檸條塔煤礦南翼井下礦井水處理站方案設計

何 剛，李改翠

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

檸條塔煤礦位于陜西省神木市西北部，距神木市約36 km，行政區劃隸屬神木市孫家岔鎮、麻家塔鄉。井田面積119.8 km2，生產能力 18.00 Mt/a，服務年限為97.93 a。目前礦井已投產10 a，隨著開采范圍的擴大，井下涌水量也隨之增大。近年來環保政策收緊，為了實現水資源的循環復用，節省地面用地，減少排水能耗，達到綠色礦山和安全環保的要求，實現檸條塔煤礦可持續性發展戰略，因此，檸條塔煤礦南翼井下礦井水處理亟需研究解決。

1 礦井概況

檸條塔礦井占地面積約119.8 km2，生產能力18.00 Mt/a，主要可采煤層為9層，礦井采用斜井多水平開拓，一水平劃分 2個盤區(北一盤區和南一盤區)，開采 1-2上、1-2、2-2上、2-2、 3-1號煤層，二水平劃分 2個盤區(北二盤區和南二盤區)，開采4-2、4-3、5-2上、5-2號煤層，礦井為低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險性，煤層為自燃煤層，水文地質條件中等，井田內無大斷層、陷落柱，開采技術條件簡單。

目前投入使用的井筒共6個，為主斜井、1號副斜井、2號副斜井、北翼回風斜井、南翼回風斜井、南翼進風斜井。

采煤方法采用綜合機械化采煤，一次采全高垮落式管理頂板方法，現開采北一盤區2-2號煤和南一盤區2-2號煤。

2 井下礦井水處理站建設方案

2.1 井下礦井水處理站位置選擇

2.1.1 選擇原則

礦井水處理站位置選擇原則：①盡量靠近南翼風井井底及大巷方便運輸系統、通風系統連接，減少聯絡巷，節省井巷投資；②井下水處理站應布置在穩定煤(巖)層中，保證工程安全；③巷道系統盡量布置在永久煤柱內，減少煤柱留設；④靠近井下采空區積水區，減少管線長度和排水能耗；⑤盡量利用井下已有巷道系統和設施。

2.1.2 位置選擇方案

根據井下水處理工藝的特點，結合井下采掘工程現狀，鑒于南翼井下礦井水處理站主要服務范圍為井田南翼區域，因此，井下水處理站大致方位布置在南翼風井井底附近的2-2號煤層中。設計提出3處位置進行方案比選。

方案一：東部位置方案。位于南翼風井井底東部100 m附近，緊鄰南翼2-2號煤大巷，主運輸、輔助運輸及回風系統連接方便。

方案二：西部位置方案。位于南翼風井井底西部100 m附近，緊鄰南翼2-2號煤大巷和S1207工作面巷道，主運輸、輔助運輸及回風系統連接方便，能夠充分利用現有巷道。

方案三：北部位置方案。位于南翼風井井底北部400 m附近，緊鄰S1207工作面巷道，能夠充分利用現有巷道，主運輸、輔助運輸連接方便；但距離南翼2-2號煤大巷較遠，回風系統連接較遠。

經比選，方案一(東部方案)位置開闊，無其他巷道干擾，但是方案一需要施工2個立交，影響礦井正常生產，施工較麻煩，工期較長；方案三(北部方案)雖然可以能夠充分利用現有的S1207工作面巷道，主輔運輸巷道不需要再做立交工程，不影響礦井正常生產，但是方案三所處的位置受S1209工作面巷道干擾，布置空間比較受限，且遠離大巷和井底，回風和排水距離長；方案二(西部方案)位置開闊，主輔運輸可利用現有的S1207工作面巷道，回風可直接與2-2號煤南翼回風大巷連接，不影響礦井正常生產。因此，井下礦井水處理站位置推薦方案二。

2.2 井下礦井水處理站巷道系統布置

井下水處理站巷道及硐室均布置在2-2號煤中，分別由一號、二號水處理設備間、設備檢修通道、污水倉(利用現有)、凈水倉、凈水排水泵房、配電室、堆渣硐室、無軌膠輪車排渣巷、井下水處理站檢修巷、井下水處理回風巷等組成[1-2]。井下水處理站巷道系統布置如圖1所示。

圖1 井下水處理站巷道系統布置Fig.1 Roadway system layout of underground water treatment station

3 井下礦井水處理站規模及進、出水水質

3.1 設計規模

礦井南翼井下排水量正常涌水時1 100 m3/h，最大涌水時1 500 m3/h。根據井下涌水量確定井下礦井水處理站的處理規模為1 500 m3/h，采用2套并列運行的處理系統，單套處理能力750 m3/h。

3.2 進水水質

根據水質檢測報告數據，濁度及總大腸菌群超標，其余水質監測項目均未超標。考慮到井下進水水質存在波動情況，懸浮物最大濃度按照2 000 mg/L的最不利情況考慮，因此主要去除對象為懸浮物和總大腸菌群。

3.3 出水水質

出水一部分復用于井下消防、灑水，多余部分達標排放。1 500 m3/h原水經處理后，出水水質應滿足《煤炭工業污染物排放標準》(GB20426—2006)及《煤礦井下消防、灑水設計規范》(GB50383—2016)，其中1 000 m3/h復用于井下消防、灑水，剩余500 m3/h結合陜西省生態環境廳關于煤炭開采礦井水外排管理有關問題的函(陜環法規函〔2020〕32號)，達到《陜西省黃河流域污水綜合排放標準》DB61/224—2018和《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)Ⅲ類水質標準外排[3-6]。

4 井下礦井水處理工藝

4.1 沉淀工藝的選擇

目前礦井水沉淀工藝主要有：①高效煤泥水凈化器。設備高度一般都在9 m以上，由于巷道高度和寬度限制，基本難以在井下布置；②高密度迷宮絮凝反應沉淀池。結構復雜，占地面積大，布置在井下施工難度太大；③水力循環澄清池。占地面積大，投資太高；④重介速。是在混凝段添加150～180目的二氧化硅，增加其懸浮物比重來縮短水力停留時間，但因其空間體量、占地、處理能力等因素原因，基本沒有井下應用的可能性，目前也沒有井下成功應用案例；⑤磁分離。投加高比重磁種作為礦井水中懸浮物的絮凝內核，通過磁盤機強磁場瞬間吸附打撈實現水體中的固液分離，分離后的磁種和懸浮物自流到磁分離磁鼓機的分散箱中，通過高速分散機打散后流經磁分離磁鼓，在磁分離磁鼓中磁種被篩選出來，實現回收再利用。目前工程案例90個，在線運行處理能力可達200萬m3/h[7]。因此，推薦采用磁分離工藝作為井下礦井水的沉淀工藝。

4.2 過濾工藝的選擇

目前過濾工藝主要有：①濾布濾池。即通過覆蓋于濾盤上面的濾布，固體懸浮物被截留在濾布外側，過濾液通過中空管收集，通過溢流槽自流排出濾池。濾布濾池過濾水頭小，連續運行能耗低，占地面積小，運行和維護簡單，但對進水水質要求較高，抗沖擊負荷能力低。②多介質過濾器。是利用一種或幾種過濾介質，在一定的壓力下把濁度較高的水通過一定厚度的粒狀或非粒材料，從而有效地去除懸浮雜質使水澄清的過程，能在各種運行條件下保證出水水質，但受下井條件的限制，只能用于較小處理規模的處理站。③陶瓷超濾膜。采用無機陶瓷膜，幾乎可以截留所有的大分子物質和雜質，可以截留水中的微粒、膠體、細菌、大分子的有機物和部分的病毒，具有性能穩定、抗污染能力強、占地面積小、出水水質好等優點，但設備費用較高，附屬設施較多，后期運行維護費用較高。④Ⅴ型濾池。采用均質濾料，濾層含污量大，濾后水質好，過濾周期長；等水頭等速過濾，當一格反沖洗時，進入該池的待濾水大部分進行表面掃洗，其他未沖洗格濾池不至于增加過多水量，也就不會產生沖擊作用；反沖洗引起濾層微膨脹，發生位移、碰撞，濾料反復摩擦，污泥及時排出；配水布氣均勻，沖洗到濾層各處，不產生泥球，不板結濾層。近年來，Ⅴ型濾池在我國應用廣泛[8]，適用于大、中型水廠，并越來越多的應用于污水處理中[9-13]。過濾工藝的比選見表1。

表1 過濾工藝比選

通過表1比選，綜合處理規模，下井運輸，進、出水水質要求及后期的運行費用等方面，設計推薦采用Ⅴ型濾池作為過濾工藝。

4.3 工藝流程

綜上所述，最終確定的處理工藝流程為：預混凝沉淀+混凝+磁分離+Ⅴ型濾池+消毒，工藝流程如圖2所示。

圖2 井下礦井水處理工藝流程Fig.2 Process flow of underground mine water treatment

5 結語

檸條塔礦井南翼井下礦井水處理站設計，將處理站布置在井下，采用先進的磁分離沉淀工藝和可靠的V型濾池過濾工藝，實現了礦井水井下就近達標處理，井下循環復用先進理念，有效節省了占地面積，減少了排水能耗，達到了綠色礦山和安全環保的要求，對檸條塔礦井今后的可持續發展具有重要意義，也為其他類似礦井的井下礦井水處理工程提供了一定的經驗和借鑒。