻机之间的管路上配置有止回阀B(71)和压力传感器D(72)。

10.一种矿用钻孔冲洗液渣水分离并废水循环利用方法，其特征在于，利用如权利要求1-9任一项所述系统，所述方法包括：

收集出钻机的钻孔冲洗液；

对收集出的钻孔冲洗液进行连续的第一级机械分离和第二级膜式分离；

将分离后的产水回输钻机。

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