煤礦礦井水井下處理就地復(fù)用工藝及關(guān)鍵技術(shù)

李福勤,李建紅,何緒文

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北邯鄲056038;2.中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,北京100083)

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和原料,在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。采煤的同時(shí)必須排水,目前,礦井水排放量約為42億m3,而利用率只有26%[1],礦井水的資源化利用已成為煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

礦井水傳統(tǒng)的處理利用方法是由井下水倉排出,在地面上修建調(diào)節(jié)池以及各種處理構(gòu)筑物,以達(dá)到回用水質(zhì)要求,部分在地面利用,部分再返回到井下利用,存在基建投資大、礦井水提升運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大等缺點(diǎn),當(dāng)井深超過400m時(shí),還存在供水減壓難度大的問題[2]。采用礦井水井下處理就地復(fù)用則因地制宜、節(jié)約土地、節(jié)省投資、節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[3]。

因此,礦井水的井下處理就地復(fù)用具有巨大市場容量和發(fā)展空間,開展其相應(yīng)的工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 礦井水的化學(xué)特性及回用水質(zhì)要求

1.1 礦井水的水化學(xué)特性

從本質(zhì)上講,礦井水就是礦區(qū)所采煤層及開拓巷道附近地下水,有時(shí)會(huì)因地表裂隙而滲入部分地表水。由于煤礦礦井水的水質(zhì)受到水文地質(zhì)條件、水動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)化學(xué)、礦床地質(zhì)構(gòu)造條件和開采條件的影響。在采礦過程中,地下水與煤層、巖層接觸,加上人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響,發(fā)生了一系列的物理、化學(xué)和生化反應(yīng),其水質(zhì)與普通地表水的水質(zhì)有明顯的差異,具有顯著的煤炭行業(yè)特征。

按照污染物特征,可將礦井水分為含懸浮物礦井水、高礦化礦井水(又稱礦井苦咸水)、酸性礦井水和特殊污染物礦井水4類。含懸浮物的礦井水,也稱為常規(guī)礦井水,地下水受開采的影響帶入煤和巖粉,水中含有較多的懸浮物和細(xì)菌,但是其余指標(biāo)基本符合工業(yè)回用水標(biāo)準(zhǔn);高礦化度礦井水是指礦化度(無機(jī)鹽總含量)大于1 000mg/L的礦井水,主要含有 SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、HC等離子,硬度相應(yīng)較高;酸性礦井水水質(zhì)特征為pH值小于5.5的礦井水,一般pH值為3～5. 5之間,個(gè)別小于3;含有特殊污染物礦井水主要含有Fe、Mn、Cu、Zn、Pb及U、Ra等元素的水,其中,含F(xiàn)e、Mn礦井水一般是在地下水還原條件下形成,多呈Fe2+、Mn2+的低價(jià)狀態(tài),易變渾濁,含Cu、Zn、Pb等重金屬及放射性元素的礦井水較少。

實(shí)際上礦井水的水質(zhì)往往是復(fù)合型的,要比以上分析復(fù)雜的多,給礦井水的資源化帶來極大困難。

1.2 礦井水井下回用方向及水質(zhì)要求

礦井水井下處理主要用于井下消防灑水、采煤設(shè)備冷卻以及液壓支架用水[4,5],為此應(yīng)達(dá)到《煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50383-2006)井下消防灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),以及采煤機(jī)、液壓支架用水參考水質(zhì)指標(biāo)(表1)。

表1 礦井水井下用水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Mine water underground recycled water indexes

2 礦井水井下處理工藝

對于各類礦井水在井上處理都有比較成熟的工藝技術(shù),但是,應(yīng)用于井下的還較少,針對井下用水水質(zhì)指標(biāo),結(jié)合井下空間和安全的特殊性,探討礦井水井下處理工藝。

2.1 常規(guī)礦井水處理工藝

在井上,常規(guī)礦井水處理工藝普遍采用混凝、沉淀、過濾和消毒[6],處理后的水用于生產(chǎn)和生活;而在井下,目前應(yīng)用的較少。國內(nèi)首例完善的全自動(dòng)無人職守礦井水井下處理工程,是中國礦業(yè)大學(xué)(北京)與神華能源股份有限公司合作,在神東礦區(qū)榆家梁煤礦建成[3]。處理水量100m3/h,原水懸浮物30mg/L,Fe、Mn含量分別為6.5mg/L、0.16mg/L,處理工藝中不投加絮凝劑,為了保證沉淀效果,沉淀池采用高效復(fù)合沉淀池,過濾系統(tǒng)由50μ m盤式過濾器和雙濾料精過濾器組成,出水懸浮物小于3mg/L,Fe、Mn均小于0.1mg/L,顆粒物粒度小于5μ m,出水水質(zhì)滿足進(jìn)口液壓支架乳化液用水及設(shè)備冷卻、井下防塵用水要求。

以邯礦集團(tuán)某礦礦井水試驗(yàn),原水懸浮物100～140mg/L,2小時(shí)自由沉淀后,懸浮物小于30mg/ L,經(jīng)石英砂(0.5～0.6mm均質(zhì)細(xì)砂)過濾后(濾速7～8 m/h,運(yùn)行周期大于12h)出水懸浮物小于5mg/L,懸浮物粒徑小于5μ m,能夠滿足井下消防灑水以及采煤機(jī)、液壓支架用水參考水質(zhì)指標(biāo)。

因此,總結(jié)常規(guī)礦井水井下處理工藝流程為：井下水倉→提升泵→沉淀池→細(xì)砂過濾器→回用,工藝流程簡單,運(yùn)行方便,無需加藥,適合于井下安全可靠的要求。

2.2 高礦化度礦井水處理工藝

高礦化度礦井水在井上回用主要工藝[7]是：常規(guī)預(yù)處理+精濾(或超濾)+反滲透除鹽;目前,還沒有高礦化度礦井水在井下處理回用的報(bào)道。根據(jù)井下回用水質(zhì)要求,針對不同礦化度的礦井水采取不同的處理方法：(1)含鹽量為1 000～1 500mg/L,如硬度不高(以碳酸鈣計(jì)小于250mg/ L),可采用常規(guī)礦井水處理工藝;如硬度較高,可采取軟化處理工藝。(2)含鹽量大于1 500mg/L時(shí),處理方法與井上相同,需要采取反滲透除鹽,這里關(guān)鍵是各類設(shè)備進(jìn)入井下的安全許可(煤安認(rèn)證)問題。另外,充分考慮分質(zhì)供水問題,對消防灑水用水可簡單處理;少量液壓支架用水可深度處理,以減小設(shè)備體積和減少投資。

2.3 高鐵錳礦井水處理工藝

高鐵錳礦井水水質(zhì)特征不同與一般含鐵錳地下水,近年來,其處理方法的研究受到關(guān)注,也取得一定經(jīng)驗(yàn)[8,9]。主要是改性濾料強(qiáng)化接觸氧化法處理高鐵錳礦井水,采用高錳酸鉀溶液浸泡處理錳砂,使得出水在較短時(shí)間內(nèi)滿足回用水要求。這種方法同樣適合于井下,其工藝流程與常規(guī)礦井水處理相似,只是將過濾器中的細(xì)砂換為改性錳砂。

2.4 酸性礦井水處理工藝

化學(xué)中和法是酸性礦井水處理常用的方法,常用的堿性藥劑包括NaOH、Na2CO3、CaCO3、石灰等。目前采用較多的是石灰乳中和法,其工藝流程為：酸性礦井水→投加石灰乳中和→沉淀→過濾→回用。在井下處理則要充分考慮中和沉淀后產(chǎn)生的大量污泥如何進(jìn)行處置：如果pH值在3～5,可以采用CaCO3作中和劑,以升流膨脹過濾中和法進(jìn)行處理,中和后的礦井水再進(jìn)入石英砂過濾器,然后回用。

3 礦井水井下處理關(guān)鍵技術(shù)

由于礦井井下空間環(huán)境的特殊性,使得礦井水井下處理難度遠(yuǎn)大于地面,需要解決和處理好諸多的關(guān)鍵技術(shù)問題,包括井下空間利用、安全防爆技術(shù)、完善的自動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)的模塊化和可移動(dòng)化設(shè)計(jì)等。

3.1 井下空間特征及科學(xué)利用

由于煤礦井下巷道空間有限,掌握井下空間特征,合理利用廢棄巷道十分重要。如井下巷道寬度一般為5m左右,高度一般在4m左右,需要摸索新的、各個(gè)單元的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)及控制條件,并對處理設(shè)備的幾何尺寸進(jìn)行重新定位,使其符合井下空間特征。

最新研究表明,以采空區(qū)填充物為載體,利用井下廢棄巷道對礦井水進(jìn)行人工強(qiáng)化處理,對懸浮物和鐵有良好的去除效果,可作為礦井水的一種預(yù)處理方法[10-11]。

3.2 設(shè)備的安全防爆技術(shù)

煤礦對下井設(shè)備有特殊的要求,必須有煤礦礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志,包括防爆、防水、防潮、防塵和防靜電(五防)技術(shù),這是與井上設(shè)備最大的區(qū)別。針對井下設(shè)備五防等級(jí)高的特點(diǎn),研究開發(fā)定型的產(chǎn)品設(shè)備,并配備完善的技術(shù)操作規(guī)程,如開發(fā)具有煤安認(rèn)證的離子交換軟化裝置和反滲透除鹽裝置,是高礦化度礦井水井下處理復(fù)用的關(guān)鍵。

3.3 礦井水井下處理裝置開發(fā)

根據(jù)煤礦井下開采工作面的多變性,研究開發(fā)模塊化、可移動(dòng)及可拆卸組裝的礦井水井下處理裝置具有十分重要的意義,也是提高礦井水井下處理利用率的有效方法[12]。處理水量50 m3/h的全自動(dòng)過濾器已在神東礦區(qū)井下安全運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)過濾器的模塊化和可移動(dòng)性不存在技術(shù)問題,井下模塊化設(shè)備的處理水量不宜過大,對于過濾器處理水量在10～20 m3/h為宜,對于軟化和除鹽裝置5～10 m3/h為宜。模塊化裝置要求工藝先進(jìn)、運(yùn)行可靠、安全穩(wěn)定、布置緊湊、拆卸方便、自動(dòng)控制、可無人職守,并且具有“五防”技術(shù),通過煤安認(rèn)證。

最后,要充分考慮井下處理工程施工的難度,解決好施工中遇到的問題,如井下不能常規(guī)電焊,最好井上加工完善,井下快速安裝。

4 結(jié)語

1)煤炭礦井水具有顯著的行業(yè)特征,井下處理主要用于井下消防灑水、采煤設(shè)備冷卻以及液壓支架用水,為此應(yīng)達(dá)到消防灑水用水水質(zhì)以及采煤機(jī)、液壓支架用水參考水質(zhì)指標(biāo)。

2)常規(guī)礦井水井下處理工藝流程為：井下水倉→提升泵→沉淀池→細(xì)砂過濾器→回用,將過濾器中的細(xì)砂換為改性錳砂,可用于高鐵錳礦井水處理。高礦化度礦井水在井下處理回用,應(yīng)充分考慮分質(zhì)供水,少量液壓支架用水可深度除鹽處理。酸性礦井水在井下采用升流膨脹過濾中和法處理較合理。

3)考慮井下空間環(huán)境的特殊性,科學(xué)利用井下空間,解決好安全防爆問題,開發(fā)模塊化可移動(dòng)的井下處理裝置,是礦井水井下處理回用的關(guān)鍵所在。

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