煤矿矿井水井下深度处理与回用技术*

王 锦，彭 年，徐燕飞，2，3，陶鹏飞，2，3，陈永春，2，3

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001；3.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

我国矿井水产生量每年达100亿m3，其利用率仅约70%；大量矿井水外排造成水资源浪费，同时矿井水中存在的溶解性盐类会造成土壤板结、水体富营养化等一系列环境污染问题[1-3]。2015年国务院印发《水污染防治行动计划》对煤矿矿井水排放和利用提出了专项整治要求；2020年11月生态环境部、国家发展改革委等联合印发了《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》(环评〔2020〕63号)，要求外排的矿井水应满足或优于受纳水体环境功能区划规定的地表水环境质量对应值，含盐量不得超过1 000 mg/L。可见，开展高盐矿的井水处理与利用研究具有迫切的现实需求。

目前，国内外对矿井水处理利用的传统方法通常是将矿井水抽排到地面，在地面建设矿井水处理厂，将矿井水净化处理后出水作为井下用水、地面工厂用水或达标外排[4-7]。传统的矿井水在地面净化处理方式，需要用管道向井下供水，不但增加了维护成本，而且长距离管路输水线易造成水体污染，影响生产使用。在井下建立矿井水净化处理站，并在井下将净化后的矿井水向供水系统补水，可减少矿井水抽排工作量，降低矿井水提升费用。国内外煤矿矿井水井下深度处理与回用技术处于刚起步阶段。国外矿井水处理利用技术，主要集中在欧美发达国家和俄罗斯等，这些国家的水资源相对较丰富，主要以煤矿矿井水无害化处理工艺为主，直接排入地表水体，以避免地表水体受到污染为最终目标[8-12]。矿井水回用技术较少，目前还停留在去除悬浮物的水平上，矿井水中去除离子的深度处理技术报道较少。我国的煤水资源分布不协调，煤炭资源丰富的地区往往缺水，特别是内蒙古、宁夏、山西、陕西和新疆等省区水资源需求和供给缺口巨大，上述五省(自治区)煤炭资源丰富，煤炭保有储量约占全国的76%，但水资源总量仅占全国的6.14%，整体上存在水资源匮乏问题。煤矿生产需要大量的水资源作为保障，煤矿生产同时也排放大量矿井水，造成巨大的水资源浪费[13-14]。面对煤炭产区水资源匮乏的现实环境和矿井水利用率低的现实情况，开展煤矿矿井水井下深度处理与回用技术研究，符合煤矿绿色开采的理念。目前，在兖州矿区、神东矿区的个别煤矿井下已有小型的软化器，小规模尝试性地将矿井水处理后作为煤矿井下生产用水。综采工作面用水主要是乳化液用水的井下局部用水，是水质要求比较高的用水，需要对原水的硬度、硫酸根和氯化物指标进行控制，小型软化器显然不能满足要求[15-18]。因此，开发适合煤矿井下巷道工作环境，满足不同用水需求的深度技术和处理成套设备，对矿井水的分质处理、分级利用有着重要的现实意义。

1 淮南矿区矿井水现状与利用对策

1.1 煤矿矿井水现状

表1 淮南矿区典型煤矿井下水源水质指标Table 1 Water quality indicators of typical coal mines in Huainan mining area

煤矿井下生产用水量占煤矿总用水量70%～80%，不同用水地点、生产环节对水质要求也不同。常规混凝、沉淀、过滤工艺处理后的矿井水满足一般防尘、冷却要求；但乳化液配制用水等对水质要求较高，水中的氯离子会影响乳化液的乳化性能，降低乳化液的防腐蚀及润滑能力，给设备运行带来一定危害，增加了故障率，缩短了大修间隔，目前矿井水出水水质无法满足井下乳化液配制、高压喷雾等高品质用水需求设备，造成煤矿矿井水得不到有效利用。

1.2 煤矿矿井水利用对策

针对淮南矿区煤矿矿井水回用利用率低的问题，本着就地处理、就地利用的原则。根据煤矿实际生产情况，构建了淮南矿区矿井水处理利用技术体系，如图1所示。当井下不具备处理条件，则全部矿井水抽排至地面，按要求处理后部分地面利用，部分送至井下利用；当井下具备处理条件，以井下处理利用为主，多余矿井水抽排到地面处理利用。其中，矿井水在井下处理的部分要先进行井下水仓前预处理，以去除较大颗粒物和大部分悬浮物为主，出水满足井下净化处理要求，然后降低铁锰含量，可以作为井下一般生产用水，而井下特殊设备冷却和配置乳化液用水则需要进一步降低氯离子和硫酸根等离子含量。

图1 淮南矿区矿井水处理利用技术体系Fig.1 Technical system of mine water treatment and utilization in Huainan mining area

煤矿综采、综掘设备的大量采用，对水质也提出了新的要求。淮南矿区大部分煤矿矿井水中的硬度、溶解性总固体含量都比较高，超出相关用水标准的要求，限制了矿井水的回用。因此在井下开展煤矿矿井水井下深度处理与回用技术研究，进行原本需要升井外排的矿井水在井下处理并回用，可为矿区开辟井下用水的第二水源；同时减少了污水的排放量，减轻了受纳水体的污染，是矿区发展循环经济和实现可持续发展的重要环节。

2 矿井水悬浮物去除技术

2.1 常规处理中悬浮物粒径分布特征

对淮南矿区矿井水取样分析，研究采用混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺前后的矿井水悬浮物含量及粒径特征。图2为矿井水中颗粒物粒径分布图，从图中可以看出未经处理的矿井水所含颗粒物的粒径主要分布在0.1～20 μm，其中0.25～15 μm直径的颗粒含量都高于0.5%，是其主要分布区。3～10 μm的颗粒物所占比例最大，含量都超过2%，最高达到4.5%以上。

图2 处理前后矿井水颗粒物粒径分布Fig.2 Particle size distribution of mine water before and after treatment

与未经处理的矿井水相比，经过净化处理后的矿井水中颗粒物含量大于0.5%的最小颗粒物出现在2 μm。最大颗粒物直径达到600 μm，含量最高的颗粒出现在250 μm左右，处理后的矿井水中颗粒物的直径明显变大。这是因为地面净化处理过程中加入了混凝剂PAC、絮凝剂PAM，同时管路输送过程中掺杂进来的颗粒物普遍也较大，导致处理后的矿井水颗粒增大，甚至达到毫米级别。

为了保持反渗透系统的性能和运行，保证膜的使用寿命，需对原水进行适当的预处理，即降低水中悬浮物的含量，保证进入膜系统的水浊度小于3 NTU。

2.2 矿井水颗粒物去除试验

根据矿井水中颗粒物的粒径分析结果，综合考虑现有的技术手段及经济条件，选用过滤等级50 μm、20 μm、10 μm、5 μm的圆形过滤介质对综采工作面供水进行颗粒物的去除试验研究，截取直径为10 cm。分别测量待滤液和滤过液的浊度，从而研究不同孔径单独过滤及多种孔径组合过滤工艺对矿井水中颗粒物的去除能力。表2是用50 μm、20 μm、10 μm、5 μm等级过滤介质分别单独过滤综采工作面供水的试验结果。从表中可以看出，在进水浊度67 NTU左右时，5 μm滤材的滤过液浊度在0.5 NTU以下，可以满足反渗透进水要求，但是滤速很慢；10 μm滤材的滤过液1个数据超过3.0 NTU，其他2个数据在3.0 NTU以下，平均为2.87 NTU，基本可以满足反渗透进水要求；20 μm、50 μm滤材单独过滤滤过液浊度均超过3 NTU，不能满足反渗透进水要求，但是过滤速度较快。从工业实现及经济、可靠的角度，5 μm滤材虽然出水满足要求，但是由于过滤速度很慢，一定过滤流量要求下，会导致过滤设备很庞大，不利于工业实现，所以本项目选用50 μm、20 μm、10 μm滤材继续进行组合过滤试验。

表2 不同等级材质单独过滤试验结果Table 2 Separate filtration test results for different grades of materials

表3为综采工作面供水经过50 μm、20 μm、10 μm滤材过滤，并分别测量滤过液浊度的试验结果。从表中可以看出待滤液依次过滤，过滤速度普遍提高，分别为快、快、较快；并且经过10 μm滤材后的滤过液浊度普遍降低，最高为1.8 NTU，最低为1.3 NTU，平均为1.53 NTU，浊度去除率为97.71。因此选择“50 μm+20 μm+10 μm”组合过滤，可以保证出水浊度小于3 NTU，满足反渗透进水需要。

表3 不同等级材质组合过滤试验结果Table 3 Combination filtration test results of different grades of materials

3 矿井水离子去除技术

3.1 膜处理技术试验设计

膜处理是去除原水中溶解性盐类的主要技术，膜处理脱盐主要包括反渗透和纳滤2种技术手段，其区别主要在于膜元件的孔径不同，从而去除的溶解性盐类的离子价位不同。反渗透膜孔径较小，可以去除几乎所有的溶解性盐类；纳滤膜孔径较大，主要去除二价及以上的溶解性盐类。开展矿井水膜处理试验，以探索反渗透/纳滤技术处理该类矿井水的经济高效的途径。

反渗透/纳滤试验采用定流量变压力的试验方法，进水流量为1 300 L/h，进水电导3 461 μS/cm。通过条件浓水侧压力实现淡水出水流量变化。部分反渗透部分试验数据见表4，纳滤部分试验数据见表5。

表4 反渗透处理矿井水部分试验数据Table 4 Some experimental data of mine water treated by reverse osmosis

由表4可知，反渗透系统对于矿井水电导率的去除率基本在87%～96%之间，在较低回收率时，滤膜对离子截留主要通过网扑作用实现，脱盐率较低，甚至只达到87%。当操作压力逐步升高时，回收率也相应升高，此时，截留离子主要为网扑、架桥，对可溶性物质的去除率升高到94%～95%。

由表5可知，纳滤系统对矿井水可溶性盐类的脱盐率较低，在25%～40%之间，这主要是由于淮南矿区潘北煤矿矿井水所含可溶性盐类以钠离子、氯化物等一价离子为主决定的。而纳滤膜对一价离子的去除率较低，对二价及以上离子有较高的去除率，达到95%以上，因此，导致纳滤处理的出水脱盐率较低、电导率较高。

表5 纳滤处理矿井水部分试验数据Table 5 Some experimental data of nanofiltration treatment of mine water

针对反渗透/纳滤技术的工作特点，设计一种由反渗透和纳滤组成的离子去除单元。先利用纳滤系统对矿井水中的二价离子进行过滤，以减轻反渗透的处理压力，然后再利用反渗透对矿井水离子进行全面的去除。

3.2 离子去除单元处理试验

离子去除单元试验装置反渗透膜与纳滤膜联合使用，采用定流量变压力的试验方法，进水流量为10 t/h，进水电导3 461 μS/cm，通过调节排污侧压力实现产品水出水流量变化，试验过程中检测出水电导率的变化，从而确定出水含盐量。部分试验数据见表6。可以看出，离子去除单元对于电导率的去除率基本在90%～96%之间，较低回收率时，由于对离子截留主要通过网扑作用实现，脱盐率较低约87%。当操作压力逐步升高时，回收率也相应升高，此时，截留离子主要为网扑、架桥，脱盐率升高到93%～96%。

表6 离子去除单元工业试验数据Table 6 Industrial test data of ion removal unit

综合考虑系统稳定、可靠以及经济因素，综采工作面给水处理系统回收率在50%左右比较合适，平时运行控制在45%～55%。长时间运行后，由于膜表面可溶性盐类的堆积，其透过孔径减小，脱盐率将进一步升高，可以稳定保持在95%以上。

4 矿井水井下处理回用工艺及装置

4.1 矿井水井下处理回用工艺

通过前述试验研究，试验确定综采工作面用水处理流程为水源→压力调节单元→过滤单元A→过滤单元B→过滤单元C→反渗透/纳滤处理单元，如图3所示，P为压力调节单元，通过该单元，系统水压被调节到适合压力、流量，保证后续处理过程的稳定运行。A1、A2为悬浮物去除单元，通过前述试验研究，确定了50 μm、20 μm、10 μm的三级过滤预处理方案，A、B单元组件采用MK-FB系列过滤器，C单元组件采用MK-FC系列过滤器。D为离子去除单元，由MK-R336反渗透膜与MK-N940纳滤膜等核心组件组成。MK-R336为低压苦咸水膜元件，适用于工作压力极低且脱盐率要求高的场合。MK-N940为大通量纳滤膜元件，工作压力低，产水通量大。

图3 成套设备工艺流程Fig.3 Process flow chart of the complete set of equipment

4.2 矿井水井下处理回用装置

基于上述工艺流程，开发了MK-RHY-BP2型乳化液配制用水处理站(图4)，并在煤矿井下工作面开展工业试验，对该设备进出水水质进行分析。工业试验数据见表7，主要溶解性盐类含量及去除率对比如图5所示。由表7可以看出，处理后矿井水的各项指标均达到设计出水水质要求，更满足标准要求，主要溶解性盐类去除率都在85%以上。从图5可以看出，溶解性盐类以氯离子、钠离子为主，碳酸氢根、硫酸根次之，其他离子很少。除钾离子含量极低(≤15 mg/L)，导致去除率在85%左右，其他一价离子去除率都超过90%；二价离子的去除率都在99%以上，优于反渗透技术指标的要求，一价、二价离子去除率的分布规律也符合反渗透系统的技术特性。

图4 乳化液配制用水处理站现场运行照片Fig.4 On-site operation photos of the water treatment station for emulsion preparation

图5 主要溶解性盐类含量及去除率对比Fig.5 Comparison of main dissolved salt content and removal rate

表7 矿井水现场试验去除率计算结果Table 7 Calculation results of removal rate of mine water field test

4.3 处理效果

在近7个月的实际运行中，该设备处理运行稳定、可靠，抗冲击负荷能力强，离子去除单元运行稳定正常，脱盐率一直保持在95%以上。研发设计的MK-RHY-BP2型乳化液配制用水处理站的使用大大减少了水中杂质的含量，减少了液压支架冒液、窜液现象的发生。而且，综采工作面未使用水处理站前，每个开采周期支架拆解大修率约为80%～85%；使用水处理站后，每个开采周期支架拆解大修率将为55%左右，拆解大修率降低25%～30%，安全和经济效益显著。

5 结论

(1)煤矿矿井水作为重要的非常规水资源，存在悬浮物、硫酸盐、氯化物等超标问题，限制了矿井水的回收和利用；将矿井水在井下处理并回用，针对井下不同用水需求，开发相应矿井水处理技术和装备，实现矿井水就地处理、就地利用，具有显著的经济和环境效益，可作为煤矿矿井水开发和利用的一种途径。

(2)针对矿井水悬浮物去除，采用常规混凝、沉淀、过滤处理工艺处理后，由于混凝剂PAC、絮凝剂PAM投加和管道运输污染，导致矿井水净化处理后水中的颗粒物直径普遍增大，处理后的矿井水所含剩余颗粒物粒径普遍增大1到2个数量级。采用滤材为“50 μm+20 μm+10 μm”组合过滤方案，进水浊度在130 NTU以下时，实现了出水浊度小于3 NTU，满足深度处理进水需要。

(4)针对煤矿井下综采工作面乳化液配置用水要求，研发了由“压力调节单元、悬浮物去除单元、离子去除单元”组成的矿井水井下处理后回用为综采工作面乳化液配制用水工艺。开发了MK-RHY-BP 2型乳化液配制用水处理设备，实现综采工作面液压支架拆解大修率降低25%～30%，同时提高了矿井水利用率，减少地表取水，安全、经济、环境效益显著。