1、高 SS 浓度下“超磁分离+自清洗过滤”矿井水处理技术探究丰 云 雷（山东兖矿设计咨询有限公司，山东 邹城 273500）摘 要：石拉乌素煤矿矿井水处理采用“超磁分离+自清洗过滤”技术，在井下对矿井水进行粗煤泥回收和重介速沉处理。分析了处理前、后矿井水中 4 个关键指标的降低量，探究了重介速沉技术的原理，构建了一套可有效处理矿井水质的技术方法，成功实现了矿井水的再利用。关键字：矿井水处理；粗煤泥回收；重介速沉；污染因子中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0088-04Research on mine water treatment technolog
2、y of super magnetic separation+self-cleaning filtration under high SS concentrationFENG Yunlei（Shandong Yankang Design Consulting Co.Ltd，Zoucheng273500，China）Abstract:The treatment of mine water in Shilawusu Coal mine adopts the technology of super-magnetic separation+self-cleaning filtrationto reco
3、ver coarse coal slime and treat the mine water with heavy medium and rapid sedimentation.This paper analyzes the reduction of fourkey indexes in mine water before and after treatment,probes into the principle of heavy medium rapid sedimentation technology,constructs aset of technical methods that ca
4、n effectively treat mine water quality,and successfully realizes the reuse of treated water quality.Keywords:mine water treatment；coarse slime recovery；heavy medium sedimentation；pollution factor0引言矿井水为煤炭井工开采过程中，因与煤岩层接触或受人为因素影响，其水质发生一系列的物理、化学甚至生化反应，而具备显著煤炭行业特征，不可直接用于生活和工业生产的一类水源。因赋存条件、开采条件及水质等影响因素的不
5、同，矿井水的治理技术也各有差异。而矿井水中常见的污染因子以 SS 和 COD居多，主要污染物是煤粉、岩粉等无机污染物。因此，如何精准、高效的去除矿井水质中的污染成分，减少水仓清仓次数，同时将矿井水再利用至关重要。水是人类的生命之源，我国是一个水资源相对匮乏的国家，十八大以来党和国家高度重视水资源的保护及再利用工作，为贯穿 十二五规划纲要 保障矿山地区水资源可持续利用，2013 年国家发改委和国家能源局联合出台了 矿井水利用发展规划1。矿井水的处理再利用是实现水资源保护的重要举措。在矿井水处理方面，众多学者开展了大量的科学研究工作，徐慧 2 等基于分型理论，以分维数中的容量维为核心基本量，提升了
6、矿井涌水量预算的精准度。煤矿开采条件下矿井水处理和再利用方面，学者开展了大量研究工作 3-6。张建军 7 以哈拉沟煤矿为案例构建了矿井水综合利用管理模式，成功实现了井下水复用、矿井水净化处理，最终将矿井水变为可再利用的水资源。1矿井地质概况石拉乌素煤矿井田范围内地表大部被第四系风积沙所覆盖，局部有白垩系下统地层出露，植被稀疏。根据核实报告资料，井田内地层由老至新发育有：三叠系上统延长组（T3y）、侏罗系中下统延安组（J1-2y）、侏罗系中统直罗组（J2z）、侏罗系中统安定组（J2a）、白垩系下统志丹群（K1zh）和第四系（Q）。1.1本文水处理涉及可采煤层1）2-1 煤层。位于延安组第三岩段（
7、J1-2y3）上部，2 煤组的顶部。煤层厚度 02.87 m，平均 0.64 m；可采厚度 0.801.40 m，平均 1.04 m。煤层埋藏深度560694 m，平均埋深 614 m。顶板岩性多以砂岩为主，次为砂质泥岩，底板岩性多为砂质泥岩为主。2）2-2 上煤层。位于延安组第三岩段（J1-2y3）中部，2 煤组的底部。煤层平均可采厚度 5.17 m。煤层埋藏深度 589729 m，平均埋藏深度 655.73 m。与 2-2 中煤层间距为 0.2030.55 m，平均 4.09 m。煤层顶板岩性以砂质泥岩、粉砂岩为主，底板岩性以砂质泥岩为主，局部为中细砂岩。3）2-2 中煤层。位于延安组第三
8、岩段（J1-2y3）中部，2 煤组的底部，煤层平均可采厚度 4.09 m。煤层埋藏深度 638751 m，平均埋深 669 m。与 3-1 煤层间距为 6.7242.28 m，平均 19.47 m。煤层顶板岩性以砂质泥岩、粉砂岩为主，底板岩性以砂质泥岩为2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷88DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.018主，局部为中细砂岩。1.2水文概况本矿井主要含隔水层自上而下为第四系全新统风积砂层（Q4eol）孔隙潜水含水层、第四系上更新统萨拉乌素组（Q3s）孔隙潜水含水层、白垩系下统志丹群（K1zh）及侏罗系中统（J2）直罗组孔隙潜
9、水承压水含水层、侏罗系中下统延安组顶部隔水层、侏罗系中下统延安组（J1-2y）碎屑岩类承压水含水层、侏罗系中下统延安组底部隔水层、三叠系上统延长组（T3y）碎屑岩类承压水含水层。通过 煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准（MT/T 1091-2008）中垮落带导水裂隙带最大高度经验公式计算和中国矿业大学对石拉乌素煤矿首采工作面导水裂隙带高度进行监测表明，开采 2-2 上煤层顶板全部垮落产生的导水裂隙带穿过位于 2 煤组顶板与直罗组间的侏罗系中下统延安组顶部隔水层，并且导水裂隙带最大高度将达到直罗组含水层中，经验公式计算结果参照钻探数据显示，导水裂隙带发育高度未到达侏罗系安定组地层内。
10、因此，根据煤层开采产生的采动裂隙对含水层的影响，侏罗系中统直罗组含水层、侏罗系中下统延安组碎屑岩类承压水含水层为井田的直接充水含水层；全新统风积砂层孔隙潜水含水层、上更新统萨拉乌素组孔隙潜水含水层、白垩系下统志丹群含水层孔隙潜水承压水含水层、三叠系上统延长组碎屑岩类承压水含水层为区内间接充水含水层。综上，基岩含水层中的承压水将是矿井充水的主要水源。221、222 盘区开采期间矿井正常涌水量 2 060m3/h，最大 3 000 m3/h。但就目前矿井涌水情况看，正常涌水量约 1 360 m3/h，其中采空区泄水和顶板疏放水约 1 020 m3/h，采掘工作面及其他地点涌水约340 m3/h。采
11、空区泄水和顶板疏放水约 1 020 m3/h，为清水，不经过矿井水处理站处理直接进入水仓。故开采期间进入水处理站的最大水量为 1 980 m3/h。2矿井水处理工艺由于井下水处理站没有水量调节能力，所有排水必须及时进行处理，因此设计处理能力应按最大涌水量选取。本工程的设计规模确定为 2 000 m3/h（4套 500 m3/h），考虑井下涌水量的不确定性及井下施工难度大、后期工程矿建施工会影响前期设备运行等因素，预留 2 套 500 m3/h处理能力所需的矿建工程及设备基础，待井下排水量增加时再进行设备安装，矿建施工一次完成。考虑到井下涌水量较大，水质不稳定，SS 浓度变化加大，而矿井水中的主
12、要污染物煤粉粒径分布不均，若回收其中大颗粒煤粉，可增加矿井经济效益，减少预处理系统的负荷。因此，本项目在井下实施采用粗煤泥回收和矿井水预处理 2 套处理工序相结合的方式，以求减少中央水仓清仓次数和处理后矿井水达到 煤炭工业污染物排放标准 的相关要求。2.1粗煤泥回收工艺根据现有预沉巷道布置位置、汇水条件、周围胶带运输机的设置情况，拟在现有 221 采区南、北翼预沉巷道的进水端设置 3 套粗煤泥回收系统。各采掘工作面的涌水分别汇至 3 组预沉巷道，每组预沉巷道包含 2 条巷道，经预沉后再自流入车场附近的矿井水预处理系统，经混凝沉淀后排入水仓。为降低运行成本，采取对沉淀池底流煤泥进行回收处理的措施
13、，选取不同处理能力的回收系统，其中北翼 2 组预沉巷道的进水口前各设 1 套，分别为 150 m3/h 和200 m3/h；南翼预沉巷道入口前设 1 套 200 m3/h。2 套均采用同一工艺流程，如图 1 所示。图 1粗煤泥回收工艺流程图粗煤泥回收系统采用“旋流器+高频筛分离”技术如图 2 所示，在预沉巷道前端新建一座沉淀池，设潜污泵，将沉淀池底流打入旋流器，旋流器底流进入高频振动筛，进行煤水分离，筛上回收的粗煤泥直接落入皮带运输机，进入煤流；筛下水自流入预沉巷道。经过初步沉淀的矿井水再通过水沟进入新建预处理系统调节池，然后进行处理，处理后的清水自流力排入水仓。图 2旋流器+高频脱水筛系统组
14、合示意图2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷892.2矿井水预处理工艺井下矿井水预处理工程设计选用重介速沉工艺，工艺如图 3 所示。图 3矿井水预处理工艺流程图经粗煤泥回收系统处理后流入排水沟的水经收集后，进入矿井水预处理系统，初级处理水经一台机械格栅，去除水中大块杂物，然后流入调节预沉池，利用污水提升泵排入重介速沉水处理设备如图 4 所示，混凝段和反应段系统通过投加混凝剂（PAC 和PAM）和重介质，使悬浮物在较短时间内形成以重介质为载体的“微絮团”；沉淀去除水中的悬浮物质，混凝沉淀后的水自流进入现有水仓。调节预沉池底部沉淀的煤泥定时用刮吸泥机排到排泥沟自流至污泥池，通过污泥池内的潜
15、污泵将污泥排至污泥浓缩池。重介速沉水处理设备产生的污泥经过污泥回流系统回流并经旋流除砂器分离后，产生的微砂回收利用，产生的污泥进入污泥浓缩池，污泥浓缩池上清液回流至调节预沉池，污泥浓缩池中的污泥定期由泵排至采空区，由于采空区的空间难以计算，设计布置 2 台压滤机作为备用脱水设备，脱水后滤液排入进水沟进入调节沉淀池，压滤后的泥饼采用胶带机运至北部 221 集运巷的胶带机上。重介速沉终处理后的水既为最终水质，汇流入井底水仓，备井下和地表消防使用。图 4重介速沉水处理设备重介速沉水处理过程如下：1）一级反应区。首先要投加混凝剂（铝盐或铁盐）对这些微粒进行脱稳，混凝剂在混凝池中通过快速的机械搅拌达到快
16、速和完全的扩散。2）二级反应区。将粒径大约为 100150m 的微砂投加到二级反应区中，并通过搅拌加速其反应，同时微砂持续循环以增加凝聚的机率，保证合适的絮体以增加它们的增长速率和重量。3）三级反应区。三级反应区的作用是为了形成大的絮凝体。在该阶段中尽管其搅动烈度小于先前的混凝阶段，但也足够能保持絮体的悬浮。4）沉淀池。经过三级反应后，水进入沉淀池的底部，然后从斜管底部向上流至出水渠。颗粒和絮体沉淀在斜管的壁上并在重力的作用下滑至池底。5）微砂的回收和污泥的排除。微砂加速沉淀的污泥被沉淀在池底，刮泥机把沉淀下的微砂和污泥混合物刮向中心坑中。污泥循环泵连续抽取集中在中心坑中的混合物，其流量依赖于进水水质。微砂和污泥的分离。循环泵把微砂和污泥输送到砂水分离器中。微砂和污泥的分离采用离心原理，砂水分离器把微砂从污泥中分离出来，并将分离出来的微砂直接投加到二级反应区。污泥从分离装置上部溢出流向；污泥系统。砂水分离器能保证微砂和污泥的高效分离。通过砂水分离器溢流损失的微砂极少，这个损失可以间断进行手动投加补充。排除的污泥中含有很少量的微砂，且不会对污泥的性质和处理产生特别的影响，其污泥可以进行预
