矿井水井下-地面分级分质高效利用与智能调配技术

侯 嫔，段书乐，范业承，于 躍，何绪文，伯 磊，张子航

（1.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083；2.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）

在我国，长期以来存在着煤炭开发与地下水资源保护不协调的问题。据调查，陕西省大海则煤矿区内不仅水系不发达，而且旱季大部分河流均枯竭断流。此外，该矿区年平均蒸发量为2 283.86 mm，是降雨量的5～7倍，又因为井下排水中SO42-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Na+等离子含量较高（其中SO42-、Ca2+、Na+浓度分别为3 070.64、471.16、925.56 mg/L），悬浮物（SS）含量大（600～3 000 mg/L），常规的矿井水处理项目建设投资高、运行处理成本高[1-2]。而且一般矿井水经过水处理工艺净化处理后，虽可重新回灌至地表松散层[3]，但该回用方法效率偏低，难免会造成水资源大量损耗。显然，水资源缺乏、回用成本高和回用效率低已制约了该煤矿企业的可持续发展[4]。

如果要提高矿井水利用率、降低回用成本、改善时空用水分配不均和加强对水资源保护，就必须优化矿井水的利用方案与处理技术。倪深海[5]对我国煤矿矿井水资源综合利用潜力进行系统推测，明确了各地区矿井水资源利用发展方向和利用重点；苗立永[6]等根据矿井水处理工艺以及用水单位对水质的要求，总结了矿井水分质资源化的综合利用途径，提出了矿井水回用于生产、生活、生态和其他用水的多方面利用理念；闫佳伟[7]等人总结了全国53处煤矿矿井水利用率、利用方式、利用价格等现状基础，提出开发高质量矿井水、增加矿井水产业化和规模化与废弃矿井水资源化利用的展望。以上研究成果虽然分别从矿井水源头、利用途径2个方面提高了矿井水的综合利用率，但各地区矿井水资源存在地区差异和基础利用条件不同的特点，依然制约着水资源高效利用的发展。此外，充分利用井下空间构建井下和复用系统有利于矿井水的治污和排污[8]。同时还可考虑智能化技术与新兴的分布式地下水库净化循环利用技术相结合，协同促进矿区的可持续发展[9]。

近年来，“智慧水务”已成为当今水处理行业的重点话题之一，尤其是在煤矿矿井水智能控制技术的发展过程中，已逐步可实现加药、排泥、给水排水和冷却等电动液控系统的自动化[10-14]的控制，以及远程监测地下水位、水质和预防地下水灾害等[15-17]的目的。然而，国内矿井水排放与处理过程中仍普遍存在自动化程度低、可靠性差、处理困难和工人劳动强度大等问题[18]，尚不能很好地实现全过程量质耦合的高效综合利用，所以有必要对现有系统进行优化升级，从而充分实现煤矿矿井水处理的自动化监测与控制，达到高效灵活的配置矿区水资源的目的。为此重点分析了陕西省大海则煤矿矿井水循环利用过程中存在的问题，探讨了不同时间、空间条件下矿井水的水量水质变化规律，重构了矿区水平衡图，确定了矿井水井下-地面综合利用途径，并初步提出了矿井水井下-地面多目标协同智能调配技术，这对矿井水井下-地面高效利用的发展以及煤矿企业智慧化进程具有重要推动作用。

1 矿井水量质耦合变化规律

1.1 矿井水水量

通过对该煤矿矿井水供水现状的调查分析可知，该矿井正常涌水时井下排水量为35 520 m3/d（含黄泥灌浆析出水量为960 m3/d）。从水资源利用的角度分析，矿井水资源量应为相对稳定阶段的矿井涌水量，但在实际生产中，影响矿井涌水的因素很多，同时这些因素彼此之间相互作用，这就造成该矿井涌水量的波动，实际涌水量最大可达到52 800 m3/d。因此仅通过矿井水的供给端来实现高效利用是不满足未来的发展方向的，还必须充分考虑矿区的需水情况[19]，让矿井水资源形成适应当地特定需求的综合利用方案。

首先分析了矿区采暖季的矿井水利用方案，矿区矿井水原水量平衡图（采暖季）如图1。

由图1可知，该矿区生活、消防、灌浆和锅炉房4个用水点的水资源需求量较大，分别为1 286.7、2 738.1、1 145.8、1 680.0 m3/d，总量约占矿区用水的76%。此外可知换热站、乏风机组用水总量为995.0 m3/d，绿化用水168.1 m3/d，洗煤补充用水924.2 m3/d，除尘用水量为80.0 m3/d。上述虽然对矿区矿井水大范围需求量做了不同程度的分析，但不难发现，该矿区原矿井水就地利用率极低，回用于该矿区的总水量仅占矿井排水量的22.1%。因此，在矿井水的处理过程中，水量平衡分析不仅要表现为“总水量”的守恒，而是要用最短的流程把污染物处理掉，同时根据具体的用水要求，加强中间用水点的调控，提高处理过程中对用水潜力的开发，达到更经济有效的分级回用模式。

1.2 矿井水水质分析

通过对矿区进行实地调研和现场监测可知，该矿区矿井水与附近矿井水质特点相似，进水SS和硬度分别为3 000 mg/L和1 333 mg/L，表现为“高浊和高硬度”。该矿区矿井水现采用二级处理技术，处理单元包括调节预沉池、机械过滤器、高效旋流器、高密度沉淀池和V型滤池，各处理单元水质情况和回用水质标准见表1。

图1 矿区矿井水原水量平衡图（采暖季）Fig.1 Raw water balance of mine water in mining area（heating season）

表1 矿井水各处理单元水质及回用标准Table 1 Water quality and reuse standards of each treatment unit for mine water

由表1可以看出，预处理系统中调节预沉池可去除部分大颗粒悬浮物，高效旋流处理后可进一步降低水中的悬浮物，出水SS可降至30 mg/L；二级处理单元经除硬-混凝沉淀-pH调节-过滤4个部分后除SS和COD部分降低外，硬度基本除去。实际运行中，调节池还具有调节水量的作用，解决了矿井水出水不均匀的问题，是该处理工艺重要的井下水处理构筑物。但是，二级处理后出水还不能达到更高的矿井水回用标准和要求，因此将矿井水处理工艺优化为三级处理系统，即在原有二级处理的基础上，补充三级深度处理工艺单元，包括自清洗过滤及超滤-反渗透-消毒，可有效降低菌类、盐度、胶体和有机物等的浓度。在矿井水三级处理工艺的基础上，根据用水需要，初步构建了矿井水分级分质利用途径。

但从提高回用率的角度分析，仅考虑净化工艺出水的水质情况是否满足回用标准是不够的[20]，还需要根据对各处理阶段水质与复用水水质标准的综合分析，根据时间和空间布置确定具体的用水点和用水量，从而实现矿井水井下-地面、分级分质的高效利用的目的。

1.3 矿井水量质与时空变化的规律

为了进一步明确矿井水高效利用的技术途径，考察了不同时间（采暖季和非采暖季）和空间（井下-地面）对矿区实际矿井水回用水需求量的影响。

首先，通过分析发现，不同季节下该矿区回用水的需求量变化较大。主要表现在：①非采暖季矿井水蒸发量远大于采暖季；②采暖期与非采暖期锅炉补充水量不同，分别为1 680 m3/d和250 m3/d；③非采暖季洗浴用水增加，而采暖季节换热站用水增加，绿化用水减少。

其次，不同空间对该矿区用水量的影响也较大，除受矿区原有工艺设备所处空间制约外，其地面需求量一般多于井下[21]。井下用水主要包括消防洒水、灌浆用水和井下洒水降尘，需求量仅为地面用水的14%左右，远小于地面生产、生活以及生态用水的需求量。由此可见，了解该矿区时空用水情况对提高矿井水利用率也至关重要。

综上可知，该矿区矿井水在时间与空间上均具有水量分配不均和分级分质利用不协调的特点。因此，在构建矿区水量平衡图时，有必要结合时空用水规律，协同分级分质和多目标的核心理念，最终确定矿井水高效利用技术途径。

2 矿井水高效利用途径

2.1 重构矿区矿井水水量平衡

通过以上陕西省大海则煤矿矿井水原有水量平衡存在的问题分析，发现矿区回用水量受季节影响较大，同时，现有的矿井水回用方向具有局限性且回用率低。因此，为了进一步提高矿区水资源回用率，综合矿区用水特点及冬季采暖对供水的影响，同时考虑矿区井下-地面不同空间用水需求的差异，重构的不同季节的井下-地面水量平衡图如图2。

图2 不同季节矿井水水量平衡对比图（m3/d）Fig.2 Comparison of water balance for mine water in different seasons（m3/d）

在采暖季（12月—3月），总矿井水涌水量为35 520 m3/d，共分为井下和地面2个用水方向，用水量分别为4 060.9 m3/d和30 019.1 m3/d，主要用于井下和地面的生产、生活和生态用水。其中，井下的矿井水经井下预处理后分别用于井下的消防用水（2 738.1 m3/d）、灌浆用水（1 145.8 m3/d）和井下洒水降尘（177.0 m3/d）；而地面的矿井水经过园区综合处理后一部分用于地面生产用水（1 075 m3/d）、洗煤补充用水（964.2 m3/d）、锅炉用水（1 680 m3/d）换热站用水（850 m3/d）、除尘用水（155 m3/d）和生活用水（1 286.7 m3/d），另一部分则直接排入管网进入附近电厂进行进一步的处理和回用。

在非采暖季（5月—8月），总矿井水涌水量为35 520 m3/d，共分为井下和地面2个用水方向，用水量分别为4 238.9 m3/d和29 841.1 m3/d，主要用于井下和地面的生产、生活和生态用水，这与采暖季的用水方向是一样的。而非采暖季与采暖季的水量平衡差异主要体现在地面的用水方向和用水量。具体来说，非采暖季的地面矿井水经处理后少量用于锅炉用水（250 m3/d）和换热站用水（150 m3/d），其中增加了洗煤补充用水量（1 162.5 m3/d）、除尘用水（355 m3/d）和绿化用水量（168.1 m3/d），这主要是由于非采暖季温度高、蒸发量大而导致的。

不难看出，不同季节的矿井水都可以经过井下处理后回用于井下消防洒水、黄泥灌浆制浆用水和井下洒水降尘。再经地面深度处理后，又可回用于洗煤厂用水、换热站用水、除尘用水和绿化用水等生产、生活和生态用水。相比于生活用水，生产用水呈现出水量大、水质要求较低、用水点较为集中的特点，在矿区用水过程中更应遵循“水十条”中对矿井水综合利用的要求：①煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水；②工业生产等要优先使用再生水。对比发现，在采暖期除锅炉用水量和换热站用水量较大外，绿化用水和蒸发损耗的水量都要小于非采暖期的。此外，生活用水、其他生产用水以及消防、灌浆等用水在不同季节差异不明显。因此，在建立水平衡图时有必要考虑空间用水的布局，这样会更有利于提高矿井水利用率、节约用水成本。

综上所述，在重构矿区矿井水水量平衡图时，充分考虑了时间、空间和能耗的影响，可以实现井下处理井下回用，地面处理就地回用的井下-地面的矿井水高效综合利用目标。

2.2 矿井水井下-地面分级分质高效综合利用途径

基于以上重构的矿井水水量平衡图，结合不同处理阶段、不同水质对回用水调配的影响规律，确定的矿井水井下-地面分级分质高效综合利用途径如图3。

图3 矿井水井下-地面分级分质高效综合利用途径Fig.3 Efficient utilization approach of mine water based on underground-surface and quality-quantity

由图3可知，该矿井水处理工艺按照空间顺序可分为井下处理和地面处理2个部分，按照时间顺序可分为预处理、二级处理和深度处理3个单元。

在井下处理部分，以预处理单元为主。调节预沉池出水经过混凝沉淀和机械过滤，储存到清水池中，清水池出水水质参数为：SS≤30 mg/L、COD≤60 mg/L和硬度≤450 mg/L，可满足GB 50383—2006煤矿井下消防、洒水设计规范中井下消防、洒水等标准，因此，可用水井下消防用水、灌浆用水和洒水降尘等。

在地面处理部分，部分井下的调节预沉池出水提升到地面处理，包括预处理（高效旋流）、二级处理（高密度沉淀池）和深度处理（超滤反渗透）3个单元，设置3个储水点，即中间水池、高位水池和复用水池。其中，经高效旋流处理后中间水池的矿井水水质为：SS≤30 mg/L、COD≤50 mg/L和硬度≤450 mg/L，可以满足地面降尘和消防用水；经高密度沉淀池二级处理后高位水池的矿井水水质为：SS≤30 mg/L、COD≤50 mg/L和硬度≤60 mg/L，能够满足CJ/T 48—1999生活杂用水水质标准中扫除标准和GBT 19923—2005城市污水再生利用工业用水水质中的冷却用水和工艺与产品用水的标准等，因此，可用于换热、洗煤和循环冷却等；而经过超滤反渗透的复用水池则是为生活、农业等提供高品质矿井水，其余部分经过该矿区矿井水深度处理站反渗透深度处理后其水质可达到饮用水水质标准，因此可用于煤制甲醇和烯烃项目的生产用水、锅炉房用水和绿化用水等生产生活生态用水。

此外，由图3可知，全流程共设置了4个用水点：调节预沉池、清水池、高位水池和复用水池。本研究在4个用水点处，根据矿井水的时间和空间变化规律，结合分级分质的核心理念，构建了“分级分质+时空协同”的矿井水井下-地面分级分质高效综合利用系统，该系统可实现矿井水的时空有序和分级分质合理调度，可将处理后矿井水的循环使用率提高到100%，有助于弥补井下-地面矿井水调配模式单一和响应迟缓的不足，解决了大型矿区矿井水高效利用的技术难题。

3 矿井水井下-地面高效利用智能调配系统

传统的矿井水综合利用方案大多采用人工控制的手段，仍存在人力消耗大、自动化程度弱和操作不稳定等问题。因此，为了解决上述问题，提出了矿井水井下-地面智能调配技术，构建的兼有矿井水实时监测、无线传输、数据储用与调控功能的智能分析平台与控制系统如图4。

图4 智能调配系统示意图Fig.4 Schematic of intelligent allocation system

由图4可知，该系统由3部分组成：数据采集系统、智能分析平台和调配控制系统。

数据采集系统主要包括多种水质水量传感器、监测终端、GPRS数据发送装置和后台接收装置4个单元。首先采集传感器获得的水质（pH、悬浮物和电导率等）数据；同时还需在反应池内增设水位传感器、在控制终端的智能水泵设置流量传感器，及时将构筑物内水量和水位信息反馈；最后通过STM32芯片与Wi-Fi模块组成的系统上传到后台服务模块。可以看出，数据采集是数据分析平台与监控系统的重要组成部分，主要功能如下：①水质数据采集：通过多种水质传感器（SS、pH、电导率和水中油）的检测，以数字信号和电信号的方式将数据发送至采集模块；②水量检测：通过对井下或地面多个用水点的水量实时监测，判断水量需求，保证及时供给，保障生活生产；③设备运行监测：采集模块连接运行设备，监测设备运行状况，实时监测调度系统运行状态。

智能分析平台是在force control软件的基础上搭建起来的系统，主要包括数据库和前端服务装置。首先接收整个矿井水处理过程中不同时间和空间监测的水量与水质数据，然后经过数据库分析、运算和转换等数据管理功能后，在前端人机交互界面展示。本平台共展示1个一级界面和9个二级界面，其中包括5个监测水池界面、3个数据分析界面（历史曲线，历史报表，阈值报警）和1个系统设置界面。智能分析平台一级界面如图5，智能分析平台二级界面如图6。

图5 智能分析平台一级界面Fig.5 Main interface of intelligent analysis platform

图6 智能分析平台二级界面Fig.6 Secondary interface of intelligent analysis platform

由图5可以看出，主要展示了矿井水水处理工艺流程变化，以及不同时间井下-地面5个监测点（调节预沉池、清水池、中间水池、复用水池和高位水池）和4个用水点（清水池、中间水池、复用水池和高位水池）的水量水质的变化情况，其中水量由液位传感器监测，水质由pH、SS、水中油和电导率传感器分别监测。

由图6可以看出，主要展示了矿井水从机械过滤器通过进水阀门（绿色运行状态为开启、红色运行状态为关闭）流入清水池，矿井水通过水泵回用于灌浆用水、井下除尘用水和井下消防用水，可以看出清水池、井下除尘用水和井下消防用水的水位情况以及pH、SS、水中油和电导率的实时情况。

由图5和图6可知，智能分析平台系统界面可实现以下功能：①水质数据连接：即监测界面与传感器连接，实时接收水质信息，并通过界面实时显示；②水质数据处理：即通过水质数据实时记录，刻画水质变化曲线，形成水质信息报表，监视报警信息。这一过程有利于煤矿企业快速准确获得这些监测指标信息，优化决策和水资源管理模式。

调配控制系统主要包括ARM开发板、电磁继电器、工业水泵和分析控制程序。控制终端首先接收“后台服务”，即智能分析平台发送的水量和水质数据，同时基于不同用水点的回用标准，通过控制程序设置水量和水质阈值，然后给智能水泵下达指令，若实际水质满足回用标准，则可将其注入储水池中加以利用，若实际水质不能达到预定标准时，则会发出报警信号，同时回用工段的智能水泵停止工作，备用的泵组智能阀门开启，将此阶段的水返回上一工段重复处理或直接流入下一工段进行后续处理。同样，矿井水水量和水质的控制模式相同，当反应池等构筑物内水位达到极限低水位时，报警信号传出并停止出水水泵；当贮水池液位超过限值时，后端及时传出报警并合理调节前端配水量。在智能调配过程中，ARM开发板的功能是集成多种模块和内嵌控制程序，电磁继电器的功能是接收控制信号，协调电路运行，工业水泵的功能是监测矿井水流量并控制矿井水调度，最后通过分析控制程序分析矿井水数据和判断水质信息，并最终发出控制信号。同时，在实际工况中还要根据电动机的工况参数和水泵运行状态，设置泵的自检与替换周期，提高水调度效率[22]。

综上，通过数据采集系统、智能分析平台和调配控制系统三者之间的有机结合，构建了矿井水井下-地面高效智能调配系统，最终可实现以下功能：①根据回用标准按时按需分配回用水资源，包括采暖季/非采暖季和分级/分质分配；②可实现井下-地面分节点协同智能调配，包括井下-地面5个贮水点的监测及4个用水点的调配；③可实现矿区矿井水的实时监测、无线传输、数据储用与大数据智能调控功能。

4结论

1）陕西省大海则煤矿区原矿井水水量较大，但就地利用率极低，仅为矿井总排水量的22.1%；同时矿井水水质为高浊和高硬度，且在时间与空间上均具有水量分配不均、分级分质利用不协调的特点，因此，基于以上分析结果，将原有二级处理优化为三级处理。

2）充分考虑了采暖季与非采暖季的时间变化、井下与地面的空间变化影响，以及分级分质利用的原则，重构了矿区矿井水水量平衡图；形成了矿井水“分级分质+时空协同+智能调配”的综合利用技术，可将矿井水回用率提高到100%；有助于弥补井下-地面矿井水调配模式单一和响应迟缓的不足。

3）同步构建了基于“在线传感器、STM32芯片、Wi-Fi模块与嵌入式系统”的智能调配系统，可实现矿区矿井水的实时监测、无线传输、数据储用以及井下-地面分节点协同智能调配功能，形成了多目标管理的高效智能模块。