煤礦井下采空區涌水井下處理復用技術實踐

馬 騁,宋 燾,張孝斌,宋奇波

(1.陜西陜煤黃陵礦業有限公司,陜西 延安 727307;2.應急管理部煤礦智能化開采技術創新中心,陜西 延安 727307)

0 引言

我國煤炭資源近 80%分布在西北和華北地區,由于煤炭開采及其產業鏈迅速發展,導致水資源匱乏。將礦井水進行處理利用是解決礦區缺水問題的主要途徑之一[1]。早期礦井水資源在井下處理復用大多采用清濁分流、井下水倉預沉等措施,但未對礦井涌水進行深度處理,且處理后的水大部分用于井下灑水滅塵等[2-3],不能有效進行水資源循環利用,礦井涌水排至地面,在地面水處理系統進行處理后再返回井下,需要專門鋪設管路,費用成本極高。神東礦區結合礦井污水和采空區及其充填物的特點,已經開發了礦井污水采空區過濾凈化技術[4-6],但采空區涌水仍含有大量礦化物,同時各礦區井下地質條件不同,因此不能大面積進行推廣應用[7-10]。

目前,地面水處理技術已較為成熟,將地面水成熟的處理技術應用至煤礦井下采空區涌水處理過程中,建立煤礦井下采空區涌水處理復用系統,研究開發模塊化、工藝流程更加簡潔的礦井水井下處理系統,使部分礦井采空區涌水在井下就地實現循環利用,在技術上是可行的。同時,處理后的水可以直接在井下接入礦井主供水系統,可節省大量的礦井供排水費用,對開采年限久、供水系統距離較長的礦井來說,其經濟效益更為顯著。

1 井下涌水情況

黃陵一號煤礦目前礦井井下的正常涌水量為360 m3/h,其中來自采空區涌出清水245 m3/h,生產污水120 m3/h。本系統建立后主要處理的礦井涌水為北一盤區、三盤區采空區自流水。礦井采空區涌水主要是地下水,水質情況復雜,無法直接用于生產。根據采空區水量統計情況,北一區域涌水量為125 m3/h,因此整體水處理系統設計處理能力為3 000 m3/d。設計進水水質以實際檢測結果確定,具體指標見表1。

表1 進水水質檢測結果

根據檢測結果反映,進水水質特點為硬度高,氯離子含量、硫酸根離子含量高,含鹽量高,無法直接作為生活飲用水,也無法直接采用反滲透技術[8-10]。由于大量硫酸根和鈣、鎂離子的存在,使反滲透裝置(RO)濃水測的CaSO4濃度積遠遠超出關于反滲透系統設計導則中 CaSO4≤230%的規定,極易生成 CaSO4結垢。

2 處理工藝流程

處理工藝流程如圖1所示。礦井涌水經管道收集后進入污水處理站調節池,在調節池內均勻水質水量后進入混凝分離系統,在混凝分離系統前端加藥調節廢水pH值,再經混凝分離池進行固液分離,通過膜的過濾作用將污水中的各類污染物去除,出水后進入中間水池,出水通過中轉泵泵入保安過濾器,再經高壓泵泵入RO系統,RO系統產水進入成品水池,回用于主供水系統,成品水進入主供水管網,RO系統濃水進入濃水池再排入井下主水倉后排至地面污水處理站進行二次處理。該工藝出水回用率可達60%及以上,主要出水指標可達:SS≤10 mg/L、氯化物≤250 mg/L、TDS≤1 000 mg/L、硫酸鹽≤250 mg/L、總硬度(CaCO3計)≤450 mg/L等。

圖1 工藝流程

3 系統設計分析

3.1 整體結構

系統主要由調節池、配水池、混凝分離系統、RO膜反滲透系統、成品水池、濃水池以及控制系統組成,整體結構如圖2所示。

圖2 系統整體結構

3.2 井下組合池

組合池主要為半地埋水池,設配電點一處,總長344.53 m,寬度4.9 m,深度2.70～4.10 m。包括調節池、反應池、配水池、混凝分離池、中間水池、成品水池、濃水池。

組合池結構主體為一層,水池上部凸出地面最大高度約2.50 m,池體最大深度4.1 m,箱體結構,主要為污水處理構筑物。結合工藝建(構)筑物布置。地下水池底板板厚平均為300 mm,部分巷道變形點做加厚調整。水池壁板壁厚平均為200 mm,根據不同受力情況做加厚調整。組合池頂梁截面為250 mm×500 mm;一層池頂板厚150 mm,采用主次梁現澆梁板結構。為避免池內采用20厚1∶2防水砂漿粉刷,墊層材料采用C20混凝土(厚100 mm)。盛有腐蝕性溶液的水池內部采用玻璃鋼環氧樹脂防腐措施。

3.3 混凝分離系統

混凝分離系統由反應池、配水池、混凝分離池組成。原水經過收集,通過泵和管路排入調節池,調節池的曝氣系統對水質進行曝氣處理后,由提升泵排入混凝分離系統,通過加藥調節水中的pH值,再經混凝分離器進行固液分離,將水中各類污染物、雜質進行初步過濾。混凝分離池中采用了特種集成膜分離技術,該技術是在不添加鐵鹽、鋁鹽、PAM等混凝劑的情況下,先利用微濾膜對污水中的懸浮物、微顆粒進行物理分離,后出水進一步通過反滲透系統,去除分離水中鹽分離子,實現高品質出水[11-12]。由于原水經過調節池后水質水量較為均勻,水質成分較簡單,有機物濃度較低,多為懸浮物質、鹽分,可采用物理分離作用實現有效治理。特種集成膜分離工作原理如圖3所示。

圖3 特種集成膜工作原理示意

3.4 RO反滲透系統

3.4.1 保安過濾器

為保證混凝分離系統產水可以滿足反滲透進水要求,同時防止超濾出水至反滲透進水段管路水質受到污染。因此,在RO反滲透系統前設置保安過濾器,過濾精度 5 μm,濾芯采用熔噴式聚丙烯材質。

3.4.2 RO膜反滲透系統

系統設計6套反滲透裝置,包含90支杜邦8040抗污染型聚酰胺復合膜。膜面積37.16 m2,膜組件一級二段式,一段與二段按2∶1排列,設計回收率70%,處理能力3 000 m3/d;回收率60%;產水量為1 800 m3/d;產生濃水量為1 200 m3/d。

3.4.3 清洗裝置

反滲透系統設2套清洗裝置,可實現系統在線清洗與離線清洗,在線清洗時采用0.5%～1%亞硫酸氫鈉溶液為介質。離線清洗時采用0.1%～0.2%氫氧化鈉溶液、0.5%～0.8%鹽酸溶液、1%～2%亞硫酸氫鈉溶液為介質,充分保證系統清潔,同時有效提升RO膜使用壽命。

3.5 恒壓供水系統

系統配備2臺流量110 m3/h立式多級離心泵以及2臺流量25 m3/h臥式離心泵接入礦井供水系統。同時,配備了變頻系統,實現了恒定壓力接入礦井主供水管網。

3.6 集中控制系統

系統配置選用西門子S7-1500為主要控制系統,操作系統具備遠程、就地、調試3種控制模式,操作人員可采用不同的方式控制設備啟停。同時配置了KXJ5-1140/660型隔爆兼本安型控制箱、隔爆型工藝儀表、本安型觸摸屏級外圍傳感器、高清攝像儀等智能監控設備,并通過礦井主環網將井下控制系統監控數據上傳至地面控制中心上位機,實現了地面控制中心遠程實施監控。控制系統界面如圖4所示。

圖4 控制系統界面

4 系統運行結果及效益分析

4.1 系統運行結果

2022年9月黃陵一號煤礦礦井水復用水站所有設備均已完成安裝并正常投入使用。截至目前,所有設備均正常穩定運行,出水水質穩定達標。同時委托第三方檢測公司對成品水水質進行了檢測,檢測結果顯示所有指標均符合飲用水要求。

4.2 經濟效益分析

系統正常運轉后,運行期間,調節池進水量約為2 000 m3/d,成品水產水量約為1 150 m3/d,濃水產水量約為850 m3/d,并對電費、藥劑費和人工費進行按實核算,膜和濾芯更換費用、維修保養費和折舊費按使用期限核算,處理成本約為1.55元/t,處理費用為5 100元/d,外購自來水需要4.9元/m3,每年產生的經濟效益為(4.9-1.55)×1 150×365/10 000=140.6萬元。

5 結論

(1)采用混凝分離系統無需設置砂濾、碳濾,不產生反沖廢水、濾層流失,維護管理簡單;不加混凝劑,污泥排放量少,采用機械排泥,便于操作;該系統不加入絮凝劑,減少了對RO膜的堵塞問題,延長了膜使用壽命。

(2)通過將水處理復用系統建設在煤礦井下,可以大大減少井下水排至地面后處理的管路建設等費用,同時將處理后的清水作為井下供水系統的補充水源,可以減少礦井自來水消耗,有效節約水資源的同時緩解礦井用水壓力。

(3)該工藝組合具有流程簡單、出水水質穩定、能耗低、占地面積小、建設周期短、自動化程度高等優點,適合煤礦井下建設。