文_刘浩 程济慈 煤炭工业太原设计研究院集团有限公司

1 概述

煤矿矿井水是在煤炭井下开采过程中受到污染排放到环境水体的一种工业废水。常规的矿井水处理及回用流程是井下涌水经巷道汇至井下中央水仓，再由排水泵提升至地面矿井水处理站。经矿井水处理站净化处理后通过供水泵送到地面静压水池，依靠静压供给煤矿井下作为消防、防尘、 设备冷却和综采工作面乳化液配制用水等。地面设置矿井水处理站在实际运行中存在以下问题：①矿井水从井下提升至地面处理后再回用于井下，需消耗大量的电能，而且由于井下环境复杂多变、输水线路远，存在较大的不安全因素。②部分地区矿井水排出地面需缴纳高额水资源费。③占地面积大，施工周期较长。④井下水仓清挖劳动强度大，易出现工伤事故。⑤处理效果受气候环境影响大。

矿井水处理设在井下，可节约地面占地，减少矿井排水电耗，降低排水管路磨损，避免频繁的清仓工作。下面以某煤矿实际工程案例进行阐述。

2 工程案例

2.1 设计水量水质

该煤矿井下水处理站处理规模2400m3/d，井下水经处理后回用于井下消防、洒水用水量1200m3/d，剩余部分提升至地面后用于洗煤厂生产用水及浇洒绿化，实现了矿井水的零排放。其原水各水质指标表1，处理后的出水指标应达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准。

2.2 工艺选择

由于传统的混凝、沉淀、过滤工艺由于受巷道平面及高度限制，各单体构筑物处理能力较小，承受冲击负荷能力差，处理站处理效果一般，运行费用较高。因此不作为本次工艺考虑。近年来应用较多的新工艺主要有超磁分离技术、陶瓷膜净化技术等。超磁分离技术的原理是向待处理的水体中加入磁种，磁种作为絮体的凝结核使非磁性悬浮物形成带有磁性的絮凝体颗粒。含有磁性絮凝体颗粒的水体经过超磁分离机时，将磁性絮凝体吸附，实现水质净化。该技术具有较好的经济性和安全性，但对矿井水中可溶性污染物处理效果不好，运行费用偏高。陶瓷膜净化技术对进水水质要求比较宽泛，预处理系统简单，出水水质好，水质稳定。尤其是无需添加任何药剂，不会造成阴离子表面活性剂的额外超标，对石油类物质的存在不敏感，膜管易清洗，再生能力强，施工周期短和易于后期扩容。超磁分离技术相对陶瓷膜净化技术工艺稍显复杂，所配电气设备较多，井下电气设备均需防爆，造成超磁工艺的投资较大。且超磁分离技术出水水质较低。因此本次工艺设计选择陶瓷膜净化技术为主要核心处理工艺。

2.3 工艺流程

其井下水处理站整体工艺流程如图1。

图1 井下水处理站工艺流程图

2.4 工艺布置

工艺布置方面在传统的井下中央水仓和排水泵房中间增设水处理硐室、原水配水巷、清水巷等构筑单元，水处理硐室内布置原水提升泵、陶瓷膜净化设备、机械清洗装置、化学清洗装置、消毒装置、PLC电控柜、变频气压供水装置等处理设备。主、副水仓与原水配水巷之间设置配水闸门，原水配水巷与排水配水巷之间设置排水配水闸门，清水巷与排水配水巷之间设置清水配水闸门。水处理设备之间均通过工艺管道连接，配水闸门及各设备进出口阀门均采用手、电两动控制，正常情况通过PLC控制可以实现无人值守，特殊情况恢复手动控制，保证装置整体稳定运行。

2.5 建构筑物设计及设备选型

井下水处理站主要处理构筑物及设备如下。

①中央水仓一座，共包含主、副水仓各一座，总有效调节容积1200m3，内设刮吸泥机2台，宽B=4.0m，N=5.0kW。

②水处理硐室一座，尺寸：L×B×H=26×4×4（H）m。内设：原水提升泵2台，1用1备，型号TQW300-300A，Q=660m3/h，H=24m，N=55kW；无机陶瓷膜过滤装置2套，一用一备，Q=100 m3/h，膜面积 2000m2，膜通量 50L/（m2·h）；化学清洗装置1套，含：清洗水箱1只，V=3.0m3；耐腐泵2台，1用1备，型号为 CKR10，Q=10m3/h，H=22m，N=7.5kW；机械清洗装置1套，含：储气罐1台，V=2.0m3；膜在线清洗器1台，型号LMSOC-800；自清洗装置1台，型号HMfc-3。二氧化氯发生器2台，1用1备，型号为KW－100，Q=100g/h，N=1.5kw；防爆电磁流量计2台。

③煤泥处理硐室一座，尺寸：51×4×4（H）m。内设：压滤机入料泵3台，2用1备，型号KYLZ65-33，Q=40m3/h，H=75m，N=45kW；煤矿专用板框压滤机1台，型号XMZ100-1250-30，Q=15～60m3/h，N=90kW；自动加药装置1套，型号为JY-1，N=2.0kW。

④清水巷一座，尺寸：18.0×1.4×2.0（H）m。内设：变频气压供水设备1套，含：供水泵3台，2用1备，型号D25-50×3，Q=25m3/h，H=150m，N=22kW；立式隔膜式气压罐1台，型号为φ400×1800-0.6；液位计一套。

2.6 处理效果分析

项目安装后，经过一段时间的调试，出水水量较为稳定，膜通量基本维持在50～60L/(m2·h)，单台设备总产水量115m3/h。实测出水水质详见表1。

表1 出水主要水质一览表

氨氮 mg/L 1.2 0.506 1.0 达标总磷 mg/L ND ND 0.2 达标石油类 mg/L 0.51 ND 0.05 达标阴离子表面活性剂 mg/L 0.25 0.142 0.2 达标

由表1可看出，处理后的主要出水水质指标满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准的水质标准。

2.7 经济效益分析

①工程投资方面：矿井水处理站在井下设置工程投资更高，主要原因是井下巷道施工难度大，井下电气设备具有防爆要求导致设备费用偏高。

②运行费用方面：根据矿井实际运行数据显示，井下水处理站吨水运行费用约0.5元/t。

③水资源费方面：井下、地面分别设置相同处理工艺的井下水处理站不影响矿井总体的排水量，按照《山西省水资源费征收标准》规定，采矿排水收费标准按1.2元/m3执行，矿井水处理站井下就地设置可每年节省约105万元的水资源费。

④矿井水提升费方面：该矿井井下消防洒水量约1000m3/d，井下就地处理回用于井下后，每天可减少4h的主排水泵工作时间，主排水泵运行功率900kW，则节省电耗3600kWh/d，每年节电130万kWh，工业用电平均电价按0.8元/kWh考虑，每年可以节省矿井水提升费104万元。

⑤矿井水就地处理后，可减少主排水泵和排水管路的磨损，延长其使用寿命，减少设备维修费用。

3 结语

①本工程案例通过将中央水仓泵房和井下水处理站有机结合，合理布置，工艺流程简单，仅通过增加少量的井巷工程量即可实现正常情况井下废水处理后就地回用，多余清水提升外排，应急情况井下水处理站停用，井下排水系统恢复应急排水功能。

②该工艺技术主体工艺陶瓷膜净化装置处理效率高，出水水质优，设备占地面积小，节省工程投资。处理站运行过程不需投加药剂，仅原水提升泵消耗一定的电能，运行费用低。

③同传统井下排水系统相比，该工艺井下排水泵仅需提升井下回用后多余的清水，排水提升时间大幅缩短，提升水质改善减少了井下排水泵及管路的磨损和堵塞，延长了设备使用寿命。

④该工艺技术的应用可以减少煤炭企业水资源费用，达到节能减排目的。