深井煤礦涌水直接凈化與復(fù)用技術(shù)的研究
［摘要］國(guó)內(nèi)煤礦年排礦井水很大，但利用率不到20%，造成水資源浪費(fèi)。三河尖煤礦根據(jù)自身的特點(diǎn)，研發(fā)了井下一體化自動(dòng)凈化與復(fù)用水系統(tǒng)，其中2 200 t/d凈化水在井下直接復(fù)用防塵，剩余約1000t清潔水上排到地面利用。
［關(guān)鍵詞］煤礦；涌水；凈化；復(fù)用
1.問(wèn)題的提出
三河尖礦在采掘過(guò)程中，要將礦井3 500 t/d 涌水排到地面，從地面供給井下2 250 t/d的防塵 水與700 t/d的洗煤用水，不僅污染環(huán)境，同時(shí)消 耗能源和水資源。隨著礦井技改后產(chǎn)量的增加，礦 井涌水也將隨之增加，預(yù)計(jì)每年礦井涌水將有 1 60萬(wàn)t/a排向地面，用電量也要進(jìn)一步增大，這 與建設(shè)環(huán)境友好型企業(yè)要求是不相適應(yīng)的。
該礦自2007年6月開(kāi)始把礦井涌水直接凈 化與復(fù)用項(xiàng)目作為重點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，并于2007年 12月底在井下完成施工、調(diào)試等工作，目前設(shè)備 運(yùn)行正常。實(shí)現(xiàn)了礦井涌水的就地綜合利用，改變 了原來(lái)以地面向井下供水為主的狀況，既保護(hù)生 態(tài)環(huán)境，又節(jié)約能源和水資源。
2 礦井及其涌水概況
2.1礦井概況
三河尖煤礦于1988年8月建成投產(chǎn)，2006 年礦井核定生產(chǎn)能力1.7 Mt/a，2008年技改工程 完成后，年生產(chǎn)能力為2.2 Mt/a。礦井采用單水平開(kāi)拓方式，主水平標(biāo)高-700，目前生產(chǎn)水平主要分布在-700、-980。井田內(nèi)有三河尖區(qū)、劉莊區(qū)和吳莊區(qū)三個(gè)勘探區(qū)，目前正在開(kāi)采三河尖區(qū)、劉莊區(qū)。
該礦在-700水平井底車(chē)場(chǎng)附近，原有兩個(gè)水倉(cāng)，其中內(nèi)水倉(cāng)長(zhǎng)度為150 m，外倉(cāng)現(xiàn)改稱中倉(cāng)長(zhǎng)度為212 m，兩個(gè)水倉(cāng)有效容積約為2290m3；2002年發(fā)生突水事故后，在原有外水倉(cāng)外側(cè)又增 補(bǔ)了一水倉(cāng)（現(xiàn)稱之為外倉(cāng)）長(zhǎng)391m，有效容積為1890 m3，水倉(cāng)的總?cè)萘? 180 m3。
2.2礦井涌水及其預(yù)計(jì)
三河尖區(qū)、劉莊區(qū)的涌水量分別為：三河尖區(qū) 為126 m3/h；劉莊區(qū)預(yù)計(jì)為98 m3/h，目前實(shí)際僅為 20 m3/h。目前礦井總涌水量?jī)H為146 m3/h。按目前礦井涌水的實(shí)際，參照集團(tuán)公司對(duì)礦井涌水量預(yù) 計(jì)的批復(fù)，預(yù)測(cè)礦井今后10 a內(nèi)（吳莊區(qū)不開(kāi)采） 正常涌水量應(yīng)在180 m3/h以內(nèi)。
2.3礦井排水及供水
2.3.1排水狀況
2007年由-700中央泵房排出的礦井水全年 為125萬(wàn)t。由礦井通風(fēng)系統(tǒng)排出的水量為：按礦 井總風(fēng)量為10 100 m3/min，進(jìn)風(fēng)空氣濕度按 87.56%計(jì)（年平均），出風(fēng)空氣濕度按96.84%計(jì) （年平均），每分鐘帶出含水蒸氣量為124.66 kg (平均)，每年帶出含水蒸氣量則為6.55萬(wàn)t；由生 產(chǎn)出的煤炭帶出的水分：開(kāi)采前煤炭所含水分約 為2%，開(kāi)采出來(lái)的煤炭所含水分約為7%，按凈 增水分5%，日產(chǎn)6 259 t，年生產(chǎn)天數(shù)按350 d計(jì)， 則隨煤炭排出的水量為10.95萬(wàn)t，則總排出水量為142.5萬(wàn)t。-700水平井下中央泵房?jī)?nèi)置PJ200×9型水泵6臺(tái)，正常涌水時(shí)，一臺(tái)工作，四臺(tái)備用，一臺(tái)檢修。
2.3.2井下供水情況
礦井每年用于井下防塵用水約78.75萬(wàn)t，防 塵水水源是從地面取之于第四系的地下水，通過(guò) 管道輸送到井下各用水點(diǎn)，再匯集到井下水倉(cāng)由 中央泵房排至地面。
2.3.3礦井實(shí)際涌水情況
根據(jù)計(jì)算，每年礦井涌水中真正來(lái)之于圍巖 產(chǎn)生的水為63.75萬(wàn)t。因此礦井水處理后，如果 不再?gòu)牡孛嫦蚓螺斔头缐m水，循環(huán)利用礦井涌水，是能夠滿足井下生產(chǎn)用水要求的。
2.3.4礦井水水質(zhì)
經(jīng)對(duì)目前礦井實(shí)際涌水水質(zhì)的檢測(cè)，該礦井涌水水質(zhì)，硬度大、礦化度高，具體參數(shù)如表1所示。
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3 一體化凈水系統(tǒng)的研制
3.1凈化水設(shè)備的研制
一體化凈水系統(tǒng)由一體化凈水設(shè)備與相關(guān)水 倉(cāng)等組成，由于礦井水量相對(duì)較小，適宜選用一體 化凈化水設(shè)備，這樣施工時(shí)間短，管理方便。但由 于三河尖煤礦副井提升罐籠容許設(shè)備的外型尺寸 為4×1.4×2.5（m3），而要將凈水器各種尺寸限制 在4×1.4×2.5（m3）之內(nèi)，其處理能力一般只能達(dá) 到20 m3/h，無(wú)法保證礦井水的處理量。因此必須 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研制，采用井下焊接和安裝外形尺寸為 8×2.25×4（m）3三臺(tái)凈化水設(shè)備，順巷道布置，占 巷道長(zhǎng)30 m，用以保證凈化水能力達(dá)到4 500 t/d。
3.2凈化水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
根據(jù)井下水倉(cāng)的空間情況和安裝一體化凈水系統(tǒng)的需要，利用外水倉(cāng)作為礦井水調(diào)節(jié)水倉(cāng)（初 次沉淀池），處理系統(tǒng)從外水倉(cāng)提水；拓寬加高已 有巷道，在井下巷道內(nèi)加工凈化水設(shè)備，被凈化水設(shè)備處理后，清水排入中水倉(cāng)，中水倉(cāng)作為凈化水的調(diào)節(jié)倉(cāng)，內(nèi)水倉(cāng)作為清水倉(cāng)，臨時(shí)水倉(cāng)作為污泥池。
利用井下水倉(cāng)就地處理污水，避免將污水送到地面時(shí)造成二次污染。另外，將外水倉(cāng)兼作初次沉淀池處理，處理后的水直接用于井下，免去將污水提升到地面處理后再送人井下利用的動(dòng)力、管材等浪費(fèi)。同時(shí)可免去地面重修沉淀池。三河尖礦凈化水系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
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凈化水系統(tǒng)的主要組成包括下列的設(shè)備和構(gòu)筑物：
預(yù)沉調(diào)節(jié)池：利用外水倉(cāng)；
清水池：利用原有的中水倉(cāng)及內(nèi)水倉(cāng)；
污泥池：原有的沉淀池。
凈化水設(shè)備及相關(guān)參數(shù)：
提升泵型號(hào)：2臺(tái)(1用1備)WQ2260-438， Q=200 m3/h，H=16 m，N=15 kW。
凈水器：由集混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒于一體的 3臺(tái)外型尺寸8×2.25×4（m）3設(shè)備與1根φ200 mm 進(jìn)水總管，進(jìn)水流速1.77 m/s；2根φ300 mm出水 鋼管管內(nèi)流速為0.6 m/s（按2/3出水?dāng)嗝嬗?jì)）組 成；單臺(tái)凈水器進(jìn)水管φ125mm，進(jìn)水流速1.51m/s； 單臺(tái)出水口DN150 mm，流速1.575 m/（s按2/3出 水?dāng)嗝嬗?jì)）。
壓濾機(jī)：1臺(tái)功率為6.3 kW，日均運(yùn)行2 h。 加藥裝置型號(hào)：共設(shè)3套加藥裝置，分別用以 投加藥劑。其中1套JY-Ⅰ，配1個(gè)φ1.0 m攪拌 桶；2套JY-Ⅱ，各配1個(gè)φ1.0 m攪拌桶。
3.3工藝原理及流程［1，2］
700外水倉(cāng)的礦井涌水經(jīng)提升泵抽吸入主 水管，礦井涌水進(jìn)入水管即加聚合氯化鋁（含部分 非礦凈水劑）進(jìn)入管道混合器，礦井涌水在主水管 道中迅速與聚合氯化鋁混凝，主供水管與3臺(tái)凈 水設(shè)備的3根供水支管相通，礦井涌水進(jìn)入3臺(tái) 全自動(dòng)一體化凈水器，進(jìn)入凈水器的礦井涌水自 下向上流動(dòng)，混凝效果逐漸加強(qiáng)，礬花由小聚大， 進(jìn)入斜管沉淀區(qū)后，在斜管作用下，聚大的礬花下 滑沉入沉淀區(qū)，在斜管區(qū)完成泥水分離，分離后的 清水向上進(jìn)入水箱，水箱內(nèi)清水向下由配水管送 入6個(gè)雙介質(zhì)過(guò)濾池。經(jīng)過(guò)濾的水進(jìn)入輸水管道 經(jīng)ClO2殺菌后輸入清水池。
礦井水處理過(guò)程中的反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾、反沖 洗、排水、排泥等步驟均在一體化凈水設(shè)備中進(jìn) 行，具有效率高，處理效果好的特點(diǎn)。凈水器具有 自動(dòng)進(jìn)水、自動(dòng)反沖洗、自動(dòng)定時(shí)排泥多種自動(dòng)功 能，也可切換為手動(dòng)操作，以確保本設(shè)備的正常運(yùn) 行。主要處理流程如圖3所示。
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4 復(fù)用系統(tǒng)
復(fù)用系統(tǒng)則利用清水泵將處理后的凈化水打到-415~－420水平兩個(gè)清水倉(cāng)，高差約280 m， 復(fù)用系統(tǒng)的清水泵至-415~－420水平清水倉(cāng)重 新敷設(shè)一趟φ2 900 mm管路，選用2臺(tái)DGⅡ 280-43×9的供水泵，1用1備，日均運(yùn)行20 h。從 -415~－420水平清水倉(cāng)到井下各用水地點(diǎn)仍利 用目前已有完整的井下防塵供水管網(wǎng)自流形式供 給，同時(shí)為了解決該系統(tǒng)無(wú)人值守問(wèn)題，專門(mén)研制 了長(zhǎng)距離水位傳感器控制水泵開(kāi)停系統(tǒng)。
5 礦井涌水凈化效果分析
5.1水質(zhì)分析
礦井涌水經(jīng)一體化全自動(dòng)凈水設(shè)備的凈化，每天按處理水量3 500 t/d計(jì),消耗聚氯化鋁 75~85 kg，高分子非金屬凈水劑2~3 kg。經(jīng)非金屬凈水劑吸附、混凝、沉淀、過(guò)濾，較多指標(biāo)均有明顯下降，尤其是濁度由104 mg/L降至0.52 mg/L，與 <3 mg/L技術(shù)要求相比，要好得多。水質(zhì)達(dá)到了《煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50383-2006）的要求。礦井涌水在凈化前后的水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。
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5.2效益分析
通過(guò)井下一體化凈化與復(fù)用系統(tǒng)的研制，不 僅解決了在地面凈化礦井水時(shí)的二次污染問(wèn)題， 還取得了一定的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。與地面建礦井 水處理站相比，投資減少106萬(wàn)元；凈化后的礦井 水，在井上下利用3 000 t/d，每年可減少地下水資 源消耗、能源消耗等280萬(wàn)元/a；在社會(huì)效益方 面，較好地保護(hù)了礦區(qū)的自然環(huán)境。
［參考文獻(xiàn)］
［1］莊正寧.環(huán)境工程基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)電力出版社, 2006.
［2］王靈梅.煤炭能源工業(yè)生態(tài)學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版 社,2006.
［作者簡(jiǎn)介］ 吳興榮(1963-)，男，江蘇漣水人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事 煤礦采礦技術(shù)和管理工作，任徐礦集團(tuán)三河尖煤礦總工程師。
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