第36卷第5期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2017年5月 Vol.36 No.5 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） May 2017 收稿日期：2015-12-21 作者简介：刘玥（1980-），女，辽宁 阜新人，硕士，讲师，主要从事矿山环境方面的研究. 本文编校：焦丽 辽宁工程技术大学学报（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 刘玥,姚有利,韩雪峰,陶梅.兴阜煤矿矿井水井下处理[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2017,36(5):505-508. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2017.05.010 LIU Yue,YAO Youli,HAN Xuefeng,TAO Mei.Underground treatment of Xingfu mine water[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2017,36(5):505-508. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2017.05.010 兴阜煤矿矿井水井下处理 刘 玥1，姚有利1，韩雪峰2，陶 梅3 （1. 山西大同大学 煤炭工程学院，山西 大同 037003；2. 辽宁工程技术大学 党委组织部，辽宁 阜新 123000； 3. 辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新123000） 摘 要：针对兴阜煤矿矿井水的水质水量与井下用水要求，提出兴阜煤矿矿井水井下处理并回用的方案，对原有的井下水仓改造为沉砂槽、机械混凝沉淀池和斜板沉淀池，处理水水质可满足井下生产要求.对矿井水井下处理工程投资及运营成本进行估算，结果表明：兴阜煤矿矿井水井下处理的成本仅为0.2~0.25元/t，相比于目前的井下用水价格可节省约1.00元/t，兴阜煤矿进行矿井水井下处理及回用方案是可行的，且具有良好的经济效益. 关键词：井下水仓；矿井水；井下处理；混凝反应；斜板沉淀 中图分类号：X 752 文献标志码：A 文章编号：1008-0562(2017)05-0505-04 Underground treatment of Xingfu mine water LIU Yue1, YAO Youli1, HAN Xuefeng2, TAO Mei3 (1. College of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong 037003, China; 2. Organization Department of Party Committee, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 3. College of Mining, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China) Abstract: Aiming at the water quality of Xingfu mine water and the demand of underground water usage, this paper put forward a technology for underground treatment. Original underground mine water sump was changed into complex settling pond, and disc filter was used to filter. The investment and the operation cost of underground mine water treatment project was estimated. The result shows that the cost of underground mine water treatment is only 0.2~0.25 yuan per ton, saving about 1 yuan per ton compare with the price of industrial water. This prove that it is feasible and saving for underground mine water treatment in XingFu mine. Key words: underground sump; mine water; underground treatment; flocculation; plate sedimentation 0 引言 目前，国内外对煤炭开采过程中大量产生的矿井水往往是提升至地面进行处理[1]，再根据矿井生产需要，将部分处理水输送至井下回用于生产[2,3]，如降尘、设备冷却、空气调节、灭火安全等生产环节，其余则在地面用于绿化等生产以及生活其他用途或直接排放水体[4]. 井下水仓距离地面的高差较大，如兴阜煤矿的井下水仓位于地面以下1 400多米，将1 t水提升至地表至少需要用电2 kW·h，由于产水量大，提升矿井水至地面能耗很高.而且，很多矿井水的水质都比较好，不需经过太复杂的地面处理工艺即可达到井下用水的要求.因此，提出矿井水井下处理与利用方案，即根据生产所需水量，对一部分矿井水在井下以简单、针对性强的工艺进行高效处理后直接回用于井下生产[5]，其余的水量提升至地面矿井水处理系统进行常规处理，这样，在保证井下用水的同时，不仅降低了矿井水提升的能耗，地面矿井水处理构筑物负荷也可有效降低，对于节能降耗、矿井水资源合理利用、矿井水处理效果优化等方面都具有十分重要的意义. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

辽宁工程技术大学学报（自然科学版）                      第36卷 辽宁工程技术大学学报（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 506 1 兴阜煤矿矿井水水质特征及处理现状 1.1 兴阜煤矿矿井水来源及水质特征 受其围岩接触裂隙带充水区、背向斜构造裂隙充水区和采空区积水的影响，地表水是兴阜煤矿矿井水主要来源，根据1978-2004年间监测资料，该矿正常涌水量为4 200 m3/d，最大涌水量为 6 624 m3/d.兴阜煤矿矿井水水质见表1. 可见，兴阜煤矿矿井水的主要特点是浊度和悬浮物浓度较高，不含有毒有害的物质，可溶解性固体、铁、锰等水质指标均不超标. 表1 兴阜煤矿矿井水水质 Tab.1 Xingfu coal mine water quality 项目 pH 浊度/NTU 悬浮物/(mg·L-1) 总硬度/(mg·L-1) 溶解性固体/(mg·L-1) 铁/(mg·L-1) 原水水质 7.3 175.4 964.2 328.5 873 0.26 1.2 兴阜煤矿矿井水处理现状 兴阜煤矿大量涌出的矿井水首先进入井下水仓，再提升至地面进行处理，然后根据井下用水量需要将部分处理水输送回到井下使用，兴阜煤矿矿井水地面处理工艺流程见图1. 目前，兴阜煤矿井下用水成本约为1.3元/t[6]. 图1 兴阜煤矿水处理工艺流程 Fig.1 Xingfu coal mine water treatment processes 2 兴阜煤矿矿井水井下处理方案 2.1 井下用水水质要求 兴阜煤矿井下日均用水量约为1 000 m3，主要用于设备冷却、运输机具保养、灭火灌浆、降尘等.依据《污水再生利用工程设计规范》（GB50335-2002），兴阜煤矿井下用水的水质指标见表2. 表2 井下用水水质指标 Tab.2 underground water quality indexes 项目 pH 浊度/NTU 悬浮物/(mg·L-1) 总硬度/(mg·L-1)溶解性固体/(mg·L-1) 铁/(mg·L-1) 回用指标 6～9 5 10 450 1 000 0.3 根据兴阜煤矿矿井水水质特点及回用要求可知，矿井水处理的主要任务是浊度的降低和和悬浮物的有效去除[7]，处理对象简单，可在井下直接处理实现. 2.2 井下水仓改建方案 根据该矿井水水质特点，拟首先对全部矿井涌出水进行沉淀预处理，去除掉沙粒煤粉等大的悬浮态颗粒，再根据井下用水量需求对部分出水（1 000 m3/d）在井下进行混凝-沉淀处理，以进一步去除细小悬浮物和胶体态物质，同时还可去除部分铁、锰等离子态物质[8-10]，处理后回用于井下生产；其余水量提升至地面利用原有矿井水处理设施进行常规处理. 设计充分利用现有条件对井下水仓进行改建，同时实现蓄水、调节、矿井水井下处理等功能.兴阜煤矿现有井下水仓宽2.0 m，有效水深3.0 m，平面结构及尺寸见图2. 8 0004 300 图2 兴阜煤矿井下水仓（单位：mm） Fig.2 Xingfu coal mine underground water storage (unit: mm) 设计在水仓入口处一侧建悬空式沉砂槽，对产生的所有矿井水进行沉砂处理；将水仓B改建为机械式混凝反应池-斜板沉淀池-清水池，用于对再用所需水量约1 000 m3/d进行混凝沉淀处理；水仓A仍为蓄水池，储存除再用所需以外的水量，池内安矿井水混凝沉淀 机械过滤清水池采矿用水生活用水消毒中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第5期 刘玥，等：兴阜煤矿矿井水井下处理 辽宁工程技术大学学报（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 507装潜水提升泵，将矿井水提升至地面进行集中处理.井下水仓改建平面规划见图3. 1沉砂槽；2机械混凝反应池；3斜板沉淀池；4清水池；5蓄水池 图3 兴阜煤矿矿井水井下水仓改建方案 Fig.3 plane planning of Xingfu coal mine wells reconstruction 2.3 矿井水井下处理工艺设计 （1）沉砂槽 由于该矿井水悬浮物浓度较高，为减小后续处理构筑物负荷，并降低矿井水提升、输送过程中管道磨损，设计对所有涌出的矿井水首先进行沉砂处理，去除悬浮态颗粒物质及泥沙和煤粉. 原水仓总入口段架设沉砂槽.沉砂槽设计处理能力为兴阜煤矿的矿井水平均涌水量4 200 m3/d，特殊情况下超出的水量经超越管线直接进入蓄水池.设计沉砂池槽长9.0 m，宽0.6 m，有效水深 0.6 m，水平流速0.15 m/s，水力停留时间60 s. 沉砂槽设在水仓顶端上部，底部悬空，在槽底设砂斗及排砂管.沉砂槽及蓄水池结构见图4. 图4 沉砂槽及蓄水池结构（单位：mm） Fig.4 sand tank and reservoir structures (unit:mm ) 根据实验，沉砂槽中悬浮物去除率约40 %，沉砂量约为0.15 m3/d，出水悬浮物580 mg/L. （2）机械混凝反应池 ① 改造方案 原水仓B的入口段加装搅拌器，改造为机械混凝反应池.井下生产需水量比较稳定，约为1 000 m3/d，在沉砂槽出水阀流量控制下进入机械混凝反应池.反应池长2.4 m，宽2.0 m，反应时间20 min，安装竖直轴低速搅拌机，使混凝反应充分均匀，且防止絮凝体沉淀. ② 药剂投加 通过分别对硫酸铝、三氯化铁、聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）、氯化铝等多种混凝剂在不同浓度和投加方式对矿井水中悬浮物和浊度的去除效果进行实验研究，确定采用PAC（10 %）为混凝剂，投加量1.5mL/L；在PAC投加1 min之后再投加PAM（5 ‰）为助凝剂，投加量1.0 mL/L，絮凝效果显著，沉淀后出水悬浮物和浊度可以达到生产用水要求. ③ 加药装置 在絮凝沉淀池入口设两台加药泵，分别投加混凝剂和絮凝剂，借助于高速的水流运动使药剂与矿井水充分的混合.加药装置配井下防爆搅拌机[11].在巷道两边挖出两个硐室，放置加药装置及其他设备，硐室配套相应水电系统. （3）斜板沉淀池 机械混凝反应池出水进入水仓B 中段改建而成的斜板沉淀池，沉淀池长7.5 m，宽2.0 m，表面负荷3.05 m3/m2·h.斜板上部清水层高度 0.7 m，斜板自身竖直高度0.8 m，倾斜60°，斜板间距0.05 m，斜板下缓冲层高度1.0 m，缓冲层以下加装池底刮泥机.斜板沉淀池结构见图5. 图5 斜板沉淀池结构 Fig.5 inclined plate sedimentation tank structures 斜板采用共聚级聚丙烯，沉淀池采用刮泥机+重力排泥，在斜板沉淀池底部设沉泥槽，定期清泥.斜板沉淀池排泥量约为0.45 m3/d. （4）清水池和泥罐 水仓B 末段为清水池，长7.0 m，宽2.0 m，有效水深3.0 m，有效容积42 m3，设计储水时间为1 h.该矿井水沉泥量小，采用小型污泥罐储泥，随矿车运送到地面. 2.4 矿井水井下处理工艺的处理效果和经济性分析 通过实验模拟矿井水井下处理工艺，对矿井水处理的效果进行检验，分析结果见表3. 根据表3可以看出矿井水在经过沉砂、加药混凝、斜板沉淀池沉淀后，出水水质完全符合井下工业用水标准. 兴阜煤矿矿井水井下处理项目总投资约150万元，该工程吨水处理成本仅需0.2～0.25元，远低于井上处理的1.3～1.4元，每年井下用水费用可节省近40万元. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

辽宁工程技术大学学报（自然科学版）                      第36卷 辽宁工程技术大学学报（自然科学版)网址：http://202.199.224.158/ http://xuebao.lntu.edu.cn/ 508  表3 矿井水处理效果 Tab.3 mine water treatment efficiency 测试指标 pH 浊度/NTU 悬浮物/(mg·L-1) 总硬度/(mg·L-1) 溶解性固体/(mg·L-1) 铁/(mg·L-1) 测试参数 7.2 2.8 4.9 243.5 691 0.16 3 结论 （1）将原有井下水仓改建为沉砂槽+混凝-斜板沉淀池，工程简单，可满足兴阜煤矿矿井水井下处理构筑物要求. （2）混凝剂采用PAC，投加量1.5 mL/L，在PAC投加1 min之后投加助凝剂PAM，投加量 1.0 mL/L，出水浊度2.8 NTU，悬浮物浓度4.9 mg/L，可以达到井下用水的水质要求. （3）根据对兴阜煤矿矿井水涌水量、用水量与水质要求及井下情况的技术经济分析，矿井水井下处理每年可节省处理费用近40万元. 参考文献： [1] 郭雷,张硌,胡婵娟,等.我国矿井水管理现状分析及对策[J].煤炭学报,2014,39(S2):1-6. GUO Lei,ZHANG Luo,HU Chanjuan,et al.Status analysis and measures taken for mine water management in China[J].Journal of China COAL Society,2014,39(S2):1-6. [2] 刘立民,连传杰,卫建清,等.矿井水井下处理、利用的工艺系统[J].煤炭工程,2003(9):1-3. LIU Limin,LIAN Chuanjie,WEI Jianqing,et al.Underground mine water disposal method and water supply system[J].Coal Engineering,2003(9):1-3. [3] 周如禄,郭中权,杨建超,等.哈拉沟煤矿矿井水井下处理利用系统研究[J].煤炭工程,2014,46(11):1-3. ZHOU Rulu,GUO Zhongquan,YANG Jianchao,et al.Study on underground treatment and utilization system of mine water in Halagou Coal Mine[J].Coal Engineering,2014,46(11):1-3. [4] 李福勤,李硕,何绪文,等.煤矿矿井水处理工程存在的问题及对策[J].中国给水排水,2012,28(1):1-3. LI Fuqin,LI Shuo,HE Xuwen,et al.Problems and solutions for mine water treatment works[J].China Water&Wastewater,2012,28(1):1-3. [5] 何绪文,李福勤.煤矿矿井水处理新技术及发展趋势[J].煤炭科学技术,2010,38(11):1-7. HE Xuwen,LI Fuqin.New technology and development tendency of mine water treatment[J].Coal Science and Technology,2010,38(11):1-7. [6] 王佳平.兴阜煤矿矿井水井下处理与回用实验研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2013. [7] 毛维东,周如禄.矿井水反渗透处理系统设计要素[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32(7):916-919. MAO Weidong,ZHOU Rulu.Key design factors of reverse osmosis system for mine drainage water treatment[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2013,32(7):916-919. [8] 杨建,靳德武.井上下联合处理工艺处理矿井水过程中溶解性有机质变化特征[J].煤炭学报,2015,40(2):1-6. YANG Jian,JIN Dewu.Variation characteristics of dissolved organic matter in underground mine water with combined water treatment process at surface and underground mine[J].Journal of China Coal Society,2015,40(2):1-6. [9] 肖利萍,张志静,张运波,等.Fenton 试剂对含锰矿井废水处理实验[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(2):1-4. XIAO Liping,ZHANG Zhijing,ZHANG Yunbo,et al.Experimental study on treatment of mine water containing manganese using Fenton reagent[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science), 2011,30(2):1-4. [10] 谭金生,黄昌凤,郭中权.高悬浮物高矿化度矿井水处理工艺及工程实践[J].能源环境保护,2013,27(3):1-4. TAN Jinsheng,HUANG Changfeng,GUO Zhongquan.Treatment process and engineering practice for mine drainage water with high suapended solids and high salinity[J].Enemy Environmental Protection,2013,27(3):1-4. [11] 杨旭宏,刘进平.基于PLC的煤矿水仓水位监控系统[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(2):190-193. YANG Xuhong,LIU Jinping.Monitoring system of coal mine water storehouse based on PLC[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2011,30(2):190-193. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net