朝川矿一井排水按水质优劣资源化利用技术.pdf

总第1 4 7期 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 1 1 1 0 1 8 朝川矿一井排水按水质优劣资源化利 用技术 潘国营， 刘江明 ( 河南理工大学 资源环境学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 ) 摘要： 朝川矿一井矿井涌水量约为 8 0 0 IT I h ， 通过分析井下涌水水源及排水 口水质特征， 矿井排水系轻 度工业污水， 并依此提出了“ 优质优用， 劣质劣用” 的分水质处理资源化利用的技术措施， 矿井水资源化利 用不但保证了矿区生产和生活用水， 而且为焦化厂提供了充足的生产用水， 为企业节约了大量资金 ， 产生 了显著的环境效益、 社会效益和经济效益 ， 为煤炭企业节能减排工作做出了重要贡献。 关键词： 涌水量； 水质特征； 分水质； 资源化； 节能减排 中图分类号： X 7 0 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 5 2 7 9 8 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 4 9 0 4 我国是煤炭大国， 目前 ， 煤炭占我国能源消费的 比例为7 0 ， 但在我国的煤矿生产过程中， 井下生产 安全事故频繁， 矿井突水就是一大矿井事故之一 ， 为 解决矿井突水问题 ， 为此必须排放大量的矿井水。据 粗略统计， 我国吨煤 涌水量介于 3 54 I l l 之间 j ， 而2 0 1 0 年国内煤炭产量超过3 2 亿 t ， 由此推算， 我国 每年 因煤炭生产所 排放 的矿井 水总量在 1 1 2 1 2 8 亿 m ， 而我国淡水资源总量仅为2 8 1 2 4 亿 n l _j ， 每年矿井水排放总量超过我国水资源总量的0 4 ， 矿井水直接排出在造成水资源巨大浪费的同时， 对 周边环境也造成重大污染 ， 矿井水含有大量 的悬浮 物 ， 有的呈现 出酸性和高矿化度 ， 甚至含有放射性元 素及氧化物 J ， 直接外排严重 污染地表水资源 ， 直 接用作农业灌溉用水会改变土壤 的性能 ， 而水的酸 性可增加重金属 的溶解 ， 从而使水 的毒性增加 。煤 矿企业为追求经济效益常常以污染环境为代价， 甚 至环境价值的损失以及治理和恢复环境的费用高于 开采煤炭所带来的经济效益。对矿井水进行处理并 加以利用， 不仅可以防止水资源流失， 而且有利于缓 解水资源缺乏的现状， 改善矿区生态环境， 同时为煤 炭企业的矿井水资源再利用和节能减排积累宝贵经 验 1 研究区概况 朝川矿一井位于河南省平顶 山市汝阳县 ， 矿区 北接汝河平原 ， 属构造剥蚀低山丘 陵及河流冲积平 原 ， 中部为 丘陵 ， 南部 为低 山丘 陵， 年 平均 降水量 6 6 8 1 m m 。石炭系、 寒武系岩溶裂隙含水层裸露于 矿区两翼南侧， 补给面积约为 1 5 k m ， 露头带岩溶 发育， 大气降水和地表径流入渗补给岩溶水； 由于朝 川水库建在灰岩裸露区， 水库附近地表及地下岩溶 十分发育， 造成水库及朝川河上游地表水渗漏补给 岩溶水 ， 同时， 第 四系孔 隙水通过第 4勘探线灰岩 “ 天窗” 下渗补给岩溶水。由于断层阻水， 地下水总 体上由西向东、 由南到北径流， 在张村井 田、 牛庄井 田以及三里寨井田以矿井排水形式排至地表。 根据富水性以及可采煤层的关系将含水层划分 为九层 ， 即寒武系中上统灰岩 白云岩岩溶裂隙含水 层 ， 石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层 ， 己 煤顶板砂岩裂隙含水层 、 戊煤组顶部砂岩裂隙含水 层， 丁煤组顶部砂岩裂隙含水层， 二叠系上统平顶山 砂岩裂隙含水层 ， 石千峰段砂岩裂隙含水层 ， 第三系 砂砾岩含水层及第 四系松散沉积物孔隙含水层 ， 而 对朝川一井充水起主导作用的是煤层底板的太原组 灰岩岩溶水和寒武系白云岩岩溶水。矿井突水是朝 川一井面临的主要矿井安全 问题之一， 为此矿井 主 要进行矿床疏干排水， 以解决可能带来的矿井突水 问题 。 2 资源化可行性 2 1 矿井涌水来源及途径分析 根据历年来朝川一井 突水情况分析 ， 煤层底板 岩溶水是矿井充水主要来源 ， 直接水源为石炭系灰 岩岩溶水 ， 间接充水水源为寒武系灰岩岩溶水。石 炭系灰岩与寒武系灰岩两层岩溶含水层水力联系密 切， 历次大型底板突水一般都有寒武系灰岩岩溶水 的参与。煤层顶板砂岩裂 隙水充水意义不大 ， 以淋 水或滴水形式进入矿井。 充水通道主要是岩溶裂隙和底板采动裂隙。本 区太原组薄层灰岩岩溶发育， 一 1 0 m水平东大巷在 收稿日期： 2 0 1 l 旬 1 作者简介： 潘国营( 1 9 6 3一 ) ， 男， 河北衡水人 ， 博士， 教授 ， 从事地质、 矿井水害防治等教学与科研工作。 4 9 2 0 1 1 年 1 1月 潘国营等： 朝J I j 矿一井排水按水质优劣资源化利用技术 第2 0卷第1 1 期 穿越 8 2 F 1断层时揭露过直径超过 4 m的溶洞 ， 并发 须加大矿井排水量以降低水压。而矿井水的大量外 生突水。根据泄水巷和泄水孔揭露显示 ， 浅部岩溶 排加重 了地表水的污染 ， 含有 的有毒物质及重金属 发育强烈， 深部发育程度较差， 岩溶形态以岩溶裂隙 离子通过下渗作用进入地下水系统， 造成地下水的 为主； 巷道因断面小对底板隔水层破坏深度较小， 而 污染， 使周边地下水水位下降， 北部泉水出露带泉流 工作面面积大对底板隔水层破坏深度较大。一井底 量减少， 加重了当地农业旱情。同时造成年排水费 板隔水层在采动矿压作用下， 也会受到一定程度的 用也在逐年升高， 详见表 1 。由于矿井建井时间较 破坏， 表现在巷道底鼓现象时有发生， 且巷道底鼓处 早， 矿井排水处理规模和处理工艺都相对落后， 矿井 常常出现渗水甚至突水现象。一井二水平采煤工作 水绝大部分未经处理直接排放 ， 资源利用化低 ， 仅部 面斜长一般为8 0 1 0 0 m， 煤层倾角 1 5 1 8 。 ， 开采 分经物理沉淀后用于当地农业灌溉， 矿井排水利用 深度 目前达到 4 5 0 5 0 0 m， 根据底板破坏深度经验 率不足 2 0 。 公式计算 ， 底板破坏深度在 l 2 1 5 in 之间。己 1 9 8 0年至 1 9 9 8年间， 年内水位随大气降水量 煤至石 炭系岩溶含 水层之 间隔水 层厚度平 均 波动有所变化， 但多年水位保持稳定， 当一井排水量 8 5 m， 薄弱处只有 2 3 m， 局部甚至缺失隔水层。 为7 0 0 1 0 0 0 In h时， 一井岩溶水位始终保持在 当采煤工作面底板岩溶水水压较 大， 隔水层实际不 一 5+1 0 1 1 之问， 处于动态平衡状态 ， 因此朝川一 能起到隔水作用。采掘过程中即使没有遇到岩溶裂 井动态补给量约为 8 5 0 m h ， 近年来， 朝川一井生 隙， 只要煤层底板灰岩富水， 岩溶水就可通过底板采 产逐渐向一 3 9 0 in水平延伸， 为降低水压值， 降低突 动破坏裂隙， 越过隔水层可以进入采掘工作面。 水危险， 每小时需排 出水量约为 1 1 6 0 1 T I 。近十年 2 2 矿井涌水变化量 实测数据表明， 年涌水量虽呈逐年缓慢下降趋势， 但 自 1 9 9 9年以来 ， 由于矿井开采深度逐渐向深水 因矿井补给量和静态含水量基数均较大 ， 因此 ， 为矿 平延伸， 由此带来矿井突水的危险系数提高， 为此必 井水资源化利用提供了资源量方面的有利条件。 表 1 朝川矿一井年涌水量及排水费用统计 年份 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 0 涌水量 ( 万 m 。 a ) 1 1 7 8 1 1 0 0 6 9 9 8 5 9 3 9 3 9 0 3 9 9 7 9 4 9 4 9 8 1 9 1 7 6 3 8 9 6 7 1 9 0 3 2 4 1 0 1 3 3 5 年排水费用 万元 1 1 6 0 5 1 5 9 0 3 1 5 5 7 0 4 1 4 8 2 9 8 1 5 7 6 1 1 5 0 0 1 4 4 9 2 1 4 1 6 2 1 4 2 6 3 1 6 0 0 4 2 3 水质水化学特征 不同含水层 的水质优劣对矿井排水资源化工作 有着重要影响。根据一井水文地质条件分析 ， 煤层 顶底板砂岩裂隙水、 煤层底板岩溶水和矿区浅部小 煤窑的矿井排水是矿井水 主要来源 ， 矿区内太原组 灰岩和寒武系灰岩岩溶水水质 良好 ， 没有人为污染 或污染轻微， 可直接作为生活供水水源。朝川水库 和朝川地表水是矿 区第 四系裂隙水及岩溶水补给来 源， 其水质对地下水 的水质有一定影响。故在矿区 采集 4个水样( 其 中东翼水样 1个 、 一1 0 m水平老 空水水样 1 个 、 西翼水样 1 个 、 总回风水样 1个 ) 并 进行了分析 ， 分析项 目包括 K +N a 、 C a 、 Mg 、 H C O ； 、 s o l 一 、 C 1 、 硬度、 碱度、 固形物等， 分析结果 见表 2 。 表 2 水样水化学成分统计 由水样水化学分析结果可得出矿井排水的主要 水质特征， 矿井水是一种 昆 合水， 其水化学特征表现 在 以下几点 ： i ) 兼具有砂岩水和岩溶水水化学特征， 水化 学类型为 H C O 3 S O 4 一N a C a Mg或 H C O 3 S O 4 一 C a N a M g型 ； 2 ) 水中 s o 4 一 含量比典型岩溶水和砂岩水都 高，s O 一 平 均 4 0 0 5 9 1 m g L ，最 大 值 为 5 0 6 2 6 8 7 mg L； 3 ) 水质差， 固形物、 总硬度等水质指标高于 正常的岩溶水和砂岩水， 如固形物( T D S ) 高， 平均为 1 0 8 5 2 mg L ， 最大为 1 7 6 1 3 1 m g L 。 煤层顶底板砂岩裂隙水、 煤层底板石炭系薄层 灰岩岩溶水和寒武系白云岩岩溶水、 第四系松散沉 积物孔隙水及老窑水在井下水仓? 昆 合后， 最终出水 表现为 4种水的混合水质特征。但在煤炭生产过程 2 0 1 1 年 1 1月 潘国营等： 朝川矿一井排水按水质优劣资源化利用技术 第2 0卷第1 1 期 中 ， 矿井水流经巷道 、 采空 区、 工作面后受到人为影 操作形成的少量油污等， 使矿井排水为污染性较低 响， 同时混入煤粉、 岩屑， 人体排泄物以及井下机械 的生产废水， 其水质见表3 。 表 3 朝川一井矿井水水质分析结果 主 要 指 标 矿 井 水 国 2 准 主 要 指 标 矿 井 水 国 家 G 墨 准 p H 7 8 6 5 8 5 氯化物( m g LI 1 ) 6 2 7 2 5 0 浑浊度( N T U ) 1 4 3 1 溶解性总固体 ( m g L ) 7 2 6 1 0 0 0 臭和味 无 无异臭、 异 昧 氟化物 ( mg L )0 1 8 1 0 肉眼可见物 少量黑色 无 氰化物 ( m g L ) 0 0 1 0 0 5 色 略呈灰黑 1 5 砷 ( m g LI 1 ) 0 叭0 O l 总硬度( L ) 5 4 9 2 4 5 0 硒 ( m g L I 1 ) 0 0 0 4 0 0 l 铁 ( m g L I 1) O O l 0 3 ( m g- L ) O 0 0 0 2 0 0 0 1 锰( m g L ) 0 0 0 8 0 1 镉 ( m g L ) 0 0 0 4 0 0 5 铜 ( m g L ) O 0 0 8 1 0 铅 ( m g L I 1 ) 0 0 2 1 0 O 1 锌 ( m g L ) 0 O 1 1 0 硝酸盐 ( mg L )0 2 7 9 1 0 挥发酚类 ( g L ) 0 0 0 2 0 0 0 2 细菌总数 ( 个 m l ) 1 51 0 1 0 x1 0 硫酸盐 ( mg LI 1 ) 2 2 7 2 5 0 大肠杆菌 ( 个 L- 1) 6 1 0 不得检出 总 a放射性 ( B q LI 1 ) O 2 0 5 总 口放射性 ( B q LI 1 )0 4 1 据水质分析结果可知： 朝 川一井矿井水感官性 状较差 ， 浊度 ( 悬浮物 ) 、 色度 、 总硬度 、 细菌 总数和 大肠杆菌数普遍超标 ， 一般化 学指标符合现行饮用 水水质标准， 基本不含有毒有害成份， 含有少量的油 类有机污染物， 水质符合含一般悬浮物矿井水的特 征 ， 悬浮物 s S小于 4 0 0 mg L ， 化学需 氧显 C O D小 于 7 0 m g L ， 毒理学和放射性指标完全符合饮用水 要求。 3 资源化工艺设计 长期 以来 一 井井 下 正 常涌 水 量 一 直保 持 在 8 0 0 m h ， 而矿井水 的利用 率一直 保持 在 2 0 左 右， 矿井水的大量外排使水 资源大量浪费的同时对 环境也造成较大影响。 根据朝川一井涌水水源及矿井水水质特征， 对 一 井排水采取了井下分别仓储， 经由不同排水管道 排放处理的技术措施 ， 按照 “ 优质优用 、 劣质劣用 ” 的原则， 部分由管道收集至净水厂初沉池， 经过初步 沉淀后通过泵加压送 至一元化净水器 中， 废水经絮 凝池、 沉淀池和过滤池处理后， 得到的清水流入两座 2 0 0 0 m 。 清水池中 ， 再 由生产泵送至厂区综合水泵 房后 ， 分配至焦化公 司各工段供生产用水。焦化公 司各生产系统用水量需求见表 4 。 矿井水经过不同深度的处理 ， 水质可满足工农 业用水和生 活用水 ， 矿井水 处理工艺流程见 图 1 。 较为干净的一部分约 1 5 0 m h的底板灰岩岩溶水 通过管道直接排至地面水处理厂， 经过二氧化氯消 毒处理， 达到了生活饮用水的水质标准， 直接导人居 民供水系统供矿区居 民生活使用， 另一部分约 2 0 0 m h ， 排至一井和二井地面静压水池 ， 供地面和 井下生产使用， 除此之外还有很少一部分多余的较 为干净的井下灰岩岩溶水约 5 0 m h ， 外排 当地渠 道供农田灌溉使用。较为污浊的井下老空水和生产 污水约 4 0 0 m h ， 则通过管道排 至地 面焦化公司 ， 经净化处理供生产使用 。 表 4 焦化公司各生产系统用水量需求 图 1 矿井 水处 理工 艺流程 一 井污水经过初次沉淀池 的沉淀 ， 可沉悬浮物 的总量去除率超过 9 0 ， 同时约 1 0 的胶体物质 由 于粘附作用而去除， 总 s s去除率为5 0 一 6 0 ， 同 时去除了2 5 左右的有机物， 另外， F e 、 M n 、 S O ： 一 、 矿化度亦得到部分去除， 矿井水经过初次处理后可 用作冷却水、 农业灌溉、 市政绿化 、 消防等。 将初次沉淀后的矿井水导入絮凝池， 通过“ 混 凝 + 沉淀” 去除矿井水中的悬浮物。目前聚合氯 化铝( P A C ) 是应用最多和效果最好的一种混凝剂， 聚合氯化铝在废水处理时具有用量少、 凝聚体形成 快而大， 凝聚性和沉降性能好等诸多优点 J ， 因此， 5l 潘国营等： 朝川矿一井排水按水质优劣资源化利用技术 第2 0卷第1 1期 综合处理效率 、 外界 因素对其敏感性的影响、 溶解性 能 、 设备的腐蚀性能 以及经济成本和资源获得难易 等诸多因素的考虑 J ， 朝川矿采用了聚合氯化铝作 为絮凝剂 ， 投 加量根 据矿井 水 中悬 浮物 特征定 为 2 0 6 0 mg L ， 并按一定比例投入助凝剂聚丙烯酰胺 ( P A N) 。因 S O 一具有极强 的混凝作用 ， 利用混凝 剂降低硫酸盐含量 、 浊度及色度， 经过充分絮凝的矿 井水经管道导入辐流式沉淀池 中经过充分沉淀 ， 再 经由管道引入过滤池 j ， 使细小悬浮颗粒和胶体微 粒聚集成较粗大的颗粒而沉淀， 进一步降低了废水 的浊度和色度 ， 达到了工业( 主要是 电厂) 用水水质 要求。部分水经反渗透技术处理 ， 利用膜的选择性 透过原理进一步降低其矿化度后供 电厂锅炉使用。 由朝川矿一井排出的矿井水在处理过程中产生的反 冲洗等废水流人污泥池中， 送入洗煤厂用作洗煤补 。充水 4 矿井水资源化效益 1 ) 环境效益。矿井水 资源化处理有效 降低 了矿井排水对周边环境 的污染 问题 ， 缓解 了因地下 水过度开采带来的泉水消失、 地表沉降等环境问题， 减轻了对地表水体、 农灌区土壤的污染， 悬浮物总排 放量每年减少 1 3 6 3 t 。 2 ) 社会效益 。以净 化处理后 的矿井水作 为 工农业和生活用水， 减少了地下水 的开采量 ， 对水资 源进行 了合理的利用 ， 减少 了因矿井水排放造成 的与周边村民的经济纠纷等问题， 同时提升了煤炭 生产企业( 朝川矿 ) 的社会声誉 ， 促进 了企业 的可持 续发展， 为煤炭生产企业节能减排工作做出重要贡 献 。 3 ) 经济效益。矿井排水资源化处理后， 利用 率由不到 2 0 提升至超过7 5 ， 同时为矿井每年节 约费用 3 2 4万元。朝川矿为职工每天供应 3 6 0 0 t 生活用水， 为焦化公司水处理厂每天提供待处理水 9 6 0 0 t ， 为一、 二井每天提供工业用水 3 6 0 0 t 。按汝 州市 0 6 5元 t 标准计算 ， 每年节约费用总计 4 4 6 7 万元 ， 扣除水处理成 本 1 2 2 6万元 ， 共计节 约费用 3 2 4万 a 。 5 结论 1 ) 朝川一井矿井排水量大于8 0 0 m h ， 矿井 52 水主要成分为含悬浮物与高矿化度矿井水 ， 系轻度 工业污水 ， 较易净化处理。 2 ) 通过絮凝沉淀过滤技术能够降低水中的 悬浮物含量并降低其矿化度， 净化后的矿井水水质 能够满足工农业及生活用水指标要求。 3 ) 矿井水采用分水质利用 、 分水质处理的原 则设计资源化利用路径 ， 极大地提高了矿井水利用 率 ， 并为朝川矿了带来巨大的环境效益 、 社会效益和 经济效益。 4 ) 矿井水既是污染源又是宝贵 的水资源 ， 朝 川矿地处缺水区域， 但每年又将大量的轻度污染的 矿井水直接排放 ， 污染环境 的同时造成水资源 巨大 浪费 ， 在相当程度上制约了煤炭生产和矿 区的可持 续发展 ， 因此 ， 将矿井水处理后作为矿区工农业和生 活用水不仅解决了矿 区的缺水问题 ， 而且充分利用 了 日益短缺的地下水资源 ， 为煤炭生产企业 的节能 减排工作做出了应有的贡献 。 参考文献 ： 1 高亮 我国煤矿矿井水处理技术现状及其发展趋势 J 煤炭科学技术， 2 0 0 7 ( 9 ) ： l 一 5 2 于洋， 周金娣， 王显军 污水处理与资源化利用 J 辽宁工程技术大学学报 ， 2 0 0 2， 2 1 ( 3 ) ： 3 8 73 9 1 3 周如禄， 高亮， 陈明智 煤矿含悬浮物矿井水净化处 理技术探讨 J 煤矿环境保护 ， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 1 ) ： 1 01 2 4 肖丽萍 ， 梁 冰， 狄军帧 矿井水资源化可行性研究 J 辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 6 ) ： 8 6 28 6 4 5 李福勤， 田 甜， 杨久颇， 等 高悬浮物矿井水混凝剂 的选择及最优 G T值的研究 J 煤炭工程， 2 0 0 6 ， 3 5 ( 9 ) ： 8 9 9 0 6 李亚峰， 佟玉衡， 陈立杰 实用废水处理技术 M 北 京： 化学工业出版社， 2 0 0 7 ： 2 63 1 7 杨静， 李福勤 鹤壁矿区矿井水水质特征及其资源 化技术 J 煤炭工程 ， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 5 9 6 1 8 钟鸣远 煤矿矿井水综合利用花家湖煤矿实例 J 环境保护， 1 9 9 1 ( 1 ) ： 3 0 3 2 9 刘峰， 曹文君 煤炭工业节约资源能源与减排 J 矿产保护与利用， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 2 3 2 9 责任编辑： 路方