趙 龍，王輝鋒

（1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012;3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100083）

煤礦井下千米鉆機(jī)主要用于抽排瓦斯，其鉆孔深度一般可達(dá)幾千米，工作時(shí)需要大量的清水，同時(shí)又排出大量污水。所需清水大多來自井上自來水或礦井水污水處理站出水，離鉆機(jī)工作用水點(diǎn)往往幾千米之遙，通過管道向井下輸送，清水經(jīng)過一次使用后就成為污水與其他礦井水一起排至水倉，需要從井下再抽排到地面，日耗水量巨大。以一臺鉆機(jī)12 m3/h水量消耗計(jì)算，一臺鉆機(jī)日耗清水量就高達(dá)288 m3，而且由于地層中可能有水，日排污水量往往超過288 m3。因此，眾多千米鉆機(jī)的用水對于煤礦排水和供水都是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。此外，超長距離的供、排水管路維護(hù)和檢修十分困難，工作環(huán)境惡劣，部分老礦的管路堵塞、銹蝕造成泄漏的問題已經(jīng)比較突出，急需解決。

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有礦井水處理工藝與設(shè)備大多是地面處理或者直接將部分地面處理工藝引入地下水倉口處進(jìn)行處理［1］，設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮井下生產(chǎn)實(shí)際工況，而且大多是簡單固液分離后，作為較為清潔的污水升井，也有部分作為井下除塵用水，而對于污染源頭處就地處理并回用研究較少［2－3］。如果在既滿足井下條件又能較好運(yùn)行的情況下，在井下對礦井水進(jìn)行處理，則既可解決井下設(shè)備的用水和排污問題，又可緩解水資源短缺的矛盾，同時(shí)也能節(jié)省大量供排水能耗，維持水環(huán)境平衡，為煤礦實(shí)現(xiàn)安全排水、清潔生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)作出貢獻(xiàn)，其社會、安全、經(jīng)濟(jì)價(jià)值非?？捎^。因此，研究千米鉆機(jī)循環(huán)水井下就地處理及回用系統(tǒng)意義重大。

為此，研究以千米鉆機(jī)用水水質(zhì)要求作為系統(tǒng)工藝指標(biāo) (含固率不高于20 mg/L，pH=6～8)，通過對鉆孔污水進(jìn)行固液分離及精密過濾技術(shù)研究，將選煤系統(tǒng)中的煤泥水處理技術(shù)與礦井水處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了井下煤泥水就地澄清再利用，煤泥直接成餅裝車［4－6］。

1 鉆孔水固液分離特性研究

1.1 水質(zhì)分析

鉆孔水樣品分析見表1。該樣品取自晉城礦區(qū)礦井，出水為千米鉆機(jī)的鉆孔出水。目測該水中夾雜大量煤泥、巖粒等雜質(zhì)，煤泥含量較大，較渾濁，靜置10 min后呈明顯的分層現(xiàn)象，表現(xiàn)為中間清澈，底部沉積有很多煤泥，而上層漂浮有少量煤泥和部分油類。據(jù)此判斷，該煤泥水經(jīng)過沉降后上清液必須再次精密過濾。

表1 井下鉆孔出水水質(zhì)檢測Table 1 Water quality testing from underground drilling hole

1.2 顆粒物分級特性分析

根據(jù)粒度分析可知 (表2、表3)，該煤泥水中＞0.5 mm粒級顆粒含量較高，達(dá)到33%，而且這部分大顆粒中有一些接近10 mm的顆粒，這些顆粒成分復(fù)雜 (含有巖石顆粒)，直接沉降濃縮后，在濃縮底流的泵送過程中將可能導(dǎo)致設(shè)備和管路的損壞，因此，必須將這部分大顆粒先行去除。另一方面，這些顆粒粒度大多在0.5～5 mm之間，因此篩分比較容易實(shí)現(xiàn)固液分離。

此外，該煤泥水中的＜0.075 mm粒級含量僅為21%左右，說明該煤泥細(xì)顆粒中非煤成分雜質(zhì)比較少，在水中加藥后容易沉降，因此使用加藥沉降方式應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)固液分離。

表2 全樣煤泥粒度分析Table 2 Size analysis of all coal slime %

表3＞0.5 mm粒級粗煤泥粒度分析Table 3 Size analysis of coarse coal slime plus 0.5 mm

1.3 煤泥水加藥沉降效果分析

首先，將＜0.5 mm粒級的煤泥水自然沉降2 h，檢測其自然沉降特性。目測發(fā)現(xiàn)，自然沉降2 h后的上清水仍然渾濁，有細(xì)微顆粒物，經(jīng)檢測含固率為825 mg/L，效果不理想。因此，對該煤泥水澄清應(yīng)采用加藥沉降。

為了使煤泥水盡快澄清，根據(jù)加藥沉降試驗(yàn)，將凝聚劑 (PAC)與絮凝劑 (PAM)配合使用，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)成本，加藥量選定為:噸煤PAM用量為500～700 g，噸煤PAC用量為25～30 kg，沉降時(shí)間為5 min，處理后的上清水含固率一般在50～200 mg/L。

1.4 溢流水精密過濾效果分析

由于鉆機(jī)用水要求含固率不超過20 mg/L，因此，必須對上清水進(jìn)行進(jìn)一步的澄清過濾。

對上清水分別采用石英砂過濾器、活性炭過濾器、袋式過濾器、保安過濾器和疊片過濾器進(jìn)行過濾試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，對于上清水而言，這幾種過濾器的出水均能達(dá)到使用要求。但由于試驗(yàn)條件限制，石英砂過濾器、活性炭過濾器和疊片過濾器未達(dá)到反洗條件，因此，未能測得反洗頻率;保安過濾器由多根管式膜組成，更換比較麻煩，但袋式過濾器則容易得多。因此，綜合考慮反洗、更換維護(hù)等因素后，決定采用袋式過濾器。

表4 溢流水精密過濾試驗(yàn)效果Table 4 Precise filtration test analysis of overflow water

1.5 煤泥壓濾及過流效果分析

1.5.1 煤泥壓濾效果分析

底流直接壓濾的目的只是要求濾餅?zāi)苎b車，并且不拋灑即可。由試驗(yàn)可知，只需依靠入料泵的壓力，無需隔膜壓榨、穿流吹風(fēng)等復(fù)雜脫水形式，即可使濾餅水分達(dá)到35%左右，滿足要求。壓濾試驗(yàn)結(jié)果 (表5)表明，沉降底流顆粒極細(xì)，壓濾效果一般，但水分處于可接受范圍 (36%左右)，膠帶輸送和罐車輸送均沒有問題;濾液濃度不超過1 g/L，而且出黑水時(shí)間約為5 min，之后的清水含固率更低，實(shí)際操作時(shí)可設(shè)一清濁分離系統(tǒng)，濁水返回沉降系統(tǒng)。

表5 沉降底流壓濾試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Pressure filtration test analysis of settling underflow

1.5.2 污水過流效果分析

為了盡可能簡化工藝，并減輕沉降系統(tǒng)的負(fù)荷，嘗試將鉆孔煤泥水直接通過壓濾機(jī)進(jìn)行先期過流式過濾，以觀測其效果。由于煤泥性質(zhì)較好，過濾比較容易，因此，該壓濾機(jī)由純廂式板組成，過濾脫水動力均來自入料泵。

表6 礦井水壓濾試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Pressure filtration test analysis of mine water

由表6的試驗(yàn)結(jié)果可知:

(1)原水樣直接進(jìn)壓濾機(jī)時(shí)，煤泥過濾效果較好，濾液濃度可降低至2 g/L以下，濾餅水分和脫餅情況良好，裝礦車或上膠帶運(yùn)輸均可。

(2)當(dāng)＜3 mm粒級煤泥水直接過流過濾時(shí)，循環(huán)時(shí)間明顯增長，但濾液濃度也可降至2 g/L以下，濾餅成餅效果和脫餅情況均好。

(3)對比兩種情況，兩者均可實(shí)現(xiàn)煤泥水過流過濾，但原水樣過濾時(shí)，脫餅時(shí)濾布上會沾有部分大顆粒物，濾板一拉開就散落下來，由于不是整塊落下，因此濾布上殘余的煤泥顆粒較多，需要清洗濾布;但＜3 mm粒級煤泥水過濾時(shí)就不存在這種狀況，濾餅成塊掉落，脫餅干凈，雖水分略高，但裝礦車或者膠帶輸送不存在問題。

由于受井下條件限制，工藝越簡單越好，因此在試驗(yàn)時(shí)，壓濾的過濾動力僅來自入料泵，并未進(jìn)行隔膜壓榨、穿流吹餅等，僅對濾板的流道及出液方式進(jìn)行了改造。

關(guān)于濾布的選擇，由于選用過流工藝，因此，濾布選擇單復(fù)絲布，透氣率選擇500 L/(m2·s)，允許一部分細(xì)小顆粒物穿過濾布，從而保證過流速度。生產(chǎn)時(shí)可根據(jù)濾液出黑水的實(shí)際情況，決定濾液是否返回緩沖池或沉降系統(tǒng)。

2 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)水質(zhì)分析及沉降、壓濾、過流等試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì):首先確定必須對鉆孔水實(shí)施大顆粒攔截，使大顆粒部分直接裝礦車運(yùn)輸;攔截后的篩下鉆孔水進(jìn)入緩沖池，由污水泵將緩沖池底流送至壓濾機(jī)進(jìn)行過流過濾，濾餅直接裝礦車運(yùn)輸;濾液水則進(jìn)入兩級攪拌桶中，分別加入PAC和PAM，分兩級充分?jǐn)嚢柚?，進(jìn)入斜管沉降裝置沉降;斜管沉降裝置沉降底流由泵送至壓濾機(jī)中，溢流水則經(jīng)過浮雜攔截后，進(jìn)入中間水箱;中間水箱的水由泵送至精密過濾器中，過濾后的清水進(jìn)入清水箱，由泵送至千米鉆機(jī)再次使用［7－10］。

由于壓濾機(jī)是間歇性工作設(shè)備，而且過流過濾時(shí)呈現(xiàn)前期出水快、后期慢的特點(diǎn)，因此，為保證生產(chǎn)的連續(xù)性，特設(shè)置了備用直排管路，將緩沖池的上清水直排入斜管沉降池中。

確定的最終工藝流程如圖1所示。

圖1 鉆孔水處理系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Drilling hole water processing flowsheet

3 應(yīng)用效果

3.1 地面調(diào)試效果

在礦井水污水處理廠進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，調(diào)試原料采用二沉池污泥，其濁度為3542，粒度極細(xì)。經(jīng)過三天的調(diào)試運(yùn)行，隨機(jī)抽檢的檢測結(jié)果如下:在入水濁度為3542的條件下，出水濁度為5.14(含固率約為8 mg/L)，出水流量約為15 m3/h，出水pH=7.1。

從運(yùn)行結(jié)果來看，該系統(tǒng)裝備的處理量、出水水質(zhì)符合千米鉆機(jī)循環(huán)水處理和使用要求，出水能夠作為循環(huán)水使用。

3.2 井下調(diào)試運(yùn)行效果

本工程利用現(xiàn)有巷道，系統(tǒng)工藝設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)筑物建在現(xiàn)有－400 m千米鉆機(jī)所在的巷道內(nèi)，在巷道做地面平整后，將系統(tǒng)裝備一字排開布置，原供水系統(tǒng)設(shè)施不變。

經(jīng)過連續(xù)3個(gè)月左右的運(yùn)行，該套裝置運(yùn)行良好，出水水質(zhì)達(dá)到千米鉆機(jī)使用要求，產(chǎn)水率達(dá)到90%，出水濁度在3～10之間，pH值維持在6～8之間，符合鉆機(jī)使用要求;另外，煤泥濾餅水分約為30%～40%，可實(shí)現(xiàn)裝礦車輸送無滴漏。

3.3 存在問題

(1)由于該系統(tǒng)中的壓濾機(jī)為間歇性工作設(shè)備，因此，必須配備大容積的緩沖調(diào)節(jié)池，而該池也受巷道限制。此外，壓濾機(jī)的工作為前期流量很大，可以達(dá)到30 m3/h，出水量也很大，因此給后續(xù)斜管沉淀池造成的工作壓力較大，且加藥量較大，出水含固率相對較高，有時(shí)可達(dá)到300 mg/L，而后期成餅時(shí)入料流量又很小，出水量急劇減小，又導(dǎo)致斜管沉淀池容量富裕很多，有時(shí)甚至水面達(dá)不到溢流堰高度，不產(chǎn)水。因此解決這個(gè)不勻衡的問題較為迫切。

(2)由于緩沖池內(nèi)的水泵不能將煤泥全部泵送上來，因此，當(dāng)千米鉆機(jī)停機(jī)時(shí)，潛水泵將污水抽凈后，可能仍然需要人工清理底泥，但總體上泥量不大。另外，由于只處理千米鉆機(jī)自身污水，產(chǎn)水量不能滿足鉆機(jī)使用，因此，仍需要補(bǔ)充一部分清水。

(3)未能對pH值的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動控制，只能是定期抽檢，運(yùn)行時(shí)可能存在pH值瞬時(shí)偏離中性的可能。

4 結(jié)論

本次研究的千米鉆機(jī)煤泥水就地處理系統(tǒng)工藝基本可以有效地實(shí)現(xiàn)鉆孔水的就地循環(huán)使用，可大幅度減少水資源使用量，減輕礦井排污壓力。本研究成果不但可解決千米鉆機(jī)用水問題，而且也為井下其他用水問題 (例如開采區(qū)的防塵防靜電的噴淋用水，設(shè)備冷卻用水，廠區(qū)的生產(chǎn)生活用水等)提供了參考，社會效益十分明顯。

雖然本研究所制定的礦井水處理方案受限于各種條件 (如經(jīng)濟(jì)成本、項(xiàng)目自身?xiàng)l件等)，但研究并解決礦井水的處理和資源化利用仍是本專業(yè)研究人員所必須關(guān)注的問題，對于實(shí)現(xiàn)煤礦安全排水、安全生產(chǎn)具有重要的意義。

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