柠条塔煤矿南翼井下矿井水处理站方案设计

何 刚，李改翠

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

柠条塔煤矿位于陕西省神木市西北部，距神木市约36 km，行政区划隶属神木市孙家岔镇、麻家塔乡。井田面积119.8 km2，生产能力 18.00 Mt/a，服务年限为97.93 a。目前矿井已投产10 a，随着开采范围的扩大，井下涌水量也随之增大。近年来环保政策收紧，为了实现水资源的循环复用，节省地面用地，减少排水能耗，达到绿色矿山和安全环保的要求，实现柠条塔煤矿可持续性发展战略，因此，柠条塔煤矿南翼井下矿井水处理亟需研究解决。

1 矿井概况

柠条塔矿井占地面积约119.8 km2，生产能力18.00 Mt/a，主要可采煤层为9层，矿井采用斜井多水平开拓，一水平划分 2个盘区(北一盘区和南一盘区)，开采 1-2上、1-2、2-2上、2-2、 3-1号煤层，二水平划分 2个盘区(北二盘区和南二盘区)，开采4-2、4-3、5-2上、5-2号煤层，矿井为低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险性，煤层为自燃煤层，水文地质条件中等，井田内无大断层、陷落柱，开采技术条件简单。

目前投入使用的井筒共6个，为主斜井、1号副斜井、2号副斜井、北翼回风斜井、南翼回风斜井、南翼进风斜井。

采煤方法采用综合机械化采煤，一次采全高垮落式管理顶板方法，现开采北一盘区2-2号煤和南一盘区2-2号煤。

2 井下矿井水处理站建设方案

2.1 井下矿井水处理站位置选择

2.1.1 选择原则

矿井水处理站位置选择原则：①尽量靠近南翼风井井底及大巷方便运输系统、通风系统连接，减少联络巷，节省井巷投资；②井下水处理站应布置在稳定煤(岩)层中，保证工程安全；③巷道系统尽量布置在永久煤柱内，减少煤柱留设；④靠近井下采空区积水区，减少管线长度和排水能耗；⑤尽量利用井下已有巷道系统和设施。

2.1.2 位置选择方案

根据井下水处理工艺的特点，结合井下采掘工程现状，鉴于南翼井下矿井水处理站主要服务范围为井田南翼区域，因此，井下水处理站大致方位布置在南翼风井井底附近的2-2号煤层中。设计提出3处位置进行方案比选。

方案一：东部位置方案。位于南翼风井井底东部100 m附近，紧邻南翼2-2号煤大巷，主运输、辅助运输及回风系统连接方便。

方案二：西部位置方案。位于南翼风井井底西部100 m附近，紧邻南翼2-2号煤大巷和S1207工作面巷道，主运输、辅助运输及回风系统连接方便，能够充分利用现有巷道。

方案三：北部位置方案。位于南翼风井井底北部400 m附近，紧邻S1207工作面巷道，能够充分利用现有巷道，主运输、辅助运输连接方便；但距离南翼2-2号煤大巷较远，回风系统连接较远。

经比选，方案一(东部方案)位置开阔，无其他巷道干扰，但是方案一需要施工2个立交，影响矿井正常生产，施工较麻烦，工期较长；方案三(北部方案)虽然可以能够充分利用现有的S1207工作面巷道，主辅运输巷道不需要再做立交工程，不影响矿井正常生产，但是方案三所处的位置受S1209工作面巷道干扰，布置空间比较受限，且远离大巷和井底，回风和排水距离长；方案二(西部方案)位置开阔，主辅运输可利用现有的S1207工作面巷道，回风可直接与2-2号煤南翼回风大巷连接，不影响矿井正常生产。因此，井下矿井水处理站位置推荐方案二。

2.2 井下矿井水处理站巷道系统布置

井下水处理站巷道及硐室均布置在2-2号煤中，分别由一号、二号水处理设备间、设备检修通道、污水仓(利用现有)、净水仓、净水排水泵房、配电室、堆渣硐室、无轨胶轮车排渣巷、井下水处理站检修巷、井下水处理回风巷等组成[1-2]。井下水处理站巷道系统布置如图1所示。

图1 井下水处理站巷道系统布置Fig.1 Roadway system layout of underground water treatment station

3 井下矿井水处理站规模及进、出水水质

3.1 设计规模

矿井南翼井下排水量正常涌水时1 100 m3/h，最大涌水时1 500 m3/h。根据井下涌水量确定井下矿井水处理站的处理规模为1 500 m3/h，采用2套并列运行的处理系统，单套处理能力750 m3/h。

3.2 进水水质

根据水质检测报告数据，浊度及总大肠菌群超标，其余水质监测项目均未超标。考虑到井下进水水质存在波动情况，悬浮物最大浓度按照2 000 mg/L的最不利情况考虑，因此主要去除对象为悬浮物和总大肠菌群。

3.3 出水水质

出水一部分复用于井下消防、洒水，多余部分达标排放。1 500 m3/h原水经处理后，出水水质应满足《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426—2006)及《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383—2016)，其中1 000 m3/h复用于井下消防、洒水，剩余500 m3/h结合陕西省生态环境厅关于煤炭开采矿井水外排管理有关问题的函(陕环法规函〔2020〕32号)，达到《陕西省黄河流域污水综合排放标准》DB61/224—2018和《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水质标准外排[3-6]。

4 井下矿井水处理工艺

4.1 沉淀工艺的选择

目前矿井水沉淀工艺主要有：①高效煤泥水净化器。设备高度一般都在9 m以上，由于巷道高度和宽度限制，基本难以在井下布置；②高密度迷宫絮凝反应沉淀池。结构复杂，占地面积大，布置在井下施工难度太大；③水力循环澄清池。占地面积大，投资太高；④重介速。是在混凝段添加150～180目的二氧化硅，增加其悬浮物比重来缩短水力停留时间，但因其空间体量、占地、处理能力等因素原因，基本没有井下应用的可能性，目前也没有井下成功应用案例；⑤磁分离。投加高比重磁种作为矿井水中悬浮物的絮凝内核，通过磁盘机强磁场瞬间吸附打捞实现水体中的固液分离，分离后的磁种和悬浮物自流到磁分离磁鼓机的分散箱中，通过高速分散机打散后流经磁分离磁鼓，在磁分离磁鼓中磁种被筛选出来，实现回收再利用。目前工程案例90个，在线运行处理能力可达200万m3/h[7]。因此，推荐采用磁分离工艺作为井下矿井水的沉淀工艺。

4.2 过滤工艺的选择

目前过滤工艺主要有：①滤布滤池。即通过覆盖于滤盘上面的滤布，固体悬浮物被截留在滤布外侧，过滤液通过中空管收集，通过溢流槽自流排出滤池。滤布滤池过滤水头小，连续运行能耗低，占地面积小，运行和维护简单，但对进水水质要求较高，抗冲击负荷能力低。②多介质过滤器。是利用一种或几种过滤介质，在一定的压力下把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒材料，从而有效地去除悬浮杂质使水澄清的过程，能在各种运行条件下保证出水水质，但受下井条件的限制，只能用于较小处理规模的处理站。③陶瓷超滤膜。采用无机陶瓷膜，几乎可以截留所有的大分子物质和杂质，可以截留水中的微粒、胶体、细菌、大分子的有机物和部分的病毒，具有性能稳定、抗污染能力强、占地面积小、出水水质好等优点，但设备费用较高，附属设施较多，后期运行维护费用较高。④Ⅴ型滤池。采用均质滤料，滤层含污量大，滤后水质好，过滤周期长；等水头等速过滤，当一格反冲洗时，进入该池的待滤水大部分进行表面扫洗，其他未冲洗格滤池不至于增加过多水量，也就不会产生冲击作用；反冲洗引起滤层微膨胀，发生位移、碰撞，滤料反复摩擦，污泥及时排出；配水布气均匀，冲洗到滤层各处，不产生泥球，不板结滤层。近年来，Ⅴ型滤池在我国应用广泛[8]，适用于大、中型水厂，并越来越多的应用于污水处理中[9-13]。过滤工艺的比选见表1。

表1 过滤工艺比选

通过表1比选，综合处理规模，下井运输，进、出水水质要求及后期的运行费用等方面，设计推荐采用Ⅴ型滤池作为过滤工艺。

4.3 工艺流程

综上所述，最终确定的处理工艺流程为：预混凝沉淀+混凝+磁分离+Ⅴ型滤池+消毒，工艺流程如图2所示。

图2 井下矿井水处理工艺流程Fig.2 Process flow of underground mine water treatment

5 结语

柠条塔矿井南翼井下矿井水处理站设计，将处理站布置在井下，采用先进的磁分离沉淀工艺和可靠的V型滤池过滤工艺，实现了矿井水井下就近达标处理，井下循环复用先进理念，有效节省了占地面积，减少了排水能耗，达到了绿色矿山和安全环保的要求，对柠条塔矿井今后的可持续发展具有重要意义，也为其他类似矿井的井下矿井水处理工程提供了一定的经验和借鉴。