煤矿井下采空区涌水井下处理复用技术实践

马 骋,宋 焘,张孝斌,宋奇波

(1.陕西陕煤黄陵矿业有限公司,陕西 延安 727307;2.应急管理部煤矿智能化开采技术创新中心,陕西 延安 727307)

0 引言

我国煤炭资源近 80%分布在西北和华北地区,由于煤炭开采及其产业链迅速发展,导致水资源匮乏。将矿井水进行处理利用是解决矿区缺水问题的主要途径之一[1]。早期矿井水资源在井下处理复用大多采用清浊分流、井下水仓预沉等措施,但未对矿井涌水进行深度处理,且处理后的水大部分用于井下洒水灭尘等[2-3],不能有效进行水资源循环利用,矿井涌水排至地面,在地面水处理系统进行处理后再返回井下,需要专门铺设管路,费用成本极高。神东矿区结合矿井污水和采空区及其充填物的特点,已经开发了矿井污水采空区过滤净化技术[4-6],但采空区涌水仍含有大量矿化物,同时各矿区井下地质条件不同,因此不能大面积进行推广应用[7-10]。

目前,地面水处理技术已较为成熟,将地面水成熟的处理技术应用至煤矿井下采空区涌水处理过程中,建立煤矿井下采空区涌水处理复用系统,研究开发模块化、工艺流程更加简洁的矿井水井下处理系统,使部分矿井采空区涌水在井下就地实现循环利用,在技术上是可行的。同时,处理后的水可以直接在井下接入矿井主供水系统,可节省大量的矿井供排水费用,对开采年限久、供水系统距离较长的矿井来说,其经济效益更为显著。

1 井下涌水情况

黄陵一号煤矿目前矿井井下的正常涌水量为360 m3/h,其中来自采空区涌出清水245 m3/h,生产污水120 m3/h。本系统建立后主要处理的矿井涌水为北一盘区、三盘区采空区自流水。矿井采空区涌水主要是地下水,水质情况复杂,无法直接用于生产。根据采空区水量统计情况,北一区域涌水量为125 m3/h,因此整体水处理系统设计处理能力为3 000 m3/d。设计进水水质以实际检测结果确定,具体指标见表1。

表1 进水水质检测结果

根据检测结果反映,进水水质特点为硬度高,氯离子含量、硫酸根离子含量高,含盐量高,无法直接作为生活饮用水,也无法直接采用反渗透技术[8-10]。由于大量硫酸根和钙、镁离子的存在,使反渗透装置(RO)浓水测的CaSO4浓度积远远超出关于反渗透系统设计导则中 CaSO4≤230%的规定,极易生成 CaSO4结垢。

2 处理工艺流程

处理工艺流程如图1所示。矿井涌水经管道收集后进入污水处理站调节池,在调节池内均匀水质水量后进入混凝分离系统,在混凝分离系统前端加药调节废水pH值,再经混凝分离池进行固液分离,通过膜的过滤作用将污水中的各类污染物去除,出水后进入中间水池,出水通过中转泵泵入保安过滤器,再经高压泵泵入RO系统,RO系统产水进入成品水池,回用于主供水系统,成品水进入主供水管网,RO系统浓水进入浓水池再排入井下主水仓后排至地面污水处理站进行二次处理。该工艺出水回用率可达60%及以上,主要出水指标可达:SS≤10 mg/L、氯化物≤250 mg/L、TDS≤1 000 mg/L、硫酸盐≤250 mg/L、总硬度(CaCO3计)≤450 mg/L等。

图1 工艺流程

3 系统设计分析

3.1 整体结构

系统主要由调节池、配水池、混凝分离系统、RO膜反渗透系统、成品水池、浓水池以及控制系统组成,整体结构如图2所示。

图2 系统整体结构

3.2 井下组合池

组合池主要为半地埋水池,设配电点一处,总长344.53 m,宽度4.9 m,深度2.70～4.10 m。包括调节池、反应池、配水池、混凝分离池、中间水池、成品水池、浓水池。

组合池结构主体为一层,水池上部凸出地面最大高度约2.50 m,池体最大深度4.1 m,箱体结构,主要为污水处理构筑物。结合工艺建(构)筑物布置。地下水池底板板厚平均为300 mm,部分巷道变形点做加厚调整。水池壁板壁厚平均为200 mm,根据不同受力情况做加厚调整。组合池顶梁截面为250 mm×500 mm;一层池顶板厚150 mm,采用主次梁现浇梁板结构。为避免池内采用20厚1∶2防水砂浆粉刷,垫层材料采用C20混凝土(厚100 mm)。盛有腐蚀性溶液的水池内部采用玻璃钢环氧树脂防腐措施。

3.3 混凝分离系统

混凝分离系统由反应池、配水池、混凝分离池组成。原水经过收集,通过泵和管路排入调节池,调节池的曝气系统对水质进行曝气处理后,由提升泵排入混凝分离系统,通过加药调节水中的pH值,再经混凝分离器进行固液分离,将水中各类污染物、杂质进行初步过滤。混凝分离池中采用了特种集成膜分离技术,该技术是在不添加铁盐、铝盐、PAM等混凝剂的情况下,先利用微滤膜对污水中的悬浮物、微颗粒进行物理分离,后出水进一步通过反渗透系统,去除分离水中盐分离子,实现高品质出水[11-12]。由于原水经过调节池后水质水量较为均匀,水质成分较简单,有机物浓度较低,多为悬浮物质、盐分,可采用物理分离作用实现有效治理。特种集成膜分离工作原理如图3所示。

图3 特种集成膜工作原理示意

3.4 RO反渗透系统

3.4.1 保安过滤器

为保证混凝分离系统产水可以满足反渗透进水要求,同时防止超滤出水至反渗透进水段管路水质受到污染。因此,在RO反渗透系统前设置保安过滤器,过滤精度 5 μm,滤芯采用熔喷式聚丙烯材质。

3.4.2 RO膜反渗透系统

系统设计6套反渗透装置,包含90支杜邦8040抗污染型聚酰胺复合膜。膜面积37.16 m2,膜组件一级二段式,一段与二段按2∶1排列,设计回收率70%,处理能力3 000 m3/d;回收率60%;产水量为1 800 m3/d;产生浓水量为1 200 m3/d。

3.4.3 清洗装置

反渗透系统设2套清洗装置,可实现系统在线清洗与离线清洗,在线清洗时采用0.5%～1%亚硫酸氢钠溶液为介质。离线清洗时采用0.1%～0.2%氢氧化钠溶液、0.5%～0.8%盐酸溶液、1%～2%亚硫酸氢钠溶液为介质,充分保证系统清洁,同时有效提升RO膜使用寿命。

3.5 恒压供水系统

系统配备2台流量110 m3/h立式多级离心泵以及2台流量25 m3/h卧式离心泵接入矿井供水系统。同时,配备了变频系统,实现了恒定压力接入矿井主供水管网。

3.6 集中控制系统

系统配置选用西门子S7-1500为主要控制系统,操作系统具备远程、就地、调试3种控制模式,操作人员可采用不同的方式控制设备启停。同时配置了KXJ5-1140/660型隔爆兼本安型控制箱、隔爆型工艺仪表、本安型触摸屏级外围传感器、高清摄像仪等智能监控设备,并通过矿井主环网将井下控制系统监控数据上传至地面控制中心上位机,实现了地面控制中心远程实施监控。控制系统界面如图4所示。

图4 控制系统界面

4 系统运行结果及效益分析

4.1 系统运行结果

2022年9月黄陵一号煤矿矿井水复用水站所有设备均已完成安装并正常投入使用。截至目前,所有设备均正常稳定运行,出水水质稳定达标。同时委托第三方检测公司对成品水水质进行了检测,检测结果显示所有指标均符合饮用水要求。

4.2 经济效益分析

系统正常运转后,运行期间,调节池进水量约为2 000 m3/d,成品水产水量约为1 150 m3/d,浓水产水量约为850 m3/d,并对电费、药剂费和人工费进行按实核算,膜和滤芯更换费用、维修保养费和折旧费按使用期限核算,处理成本约为1.55元/t,处理费用为5 100元/d,外购自来水需要4.9元/m3,每年产生的经济效益为(4.9-1.55)×1 150×365/10 000=140.6万元。

5 结论

(1)采用混凝分离系统无需设置砂滤、碳滤,不产生反冲废水、滤层流失,维护管理简单;不加混凝剂,污泥排放量少,采用机械排泥,便于操作;该系统不加入絮凝剂,减少了对RO膜的堵塞问题,延长了膜使用寿命。

(2)通过将水处理复用系统建设在煤矿井下,可以大大减少井下水排至地面后处理的管路建设等费用,同时将处理后的清水作为井下供水系统的补充水源,可以减少矿井自来水消耗,有效节约水资源的同时缓解矿井用水压力。

(3)该工艺组合具有流程简单、出水水质稳定、能耗低、占地面积小、建设周期短、自动化程度高等优点,适合煤矿井下建设。