高鐵錳礦井水井下處理系統(tǒng)在神東礦區(qū)的實踐應(yīng)用

邢海龍（神華神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 榆林 719315）

高鐵錳礦井水井下處理系統(tǒng)在神東礦區(qū)的實踐應(yīng)用

邢海龍
（神華神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 榆林 719315）

摘 要：在煤炭開采過程中，隨著各種人為、地質(zhì)因素的綜合作用，地下水庫中的積水富含了大量的Fe2+和Mn2+離子。若長期直接使用該類水，極易損害設(shè)備液壓、冷卻系統(tǒng)等生產(chǎn)設(shè)備，因此在礦井水復(fù)用前必須對其進行處理。神東礦區(qū)創(chuàng)造性地利用采空區(qū)當作分布式地下水庫實現(xiàn)礦井水的儲存、凈化，并將凈化后的水直接復(fù)用于煤礦的生產(chǎn)活動，取得了極大的經(jīng)濟效益。特別是神東煤炭集團哈拉溝煤礦率先在井下建設(shè)礦井水循環(huán)處理系統(tǒng)，去除礦井積水中富含的Fe2+和Mn2+離子，更好地實現(xiàn)了礦井水的復(fù)用，實現(xiàn)了經(jīng)濟和環(huán)境效益的統(tǒng)一。本文主要介紹了哈拉溝煤礦井下水處理系統(tǒng)的建設(shè)背景、原理、特點、工藝流程等，旨在為相關(guān)煤炭企業(yè)礦水處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：礦井水處理；除Fe2+和Mn2+離子技術(shù)；礦井綜合自動化

水資源在煤礦安全生產(chǎn)過程中占有特殊的地位。一方面在煤炭生產(chǎn)過程中需要消耗大量的潔凈水；而另一方面隨著礦井的不斷開拓，大量的礦井水集聚，又會嚴重影響礦井安全生產(chǎn)，若直接排放大量的礦井涌水，不僅污染地面環(huán)境，而且對水資源造成了巨大浪費。因此，如何科學(xué)地利用礦水是煤炭企業(yè)面臨的重要課題。為了節(jié)約用水、提高水資源利用率，保護環(huán)境，變害為寶，越來越多的煤炭企業(yè)選擇將礦井水進行綜合利用來達到環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益的統(tǒng)一。一般的做法是：將礦井水提升至地面，經(jīng)地面水處理廠處理后再打入井下使用。其缺點在于，不僅需要在地面修建水處理廠，占用土地資源，還需要鋪設(shè)大量的管路構(gòu)成設(shè)備浪費，而且礦井水由井下提升至地面，再由地面送至井下，也造成了動力的浪費。不同于一般的做法，神東礦區(qū)在水處理方面實現(xiàn)了突破。它率先采用將礦井排水排至采空區(qū)，利用采空區(qū)矸石進行污水的凈化，然后將凈化后得水直接復(fù)用于礦井的生產(chǎn)。同時，解決了礦水使用安全性的問題。由于地層中富含F(xiàn)e、Mn離子或采空區(qū)中遺留的各種鐵器在水中緩慢反應(yīng)，且同時缺氧，使得礦井水在采空區(qū)過濾得過程中逐漸富含了大量Fe2+和Mn2+離子。此種水質(zhì)的礦井水一旦接觸到空氣中的氧氣，會迅速形成難溶于水Fe3+沉淀物；而錳離子相對氧化時間較為緩慢，最終形成難溶于水MnO2沉淀物。如果直接使用此類礦井水應(yīng)用于生產(chǎn)，則會污染管路，堵塞設(shè)備的冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，嚴重危害井下工作面設(shè)備運行安全，造成較大的經(jīng)濟損失，所以采空區(qū)原水在使用前先要進行處理。哈拉溝煤礦利用原有的廢舊聯(lián)巷在井下設(shè)立礦井水循環(huán)處理系統(tǒng)泵房，不僅減少了固定的投資費用，還減少了提升水時的動力消耗。該系統(tǒng)經(jīng)過實踐，處理后的水質(zhì)能完全滿足工作面的用水需求，取得了較好的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

表1 采空區(qū)原水水質(zhì)超標參數(shù)一覽表

表2原水與水處理系統(tǒng)處理水水質(zhì)指標對比一覽表

1 井下礦井水處理系統(tǒng)的主

要特點

井下礦井水處理系統(tǒng)是在井下直接將采空區(qū)水處理后復(fù)用，它與一般建在地面的礦水處理廠有著較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)為：

（1）由于是在煤礦井下安裝運行，這就要求水處理設(shè)備的尺寸體積不能過大，且對其防爆安全性、可靠性也有著嚴格的要求。

（2）系統(tǒng)處理工藝簡單，易行、有效，且運行成本低。

（3）為了減少井下人員配置，增強系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)系統(tǒng)無人值守，要求整個系統(tǒng)要有較高的自動化水平。

（4）煤礦井下生產(chǎn)用水用量較大，需要系統(tǒng)有較高的水處理能力。

（5）設(shè)備能適應(yīng)煤礦井下潮濕、塵大的特點，且使用壽命要長。

2 哈拉溝礦井下水處理系統(tǒng)除鐵錳離子的原理

根據(jù)哈拉溝礦礦井廢水原水水質(zhì)化驗報告，其水質(zhì)有三項指標不符合國家工業(yè)用水標準，主要污染物為：懸浮物、可溶性低價Fe2+、Mn2+離子，其他指標均符合國家標準要求，具體超標參數(shù)詳見表1。

為了實現(xiàn)礦井水的復(fù)用，需要對原水進行處理，使其處理后的水質(zhì)要求符合國家工業(yè)用水要求。針對采空區(qū)積水中濁度較大，且富含F(xiàn)e2+和Mn2+離子的特點，水處理技術(shù)的關(guān)鍵主要除鐵、錳技術(shù)。

由于原水中富含F(xiàn)e離子的存在的形態(tài)為溶解性二價鐵化合物，主要為二價鐵的重碳酸鹽，若該碳酸鹽與空氣接觸后易發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

Fe（HCO3）2=Fe（OH）2+2CO2

氫氧化亞鐵在空氣中容易被氧化為氫氧化鐵沉淀物，故可以采用直接氧化法除去原水中的Fe2+，離子方程式為：

4Fe2++O2+2H2O=4Fe3++4OH-

在水處理技術(shù)中，常見的除錳方法有以下幾種：

（1）自然氧化法。就是在需要處理的水中通入足夠的氧氣，通常為空氣，然后經(jīng)過一段時間的反應(yīng)后，將二價Mn離子氧化為高價離子形態(tài)，進而通過沉淀、過濾后，去除水中Mn的離子。此種方法水中的Mn2+效果不佳，不僅需要長時間的爆氣，同時對水的pH值也有較高的要求。而礦井水主要復(fù)用于礦井日常生產(chǎn)，用水需求量大，最高流量能達到150m3/h，且要求時效性較高，若該方法需要建立較大的曝氣池才能滿足實際需要，不適合礦井的實際需求。

（2）生物法。是利用自然界微生物氧化錳離子的能力，在濾池中培養(yǎng)錳氧化細菌，在生物除錳的濾層中，存在有大量的活性錳氧化細菌，且這些細菌在載體上不斷的吸附、再生，來達到去除Fe、Mn離子的效果。該種方法，雖然除錳的效果較好，但成本高、使用條件苛刻，不適合井下現(xiàn)場的要求。

（3）接觸氧化法。原水經(jīng)過天然錳砂濾料后，經(jīng)過濾料的催化作用，二價錳和水中的氧氣化合為二氧化錳，過濾后來去除Mn2+離子。

（4）強氧化劑氧化法。利用強氧化劑的氧化作用將低價的錳離子氧化為不溶于水的高價形態(tài)錳化合物，該種類方法處理速度快，且除錳效果好。常用的氧化劑主要有：高錳酸鉀、臭氧、氯、二氧化氯等。綜合井下實際使用的工況及成本考慮，采用附加高錳酸鉀藥劑的方法去除Mn2+，離子方程式為：

Mn2++2KMnO4+2H2O=5MnO2+ 2K++4H+

圖1 哈拉溝礦井下水處理系統(tǒng)工藝流程圖

3 井下水處理系統(tǒng)的處理水工藝

首先礦井原水通過采空區(qū)預(yù)沉淀、過濾，將水中較大的懸浮物顆粒去除。然后利用加藥裝置將初次過濾、沉淀后的水與高錳酸鉀強氧化試劑在混合室中充分混合。加藥裝置主要由兩臺計量泵與高錳酸鉀溶液箱組成。它能夠調(diào)節(jié)運行時的給藥量，從而實現(xiàn)根據(jù)水質(zhì)的特點調(diào)整實際給藥量的作用。混合后的水由處理量為50m3/h單級離心泵升壓至0.36MPa，并通過背壓閥穩(wěn)壓后由射流器直接曝氣，最后在水處理裝置反應(yīng)后，除鐵、除錳，過濾，得到合格的清水，并儲存在清水池中，使用時由多級離心泵直接提升至各用水工作面。而水處理裝置中濾層表面聚集的雜物、Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物等利用自動反沖洗技術(shù)定期排放。它主要涉及到了降低濁度工藝、除鐵除錳工藝、自動反沖洗工藝、自動化控制工藝等等，總工藝流程圖如圖1所示。

（1）降低濁度的工藝

礦井生產(chǎn)排出水主要組成部分為煤粒、煤粉、巖粉等懸浮顆粒，其濁度較高，一般為150NTU左右，最高能達到300NTU，而國家復(fù)用水標準是小于等于3NTU，所以需要對其進行降濁度的處理，而且簡單的一次沉淀難以達到需求的效果，必須采用多次處理。為了減少預(yù)沉淀池的投資，同時利用采空區(qū)填充物良好的孔隙率、級配、吸附功能，神東礦區(qū)將井下采空區(qū)作為礦井水處理的初級沉淀池。礦井廢水首先通過管路排至地勢較高的采空區(qū)內(nèi)，利用采空區(qū)的高差，回流至采空區(qū)積水區(qū)內(nèi)。水在采空區(qū)自流過程中，完成懸浮物的沉淀、吸附、凈化的作用。經(jīng)過采空區(qū)過濾后的礦井水濁度大幅度下降，能達到15NTU，但仍不滿足國家標準。所以經(jīng)過初次處理后的水由泵打入到水處理裝置的波紋斜板沉淀區(qū)內(nèi)，利用水經(jīng)過波紋沉淀斜板形成的主流區(qū)、渦流區(qū)、環(huán)流區(qū)二次沉淀，進一步降低水中的懸浮物。二次沉淀后的水經(jīng)過水處理裝置過濾室后出水的濁度進一步降低，能夠達到低于3NTU的國家標準。過濾室主要填充礫石、石英砂、無煙煤。礫石作為石英砂、無煙煤的承托層，而石英砂與無煙煤主要作為設(shè)備雙層濾料，可以將水中存在的各種懸浮物、膠體、氫氧化鐵沉淀物、MnO2沉淀物、有機物、菌類等等過濾清除。

（2）除鐵錳離子的工藝

該套系統(tǒng)除鐵錳離子的工藝主要是射流器曝氣與高錳酸價強氧化結(jié)合的工藝。原水在進入水處理裝置之前會混合適量的高錳酸鉀強氧化溶液，同時通過管路中安設(shè)的射流器，溶入適當空氣?；旌先芤涸谒幚硌b置的反應(yīng)區(qū)發(fā)生相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過約20分鐘的反應(yīng)，鐵、錳離子以高價形態(tài)的沉淀析出，最終被水處理裝置的濾層濾除。而高價形態(tài)的鐵、錳混合物通過反沖洗技術(shù)，最終被排至污水倉內(nèi)。

（3）自動反沖洗定期排放工藝

水處理裝置中的過濾池的濾層在經(jīng)過長時間使用后會堆積大量的污垢，若不進行處理會堵塞濾層，不僅造成出水流量不足，還影響處理的水質(zhì)，所以需要定期對濾層進行反沖洗。由于礦井生產(chǎn)用水的連續(xù)性，需要在反沖洗過程中仍不影響供水，所以將過濾室分成了4個小室，并在每個室的進、出水口，配以相應(yīng)的防爆電動閥，來控制水流的方向。正常工作時，4個小室均正常運轉(zhuǎn)，當需要反沖洗時，則4個小室依次進行反沖洗。在反沖洗過程中只有1個小室進行反沖洗，而其余小室正常供水，且反沖洗使用的水為正常供水小室處理后的潔凈水，從而有效的避免了濾料污染。通過預(yù)先設(shè)定每臺裝備的定期沖洗周期和沖洗時間，控制不同電動閥的開關(guān)，從而達到自動定期反沖洗濾層的目的。

（4）井下水處理系統(tǒng)自動化控制工藝

為了提高水處理系統(tǒng)系統(tǒng)自動化水平，實現(xiàn)井下無人值守功能，同時保證運行的可靠性，井下水處理系統(tǒng)中采用集中加離散的控制方式。整個系統(tǒng)使用一臺PLC全局控制，它主要控制各個動力源的起、停，實時監(jiān)測泵、開關(guān)、電動閥、流量計等的運行、故障等狀態(tài)，并控制水處理裝置的使用、反沖洗的狀態(tài)。而每臺水處理裝置為了增強設(shè)備的冗余性，均使用獨立的PLC來控制反沖洗功能，以保證在特殊情況下，仍能實現(xiàn)裝置自動反沖洗功能。不同PLC之間利用光纜、交換機實現(xiàn)信息的互通，并利用光纜將信息上傳至井下控制室上位機和地面調(diào)度室上位機，進而實現(xiàn)了無人值守功能。

4 水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟環(huán)境效益

水處理系統(tǒng)處理后清水水質(zhì)指標見表2，濁度大大降低，且Fe2+、Mn2+離子也控制在要求范圍內(nèi)，能夠完全滿足工業(yè)復(fù)用水的標準。

由于該系統(tǒng)直接使用井下采空區(qū)的積水，避免使用井上自來水資源，相當于一年少往井下排水131萬 m3，有效減輕了礦井排水的壓力。同時設(shè)備富余處理能力，每年能夠外排處理后的清水水量約為44萬m3，能夠部分緩解神東礦區(qū)地面水資源缺乏的局面。經(jīng)測算包含前期的固定資產(chǎn)投資費用、正常設(shè)備運行費用，處理后的噸水成本為1.01元/ m3，相比自來水價格為：4.2元/ m3，平均噸水節(jié)約成本3.19元/ m3。正常哈拉溝礦生產(chǎn)用水量約為150m3/h，與使用自來水相比，平均每年能夠節(jié)約費用390余萬元。

結(jié)語

該套礦井水處理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于哈拉溝煤礦井下，運行狀況良好，使用后未發(fā)現(xiàn)由于水質(zhì)污染而影響工作面設(shè)備生產(chǎn)的情況，有力保障了生產(chǎn)用水安全。該系統(tǒng)適應(yīng)于鐵、錳離子超標的井工礦采空區(qū)水復(fù)用，具有較好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

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中圖分類號：X703

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