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神东采空区转移存储与矿井水资源化工艺研究


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神东采空区转移存储与矿井水资源化工艺研究
王茂运,杨淼,黄鑫磊
中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 ( 221008)
E-mail: jerrywmy2008@126.com

摘 要:针对神东矿区缺水问题研究,利用采空区过滤净化矿井水,具有处理效果好,经济 效益显著及出水回用率高等优点。依据采空区矿井水处理机理,调查研究岩层、水质特征以 及水力特性, 通过实验确定处理工艺流程, 实现采空区矿井水资源化利用, 具有很高的经济、 环境、社会效益。 关键词:神东矿区;采空区;矿井水;资源化 中图分类号:X703

1. 引言
我国是一个煤炭大国, 水资源是煤炭开发的关键性制约因素, 水污染是矿区面临的重大 环境问题之一,对于神东矿区尤为如此,神东矿区属于干旱、半干旱大陆性季风气候,降水 量年平均不足 450mm,地表、地下水补给严重不足,水资源短缺矛盾突出,制约着煤炭的 开采。 近年来, 在煤矿矿井水处理与利用方面取得了很大成绩, 以神东矿区的矿井水作为研究 对象,针对该矿区,对浅部煤层开采后,煤层上层含水层和风化基岩富水带位于采动冒落裂 隙带的影响范围之内, 在煤矿开采过程中将会形成大范围失水区, 导致原来就不够丰富的地 下水资源遭受严重破坏。如将矿井废水直接排入地表,则会形成新的污染,不仅不符环保政 策,而且对于严重缺水的矿区也是极大的浪费。因此,对矿井水的转移存储,在采空区经沉 淀、过滤、吸附、离子交换等处理工艺的研究使矿井水资源化,供矿区生产、生活使用。

2. 采空区矿井水处理工艺设计与研究
2.1 基本原理
传统矿井水处理工艺一般都采用混凝、沉淀、过滤、消毒工艺,矿井水利用率比较高, 但先期投资大,处理成本较高,且不能解决采区水仓清淤问题。根据矿井水质和采空区充填 物的矿物与物理特征,从经济角度考虑,经过综合分析,可以利用采空区来净化矿井水。 矿井水采空区处理是矿井水处理的一种较新工艺,包括一系列复杂的物理、化学、物理 化学、生物过程,采空区处理矿井水要因地制宜,满足本采区、本地区用水要求,配合地表 矿井水处理的前期工作,根据采空区的实际地形、地质条件和处理后矿井水的用途,确定主 要去除的指标,利用采空区的孔隙、裂隙,通过沉淀、过滤、吸附、离子交换,达到净化矿 井水的目的。 以采空区为集水区,利用井下水仓为净水池,将采空区净化水通过注水孔注入水仓后, 向井下供水,使得矿井污水成为净水而被利用,将基本能满足矿井井下煤炭开采用水需求。 其工艺流程和机理图参见图 2-1、图 2-2。

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管路或 水沟自然流入

井下除尘 集水池: 调节水量 泵控混凝剂 采空区: 混凝沉淀、 过滤、 吸附 、 离子交换
图 2-1 工艺流程图

清水仓: 分配用户

地面生产 地面生活

图 2-2

采空区处理矿井水机理图

利用采空区处理矿井水,主要利用了采空区孔隙、裂隙介质,根据实际或人为施加的地 形条件,在矿井水的运移过程中,通过自身所含颗粒物的沉淀、介质的过滤、吸附、离子交 换等作用,从而达到净化矿井水的目的。采空区处理主要受煤矿地下水化学特征、采空区覆 岩破坏规律、颗粒迁移、吸附规律以及其他条件等的影响。其基本作用机理如下: (1)采空区内遗留物的主要成分为煤灰及煤的颗粒及其他一些矿物质颗粒。 (2)采空区作为处理矿井水的主要场所具有大容量的特点,而采空区也像河流湖泊一 样,具有相似的性质——水体的自净。 (3)采空区的大容量有利于水质水量调节。 (4)沉淀作用。沉淀作用是去除矿井废水中悬浮物的重要环节,采空区的容量和形状 具有沉淀池与过滤池的作用。 (5)采空区处理矿井水的生化作用。

2.2 影响因素
(1)采空区覆岩破坏形式:采空区是煤层开采后上覆岩层垮落坍塌形成的,其覆岩的采动 破坏有多种形式,一般可分为冒落性破坏、张裂性破坏和压剪性破坏等三种。不同的破坏形 式所形成的采空区孔隙、裂隙特征有所不同,从而采空区矿井水处理效果也就不同。 (2)岩石的水理性质:煤层采出后,上覆岩层失去平衡,由直接顶板岩层开始逐层向上冒 落,直至开采空间被充满为止,因此形成诸多的岩石空隙,这为利用采空区矿井水处理提供 了水力通道。 岩石的水理性质综合地反映岩石的空隙及其与各种形式水之间的关系, 是评价 岩石中水分储存和运移的重要指标。 (3)颗粒迁移:矿井水中所含颗粒主要是矿井水流经采掘工作面时带入的煤粒、煤粉、岩 粉等悬浮物。过滤过程就是将含有浊度的原水通过一定厚度的滤料,有效的去除水中浊度, 使水净化的过程。悬浮颗粒在采空区迁移运动过程,就是一个类似的过滤过程。
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(4)吸附作用:吸附是固体表面反应的一种普遍现象。在液相与固相接触时,液相和固相 表面之间常常产生物质交换, 这种现象称为吸附。 在地下水与地层岩土长期接触的相互作用 过程中,吸附作用对地下水化学成分的形成和演变起到重要的作用;在一定条件下,它对溶 质的迁移,特别是对污染溶质的迁移,起到了重要的控制作用。 (5)离子交换:离子交换方法是借助于可交换离子与水中相同电性的离子进行交换反应, 以实现对水中需去除离子的分离的水处理方法。 离子交换的实质是固液两相间等当量的离子 交换作用,也属于一种特殊的吸附过程。 (6)混合作用:两种或两种以上不同化学成分、不同矿化度的地下水混合后,形成一种与 原有两种水化学成分或矿化度全然不同的新型地下水,这种作用叫做水的混合作用。

2.3 采空区矿井水处理室内模拟实验
中国矿业大学利用建立的采空区模型对采空区处理进行了模拟试验, 让矿井水通过采空 区模型进行过滤净化,试验结果可以作为矿井水采空区处理的参考依据。 在实验室建立一段具有较小水力坡度的采空区岩层模型, 让矿井水水样经过采空区模型 进行过滤, 由于考虑到室内模型长度与实地真实采空区可利用长度相差甚远, 为此给模型建 立循环管路,使过滤后出水重新回到蓄水容器内再过滤,反复多次,延长原水在模型中的过 滤时间,增加原水在岩层中过滤次数,相当于加长了岩层,尽量使模型接近实际情况。 取均质矿井水水样 21L,测其原水浊度为 1560 左右,将其通过采空区模型进行净化处 理试验,进水平均流量 Q=1.215L/min,试验结果见表 2-1 和图 2-3 所示。
表 2-1 均质矿井水净化试验浊度去除表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 累时/min 0 3 4 5 7 10 13 15 17 19 21 24 28 31 33 35 37 39 42 45 48 51 浊度/NTU 13 233 538 624 668 692 680 671 668 669 650 650 754 604 504 488 462 444 440 434 399 366 序号 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 累时/min 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 211 浊度/NTU 339 326 315 306 294 279 262 255 247 238 218 202 178 159 155 150 140 133 124 118 115 103 序号 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 累时/min 231 251 271 291 311 331 351 371 401 431 461 491 521 551 581 611 641 671 701 731 761 791 浊度 /NTU 93 89 81 76 72 69 66 64 62 58 57 54 52 49 47 44 42 40 39 38 36 36

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800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 累计时间/min
图 2-3 均质矿井水净化试验浊度去除效果图

由结果可知,0 时刻出水浊度为 13,是因为试验前滤料由自来水冲洗,滤料中残余少量 自来水以结构水形态存在, 当矿井水进入滤层向下推进时, 首先将这些自来水的一部分压出, 使得初始出水实际上主要为自来水,浊度为 13。出水浊度由 13 很快增至第一个峰点(浊度 692),明显小于原水浊度 1560,矿井水流动过程受滤料层过滤使其浊度明显降低,因此, 浊度虽比原水浊度低但又呈上升趋势, 直至残余处理水被完全排出滤槽, 浊度有较小的下降 趋势,很快回升到第二个峰点(浊度 754),混水循环回至滤槽再与纯矿井水混合的缘故。之 后,浊度以较大幅度下降一段时间后,趋于平稳下降,至最终稳定(浊度 36)。 试验结果表明,采空区模型处理后,浊度总去除率为 97.69%,处理效果较好;总历时 791 分钟,随着净化时间越长,处理效果也越好。当经多次过滤冲洗后,处理效果下降,考 虑对滤槽进行冲洗,冲洗后再进行试验,结果滤料的净水效果得到明显恢复。即便随着过滤 次数的增多截污能力有所下降,浊度去除率仍保持在 95%以上,事实上,由于真实采空区 的长度、厚度都很大,处理容量大,孔隙也比实验中的理想,因此,实际的浊度去除率还要 高于实验结果, 选择采空区过滤净化矿井水, 不但节约传统工艺中的构筑物投资和运行成本, 而且大大提高了悬浮物去除率。

3. 矿井水资源化效益与综合利用
3.1 矿井水资源化环境、经济及社会效益的统一
经济效益:采用采空区过滤净化技术,除初期的集水区、水仓等建设费和排水管道铺设 费用外,基本没有污水处理费,因此,其处理费用极其低廉。目前,全矿区矿井水复用量达 13580 m3/d,495167 万 m3/a ,占原来矿井日排污总量的 72%,产生经济效益为 1586 余万 元/a,节省排污费 342 余万元/a,直接经济总效益达到 1928 余万元/a。 环境效益: 矿井水利用的环境效益主要表现在以下几个方面: 一是基本消除了矿井水引 起的地表水体的污染; 二是减少了地表水体水量的利用, 有利于地表生态环境的维持与改善; 三是减少了地下水开采量,减缓地下水位的下降,维持表土层的保水能力,防止水土流失; 四是矿井水可直接应用于矿区和周边地区的绿化与生态改善。 社会效益:通过复用矿井水,可节约地下水资源,将较大地缓减矿区供水紧张状况,为 企业的正常运行及可持续发展打下良好的基础。 同时, 可消除对附近农村水资源及农作物的 污染与危害,减少纠纷,改善煤矿和周围农村的工农关系,势必取得良好的社会效益。

浊度/NTU

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3.2 排供结合 综合利用
不同煤矿矿井水的水质和排放情况差异较大, 回用时应根据利用方向按因地制宜、 经济 方便的原则,适当处理后优先保证矿区内用水,尤其要优先考虑井下用水,做到先井下后井 上,先矿内后矿外,先生产后生活,充分发挥矿区内现有水利设施的潜能,避免重复建设。 矿井水资源可用于四个方面: (1)矿区生产用水。包含锅炉用水、消防、道路洒水等。 (2)煤炭加工。包括洗煤厂、煤砖厂、机修厂等。 (3)矿区生活用水。 (4)其他用水。包括农田灌溉、补充水源、回灌地下含水层、建筑用水等。

4. 结论
利用采空区模型对矿井水处理效果明显, 结合神东矿区实地考察研究, 表明采空区矿井 水转移存储与资源化具有可操作性,并且具有很高的经济、环境、社会效益。采空区处理矿 井水,在理论上可行的,在技术上是可以实现的。对类似以神东的矿区,矿井水悬浮物高, 以去除悬浮物为主要目的,且井下具备适合的采空条件,建议实施此方案,效果明显,综合 效益显著。该技术为矿区的可持续发展提供了一个较好的解决水资源短缺的经济模式。

参考文献
[1] 胡文容. 煤矿矿井水及废水处理与利用[M]. 北京市:煤炭工业出版社,1998. [2] 曹祖民 高亮等. 矿井水净化及资源化成套技术与装备[M]. 北京市:煤炭工业出版社,2004. [3] 冯利利 朱岳麟 陈锁忠 单爱琴. 采空区处理含悬浮物矿井水的效果研究[J]. 能源环境保护,2004, (6):40-42. [4] 魏永胜 邵立南 何绪文. 神东矿区矿井水井下处理就地复用关键技术研究[J]. 煤矿环保,2008, (2):96-97 . [5] 何广东 邵立南 将先锋 何绪文. 神东矿区矿井水井下处理工艺研究[J]. 煤炭工程,2007, :79-80. (8) [6] 刘勇 孙亚军. 煤矿矿井水资源化技术探讨[J]. 能源技术与管理,2008,(1):73-75.

Technobgy Study on Mine Drainage Metastasis Memory and Mine Mater Mesource-rization in Shendong Mrea
Wang Maoyun, Yang Miao, Huang Xinlei
The school of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu (221008) Abstract In order to studies problem specifically of magical east mining area lacks for water , use of goaf of mine water purification filters , which has merits , larger economic benefits and higher availability of water. Based on goaf of the mine water treatment, investigation and study rocks, water features and hydraulic characteristics, through the process of determining treatment, this is Resources goaf of the mine water, which is of high economic, environmental and social benefits. Keywords: Shendong mining area, goaf, mine water, resource-rization 作者简介:王茂运,男,1986 年生,本科,主要研究方向:水文与水资源,矿井水处理与 防害。

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