孙嘉伦，刘 松，雷兆武，代卫林，侯培雄，张宝成，柴曹江

(1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江省哈尔滨市，150001；2.冀中能源峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司九龙矿，河北省邯郸市，056200；3．河北环境工程学院，河北省秦皇岛市，066102；4.冀中能源峰峰集团有限责任公司，河北省邯郸市，056008)

冀中能源峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司九龙煤矿(以下简称“九龙矿”)设计生产能力为120万t/a，煤种为焦煤，具有低硫、黏结性强、结焦性好等特点，该矿井田南北平均长约8 km，东西宽约2.5 km，面积约22 km2。该矿在煤炭开采过程中通过实施保水开采和区域超前勘查治理，从源头控制煤炭开采过程中的矿井水产生量。目前该矿矿井水产生量约160万m3/a，经超磁分离工艺处理后进入水仓储存，经中央提升泵房提升至地面进行利用或排放。

通常在煤矿生产过程中工况多变，矿井水涌水量、悬浮物浓度、颗粒物粒度等水质参数存在波动较大的问题[1-2]。九龙矿矿井水资源丰富，矿井水在经超磁分离处理后，仍存在部分颗粒物随矿井水进入内、外水仓，在水仓中二次沉降形成煤泥(污泥)。水仓中沉积的煤泥一方面会减少水仓的有效容积需及时清理，另一方面煤泥极具可回收价值，煤泥清理的彻底程度直接决定了煤泥清理的经济效益。

由于传统水仓的清淤方式存在煤泥回收率低、工作安全风险大、危险系数高、作业环境差、劳动强度高、清理效率低、耗费时间长、影响矿井安全生产等问题[3-5]，为了提高对水仓中沉淀煤泥的回收，解决水仓中煤泥清理存在的问题，提高水仓清理效率，九龙矿以现有内水仓为基础，进行二次沉淀水仓改造。通过对水仓进行二次沉淀改造，实现超磁分离出水中煤泥集中沉降后，又采用煤泥自动清理机进行煤泥清理，既降低了劳动强度、缩短了清理时间，又提高了煤泥清理效率，达到了改造预期目的，创造了良好的社会效益和经济效益。

1 矿井水处理现状

1.1 矿井水处理工艺

当前矿井水处理主要包括格栅、预沉池、混凝池、超磁分离等过程。预沉池可以对矿井水中的部分粗颗粒物进行去除，矿井水(原水)通过格栅进入预沉池后，在混凝池与磁粉、聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝剂进行充分混合接触后形成磁絮凝体，由超磁分离机对磁絮凝体与水进行分离，实现矿井水净化，处理后出水进入水仓，由中央泵房提升至地面利用或排放。超磁分离机脱除的磁絮凝体进入磁泥分离机，进行磁粉的回收及利用；预沉池污泥、磁泥分离机排泥都进入污泥池，通过板框压滤机形成泥饼并回收[6]。九龙矿矿井水超磁分离工艺流程如图1所示。

图1 九龙矿矿井水超磁分离工艺流程

矿井水超磁分离技术针对的是含悬浮物矿井水，在混凝过程中加入磁粉及混凝剂，絮体中的磁粉使得絮体具有磁性，在超磁分离机的磁力场作用下，絮体被快速从水中分离，该工艺具有占地少、成本低、处理速率快等优点，是一种新型矿井水处理工艺[7-9]。超磁分离工艺大幅度降低了进入水仓的悬浮物浓度和数量，提高了对矿井水中煤泥的回收，减轻了水仓清理的压力，但对悬浮物浓度高的矿井水，还存在着处理效果欠佳的问题[10]。

根据设计水量计算，九龙矿矿井水处理工艺中，预沉池停留时间约7 min，混凝池停留时间约6.25 min，投加磁种后，沉淀时间缩短，15 s即可完成沉淀[11-12]。由于该矿存在涌水量波动大、矿井水中悬浮物浓度不均匀(300～1600 mg/L)、颗粒物粒度大小不一、超磁分离磁盘单位面积处理能力等问题，当矿井水中悬浮物浓度较低时，超磁分离出水水质较好；在悬浮物浓度较高时，超磁分离出水水质较差，部分悬浮物被带入水仓，在水仓中形成二次沉降，在水仓中形成煤泥。

1.2 改造前水仓相关性况介绍

矿井水经超磁分离处理后进入水仓，内水仓和外水仓可以同时进水并联运行，也可以单独进水独立运行。在需要对水仓进行煤泥清理时，则单水仓进水，另一水仓进行煤泥清理。水仓中的矿井水经中央泵提升至地面，完成矿井水处理和排水。该矿井水仓由外水仓和内水仓构成，改造前水仓及运行方式如图2所示。

图2 改造前水仓及运行方式

该矿内水仓容积为3 550 m3，外水仓容积为4 830 m3，水仓合计容积为8 380 m3。由于内、外水仓并联同时进水，因此内、外水仓底部均有煤泥沉降，水仓清理煤泥时，需要对2个水仓中沉降的煤泥分别进行清理。每年6月雨季前都需要清理水仓中的煤泥，主要采用人工清理，每班10人，每天3班，完成2个水仓煤泥清理需要90 d。由于煤泥清理工作时间长、劳动强度大且不能彻底清理水仓，因此仍有0.3～0.4 m的底层煤泥清理不干净，煤泥回收率低。

目前对传统井下水仓煤泥清理方式也在不断地进行改进，如采用气动隔膜泵设备自动清理水仓，以提高清理效率，减少煤泥清理用工人数，降低煤泥清理人员劳动强度，提高作业人员安全系数，提高煤泥回收率[13-15]。

2 二次沉淀水仓改造

2.1 二次沉淀水仓改造设计

针对九龙矿矿井水仓现状，2019年7月对内水仓进行了二次沉降改造，首先对超磁分离出水携带进入的悬浮物进行沉淀分离，再对二次沉降水仓底部的煤泥采用自动清理机械进行清理并脱水。二次沉降水仓改造增设水沟、排污巷、挡水墙、溢流巷(溢流墙)，二次沉淀水仓改造及运行方式如图3所示。

图3 二次沉淀水仓改造及运行方式

由图3可以看出，超磁分离处理后出水由水沟进入排污巷，再进入二次沉淀水仓，经由溢流墙进入外水仓。矿井水中的悬浮物在二次沉淀水仓部位完成沉淀分离，沉降煤泥集中在二次沉淀水仓段，缩短煤泥清理的水仓长度，便于煤泥清理机自动清理煤泥，提高煤泥清理效率。根据设计要求，二次沉淀水仓长为174 m，挡水墙厚度为0.37 m，挡水墙顶相对水仓底高度为2.7 m，挡水墙宽度为4.8 m，二次沉淀水仓净宽度为4 m，挡水墙结构如图4所示。

施工前，对巷道两侧及底板进行开挖槽沟，槽沟宽为0.37 m，两侧及底板槽沟深均为0.30 m。挖好槽沟后喷浆封闭，底板采用水泥砂浆铺底找平再进行砌墙，水仓内挡水墙侧面垂直砌入16号槽钢作为挡板槽，加设长为1.5 m的活动堰板，保持二次沉淀水仓及原内、外水仓的灵活运行。

溢流墙包括固定基础和活动堰板，固定基础面(即活动堰板底部)相对挡水墙底部高差2.5 m，活动堰板墙高度1.5 m，溢流墙厚度0.37 m，溢流墙活动堰板结构与挡水墙相似。

二次沉淀水仓正常运行时，挡水墙加设堰板高度2.7 m，溢流墙不加堰板，以固定基础高度2.5 m(相对挡水墙底部高度)进行运行，二次沉淀水仓形成长×宽×深为174.0 m×4.0 m×2.5 m的封闭空间，总容积1 740 m3。超磁分离处理后出水进入二次沉淀水仓，进行煤泥的二次沉降。

图4 挡水墙结构

正常运行时控制水位相对水仓底部高度为2.5 m，设计有效水深为1.5 m，有效容积为1 044 m3，停留时间约为5.8 h。污泥区可控高度为1 m，污泥区容积约为696 m3。根据现有180 m3/h的矿井涌水量，矿井水流速为0.008 33 m/s，按20℃水近似计算矿井水雷诺数，雷诺数为3.305×104，根据沿平壁流动层流雷诺数Re的临界值为5×105[16]，因此在二次沉淀水仓的沉淀区，水流处于层流状态，颗粒物在二次沉淀水仓得以较好的沉降。水沟长度145 m，宽度1 m，水沟坡度3‰。排污巷长度50.8 m，宽度3.2 m。

本次改造选用MQC-15型煤泥自动清理机，同时配套煤泥粗分、脱水设备。由煤泥自动清理机清理二次沉淀水仓煤泥，在清理水仓煤泥前，对溢流墙加设堰板，避免清理煤泥时清淤浑水进入外水仓。清理后煤泥由粗分设备进行分级，对粒径≥1 mm煤泥进入煤泥回收车，粒径<1 mm煤泥进入压滤设备脱水，脱水后煤泥进入煤泥回收车，提升至地面进行回收。

2.2 二次沉淀水仓运行及效益

改造后，二次沉淀水仓与外水仓采用串联运行方式进行，超磁分离处理后出水中携带的悬浮颗粒物在二次沉淀水仓进行沉淀。二次沉淀水仓污泥区容积大，可充分容纳沉降的煤泥，提高二次沉淀水仓的运行周期，根据改造后二次沉淀水仓运行状况，二次沉淀水仓中的煤泥可每年清理一次。在进行二次沉淀水仓煤泥清理时，二次沉淀水仓停止进水，超磁分离处理后出水进入外水仓。煤泥自动清理机清理水仓时，每班5人，每天2班，完成二次沉淀水仓清淤工作需要约30 d。二次沉淀水仓一次可清理含水率为28%～30%煤泥约1 000 t，可将煤泥与原煤一同出售。

该矿本次改造投入费用为320万元，其中设备购置费为135万元，以设备折旧计入折旧费，投资偿还期为1.8 a。节省水仓清淤人工费用为40万元/a，多回收煤泥约400 t/a，增加效益约120万元/a，增创效益约160万元/a，具有良好的经济效益。

3 结论

针对冀中能源峰峰集团邯郸宝峰矿业有限公司九龙矿矿井水超磁分离处理后出水带入水仓的悬浮颗粒物问题，通过对内水仓进行二次沉淀改造，对进入沉淀水仓矿井水中的悬浮颗粒物进行集中沉淀，利于采用机械清淤。二次沉淀水仓设计在沉淀区满足层流流动条件下，增大污泥区容积，提高二次沉淀水仓运行周期，降低污泥区煤泥清理频次。

二次沉淀水仓改造采用煤泥自动清理机清挖煤泥，集中清理二次沉淀水仓中煤泥，并进行煤泥粗分、脱水，提高了清理效率，增加了煤泥回收量，减少了井下作业人员数量，降低了水仓清淤作业的安全风险，具有良好的经济效益和环境效益，其经验可为国内同类矿井水处理提供借鉴。