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煤礦井下供水設(shè)計
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之前介紹高壓減壓閥，現(xiàn)在介紹煤礦井下供水設(shè)計分析了煤炭給排水的現(xiàn)狀及存在問題，從給水水源選擇、井下供水、礦井工業(yè)場地的循環(huán)冷卻用水及煤礦污水處理等方面探討了煤礦給排水設(shè)計存在的問題及改進(jìn)方向，論述了合理利用礦井排水資源，合理配置給排水及循環(huán)水系統(tǒng)，提出煤礦污水處理必須實際選擇可行性方案。
煤礦井下供水設(shè)計煤礦給水設(shè)計的基本任務(wù)是滿足礦井建設(shè)生產(chǎn)對水量、水壓和水質(zhì)的要求。主要包括礦井工業(yè)廣場的生產(chǎn)、生活及消防用水;各類工業(yè)設(shè)備的冷卻循環(huán)用水;礦井住宅區(qū)的生活及消防用水;礦井井下給水。
煤礦排水設(shè)計的基本任務(wù)是將礦井工業(yè)廣場及居住區(qū)產(chǎn)生的各類生產(chǎn)廢水、生活污水及雨水有組織的、符合環(huán)境保護(hù)要求排入地面水體。
煤礦給排水設(shè)計與城市給排水設(shè)計相比較有許多相似之處但又有其特殊性。一方面生產(chǎn)生活需要大量用水，另一方面煤礦開采又大大破壞地下水資源。在煤礦建設(shè)過程中，怎樣才能符合市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律，進(jìn)行商業(yè)化、城市化給排水設(shè)計，怎樣合理利用水資源，保護(hù)地面水環(huán)境，是煤礦給排水設(shè)計工作者必須重視的問題。本文結(jié)合多年從事煤礦設(shè)計的實踐，對煤礦建設(shè)給排水設(shè)計存在的若干問題提出自己的看法。
1給水設(shè)計
1.1水源的選擇
目前大多數(shù)礦井工業(yè)場地及居住區(qū)供水以取水源井地下水為主要供水水源、礦井水凈化后回用作為輔助供水水源。給水設(shè)計
1.1 水源的選擇
目前大多數(shù)礦井工業(yè)場地及居住區(qū)供水以取水源井地下水為主要供水水源、礦井水凈化后回用作為輔助供水水源。
1.1.1 存在問題
以上供水方式存在下列問題：
①為保證礦井生產(chǎn)、生活用水，必須建許多水源井，以淮南礦區(qū)為例，潘三、謝橋煤礦均建有10多座水源井，這些水源井的泵房及設(shè)備投入大，且每座水源井還得征地保護(hù)。水源井輸水管路較長。另外水源井取水能耗高，以淮南地區(qū)為例，一般成井深度超過80m，需要15～22KW的深井泵將地下水提升送至工業(yè)場地及居住區(qū)水池。
②工業(yè)場地及居住區(qū)供水設(shè)施分散，重復(fù)建設(shè)較多。特別是工業(yè)場地礦井水供水為非飲用水系統(tǒng)與水源井供水系統(tǒng)必須分開設(shè)置，連管道亦單獨建設(shè)。因此，供水系統(tǒng)投資較高。
③礦井水利用率低，水資源浪費嚴(yán)重。
1.1.2 解決辦法
因此，在進(jìn)行煤礦給水設(shè)計時應(yīng)解放思想，打破慣用的供水模式，充分利用礦井排水資源，在礦井工業(yè)場地建一座集中式的凈化水廠，將礦井排水處理為生活飲用水，負(fù)責(zé)向礦井工業(yè)場地和居住區(qū)供水。以安徽省兩淮地區(qū)的礦井排水為例，礦井排水中除懸浮物和細(xì)菌外，其余理化及毒理指標(biāo)都符合生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)礦井排水經(jīng)處理后全部回用足以保證礦井工業(yè)場地和居住區(qū)的生產(chǎn)、生活用水。部分水量充足的礦井滿足自己用水外還有富余，凈化水廠可在收取一定的水增容費和管網(wǎng)建設(shè)費后，向附近居民供水。礦井水凈化處理流程如圖2所示。
1.1.3 采用凈化水的優(yōu)勢
采取凈化礦井水供水模式的優(yōu)點主要有：
①充分利用了地下水資源，由于氣候條件、地理、地質(zhì)環(huán)境不同，我國水資源的時空分布極不均勻。煤礦建設(shè)一方面大量礦井排水污染環(huán)境；另一方面由于地下水資源被破壞導(dǎo)致礦區(qū)供水嚴(yán)重短缺；礦井水凈化回用，大大減少地下水的開采量，避免水資源緊缺矛盾，有利于礦井周圍工農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，因而環(huán)境和社會效益顯著。
②大大減少了煤礦給排水設(shè)施重復(fù)建設(shè)，節(jié)省大量建設(shè)資金。礦井水充分回用，工業(yè)場地的供水管網(wǎng)、給水構(gòu)筑物及設(shè)備單一化，投資大大節(jié)省；同時減少了新建水源井、輸水管路、道路、征地費用以及若干年后由于煤礦開采引起地表沉降而導(dǎo)致的水源井、輸水管路及道路的重建費用；減少了礦井排水的處理費用［2］。
③管理、運行費用降低；
④供水成本降低。
1.2 井下供水設(shè)計問題探討
隨著采掘工藝的機(jī)械化，自動化程度的提高，為滿足生產(chǎn)安全和防塵的要求，煤礦井下供水的范圍越趨廣泛，其主要供水對象歸納起來有：采掘工藝防塵用水、生產(chǎn)用水、消防用水。對于井下各用水點用水設(shè)備的用水量及水壓要求，在煤礦設(shè)計規(guī)范中已有規(guī)定，本文不再贅述，下面主要就井下消防灑水設(shè)計存在的問題作一些探討。
1.2.1 水源選擇
目前大多數(shù)礦井設(shè)計中都將地面生產(chǎn)生活供水水源作為井下供水水源。由地面用管道將水引至井下，采用集中供水方式。其優(yōu)點為水質(zhì)可以保證，不需增加管理人員，對于用立井及斜井開發(fā)的礦井，井下水壓較大，能滿足采掘設(shè)備以及灑水器的水壓要求，一般不需加壓。缺點是井筒內(nèi)管道長，部分礦井垂直向下高達(dá)1000m，井底大巷水壓過大，使用不安全，特別對井筒深、井巷長者尤甚。其實，井下供水水源還有其他方案可供選擇：如利用井下深部底板水源、利用井下排水。
①利用井下深部底板水源。若井底大巷內(nèi)底板下有較好的含水層，可采取向下鉆水源孔取水，借用地下水的承壓水頭滿足井下采掘設(shè)備、灑水器及消防用水的水壓要求。采取深部底板鉆孔分散供水的優(yōu)點：井下供水管道短，不耗電，節(jié)能，管道承壓低，使用安全。缺點是必須做較多的水文地質(zhì)工作，因為并非在井下所有地點打鉆孔均可取到水。
②利用井下排水。當(dāng)井下排水量較大，而且大部分為疏干底板水時，由于水量大，水較清，可在井下建水倉，稍作沉淀后，用泵送至井下供水管網(wǎng)。
綜上所述，我們在進(jìn)行礦井井下供水設(shè)計時，應(yīng)認(rèn)真分析水文地質(zhì)資料，視各礦井的實際情況因地制宜。當(dāng)井下有疏干水或底板含水層近且水量大時，宜優(yōu)先選擇井下疏干水或井下鉆孔取水做水源。當(dāng)井下水質(zhì)很差或不具備取水條件時，應(yīng)從地面供水。
1.2.2 井下防塵灑水及其自動化問題
井下防塵灑水主要為消除巖塵及煤塵，盡量使井下風(fēng)流中的巖塵濃度控制在2 mg/m3以下，煤塵濃度控制在10 mg/m3以下，保證煤礦生產(chǎn)安全及工人身體健康。但實際情況是許多礦井井下煤塵濃度超標(biāo)，而防塵灑水設(shè)備卻閑置不用，分析其原因，有生產(chǎn)管理與思想認(rèn)識不足，不夠重視問題，亦有設(shè)計不能使灑水器自動化工作，管理不便的問題。由于井下運輸中煤流不均勻，尤其是裝車點或翻籠都是間歇工作的，灑水器時開時停，人工操作不方便也不及時。無煤時也灑水，導(dǎo)致水到處漫流或影響皮帶運行等。結(jié)果是工人干脆不開灑水器。設(shè)計上可采取下列措施達(dá)到灑水器自動啟閉：在灑水器前管道上加電磁閥及在煤流控制點設(shè)置光感器。當(dāng)有煤流通過或礦車到達(dá)裝車點及罐籠，光線被擋，光電器作用打開電磁閥，灑水器噴水，反之立即關(guān)閉。這樣不但方便管理，又節(jié)約用水，更主要保證生產(chǎn)安全。因此，在井下防塵灑水的系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)力求實現(xiàn)自動化。
1.2.3 井下給水管道防腐及管材選擇
井下管道防腐一直是井下供水設(shè)計的難題，由于井下環(huán)境條件較差，空氣濕度大，管道極易腐蝕。而且因為承壓較高，往往使用無縫鋼管或鍍鋅鋼管。目前，民用建筑用來取代鍍鋅鋼管的pp－R管，其公稱壓力已達(dá)2.5mpa，該管不存在防腐問題，在以后的井下供水設(shè)計中，當(dāng)管道工作壓力不大于1.6mpa時，可做一些試用研究工作。
1.1.1存在問題
以上供水方式存在下列問題：
①為保證礦井生產(chǎn)、生活用水，必須建許多水源井，以淮南礦區(qū)為例，潘三、謝橋煤礦均建有10多座水源井，這些水源井的泵房及設(shè)備投入大，且每座水源井還得征地保護(hù)。水源井輸水管路較長。另外水源井取水能耗高，以淮南地區(qū)為例，一般成井深度超過80m，需要15～22KW的深井泵將地下水提升送至工業(yè)場地及居住區(qū)水池。
②工業(yè)場地及居住區(qū)供水設(shè)施分散，重復(fù)建設(shè)較多。特別是工業(yè)場地礦井水供水為非飲用水系統(tǒng)與水源井供水系統(tǒng)必須分開設(shè)置，連管道亦單獨建設(shè)。因此，供水系統(tǒng)投資較高。
③礦井水利用率低，水資源浪費嚴(yán)重。
1.1.2解決辦法
因此，在進(jìn)行煤礦給水設(shè)計時應(yīng)解放思想，打破慣用的供水模式，充分利用礦井排水資源，在礦井工業(yè)場地建一座集中式的凈化水廠，將礦井排水處理為生活飲用水，負(fù)責(zé)向礦井工業(yè)場地和居住區(qū)供水。以安徽省兩淮地區(qū)的礦井排水為例，礦井排水中除懸浮物和細(xì)菌外，其余理化及毒理指標(biāo)都符合生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)礦井排水經(jīng)處理后全部回用足以保證礦井工業(yè)場地和居住區(qū)的生產(chǎn)、生活用水。部分水量充足的礦井滿足自己用水外還有富余，凈化水廠可在收取一定的水增容費和管網(wǎng)建設(shè)費后，向附近居民供水。礦井水凈化處理流程如圖2所示。
1.1.3采用凈化水的優(yōu)勢
采取凈化礦井水供水模式的優(yōu)點主要有：
①充分利用了地下水資源，由于氣候條件、地理、地質(zhì)環(huán)境不同，我國水資源的時空分布極不均勻。煤礦建設(shè)一方面大量礦井排水污染環(huán)境;另一方面由于地下水資源被破壞導(dǎo)致礦區(qū)供水嚴(yán)重短缺;礦井水凈化回用，大大減少地下水的開采量，避免水資源緊缺矛盾，有利于礦井周圍工農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，因而環(huán)境和社會效益顯著。
②大大減少了煤礦給排水設(shè)施重復(fù)建設(shè)，節(jié)省大量建設(shè)資金。礦井水充分回用，工業(yè)場地的供水管網(wǎng)、給水構(gòu)筑物及設(shè)備單一化，投資大大節(jié)省;同時減少了新建水源井、輸水管路、道路、征地費用以及若干年后由于煤礦開采引起地表沉降而導(dǎo)致的水源井、輸水管路及道路的重建費用;減少了礦井排水的處理費用。
③管理、運行費用降低;
④供水成本降低。
1.2井下供水設(shè)計問題探討
隨著采掘工藝的機(jī)械化，自動化程度的提高，為滿足生產(chǎn)安全和防塵的要求，煤礦井下供水的范圍越趨廣泛，其主要供水對象歸納起來有：采掘工藝防塵用水、生產(chǎn)用水、消防用水。對于井下各用水點用水設(shè)備的用水量及水壓要求，在煤礦設(shè)計規(guī)范中已有規(guī)定，本文不再贅述，下面主要就井下消防灑水設(shè)計存在的問題作一些探討。
1.2.1水源選擇
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥目前大多數(shù)礦井設(shè)計中都將地面生產(chǎn)生活供水水源作為井下供水水源。由地面用管道將水引至井下，采用集中供水方式。其優(yōu)點為水質(zhì)可以保證，不需增加管理人員，對于用立井及斜井開發(fā)的礦井，井下水壓較大，能滿足采掘設(shè)備以及灑水器的水壓要求，一般不需加壓。缺點是井筒內(nèi)管道長，部分礦井垂直向下高達(dá)1000m，井底大巷水壓過大，使用不安全，特別對井筒深、井巷長者尤甚。其實，井下供水水源還有其他方案可供選擇：如利用井下深部底板水源、利用井下排水。
①利用井下深部底板水源。若井底大巷內(nèi)底板下有較好的含水層，可采取向下鉆水源孔取水，借用地下水的承壓水頭滿足井下采掘設(shè)備、灑水器及消防用水的水壓要求。采取深部底板鉆孔分散供水的優(yōu)點：井下供水管道短，不耗電，節(jié)能，管道承壓低，使用安全。缺點是必須做較多的水文地質(zhì)工作，因為并非在井下所有地點打鉆孔均可取到水。
②利用井下排水。當(dāng)井下排水量較大，而且大部分為疏干底板水時，由于水量大，水較清，可在井下建水倉，稍作沉淀后，用泵送至井下供水管網(wǎng)。
綜上所述，我們在進(jìn)行礦井井下供水設(shè)計時，應(yīng)認(rèn)真分析水文地質(zhì)資料，視各礦井的實際情況因地制宜。當(dāng)井下有疏干水或底板含水層近且水量大時，宜優(yōu)先選擇井下疏干水或井下鉆孔取水做水源。當(dāng)井下水質(zhì)很差或不具備取水條件時，應(yīng)從地面供水。
1.2.2井下防塵灑水及其自動化問題
井下防塵灑水主要為消除巖塵及煤塵，盡量使井下風(fēng)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，保證煤礦生產(chǎn)安全及工人身體健康。但實際情況是許多礦井井下煤塵濃度超標(biāo)，而防塵灑水設(shè)備卻閑置不用，分析其原因，有生產(chǎn)管理與思想認(rèn)識不足，不夠重視問題，亦有設(shè)計不能使灑水器自動化工作，管理不便的問題。由于井下運輸中煤流不均勻，尤其是裝車點或翻籠都是間歇工作的，灑水器時開時停，人工操作不方便也不及時。無煤時也灑水，導(dǎo)致水到處漫流或影響皮帶運行等。結(jié)果是工人干脆不開灑水器。設(shè)計上可采取下列措施達(dá)到灑水器自動啟閉：在灑水器前管道上加電磁閥及在煤流控制點設(shè)置光感器。當(dāng)有煤流通過或礦車到達(dá)裝車點及罐籠，光線被擋，光電器作用打開電磁閥，灑水器噴水，反之立即關(guān)閉。這樣不但方便管理，又節(jié)約用水，更主要保證生產(chǎn)安全。因此，在井下防塵灑水的系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)力求實現(xiàn)自動化。
1.2.3井下給水管道防腐及管材選擇
井下管道防腐一直是井下供水設(shè)計的難題，由于井下環(huán)境條件較差，空氣濕度大，管道極易腐蝕。而且因為承壓較高，往往使用無縫鋼管或鍍鋅鋼管。目前，民用建筑用來取代鍍鋅鋼管的pp-R管，其公稱壓力已達(dá)2.5mpa，該管不存在防腐問題，在以后的井下供水設(shè)計中，當(dāng)管道工作壓力不大于1.6mpa時，可做一些試用研究工作。
1.3工業(yè)廣場循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計
由于煤礦通風(fēng)、瓦斯抽放、井下滅火的需要，在礦井工業(yè)廣場一般建有空壓機(jī)站、瓦斯抽放站及制氮站。而空壓機(jī)、瓦斯抽排機(jī)、制氮機(jī)等設(shè)備均需用水冷卻。因需水量較大，采用循環(huán)冷卻水。其供水流程如圖3所示。
1.3.1循環(huán)水系統(tǒng)重復(fù)設(shè)置問題
目前大多數(shù)礦井循環(huán)水設(shè)計均采用空壓機(jī)站、制氮站、瓦斯抽放站等各自配套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。采用這種分散設(shè)置存在以下弊端：
①冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的水池、泵房等構(gòu)筑物及水泵、冷卻塔、軟化水等設(shè)備重復(fù)建設(shè)，占地大，投資高;
②冷卻水池、冷卻設(shè)備布置在被冷卻設(shè)備車間附近，導(dǎo)致車間衛(wèi)生環(huán)境較差;
③分散設(shè)置能耗高，運行費用高;
④操作、管理人員較多，且技術(shù)力量分散。空壓機(jī)站、制氮站、瓦斯抽放站對冷卻用水的水質(zhì)要求均為軟化水，冷卻進(jìn)水溫度均要求小于35℃，設(shè)備出水溫度39～42℃。因此，礦井建設(shè)設(shè)計應(yīng)綜合考慮，在礦井工業(yè)場地適當(dāng)位置設(shè)計一座循環(huán)水中心站，通過管道向各被冷卻設(shè)備供水，設(shè)備冷卻出水通過管道自流至循環(huán)水中心站。這樣設(shè)置不但可克服上述分散設(shè)置的許多缺點，而且設(shè)備的維修、更換對生產(chǎn)影響小;節(jié)能降耗明顯;便于對循環(huán)供水出現(xiàn)的技術(shù)問題組織力量攻關(guān)。
1.3.2冷卻設(shè)備的合理配置問題
從已投入運行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的使用效果來看，循環(huán)冷卻水設(shè)備與被冷卻設(shè)備配置不合理，導(dǎo)致冷卻效果不佳或節(jié)能效果很差，以淮南煤礦的潘三、謝橋礦井空壓機(jī)站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配置為例，空壓機(jī)站一般有3～5臺空壓機(jī)，根據(jù)井下通風(fēng)情況，可合理調(diào)節(jié)空壓機(jī)啟閉臺數(shù)，而循環(huán)水系統(tǒng)水泵配置采用一臺冷水泵、一臺熱水泵、一臺互為備用泵。冷、熱水泵流量按空壓機(jī)組zui大通風(fēng)時所需冷卻水量選型，這樣配置的結(jié)果，不論空壓機(jī)組開啟幾臺，冷卻水泵均按zui大流量在運行，而且空壓機(jī)開啟臺數(shù)轉(zhuǎn)換頻繁時，冷卻水量調(diào)節(jié)只能靠頻繁調(diào)節(jié)冷、熱水泵出口管道閥門的開啟度，很難控制，有時導(dǎo)致空壓機(jī)冒水現(xiàn)象，為便于調(diào)節(jié)，又不得不在出水管上增加旁路回水。這種運行方式對水泵使用壽命影響大，能耗高。因此，在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計時，一定要根據(jù)被冷卻設(shè)備運行時需水量的變化情況合理配置冷卻設(shè)備，如冷、熱水泵、冷卻塔、軟化水裝置的臺數(shù)及流量搭配等。若從節(jié)能的角度出發(fā)，還可以考慮在循環(huán)水系統(tǒng)的冷、熱水泵上增加變頻調(diào)節(jié)功能，使流量調(diào)節(jié)隨被冷卻設(shè)備需水量變化更合理。雖然增加變頻調(diào)節(jié)功能一次性投資有所增大，但4～的節(jié)能費用就可收回增加的投資。
2煤礦排水設(shè)計存在問題
煤礦排水設(shè)計的難點是生活污水處理設(shè)計，煤炭系統(tǒng)新建礦井非常重視環(huán)保建設(shè)，并投入了大量的環(huán)保建設(shè)資金。煤炭設(shè)計部門也對生活污水處理進(jìn)行了多工藝、多方案比較與探索。如淮南地區(qū)，潘二礦的生物曝氣工藝、潘三礦的生物轉(zhuǎn)盤工藝、謝橋礦的表面曝氣工藝、新集礦的氧化溝工藝。但從投入使用的實際效果及資金利用率來看均不理想。下面對煤礦生活污水處理作一些分析與探討。
2.1煤礦生活污水處理設(shè)施重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象普遍
目前部分煤礦礦井工業(yè)場地和居住區(qū)各建一座污水處理廠，這樣兩處征地，重復(fù)建設(shè)，投資大大增加，運行能耗高，管理費用高，技術(shù)力量分散，噸水處理成本高。一般來說，礦井工業(yè)場地和居住區(qū)相距不是很遠(yuǎn)，合建一座污水處理廠更合理，考慮從居住區(qū)向工業(yè)場地排水，管道埋設(shè)太深，可在中間設(shè)置污水提升泵站，或者在工業(yè)場地與居住區(qū)中間地段征地建設(shè)污水處理廠。采取合建方式，不但可節(jié)省投資，更主要可大大降低運行成本。
2.2污水處理設(shè)計參數(shù)選擇不合理
進(jìn)行煤礦生活污水處理廠設(shè)計時，對污水中污染物指標(biāo)BOD5、CODCr、SS取值，不是按實測，也不是用類比，而是套用城市生活污水污染物指標(biāo)為設(shè)計依據(jù)，以BOD5為例，城市生活污水為200mg/L，而實際煤礦BOD5值一般只有70～80mg/L.由于生活污水中有機(jī)物含量太低，致使原來設(shè)計的不少活性污泥法處理工藝，在運轉(zhuǎn)過程中微生物得不到zui低限度的營養(yǎng)物質(zhì)，而被“餓死”、分解、礦化，形不成活性污泥。為此不少處理廠停止了回流活性污泥，保持了原來設(shè)計中的曝氣環(huán)節(jié)，使原來的設(shè)計失去了核心環(huán)節(jié)--活性污泥及其工藝過程，變成了簡單的一級強(qiáng)化處理。即使氧化溝污水處理工藝，也存在同樣的問題，往往設(shè)計流程中的回流活性污泥回流不起來，致使原氧化溝系統(tǒng)變成了附加曝氣的帶狀平流沉淀池;原設(shè)計中的不少配套設(shè)施成為多余，如消泡池、污泥集中處理池和污泥晾曬場等，造成了大量資金的浪費[5].
山西古交礦區(qū)的許多礦井采用二級生物接觸氧化法處理煤礦生活污水，效果很好。此工藝的特點是能適應(yīng)礦區(qū)低濃度、變化大的污水，同時投資省，操作維護(hù)也比活性污泥法簡單。它的原理是利用固體濾料表面所形成的生物膜凈化廢水。可利用的濾料是多種多樣的，如爐渣、玻璃鋼或塑料蜂窩狀材料、半軟性纖維球等[6].
因此，在進(jìn)行煤礦污水設(shè)計時，一定要分析進(jìn)水污染物指標(biāo)，選擇適用性強(qiáng)、耐沖擊負(fù)荷高的污水處理方案，提交環(huán)境保護(hù)部門專家組審查后確定zui終處理工藝。
3結(jié)語
總之，煤礦建設(shè)的水資源化，煤礦給水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)的合理配置，煤礦污水治理與環(huán)境保護(hù)等問題，值得煤礦給排水設(shè)計工作者深入研究與探討。與本文相關(guān)的論文：調(diào)節(jié)閥流通能力Kv值
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