井下千米鉆機(jī)煤泥水就地循環(huán)利用工藝研究

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(guó)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(cāng)，需要從井下再抽排到地面，日耗水量巨大。以一臺(tái)鉆機(jī)12 m3/h水量消耗計(jì)算，一臺(tái)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(duì)于煤礦排水和供水都是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。此外，超長(zhǎng)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(guó)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(cāng)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(huì)、安全、經(jīng)濟(jì)價(jià)值非常可觀。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(duì)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(cè)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(cè)Table 1 Water quality testing from underground drilling hole

1.2 顆粒物分級(jí)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(jí)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(jí)含量?jī)H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(jí)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(jí)的煤泥水自然沉降2 h，檢測(cè)其自然沉降特性。目測(cè)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(cè)含固率為825 mg/L，效果不理想。因此，對(duì)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(duì)上清水進(jìn)行進(jìn)一步的澄清過濾。

對(duì)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(duì)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(cè)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(wú)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(jiǎn)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(cè)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(dòng)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(jí)煤泥水直接過流過濾時(shí)，循環(huán)時(shí)間明顯增長(zhǎng)，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(duì)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(huì)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(jí)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(jiǎn)單越好，因此在試驗(yàn)時(shí)，壓濾的過濾動(dòng)力僅來自入料泵，并未進(jìn)行隔膜壓榨、穿流吹餅等，僅對(duì)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(duì)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(jí)攪拌桶中，分別加入PAC和PAM，分兩級(jí)充分?jǐn)嚢柚螅M(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(cè)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(wú)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(duì)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(duì)pH值的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(huì)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(duì)于實(shí)現(xiàn)煤礦安全排水、安全生產(chǎn)具有重要的意義。

［1］劉 勇，孫亞軍，王 猛.礦井水水質(zhì)特征及排放污染 ［J］.煤礦環(huán)保，2007，13(3):82－85.

［2］孫立勤.酸性礦井水的危害和防治 ［J］.煤炭技術(shù)，2007，26(12):53－54.

［3］郭中權(quán)，王守龍，朱留生.煤礦礦井水處理利用實(shí)用技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(7):3－5.

［4］何緒文，肖寶清，王 平.廢水處理與礦井水資源化［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008.

［5］莫 樊，郁鐘銘，吳桂義，等.煤礦礦井水資源化及綜合利用 ［J］.煤炭工程，2009(6):103－105.

［6］劉冬梅.礦井水的水質(zhì)及處理工藝 ［J］.山西建筑，2011，6(2):102－104.

［7］王平霞，呂志遠(yuǎn)，李和平.含氟水處理技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］.內(nèi)蒙古水利，2008(4):90－91.

［8］劉業(yè)獻(xiàn)，楊瑞斌.唐口煤礦礦井水的井下處理與復(fù)用［J］.煤，2007，16(4):46－47.

［9］謝廣元，施秀屏，歐澤深.煤泥水處理中絮凝劑的正確選擇和使用 ［J］.選煤技術(shù)，1996(4):33－36.

［10］李少章，高琳玉，張志誠(chéng).絮凝劑性質(zhì)對(duì)不同煤漿絮凝效果的影響［J］.選煤技術(shù)，1996(6):24－27.