深井煤矿涌水直接净化与复用技术的研究

Posted 2023-01-12 设备

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国内煤矿年排矿井水很大，但利用率不到20%，造成水资源浪费。三河尖煤矿根据自身的特点，研发了井下一体化自动净化与复用水系统，其中2200t/d净化水在井下直接复用防尘，剩余约1000t清洁水上排到地面利用。
[中图分类号]TD74[文献标识码]B[文章编号]1672-9943(2009)04-0110-03
1.问题的提出
三河尖矿在采掘过程中，要将矿井3500t/d涌水排到地面，从地面供给井下2250t/d的防尘水与700t/d的洗煤用水，不仅污染环境，同时消耗能源和水资源。随着矿井技改后产量的增加，矿井涌水也将随之增加，预计每年矿井涌水将有160万t/a排向地面，用电量也要进一步增大，这与建设环境友好型企业要求是不相适应的。
该矿自2007年6月开始把矿井涌水直接净化与复用项目作为重点进行攻关，并于2007年12月底在井下完成施工、调试等工作，目前设备运行正常。实现了矿井涌水的就地综合利用，改变了原来以地面向井下供水为主的状况，既保护生态环境，又节约能源和水资源。
2矿井及其涌水概况
2.1矿井概况
三河尖煤矿于1988年8月建成投产，2006年矿井核定生产能力1.7Mt/a，2008年技改工程完成后，年生产能力为2.2Mt/a。矿井采用单水平开拓方式，主水平标高-700，目前生产水平主要分布在-700、-980。井田内有三河尖区、刘庄区和吴庄区三个勘探区，目前正在开采三河尖区、刘庄区。
该矿在-700水平井底车场附近，原有两个水仓，其中内水仓长度为150m，外仓现改称中仓长度为212m，两个水仓有效容积约为2290m3；2002年发生突水事故后，在原有外水仓外侧又增补了一水仓(现称之为外仓)长391m，有效容积为1890m3，水仓的总容量4180m3。
2.2矿井涌水及其预计
三河尖区、刘庄区的涌水量分别为：三河尖区为126m3/h；刘庄区预计为98m3/h，目前实际仅为20m3/h。目前矿井总涌水量仅为146m3/h。按目前矿井涌水的实际，参照集团公司对矿井涌水量预计的批复，预测矿井今后10a内(吴庄区不开采)正常涌水量应在180m3/h以内。
2.3矿井排水及供水
2.3.1排水状况
2007年由-700中央泵房排出的矿井水全年为125万t。由矿井通风系统排出的水量为：按矿井总风量为10100m3/min，进风空气湿度按87.56%计(年平均)，出风空气湿度按96.84%计(年平均)，每分钟带出含水蒸气量为124.66kg(平均)，每年带出含水蒸气量则为6.55万t；由生产出的煤炭带出的水分：开采前煤炭所含水分约为2%，开采出来的煤炭所含水分约为7%，按净增水分5%，日产6259t，年生产天数按350d计，则随煤炭排出的水量为10.95万t，则总排出水量为142.5万t。-700水平井下中央泵房内置PJ200×9型水泵6台，正常涌水时，一台工作，四台备用，一台检修。
2.3.2井下供水情况
矿井每年用于井下防尘用水约78.75万t，防尘水水源是从地面取之于第四系的地下水，通过管道输送到井下各用水点，再汇集到井下水仓由中央泵房排至地面。
2.3.3矿井实际涌水情况
根据计算，每年矿井涌水中真正来之于围岩产生的水为63.75万t。因此矿井水处理后，如果不再从地面向井下输送防尘水，循环利用矿井涌水，是能够满足井下生产用水要求的。
2.3.4矿井水水质
经对目前矿井实际涌水水质的检测，该矿井涌水水质，硬度大、矿化度高，具体参数如表1所示。

3一体化净水系统的研制
3.1净化水设备的研制
一体化净水系统由一体化净水设备与相关水仓等组成，由于矿井水量相对较小，适宜选用一体化净化水设备，这样施工时间短，管理方便。但由于三河尖煤矿副井提升罐笼容许设备的外型尺寸为4×1.4×2.5(m3)，而要将净水器各种尺寸限制在4×1.4×2.5(m3)之内，其处理能力一般只能达到20m3/h，无法保证矿井水的处理量。因此必须进行现场研制，采用井下焊接和安装外形尺寸为8×2.25×4(m)3三台净化水设备，顺巷道布置，占巷道长30m，用以保证净化水能力达到4500t/d。净化水设备布置如图1所示。

3.2净化水系统的设计
根据井下水仓的空间情况和安装一体化净水系统的需要，利用外水仓作为矿井水调节水仓(初次沉淀池)，处理系统从外水仓提水；拓宽加高已有巷道，在井下巷道内加工净化水设备，被净化水设备处理后，清水排入中水仓，中水仓作为净化水的调节仓，内水仓作为清水仓，临时水仓作为污泥池。
利用井下水仓就地处理污水，避免将污水送到地面时造成二次污染。另外，将外水仓兼作初次沉淀池处理，处理后的水直接用于井下，免去将污水提升到地面处理后再送人井下利用的动力、管材等浪费。同时可免去地面重修沉淀池。三河尖矿净化水系统示意图如图2所示。

净化水系统的主要组成包括下列的设备和构筑物：
预沉调节池：利用外水仓；
清水池：利用原有的中水仓及内水仓；
污泥池：原有的沉淀池。
净化水设备及相关参数：
提升泵型号：2台(1用1备)WQ2260-438，Q=200m3/h，H=16m，N=15kW。
净水器：由集混凝、沉淀、过滤、消毒于一体的3台外型尺寸8×2.25×4(m)3设备与1根φ200mm进水总管，进水流速1.77m/s；2根φ300mm出水钢管管内流速为0.6m/s(按2/3出水断面计)组成；单台净水器进水管φ125mm，进水流速1.51m/s；单台出水口DN150mm，流速1.575m/(s按2/3出水断面计)。
压滤机：1台功率为6.3kW，日均运行2h。加药装置型号：共设3套加药装置，分别用以投加药剂。其中1套JY-Ⅰ，配1个φ1.0m搅拌桶；2套JY-Ⅱ，各配1个φ1.0m搅拌桶。
3.3工艺原理及流程[1，2]
700外水仓的矿井涌水经提升泵抽吸入主水管，矿井涌水进入水管即加聚合氯化铝(含部分非矿净水剂)进入管道混合器，矿井涌水在主水管道中迅速与聚合氯化铝混凝，主供水管与3台净水设备的3根供水支管相通，矿井涌水进入3台全自动一体化净水器，进入净水器的矿井涌水自下向上流动，混凝效果逐渐加强，矾花由小聚大，进入斜管沉淀区后，在斜管作用下，聚大的矾花下滑沉入沉淀区，在斜管区完成泥水分离，分离后的清水向上进入水箱，水箱内清水向下由配水管送入6个双介质过滤池。经过滤的水进入输水管道经ClO2杀菌后输入清水池。
矿井水处理过程中的反应、沉淀、过滤、反冲洗、排水、排泥等步骤均在一体化净水设备中进行，具有效率高，处理效果好的特点。净水器具有自动进水、自动反冲洗、自动定时排泥多种自动功能，也可切换为手动操作，以确保本设备的正常运行。主要处理流程如图3所示。

4复用系统
复用系统则利用清水泵将处理后的净化水打到-415～-420水平两个清水仓，高差约280m，复用系统的清水泵至-415～-420水平清水仓重新敷设一趟φ2900mm管路，选用2台DGⅡ280-43×9的供水泵，1用1备，日均运行20h。从-415～-420水平清水仓到井下各用水地点仍利用目前已有完整的井下防尘供水管网自流形式供给，同时为了解决该系统无人值守问题，专门研制了长距离水位传感器控制水泵开停系统。
5矿井涌水净化效果分析
5.1水质分析
矿井涌水经一体化全自动净水设备的净化，每天按处理水量3500t/d计，消耗聚氯化铝75～85kg，高分子非金属净水剂2～3kg。经非金属净水剂吸附、混凝、沉淀、过滤，较多指标均有明显下降，尤其是浊度由104mg/L降至0.52mg/L，与<3mg/L技术要求相比，要好得多。水质达到了《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383-2006)的要求。矿井涌水在净化前后的水质指标如表2所示。

5.2效益分析
通过井下一体化净化与复用系统的研制，不仅解决了在地面净化矿井水时的二次污染问题，还取得了一定的经济与社会效益。与地面建矿井水处理站相比，投资减少106万元；净化后的矿井水，在井上下利用3000t/d，每年可减少地下水资源消耗、能源消耗等280万元/a；在社会效益方面，较好地保护了矿区的自然环境。