淮南礦區(qū)礦井水井下處理技術(shù)研究與應(yīng)用

李 翠 ，毛維東 ，陳永春，郭中權(quán)，陸春輝

(1.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001；2.煤科集團(tuán)杭州環(huán)保研究院，浙江杭州311201)

淮南礦業(yè)集團(tuán)是我國十三個(gè)大型煤炭基地、 六個(gè)煤電基地和國家首批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)企業(yè)之一，礦井水的資源化利用是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排目標(biāo)的重要基礎(chǔ)[1]；淮南礦區(qū)礦井水中溶解性總固體、氯離子等含量較高，經(jīng)過凈化處理無法滿足生產(chǎn)、生活等對(duì)水質(zhì)要求較高的方面[2]，尤其是井下配制乳化液用水要求氯化物小于200 mg/L，必須進(jìn)行相應(yīng)的反滲透深度處理。由于煤礦井下生產(chǎn)的特殊性，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面看在地面對(duì)礦井水進(jìn)行深度處理都不是合理的做法，因此針對(duì)淮南礦區(qū)的水質(zhì)特性研究礦井水井下處理的技術(shù)就顯得尤為必要。

1井下供用水分析

1.1供水特性

淮南礦區(qū)目前共有14對(duì)生產(chǎn)礦井，通過對(duì)其中8對(duì)新建礦井的礦井水水質(zhì)研究可以看出，這些礦井水均屬于高氯化物型高礦化度礦井水，氯化物含量占溶解性總固體(TDS)的30%～50%不等，水質(zhì)分析結(jié)果見表1。TDS在1 000 mg/L～3 000 mg/L之間，氯化物在350 mg/L～1 200 mg/L之間，硫酸鹽絕大部分小于250 mg/L。這部分煤礦供用水系統(tǒng)相對(duì)完善，井下用水以經(jīng)過地面凈化處理的礦井水為主，供水管路均為碳鋼管道；個(gè)別煤礦在地面建有反滲透為主的礦井水深度處理設(shè)施，處理后的礦井水主要供地面鍋爐等。

表1 淮南礦區(qū)新建礦區(qū)礦井水水質(zhì)單位：mg/L

1.2 用水需求

煤礦井下用水主要為噴霧降塵、設(shè)備冷卻、配制乳化液等，其中配制乳化液用水水質(zhì)要求最高，根據(jù)《煤礦企業(yè)礦山支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)--液壓支架（柱）用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》MT76-2011，pH值要求6～9，氯化物要求小于200mg/L。可見，淮南礦區(qū)礦井水均不能滿足上述要求，尤其是氯化物，部分水樣超標(biāo)接近五倍；目前，未經(jīng)深度處理的礦井水在實(shí)際使用中極易導(dǎo)致綜采設(shè)備，尤其是液壓閥等部件結(jié)垢、堵塞，影響井下生產(chǎn)的正常進(jìn)行，甚至造成安全隱患。

2 處理技術(shù)

2.1 工藝選擇

礦井水深度處理前，通常要進(jìn)行預(yù)處理以去除其中的物理雜質(zhì)，防止化學(xué)結(jié)垢[3]，滿足深度處理的進(jìn)水要求。

圖1是淮南礦區(qū)某煤礦未經(jīng)處理的礦井水和經(jīng)過處理后供到井下管網(wǎng)的礦井水粒徑分布圖。可以看出，未經(jīng)處理的礦井水所含顆粒物主要分布在 0.1～40 μm 之間， 其中 2～38 μm 直徑的顆粒含量都高于0.5%，是其主要分布區(qū)。經(jīng)過處理后的礦井水供到井下管網(wǎng)后所含顆粒物的直徑較未處理的礦井水變大，顆粒物主要分布在2.5～600 μm之間，同時(shí)管路輸送過程中摻雜進(jìn)來的顆粒物也普遍較大，可以達(dá)到mm級(jí)別，所以在進(jìn)行井下深度處理前必須進(jìn)行預(yù)處理。通過對(duì)比試驗(yàn)，我們最終選擇 100 μm+50 μm+10 μm 的三級(jí)介質(zhì)過濾工藝，保證礦井水中所含物理雜質(zhì)滿足深度處理進(jìn)水要求。

圖1 礦井水粒徑分布圖

化學(xué)結(jié)垢也是影響深度處理穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，在地面深度處理過程中通過阻垢劑的計(jì)量投加來延緩化學(xué)結(jié)垢的形成。阻垢劑的研究相對(duì)成熟，在礦井水井下處理過程中主要障礙為計(jì)量裝置的選擇，通常的電磁計(jì)量泵或電機(jī)計(jì)量泵均不能滿足井下防爆及煤安認(rèn)證的要求。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了依靠壓縮空氣的計(jì)量加藥系統(tǒng)，并且申請(qǐng)了國家專利[4]，原理如圖2所示。

圖2加藥系統(tǒng)原理圖

穩(wěn)定的壓縮空氣通過加藥控制器調(diào)節(jié)，控制加藥執(zhí)行器將預(yù)定量的藥劑準(zhǔn)確的投加進(jìn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)確的阻垢劑投加過程。加藥控制器和加藥執(zhí)行器皆為非用電設(shè)備，滿足井下防爆及煤安認(rèn)證要求。

2.2 處理工藝

淮南礦區(qū)均為井工煤礦，井深在1 200 m以內(nèi)[5]，超過600 m的礦井一般都設(shè)計(jì)中間水倉[6]，維持工作面供水壓力在2.0～6.0MPa之間。礦井水井下處理技術(shù)工藝流程如圖3所示。井下管網(wǎng)水通過壓力調(diào)節(jié)單元后，水壓降低至1.0～2.0MPa并維持穩(wěn)定，通過三級(jí)介質(zhì)過濾去除物理雜質(zhì)，使?jié)岫冉档偷?NTU以下，加藥系統(tǒng)投加阻垢劑后進(jìn)入以反滲透處理為主的離子去除單元，實(shí)現(xiàn)礦井水井下深度處理。出水達(dá)到MT76-2011標(biāo)準(zhǔn)要求，作為乳化液配制用水。

圖3工藝流程圖

2.3 工藝特點(diǎn)

（1）直接利用井下管網(wǎng)水的自然壓力，通過機(jī)械調(diào)節(jié)滿足設(shè)備工作要求，沒有動(dòng)力加壓設(shè)備；

（2）采用壓縮空氣計(jì)量加藥系統(tǒng)，滿足煤礦防爆及煤安要求，安全高效；

（3）工藝流程簡短，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3 處理站研制與應(yīng)用

3.1處理站結(jié)構(gòu)

礦井水井下深度處理站采用分體設(shè)計(jì)，壓力調(diào)節(jié)單元與物理雜質(zhì)去除單元作為一個(gè)整體、離子去除單元與加藥系統(tǒng)作為一個(gè)整體，減小了單體尺寸，保證運(yùn)輸與安裝維護(hù)安全、便捷。考慮到高氯化物礦井水的影響，所有過流部件均采用316L不銹鋼或復(fù)合材料，工藝部件剛性固定于設(shè)備結(jié)構(gòu)體上，管道連接為柔性接口，保證井下運(yùn)輸、安裝過程中彈性變形而不影響管道密封性能，有利于提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2處理站應(yīng)用

礦井水井下深度處理站在淮南礦區(qū)某煤礦-630工作面實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)水量6t/h，進(jìn)出水水質(zhì)見表2。

3.3 應(yīng)用效果

表2 進(jìn)出水水質(zhì)分析結(jié)果單位：mg/L

通過在淮南礦區(qū)某煤礦-630工作面的實(shí)際應(yīng)用，礦井水井下深度處理站能夠滿足井下乳化液配制用水的要求，研究確定的處理工藝運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，脫鹽率一直保持在95%以上；工作面液壓泵站、支架、電液閥等設(shè)備結(jié)垢、堵塞情況明顯減少，維護(hù)工作量顯著下降。

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