九龍礦礦井水二次沉淀水倉(cāng)改造實(shí)例分析

孫嘉倫，劉 松，雷兆武，代衛(wèi)林，侯培雄，張寶成，柴曹江

(1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江省哈爾濱市，150001；2.冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦，河北省邯鄲市，056200；3．河北環(huán)境工程學(xué)院，河北省秦皇島市，066102；4.冀中能源峰峰集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北省邯鄲市，056008)

冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍煤礦(以下簡(jiǎn)稱“九龍礦”)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，煤種為焦煤，具有低硫、黏結(jié)性強(qiáng)、結(jié)焦性好等特點(diǎn)，該礦井田南北平均長(zhǎng)約8 km，東西寬約2.5 km，面積約22 km2。該礦在煤炭開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)實(shí)施保水開(kāi)采和區(qū)域超前勘查治理，從源頭控制煤炭開(kāi)采過(guò)程中的礦井水產(chǎn)生量。目前該礦礦井水產(chǎn)生量約160萬(wàn)m3/a，經(jīng)超磁分離工藝處理后進(jìn)入水倉(cāng)儲(chǔ)存，經(jīng)中央提升泵房提升至地面進(jìn)行利用或排放。

通常在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中工況多變，礦井水涌水量、懸浮物濃度、顆粒物粒度等水質(zhì)參數(shù)存在波動(dòng)較大的問(wèn)題[1-2]。九龍礦礦井水資源豐富，礦井水在經(jīng)超磁分離處理后，仍存在部分顆粒物隨礦井水進(jìn)入內(nèi)、外水倉(cāng)，在水倉(cāng)中二次沉降形成煤泥(污泥)。水倉(cāng)中沉積的煤泥一方面會(huì)減少水倉(cāng)的有效容積需及時(shí)清理，另一方面煤泥極具可回收價(jià)值，煤泥清理的徹底程度直接決定了煤泥清理的經(jīng)濟(jì)效益。

由于傳統(tǒng)水倉(cāng)的清淤方式存在煤泥回收率低、工作安全風(fēng)險(xiǎn)大、危險(xiǎn)系數(shù)高、作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、清理效率低、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、影響礦井安全生產(chǎn)等問(wèn)題[3-5]，為了提高對(duì)水倉(cāng)中沉淀煤泥的回收，解決水倉(cāng)中煤泥清理存在的問(wèn)題，提高水倉(cāng)清理效率，九龍礦以現(xiàn)有內(nèi)水倉(cāng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行二次沉淀水倉(cāng)改造。通過(guò)對(duì)水倉(cāng)進(jìn)行二次沉淀改造，實(shí)現(xiàn)超磁分離出水中煤泥集中沉降后，又采用煤泥自動(dòng)清理機(jī)進(jìn)行煤泥清理，既降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短了清理時(shí)間，又提高了煤泥清理效率，達(dá)到了改造預(yù)期目的，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井水處理現(xiàn)狀

1.1 礦井水處理工藝

當(dāng)前礦井水處理主要包括格柵、預(yù)沉池、混凝池、超磁分離等過(guò)程。預(yù)沉池可以對(duì)礦井水中的部分粗顆粒物進(jìn)行去除，礦井水(原水)通過(guò)格柵進(jìn)入預(yù)沉池后，在混凝池與磁粉、聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝劑進(jìn)行充分混合接觸后形成磁絮凝體，由超磁分離機(jī)對(duì)磁絮凝體與水進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)礦井水凈化，處理后出水進(jìn)入水倉(cāng)，由中央泵房提升至地面利用或排放。超磁分離機(jī)脫除的磁絮凝體進(jìn)入磁泥分離機(jī)，進(jìn)行磁粉的回收及利用；預(yù)沉池污泥、磁泥分離機(jī)排泥都進(jìn)入污泥池，通過(guò)板框壓濾機(jī)形成泥餅并回收[6]。九龍礦礦井水超磁分離工藝流程如圖1所示。

圖1 九龍礦礦井水超磁分離工藝流程

礦井水超磁分離技術(shù)針對(duì)的是含懸浮物礦井水，在混凝過(guò)程中加入磁粉及混凝劑，絮體中的磁粉使得絮體具有磁性，在超磁分離機(jī)的磁力場(chǎng)作用下，絮體被快速?gòu)乃蟹蛛x，該工藝具有占地少、成本低、處理速率快等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型礦井水處理工藝[7-9]。超磁分離工藝大幅度降低了進(jìn)入水倉(cāng)的懸浮物濃度和數(shù)量，提高了對(duì)礦井水中煤泥的回收，減輕了水倉(cāng)清理的壓力，但對(duì)懸浮物濃度高的礦井水，還存在著處理效果欠佳的問(wèn)題[10]。

根據(jù)設(shè)計(jì)水量計(jì)算，九龍礦礦井水處理工藝中，預(yù)沉池停留時(shí)間約7 min，混凝池停留時(shí)間約6.25 min，投加磁種后，沉淀時(shí)間縮短，15 s即可完成沉淀[11-12]。由于該礦存在涌水量波動(dòng)大、礦井水中懸浮物濃度不均勻(300～1600 mg/L)、顆粒物粒度大小不一、超磁分離磁盤單位面積處理能力等問(wèn)題，當(dāng)?shù)V井水中懸浮物濃度較低時(shí)，超磁分離出水水質(zhì)較好；在懸浮物濃度較高時(shí)，超磁分離出水水質(zhì)較差，部分懸浮物被帶入水倉(cāng)，在水倉(cāng)中形成二次沉降，在水倉(cāng)中形成煤泥。

1.2 改造前水倉(cāng)相關(guān)性況介紹

礦井水經(jīng)超磁分離處理后進(jìn)入水倉(cāng)，內(nèi)水倉(cāng)和外水倉(cāng)可以同時(shí)進(jìn)水并聯(lián)運(yùn)行，也可以單獨(dú)進(jìn)水獨(dú)立運(yùn)行。在需要對(duì)水倉(cāng)進(jìn)行煤泥清理時(shí)，則單水倉(cāng)進(jìn)水，另一水倉(cāng)進(jìn)行煤泥清理。水倉(cāng)中的礦井水經(jīng)中央泵提升至地面，完成礦井水處理和排水。該礦井水倉(cāng)由外水倉(cāng)和內(nèi)水倉(cāng)構(gòu)成，改造前水倉(cāng)及運(yùn)行方式如圖2所示。

圖2 改造前水倉(cāng)及運(yùn)行方式

該礦內(nèi)水倉(cāng)容積為3 550 m3，外水倉(cāng)容積為4 830 m3，水倉(cāng)合計(jì)容積為8 380 m3。由于內(nèi)、外水倉(cāng)并聯(lián)同時(shí)進(jìn)水，因此內(nèi)、外水倉(cāng)底部均有煤泥沉降，水倉(cāng)清理煤泥時(shí)，需要對(duì)2個(gè)水倉(cāng)中沉降的煤泥分別進(jìn)行清理。每年6月雨季前都需要清理水倉(cāng)中的煤泥，主要采用人工清理，每班10人，每天3班，完成2個(gè)水倉(cāng)煤泥清理需要90 d。由于煤泥清理工作時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大且不能徹底清理水倉(cāng)，因此仍有0.3～0.4 m的底層煤泥清理不干凈，煤泥回收率低。

目前對(duì)傳統(tǒng)井下水倉(cāng)煤泥清理方式也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)，如采用氣動(dòng)隔膜泵設(shè)備自動(dòng)清理水倉(cāng)，以提高清理效率，減少煤泥清理用工人數(shù)，降低煤泥清理人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)人員安全系數(shù)，提高煤泥回收率[13-15]。

2 二次沉淀水倉(cāng)改造

2.1 二次沉淀水倉(cāng)改造設(shè)計(jì)

針對(duì)九龍礦礦井水倉(cāng)現(xiàn)狀，2019年7月對(duì)內(nèi)水倉(cāng)進(jìn)行了二次沉降改造，首先對(duì)超磁分離出水?dāng)y帶進(jìn)入的懸浮物進(jìn)行沉淀分離，再對(duì)二次沉降水倉(cāng)底部的煤泥采用自動(dòng)清理機(jī)械進(jìn)行清理并脫水。二次沉降水倉(cāng)改造增設(shè)水溝、排污巷、擋水墻、溢流巷(溢流墻)，二次沉淀水倉(cāng)改造及運(yùn)行方式如圖3所示。

圖3 二次沉淀水倉(cāng)改造及運(yùn)行方式

由圖3可以看出，超磁分離處理后出水由水溝進(jìn)入排污巷，再進(jìn)入二次沉淀水倉(cāng)，經(jīng)由溢流墻進(jìn)入外水倉(cāng)。礦井水中的懸浮物在二次沉淀水倉(cāng)部位完成沉淀分離，沉降煤泥集中在二次沉淀水倉(cāng)段，縮短煤泥清理的水倉(cāng)長(zhǎng)度，便于煤泥清理機(jī)自動(dòng)清理煤泥，提高煤泥清理效率。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次沉淀水倉(cāng)長(zhǎng)為174 m，擋水墻厚度為0.37 m，擋水墻頂相對(duì)水倉(cāng)底高度為2.7 m，擋水墻寬度為4.8 m，二次沉淀水倉(cāng)凈寬度為4 m，擋水墻結(jié)構(gòu)如圖4所示。

施工前，對(duì)巷道兩側(cè)及底板進(jìn)行開(kāi)挖槽溝，槽溝寬為0.37 m，兩側(cè)及底板槽溝深均為0.30 m。挖好槽溝后噴漿封閉，底板采用水泥砂漿鋪底找平再進(jìn)行砌墻，水倉(cāng)內(nèi)擋水墻側(cè)面垂直砌入16號(hào)槽鋼作為擋板槽，加設(shè)長(zhǎng)為1.5 m的活動(dòng)堰板，保持二次沉淀水倉(cāng)及原內(nèi)、外水倉(cāng)的靈活運(yùn)行。

溢流墻包括固定基礎(chǔ)和活動(dòng)堰板，固定基礎(chǔ)面(即活動(dòng)堰板底部)相對(duì)擋水墻底部高差2.5 m，活動(dòng)堰板墻高度1.5 m，溢流墻厚度0.37 m，溢流墻活動(dòng)堰板結(jié)構(gòu)與擋水墻相似。

二次沉淀水倉(cāng)正常運(yùn)行時(shí)，擋水墻加設(shè)堰板高度2.7 m，溢流墻不加堰板，以固定基礎(chǔ)高度2.5 m(相對(duì)擋水墻底部高度)進(jìn)行運(yùn)行，二次沉淀水倉(cāng)形成長(zhǎng)×寬×深為174.0 m×4.0 m×2.5 m的封閉空間，總?cè)莘e1 740 m3。超磁分離處理后出水進(jìn)入二次沉淀水倉(cāng)，進(jìn)行煤泥的二次沉降。

圖4 擋水墻結(jié)構(gòu)

正常運(yùn)行時(shí)控制水位相對(duì)水倉(cāng)底部高度為2.5 m，設(shè)計(jì)有效水深為1.5 m，有效容積為1 044 m3，停留時(shí)間約為5.8 h。污泥區(qū)可控高度為1 m，污泥區(qū)容積約為696 m3。根據(jù)現(xiàn)有180 m3/h的礦井涌水量，礦井水流速為0.008 33 m/s，按20℃水近似計(jì)算礦井水雷諾數(shù)，雷諾數(shù)為3.305×104，根據(jù)沿平壁流動(dòng)層流雷諾數(shù)Re的臨界值為5×105[16]，因此在二次沉淀水倉(cāng)的沉淀區(qū)，水流處于層流狀態(tài)，顆粒物在二次沉淀水倉(cāng)得以較好的沉降。水溝長(zhǎng)度145 m，寬度1 m，水溝坡度3‰。排污巷長(zhǎng)度50.8 m，寬度3.2 m。

本次改造選用MQC-15型煤泥自動(dòng)清理機(jī)，同時(shí)配套煤泥粗分、脫水設(shè)備。由煤泥自動(dòng)清理機(jī)清理二次沉淀水倉(cāng)煤泥，在清理水倉(cāng)煤泥前，對(duì)溢流墻加設(shè)堰板，避免清理煤泥時(shí)清淤渾水進(jìn)入外水倉(cāng)。清理后煤泥由粗分設(shè)備進(jìn)行分級(jí)，對(duì)粒徑≥1 mm煤泥進(jìn)入煤泥回收車，粒徑<1 mm煤泥進(jìn)入壓濾設(shè)備脫水，脫水后煤泥進(jìn)入煤泥回收車，提升至地面進(jìn)行回收。

2.2 二次沉淀水倉(cāng)運(yùn)行及效益

改造后，二次沉淀水倉(cāng)與外水倉(cāng)采用串聯(lián)運(yùn)行方式進(jìn)行，超磁分離處理后出水中攜帶的懸浮顆粒物在二次沉淀水倉(cāng)進(jìn)行沉淀。二次沉淀水倉(cāng)污泥區(qū)容積大，可充分容納沉降的煤泥，提高二次沉淀水倉(cāng)的運(yùn)行周期，根據(jù)改造后二次沉淀水倉(cāng)運(yùn)行狀況，二次沉淀水倉(cāng)中的煤泥可每年清理一次。在進(jìn)行二次沉淀水倉(cāng)煤泥清理時(shí)，二次沉淀水倉(cāng)停止進(jìn)水，超磁分離處理后出水進(jìn)入外水倉(cāng)。煤泥自動(dòng)清理機(jī)清理水倉(cāng)時(shí)，每班5人，每天2班，完成二次沉淀水倉(cāng)清淤工作需要約30 d。二次沉淀水倉(cāng)一次可清理含水率為28%～30%煤泥約1 000 t，可將煤泥與原煤一同出售。

該礦本次改造投入費(fèi)用為320萬(wàn)元，其中設(shè)備購(gòu)置費(fèi)為135萬(wàn)元，以設(shè)備折舊計(jì)入折舊費(fèi)，投資償還期為1.8 a。節(jié)省水倉(cāng)清淤人工費(fèi)用為40萬(wàn)元/a，多回收煤泥約400 t/a，增加效益約120萬(wàn)元/a，增創(chuàng)效益約160萬(wàn)元/a，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

針對(duì)冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦礦井水超磁分離處理后出水帶入水倉(cāng)的懸浮顆粒物問(wèn)題，通過(guò)對(duì)內(nèi)水倉(cāng)進(jìn)行二次沉淀改造，對(duì)進(jìn)入沉淀水倉(cāng)礦井水中的懸浮顆粒物進(jìn)行集中沉淀，利于采用機(jī)械清淤。二次沉淀水倉(cāng)設(shè)計(jì)在沉淀區(qū)滿足層流流動(dòng)條件下，增大污泥區(qū)容積，提高二次沉淀水倉(cāng)運(yùn)行周期，降低污泥區(qū)煤泥清理頻次。

二次沉淀水倉(cāng)改造采用煤泥自動(dòng)清理機(jī)清挖煤泥，集中清理二次沉淀水倉(cāng)中煤泥，并進(jìn)行煤泥粗分、脫水，提高了清理效率，增加了煤泥回收量，減少了井下作業(yè)人員數(shù)量，降低了水倉(cāng)清淤作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，其經(jīng)驗(yàn)可為國(guó)內(nèi)同類礦井水處理提供借鑒。