我国煤炭矿井水的特征、处理及综合利用概况

我国煤炭矿井水的特征、处理及综合利用概况
摘要
水资源危机是21 世纪人类面临的最严峻的问题之一。

而煤炭是我国重要的基础能源和原料,在国民经济中具有重要的战略地位,在我国一次能源结构中,煤炭占到70%以上。

在我国，煤炭生产以地下开采为主, 为了确保井下安全, 必须排除大量的矿井水。

据统计我国每年矿井水排放量高达45亿m3, 约占整个采矿业(有色冶金、黄金、化工等矿山)的80％,而利用率仅为43.8%。

其中大部分矿井水未经处理就直接排放到江河湖泊, 造成严重的环境污染, 从而也加重了水资源的短缺问题, 已影响到我国煤炭工业的进一步发展。

据统计，全国约有70%的矿区面临缺水,有40%的煤矿严重缺水,国有煤矿缺水达69～86万m3/ d,其中生活用水缺33～60万m3/ d。

煤矿排出的矿井水水质差异非常大, 少量矿井水质较好, 无需处理, 即可达到饮用水标准。

但大量的矿井水受水文地质及采煤过程的影响,含有大量悬浮物、高矿化度、显酸性、甚至含重金属离子, 有的还含氟、有机污染物和放射性物质等污染物, 这些矿井水污染程度低, 资源化相对容易, 成本较低, 经处理后有多方面的用途。

因此矿井水的资源化对于缓解矿区面临的资源和环境问题, 提高人民生活质量, 实现矿区的科学发展具有重要战略意义。

关键词：煤矿；矿井水；综合利用
1 我国煤矿矿井水的分类、分布特征及利用现状
我国煤矿矿井水按所含的成分可分为洁净矿井水、高浊矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水及有毒有害离子矿井水
1.1洁净矿井水
1.1.1 洁净矿井水的水质特征
洁净矿井水是在采煤过程中为防止矿井水害，在井下铺设专用管线抽取岩层裂隙水、溶洞水、老塘水。

该类矿井水洁净透明，除菌群外，其余指标均符合国家生活饮用水标准，经消毒后可直接作生活饮用，该类矿井水是解决矿区生活饮用水最经济的理想水源。

1.1.2洁净矿井水的分布
洁净矿井水多数是从奥陶系石灰岩中涌出的,水质一般较好,只要在源头处妥善截流, 通过井下单独布置的排水管道将其抽出,基本不含悬浮物,经过简单消毒处理, 即可作为生活饮用水。

这类矿井水由于本身水质较好,处理工艺十分简单,供水成本较低,经济效益明显。

如开滦荆各庄矿采取清污分流措施,每年获得洁净矿井水,解决了矿区生活用水来源。

1.2高浊矿井水
1.2.1 高浊矿井水的水质特征
高浊矿井水一般指除悬浮物、细菌及感观指标外, 其它理化
指标满足饮用水卫生标准的矿井水。

它的水质特征是悬浮物含量高,感官性状差，悬浮物粒度小、比重轻、沉降速度慢，在混凝过程中矾花形成困难,沉降效果差。

1.2.2 高浊矿井水的分布及处理
对于高浊矿井水在我国北方矿区分布较广，如平顶山、焦作、开滦、峰峰、邯郸、及华东、东北部分矿井的矿井排水多属该类水质。

对这类矿井水从处理技术来说不成问题, 只要采取常规的混凝、沉淀、过滤、消毒工艺, 即可使出水水质达到饮用水标准要求, 关键是如何根据悬浮物含量的高低、水量的大小选择合理的净水设备, 简化工艺,以便经济地实现矿井水资源化。

对于这类矿井水由于比较容易处理, 处理成本也较低, 是目前矿区净化利用最普遍的一类矿井水。

1.2.3 高浊矿井水处理利用存在的问题
高浊矿井水净化处理通常采用化学混凝法,矿井水与混凝剂首先通过水泵混合、管道混合器混合和机械混合等混合方式混合均匀。

再经过沉淀池或澄清池做净化处理。

最后净化后的矿井水需要经过过滤进一步去除水中的悬浮物。

但是矿井水中主要含有以煤屑为主的悬浮物,具有加药后形成的矾花结构松散、沉降速度慢等特点。

许多高浊矿井水处理工程在投入运行后,设计水量和水质达不到设计要求,主要是因为反应不充分、平流或斜管沉淀池表面负荷取值不合理所致。

并且不同煤矿的矿井水中所含悬浮物的浓度差异较大,决定了投加混凝剂种类和数量不尽相同。

由于混凝
药剂选择和投加不当,使得一些煤矿矿井水处理后达不到预期效果。

由于不能及时对进水和出水水质、处理流量、加药量、水池液位等进行监控,许多矿井水处理工程只有水泵和简易的加药装置, 因此,矿井水处理后的水量和水质无法得到保证。

煤矿井下生产使用的采掘机械需要使用乳化油和机油,油类物质进入矿井水中,采用常规混凝、斜管沉淀和过滤技术不能有效去除矿井水中的油类物质。

1.3 高矿化度矿井水
1.3.1 高矿化度矿井水的水质特征
高矿化度矿井水是指阴阳离子含量的总和超过1000 mg/L的矿井水，其中包括高硬度的矿井水。

高矿化度矿井水约占全国煤矿矿井水量的40%。

它是地下水与煤系地层中碳酸盐类岩层及硫酸岩层接触,该类矿物溶解于水的结果。

使矿井水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-增多,有的酸性矿井水与碳酸盐类岩层中和,导致矿化度增高。

也有的矿区气候干旱,年蒸发量远大于降水量,地层中盐分较高,地下水矿化度相应增高, 少数矿区处于海水与矿井水交混分布区,因而矿井水盐分增多。

1.3.2 高矿化度矿井水的分布及处理
对于高矿化度矿井水, 它主要分布于西北高原、黄淮海平原、东北、华东部分矿区, 而这些矿区也多是我国煤矿缺水最严重的地区, 因此对高矿化度矿井水的净化利用, 已是解决严重缺水矿区缺水问题的一条捷径。

高矿化度矿井水主要是因含盐量高而不
宜饮用, 目前已有比较成熟的脱盐技术即电渗析技术可满足这一要求。

电渗析技术处理高矿化度矿井水, 虽然处理成本上偏高一点, 但与这些严重缺水地区本身供水成本就较高的事实相比较, 能够发现电渗析技术净化高矿化度矿井水作饮用水在经济上还是可行的。

1.3.3 高矿化度矿井水处理利用存在的问题
高矿化度矿井水的利用以前在工程中常用电渗析法, 但电渗析不能去除水中的有机物和细菌,设备运行能耗大,使其在高矿化度矿井水淡化工程中的应用受到局限,因而原有电渗析装置在高矿化度矿井水淡化方面逐渐被反渗透装置所取代。

但是反渗透膜污染问题是一个亟待解决的问题,它严重的影响了高矿化度矿井水的处理与利用。

1.4 酸性矿井水
1.4.1酸性矿井水的水质特征及分布
不同地区的酸性矿井水的物理和化学性质有较大差异,但共同的特征是Ph 值较低,一般在2～5 之间。

由于酸性矿井水是由硫化物,主要是黄铁矿(FeS2)氧化产生,所以水中的Fe、SO42-的浓度很高。

总铁含量一般在300～800mg/L 之间,有些矿井水超过1 g/L ,其中Fe2+含量一般在200～300mg/L; SO42-含量在几百至上万mg/L,有时高达15g/L,大大超过饮用水250mg/L 的上限标准。

酸性水在演化过程中,对围岩的溶蚀作用导致水中Ca2+、Mg2+离子的含量增加,从而使水的总硬度偏大。

黄铁矿、煤和围岩中所含重金
属, 如As、Mn、Cu、Zn、Pb、Ni、Co、Cd等,也在酸性条件下溶入水体,以毒性更强的离子状态存在。

并且由于水中含有大量的煤粉和开采过程中人为活动的影响, 导致酸性矿井水的COD值通常很高，加大了对这种矿井水的处理难度。

酸性矿井水主要分布在南方矿区, 北方缺水矿区较少发现。

1.4.2 酸性矿井水处理利用存在的问题
我国酸性矿井水基本上是采用中和化学法处理,投加碱性药剂或以石灰石、白云石为虑料进行过滤中和。

此外,人工湿地生态工程处理法处理酸性矿井水是近年来迅速发展起来的一种处理技术,具有很好的推广前景。

但是常用中和法的设备比较庞杂,噪声大,环境条件较差,二次污染严重。

反应产物CaSO4、Fe(OH)3与过剩的石灰石混杂在一起, 对剩余污泥的处理比较困难。

1.5 含有毒有害离子矿井水
含有毒有害离子矿井水是指矿井水中出含有SS、菌群外，还含有大量的F、Cu、Hg、Cr、Zn、Pb等有毒重金属离子及含有氡、镭等放射性核素。

据调查，我国煤矿尚未发现上述离子含量超过国家排放标准的矿井水。

但是在江西丰城和广西合山等许多矿区的生活饮用水所含上述离子超过国家饮用水标准。

长期饮用这种有害离子超标的矿井水，会引起生理上的病变，极大的影响矿区附近群众的身体健康。

3 矿井水的处理技术
3.1 蒸馏法
蒸馏法以消耗热能为代价, 是对高矿化度矿井水进行热力脱盐淡化处理的有效方法, 适用于处理含盐量超过3000mg /L 的矿井水。

但是存在的主要问题是需要防止热交换表面结垢。

前苏联曾经采用过这种方法, 但由于成本消耗过大而弃之不用。

3.2 电渗析法
电渗析是在外加直流电场的作用下, 利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性, 使溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。

含盐原水经过电渗析器后, 便可得到淡化水和浓盐水。

电渗析技术是处理高矿化度矿井水较为成熟、经济的一种方法, 尤其适用于含盐量小于4000mg /L的矿井水。

目前我国煤矿高矿化度矿井水脱盐处理多选择该技术, 经过电渗析脱盐、消毒处理后水质可达到我国生活饮用水的要求。

一般淡化水量为总进水量的50% ~ 70%。

3.3 反渗透法
反渗透就是利用高分子膜, 以超过滤液渗透压的压力将溶剂和溶质分离的过程。

分离介质为高分子膜, 全过程无相变, 不发生化学变化。

对水溶液来说, 在压力推动下, 只有水分子透过膜, 而其中的各种离子、有机物、微尘物、细菌、胶体等几乎都被截留。

目前反渗透技术已经取得了令人瞩目的成就, 系统设计采用脱盐率高于99.3% 的CPA 膜。

该技术以其高效、节能、装置简单、占地少、使用管理方便、成本较低等优点, 在科研和部分小规模生产装置的脱水工艺中已有应用。

通过对反渗透装置阻垢剂种类、选择和投加量的试验, 可以确定适合高硫酸盐硬度矿井水特点的反渗透处理工艺, 并使脱盐率达到97%以上, 出水达到煤矿生产和生活用水要求, 水处理的工艺流程为: 矿井水预处理投加阻垢剂反渗透装置出水。

3.4 化学混凝法
实验发现, 源水浊度与混凝剂、助凝剂的加入量必须保持一定比例, 才能使出水水质达到有关标准。

因此在水处理过程中, 进水浊度的实时在线监测和出水浊度的控制十分重要。

采用混凝剂与助凝剂合用的水处理方案,通过控制室将浊度数据与加入药品的量相联系,对加药量进行控制, 既保证了水处理效果, 又节省了处理成本。

混凝剂采用PAC,助凝剂采用阴离子PAM,以一定的流速加入待处理的矿井水。

两种药剂从不同投药孔投入, 其工艺流程如图1所示。

图1. 化学混凝法处理矿井水工艺流程
生产中分别监测沉淀池1和沉淀池2出口处水的浊度, 根据1处的浊度数计算出所需的给药量, 进而可以计算出两组药液的控
制流速。

同时根据2处的浊度数据实时修正给药量, 从而使矿井水的浊度达到饮用水标准。

各个检测点的浊度、两组药液的流速及给药量可作为历史数据保存, 供日后分析和查证。

3.5 纳滤法
纳滤(NF)是20 世纪80年代中后期开发的一种新型膜分离过程。

纳滤膜的孔径范围介于反渗透膜和超滤膜之间, 对分子孔径在0.005 ~0.01μm、分子量在200～1000之间的有机物有较高的脱除性能, 对水中的悬浮物和细菌有较好的去除效果。

采用纳滤膜组合工艺处理含悬浮物的矿井水, 在过滤周期30min, 反曝气冲洗时间3min, 聚合铝用量12mg /L 的条件下进行试验, 结果表明, 系统对矿井水中高锰酸盐指数去除率97.1%, 浊度去除率99.3%, 硬度和含盐量去除率分别为95.1% 和73.1% , 色度去除率91.7%。

纳滤膜工艺不需要加氯消毒, 细菌的去除率为86%, 出水达到国家标准, 既节省了加氯消毒费用, 又避免了加氯消毒产生的副产物。

技术经济分析表明, 该工艺处理含悬浮物的矿井水具有技术优势, 经济上也可行。

3.6 湿地处理法
人工湿地酸性矿井水处理方法是20世纪70年代末在国外发展起来的一种污水处理方法, 是根据自然水藓(或泥炭)、香蒲在酸性水条件下生长良好的原理发展起来的。

该法利用自然生态系统中物理、化学和生物的三种协同作用来实现对污水的净化处理。

湿地主要的去污机理有3种: 金属的氧化和水解;植物、藻类和有机质对金属的吸附和交代作用;厌氧细菌对硫酸盐的还原作用。

人工湿地处理方法具有出水水质稳定、对N, P等营养物质去除能力强、基建和运行费用低、技术含量低、维护管理方便、耐冲击负荷强、美学价值高等优点, 适于处理间歇排放的污水。

作为一种有效的酸性矿井水处理方法, 虽然目前该法在国内的设计参数还不十分成熟, 但其应用将越来越广泛。

4 矿井水利用现状及途径
4.1 矿井水的资源化利用现状
目前, 全国有70%的煤矿缺水, 其中40%的煤矿严重缺水。

由于水资源的严重不足, 影响了我国煤炭工业的进一步发展。

事实证明, 矿井水资源化利用, 不仅是推行煤炭行业清洁生产、发展循环经济的主要内容, 也是煤炭生产持续发展的需要。

据相关资料显示, 2005 年, 全国煤矿矿井涌水量约为45.4亿m3, 吨煤涌水量平均为2.07m3, 利用率为43.8%。

4.2 矿井水资源化利用途径
矿井水净化处理后回用于生产和生活中, 可以减少深井水的开采量, 节约地下水资源, 保护矿区地下水和地表水的自然平衡。

处理后的矿井水一般先用于煤炭生产加工, 其次用于生态、矿区生活用水, 如仍有剩余, 则要根据矿井水水质、水量大小, 或达标排放, 或作其他用水。

(1)矿区井下用水。

煤矿井下生产用水一般不需要作净化处理, 只需经简单的混凝、沉淀、过滤、消毒等即可直接供井下使用, 满足生产需要。

(2)生活用水。

净化后的矿井水如果达到国家饮用水水质标准, 可以作为饮用水直接供应用户, 弥补自来水供应的不足。

此类用水需要对矿井水进行深度处理。

(3)工业用水。

矿井水做工业用水时, 只需要去除矿井水的悬
浮物即可满足要求, 净化过程只需要加人混凝剂, 不需再加液氯消毒, 即可直接用于浴室、锅炉房或冲刷厕所及地面浇花、打扫卫生等。

(4)农业用水。

用于农业灌溉、水产养殖等,可减轻农民负担。

( 5)旅游用水。

建立水上乐园, 旅游景区等。

( 6)矿井回灌水。

把多余的矿井水回灌到地下, 补充地下水资源, 降低采煤引起的地表沉陷。

5 矿井水资源化过程中应注意的问题
在矿井水资源化前必须充分摸清水质水量情况, 并预测其发展趋势。

就采取清污分流方法获取洁净矿井水来讲, 并不是表观清澈的矿井水就一定是合格水源, 必须经过全面的理化分析,清水要达到饮用水标准必须经脱盐处理。

清污分流不能以水体外观指标加以区分, 必须详细地摸清水质情况, 才能不盲目地、经济地实现矿井水资源化。

对多水平开采的矿井, 其混合排放的矿井水往往可能在某些不易被去除的水质项目方面超标, 这时应对各水平水质进行详细的水质水量调查分析, 在保证水量的前提下, 采取井下按质分流的方法, 将水质较好的几个水平的矿井水与水质较差的分开再集中排至净化站处理, 这样可使处理工艺简化, 成本降低。

净水工艺和设备应结合实际, 尽量简单、高效、实用, 不应盲目追求所谓的“现代化”,也不应为增大保险系数, 而使工艺复杂化。

这不仅浪费投资, 还会增大处理成本, 降低系统操作的稳定性。

根据目前的技术水平和净水经验, 对于悬浮物含量不高的矿井水, 不必采取常规的净水工艺, 可采用举絮凝直接过滤新技术, 以省去沉淀池节省投资。

对于悬浮物含量不很高, 同时处理水量又不大的矿井水, 采用高效一元化净水器处理技术较为合适。

当处理量较大时, 一般采用常规净水工艺, 但也应结合煤矿实际, 选用性能可靠、操作管理方便的净水装置。

结论
（1）矿井水是煤炭开采中不可避免的伴生资源, 矿井水资源化利用既可防止水资源浪费, 避免环境污染, 同时也为解决矿区缺水问题带来了巨大的的环境效益、社会效益和经济效益。

（2）矿井水经处理后主要用于以下几个方面：矿区生产、绿化、防尘等用水；矿区周边企业的工业补充用水；矿区周边农田灌溉用水；居民生活用水。

在矿区保护水资源，控制水污染是一项综合过程，需要进行多方面的工作。

积极开展矿井水处理，实现矿井水资源化。

对矿井水进行资源化处理，既可减少排污，又可节约水资源，缓解矿区缺水的严重状况。

(3) 我国有关矿井水资源化处理技术还处于落后水平, 还应加大对其资金投入与技术研究, 包括水处理新工艺的开发、高效水处理净化药剂的研发、水中硬度物质的去除等。

(4) 煤炭生产过程中可以采用特殊开采技术减少矿井水涌出量, 如采用条带式采煤法、充填采煤法, 房柱式采煤法, 离层带的注浆充填法等。

从而实现保水开采, 从根本上解决了矿区水资源浪费的现象, 真正实现矿区水资源化。

(5) 各种矿井水资源化处理技术都有其适用范围和利弊, 应根据矿井水质特征, 结合技术及经济条件, 选择合理的处理工艺。

(6) 综上所述, 目前各种类矿井水处理都存在这样那样的问题,有必要对各种类矿井水进行深入的研究,提高矿井水的资源化利用率, 解决制约煤矿企业发展的“瓶颈”问题。