邢海龍（神華神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦，陜西 榆林 719315）

高鐵錳礦井水井下處理系統(tǒng)在神東礦區(qū)的實(shí)踐應(yīng)用

邢海龍
（神華神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦，陜西 榆林 719315）

摘 要：在煤炭開采過(guò)程中，隨著各種人為、地質(zhì)因素的綜合作用，地下水庫(kù)中的積水富含了大量的Fe2+和Mn2+離子。若長(zhǎng)期直接使用該類水，極易損害設(shè)備液壓、冷卻系統(tǒng)等生產(chǎn)設(shè)備，因此在礦井水復(fù)用前必須對(duì)其進(jìn)行處理。神東礦區(qū)創(chuàng)造性地利用采空區(qū)當(dāng)作分布式地下水庫(kù)實(shí)現(xiàn)礦井水的儲(chǔ)存、凈化，并將凈化后的水直接復(fù)用于煤礦的生產(chǎn)活動(dòng)，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。特別是神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦率先在井下建設(shè)礦井水循環(huán)處理系統(tǒng)，去除礦井積水中富含的Fe2+和Mn2+離子，更好地實(shí)現(xiàn)了礦井水的復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的統(tǒng)一。本文主要介紹了哈拉溝煤礦井下水處理系統(tǒng)的建設(shè)背景、原理、特點(diǎn)、工藝流程等，旨在為相關(guān)煤炭企業(yè)礦水處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：礦井水處理；除Fe2+和Mn2+離子技術(shù)；礦井綜合自動(dòng)化

水資源在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中占有特殊的地位。一方面在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗大量的潔凈水；而另一方面隨著礦井的不斷開拓，大量的礦井水集聚，又會(huì)嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)，若直接排放大量的礦井涌水，不僅污染地面環(huán)境，而且對(duì)水資源造成了巨大浪費(fèi)。因此，如何科學(xué)地利用礦水是煤炭企業(yè)面臨的重要課題。為了節(jié)約用水、提高水資源利用率，保護(hù)環(huán)境，變害為寶，越來(lái)越多的煤炭企業(yè)選擇將礦井水進(jìn)行綜合利用來(lái)達(dá)到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的統(tǒng)一。一般的做法是：將礦井水提升至地面，經(jīng)地面水處理廠處理后再打入井下使用。其缺點(diǎn)在于，不僅需要在地面修建水處理廠，占用土地資源，還需要鋪設(shè)大量的管路構(gòu)成設(shè)備浪費(fèi)，而且礦井水由井下提升至地面，再由地面送至井下，也造成了動(dòng)力的浪費(fèi)。不同于一般的做法，神東礦區(qū)在水處理方面實(shí)現(xiàn)了突破。它率先采用將礦井排水排至采空區(qū)，利用采空區(qū)矸石進(jìn)行污水的凈化，然后將凈化后得水直接復(fù)用于礦井的生產(chǎn)。同時(shí)，解決了礦水使用安全性的問(wèn)題。由于地層中富含F(xiàn)e、Mn離子或采空區(qū)中遺留的各種鐵器在水中緩慢反應(yīng)，且同時(shí)缺氧，使得礦井水在采空區(qū)過(guò)濾得過(guò)程中逐漸富含了大量Fe2+和Mn2+離子。此種水質(zhì)的礦井水一旦接觸到空氣中的氧氣，會(huì)迅速形成難溶于水Fe3+沉淀物；而錳離子相對(duì)氧化時(shí)間較為緩慢，最終形成難溶于水MnO2沉淀物。如果直接使用此類礦井水應(yīng)用于生產(chǎn)，則會(huì)污染管路，堵塞設(shè)備的冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，嚴(yán)重危害井下工作面設(shè)備運(yùn)行安全，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，所以采空區(qū)原水在使用前先要進(jìn)行處理。哈拉溝煤礦利用原有的廢舊聯(lián)巷在井下設(shè)立礦井水循環(huán)處理系統(tǒng)泵房，不僅減少了固定的投資費(fèi)用，還減少了提升水時(shí)的動(dòng)力消耗。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐，處理后的水質(zhì)能完全滿足工作面的用水需求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

表1 采空區(qū)原水水質(zhì)超標(biāo)參數(shù)一覽表

表2原水與水處理系統(tǒng)處理水水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比一覽表

1 井下礦井水處理系統(tǒng)的主

要特點(diǎn)

井下礦井水處理系統(tǒng)是在井下直接將采空區(qū)水處理后復(fù)用，它與一般建在地面的礦水處理廠有著較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)為：

（1）由于是在煤礦井下安裝運(yùn)行，這就要求水處理設(shè)備的尺寸體積不能過(guò)大，且對(duì)其防爆安全性、可靠性也有著嚴(yán)格的要求。

（2）系統(tǒng)處理工藝簡(jiǎn)單，易行、有效，且運(yùn)行成本低。

（3）為了減少井下人員配置，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)人值守，要求整個(gè)系統(tǒng)要有較高的自動(dòng)化水平。

（4）煤礦井下生產(chǎn)用水用量較大，需要系統(tǒng)有較高的水處理能力。

（5）設(shè)備能適應(yīng)煤礦井下潮濕、塵大的特點(diǎn)，且使用壽命要長(zhǎng)。

2 哈拉溝礦井下水處理系統(tǒng)除鐵錳離子的原理

根據(jù)哈拉溝礦礦井廢水原水水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告，其水質(zhì)有三項(xiàng)指標(biāo)不符合國(guó)家工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，主要污染物為：懸浮物、可溶性低價(jià)Fe2+、Mn2+離子，其他指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，具體超標(biāo)參數(shù)詳見表1。

為了實(shí)現(xiàn)礦井水的復(fù)用，需要對(duì)原水進(jìn)行處理，使其處理后的水質(zhì)要求符合國(guó)家工業(yè)用水要求。針對(duì)采空區(qū)積水中濁度較大，且富含F(xiàn)e2+和Mn2+離子的特點(diǎn)，水處理技術(shù)的關(guān)鍵主要除鐵、錳技術(shù)。

由于原水中富含F(xiàn)e離子的存在的形態(tài)為溶解性二價(jià)鐵化合物，主要為二價(jià)鐵的重碳酸鹽，若該碳酸鹽與空氣接觸后易發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

Fe（HCO3）2=Fe（OH）2+2CO2

氫氧化亞鐵在空氣中容易被氧化為氫氧化鐵沉淀物，故可以采用直接氧化法除去原水中的Fe2+，離子方程式為：

4Fe2++O2+2H2O=4Fe3++4OH-

在水處理技術(shù)中，常見的除錳方法有以下幾種：

（1）自然氧化法。就是在需要處理的水中通入足夠的氧氣，通常為空氣，然后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的反應(yīng)后，將二價(jià)Mn離子氧化為高價(jià)離子形態(tài)，進(jìn)而通過(guò)沉淀、過(guò)濾后，去除水中Mn的離子。此種方法水中的Mn2+效果不佳，不僅需要長(zhǎng)時(shí)間的爆氣，同時(shí)對(duì)水的pH值也有較高的要求。而礦井水主要復(fù)用于礦井日常生產(chǎn)，用水需求量大，最高流量能達(dá)到150m3/h，且要求時(shí)效性較高，若該方法需要建立較大的曝氣池才能滿足實(shí)際需要，不適合礦井的實(shí)際需求。

（2）生物法。是利用自然界微生物氧化錳離子的能力，在濾池中培養(yǎng)錳氧化細(xì)菌，在生物除錳的濾層中，存在有大量的活性錳氧化細(xì)菌，且這些細(xì)菌在載體上不斷的吸附、再生，來(lái)達(dá)到去除Fe、Mn離子的效果。該種方法，雖然除錳的效果較好，但成本高、使用條件苛刻，不適合井下現(xiàn)場(chǎng)的要求。

（3）接觸氧化法。原水經(jīng)過(guò)天然錳砂濾料后，經(jīng)過(guò)濾料的催化作用，二價(jià)錳和水中的氧氣化合為二氧化錳，過(guò)濾后來(lái)去除Mn2+離子。

（4）強(qiáng)氧化劑氧化法。利用強(qiáng)氧化劑的氧化作用將低價(jià)的錳離子氧化為不溶于水的高價(jià)形態(tài)錳化合物，該種類方法處理速度快，且除錳效果好。常用的氧化劑主要有：高錳酸鉀、臭氧、氯、二氧化氯等。綜合井下實(shí)際使用的工況及成本考慮，采用附加高錳酸鉀藥劑的方法去除Mn2+，離子方程式為：

Mn2++2KMnO4+2H2O=5MnO2+ 2K++4H+

圖1 哈拉溝礦井下水處理系統(tǒng)工藝流程圖

3 井下水處理系統(tǒng)的處理水工藝

首先礦井原水通過(guò)采空區(qū)預(yù)沉淀、過(guò)濾，將水中較大的懸浮物顆粒去除。然后利用加藥裝置將初次過(guò)濾、沉淀后的水與高錳酸鉀強(qiáng)氧化試劑在混合室中充分混合。加藥裝置主要由兩臺(tái)計(jì)量泵與高錳酸鉀溶液箱組成。它能夠調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)的給藥量，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)水質(zhì)的特點(diǎn)調(diào)整實(shí)際給藥量的作用?；旌虾蟮乃商幚砹繛?0m3/h單級(jí)離心泵升壓至0.36MPa，并通過(guò)背壓閥穩(wěn)壓后由射流器直接曝氣，最后在水處理裝置反應(yīng)后，除鐵、除錳，過(guò)濾，得到合格的清水，并儲(chǔ)存在清水池中，使用時(shí)由多級(jí)離心泵直接提升至各用水工作面。而水處理裝置中濾層表面聚集的雜物、Fe3+沉淀物和MnO2沉淀物等利用自動(dòng)反沖洗技術(shù)定期排放。它主要涉及到了降低濁度工藝、除鐵除錳工藝、自動(dòng)反沖洗工藝、自動(dòng)化控制工藝等等，總工藝流程圖如圖1所示。

（1）降低濁度的工藝

礦井生產(chǎn)排出水主要組成部分為煤粒、煤粉、巖粉等懸浮顆粒，其濁度較高，一般為150NTU左右，最高能達(dá)到300NTU，而國(guó)家復(fù)用水標(biāo)準(zhǔn)是小于等于3NTU，所以需要對(duì)其進(jìn)行降濁度的處理，而且簡(jiǎn)單的一次沉淀難以達(dá)到需求的效果，必須采用多次處理。為了減少預(yù)沉淀池的投資，同時(shí)利用采空區(qū)填充物良好的孔隙率、級(jí)配、吸附功能，神東礦區(qū)將井下采空區(qū)作為礦井水處理的初級(jí)沉淀池。礦井廢水首先通過(guò)管路排至地勢(shì)較高的采空區(qū)內(nèi)，利用采空區(qū)的高差，回流至采空區(qū)積水區(qū)內(nèi)。水在采空區(qū)自流過(guò)程中，完成懸浮物的沉淀、吸附、凈化的作用。經(jīng)過(guò)采空區(qū)過(guò)濾后的礦井水濁度大幅度下降，能達(dá)到15NTU，但仍不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。所以經(jīng)過(guò)初次處理后的水由泵打入到水處理裝置的波紋斜板沉淀區(qū)內(nèi)，利用水經(jīng)過(guò)波紋沉淀斜板形成的主流區(qū)、渦流區(qū)、環(huán)流區(qū)二次沉淀，進(jìn)一步降低水中的懸浮物。二次沉淀后的水經(jīng)過(guò)水處理裝置過(guò)濾室后出水的濁度進(jìn)一步降低，能夠達(dá)到低于3NTU的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)濾室主要填充礫石、石英砂、無(wú)煙煤。礫石作為石英砂、無(wú)煙煤的承托層，而石英砂與無(wú)煙煤主要作為設(shè)備雙層濾料，可以將水中存在的各種懸浮物、膠體、氫氧化鐵沉淀物、MnO2沉淀物、有機(jī)物、菌類等等過(guò)濾清除。

（2）除鐵錳離子的工藝

該套系統(tǒng)除鐵錳離子的工藝主要是射流器曝氣與高錳酸價(jià)強(qiáng)氧化結(jié)合的工藝。原水在進(jìn)入水處理裝置之前會(huì)混合適量的高錳酸鉀強(qiáng)氧化溶液，同時(shí)通過(guò)管路中安設(shè)的射流器，溶入適當(dāng)空氣?；旌先芤涸谒幚硌b置的反應(yīng)區(qū)發(fā)生相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過(guò)約20分鐘的反應(yīng)，鐵、錳離子以高價(jià)形態(tài)的沉淀析出，最終被水處理裝置的濾層濾除。而高價(jià)形態(tài)的鐵、錳混合物通過(guò)反沖洗技術(shù)，最終被排至污水倉(cāng)內(nèi)。

（3）自動(dòng)反沖洗定期排放工藝

水處理裝置中的過(guò)濾池的濾層在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)堆積大量的污垢，若不進(jìn)行處理會(huì)堵塞濾層，不僅造成出水流量不足，還影響處理的水質(zhì)，所以需要定期對(duì)濾層進(jìn)行反沖洗。由于礦井生產(chǎn)用水的連續(xù)性，需要在反沖洗過(guò)程中仍不影響供水，所以將過(guò)濾室分成了4個(gè)小室，并在每個(gè)室的進(jìn)、出水口，配以相應(yīng)的防爆電動(dòng)閥，來(lái)控制水流的方向。正常工作時(shí)，4個(gè)小室均正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要反沖洗時(shí)，則4個(gè)小室依次進(jìn)行反沖洗。在反沖洗過(guò)程中只有1個(gè)小室進(jìn)行反沖洗，而其余小室正常供水，且反沖洗使用的水為正常供水小室處理后的潔凈水，從而有效的避免了濾料污染。通過(guò)預(yù)先設(shè)定每臺(tái)裝備的定期沖洗周期和沖洗時(shí)間，控制不同電動(dòng)閥的開關(guān)，從而達(dá)到自動(dòng)定期反沖洗濾層的目的。

（4）井下水處理系統(tǒng)自動(dòng)化控制工藝

為了提高水處理系統(tǒng)系統(tǒng)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人值守功能，同時(shí)保證運(yùn)行的可靠性，井下水處理系統(tǒng)中采用集中加離散的控制方式。整個(gè)系統(tǒng)使用一臺(tái)PLC全局控制，它主要控制各個(gè)動(dòng)力源的起、停，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵、開關(guān)、電動(dòng)閥、流量計(jì)等的運(yùn)行、故障等狀態(tài)，并控制水處理裝置的使用、反沖洗的狀態(tài)。而每臺(tái)水處理裝置為了增強(qiáng)設(shè)備的冗余性，均使用獨(dú)立的PLC來(lái)控制反沖洗功能，以保證在特殊情況下，仍能實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)反沖洗功能。不同PLC之間利用光纜、交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的互通，并利用光纜將信息上傳至井下控制室上位機(jī)和地面調(diào)度室上位機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守功能。

4 水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益

水處理系統(tǒng)處理后清水水質(zhì)指標(biāo)見表2，濁度大大降低，且Fe2+、Mn2+離子也控制在要求范圍內(nèi)，能夠完全滿足工業(yè)復(fù)用水的標(biāo)準(zhǔn)。

由于該系統(tǒng)直接使用井下采空區(qū)的積水，避免使用井上自來(lái)水資源，相當(dāng)于一年少往井下排水131萬(wàn) m3，有效減輕了礦井排水的壓力。同時(shí)設(shè)備富余處理能力，每年能夠外排處理后的清水水量約為44萬(wàn)m3，能夠部分緩解神東礦區(qū)地面水資源缺乏的局面。經(jīng)測(cè)算包含前期的固定資產(chǎn)投資費(fèi)用、正常設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，處理后的噸水成本為1.01元/ m3，相比自來(lái)水價(jià)格為：4.2元/ m3，平均噸水節(jié)約成本3.19元/ m3。正常哈拉溝礦生產(chǎn)用水量約為150m3/h，與使用自來(lái)水相比，平均每年能夠節(jié)約費(fèi)用390余萬(wàn)元。

結(jié)語(yǔ)

該套礦井水處理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于哈拉溝煤礦井下，運(yùn)行狀況良好，使用后未發(fā)現(xiàn)由于水質(zhì)污染而影響工作面設(shè)備生產(chǎn)的情況，有力保障了生產(chǎn)用水安全。該系統(tǒng)適應(yīng)于鐵、錳離子超標(biāo)的井工礦采空區(qū)水復(fù)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

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中圖分類號(hào)：X703

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