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(guó)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(guó)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(guó)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(hào)）發(fā)布，要求2025年黃河流域的礦井水綜合利用率力爭(zhēng)達(dá)到68%以上，提出對(duì)于礦井水應(yīng)進(jìn)行源頭分級(jí)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(cāng)，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(wàn)噸級(jí)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(duì)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(duì)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(cāng)、污水倉(cāng)，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(jiǎn)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(duì)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(cāng)前處理，以減少水倉(cāng)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(duì)水質(zhì)要求更高的生產(chǎn)用水。針對(duì)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(duì)納林河二號(hào)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(hào)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(chǎng)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(cè)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(cāng)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(hào)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(duì)納林河二號(hào)井下涌水量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，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(duì)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(duì)于井下清水，通過簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，占地大，在井下設(shè)置有一定的難度。針對(duì)納林河二號(hào)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(cāng)。

3.3 中試處理系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)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(jí)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(duì)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(zhǎng)度。對(duì)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(hào)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(duì)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�。具體原則如下：

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(zhǎng)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�處理硐室，減少礦建費(fèi)用。

根據(jù)以上原則，納林河二號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)煤礦井下水處理站總投資為5154.17萬(wàn)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(wàn)m3，年總運(yùn)行費(fèi)用為3446.39萬(wàn)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(hào)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(jiǎn)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�，有效降低了現(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(wàn)元。該項(xiàng)目總投資為5154.17萬(wàn)元，考慮10a折舊期限，年折舊費(fèi)為515.42萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用為3446.39萬(wàn)元，年度綜合經(jīng)濟(jì)效益可節(jié)約1703.10萬(wàn)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(duì)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(duì)較少。以納林河二號(hào)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(hào)礦井水井下深度處理項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益表明，對(duì)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(duì)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）