煤礦礦井水井下深度處理與回用技術*

王 錦，彭 年，徐燕飛，2，3，陶鵬飛，2，3，陳永春，2，3

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態環境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

我國礦井水產生量每年達100億m3，其利用率僅約70%；大量礦井水外排造成水資源浪費，同時礦井水中存在的溶解性鹽類會造成土壤板結、水體富營養化等一系列環境污染問題[1-3]。2015年國務院印發《水污染防治行動計劃》對煤礦礦井水排放和利用提出了專項整治要求；2020年11月生態環境部、國家發展改革委等聯合印發了《關于進一步加強煤炭資源開發環境影響評價管理的通知》(環評〔2020〕63號)，要求外排的礦井水應滿足或優于受納水體環境功能區劃規定的地表水環境質量對應值，含鹽量不得超過1 000 mg/L。可見，開展高鹽礦的井水處理與利用研究具有迫切的現實需求。

目前，國內外對礦井水處理利用的傳統方法通常是將礦井水抽排到地面，在地面建設礦井水處理廠，將礦井水凈化處理后出水作為井下用水、地面工廠用水或達標外排[4-7]。傳統的礦井水在地面凈化處理方式，需要用管道向井下供水，不但增加了維護成本，而且長距離管路輸水線易造成水體污染，影響生產使用。在井下建立礦井水凈化處理站，并在井下將凈化后的礦井水向供水系統補水，可減少礦井水抽排工作量，降低礦井水提升費用。國內外煤礦礦井水井下深度處理與回用技術處于剛起步階段。國外礦井水處理利用技術，主要集中在歐美發達國家和俄羅斯等，這些國家的水資源相對較豐富，主要以煤礦礦井水無害化處理工藝為主，直接排入地表水體，以避免地表水體受到污染為最終目標[8-12]。礦井水回用技術較少，目前還停留在去除懸浮物的水平上，礦井水中去除離子的深度處理技術報道較少。我國的煤水資源分布不協調，煤炭資源豐富的地區往往缺水，特別是內蒙古、寧夏、山西、陜西和新疆等省區水資源需求和供給缺口巨大，上述五省(自治區)煤炭資源豐富，煤炭保有儲量約占全國的76%，但水資源總量僅占全國的6.14%，整體上存在水資源匱乏問題。煤礦生產需要大量的水資源作為保障，煤礦生產同時也排放大量礦井水，造成巨大的水資源浪費[13-14]。面對煤炭產區水資源匱乏的現實環境和礦井水利用率低的現實情況，開展煤礦礦井水井下深度處理與回用技術研究，符合煤礦綠色開采的理念。目前，在兗州礦區、神東礦區的個別煤礦井下已有小型的軟化器，小規模嘗試性地將礦井水處理后作為煤礦井下生產用水。綜采工作面用水主要是乳化液用水的井下局部用水，是水質要求比較高的用水，需要對原水的硬度、硫酸根和氯化物指標進行控制，小型軟化器顯然不能滿足要求[15-18]。因此，開發適合煤礦井下巷道工作環境，滿足不同用水需求的深度技術和處理成套設備，對礦井水的分質處理、分級利用有著重要的現實意義。

1 淮南礦區礦井水現狀與利用對策

1.1 煤礦礦井水現狀

表1 淮南礦區典型煤礦井下水源水質指標Table 1 Water quality indicators of typical coal mines in Huainan mining area

煤礦井下生產用水量占煤礦總用水量70%～80%，不同用水地點、生產環節對水質要求也不同。常規混凝、沉淀、過濾工藝處理后的礦井水滿足一般防塵、冷卻要求；但乳化液配制用水等對水質要求較高，水中的氯離子會影響乳化液的乳化性能，降低乳化液的防腐蝕及潤滑能力，給設備運行帶來一定危害，增加了故障率，縮短了大修間隔，目前礦井水出水水質無法滿足井下乳化液配制、高壓噴霧等高品質用水需求設備，造成煤礦礦井水得不到有效利用。

1.2 煤礦礦井水利用對策

針對淮南礦區煤礦礦井水回用利用率低的問題，本著就地處理、就地利用的原則。根據煤礦實際生產情況，構建了淮南礦區礦井水處理利用技術體系，如圖1所示。當井下不具備處理條件，則全部礦井水抽排至地面，按要求處理后部分地面利用，部分送至井下利用；當井下具備處理條件，以井下處理利用為主，多余礦井水抽排到地面處理利用。其中，礦井水在井下處理的部分要先進行井下水倉前預處理，以去除較大顆粒物和大部分懸浮物為主，出水滿足井下凈化處理要求，然后降低鐵錳含量，可以作為井下一般生產用水，而井下特殊設備冷卻和配置乳化液用水則需要進一步降低氯離子和硫酸根等離子含量。

圖1 淮南礦區礦井水處理利用技術體系Fig.1 Technical system of mine water treatment and utilization in Huainan mining area

煤礦綜采、綜掘設備的大量采用，對水質也提出了新的要求。淮南礦區大部分煤礦礦井水中的硬度、溶解性總固體含量都比較高，超出相關用水標準的要求，限制了礦井水的回用。因此在井下開展煤礦礦井水井下深度處理與回用技術研究，進行原本需要升井外排的礦井水在井下處理并回用，可為礦區開辟井下用水的第二水源；同時減少了污水的排放量，減輕了受納水體的污染，是礦區發展循環經濟和實現可持續發展的重要環節。

2 礦井水懸浮物去除技術

2.1 常規處理中懸浮物粒徑分布特征

對淮南礦區礦井水取樣分析，研究采用混凝、沉淀、過濾等常規處理工藝前后的礦井水懸浮物含量及粒徑特征。圖2為礦井水中顆粒物粒徑分布圖，從圖中可以看出未經處理的礦井水所含顆粒物的粒徑主要分布在0.1～20 μm，其中0.25～15 μm直徑的顆粒含量都高于0.5%，是其主要分布區。3～10 μm的顆粒物所占比例最大，含量都超過2%，最高達到4.5%以上。

圖2 處理前后礦井水顆粒物粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of mine water before and after treatment

與未經處理的礦井水相比，經過凈化處理后的礦井水中顆粒物含量大于0.5%的最小顆粒物出現在2 μm。最大顆粒物直徑達到600 μm，含量最高的顆粒出現在250 μm左右，處理后的礦井水中顆粒物的直徑明顯變大。這是因為地面凈化處理過程中加入了混凝劑PAC、絮凝劑PAM，同時管路輸送過程中摻雜進來的顆粒物普遍也較大，導致處理后的礦井水顆粒增大，甚至達到毫米級別。

為了保持反滲透系統的性能和運行，保證膜的使用壽命，需對原水進行適當的預處理，即降低水中懸浮物的含量，保證進入膜系統的水濁度小于3 NTU。

2.2 礦井水顆粒物去除試驗

根據礦井水中顆粒物的粒徑分析結果，綜合考慮現有的技術手段及經濟條件，選用過濾等級50 μm、20 μm、10 μm、5 μm的圓形過濾介質對綜采工作面供水進行顆粒物的去除試驗研究，截取直徑為10 cm。分別測量待濾液和濾過液的濁度，從而研究不同孔徑單獨過濾及多種孔徑組合過濾工藝對礦井水中顆粒物的去除能力。表2是用50 μm、20 μm、10 μm、5 μm等級過濾介質分別單獨過濾綜采工作面供水的試驗結果。從表中可以看出，在進水濁度67 NTU左右時，5 μm濾材的濾過液濁度在0.5 NTU以下，可以滿足反滲透進水要求，但是濾速很慢；10 μm濾材的濾過液1個數據超過3.0 NTU，其他2個數據在3.0 NTU以下，平均為2.87 NTU，基本可以滿足反滲透進水要求；20 μm、50 μm濾材單獨過濾濾過液濁度均超過3 NTU，不能滿足反滲透進水要求，但是過濾速度較快。從工業實現及經濟、可靠的角度，5 μm濾材雖然出水滿足要求，但是由于過濾速度很慢，一定過濾流量要求下，會導致過濾設備很龐大，不利于工業實現，所以本項目選用50 μm、20 μm、10 μm濾材繼續進行組合過濾試驗。

表2 不同等級材質單獨過濾試驗結果Table 2 Separate filtration test results for different grades of materials

表3為綜采工作面供水經過50 μm、20 μm、10 μm濾材過濾，并分別測量濾過液濁度的試驗結果。從表中可以看出待濾液依次過濾，過濾速度普遍提高，分別為快、快、較快；并且經過10 μm濾材后的濾過液濁度普遍降低，最高為1.8 NTU，最低為1.3 NTU，平均為1.53 NTU，濁度去除率為97.71。因此選擇“50 μm+20 μm+10 μm”組合過濾，可以保證出水濁度小于3 NTU，滿足反滲透進水需要。

表3 不同等級材質組合過濾試驗結果Table 3 Combination filtration test results of different grades of materials

3 礦井水離子去除技術

3.1 膜處理技術試驗設計

膜處理是去除原水中溶解性鹽類的主要技術，膜處理脫鹽主要包括反滲透和納濾2種技術手段，其區別主要在于膜元件的孔徑不同，從而去除的溶解性鹽類的離子價位不同。反滲透膜孔徑較小，可以去除幾乎所有的溶解性鹽類；納濾膜孔徑較大，主要去除二價及以上的溶解性鹽類。開展礦井水膜處理試驗，以探索反滲透/納濾技術處理該類礦井水的經濟高效的途徑。

反滲透/納濾試驗采用定流量變壓力的試驗方法，進水流量為1 300 L/h，進水電導3 461 μS/cm。通過條件濃水側壓力實現淡水出水流量變化。部分反滲透部分試驗數據見表4，納濾部分試驗數據見表5。

表4 反滲透處理礦井水部分試驗數據Table 4 Some experimental data of mine water treated by reverse osmosis

由表4可知，反滲透系統對于礦井水電導率的去除率基本在87%～96%之間，在較低回收率時，濾膜對離子截留主要通過網撲作用實現，脫鹽率較低，甚至只達到87%。當操作壓力逐步升高時，回收率也相應升高，此時，截留離子主要為網撲、架橋，對可溶性物質的去除率升高到94%～95%。

由表5可知，納濾系統對礦井水可溶性鹽類的脫鹽率較低，在25%～40%之間，這主要是由于淮南礦區潘北煤礦礦井水所含可溶性鹽類以鈉離子、氯化物等一價離子為主決定的。而納濾膜對一價離子的去除率較低，對二價及以上離子有較高的去除率，達到95%以上，因此，導致納濾處理的出水脫鹽率較低、電導率較高。

表5 納濾處理礦井水部分試驗數據Table 5 Some experimental data of nanofiltration treatment of mine water

針對反滲透/納濾技術的工作特點，設計一種由反滲透和納濾組成的離子去除單元。先利用納濾系統對礦井水中的二價離子進行過濾，以減輕反滲透的處理壓力，然后再利用反滲透對礦井水離子進行全面的去除。

3.2 離子去除單元處理試驗

離子去除單元試驗裝置反滲透膜與納濾膜聯合使用，采用定流量變壓力的試驗方法，進水流量為10 t/h，進水電導3 461 μS/cm，通過調節排污側壓力實現產品水出水流量變化，試驗過程中檢測出水電導率的變化，從而確定出水含鹽量。部分試驗數據見表6。可以看出，離子去除單元對于電導率的去除率基本在90%～96%之間，較低回收率時，由于對離子截留主要通過網撲作用實現，脫鹽率較低約87%。當操作壓力逐步升高時，回收率也相應升高，此時，截留離子主要為網撲、架橋，脫鹽率升高到93%～96%。

表6 離子去除單元工業試驗數據Table 6 Industrial test data of ion removal unit

綜合考慮系統穩定、可靠以及經濟因素，綜采工作面給水處理系統回收率在50%左右比較合適，平時運行控制在45%～55%。長時間運行后，由于膜表面可溶性鹽類的堆積，其透過孔徑減小，脫鹽率將進一步升高，可以穩定保持在95%以上。

4 礦井水井下處理回用工藝及裝置

4.1 礦井水井下處理回用工藝

通過前述試驗研究，試驗確定綜采工作面用水處理流程為水源→壓力調節單元→過濾單元A→過濾單元B→過濾單元C→反滲透/納濾處理單元，如圖3所示，P為壓力調節單元，通過該單元，系統水壓被調節到適合壓力、流量，保證后續處理過程的穩定運行。A1、A2為懸浮物去除單元，通過前述試驗研究，確定了50 μm、20 μm、10 μm的三級過濾預處理方案，A、B單元組件采用MK-FB系列過濾器，C單元組件采用MK-FC系列過濾器。D為離子去除單元，由MK-R336反滲透膜與MK-N940納濾膜等核心組件組成。MK-R336為低壓苦咸水膜元件，適用于工作壓力極低且脫鹽率要求高的場合。MK-N940為大通量納濾膜元件，工作壓力低，產水通量大。

圖3 成套設備工藝流程Fig.3 Process flow chart of the complete set of equipment

4.2 礦井水井下處理回用裝置

基于上述工藝流程，開發了MK-RHY-BP2型乳化液配制用水處理站(圖4)，并在煤礦井下工作面開展工業試驗，對該設備進出水水質進行分析。工業試驗數據見表7，主要溶解性鹽類含量及去除率對比如圖5所示。由表7可以看出，處理后礦井水的各項指標均達到設計出水水質要求，更滿足標準要求，主要溶解性鹽類去除率都在85%以上。從圖5可以看出，溶解性鹽類以氯離子、鈉離子為主，碳酸氫根、硫酸根次之，其他離子很少。除鉀離子含量極低(≤15 mg/L)，導致去除率在85%左右，其他一價離子去除率都超過90%；二價離子的去除率都在99%以上，優于反滲透技術指標的要求，一價、二價離子去除率的分布規律也符合反滲透系統的技術特性。

圖4 乳化液配制用水處理站現場運行照片Fig.4 On-site operation photos of the water treatment station for emulsion preparation

圖5 主要溶解性鹽類含量及去除率對比Fig.5 Comparison of main dissolved salt content and removal rate

表7 礦井水現場試驗去除率計算結果Table 7 Calculation results of removal rate of mine water field test

4.3 處理效果

在近7個月的實際運行中，該設備處理運行穩定、可靠，抗沖擊負荷能力強，離子去除單元運行穩定正常，脫鹽率一直保持在95%以上。研發設計的MK-RHY-BP2型乳化液配制用水處理站的使用大大減少了水中雜質的含量，減少了液壓支架冒液、竄液現象的發生。而且，綜采工作面未使用水處理站前，每個開采周期支架拆解大修率約為80%～85%；使用水處理站后，每個開采周期支架拆解大修率將為55%左右，拆解大修率降低25%～30%，安全和經濟效益顯著。

5 結論

(1)煤礦礦井水作為重要的非常規水資源，存在懸浮物、硫酸鹽、氯化物等超標問題，限制了礦井水的回收和利用；將礦井水在井下處理并回用，針對井下不同用水需求，開發相應礦井水處理技術和裝備，實現礦井水就地處理、就地利用，具有顯著的經濟和環境效益，可作為煤礦礦井水開發和利用的一種途徑。

(2)針對礦井水懸浮物去除，采用常規混凝、沉淀、過濾處理工藝處理后，由于混凝劑PAC、絮凝劑PAM投加和管道運輸污染，導致礦井水凈化處理后水中的顆粒物直徑普遍增大，處理后的礦井水所含剩余顆粒物粒徑普遍增大1到2個數量級。采用濾材為“50 μm+20 μm+10 μm”組合過濾方案，進水濁度在130 NTU以下時，實現了出水濁度小于3 NTU，滿足深度處理進水需要。

(4)針對煤礦井下綜采工作面乳化液配置用水要求，研發了由“壓力調節單元、懸浮物去除單元、離子去除單元”組成的礦井水井下處理后回用為綜采工作面乳化液配制用水工藝。開發了MK-RHY-BP 2型乳化液配制用水處理設備，實現綜采工作面液壓支架拆解大修率降低25%～30%，同時提高了礦井水利用率，減少地表取水，安全、經濟、環境效益顯著。