礦井水作為煤炭開采中產(chǎn)生的伴生資源，是一種非常規(guī)的水資源。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國噸煤開采產(chǎn)生的礦井水約為1.67m3，每年煤炭開采產(chǎn)生的礦井水約為6.88×109m3。根據(jù)中國工程院調(diào)查，黃河流域9個(gè)省份的煤炭產(chǎn)量約3.59×109t，煤礦礦井涌水量約為6.5×109m3，接近我國南水北調(diào)西線工程一期設(shè)計(jì)調(diào)水量（8×109m3）。黃河流域的陜北、內(nèi)蒙及寧東區(qū)域雖煤炭資源豐富，但水資源匱乏，煤炭和水資源呈現(xiàn)相反的分布特征，隨著目前該區(qū)域大量的“煤-電”及“煤-電-化”等煤炭深加工項(xiàng)目的建設(shè)，對周邊水資源的消耗越來越大。將礦井水這種非常規(guī)的水資源進(jìn)行科學(xué)處理實(shí)現(xiàn)資源化和充分合理利用，不僅可以減少礦井開采中對井田內(nèi)地下水和周邊水環(huán)境造成的污染，節(jié)約地下水資源，還可以解決下游煤炭深加工項(xiàng)目用水問題，對于整個(gè)煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
近年來，礦井水處理與綜合利用得到了國家的高度重視。為進(jìn)一步推動(dòng)礦井水保護(hù)和利用，緩解水資源短缺，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，支撐能源資源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2024年《國家發(fā)展改革委等部門關(guān)于加強(qiáng)礦井水保護(hù)和利用的指導(dǎo)意見》（發(fā)改環(huán)資226號）發(fā)布，要求2025年黃河流域的礦井水綜合利用率力爭達(dá)到68%以上，提出對于礦井水應(yīng)進(jìn)行源頭分級處理和井下分質(zhì)利用，有條件的礦井可采用采空區(qū)過濾、反沖洗過濾等井下處理方式，實(shí)現(xiàn)清水入倉，井下直接復(fù)用。通過井下分質(zhì)清污分流后，推進(jìn)水質(zhì)較好的礦井水井下處理、就地復(fù)用，作為井下防塵、冷卻、配制乳化液用水。指導(dǎo)意見首次提出了礦井水井下清污分流、就地處理回用于井下生產(chǎn)的礦井水綜合利用措施，陜北、內(nèi)蒙地區(qū)的千萬噸級大型礦井的井下巷道沖洗、井下沖洗、乳化液配制等的日用水量在5000m3，占礦井總涌水量的15%左右，礦井水井下就地處理回用的實(shí)施對于推進(jìn)礦井水綜合利用及煤礦的降本增效具有重要意義。
礦井水井下清污分流是指在產(chǎn)水源頭對清水與污水進(jìn)行分類收集，并采用獨(dú)立管道分別輸送。其中，清水主要指工作面頂板疏放水、采空區(qū)涌水等未經(jīng)煤塵污染、濁度低、外觀清澈的水體；污水則來自除塵、巷道沖洗等生產(chǎn)過程，經(jīng)地面排水溝自流收集，具有濁度高、呈黑灰色及含油類污染物等特點(diǎn)。清水、污水分別存貯于井下清水倉、污水倉，經(jīng)由不同泵管系統(tǒng)提升至地面：污水進(jìn)入礦井水處理站處理，清水經(jīng)簡單過濾后，部分低礦化度且鐵、錳等指標(biāo)達(dá)標(biāo)者可直接回用。該技術(shù)可有效減輕涌水量較大礦井的地面處理負(fù)荷和處理成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。
對于礦井水就地處理回用于井下消防灑水、除塵等生產(chǎn)用水，水處理設(shè)備需具有高度集成、占地小、高度低、易拆運(yùn)等特點(diǎn)，同時(shí)設(shè)備材料及電器設(shè)備應(yīng)滿足阻燃、防爆的要求。目前井下應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的成套水處理設(shè)備主要包括超磁和重介速沉兩種，可有效去除礦井水的濁度，適用于懸浮物（SS）質(zhì)量濃度高達(dá)3000mg/L的進(jìn)水，在SS≤1000mg/L時(shí)也可穩(wěn)定運(yùn)行。超磁出水SS基本在30mg/L以下，多用于污水進(jìn)水倉前處理，以減少水倉煤泥沉積；重介速沉出水濁度基本在5NTU以下，可滿足井下消防灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，直濾膜在井下的應(yīng)用也逐漸增多，其進(jìn)水要求SS低于100mg/L，出水濁度可控制在1NTU以下，滿足井下液壓支架除塵、乳化液制備等對水質(zhì)要求更高的生產(chǎn)用水。針對高礦化度礦井水井下就地處理回用于井下液壓支架防塵、設(shè)備冷卻、配制乳化液用水，除降低濁度外，還需脫鹽降低礦化度及硬度。目前尚缺乏處理該類水成熟的成套處理設(shè)備，工程應(yīng)用也較少。本研究通過對納林河二號煤礦井下就地處理回用工程的水源選取、工藝選擇、工程布置及經(jīng)濟(jì)效益方面進(jìn)行論述分析，為周邊礦井高礦化度井水就地處理回用工程的建設(shè)提供借鑒。
1、工程概況
納林河二號礦井煤炭生產(chǎn)能力8.00Mt/a，采用立井開拓方式，井深600m，礦井涌水量在1500m3/h左右，經(jīng)過多年開采已經(jīng)形成大量的采空區(qū)。井下排水通過排水泵輸送至地面工業(yè)場地礦井水預(yù)處理站，再通過10km管道輸送至遠(yuǎn)興化工，通過深度結(jié)晶脫鹽處理后返回礦井，其中約150m3/h產(chǎn)水用于井下液壓支架除塵、乳化液調(diào)配、設(shè)備冷卻。為提高井下供水可靠性，降低井下生產(chǎn)用水的成本，利用井下現(xiàn)有巷道，建設(shè)一套礦井水井下處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井水井下就地處理回用。
2、礦井水水質(zhì)特點(diǎn)及水源選取
因礦井已經(jīng)開采多年，井下已形成大量采空區(qū)，井下排水系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)清污分流，其中清水為采空區(qū)封閉墻泄水、工作面疏放水，污水為工作面涌水、巷道滲水、巷道沖洗廢水。為保證取水水質(zhì)檢測的可靠性，清水水源分別從各自的疏放水點(diǎn)取水，污水水源需從井下污水倉取水。
2.1 水質(zhì)特點(diǎn)
為確定合適的原水水源，分別取5個(gè)清水（3個(gè)工作面疏放水、2個(gè)采空區(qū)封閉墻泄水）和1個(gè)污水水樣，水質(zhì)情況見表1。
納林河二號井井下涌水水源來自安定-直羅組和延安組含水層，井下清水與污水的礦化度、pH及鈣鎂離子含量基本相同。其中總?cè)芙夤腆w質(zhì)量濃度在8000mg/L左右，pH在7.74~8.20，總硬度在1000mg/L左右，屬于極硬水（>180mg/L）；陰離子以SO42-為主，質(zhì)量濃度范圍為5190~6390mg/L，氯化物質(zhì)量濃度在200mg/L左右。井下清水與污水在總鐵、錳含量方面有一定的區(qū)別，其中清水總鐵質(zhì)量濃度≥0.5mg/L，錳質(zhì)量濃度≥0.1mg/L，均超過反滲透膜的進(jìn)水要求。清水、污水在濁度及懸浮物方面相差最大，其中清水濁度最高107NTU，污水濁度最高達(dá)到539NTU。
清水濁度低，但總鐵及錳含量較高；污水濁度高，但總鐵及錳含量低；清水和污水的礦化度、硬度等水質(zhì)參數(shù)相差不大。
2.2 水源選取
水量、水質(zhì)是水源選取考慮的主要因素，其中可取水量影響工程規(guī)模，水質(zhì)影響水處理工藝的選取。根據(jù)對納林河二號井下涌水量的長期監(jiān)測，井下清水水量為532m3/h，井下污水水量為1000m3/h。井下水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為300m3/h，系統(tǒng)自用水量按20%計(jì)，系統(tǒng)進(jìn)水量應(yīng)為360m3/h，從水源水量分析，兩個(gè)水源均能滿足。對于井下污水，通過重介速沉、超磁分離等設(shè)備可以將水中的煤粉顆粒沉淀分離，達(dá)到降低濁度的目的，但占地較大，操作復(fù)雜；對于井下清水，通過簡單的氧化及錳砂過濾即可去除水中的鐵、錳，占地小，且過濾反洗可自動(dòng)運(yùn)行。綜合對比分析，選用水質(zhì)較好的井下清水作為水源。
3、處理工藝研究
3.1 產(chǎn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
井下清水處理后主要用于工作面除塵、乳化液調(diào)配、設(shè)備冷卻等生產(chǎn)活動(dòng)，對水質(zhì)要求較高，需滿足《煤炭工業(yè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50810—2012）及《液壓支架（柱）用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》（MT76—2011）標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表2。
3.2 處理工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)原水及出水水質(zhì)要求，井下水處理系統(tǒng)主要任務(wù)是去除原水中的總?cè)芙夤腆w，結(jié)合井下巷道條件，采用成熟的反滲透膜脫鹽，脫鹽率可達(dá)到99%。采用反滲透膜處理工藝時(shí)，反滲透膜的進(jìn)水水質(zhì)需滿足濁度<1.0NTU、鐵≤0.5mg/L、錳≤0.1mg/L、溶解硅（以SiO2計(jì)）≤100mg/L、余氯≤0.1mg/L，但原水濁度、鐵含量、錳含量均不滿足反滲透膜進(jìn)水水質(zhì)要求，需增加預(yù)處理設(shè)施，確保膜的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
目前超濾是反滲透膜前最常用的預(yù)處理工藝，超濾產(chǎn)水濁度≤0.1NTU、SDI≤6，可有效降低膠體污染物，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，且不受原水水質(zhì)波動(dòng)影響。但雙膜工藝鏈較長，占地大，在井下設(shè)置有一定的難度。針對納林河二號礦井井下清水低濁度的水質(zhì)特點(diǎn)，可采用傳統(tǒng)的多介質(zhì)過濾預(yù)處理工藝降低濁度及膠體污染物，在預(yù)處理前端添加次氯酸鈉氧化鐵、錳，后端通過錳砂過濾器去除鐵、錳，并投加阻垢劑抑制硫酸鹽、硅酸鹽結(jié)垢（表3）。最終確定井下水處理工藝采用“均質(zhì)調(diào)節(jié)+曝氣氧化+絮凝沉淀+自清潔過濾器+多介質(zhì)過濾器+錳砂過濾器+反滲透”，具體工藝流程見圖1。
預(yù)處理工藝段：預(yù)處理工藝段主要為均質(zhì)調(diào)節(jié)、曝氣氧化、絮凝沉淀及過濾。井下采空區(qū)涌水匯至原水池，在原水池調(diào)節(jié)均衡水質(zhì)及水量，在曝氣氧化池進(jìn)行空氣曝氣氧化，將原水中可溶于水中的低價(jià)鐵、錳氧化為不溶于水的高價(jià)鐵、錳氧化物，氣源為井下壓縮空氣。出水進(jìn)入絮凝沉淀池，在絮凝劑的作用下將原水中的懸浮小顆粒絮凝成大的顆粒，經(jīng)過沉淀池去除原水中的鐵錳及懸浮物，出水儲(chǔ)存于緩沖池。沉淀池底部設(shè)刮泥機(jī)和集泥坑，集泥坑內(nèi)設(shè)潛污泵用于排出污泥。緩沖池出水經(jīng)泵提升至自清洗過濾器，將100μm以上的大顆粒物質(zhì)去除，然后依次進(jìn)入多介質(zhì)過濾、錳砂過濾器，進(jìn)一步去除濁度、有機(jī)物、鐵和錳，過濾產(chǎn)水儲(chǔ)存于中間水箱。自清洗過濾器定期自動(dòng)排污，多介質(zhì)和錳砂過濾器定期采用預(yù)沉水反洗，過濾反洗水排至排水溝。過濾罐反洗氣源來自井下壓縮空氣管道。
除鹽工藝段：通過加壓泵將過濾產(chǎn)水加壓輸送到反滲透系統(tǒng)，在進(jìn)入反滲透系統(tǒng)的管道上添加阻垢劑、還原劑、殺菌劑后，經(jīng)5μm保安過濾器，出水通過增壓泵加壓進(jìn)入反滲透設(shè)備，反滲透設(shè)備產(chǎn)水流入產(chǎn)水箱，供井下生產(chǎn)用水。
調(diào)節(jié)池排泥、過濾反洗水、反滲透設(shè)備濃水及沖洗廢水，全部收集至排水溝，排至污水倉。
3.3 中試處理系統(tǒng)運(yùn)行效果評價(jià)
在礦井地面開展處理規(guī)模為15m3/h的中試，連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月。中試結(jié)果表明，曝氣前添加次氯酸鈉氧化鐵、錳，然后經(jīng)多級過濾，出水濁度穩(wěn)定在0.5NTU以下，鐵、錳的質(zhì)量濃度降低至0.05mg/L以下，出水水質(zhì)滿足反滲透膜進(jìn)水要求。反滲透膜采用極強(qiáng)型抗污染苦咸水淡化反滲透BW30XFR-400膜元件，并在反滲透進(jìn)水中添加高效阻垢劑，反滲透產(chǎn)水率基本維持在50%左右。
4、設(shè)備選型及工程布置
4.1 設(shè)備選型
與地面礦井水處理站設(shè)備選型不同，井下設(shè)備選型除需滿足處理工藝和規(guī)模要求外，還需考慮運(yùn)輸、安裝及檢修問題，其中運(yùn)輸限制尤為關(guān)鍵。對于立井，設(shè)備尺寸和質(zhì)量須符合副立井提升系統(tǒng)的最大提升質(zhì)量和罐籠尺寸限制，并依據(jù)井下車輛轉(zhuǎn)彎半徑確定設(shè)備的最大長度。對于斜井，下井井口房及副斜井巷道高度是設(shè)備選型的主要制約因素，直接影響設(shè)備的最大寬度及高度。目前井下巷道較經(jīng)濟(jì)的最大斷面寬度是5.5m，考慮設(shè)備檢修、行人通行，設(shè)備的寬度要求控制在3.5m以內(nèi)。此外，藥劑儲(chǔ)罐需采用不銹鋼等阻燃材料，所有電器設(shè)備應(yīng)取自煤安認(rèn)證產(chǎn)品目錄，并取得煤安證和防爆合格證；若整機(jī)設(shè)備不在目錄內(nèi)而無法取證，則其配套的電控、電機(jī)等零部件也必須具備煤安證和防爆合格證。納林河二號礦井的井下生產(chǎn)水用量為150m³/h，按反滲透產(chǎn)水率50%設(shè)計(jì)，井下礦井水處理系統(tǒng)最小處理規(guī)模300m³/h，反滲透采用極強(qiáng)型抗污染苦咸水淡化反滲透BW30XFR-400膜元件，其他主要設(shè)備選型見表4。
4.2 工程布置
對于井下礦井水處理站的位置與布置需綜合考慮水源點(diǎn)、采區(qū)接續(xù)、地質(zhì)條件、巷道標(biāo)高、通風(fēng)及設(shè)備運(yùn)輸?shù)纫蛩亍＞唧w原則如下：
1）水處理站的位置宜接近井下清水涌水點(diǎn)，以縮短原水輸送距離，降低工程成本。
2）設(shè)備硐室宜設(shè)于井下較高位置，并保持巷道適當(dāng)坡度，便于產(chǎn)生的廢水及濃鹽水自流排放。
3）硐室應(yīng)位于地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的區(qū)域，優(yōu)先選擇在工作面保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，避開不良地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，確保底板巖層穩(wěn)定、無底鼓變形。
4）硐室需保障通風(fēng)良好，維持足夠的新風(fēng)供應(yīng)和穩(wěn)定的風(fēng)流，必要時(shí)在與回風(fēng)大巷之間設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門。
5）巷道要有與井下輔運(yùn)大巷連接的設(shè)備運(yùn)行通道，便于后期設(shè)備運(yùn)輸與維護(hù)。
6）設(shè)備長邊宜與巷道平行布置，充分利用現(xiàn)有巷道，通過擴(kuò)幫、起底及挑頂?shù)雀脑鞛樗幚眄鲜遥瑴p少礦建費(fèi)用。
根據(jù)以上原則，納林河二號煤礦井下水處理站布置在工作面保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，巷道底板為巖石，無變形。利用已有巷道采用“一”字形東西向布置，西側(cè)與盤區(qū)回風(fēng)巷相接，東側(cè)與工作面帶式輸送機(jī)巷相接，西高東低，便于排水，水處理巷道總長度約561m。現(xiàn)有巷道為矩形斷面，凈寬5.6m，凈高4.0m，采用施工難度較小的起底擴(kuò)巷方式，將巷道高度增加到6.5m，采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)形式。巷道內(nèi)設(shè)原水池1座、曝氣池2座、混合絮凝池1座、沉淀池1座以及緩沖池1座，總長度300m，水池均采用半地下式，利用起底的巷道，絮凝沉淀段巷道斷面見圖2。設(shè)備段巷道占地總長度261m，巷道上部設(shè)管道梁，管道梁上設(shè)工藝管道及電纜，設(shè)備的長邊與巷道平行布置，設(shè)備后設(shè)300mm寬排水溝，用于排出廢水，設(shè)備前預(yù)留不小于1.5m的檢修通道，設(shè)備段巷道斷面見圖3及圖4。設(shè)備巷道頂部每隔1.0m設(shè)一個(gè)吊掛錨桿，用于設(shè)備吊裝。
5、運(yùn)行效果
項(xiàng)目建成后連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，反滲透膜產(chǎn)水率在65%以上，脫鹽率達(dá)到99%，膜產(chǎn)水電導(dǎo)率穩(wěn)定在60μS/cm以下，完全滿足井下液壓支架除塵、乳化液調(diào)配及設(shè)備冷卻等生產(chǎn)用水水質(zhì)要求。反滲透膜進(jìn)水經(jīng)高壓泵加壓后水頭為110m，流量為110m3/h，小于設(shè)計(jì)值，說明膜的運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值。
6、經(jīng)濟(jì)效益分析
6.1 項(xiàng)目運(yùn)行成本
納林河二號煤礦井下水處理站總投資為5154.17萬元，產(chǎn)水回用于井下生產(chǎn)水量為150m3/h，按生產(chǎn)時(shí)間330d計(jì)算，年回用水量為118.8萬m3，年總運(yùn)行費(fèi)用為3446.39萬元，產(chǎn)水運(yùn)行成本為29.01元/m3，詳見表5。
6.2 經(jīng)濟(jì)效益分析
納林河二號煤礦井下水處理站建成后，可實(shí)現(xiàn)井下清水就地處理并回用于生產(chǎn)用水，回用水量150m3/h。該工程簡化了原有的礦井水升井、預(yù)處理、深度處理后再下輸?shù)幕赜昧鞒蹋行Ы档土爽F(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行成本，同時(shí)節(jié)省了水資源費(fèi)用、排污費(fèi)。綜合分析，年節(jié)約費(fèi)用為5664.91萬元。該項(xiàng)目總投資為5154.17萬元，考慮10a折舊期限，年折舊費(fèi)為515.42萬元，運(yùn)行費(fèi)用為3446.39萬元，年度綜合經(jīng)濟(jì)效益可節(jié)約1703.10萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，詳見表6。
7、結(jié)論
目前，水質(zhì)較好的礦井水井下就地回用處理已較為普遍，但針對高硬高礦化度礦井水開展井下深度處理并就地回用的工程相對較少。以納林河二號礦井高硬高礦化度礦井水深度處理項(xiàng)目為例，從回用水源選擇、深度處理工藝確定、水處理站位置選擇及巷道設(shè)備布置等多個(gè)方面進(jìn)行了論述分析，提出了該類工程設(shè)計(jì)的幾個(gè)注意事項(xiàng)。同時(shí)，納林河二號礦井水井下深度處理項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益表明，對于開采深度較大的大型礦井，建設(shè)礦井水井下深度處理站，實(shí)現(xiàn)礦井水井下就地處理并回用具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，可有效降低礦井生產(chǎn)成本。該項(xiàng)目的實(shí)施對于提高煤礦礦井水綜合利用水平，節(jié)約煤礦生產(chǎn)成本具有重要意義，為同類工程的建設(shè)提供借鑒意義。（來源：中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司）
