煤矿矿井水井下处理就地复用工艺及关键技术

2010-03-17李福勤李建红何绪文

河北工程大学学报(自然科学版) 2010年2期

李福勤,李建红,何绪文

(1.河北工程大学城市建设学院,河北邯郸056038;2.中国矿业大学化学与环境学院,北京100083)

煤炭是我国重要的基础能源和原料,在国民经济中具有重要的战略地位。采煤的同时必须排水,目前,矿井水排放量约为42亿m3,而利用率只有26%[1],矿井水的资源化利用已成为煤矿企业可持续发展的必然选择。

矿井水传统的处理利用方法是由井下水仓排出,在地面上修建调节池以及各种处理构筑物,以达到回用水质要求,部分在地面利用,部分再返回到井下利用,存在基建投资大、矿井水提升运行费用高、占地面积大等缺点,当井深超过400m时,还存在供水减压难度大的问题[2]。采用矿井水井下处理就地复用则因地制宜、节约土地、节省投资、节能、运行费用低,具有良好的经济效益和环境效益[3]。

因此,矿井水的井下处理就地复用具有巨大市场容量和发展空间,开展其相应的工艺及关键技术研究具有重要的战略意义。

1 矿井水的化学特性及回用水质要求

1.1 矿井水的水化学特性

从本质上讲,矿井水就是矿区所采煤层及开拓巷道附近地下水,有时会因地表裂隙而渗入部分地表水。由于煤矿矿井水的水质受到水文地质条件、水动力学、地质化学、矿床地质构造条件和开采条件的影响。在采矿过程中,地下水与煤层、岩层接触,加上人类生产活动的影响,发生了一系列的物理、化学和生化反应,其水质与普通地表水的水质有明显的差异,具有显著的煤炭行业特征。

按照污染物特征,可将矿井水分为含悬浮物矿井水、高矿化矿井水(又称矿井苦咸水)、酸性矿井水和特殊污染物矿井水4类。含悬浮物的矿井水,也称为常规矿井水,地下水受开采的影响带入煤和岩粉,水中含有较多的悬浮物和细菌,但是其余指标基本符合工业回用水标准;高矿化度矿井水是指矿化度(无机盐总含量)大于1 000mg/L的矿井水,主要含有 SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、HC等离子,硬度相应较高;酸性矿井水水质特征为pH值小于5.5的矿井水,一般pH值为3～5. 5之间,个别小于3;含有特殊污染物矿井水主要含有Fe、Mn、Cu、Zn、Pb及U、Ra等元素的水,其中,含Fe、Mn矿井水一般是在地下水还原条件下形成,多呈Fe2+、Mn2+的低价状态,易变浑浊,含Cu、Zn、Pb等重金属及放射性元素的矿井水较少。

实际上矿井水的水质往往是复合型的,要比以上分析复杂的多,给矿井水的资源化带来极大困难。

1.2 矿井水井下回用方向及水质要求

矿井水井下处理主要用于井下消防洒水、采煤设备冷却以及液压支架用水[4,5],为此应达到《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383-2006)井下消防洒水水质标准,以及采煤机、液压支架用水参考水质指标(表1)。

表1 矿井水井下用水水质指标Tab.1 Mine water underground recycled water indexes

2 矿井水井下处理工艺

对于各类矿井水在井上处理都有比较成熟的工艺技术,但是,应用于井下的还较少,针对井下用水水质指标,结合井下空间和安全的特殊性,探讨矿井水井下处理工艺。

2.1 常规矿井水处理工艺

在井上,常规矿井水处理工艺普遍采用混凝、沉淀、过滤和消毒[6],处理后的水用于生产和生活;而在井下,目前应用的较少。国内首例完善的全自动无人职守矿井水井下处理工程,是中国矿业大学(北京)与神华能源股份有限公司合作,在神东矿区榆家梁煤矿建成[3]。处理水量100m3/h,原水悬浮物30mg/L,Fe、Mn含量分别为6.5mg/L、0.16mg/L,处理工艺中不投加絮凝剂,为了保证沉淀效果,沉淀池采用高效复合沉淀池,过滤系统由50μ m盘式过滤器和双滤料精过滤器组成,出水悬浮物小于3mg/L,Fe、Mn均小于0.1mg/L,颗粒物粒度小于5μ m,出水水质满足进口液压支架乳化液用水及设备冷却、井下防尘用水要求。

以邯矿集团某矿矿井水试验,原水悬浮物100～140mg/L,2小时自由沉淀后,悬浮物小于30mg/ L,经石英砂(0.5～0.6mm均质细砂)过滤后(滤速7～8 m/h,运行周期大于12h)出水悬浮物小于5mg/L,悬浮物粒径小于5μ m,能够满足井下消防洒水以及采煤机、液压支架用水参考水质指标。

因此,总结常规矿井水井下处理工艺流程为：井下水仓→提升泵→沉淀池→细砂过滤器→回用,工艺流程简单,运行方便,无需加药,适合于井下安全可靠的要求。

2.2 高矿化度矿井水处理工艺

高矿化度矿井水在井上回用主要工艺[7]是：常规预处理+精滤(或超滤)+反渗透除盐;目前,还没有高矿化度矿井水在井下处理回用的报道。根据井下回用水质要求,针对不同矿化度的矿井水采取不同的处理方法：(1)含盐量为1 000～1 500mg/L,如硬度不高(以碳酸钙计小于250mg/ L),可采用常规矿井水处理工艺;如硬度较高,可采取软化处理工艺。(2)含盐量大于1 500mg/L时,处理方法与井上相同,需要采取反渗透除盐,这里关键是各类设备进入井下的安全许可(煤安认证)问题。另外,充分考虑分质供水问题,对消防洒水用水可简单处理;少量液压支架用水可深度处理,以减小设备体积和减少投资。

2.3 高铁锰矿井水处理工艺

高铁锰矿井水水质特征不同与一般含铁锰地下水,近年来,其处理方法的研究受到关注,也取得一定经验[8,9]。主要是改性滤料强化接触氧化法处理高铁锰矿井水,采用高锰酸钾溶液浸泡处理锰砂,使得出水在较短时间内满足回用水要求。这种方法同样适合于井下,其工艺流程与常规矿井水处理相似,只是将过滤器中的细砂换为改性锰砂。

2.4 酸性矿井水处理工艺

化学中和法是酸性矿井水处理常用的方法,常用的碱性药剂包括NaOH、Na2CO3、CaCO3、石灰等。目前采用较多的是石灰乳中和法,其工艺流程为：酸性矿井水→投加石灰乳中和→沉淀→过滤→回用。在井下处理则要充分考虑中和沉淀后产生的大量污泥如何进行处置：如果pH值在3～5,可以采用CaCO3作中和剂,以升流膨胀过滤中和法进行处理,中和后的矿井水再进入石英砂过滤器,然后回用。

3 矿井水井下处理关键技术

由于矿井井下空间环境的特殊性,使得矿井水井下处理难度远大于地面,需要解决和处理好诸多的关键技术问题,包括井下空间利用、安全防爆技术、完善的自动控制技术、系统的模块化和可移动化设计等。

3.1 井下空间特征及科学利用

由于煤矿井下巷道空间有限,掌握井下空间特征,合理利用废弃巷道十分重要。如井下巷道宽度一般为5m左右,高度一般在4m左右,需要摸索新的、各个单元的工艺设计参数及控制条件,并对处理设备的几何尺寸进行重新定位,使其符合井下空间特征。

最新研究表明,以采空区填充物为载体,利用井下废弃巷道对矿井水进行人工强化处理,对悬浮物和铁有良好的去除效果,可作为矿井水的一种预处理方法[10-11]。

3.2 设备的安全防爆技术

煤矿对下井设备有特殊的要求,必须有煤矿矿用产品安全标志,包括防爆、防水、防潮、防尘和防静电(五防)技术,这是与井上设备最大的区别。针对井下设备五防等级高的特点,研究开发定型的产品设备,并配备完善的技术操作规程,如开发具有煤安认证的离子交换软化装置和反渗透除盐装置,是高矿化度矿井水井下处理复用的关键。

3.3 矿井水井下处理装置开发

根据煤矿井下开采工作面的多变性,研究开发模块化、可移动及可拆卸组装的矿井水井下处理装置具有十分重要的意义,也是提高矿井水井下处理利用率的有效方法[12]。处理水量50 m3/h的全自动过滤器已在神东矿区井下安全运行,实现过滤器的模块化和可移动性不存在技术问题,井下模块化设备的处理水量不宜过大,对于过滤器处理水量在10～20 m3/h为宜,对于软化和除盐装置5～10 m3/h为宜。模块化装置要求工艺先进、运行可靠、安全稳定、布置紧凑、拆卸方便、自动控制、可无人职守,并且具有“五防”技术,通过煤安认证。

最后,要充分考虑井下处理工程施工的难度,解决好施工中遇到的问题,如井下不能常规电焊,最好井上加工完善,井下快速安装。