CN1482078A - 煤矿井下采空区水的净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿井下采空区水的净化方法，包括以下步骤：首先在矿井煤层的特定区域构筑集水区；然后在采空区边缘修筑挡水设施和蓄水池，来阻隔采空区的水泄漏，使之充分沉淀，同时可以预防采空区透水事故的发生；引导岩层潜水自导水裂隙带经冒落带导入采空区；然后引导采空区矿井水通过采空区矸石过滤渗流后汇集在集水区；将过滤后的矿井水通过管道引入专用水仓蓄水，进行二次沉淀；将沉淀后的净化水经由专用水仓和排水设施管排至矿区工业用水管网。在净化过程中，包括过滤、沉淀、吸附与离子交换和自生矿物生成作用这些物理化学过程。

Description

煤矿井下采空区水的净化方法

技术领域

本发明涉及一种水净化方法，具体涉及一种煤矿井下采空区水的净化方法，能将煤矿采空区积水净化复用。

背景技术

煤矿井下采空区积水属于工业污水，为了避免其对煤矿开采造成危害，一般情况下生产单位都将这部分水排出井外不再利用。近年来，由于水资源的匮乏和环保意识的增强，我国大同矿务局、兖矿集团公司、徐州矿区、石嘴山矿区等有一些矿井开始复用这部分水资源。采取的办法是将水排至地面水处理厂进行相关处理，然后重复利用，并取得了良好的社会经济效益。神府东胜矿区各矿井地面均建设了污水处理厂，并进行了水处理复用或达标排放，但是处理后的水价高达3.2元/立方米，成本较高，复用效益较差。

发明内容

本发明提供了一种煤矿井下采空区水的净化方法，包括以下步骤：一种煤矿井下采空区水的净化方法，包括以下步骤：

1)首先在矿井煤层的特定区域构筑集水区；

2)然后在采空区边缘修筑挡水设施和蓄水池，来阻隔采空区的水泄漏，使之充分沉淀，同时可以预防采空区透水事故的发生；

3)引导岩层潜水自导水裂隙带经冒落带导入采空区；

4)然后引导采空区矿井水通过采空区矸石过滤渗流后汇集在集水区；

5)将过滤后的矿井水通过管道引入专用水仓蓄水，进行二次沉淀；

6)将沉淀后的净化水经由专用水仓和排水设施管排至矿区工业用水管网。

在净化过程中，包括过滤、沉淀、吸附与离子交换和自生矿物生成作用这些物理化学过程。其中，过滤过程发生在步骤3)和步骤4)；沉淀过程发生在步骤4)和步骤5)；吸附与离子交换过程发生在步骤3)和步骤4)；自生矿物生成作用过程发生在步骤3)和步骤4)。

附图说明

图1是本发明的井下采空区水的净化过程的示意图；

图2是本发明的净化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的矿井水采空区过滤净化技术的原理与方法。

矿井充水条件分析表明矿区矿井充水水源主要来自第四系砂砾岩层潜水和大气降水，水质以HCO₃-Ca型为主，矿化度较低。加之采空区充填物中硫化物含量低，碳酸盐类含量较高，因此矿井水形成过程的酸形成不明显，不可能导致矿井水的化学性状与地下水有大的差别，其主要差别在于悬浮物含量较高，基岩裂隙潜水的涌入将导致一部分离子如氯、钠等增高。根据矿井水化学性质和地质、水文地质条件、采空区充填物的特征等，本发明的矿井水采空区过滤净化技术涉及过滤、沉淀、吸附与离子交换、自生矿物生成作用等物理化学过程。现分述如下：

(1)矿井水采空区过滤的过程与阶段

根据本发明，第四系砂砾岩层潜水自导水裂隙带经冒落带涌入采空区再汇聚到集水区经历了两个过滤阶段。

第一阶段：为充填于导水裂隙带和冒落带的砂砾过滤阶段。由于第四系砂砾层为矿区矿井直接充水水源，砂砾层粘粒含量甚微，砂石占绝对优势，颗粒级配良好(表1)，颗粒排列较为紧密，当煤层回采顶板冒落至基岩面时，砂砾将会充填在其中，形成过滤层，使地下水携带的悬浮物总量大为减少，因而矿井水水质较好。

                                       表1砂砾层粒度特征

样品号	颗粒粒度分布(％)					限制粒径
								＞10mm	10-2mm	2-0.5mm	0.5-0.25mm	＜0.25mm	d60(mm)	d30(mm)

1	20	47	22	7	4	5.4	1.142
								2	47	19	18	10	6	14.3	1.52
3	46	31	12	5	6	13.5	3.40
								4	19.7	44	23.7	7.3	5.3	4.42	1.45
5	37.1	27.8	20.9	6.6	5.4	9.60	1.68
								平均	33.96	33.76	19.32	7.18	5.34	9.444	1.838

第二阶段：发生在矿井水自采空区汇聚集水区的过程，采空区充填物对矿井水的过滤作用。由于采空区充填物级配较好，煤层顶底板易泥化充填在颗粒的空隙间，使充填物间空隙较小，对矿井水中悬浮物起过滤作用。同时由于煤层顶底板含有一定量的粘土矿物对细菌也产生过滤作用。

根据本发明，过滤作用主要发生在颗粒粒间空隙，因此颗粒粒间空隙的大小及其分布是决定过滤效果好坏的主要因素。水在粒间的运动为渗流。

(2)沉淀作用

本发明的沉淀作用是去除矿井水悬浮物的重要环节，根据矿井充水条件和采空区地质条件，沉淀作用也可分为两个阶段。

第一阶段：发生在矿井水自采空区渗流至集水区的过程中，沉淀作用发生在采空区。由于矿井涌水量较小，煤层底板倾角很小(一般小于4度)，加之充填物间空隙较小，因此矿井水在充填物中的运动为渗流作用。由于水力坡度小，同时又有采空区充填物的存在，因此矿井水在采空区的运动特别缓慢，沉淀与过滤作用同时发生，使进入集水区的悬浮物大为较少；

第二阶段：发生在集水区。在集水区由于水基本处在静止状态，因此本发明的沉淀作用是发生在集水区的主要原因之一，也是去除悬浮物的最后阶段。

(3)吸附与离子交换作用

本发明的吸附与离子交换作用主要发生在采空区和流入集水区的过程中，是清除矿井水中有害离子和细小颗粒的主要途径。由于采空区充填物中砂岩、粉砂岩中孔隙率为5-13％之间，这些物质对矿井水中的一些有害离子和细小颗粒将产生一定的吸附作用。更为重要的是由于煤层顶底板含有一定量的粘土矿物，且主要是以蒙脱石为主，具有较强的吸附和阳离子交换作用(表2，表3)。由于矿井水的Ph值为中性-弱碱性，故粘土矿物的表面为负电，因此粘土矿物将吸附正离子。同时，由于蒙脱石为钙基蒙脱石，矿井水中一些正离子，如钠、钾离子将交换其中的钙离子，使矿井水中钙离子增高。

               表2粘土矿物的矿物组成

        蒙脱     高岭      伊利      石      长      方解

样品                                                          吸兰量

        石       石        石        英      石      石

号                                                            mmd/100g

        (％)     (％)      (％)      (％)    (％)    (％)

J154    90       3         5         2       /       /        80.00

J156    74       10        8         3       /       5        67.06

J181    79       10        5         3       /       3        73.50

J182    70       10        8         7       5       /        58.14

J184    80       5         6         3       3       3        74.52

J185    69       10        12        4       3       3        55.11

平均

        77       8        7.3        3.7     1.8     2.3      68.05

值

                    表3粘土矿物的阳离子交换性

      阳离子交          交换       交换      交换       交换

样品                                                            碱性    钠钙

      换总量            性钠       性钾      性钙       性镁

号                                                               系数   比

      m.e/100g          m.e/100g   m.e/100g  m.e/100g   m.e/100g

J154  54.85             8.15       1.59      37.50      7.61     0.22   0.21

J156  47.82             5.49       2.10      35.88      4.35     0.19   0.15

J181  55.13             5.93       1.36      32.62      15.22    0.15   0.18

J182  42.98             4.40       1.07      33.62      4.35     0.15   0.13

J184   48.02    5.27     1.43      35.34     5.98    0.16  0.15

J185   40.41    3.75     1.33      29.35     5.98    0.06  0.13

平均   48.20    5.50     1.48      34.05     7.25    0.17  0.16

(4)自生矿物生成作用

由于矿井水主要来自第四系含水层，水中含有较多的溶解性二氧化碳，形成碳酸氢根，碳酸氢根将与矿井水中的钙、镁离子作用形成碳酸氢钙、碳酸镁、碳酸钙等。因此，虽然由于离子交换作用使矿井水中的钙离子增高，但由于溶解性二氧化碳的存在，将发生自生矿物生成作用，使矿井水中钙离子大幅度减少。

因此，根据以上分析，本发明提供了一种煤矿井下采空区水的净化方法，包括以下步骤：首先在矿井煤层的特定区域构筑集水区；然后在采空区边缘修筑挡水设施和蓄水池，来阻隔采空区的水泄漏，使之充分沉淀，同时可以预防采空区透水事故的发生；引导岩层潜水自导水裂隙带经冒落带导入采空区；然后引导采空区矿井水通过采空区矸石过滤渗流后汇集在集水区；将过滤后的矿井水通过管道引入专用水仓蓄水，进行二次沉淀；将沉淀后的净化水经由专用水仓和排水设施管排至矿区工业用水管网。

申请人在神东矿区大柳塔煤矿的综采工作面设计之初选取了矿井煤层底板标高较低的六盘区作为矿井集水区域，因此在12601工作面开采结束后实施了一系列工程：1)对12601采空区集水区修筑了防水密闭墙，其目的是，阻隔采空区水泄漏，使之充分沉淀，同时可以预防采空区透水事故的发生。2)在工作面顺槽外口修建数个水仓，水仓与集水区用10寸水管连接，使水能自流到水仓中。3)水仓中设大泵和排水管网，向外供水，一部分作为井下用水，其余通过10寸水管自流至地面与地面管网联结，一部分水直接输入洗煤厂、热电厂作为工业用水，另一部进入污水处理厂，经进一步净化处理达到饮用水标准后进入生活小区供水系统，其工程图见图1。

在净化过程中，包括过滤、沉淀、吸附与离子交换和自生矿物生成作用这些物理化学过程。

其中，所述过滤过程发生在步骤3)和步骤4)，所述沉淀过程发生在步骤4)和步骤5)，所述吸附与离子交换过程发生在步骤3)和步骤4)，而所述自生矿物生成作用过程发生在步骤3)和步骤4)。

下面根据图表对过滤净化效果及矿井水的利用进行讨论。

由于在采空区、集水区发生过滤、沉淀、吸附与离子交换作用、自生矿物生成作用等物理化学过程，矿井水中悬浮物、钙离子及其它有害离子大幅度减少，可以直接作为工业用水，经进一步净化后可作为饮用水并入水网。采空区过滤净化后的水质特征如表4所示。

表4净化后矿井水的水化学特征及其与松散层水、基岩水的比较

                 第四系松

分析项目                      基岩水           净化后矿井水*

                 散层潜水

K+Na⁺mg/升      1.84-39.33   20.01-425.96

Ca²⁺mg/升       35.27-56.91  34.47-55.31      44.49

Mg²⁺mg/升       8.26-14.58   2.43-23.81       8.99

NH⁴⁺                                          ＜0.03

Cr⁶⁺                                          未检出

Cl^-mg/升        4.0-20.0     4.0-555.0        6.38

SO₄ ^2-mg/升      0-24.0       14.0-100.0       100.00

HCO₃ ^-mg/升      159.8-249.56 165.97-268.47    5.586(毫克当量/

                                               升)

NO₂ ^-                                         ＜0.003

总硬度(德国度)    7.40-9.08    5.38-11.10       148.13(碳酸钙计)

永久硬度(德国     0-0.22       0

度)

总碱度(毫克当                                  5.586

量/升)

侵蚀性CO₂mg/     0-6.89       4.61-6.92

升

PH                   7.28-7.89      7.40-11.66         7.51

色度                                                   0.25

浑浊度                                                 0.00

臭和味                                                 无

肉眼可见物                                             无

细菌总数                                               63个/ml

大肠菌群数                                             ＜3个/1

样品数量             11             11                 1

下面对矿井水采空区过滤净化技术效果进行分析。

表4表明矿井水中除硫酸根离子比松散层地下水含量高外，其它离子均与松散层地下水可比，呈中性-弱碱性，色度低，无臭和味，无肉眼可见悬浮物，细菌总数少，可直接作为工业用水，处理后可作为饮用水。

表4还表明煤中黄铁矿发生了氧化作用，因此导致硫酸根离子含量增加。但是，由于煤中黄铁矿含量低，黄铁矿的氧化作用不能导致矿井水发生质的变化。虽然发生其它阳离子与钙基蒙脱石中钙离子的交换作用，但是由于矿井水中含有溶解性二氧化碳，钙离子与其发生化学反应，生成碳酸钙等，因此矿井水中钙离子含量并没有提高多少。从表4的结果可以看出，前述的过滤、沉淀、吸附与离子交换、自生矿物生成作用等均存在于矿井水采空区过滤净化过程中。因此，采空区过滤净化技术的开发是在对矿井水文地质条件、采空区地质条件、采空区充填物的物质组成、结构特征等具有深刻认识的基础上，分析采空区过滤净化过程中可能的物理化学作用及其效应的前提下进行的。在开发过程中必须深入了解可能的污染过程与净化过程及其效应，才能有的放矢。

净化后矿井水主要应用在三个方面，一是井下除尘、消防等；二是作为洗煤厂、热电厂的工业用水；三是经进一步的净化处理后并入管网，供生活用水。矿井水采空区净化过滤技术的应用不但产生巨大的经济效益，而且其环境生态效应更为显著。

由于采用采空区过滤净化技术，除初期的集水区、水仓等建设费和排水管道铺设费用外，基本没有污水处理费，因此其处理费用极其低廉。

矿井水利用的经济效应极其显著，以大柳塔矿为例，每小时矿井水流量为280立方米左右，全年可达245万立方米。矿区工业用水的价格为3.2元/立方米，排污费为0.96元/立方米，因此利用矿井水可产生经济效益784万元/年，节省排污费235余万元/年，每年的直接经济效益为1019余万元。

目前全矿区矿井水利用量每天达13580m³，每年495.67万立方米，占原来矿井日排污总量的72％，产生的经济效益为1586余万元/年，节省排污费342余万元/年，总直接经济效益为1928余万元/年。

矿井水利用的环保生态效益表现在以下几个方面，一是基本消除了矿井水引起的地表水体的污染；二是减少了地表水体水量的利用，有利于地表生态环境的维持与改善；三是减少了地下水开采量，减缓地下水位的下降，维持表土层的保水能力，防止水土流失；四是矿井水可直接应用于矿区和周边地区的绿化与生态改善。

Claims (6)

1.一种煤矿井下采空区水的净化方法，包括以下步骤：

1)首先在矿井煤层的特定区域构筑集水区；

2)然后在采空区边缘修筑挡水设施和蓄水池，来阻隔采空区的水泄漏，使之充分沉淀，同时可以预防采空区透水事故的发生；

3)引导岩层潜水自导水裂隙带经冒落带导入采空区；

4)然后引导采空区矿井水通过采空区矸石过滤渗流后汇集在集水区；

5)将过滤后的矿井水通过管道引入专用水仓蓄水，进行二次沉淀；

6)将沉淀后的净化水经由专用水仓和排水设施管排至矿区工业用水管网。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在净化过程中，包括过滤、沉淀、吸附与离子交换和自生矿物生成作用这些物理化学过程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述过滤过程发生在步骤3)和步骤4)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉淀过程发生在步骤4)和步骤5)。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸附与离子交换过程发生在步骤3)和步骤4)。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述自生矿物生成作用过程发生在步骤3)和步骤4)。

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