井下千米钻机煤泥水就地循环利用工艺研究

赵 龙，王辉锋

（1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012;3.中国环境科学研究院，北京 100083）

煤矿井下千米钻机主要用于抽排瓦斯，其钻孔深度一般可达几千米，工作时需要大量的清水，同时又排出大量污水。所需清水大多来自井上自来水或矿井水污水处理站出水，离钻机工作用水点往往几千米之遥，通过管道向井下输送，清水经过一次使用后就成为污水与其他矿井水一起排至水仓，需要从井下再抽排到地面，日耗水量巨大。以一台钻机12 m3/h水量消耗计算，一台钻机日耗清水量就高达288 m3，而且由于地层中可能有水，日排污水量往往超过288 m3。因此，众多千米钻机的用水对于煤矿排水和供水都是一个沉重的负担。此外，超长距离的供、排水管路维护和检修十分困难，工作环境恶劣，部分老矿的管路堵塞、锈蚀造成泄漏的问题已经比较突出，急需解决。

目前，国内外现有矿井水处理工艺与设备大多是地面处理或者直接将部分地面处理工艺引入地下水仓口处进行处理［1］，设计时并未考虑井下生产实际工况，而且大多是简单固液分离后，作为较为清洁的污水升井，也有部分作为井下除尘用水，而对于污染源头处就地处理并回用研究较少［2－3］。如果在既满足井下条件又能较好运行的情况下，在井下对矿井水进行处理，则既可解决井下设备的用水和排污问题，又可缓解水资源短缺的矛盾，同时也能节省大量供排水能耗，维持水环境平衡，为煤矿实现安全排水、清洁生产和标准化生产作出贡献，其社会、安全、经济价值非常可观。因此，研究千米钻机循环水井下就地处理及回用系统意义重大。

为此，研究以千米钻机用水水质要求作为系统工艺指标 (含固率不高于20 mg/L，pH=6～8)，通过对钻孔污水进行固液分离及精密过滤技术研究，将选煤系统中的煤泥水处理技术与矿井水处理技术相结合，实现了井下煤泥水就地澄清再利用，煤泥直接成饼装车［4－6］。

1 钻孔水固液分离特性研究

1.1 水质分析

钻孔水样品分析见表1。该样品取自晋城矿区矿井，出水为千米钻机的钻孔出水。目测该水中夹杂大量煤泥、岩粒等杂质，煤泥含量较大，较浑浊，静置10 min后呈明显的分层现象，表现为中间清澈，底部沉积有很多煤泥，而上层漂浮有少量煤泥和部分油类。据此判断，该煤泥水经过沉降后上清液必须再次精密过滤。

表1 井下钻孔出水水质检测Table 1 Water quality testing from underground drilling hole

1.2 颗粒物分级特性分析

根据粒度分析可知 (表2、表3)，该煤泥水中＞0.5 mm粒级颗粒含量较高，达到33%，而且这部分大颗粒中有一些接近10 mm的颗粒，这些颗粒成分复杂 (含有岩石颗粒)，直接沉降浓缩后，在浓缩底流的泵送过程中将可能导致设备和管路的损坏，因此，必须将这部分大颗粒先行去除。另一方面，这些颗粒粒度大多在0.5～5 mm之间，因此筛分比较容易实现固液分离。

此外，该煤泥水中的＜0.075 mm粒级含量仅为21%左右，说明该煤泥细颗粒中非煤成分杂质比较少，在水中加药后容易沉降，因此使用加药沉降方式应能够实现固液分离。

表2 全样煤泥粒度分析Table 2 Size analysis of all coal slime %

表3＞0.5 mm粒级粗煤泥粒度分析Table 3 Size analysis of coarse coal slime plus 0.5 mm

1.3 煤泥水加药沉降效果分析

首先，将＜0.5 mm粒级的煤泥水自然沉降2 h，检测其自然沉降特性。目测发现，自然沉降2 h后的上清水仍然浑浊，有细微颗粒物，经检测含固率为825 mg/L，效果不理想。因此，对该煤泥水澄清应采用加药沉降。

为了使煤泥水尽快澄清，根据加药沉降试验，将凝聚剂 (PAC)与絮凝剂 (PAM)配合使用，同时考虑到经济成本，加药量选定为:吨煤PAM用量为500～700 g，吨煤PAC用量为25～30 kg，沉降时间为5 min，处理后的上清水含固率一般在50～200 mg/L。

1.4 溢流水精密过滤效果分析

由于钻机用水要求含固率不超过20 mg/L，因此，必须对上清水进行进一步的澄清过滤。

对上清水分别采用石英砂过滤器、活性炭过滤器、袋式过滤器、保安过滤器和叠片过滤器进行过滤试验，结果见表4。

由试验结果可知，对于上清水而言，这几种过滤器的出水均能达到使用要求。但由于试验条件限制，石英砂过滤器、活性炭过滤器和叠片过滤器未达到反洗条件，因此，未能测得反洗频率;保安过滤器由多根管式膜组成，更换比较麻烦，但袋式过滤器则容易得多。因此，综合考虑反洗、更换维护等因素后，决定采用袋式过滤器。

表4 溢流水精密过滤试验效果Table 4 Precise filtration test analysis of overflow water

1.5 煤泥压滤及过流效果分析

1.5.1 煤泥压滤效果分析

底流直接压滤的目的只是要求滤饼能装车，并且不抛洒即可。由试验可知，只需依靠入料泵的压力，无需隔膜压榨、穿流吹风等复杂脱水形式，即可使滤饼水分达到35%左右，满足要求。压滤试验结果 (表5)表明，沉降底流颗粒极细，压滤效果一般，但水分处于可接受范围 (36%左右)，胶带输送和罐车输送均没有问题;滤液浓度不超过1 g/L，而且出黑水时间约为5 min，之后的清水含固率更低，实际操作时可设一清浊分离系统，浊水返回沉降系统。

表5 沉降底流压滤试验结果Table 5 Pressure filtration test analysis of settling underflow

1.5.2 污水过流效果分析

为了尽可能简化工艺，并减轻沉降系统的负荷，尝试将钻孔煤泥水直接通过压滤机进行先期过流式过滤，以观测其效果。由于煤泥性质较好，过滤比较容易，因此，该压滤机由纯厢式板组成，过滤脱水动力均来自入料泵。

表6 矿井水压滤试验结果Table 6 Pressure filtration test analysis of mine water

由表6的试验结果可知:

(1)原水样直接进压滤机时，煤泥过滤效果较好，滤液浓度可降低至2 g/L以下，滤饼水分和脱饼情况良好，装矿车或上胶带运输均可。

(2)当＜3 mm粒级煤泥水直接过流过滤时，循环时间明显增长，但滤液浓度也可降至2 g/L以下，滤饼成饼效果和脱饼情况均好。

(3)对比两种情况，两者均可实现煤泥水过流过滤，但原水样过滤时，脱饼时滤布上会沾有部分大颗粒物，滤板一拉开就散落下来，由于不是整块落下，因此滤布上残余的煤泥颗粒较多，需要清洗滤布;但＜3 mm粒级煤泥水过滤时就不存在这种状况，滤饼成块掉落，脱饼干净，虽水分略高，但装矿车或者胶带输送不存在问题。

由于受井下条件限制，工艺越简单越好，因此在试验时，压滤的过滤动力仅来自入料泵，并未进行隔膜压榨、穿流吹饼等，仅对滤板的流道及出液方式进行了改造。

关于滤布的选择，由于选用过流工艺，因此，滤布选择单复丝布，透气率选择500 L/(m2·s)，允许一部分细小颗粒物穿过滤布，从而保证过流速度。生产时可根据滤液出黑水的实际情况，决定滤液是否返回缓冲池或沉降系统。

2 工艺设计

根据水质分析及沉降、压滤、过流等试验结果，进行了工艺设计:首先确定必须对钻孔水实施大颗粒拦截，使大颗粒部分直接装矿车运输;拦截后的筛下钻孔水进入缓冲池，由污水泵将缓冲池底流送至压滤机进行过流过滤，滤饼直接装矿车运输;滤液水则进入两级搅拌桶中，分别加入PAC和PAM，分两级充分搅拌之后，进入斜管沉降装置沉降;斜管沉降装置沉降底流由泵送至压滤机中，溢流水则经过浮杂拦截后，进入中间水箱;中间水箱的水由泵送至精密过滤器中，过滤后的清水进入清水箱，由泵送至千米钻机再次使用［7－10］。

由于压滤机是间歇性工作设备，而且过流过滤时呈现前期出水快、后期慢的特点，因此，为保证生产的连续性，特设置了备用直排管路，将缓冲池的上清水直排入斜管沉降池中。

确定的最终工艺流程如图1所示。

图1 钻孔水处理系统工艺流程图Fig.1 Drilling hole water processing flowsheet

3 应用效果

3.1 地面调试效果

在矿井水污水处理厂进行调试运行，调试原料采用二沉池污泥，其浊度为3542，粒度极细。经过三天的调试运行，随机抽检的检测结果如下:在入水浊度为3542的条件下，出水浊度为5.14(含固率约为8 mg/L)，出水流量约为15 m3/h，出水pH=7.1。

从运行结果来看，该系统装备的处理量、出水水质符合千米钻机循环水处理和使用要求，出水能够作为循环水使用。

3.2 井下调试运行效果

本工程利用现有巷道，系统工艺设备和基础设施构筑物建在现有－400 m千米钻机所在的巷道内，在巷道做地面平整后，将系统装备一字排开布置，原供水系统设施不变。

经过连续3个月左右的运行，该套装置运行良好，出水水质达到千米钻机使用要求，产水率达到90%，出水浊度在3～10之间，pH值维持在6～8之间，符合钻机使用要求;另外，煤泥滤饼水分约为30%～40%，可实现装矿车输送无滴漏。

3.3 存在问题

(1)由于该系统中的压滤机为间歇性工作设备，因此，必须配备大容积的缓冲调节池，而该池也受巷道限制。此外，压滤机的工作为前期流量很大，可以达到30 m3/h，出水量也很大，因此给后续斜管沉淀池造成的工作压力较大，且加药量较大，出水含固率相对较高，有时可达到300 mg/L，而后期成饼时入料流量又很小，出水量急剧减小，又导致斜管沉淀池容量富裕很多，有时甚至水面达不到溢流堰高度，不产水。因此解决这个不匀衡的问题较为迫切。

(2)由于缓冲池内的水泵不能将煤泥全部泵送上来，因此，当千米钻机停机时，潜水泵将污水抽净后，可能仍然需要人工清理底泥，但总体上泥量不大。另外，由于只处理千米钻机自身污水，产水量不能满足钻机使用，因此，仍需要补充一部分清水。

(3)未能对pH值的调节实现自动控制，只能是定期抽检，运行时可能存在pH值瞬时偏离中性的可能。

4 结论

本次研究的千米钻机煤泥水就地处理系统工艺基本可以有效地实现钻孔水的就地循环使用，可大幅度减少水资源使用量，减轻矿井排污压力。本研究成果不但可解决千米钻机用水问题，而且也为井下其他用水问题 (例如开采区的防尘防静电的喷淋用水，设备冷却用水，厂区的生产生活用水等)提供了参考，社会效益十分明显。

虽然本研究所制定的矿井水处理方案受限于各种条件 (如经济成本、项目自身条件等)，但研究并解决矿井水的处理和资源化利用仍是本专业研究人员所必须关注的问题，对于实现煤矿安全排水、安全生产具有重要的意义。

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