煤矿工作面生产污水井下分流与前置快速处置一体化水处理系统研发与工程应用

戚 俊

（淄博市淄川区水资源服务中心 淄博 255100）

我国煤炭井下开采吨煤涌水量均值约为 2.1m3，即每生产一吨原煤平均产生2.1m3矿井污水。某煤矿日均污水量约15000m3，主要污染物为煤粉、煤泥、乳化液等，这些污水在汇集至中央水仓的过程中，造成了排水沟的淤堵，中央水仓的煤泥淤积的情况也日益突出，频繁的清淤工作给煤矿的生产管理造成了困扰，消耗大量的人力、物力、财力。

1 存在的问题

（1）某煤矿因水量较大，传统的PAC（聚铝，化学絮凝剂）和PAM（聚丙，化学助凝剂）的混凝沉淀法需要开挖较大硐室甚至硐室群，建立污水处理厂（站），以满足混凝沉淀的基本需求，投资巨大，空间需求苛刻不易满足。而且混凝后的淤泥粘性较大，形成小分子结构后，不容易破壁，给后续的压滤脱水工作造成困难。

（2）某煤矿井下主要污水从东、西两翼在中央水仓汇集，东翼总水量约为100m³/h，西翼总水量约200m³/h。东翼水体由约70m³/h 钻孔带压清水和约30m³/h 的生产污水构成；西翼水体由约150m³/h钻孔带压清水和约50m³/h 的生产污水构成。中央水仓污水的来源主要是东西两翼在采工作面的生产污水，占比约25%～30%。在东翼，生产污水在采区水仓、大巷水沟、大巷沉淀和中央水仓池逐级沉淀，形成沉积污泥；在西翼，生产污水在采区水仓、大巷水沟、中央水仓逐级沉淀，形成沉积污泥。生产污水给整个水路沿线都造成了不同程度的煤泥淤积，增加了繁重、持续的清淤工作。

2 井下污水处理研究的现状

煤矿井下污水处理的案例较少，目前主要研究集中在两个方面：一是工作面水量较大的固液分离处理，采用振动筛份和粗过滤的办法，降低煤体的含水量，方便运输，同时减少工作面转运端部粗粒煤泥的淤堵问题，粗过滤后的污水通过水沟流向水仓；二是在中央水仓水体入口处进行前置处理（如超磁水处理系统），可以大幅减少进入水仓的污泥量，大幅降低清淤任务量，但这样相当于把地表污水处理厂建于井下，甚至还要重新开凿专门的硐室，运行和管理成本均高于井上，经济性不高，推广价值有限。

针对井下污水构成的特点，进行生产污水的分流、前置处理的案例鲜有报道：一是对井下水情、污水来源与水路分布研究不够；二是适用井下的小型、可移动的一体化设备关键技术没有突破，使得因设备尺寸过大，或者工艺太复杂而不具备实施可能。

本文提出直接在井下进行生产污水的分流和前置处理，做到煤泥不进水仓、水沟，解放清淤工作。

3 一体化水处理系统的技术概况

某煤矿矿井水的污染源主要来自在采工作面，而采空区的涌水、顶板溃水、巷道淋水均不需要处理，因此只要对在采工作面的污水进行原位处理即可。

JC 一体化水处理系统无需土建工程、沉降速度快、淤泥脱水性好、无二次污染、自动化程度高，可实现小型模块化的井下巷道内的原位处理，不仅安装方便，还具有移动性。这种处理模式的优点是：一是将整个煤矿污水的处理量降至50%以内；二是排水沟（或巷道）内只流清水，避免了淤积堵塞和持续清理；三是中央水仓存储清水，将不受沉淀泥煤的困扰；四是避免了污水抽至地表的过程中对水泵的损害；五是处置方式的改变可系统性降低运行成本，对某煤矿而言，年节约成本以百万元计。

3.1 关键技术

井下煤泥污水的处理，最关键的技术是快速实现固液的相态分离以及基于相态分离的机械分离，和整套设备的小型化，占地不超过6m2，且模块化、可移动。

相态分离指的是水体的液相和煤泥颗粒的固相分离，已经实现了复合涡流条件下的高效微絮凝，可实现在20～30s 内的相态分离；基于相态分离的机械分离是指借助装备手段实现固液的分流，即清水入仓或水沟，固态煤泥快速截留、分离，已经实现了不设沉淀池、直接进行相态分离后的快速固液分流，进而可对絮凝条件进行放宽，微絮凝即可，大大降低了絮凝药剂的使用量。

突破的三项关键技术：一是复合涡流的小体积化；二是基于动态膜原理的轻质过滤介质的选择和结构设计，保障介质和絮凝体的自动分离，且本质型不堵塞；三是截留悬浮物（絮凝体）的浓缩和稳定性。

3.2 设计说明

3.2.1 设计水量

依据JC 成熟的一体化设备为基础，进行模块化设计和组装、同时增加防爆装置；同时根据工作面原位处理的工作条件和井下运送的客观限制，设计处理能力和设备尺寸。单套处理能力设计为2000m3/d，污水处理系统为24h 待机运行。

即：QT=2000m3/d，设计小时处理量 Q =100m3/h（预留一定余量）。

3.2.2 进水水质（表1）

表1 进水综合水质参照表

3.2.3 出水水质（表2）

表2 出水综合水质参照表

3.3 污水处理工艺

JC 一体化水处理系统，采用物理方法，是绿色生态的新型方法，也是未来水处理的发展方向。JC水处理系统无需土建工程、沉降速度快、淤泥脱水性好，自动化程度高，投资和运行成本优势明显，见表3。

表3 参数对表

3.4 工艺流程图（图1）

图1 JC 一体化水处理工艺流程图

3.5 一体化污水处理系统尺寸

搅拌模块尺寸：长2.5m×宽1.4m×高1.5m。

沉淀模块尺寸：长2.5m×宽1.4m×高1.5m。

4 投资预算

JC 一体化水处理系统（日处理2000 m3）：

模块化设计：30 万元；防爆系统：10 万元；设备费：90 万元；总计：130 万元。

每增加一套，费用增加100 万，即8000m3/日，总投资约430 万。

5 运行成本预算

5.1 能耗费用

各用电单元电耗：搅拌机3 台、投药剂1 台，总功率2.95kW，电费为1 元每度，则：

吨水电费＝2.95×1/100 ＝0.024 元。

5.2 药剂费用

根据污水水质情况，JC 絮凝剂投入量正常水质（工作面水浓度较大）按50ppm（工作面污水浓度较大，中央水仓处污水约20ppm 投药量）计，则吨水药费约为0.35 元/t。

5.3 人工费用

由于处理系统自动化程度高，所以只需工作人员照看和加药即可，按3 班，每班1 人，工资3500元每月，则：

吨水人工费＝3500×3×1/30/2000 ＝0.18 元。

5.4 设备维修费用

由于工艺简单，设备较少，而且设备都选用质量可靠、信誉好的产品，所以维修费用较低。设每年设备维修费为10000 元，则：

吨水设备维修费＝10000/365/2000 ＝0.02 元。

5.5 总费用

每吨水处理的总费用＝吨水电费＋吨水药费＋吨水人工费＋吨水设备维修费＝0.57 元。

6 结语

JC 一体化水处理系统成功运行后，采区中央水仓、水路沿途、水沟、东翼大巷沉淀池等的清理任务可基本省去或大幅减轻；地表污水处理厂的负荷大幅降低，药剂使用量降低60%以上；抽水泵的使用寿命显著延长；钻孔水不带压力的工作面，生产用水可实现循环利用，极大地降低污水处理成本，避免地表煤泥对环境的污染，保障煤矿的安全和绿色生产，在集团内部甚至全国范围内都有推广价值，可取得良好的经济效益和社会环境效益■