淮南矿区矿井水中悬浮物粒径特性分析*

谢 毫，申礼鹏

（煤矿生态环境保护国家工程试验室，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤矿矿井水是由煤炭开采过程中疏排地下含水层涌水以及采掘生产中防尘、设备冷却等排水汇集而成，其行业典型特征水质指标即为悬浮物，在我国矿井水水质的综合分布中，含悬浮物矿井水占据了80%以上［1-3］。目前，我国各矿井水处理设施主要是围绕处理悬浮物而进行设计和建设的。而悬浮物粒径作为其重要的物理特征指标，对研究矿井水悬浮物自身的特性及其处理技术和工艺参数的选择都起着至关重要的作用。

淮南矿区位于安徽省北部的淮河两岸，该区域地质构造位置属华北板块南缘，东起郯庐断裂带，西至阜阳断层，北接蚌埠隆起，南以老人仓-寿县断层与合肥坳陷相邻，东西长180 km，南北宽15～25 km，面积约3 200 km2。含煤地层为上石炭统太原组、下二叠统山西组和下石盒子组，以及上二叠统上石盒子组，总厚度900 m左右，含煤层约40层。单层厚度平均大于0.7 m的煤层9～18层，最大厚度12 m，合计厚度23～36 m，分布在山西组、下石盒子组和上石盒子组下部。

以淮南矿区在采矿井的矿井水为研究对象，通过系统性采样和测试分析，对淮南矿区矿井水中悬浮物的含量范围及其粒径特性和分布进行全面分析和研究，以期为研究矿井水悬浮物的去除机理提供理论依据，为研发针对矿井水悬浮物的处理技术和装备提供技术支撑。

1 材料与方法

研究对象主要为淮南矿区的潘三矿、张集矿北区、谢桥矿、丁集矿、顾桥矿、顾桥矿南区和顾北矿等7对现行生产矿井。各矿矿井水通常采用避峰用电夜间抽排的上水方式，经测算统计矿井水正常涌出量范围为1 320～6 200 m3/d，详见表1，采样点位于矿井水处理设施的进水端。主要试验仪器为粒径分析仪（S3500，美国麦奇克公司）、电子天平（MS204S，瑞士梅特勒公司）、恒温烘箱（5E-DHG，长沙开元公司）。悬浮物测试时，取一定量水样用孔径为0.45 μm滤膜过滤，不能通过滤膜的固体物经103～105℃烘干后恒重称量，进而得到悬浮物含量。

表1 矿井水涌出量统计

悬浮物粒径测试时，由固体激光源发出的单色、相干、平行的光束，经过光束处理单元，照射到样品颗粒后发生散射现象。散射光经傅里叶透镜聚焦后成像在一系列检测器上，散射光的能量分布于颗粒粒径的缝补直接相关，通过数据处理系统，选择合适的理论模型，从而得到被测样品的粒度分布结果。颗粒折射率设置为1.59，形态设置为不规则；以水作为分散剂，分散剂折射率设置为1.333；测量时间为10 s，测量2次，分析软件采用Microtrac FLEX。

2 结果分析和讨论

2.1 平均粒径特性

通过对淮南矿区7对生产矿井的矿井水悬浮物的平均粒径进行综合分析发现，淮南矿区矿井水悬浮物平均粒径极其微小且具有一定的稳定性。其中，平均粒径最大为21.16μm、最小为1.45μm、平均值为6.78μm，淮南矿区矿井水悬浮物平均粒径分布情况如表2，图1所示。由表2，图1可知，在7对生产矿井中，顾北悬浮物的平均粒径均值最大，谢桥悬浮物的平均粒径均值次之，潘三悬浮物的平均粒径均值最小，即顾北＞谢桥＞顾桥＞张北＞顾南＞丁集＞潘三。

表2 淮南矿区矿井水悬浮物平均粒径

图1 淮南矿区矿井水悬浮物平均粒径图

淮南矿区各矿井均为现代化生产矿井，采用综掘/综采方式进行生产作业，在煤炭开采过程中，综掘机/综采机等设备通过旋转截割部，使截割头上戴齿与原煤/岩石压力作用下发生碰触，利用物理作用把原煤/岩石从母体中剥离出来，在此过程中由机械旋转截割而产生的细小煤粉/岩粉在进入矿井水体之后便成为了煤矿矿井水悬浮物，这也是形成悬浮物稳定分布的主要原因。这样细小的悬浮颗粒物往往很难自然沉降，需要通过矿井水处理设施对其进行处理方可进行回收利用或者达标排放，常用的矿井水处理技术工艺是“混凝—沉淀—过滤—消毒”。通过上述4步［4-5］，使之符合生活饮用或工业使用所要求的水质。目前，淮南矿区各矿井均建设有地面矿井水处理设施，亦是采用上述处理工艺对矿井水进行处理，其出水水质悬浮物小于10 mg/L、化学需氧量小于10 mg/L，处理后的矿井水常作为生产补充用水进入井下生产用水管网。

2.2 含量分析

淮南矿区7对生产矿井的矿井水悬浮物含量指标测定结果，见表3，图2。

表3 淮南矿区矿井水悬浮物含量

图2 淮南矿区矿井水悬浮物含量图

从表3和图2可以看出，本次研究共测试获得淮南矿区矿井水悬浮物21个数据，其中有19个数据基本稳定分布于130～554 mg/L，占整个数据量的90.5%。超出此范围的数据只有两个，分别为顾桥第二次水样的5 584 mg/L和谢桥第一次水样的7 276 mg/L，从数值上来看这两个数据远远大于其他矿井水悬浮物数值，分别为除上述2个值之外最大值的10.1倍和13.1倍。结合现场采样情况发现，悬浮物两次出现较大异常值是由于现场样品采集时，其沉砂池水位已接近至池底，样品采集时受池底沉降的泥沙影响导致悬浮物数值出现异常。

通过对7对矿井的矿井水悬浮物的含量和平均粒径进行分析发现，矿井水悬浮物含量的高低与平均粒径并无直接关系，悬浮物含量最高的3个水样其对应的平均粒径分别为12.55、19.15、4.12μm，含量最低的3个水样其对应的平均粒径则分别为14.32、1.45、3.57μm。悬浮物含量最高值为7 276 mg/L、最低值为130 mg/L，虽然悬浮含量相差极大，但是两者的平均粒径极为相近，分别为12.55和14.32μm。

2.3 粒径分布特征

矿井水悬浮物的粒径分布反映了悬浮物在水中的分散性和稳定性，悬浮物的粒径越小，在水中分布越均匀、越稳定，越难通过自然/人工沉降除去，在以混凝—沉淀—过滤为主的矿井水处理工艺中对絮凝剂/助凝剂等药品的投加量以及沉淀池/澄清池的流速、水力停留时间等设计运行参数都有着重要的指导意义。在膜法水处理技术中，悬浮物粒径的大小代表了悬浮物在膜面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔变小或堵塞的难易程度，对分离膜的选择起着重要的作用。

为便于进行粒径测定结果分析，将粒径划分为小于1、1～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50 μm 7个粒级。图3～图8所示为矿井水悬浮物在不同粒级的分布情况，通过对悬浮物粒径分布的情况进行分析研究发现，根据悬浮物在粒级上的分布特性可以将矿井水粒径分布分为3类，第一类为丁集、潘三、顾北矿井水悬浮物，第二类为谢桥、张北矿井水悬浮物，第三类为顾桥、顾南矿井水悬浮物。

由图3～图5可确定矿井水悬浮物粒径主要在10μm以下，粒径小于10μm的悬浮物可占总悬浮物90%以上。其中悬浮物粒径主要集中在1～5 μm，在此范围内的粒径占总悬浮物中的比例为40%～75%，其次主要分布在1μm以下的范围内，在此范围的粒径占总悬浮物的比例为15%～40%。

图3 丁集矿井水悬浮物粒径分布图

图4 潘三矿井水悬浮物粒径分布图

图5 顾北矿井水悬浮物粒径分布图

由图6、图7可确定矿井水悬浮物粒径主要在20μm以下，粒径小于20μm的悬浮物可占总悬浮物90%以上。其中，在最高分布区域上和第一类相似，悬浮物粒径主要集中在1～5μm的范围内，在此范围内的粒径在总悬浮物中的占比为40%～55%，但是次分布范围产生了变化，分布于5～10 μm的数量有了较大提升，其数量与分布在小于1 μm范围内的粒径数量基本相当。

图6 张北矿井水悬浮物粒径分布图

图7 谢桥矿井水悬浮物粒径分布图

由图8、图9可知，在3次样品结果中，悬浮物粒径分布占比最高的区域均不相同，第一次出现在小于1μm的区域，总悬浮物占比均超过70%；第二次顾桥和顾南分别出现在10～20μm和1～5μm的区域，总悬浮物占比分别约为40%和33%；第三次出现在1～5μm的区域，总悬浮物占比分别约为55%、62%。与第一类和第二类相比，第三类矿井水悬浮物粒径分布区域比虽无明显的规律性，但是仍可确定矿井水悬浮物粒径主要在30μm以下，粒径小于30μm的悬浮物可占总悬浮物90%以上，此结果与何绪文等研究成果“排到地面的矿井水总悬浮物中平均88%的粒径在50μm以下，而粒径大于80 μm的部分不超过5%，即矿井水中悬浮物的主要成分是粒径极为细小的煤粉和岩尘基本一致［6-7］。

图8 顾桥矿井水悬浮物粒径分布图

图9 顾南矿井水悬浮物粒径分布图

3 结论

（1）淮南矿区未经处理的矿井水原水悬浮物含量较高，经预沉沉砂池沉淀后其悬浮物含量基本稳定在130～554 mg/L。

（2）矿井水中悬浮物的粒径大小及分布主要取决于煤矿的开采、挖掘等生产作业方式，其粒径分布与悬浮物含量的高低无关。

（3）在以综掘/综采为主要开采工艺的生产矿井，其矿井水中悬浮物粒径极其微小，平均粒径稳定分布在1.45～21.16μm，粒径小于30μm的悬浮物可占总悬浮物90%以上。