CN112390460A - 一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺，所述的矿井水经过初沉池后经过一级超磁分离、一级盘式过滤、一级超滤和一级反渗透成为浓水，然后通过二级超磁分离、二级盘式过滤、二级超滤和二级反渗透成为浓盐水，然后进行井下封存。本发明将原来的分盐结晶工艺段取而代之，杜绝危废产出，充分利用煤矿独有的生产特点，利用井下采空区等有效空间进行封存，同时将整个水处理系统移植到煤矿井下利用闲置巷道，降低地面建设征地，实现井下就地回用，减少向地面的排水量。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿高盐废水采空区有效空间的利用封存，属于环保行业处理工艺及煤矿有效空间的选择及利用
背景技术
煤矿高盐废水常规处理工艺是将其进行脱盐处理，处理后产生清水供回用或复用外，还同时产生更高TDS的浓盐水，需对浓盐水进行处理，否则会产生二次污染问题，其中分盐结晶是处理二次污染的有效途径，但巨大的投资及运行成本是煤矿高盐废水处理无法突破的瓶颈。
在没有较好的浓水处置或利用途径时，浓缩结晶是主要处理方法，是将超标部分的盐分(硫酸钠、氯化钠等)从水中分离出来，即实现结晶出盐，从而使剩余的水满足排放标准的要求。由于目前的结晶工艺造价与运行费用均十分高昂，因此还需对这一部分浓盐水进行进一步提浓，降低其水量以节约结晶工艺的投资，这一处理称为浓水减量化处理，这部分所需投资及运行费用在整个项目中所占比例很高。紧跟其后的结晶工艺段，其投资及运行成本占整个水处理系统的比例也非常高，结晶分离出的硫酸钠、氯化钠等市场价值不高，处理不当还有可能成为危废。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是在于提供一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺，将原来的分盐结晶工艺段取而代之，杜绝危废产出，充分利用煤矿独有的生产特点，利用井下采空区等有效空间进行封存，同时将整个水处理系统移植到煤矿井下利用闲置巷道，降低地面建设征地，实现井下就地回用，减少向地面的排水量。
本发明是采取如下技术方案来完成的：
一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺,所述的矿井水经过初沉池后经过一级超磁分离、一级盘式过滤、一级超滤和一级反渗透成为浓水，然后通过二级超磁分离、二级盘式过滤、二级超滤和二级反渗透成为浓盐水，然后进行井下封存。
本发明所述的矿井水经过一级超磁分离后一部分进入一级盘式过滤，另一部分进入污泥池。
本发明所述的一级盘式过滤、一级超滤、二级盘式过滤、二级超滤的反洗水进入初沉池循环使用。
本发明所述的一级反渗透中的水直接进入二级反渗透中。
本发明根据矿井水的水质、水量及外排要求来确定浓盐水的产出量，与地面传统分盐结晶工艺对比投资及运行成本，确定煤矿井下高盐废水的井下处理及就地回用系统以及井下封存工艺路线，完成系统组成及工程实施设计；
本发明根据浓盐水的产出量以及煤矿井下可以封存的必要条件进行分析，结合煤矿的开采方式、开采顺序、开采年限等对采空区能否进行封存利用；对封存空间周边的地质构造及采场布置、预留煤柱、断层情况、涌水情况、裂隙渗漏等进行安全系统分析，封存空间不得影响煤矿正常的开采及威胁矿井安全，并做出安全评估。在采煤生产中开采方式有前进式开采、回退式开采等，前进式开采由于采空区位于人员及运输通道必经之地，考虑储存水体安全问题，尽量避免；回退式开采由于是由远及近，最远采空区不再有人员活动，可以作为水体储存区域进行利用。开采顺序主要有上山开采以及下山开采，下山先开采时有利于采空区储存，上山开采，采空区位于该水平上部，有水体安全隐患，通过合理布置采场及顺序，增加采空区的利用比例。开采年限的计算主要考虑有效采空区的空间能否满足在开采期间浓盐水的产出量，当矿井退出封井时，仍有空间进行存储，完成矿井的全寿命服务。
本发明井下浓盐水存储区域的影响因素及选址原则：1)尽量布置于围岩稳定、抗压强度高的区域；2)尽量布置于地质构造简单，无岩溶、断层、节理、裂隙发育的区域；3)尽量布置于同一煤层埋藏较低的区域；4)尽量布置于煤层底板渗透性低的区域。库容计算方法，利用采空的工作面和冒落带形成储水空间，煤层采空后每一个工作面上部垮落形成的冒落带空隙率约为0.25～0.3，利用这个空隙作为浓盐水存储空间。库容设计根据已采工作面产量除以煤的容重1.36，乘以储库系数0.3，即可得出储存空间，可以通过设定储水的水位来调整储库库容大小。
本发明的坝体设计，对封存空间如何进行隔离、防渗、抗压，并对封存区间的封堵方法做出施工说明。在煤层采空区中建造地下水库，需要在联络巷内建造坝体或挡水构筑物，不同坝体或挡水构筑物内需要设置泄水和进水设施进行调控。煤矿行业采用的防水构筑物为防水闸墙或防水闸门。防水闸门通常砌筑在通往水害威胁地区巷道的总汇合处、井底车场和井下水泵房。防水闸墙同样是为防止井下涌水而设置的挡水构筑物，它与防水闸门的区别在于不再设置开启的闸门，而是通过完全砌筑整个巷道断面，保证闸墙内侧形成完全封闭的空间，从而成为长期的挡水构筑物。参照相关规范要求设计采用防水闸墙作为人工坝体，通过设置人工坝体，完全封闭井下采空区，从而达到储水目的。根据《煤炭矿井防治水设计规范》规定，人工坝体设置应该符合以下要求：1)应设于坚硬、稳定、完整致密的岩(煤)层中；2)不应设于岩溶、断层、节理、裂隙发育的破碎地带；3)不应受井下采动影响，并应符合通风、运输、行人、放水、安全等要求；4)应有利于施工和灾后恢复生产；5)硐室四周应留设保护煤(岩)柱。
本发明封存储库运行安全监测保障，安全监测目的是对地下储库的运行状况进行数据采集和分析，以确保挡水坝体的安全，为储库运行提供必要的决策依据，最大限度发挥工程效益。选择各个储库的重要部位进行安全监测，主要是对挡水坝和输排水系统进行监测仪器的布置和设计。
本发明的有益效果是：本发明可以新增一条煤矿及煤化工高盐废水处理的工艺路线，从根本上解决分盐结晶给煤矿企业带来的巨额成本投入，取消整个工艺路线的分盐结晶工艺段；本发明将原来的分盐结晶工艺段取而代之，杜绝危废产出，充分利用煤矿独有的生产特点，利用井下采空区等有效空间进行封存，同时将整个水处理系统移植到煤矿井下利用闲置巷道，降低地面建设征地，实现井下就地回用，减少向地面的排水量，这将极大降低整个水处理工艺的整体投资、水处理运行成本以及危废处置成本，对于降本增效，维持企业发展，具有重大意义。
具体实施方式
一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺,所述的矿井水经过初沉池后经过一级超磁分离、一级盘式过滤、一级超滤和一级反渗透成为浓水，然后通过二级超磁分离、二级盘式过滤、二级超滤和二级反渗透成为浓盐水，然后进行井下封存。
本发明所述的矿井水经过一级超磁分离后一部分进入一级盘式过滤，另一部分进入污泥池。
本发明所述的一级盘式过滤、一级超滤、二级盘式过滤、二级超滤的反洗水进入初沉池循环使用。
本发明所述的一级反渗透中的水直接进入二级反渗透中。
本发明所述的工艺在枣庄矿业集团新煤公司落地实施，通过在煤矿井下闲置巷道布置水处理的预处理部分，包括井下涌水收集系统、预沉系统、混凝系统、加药系统、固液分离系统、超滤系统、RO反渗透系统、膜浓缩系统、污泥处置系统、电控系统、浓盐水排放灌注及管道系统、井下采空区安全检测系统等。
通过前期到某新煤公司现场勘察及水样检测，对全矿的水质水量进行平衡分析，最终确定其工艺路线、处理水量、封存水量、处理地点及封存地点，最优水量进行工程试验。
本发明设计出水水质为《流域水污染物综合排放标准第1部分：南四湖东平湖流域》(DB37/3416.1-2018)标准，出水水质TDS小于1600mg/L，SO4 2-小于650mg/L即可。常规脱盐处理工艺的产水远优于这一标准值，因此可考虑只处理部分外排水，并与剩余未处理的矿井水进行混合达标后外排。本次设计规模考虑只处理井下涌水。根据《煤炭工业给水排水设计规范》(GB50810-2012)，井下水处理规模宜按正常涌水量的1.2倍～1.5倍确定，若按1.2倍考虑，处理规模宜为193.2m3/h，为降低投资，处理系统按每天24h工作考虑，处理规模按井下正常涌水量考虑，取值为200m3/h。
产出的浓盐水达到为11.01m3/h，则每年产出为96448m3，根据矿井可采储量及限产量，可连续开采10年，目前计算出的可利用采空区库容达到106万立方，完全满足浓盐水的封存需要，同时采空区随着开采延续会不断增加，这更增强库存容量。
水质检测报告
一、矿井水处理系统位置选择：
根据水处理系统工艺布置，新安煤矿井下水处理工程属于永久硐室，其位置选择应满足以下条件：
①靠近新安矿-550水平排水泵房及水仓入口，便于矿井水收集及处理后清水排入-550水仓；
②充分利用现有保护煤柱区域，不占用煤炭资源；
③便于向浓盐水储存区域输送浓盐水；
④充分利用现有进行巷道工程，尽量减少新增巷道，并不影响现有巷道系统功能。
基于上述约束条件，设计将井下水处理硐室布置于-550水平车场与3309工作面采空区之间的保护煤柱范围内的3号煤层中。
二、井下浓盐水库选址
基于选址原则及影响因素设计，考虑将新安矿三采区北翼已回采完毕的3上307、3上309、3311、3313、3上305里面、3上303、3上301工作面采空区及即将生产的3315、3上305外面工作面作为新安煤矿井下浓盐水库。该区域作为井下浓盐水库优势在于：
1)空间相对独立、安全可靠
从平面布置看，井下浓盐水库位于井田西北部，与西北相邻的滨湖煤矿之间煤层存在露头风氧化带，最大宽度超过190m，将新安煤矿井下浓盐水库与相邻矿井采空区隔离，三采区采空区与四采区之间留有大巷、断层保护煤柱，最大宽度超过200m，将井下浓盐水库与四采区隔离。
从深度看，根据矿方提供的50-16号钻孔柱状图显示，井下浓盐水库范围内的3煤与下覆的12号可采煤层间距达到117m，根据导水裂隙带公式，采用50-16号钻孔的12号煤层厚度1.58m计算，12煤开采时导水裂隙带高度达到24m，远小于煤层间距，并且井下浓盐水库范围内无落差超过30m的断层，浓盐水无法通过断层及导水裂隙带进入下组煤。可以有效控制浓盐水的渗漏，确保浓盐储库的密闭性，保证矿井接续生产安全。
2)地质条件优越
井下浓盐水库范围内煤层标高从3上301至3315方向由高至低，坡度平均为7°，煤层标高最低点位于3号煤层露头线附近的3315工作面，煤层底板标高-650m,该处标高基本为新安煤矿3号煤层已采区域的最低点，有利于浓盐水的储存。
井下浓盐水库范围内地质构造相对较简单，根据矿方提供的3煤采掘图显示三采区采空区断层发育较少，断层落差较小，无落差超过30m的断层，浓盐水通过构造裂隙渗透进下组煤的可能性较小。
3)建设投资低
新改造的井下水处理硐室位于三采区内的-550水平车场附近，因此在三采区布置井下浓盐水库，可以减少外部输水管线的长度，减少本项目的直接投资。
4)对生产影响小
a.三采区3煤大部回采完毕，在此处建设井下水处理硐室和加固井下防水坝体，不影响矿井的正常采掘工作；
b.后期井下浓盐水库运行期间，水处理硐室及浓盐水库的有害气体可随回风流直接进入回风巷，对井下环境影响小；
c.浓盐水库位于井下3煤层最低处，不存在突水后淹井风险，对井下安全生产影响较小。
三、库容计算
三采区西翼大部工作面均已回采完毕，仅余3315工作面未采，浓盐水充入采空区，主要填充采空区内的垮落岩石的空隙区域内，储库系数取0.3，设计根据已采工作面产量及未采工作面的预计产量，估算井下浓盐水库库容为106.4万m3，能够满足井下浓盐水的储存。
四、坝体设计
根据坝体的设计原则以及新安矿提供的地质资料，从钻孔资料分析，新安煤矿3(3上)号煤层与顶底板岩层赋存较稳定，三采区南侧即为大巷保护煤柱，每侧宽度为80m，保护煤柱内巷道围岩稳定，变形较小，裂隙不发育，有利于设置人工坝体。
从围岩应力分析，三采区基本已经回采完毕，其顶板沉降稳定，在三采区巷道内设置人工坝体不会受到采动及冲击地压的影响。
从防水通道分析，坝体宜设置在采空区与大巷的联络巷内，节省工程量的同时，可以布置进水设施。
通过对三采区西翼回采工作面及巷道布置的分析，确定布置11处人工坝体，均位于工作面顺槽与下山的联络巷内，坝体前后应该留设坝体保护煤柱和防水煤柱，一方面减少围岩的渗流，另一方面保证坝体的稳定性，因此需要在计算保护煤柱宽度的基础上确定人工坝体的准确位置。另外在施工完成人工坝体后，为了隔绝采空区，避免采空区瓦斯涌入作业场所，需要增设12处密闭墙。
根据《煤炭矿井防治水设计规范》，坝体四周应留设保护煤柱，煤柱又分为两类，一类是坝体安全防护煤柱，主要是保证坝体的稳定性，使其不受超前应力影响；另一类是防水保护煤柱，主要是增加隔水煤(岩)柱宽度，减少围岩渗流量。
根据《煤炭矿井防治水设计规范》(GB51070-2014)和《煤矿防治水细则》(2018)，承受水压大于1.6MPa的防水坝体应选用倒截锥形结构，小于1.6MPa的防水坝体选用楔形结构。考虑坝体作为封闭地下水库的挡水构筑物，长期承受较大地压及水压，坝体长度应在计算结果的基础上考虑1.2倍的安全系数。
人工坝体加固段：根据《煤炭矿井防治水设计规范》，放水坝体前、后两端应分别设置长度不小于5m的混凝土砌碹。
四、安全检测
(1)坝体变形监测
变形监测的目的是对挡水坝体与围岩的相对位移、特别是接触缝的位移进行观测，监测仪器采用测缝计。在挡水坝上布置2支基岩变位计，位于坝体左右两侧，通过钻孔进行埋设安装。
(2)应力应变监测
应力监测目的对挡水坝体的应力应变和山岩压力进行观测，监测仪器采用振弦式埋入式应变计。挡水坝体上布置2支应变计，位于坝体的上顶和下底的中部，垂直于坝体与围岩交接面。对于挡水坝体表面的应力应变检测，采用振弦式表面式应变计，位于墙体表面中间位置，1支垂直，1支水平安装。
(3)渗漏监测
采用量水堰对储库的渗漏量进行观测，量水堰设置在巷道内靠近坝体的两条排水沟内。采用直角三角形量水堰板。量水堰堰板用不锈钢板制作，过水堰口切削成向下游45°坡口。
安装：堰前引水、平水渠槽身矩形断面，引渠长度≥2m；堰板与水流方向垂直，与引渠两侧墙铅直，堰口保持水平；在堰前安装电测水位计水尺，电测水位计和水尺均置于堰板前≥1.5m处。电缆线引至设计位置。
(4)渗透水压力监测
采用振弦式渗压计对留设的煤柱进行渗透水压力监测，设置在煤柱距离坝体5m处，高度位于煤柱中间。
(5)管道压力与流量监测
通过输水管道压力的观测可以掌握地下储库水位的变化，利用在挡水坝上预设的输排水管道上设置压力传感器进行库水压力的观测，同时在管道上设置管道流量计对输排水流量进行观测，每个管道上安装一套。
(6)震动监测
震动监测目的是对矿震和地震产生的地震波和地震动力进行观测，用于分析、评估挡水坝体受震动破坏的影响。采用仪器为震动记录分析仪(内置三向加速度计)。采空区设置一组震动监测仪器，人工开槽安装。
(7)视频监测
视频监测是对地下储库挡水坝体、排水沟、输排水系统运行状况进行图像采集、实施监控。每个监测站设置一套防爆红外网络摄像机。
(8)数据采集
每个监测站配备一套自动化数据采集仪，将所有监测测仪器通过光纤与其连接，形成自动化数据采集和数据处理分析系统。通过光纤将采集的数据传输到安全监测中心，同时接受监测中心发出的指令。
根据地下储库的位置和库容大小，井下共设置3个监测分站，其中3313工作面设置1个监测站，负责收集F1～F5防水坝体监测数据，3上309工作面设置1个监测站，负责收集F6～F8防水坝体监测数据，3上307工作面储库设置1个监测站，负责收集F9～F11防水坝体监测数据。每个监测站设置1台光纤光栅解调仪，通过光纤将各个传感器的监测数据接入解调仪，解调仪通过光缆接入井下环网传输至地面。
每个坝体上布设2支测缝计、2支应力计、2支埋入式应变计和2支表面式应变计，坝体外部排水沟设置2座量水堰，两侧煤柱中部布置2支渗压计，输排水管道设置1个管道压力表和1个管道流量计。
Claims (4)
1.一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺,其特征在于：所述的矿井水经过初沉池后经过一级超磁分离、一级盘式过滤、一级超滤和一级反渗透成为浓水，然后通过二级超磁分离、二级盘式过滤、二级超滤和二级反渗透成为浓盐水，然后进行井下封存。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺,其特征在于：所述的矿井水经过一级超磁分离后一部分进入一级盘式过滤，另一部分进入污泥池。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺,其特征在于：所述的一级盘式过滤、一级超滤、二级盘式过滤、二级超滤的反洗水进入初沉池循环使用。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿及煤化工高盐废水井下有效空间封存工艺,其特征在于：所述的一级反渗透中的水直接进入二级反渗透中。
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