CN107129075B - 一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统及方法，包括进水模块、过滤消毒模块、吸附出水模块和水质在线检测模块，所述进水模块包括吸水端和污水泵，所述污水泵通过吸水管路连接吸水端；所述过滤消毒模块包括转子流量计、多级筛滤器和加药器，所述加药器设置在多级筛滤器的出口；所述吸附出水模块包括多层吸附柱和储水箱，所述多级筛滤器的一路通道连接至水质在线检测模块，一路通道连接至储水箱，一路通道连接至多层吸附柱的进水口；所述多层吸附柱的一路出口连接至多层吸附柱的进水口，一路出口连接至储水箱，一路出口连接至水质在线检测模块。本系统可就地组装和拆卸，处理完毕后，可将储水箱运转至作业车辆上直接使用。

Description

一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿水资源的利用技术，尤其涉及的是一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统及方法。

背景技术

众所周知，煤炭是世界上储量最多、分布最广的化石资源。我国是世界上的产煤大国，煤炭在我国经济社会发展中占有极重要的地位。随着煤炭工业发展对煤炭资源需求量日益增加，煤炭资源开发规模也随之不断扩大，其主要围绕着煤炭生产、煤炭贮运、加工转换等环节进行产品作业。

伴随着供给侧结构性改革的持续深入推进，在我国能源结构调整优化过程中，短期内煤炭在现有的能源供给体系中仍然扮演着不可替代的重要角色。近些年来，大规模地煤炭资源开采造成地面以下煤层形成空洞或空腔，地表水体和地下水可通过导水裂隙、地面断层、塌陷区等各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，容易在煤矿采空区形成一定范围的积水，造成煤矿水灾事故频繁发生。

然而，一些煤炭资源型城市水资源相对匮乏，再加上煤炭资源的高强度开发,地下水遭到严重破坏，水资源供需矛盾突出、水生态环境脆弱、水安全威胁较大，同时城市绿地灌溉、城市景观和洒浇道路等市政用水的总体消耗量大，反而进一步加剧了水资源的短缺状况。采空区中积存了大量的水资源，事实上，煤矿采空区水本身也是一种潜在的水资源。因此，煤矿采空区水开发再利用可成为有效缓解区域水危机的重要途径之一。

各种运行模式的水处理系统在不同领域的均有所应用，其功能及处理效果千差万别。但在煤矿采空区积水收集再利用领域，其研发力度并不大，技术应用前景广阔。目前亟需开发研制一种适用于煤矿采空区水开发再利用的处理系统，以缓解当前部分区域水资源匮乏局面，这对我国部分区域改善用水状况具有积极的现实意义。

目前的水处理技术不能有效缓解部分区域水资源匮乏的局面，对煤矿采空区水的资源化利用能力低；同时缺乏一种适用于煤矿采空区水开发再利用的处理系统，可就地组装和拆卸，就地净化处理，并不断储水供外地利用，其研发力度并不大，技术应用前景十分广阔。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统及方法，实现对煤矿采空区的水资源的有效利用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括进水模块、过滤消毒模块、吸附储水模块和水质在线检测模块；所述进水模块包括连接在煤矿采空区的吸水端和污水泵，所述污水泵通过吸水管路连接吸水端；所述过滤消毒模块包括转子流量计、多级筛滤器和加药器，所述转子流量计、多级筛滤器依次设置在污水泵出口，所述加药器设置在多级筛滤器的出口；所述吸附储水模块包括多层吸附柱和储水箱，所述多级筛滤器的出口连接三路通道，一路通道连接至水质在线检测模块，一路通道连接至储水箱，一路通道连接至多层吸附柱的进水口；所述多层吸附柱的出水口具有三路出口，一路出口连接至多层吸附柱的进水口，一路出口连接至储水箱，一路出口连接至水质在线检测模块。

所述进水模块具有至少两条吸水管路，其中一条吸水管路的吸水端位于煤矿采空区的浅层并通过第一止回阀连接到污水泵，另一条吸水管路的吸水端位于煤矿采空区的深层并通过第二止回阀连接到污水泵。

所述吸水端包括喇叭吸水口和滤网套头，所述滤网套头包裹在所述喇叭吸水口上。

所述多级筛滤器包括多个透水滤网、拉环和可卸式集污室；所述多个透水滤网依次沿进水方向设置，多个透水滤网的孔径逐级递减，所述拉环固定在各个透水滤网上，所述可卸式集污室上沿轴向设置多个用于卡持透水滤网的卡口。

所述多层吸附柱包括罩式集水器、多个吸附层、多个承托层和管式布水器；所述罩式集水器呈罩形设置于顶部，罩式集水器的顶部为多层吸附柱的出水口，所述多个吸附层和多个承托层沿轴向依次交替设置，所述管式布水器设置于底部。

所述多个承托层上对称设置有多个用于原水透过的孔道。

所述吸附层内设有多孔质EPP填料，所述EPP填料内掺杂活性炭。

所述管式布水器上设有多个等距等径的布水孔。

所述储水箱的进口设有第四止回阀，所述多层吸附柱的进水口上设有第六止回阀，出水口上设有第五止回阀，所述多级筛滤器的出口有三路通道，一路通道连接至水质在线检测模块，一路通道通过第三止回阀连接至第四止回阀上，一路通道连接至第六止回阀；第五止回阀具有三路出口，一路出口通过第七止回阀连接至第六止回阀，一路出口连接至第四止回阀上，一路出口连接至水质在线检测模块。

一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理方法，包括以下步骤：

(1)开启污水泵和第一止回阀，第二止回阀关闭，在污水泵抽吸作用下，煤矿采空区积水通过吸水端进入吸水管路中，当转子流量计读数明显低于高水位流量时，即说明进水模块系统处于低水位运行，此时先开启第二止回阀，再关闭第一止回阀，保证进水管道正常输水；

(2)经进水模块处理后的原水经过管路进入多级筛滤器中，滤后水透过滤网由加药器进行消毒灭菌处理，实现污染物层层分离；

(3)在过滤消毒模块进行深度净化的同时，与吸附储水模块和水质在线检测模块进行耦合，水质在线检测模块用于评定过滤消毒模块和吸附储水模块处理原水的优劣程度，判定净化后的水质是否满足相应作业水质标准要求；

(4)如果经过滤消毒模块处理后的出水符合《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB18920-2002规定的用水水质标准时，开启第三和第四止回阀，同时关闭第五、第六和第七止回阀，让出水暂存在储水箱中，待储水完毕，运转对外使用；

(5)如果经过滤消毒模块处理后的原水悬浮物指标不符合相应用途水质标准时，关闭第三和第七止回阀，同时开启第四、第五和第六止回阀，让原水进入吸附储水模块持续净化，进一步提高水质；

(6)如果出水水质不佳或用水水质要求更高时，开启第七止回阀使得从多层吸附柱出水口的出来的部分原水重新进入多层吸附柱进水口，再次参与吸附净化循环过程中，增强原水在多层吸附柱中的停留时间，改善并提高出水水质。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的多模块耦合处理系统相互联系，构成一个完整的运行体系，集进水模块、过滤消毒模块、吸附储水模块和水质在线检测模块于一体，可实现各阶段出水水质的同步测试，及时掌握水质水量变化，调整净水方式，提高了原水的处理效率。多模块耦合处理系统适用于煤矿采空区水的开发再利用的实际情况，可就地组装和拆卸，随用随开，操作原理简单，处理完毕后，可将储水箱运转至作业车辆上直接使用。构成多模块耦合处理系统的各个模块单元所需钢板、PVC管道、止回阀等材料廉价易得，制作简单，且不会对环境产生二次污染，仅仅需要定期更换填料层、疏通管路和清理集污室等后期日常维护工作。整个系统工程搭建占用土地空间少、施工方便、系统净化效果好、运行稳定可靠，符合水资源匮乏型城市的节水需求。

附图说明

图1是本发明多模块耦合处理系统的结构示意图；

图2是图1中的多级筛滤器的结构示意图；

图3是图1中的多层吸附柱的结构示意图。

附图标记说明：

1、采空区上部；2、煤矿采空区；3、喇叭吸水口；4、滤网套头；5、吸水管路；6、第一止回阀；7、第二止回阀；8、污水泵；9、转子流量计；10、多级筛滤器；11、水流流向；12、加药器；13、第三止回阀；14、第四止回阀；15、第五止回阀；16、第六止回阀；17、第七止回阀；18、水质实时检测系统；19、计算机操作平台；20、数据转换线；21、储水箱；22、多层吸附柱；23、罩式集水器；24、螺栓；25、螺母；26、吸附层；27、承托层；28、多层吸附柱的进水口；29、管式布水器；30、布水孔；31、吸水端；32、垮落带；33、导水裂隙带；101、透水滤网；102、拉环；103、可卸式集污室。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的处理系统应用在煤矿开采井的煤矿采空区2内，包括进水模块、过滤消毒模块、吸附储水模块和水质在线检测模块；所述进水模块包括连接在煤矿采空区2的吸水端31和污水泵8，所述污水泵8通过吸水管路5连接吸水端31；所述过滤消毒模块包括转子流量计9、多级筛滤器10和加药器12，所述转子流量计9、多级筛滤器10依次设置在污水泵8出口，所述加药器12设置在多级筛滤器10的出口；所述吸附储水模块包括多层吸附柱22和储水箱21，所述多级筛滤器10的出口连接三路通道，一路通道连接至水质在线检测模块，一路通道连接至储水箱21，一路通道连接至多层吸附柱22的进水口；所述多层吸附柱22的出水口具有三路出口，一路出口连接至多层吸附柱22的进水口28，一路出口连接至储水箱21，一路出口连接至水质在线检测模块。

如图1所示，水流流向11沿煤矿采空区2流向储水箱21。

水质在线检测模块包括通过数据转换线20连接的水质实时检测系统18和计算机操作平台19。水质实时检测系统18一端连接过滤消毒模块出水，另一端连接吸附储水模块出水，实时监测两个模块出水的水质指标，将数据同步上传到计算机操作平台19，进行记录更新，以便掌控水质变化。将符合《城市杂用水水质》标准要求的净化水储存在储水箱21中，每个储水箱21装满后，更换一个空置储水箱21，实现连续不间断集水作业。将装满后的储水箱21移动至作业运输车辆上，可供给城市绿地灌溉、城市景观、洒浇道路等多种市政绿化用水需求。

本实施例的进水模块具有两条吸水管路5，其中一条吸水管路5的吸水端31位于煤矿采空区2的浅层并通过第一止回阀6连接到污水泵8，另一条吸水管路5的吸水端31位于煤矿采空区2的深层并通过第二止回阀7连接到污水泵8,吸水管路5为PVC材质。

本实施例的吸水端31包括喇叭吸水口3和滤网套头4，所述滤网套头4包裹在喇叭吸水口3上。可以先过滤掉大体积杂质。所述吸水端31位于垮落带32和导水裂隙带33之下。

如图2所示，所述多级筛滤器10包括五个透水滤网101、拉环102和可卸式集污室103；所述五个透水滤网101依次沿进水方向设置，五个透水滤网101的孔径逐级递减，所述拉环102固定在各个透水滤网101上，所述可卸式集污室103上沿轴向设置多个用于卡持透水滤网101的卡口。透水滤网101的孔径逐级变小，用于去除原水中较大的不可溶解性悬浮颗粒物，减轻后续模块的处理负荷。当可卸式集污室103收纳满污垢后，先拉住拉环102，取出透水滤网101后，卸掉其中的污垢，最后反序安装复原。

本实施例的加药器12可实现自动控制，加药器12内装有配制好的消毒灭菌类溶剂，加药器12定时定量向管道投加，在水力冲击作用下，溶剂与管道进水充分混合均匀，达到抑制微生物滋生目的。

如图3所示，所述多层吸附柱22包括罩式集水器23、多个吸附层26、多个承托层27和管式布水器29；所述罩式集水器23呈罩形设置于顶部，罩式集水器23的顶部为多层吸附柱22的出水口，所述多个吸附层26和多个承托层27沿轴向依次交替设置，所述承托层27的端部通过螺栓24和螺母25连接在多层吸附柱22上，所述管式布水器29设置于底部。

所述多个承托层27上对称设置有多个用于原水透过的孔道。供下一级原水自下而上依次透过吸附层26，去除原水中更细微的悬浮物和固有的色味。

所述吸附层26内设有多孔质EPP填料，所述EPP填料内掺杂活性炭。以增大填料与污水的接触面积，增强对原水污染物的吸附能力。

所述管式布水器29上设有多个等距等径的布水孔30。当原水通过第六止回阀16进入管式布水器29时，可从多层吸附柱22底部向上层均匀布水。

所述储水箱21的进口设有第四止回阀14，所述多层吸附柱22的进水口28上设有第六止回阀16，出水口上设有第五止回阀15，所述多级筛滤器10的出口有三路通道，一路通道连接至水质在线检测模块，一路通道通过第三止回阀13连接至第四止回阀14上，一路通道连接至第六止回阀16；第五止回阀15具有三路出口，一路出口通过第七止回阀17连接至第六止回阀16，一路出口连接至第四止回阀14上，一路出口连接至水质在线检测模块。

一种煤矿采空区2水利用的多模块耦合处理方法，包括以下步骤：

(1)开启污水泵8和第一止回阀6，第二止回阀关闭，在污水泵8抽吸作用下，煤矿采空区2积水通过吸水端31进入吸水管路5中，当转子流量计9读数明显低于高水位流量时，即说明进水模块系统处于低水位运行，此时先开启第二止回阀7，再关闭第一止回阀6，保证进水管道正常输水，防止污水泵8空转产生机械损耗；

(2)经进水模块处理后的原水经过管路进入多级筛滤器10中，滤后水透过滤网由加药器12进行消毒灭菌处理，实现污染物层层分离；

(3)在过滤消毒模块进行深度净化的同时，与吸附储水模块和水质在线检测模块进行耦合，水质在线检测模块用于评定过滤消毒模块和吸附储水模块处理原水的优劣程度，判定净化后的水质是否满足相应作业水质标准要求；

(4)如果经过滤消毒模块处理后的出水符合《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB18920-2002规定的用水水质标准时，开启第三和第四止回阀14，同时关闭第五、第六和第七止回阀17，让出水暂存在储水箱21中，待储水完毕，运转对外使用；

(5)如果经过滤消毒模块处理后的原水悬浮物指标不符合相应用途水质标准时，关闭第三和第七止回阀17，同时开启第四、第五和第六止回阀16，让原水进入吸附储水模块持续净化，吸附一些不可溶解性的污染物，进一步提高水质的色度和浊度；

(6)如果出水水质不佳或用水水质要求更高时，开启第七止回阀17使得从多层吸附柱22出水口的出来的部分原水重新进入多层吸附柱22进水口，再次参与吸附净化循环过程中，增强原水在多层吸附柱22中的停留时间，改善并提高出水水质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统，其特征在于，包括进水模块、过滤消毒模块、吸附储水模块和水质在线检测模块；所述进水模块包括连接在煤矿采空区的吸水端和污水泵，所述污水泵通过吸水管路连接吸水端；所述过滤消毒模块包括转子流量计、多级筛滤器和加药器，所述转子流量计、多级筛滤器依次设置在污水泵出口，所述加药器设置在所述多级筛滤器的出口；所述吸附储水模块包括多层吸附柱和储水箱，所述多级筛滤器的出口连接三路通道，一路通道连接至所述水质在线检测模块，一路通道连接至所述储水箱，一路通道连接至所述多层吸附柱的进水口；所述多层吸附柱的出水口具有三路出口，一路出口连接至所述多层吸附柱的进水口，一路出口连接至所述储水箱，一路出口连接至所述水质在线检测模块；

其中，所述多层吸附柱包括罩式集水器、多个吸附层、多个承托层和管式布水器；所述罩式集水器呈罩形设置于顶部，所述罩式集水器的顶部为所述多层吸附柱的出水口，所述多个吸附层和多个承托层沿轴向依次交替设置，所述管式布水器设置于底部；

所述储水箱的进口设有第四止回阀，所述多层吸附柱的进水口上设有第六止回阀，出水口上设有第五止回阀，所述多级筛滤器的出口有三路通道，一路通道连接至所述水质在线检测模块，一路通道通过第三止回阀连接至所述第四止回阀上，一路通道连接至所述第六止回阀；所述第五止回阀具有三路出口，一路出口通过第七止回阀连接至所述第六止回阀，一路出口连接至所述第四止回阀上，一路出口连接至所述水质在线检测模块。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统，其特征在于，所述进水模块具有至少两条吸水管路，其中一条吸水管路的吸水端位于煤矿采空区的浅层并通过第一止回阀连接到污水泵，另一条吸水管路的吸水端位于煤矿采空区的深层并通过第二止回阀连接到污水泵。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统，其特征在于，所述吸水端包括喇叭吸水口和滤网套头，所述滤网套头包裹在喇叭吸水口上。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统，其特征在于，所述多级筛滤器包括多个透水滤网、拉环和可卸式集污室；所述多个透水滤网依次沿进水方向设置，多个透水滤网的孔径逐级递减，所述拉环固定在各个透水滤网上，所述可卸式集污室上沿轴向设置多个用于卡持透水滤网的卡口。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统，其特征在于，所述多个承托层上对称设置有多个用于原水透过的孔道。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统，其特征在于，所述吸附层内设有多孔质EPP填料，所述EPP填料内掺杂活性炭。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理系统，其特征在于，所述管式布水器上设有多个等距等径的布水孔。

8.一种煤矿采空区水利用的多模块耦合处理方法，其特征在于，使用如权利要求1～7任一项所述的系统；其中，所述进水模块具有至少两条吸水管路，其中一条吸水管路的吸水端位于煤矿采空区的浅层并通过第一止回阀连接到所述污水泵，另一条吸水管路的吸水端位于煤矿采空区的深层并通过第二止回阀连接到所述污水泵；所述煤矿采空区水利用的多模块耦合处理方法包括以下步骤：

(1)开启所述污水泵和所述第一止回阀，所述第二止回阀关闭，在所述污水泵抽吸作用下，煤矿采空区积水通过吸水端进入吸水管路中，当所述转子流量计读数明显低于高水位流量时，即说明进水模块系统处于低水位运行，此时先开启所述第二止回阀，再关闭所述第一止回阀，保证进水管道正常输水；

(2)经所述进水模块处理后的原水经过管路进入所述多级筛滤器中，滤后水透过所述多级筛滤器的多个透水滤网由所述加药器进行消毒灭菌处理，实现污染物层层分离；

(3)在所述过滤消毒模块进行深度净化的同时，与所述吸附储水模块和所述水质在线检测模块进行耦合，所述水质在线检测模块用于评定所述过滤消毒模块和所述吸附储水模块处理原水的优劣程度，判定净化后的水质是否满足相应作业水质标准要求；

(4)如果经过滤消毒模块处理后的出水符合《城市污水再生利用城市杂用水水质》GB18920-2002规定的用水水质标准时，开启第三和第四止回阀，同时关闭第五、第六和第七止回阀，让出水暂存在储水箱中，待储水完毕，运转对外使用；

(5)如果经所述过滤消毒模块处理后的原水悬浮物指标不符合相应用途水质标准时，关闭所述第三止回阀和所述第七止回阀，同时开启所述第四止回阀、所述第五止回阀和所述第六止回阀，让原水进入所述吸附储水模块持续净化，进一步提高水质；

(6)如果出水水质不佳或用水水质要求更高时，开启所述第七止回阀使得从多层吸附柱出水口的出来的部分原水重新进入多层吸附柱进水口，再次参与吸附净化循环过程中，增强原水在所述多层吸附柱中的停留时间，改善并提高出水水质。

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