淮南礦區(qū)礦井水中懸浮物粒徑特性分析*

謝 毫，申禮鵬

（煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程試驗室，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤礦礦井水是由煤炭開采過程中疏排地下含水層涌水以及采掘生產(chǎn)中防塵、設備冷卻等排水匯集而成，其行業(yè)典型特征水質指標即為懸浮物，在我國礦井水水質的綜合分布中，含懸浮物礦井水占據(jù)了80%以上［1-3］。目前，我國各礦井水處理設施主要是圍繞處理懸浮物而進行設計和建設的。而懸浮物粒徑作為其重要的物理特征指標，對研究礦井水懸浮物自身的特性及其處理技術和工藝參數(shù)的選擇都起著至關重要的作用。

淮南礦區(qū)位于安徽省北部的淮河兩岸，該區(qū)域地質構造位置屬華北板塊南緣，東起郯廬斷裂帶，西至阜陽斷層，北接蚌埠隆起，南以老人倉-壽縣斷層與合肥坳陷相鄰，東西長180 km，南北寬15～25 km，面積約3 200 km2。含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組，以及上二疊統(tǒng)上石盒子組，總厚度900 m左右，含煤層約40層。單層厚度平均大于0.7 m的煤層9～18層，最大厚度12 m，合計厚度23～36 m，分布在山西組、下石盒子組和上石盒子組下部。

以淮南礦區(qū)在采礦井的礦井水為研究對象，通過系統(tǒng)性采樣和測試分析，對淮南礦區(qū)礦井水中懸浮物的含量范圍及其粒徑特性和分布進行全面分析和研究，以期為研究礦井水懸浮物的去除機理提供理論依據(jù)，為研發(fā)針對礦井水懸浮物的處理技術和裝備提供技術支撐。

1 材料與方法

研究對象主要為淮南礦區(qū)的潘三礦、張集礦北區(qū)、謝橋礦、丁集礦、顧橋礦、顧橋礦南區(qū)和顧北礦等7對現(xiàn)行生產(chǎn)礦井。各礦礦井水通常采用避峰用電夜間抽排的上水方式，經(jīng)測算統(tǒng)計礦井水正常涌出量范圍為1 320～6 200 m3/d，詳見表1，采樣點位于礦井水處理設施的進水端。主要試驗儀器為粒徑分析儀（S3500，美國麥奇克公司）、電子天平（MS204S，瑞士梅特勒公司）、恒溫烘箱（5E-DHG，長沙開元公司）。懸浮物測試時，取一定量水樣用孔徑為0.45 μm濾膜過濾，不能通過濾膜的固體物經(jīng)103～105℃烘干后恒重稱量，進而得到懸浮物含量。

表1 礦井水涌出量統(tǒng)計

懸浮物粒徑測試時，由固體激光源發(fā)出的單色、相干、平行的光束，經(jīng)過光束處理單元，照射到樣品顆粒后發(fā)生散射現(xiàn)象。散射光經(jīng)傅里葉透鏡聚焦后成像在一系列檢測器上，散射光的能量分布于顆粒粒徑的縫補直接相關，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，選擇合適的理論模型，從而得到被測樣品的粒度分布結果。顆粒折射率設置為1.59，形態(tài)設置為不規(guī)則；以水作為分散劑，分散劑折射率設置為1.333；測量時間為10 s，測量2次，分析軟件采用Microtrac FLEX。

2 結果分析和討論

2.1 平均粒徑特性

通過對淮南礦區(qū)7對生產(chǎn)礦井的礦井水懸浮物的平均粒徑進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑極其微小且具有一定的穩(wěn)定性。其中，平均粒徑最大為21.16μm、最小為1.45μm、平均值為6.78μm，淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑分布情況如表2，圖1所示。由表2，圖1可知，在7對生產(chǎn)礦井中，顧北懸浮物的平均粒徑均值最大，謝橋懸浮物的平均粒徑均值次之，潘三懸浮物的平均粒徑均值最小，即顧北＞謝橋＞顧橋＞張北＞顧南＞丁集＞潘三。

表2 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑

圖1 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑圖

淮南礦區(qū)各礦井均為現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井，采用綜掘/綜采方式進行生產(chǎn)作業(yè)，在煤炭開采過程中，綜掘機/綜采機等設備通過旋轉截割部，使截割頭上戴齒與原煤/巖石壓力作用下發(fā)生碰觸，利用物理作用把原煤/巖石從母體中剝離出來，在此過程中由機械旋轉截割而產(chǎn)生的細小煤粉/巖粉在進入礦井水體之后便成為了煤礦礦井水懸浮物，這也是形成懸浮物穩(wěn)定分布的主要原因。這樣細小的懸浮顆粒物往往很難自然沉降，需要通過礦井水處理設施對其進行處理方可進行回收利用或者達標排放，常用的礦井水處理技術工藝是“混凝—沉淀—過濾—消毒”。通過上述4步［4-5］，使之符合生活飲用或工業(yè)使用所要求的水質。目前，淮南礦區(qū)各礦井均建設有地面礦井水處理設施，亦是采用上述處理工藝對礦井水進行處理，其出水水質懸浮物小于10 mg/L、化學需氧量小于10 mg/L，處理后的礦井水常作為生產(chǎn)補充用水進入井下生產(chǎn)用水管網(wǎng)。

2.2 含量分析

淮南礦區(qū)7對生產(chǎn)礦井的礦井水懸浮物含量指標測定結果，見表3，圖2。

表3 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物含量

圖2 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物含量圖

從表3和圖2可以看出，本次研究共測試獲得淮南礦區(qū)礦井水懸浮物21個數(shù)據(jù)，其中有19個數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定分布于130～554 mg/L，占整個數(shù)據(jù)量的90.5%。超出此范圍的數(shù)據(jù)只有兩個，分別為顧橋第二次水樣的5 584 mg/L和謝橋第一次水樣的7 276 mg/L，從數(shù)值上來看這兩個數(shù)據(jù)遠遠大于其他礦井水懸浮物數(shù)值，分別為除上述2個值之外最大值的10.1倍和13.1倍。結合現(xiàn)場采樣情況發(fā)現(xiàn)，懸浮物兩次出現(xiàn)較大異常值是由于現(xiàn)場樣品采集時，其沉砂池水位已接近至池底，樣品采集時受池底沉降的泥沙影響導致懸浮物數(shù)值出現(xiàn)異常。

通過對7對礦井的礦井水懸浮物的含量和平均粒徑進行分析發(fā)現(xiàn)，礦井水懸浮物含量的高低與平均粒徑并無直接關系，懸浮物含量最高的3個水樣其對應的平均粒徑分別為12.55、19.15、4.12μm，含量最低的3個水樣其對應的平均粒徑則分別為14.32、1.45、3.57μm。懸浮物含量最高值為7 276 mg/L、最低值為130 mg/L，雖然懸浮含量相差極大，但是兩者的平均粒徑極為相近，分別為12.55和14.32μm。

2.3 粒徑分布特征

礦井水懸浮物的粒徑分布反映了懸浮物在水中的分散性和穩(wěn)定性，懸浮物的粒徑越小，在水中分布越均勻、越穩(wěn)定，越難通過自然/人工沉降除去，在以混凝—沉淀—過濾為主的礦井水處理工藝中對絮凝劑/助凝劑等藥品的投加量以及沉淀池/澄清池的流速、水力停留時間等設計運行參數(shù)都有著重要的指導意義。在膜法水處理技術中，懸浮物粒徑的大小代表了懸浮物在膜面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔變小或堵塞的難易程度，對分離膜的選擇起著重要的作用。

為便于進行粒徑測定結果分析，將粒徑劃分為小于1、1～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50 μm 7個粒級。圖3～圖8所示為礦井水懸浮物在不同粒級的分布情況，通過對懸浮物粒徑分布的情況進行分析研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)懸浮物在粒級上的分布特性可以將礦井水粒徑分布分為3類，第一類為丁集、潘三、顧北礦井水懸浮物，第二類為謝橋、張北礦井水懸浮物，第三類為顧橋、顧南礦井水懸浮物。

由圖3～圖5可確定礦井水懸浮物粒徑主要在10μm以下，粒徑小于10μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上。其中懸浮物粒徑主要集中在1～5 μm，在此范圍內的粒徑占總懸浮物中的比例為40%～75%，其次主要分布在1μm以下的范圍內，在此范圍的粒徑占總懸浮物的比例為15%～40%。

圖3 丁集礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖4 潘三礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖5 顧北礦井水懸浮物粒徑分布圖

由圖6、圖7可確定礦井水懸浮物粒徑主要在20μm以下，粒徑小于20μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上。其中，在最高分布區(qū)域上和第一類相似，懸浮物粒徑主要集中在1～5μm的范圍內，在此范圍內的粒徑在總懸浮物中的占比為40%～55%，但是次分布范圍產(chǎn)生了變化，分布于5～10 μm的數(shù)量有了較大提升，其數(shù)量與分布在小于1 μm范圍內的粒徑數(shù)量基本相當。

圖6 張北礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖7 謝橋礦井水懸浮物粒徑分布圖

由圖8、圖9可知，在3次樣品結果中，懸浮物粒徑分布占比最高的區(qū)域均不相同，第一次出現(xiàn)在小于1μm的區(qū)域，總懸浮物占比均超過70%；第二次顧橋和顧南分別出現(xiàn)在10～20μm和1～5μm的區(qū)域，總懸浮物占比分別約為40%和33%；第三次出現(xiàn)在1～5μm的區(qū)域，總懸浮物占比分別約為55%、62%。與第一類和第二類相比，第三類礦井水懸浮物粒徑分布區(qū)域比雖無明顯的規(guī)律性，但是仍可確定礦井水懸浮物粒徑主要在30μm以下，粒徑小于30μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上，此結果與何緒文等研究成果“排到地面的礦井水總懸浮物中平均88%的粒徑在50μm以下，而粒徑大于80 μm的部分不超過5%，即礦井水中懸浮物的主要成分是粒徑極為細小的煤粉和巖塵基本一致［6-7］。

圖8 顧橋礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖9 顧南礦井水懸浮物粒徑分布圖

3 結論

（1）淮南礦區(qū)未經(jīng)處理的礦井水原水懸浮物含量較高，經(jīng)預沉沉砂池沉淀后其懸浮物含量基本穩(wěn)定在130～554 mg/L。

（2）礦井水中懸浮物的粒徑大小及分布主要取決于煤礦的開采、挖掘等生產(chǎn)作業(yè)方式，其粒徑分布與懸浮物含量的高低無關。

（3）在以綜掘/綜采為主要開采工藝的生產(chǎn)礦井，其礦井水中懸浮物粒徑極其微小，平均粒徑穩(wěn)定分布在1.45～21.16μm，粒徑小于30μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上。