李颖欣
中煤西安设计工程有限责任公司 陕西省 西安市 710056
摘要：我国地大物博、资源丰富，但同时也是人口大国，国家水资源十分紧张，煤矿矿井水作为一种十分重要的非常规水资源，通过进一步开发可以更好的得到利用，但受到传统经济发展理念的影响，我国煤矿矿井水处理效果并不好，矿井水利用率不到25%。为了能够更好的开展煤矿矿井开采工作，减少煤矿开采水污染问题，提高矿井水利用率，必须要采取相应的技术进行处理，针对如今矿井水井下处理与利用中存在的问题，结合不同矿井水水质特点，采取超密度沉淀、超磁分离、采空区过滤等相关技术，低成本、高效完成悬浮物脱除，同时利用膜处理技术、低温多效蒸发技术，实现浓盐度废水处理的零排放，实现模块化、高效化、移动化处理单元。考虑到矿井环境的特殊性，每个处理单元必须要确保防爆性能达到标准，同时集成安全监测性能、自动控制性能，利用集成技术让多种技术耦合，更好的加强矿井水井处理与利用，进一步提升矿井水资源化利用率，保证煤矿生产的综合效益。基于此，本文首先从矿井水来源、水质、水量对矿井情况进行分析，结合悬浮物矿井、高矿化矿井两个方面提出井下处理方法，最后阐述矿井水井井下利用技术现状以及最新的利用工艺，旨在最大程度上加强井下处理以及实现废水零排放目标。
关键词：煤矿矿井水；井下处理技术；废水零排放；综合利用
引言
水是生命之源，我国虽然水资源丰富，但由于我国人口数量众多，人均水资源仅为国际人口的25%。煤矿矿井水是一种非常规的水资源，是指在煤矿生产过程中渗入到矿井下采掘空间的地下水。具有我国能源局统计分析发现，我国近几年每年煤炭开采产生的矿井水达到80亿t，而综合利用率只有25%，也就是大约有60亿t水资源被浪费。而我国工业、民用缺水量每年为100亿t，如果将浪费的矿井水资源利用起来，可以解决我国大部分缺水地区的用水问题。另一方面，我国作为煤炭资源消耗大国，并且这种局势在短期内不能逆转。因此，为了能够全面保障我国淡水资源利用率、解决水资源匮乏问题，必须要做好煤矿矿井水相关处理技术提升，提高水资源综合利用率，实现煤矿矿井水零排放，这对推动我国煤矿开采产业长足发展有着重要意义。
1矿井水水质与水量
1.1矿井水来源
矿井水来源方式可分为直接充水和间接充水，其中直接充水水源主要为地下水，间接充水水源为大气降水和地表水。
根据陕北煤矿地质特征，煤矿主要含水层为第四系底部孔隙潜水含水层、侏罗纪中通直落组裂隙潜水含水层、侏罗系中下统延安组裂隙承压含水层等。煤矿煤层顶板的裂隙含水层为矿井的直接充水含水层，地下水通过煤层开采后所形成的冒裂带渗入矿井。
1.2水质
矿井水中的杂质较多，主要为煤粉、岩粉、黏土等悬浮物，这些悬浮物密度小、沉降率低、颜色深，煤粉还原性会生成矿井水中COD，在矿井水中保持的很稳定，并且随着悬浮物减少，COD系数也会随之降低。
1.3水量
陕西大部分煤矿矿井涌水量在350-550m3/h之间，局部采区的涌水量为250-280m3/h。根据地质勘探资料及已开采煤矿涌水量统计数据，预测多数矿井在未来5年内涌水量不会明显降低。
2煤矿矿井水井下处理技术
2.1含悬浮物矿井水处理
矿井悬浮物含量大约在100-400mg/L之间，近些年我国大力倡导绿色开采理念。而传统混凝沉降处理技术具有耗时长、占地空间大等劣势，无法满足矿井水井高效去除悬浮物的要求。因此，当今煤矿开采领域主要是采用高密度沉降技术、超磁分离技术、采空区过滤技术等。其主要表现在：
2.1.1高密度沉降技术
该项技术是在矿井水中加入一定量的高密度介质和药物，这样矿井水中的悬浮物会聚集成絮凝体，絮凝体不断累积会增加半径和密度，提升了沉降速率，在相同处理量基础上，沉淀池体积可以有效减小。整个处理系统包括集混合区、反应区、沉淀区，混合区作为前期处理单元，可以让高密度介质循环利用，这样不仅确保搅拌反应池固体浓度，还能够强化悬浮物的絮凝力，让絮凝体更加密实。系统末端采用斜板沉降系统，可以将污泥中重介质回收，有效提升了混凝沉淀的处理效果。该项技术工艺路线如图1所示[1]。矿井水通过巷道内沟渠集水，并统一传输到水处理设施中，机械格栅可以将其中的大颗粒物质调节到沉淀池中，沉淀池处理水通过提升泵，将水提升到高密度沉淀水处理设备当中，在反应区、混凝区投放混凝剂，将悬浮物在短时间内絮凝。完成絮凝后水进入到沉淀单元，将水通过集水管路直接输送到重力水仓中。污泥循环泵抽取沉淀区泥水，将砂砾、污泥等传输到分离器中。分离出的污泥中分离出砂石直接传输到混合池中继续使用，而污泥通过分离装置上方直接排进污泥池中。
该项技术在实际使用中，具有占地空间小、处理效率高、持续稳定等优势，因此在煤矿开采领域的应用十分广泛。
.png)
2.1.2超磁分离技术
该项技术是指向矿井水中加入一定量的磁种（絮凝体凝结核），借助非磁性悬浮物在混凝剂、助凝剂影响下产生了磁力，和磁种产生吸附作用，逐渐形成了带有磁性的絮凝体颗粒。借助设备内部永磁强磁盘的重力和磁力可以将磁性絮凝体吸附，从而实现矿井水质净化作用。磁盘将水和残渣分离，残渣直接传输到磁种回收系统中，并重新用到混凝系统重复使用，剩余污泥传输到污泥处理系统当中[2]。超磁分离技术在实际使用中，具有净化率高、占地空间小、设备耐用、投资成本低等优势，十分适用于矿井水处理。
2.1.3采空区过滤技术
采空区过滤技术与上述两种技术不同，这是由于该项技术无需设备和药剂，只需要借助煤炭开采中的采空区，实现矿井水的过滤与净化。因此，该项技术成本更低，不会产生二次污染问题。如今，大部分矿井都是采用全部垮落法对顶板处理，煤层上部岩层内含有粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩等。煤层顶板、残煤是采空区的重要填充物，在开采扰动、自身重力的影响下，填充物会变为高孔隙率岩石过滤系统。将矿井水从高标高部位传输到采空区，受到重力影响，水体渗透填充物流向低洼处，此过程会截留悬浮物，实现悬浮物和水的分离。再者，煤层顶板还含有一定量的黏土矿物，将矿井水中的油质吸附，实现钙镁离子交换，让水体硬度进一步降低。通常情况下，采空区过滤技术的悬浮物净化率可以达到90%以上，并且随着时间的推移，净化效果会逐渐提升。
2.2高矿化度矿井水处理
高矿化度矿井水中的含盐量达到1000mg/L以上，虽然陕西、宁夏等地区地处内陆，但矿井水含盐量依然在1000-2600mg/L之间[3]。高矿化度矿井水处理的核心是脱盐，常见的方法有以下两种：
2.2.1膜法脱盐
作为当今高矿化度矿井水最为重要的脱盐方案，随着膜过滤技术的成熟，其使用成本也在逐渐降低，提高了适用范围。该方法主要是采用纳滤膜、反渗透膜，反渗透膜可以将矿井水浓缩，纳滤膜将一价盐、二价盐分离，具体工艺流程如图2所示[4]。矿井水在完成预处理后通过过滤系统，将矿井水中的悬浮物去除，确保可以达到反渗透系统进水标准。过滤系统经过的水进入到中间池缓冲，最后进入到反渗透系统实现脱盐。为了确保矿井水回用率，可以将反渗透系统细分为高压反渗透、低压反渗透两级系统，缓冲池先将水传输到低压系统中，产生达标的回用水、一级浓盐水，并传输到清水仓中，之后进入到二级反渗透系统中将脱盐浓缩，浓高浓度盐水进入到存储库中封存，处理之后的清水传输到清水仓备用。
.png)
2.2.2热法脱盐
如果矿井水含盐量较高，则使用膜法脱盐技术可能会产生结垢、变形等情况，需要更换滤膜，增加了矿井水处理成本，特别是在矿井水含盐量都达到1000mg/L以上时，会进一步缩短膜使用寿命。而热法脱盐技术，更加适用于高盐度矿井水中，相比膜法脱盐更具优势。热法脱盐体系中，低温多效蒸发是应用最为广泛的技术，该项技术已经在海水淡化领域取得了突破性成就[5]。低温多效蒸发技术使用中，主要是建设多个蒸发器串联，让蒸汽热能得到充分利用，提高热效率。蒸发器在运行中，将矿井水从蒸发器顶部进入，经过分布器之后向下流动，水在管内受热影响汽化，汽化蒸汽和液体通过加热管下端引出，通过蒸发也可以水体盐度进一步提升。而浓缩液通过结晶处理、喷雾干燥实现矿井水的零排放。
3矿井水资源化利用新模式
想要实现矿井水零排放，就必须要提高矿井水的利用率，我国大部分矿井水利用率都不足30%，利用空间非常大，这就要采取新模式、新技术让矿井水实现资源化。
3.1分质供水、阶梯利用
悬浮物去除率是影响矿井水处理效率的重要环节，而采用分质供水、阶梯利用模式可以有效提高水资源利用率。作为一项矿井水处理与资源化利用的综合手段。可以将井下水仓中的矿井水通过泵传输到地面上，之后进行设备处理，待到水资源达到重复利用标准后，在返回到井下使用或在地面使用。其中，澄清池当中的水资源可以在选煤厂使用；滤池水可以地面降尘，也可以应用于锅炉、农业等方面；井下水还可以回用至乳液用水、冷却用水、井下消防洒水、黄泥灌浆用水等。我国大部分矿井水都要重点解决悬浮物问题，而该工艺流程十分简单，配置更加灵活，运行成本较低，在近些年发展当中理论与技术都更加成熟，实际使用中也能够有效提升水资源利用率，是矿井水零排放处理中的经典工艺。
3.2井下处理、就地复用
随着矿井不断开采，当今煤矿开采深度也逐渐增加，陕西、宁夏等地区矿床矿井开采深度在几十米到几百米不等，对于较深的矿井，使用泵将矿井水抽出地面需要耗费大量电能，并且加压泵损坏率也非常高，渗漏问题严重。而矿井开采深度增加也会增加井底空间使用量，为井下增添设备提供了支持。因此，可以在井下实现处理，并重复利用。此外，采集设备冷却、液压支架等对水质、水量提出了更高要求和标准，如果矿井水直接用作冷却液会导致管道堵塞、腐蚀等问题[6]。
井下处理、就地复用方案，可以将处理设备设置在井下，矿井水经过沉淀处理之后，利用混凝沉淀技术将悬浮物去除，之后采用过滤系统将清水排放到清水池中。处理之后的水可以用作配置乳液、防尘冷却、井下消防、黄泥灌浆等用水。压滤机将混凝沉淀物进行脱水，与煤矿或杂物等一起提升到地面，统一处理。同时，该模式主要是将处理设备系统安置在巷道内，相比地面处理方案，不仅能够节省电费和投资量，所有设备都采用防爆防护也能够保证安全问题。但是巷道空间有限，对处理系统的集成性、高效性提出了更高要求，所以通常采用磁砂、瓷砂处理工艺。在井下防爆方面，要确保井下设备的防爆标准，并且要融入智能化技术（如自动检测运行条件、设备运行参数等）。随着人工智能、大数据、云计算等技术的成熟，矿井水井下处理智能化也将会实现。
3.3高品质按需供水
矿井水通过地面或井下设备去除悬浮物和污染之后，借助反渗透装置降低含盐量，从而满足用户使用需求。高品质按需供水是将膜法脱盐工艺进行创新升级，针对膜不耐盐的问题，通过改善膜的组成成分和提升耐盐标准，借助微滤膜、纳米滤膜装置、超滤装置等，实现多参数矿井水过滤，进一步去除矿井水中的微小悬浮物，从而降低反渗透装置膜污染问题，解决传统膜法脱盐的问题。该模式的处理重点是反渗透浓水处理方面。相比上述两种方案，该方案是一种深度处理模式，出水后金属离子、盐含量、悬浮物浓度大大下降，出水品质不低于工业使用标准[7]。所以该模式十分适合煤化工业园、煤电工业园等上下游产业链聚集区。
这是由于工业园中包含多个产业经营主体，对用水质量需求、用水量需求不同，要求较为多样化，同时也有很多电厂、煤化工厂对水质要求较高的单位，而该模式可以得到质量非常高的水资源，在工业园区节能、节水、降低成本方面有着重要意义。
3.4高含盐量浓水去除
将矿井水进行悬浮物去除、脱盐工序之后，特别是3.3方案深度处理之后，会生产一部分含盐量非常高的浓水。为了能够真正的实现零排放，必须要对这部分高浓度盐水进行处理。可以将高浓度盐水进行浓缩、纯化、蒸发结晶等方式得到回用水。浓缩时，主要是借助化学软化、膜过滤、反渗透、深度软化、SRO实现。软化可以进一步去除水中重金属、降低硬度、减少氧化硅；膜过滤进一步净化悬浮物、胶体物质；RO、深度软化、SRO能够将控制水体硬度，确保反渗透、蒸发器运行的稳定性，实现盐溶液的浓缩减量，减少整个系统的使用成本。纯化过程可以将水中有机物、钙、镁、重金属等去除，提高盐白度。蒸发结晶常见的技术包括压气蒸发、多效蒸发、自然蒸发，每种蒸发技术的优劣势不同，主要是根据矿井水实际处理要求选定[8]。蒸发结晶可以分离氯化钠、硫酸钠等固体，占地少，进一步提高矿井水的处理率，从而实现矿井水的零排放。
4矿井水处理现存问题以及发展方向
4.1涌水量预测
在煤矿开采行业，矿井涌水一直是一种隐患，实现矿井涌水预测能够确保矿井生产安全，减少矿井水害发生的可能性。矿井水同时作为一种水资源，从矿井水重复利用方面考虑，能够精准预测矿井涌水量对工艺条件优化、抗冲击负荷条件均有巨大作用。如今涌水量预测方法主要是解析法、数值法、均衡法等。但这些方法强调影响矿井涌水的单一因素，对协同作用下的涌水问题分析不到位，很少考虑水通道性质、形成机理、出现部位等，没有将涌水地点、时间、采掘进展等因素相结合，所以只能预测静态涌水量，并非是动态涌水量，缺乏对煤矿生产以及煤矿水处理的指导性[9]。再加上，陕西、宁夏等地区矿床矿井除了断裂带水，还包括孔隙水，所以传统预测方法要比实际涌水量更多。这就需要相关部门机构进一步加强涌水预测精度，采用智能技术、传感技术、大数据等构建动态模型，实现实时涌水监测和预报。
4.2分离设备与井下处理技术“三化”研发
在过去，矿井水处理技术的应用成本非常高，并且占地空间大，而未来矿井水处理更多是以井下处理为主。但由于巷道空间有限，这就需要充分利用井下空间特征，最大程度上提高井下空间利用率。相比传统混凝土、沉淀等技术，磁砂、瓷砂分离技术的优势更加明显，可以降低运行成本和空间占用率，适用于井下环境。但相关工艺参数、控制条件依然无法满足井下生产要求，大部分工程还处于试验或初期投入阶段，距离大规模推广和使用还有一段距离。再者，随着矿产行业不断发展，千万吨级别大型矿井不断出现，这对井下综合设备的“三化”提出了更高要求，包括智能化、模块化、标准化，大幅度提升了矿井水处理要求。因此，必须要对矿井水处理工艺进行“三化”改革，这对实现精细化管理、无人值守有着重要意义。
4.3特殊污染矿井水处理
由于不同地区的水文地质条件不同，这也导致放射性元素、微量元素组成差异，很多有毒有害进入到矿井水中，造成严重的污染问题。考虑到特殊污染矿井水中污染物各异，所以没有标准统一的处理方案，不同污染物组成要采用相应的处理工艺，而各个矿区实际开采情况各不相同，甚至一个矿井中的上部处理、下部处理都要采用不同回用渠道。在该方面国内外还很少有报道，依然需要进一步加强研究，希望可以实现统一、标准的特殊污染矿井水处理体系。
5结束语
综上所述，为了解决我国淡水资源紧张以及矿井水利用率不高的问题，必须要加强矿井水处理、废水零排放技术的研究工作。这不仅能够减少排放浪费、降低污染，同时还可以提升矿井水利用率，为煤炭开采下游产业提供水资源，降低了缺水地区的水资源使用成本。虽然很多煤矿水处理技术都存在一定优劣势，但随着科学技术的不断发展，可以进一步弥补这方面的劣势问题，实现矿井水自动化、智能化处理，真正的实现零排放、零污染。
参考文献
[1]郭强.煤矿矿井水井下处理及废水零排放技术进展[J].洁净煤技术,2018(11):555~556.
[2]何绪文,李福勤.煤矿矿井水处理新技术及发展趋势[J].煤炭科学技术,2010(11):22~27.
[3]李福勤,何绪文,吕晓龙.煤矿矿井水井下处理新技术及工程应用[J].煤炭科学技术,2014,042(001):117~120.
[4]管大林.五沟煤矿矿井水井下处理及回用技术研究[J].低碳世界, 2017,(04):67~68.
[5]陈艳慧,庞亨瑞.高河煤矿矿井水井下处理提质技术及运行实践[J].山西煤炭,2019,39(01):14~17.
[6]李慧玲.五沟煤矿矿井水井下处理工艺效果分析与出水水质评价[D]. 安徽理工大学,2015.
[7]张栓亮. 矿井水井下处理新技术及工程应用[J].内蒙古煤炭经济,2019,(07):46~47.
[8]汪瑞华,王光平.煤矿矿井水井下处理工艺设计浅析[C]//中国煤炭学会成立五十周年系列文集2012年全国矿山建设学术会议专刊（下）.2012.
[9]何绪文,张晓航,李福勤.煤矿矿井水资源化综合利用体系与技术创新[J].煤炭科学技术,2018,046(9):114~115.