淮南矿区矿井水井下处理技术研究与应用

2014-12-20毛维东陈永春郭中权陆春辉

能源环境保护 2014年2期

李翠，毛维东，陈永春，郭中权，陆春辉

(1.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南232001；2.煤科集团杭州环保研究院，浙江杭州311201)

淮南矿业集团是我国十三个大型煤炭基地、六个煤电基地和国家首批循环经济试点企业之一，矿井水的资源化利用是实现循环经济、节能减排目标的重要基础[1]；淮南矿区矿井水中溶解性总固体、氯离子等含量较高，经过净化处理无法满足生产、生活等对水质要求较高的方面[2]，尤其是井下配制乳化液用水要求氯化物小于200 mg/L，必须进行相应的反渗透深度处理。由于煤矿井下生产的特殊性，从技术、经济两方面看在地面对矿井水进行深度处理都不是合理的做法，因此针对淮南矿区的水质特性研究矿井水井下处理的技术就显得尤为必要。

1井下供用水分析

1.1供水特性

淮南矿区目前共有14对生产矿井，通过对其中8对新建矿井的矿井水水质研究可以看出，这些矿井水均属于高氯化物型高矿化度矿井水，氯化物含量占溶解性总固体(TDS)的30%～50%不等，水质分析结果见表1。TDS在1 000 mg/L～3 000 mg/L之间，氯化物在350 mg/L～1 200 mg/L之间，硫酸盐绝大部分小于250 mg/L。这部分煤矿供用水系统相对完善，井下用水以经过地面净化处理的矿井水为主，供水管路均为碳钢管道；个别煤矿在地面建有反渗透为主的矿井水深度处理设施，处理后的矿井水主要供地面锅炉等。

表1 淮南矿区新建矿区矿井水水质单位：mg/L

1.2 用水需求

煤矿井下用水主要为喷雾降尘、设备冷却、配制乳化液等，其中配制乳化液用水水质要求最高，根据《煤矿企业矿山支护标准--液压支架（柱）用乳化油、浓缩物及其高含水液压液》MT76-2011，pH值要求6～9，氯化物要求小于200mg/L。可见，淮南矿区矿井水均不能满足上述要求，尤其是氯化物，部分水样超标接近五倍；目前，未经深度处理的矿井水在实际使用中极易导致综采设备，尤其是液压阀等部件结垢、堵塞，影响井下生产的正常进行，甚至造成安全隐患。

2 处理技术

2.1 工艺选择

矿井水深度处理前，通常要进行预处理以去除其中的物理杂质，防止化学结垢[3]，满足深度处理的进水要求。

图1是淮南矿区某煤矿未经处理的矿井水和经过处理后供到井下管网的矿井水粒径分布图。可以看出，未经处理的矿井水所含颗粒物主要分布在 0.1～40 μm 之间，其中 2～38 μm 直径的颗粒含量都高于0.5%，是其主要分布区。经过处理后的矿井水供到井下管网后所含颗粒物的直径较未处理的矿井水变大，颗粒物主要分布在2.5～600 μm之间，同时管路输送过程中掺杂进来的颗粒物也普遍较大，可以达到mm级别，所以在进行井下深度处理前必须进行预处理。通过对比试验，我们最终选择 100 μm+50 μm+10 μm 的三级介质过滤工艺，保证矿井水中所含物理杂质满足深度处理进水要求。

图1 矿井水粒径分布图

化学结垢也是影响深度处理稳定运行的关键因素，在地面深度处理过程中通过阻垢剂的计量投加来延缓化学结垢的形成。阻垢剂的研究相对成熟，在矿井水井下处理过程中主要障碍为计量装置的选择，通常的电磁计量泵或电机计量泵均不能满足井下防爆及煤安认证的要求。为此，我们设计研发了依靠压缩空气的计量加药系统，并且申请了国家专利[4]，原理如图2所示。

图2加药系统原理图

稳定的压缩空气通过加药控制器调节，控制加药执行器将预定量的药剂准确的投加进工艺流程，实现自动准确的阻垢剂投加过程。加药控制器和加药执行器皆为非用电设备，满足井下防爆及煤安认证要求。

2.2 处理工艺

淮南矿区均为井工煤矿，井深在1 200 m以内[5]，超过600 m的矿井一般都设计中间水仓[6]，维持工作面供水压力在2.0～6.0MPa之间。矿井水井下处理技术工艺流程如图3所示。井下管网水通过压力调节单元后，水压降低至1.0～2.0MPa并维持稳定，通过三级介质过滤去除物理杂质，使浊度降低到3NTU以下，加药系统投加阻垢剂后进入以反渗透处理为主的离子去除单元，实现矿井水井下深度处理。出水达到MT76-2011标准要求，作为乳化液配制用水。

图3工艺流程图

2.3 工艺特点

（1）直接利用井下管网水的自然压力，通过机械调节满足设备工作要求，没有动力加压设备；

（2）采用压缩空气计量加药系统，满足煤矿防爆及煤安要求，安全高效；

（3）工艺流程简短，运行稳定可靠。

3 处理站研制与应用

3.1处理站结构

矿井水井下深度处理站采用分体设计，压力调节单元与物理杂质去除单元作为一个整体、离子去除单元与加药系统作为一个整体，减小了单体尺寸，保证运输与安装维护安全、便捷。考虑到高氯化物矿井水的影响，所有过流部件均采用316L不锈钢或复合材料，工艺部件刚性固定于设备结构体上，管道连接为柔性接口，保证井下运输、安装过程中弹性变形而不影响管道密封性能，有利于提高设备运行稳定性。