專利名稱：煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水凈化方法，具體涉及一種煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，能將煤礦采空區(qū)積水凈化復(fù)用。
背景技術(shù)：
煤礦井下采空區(qū)積水屬于工業(yè)污水，為了避免其對煤礦開采造成危害，一般情況下生產(chǎn)單位都將這部分水排出井外不再利用。近年來，由于水資源的匱乏和環(huán)保意識的增強(qiáng)，我國大同礦務(wù)局、兗礦集團(tuán)公司、徐州礦區(qū)、石嘴山礦區(qū)等有一些礦井開始復(fù)用這部分水資源。采取的辦法是將水排至地面水處理廠進(jìn)行相關(guān)處理，然后重復(fù)利用，并取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。神府東勝礦區(qū)各礦井地面均建設(shè)了污水處理廠，并進(jìn)行了水處理復(fù)用或達(dá)標(biāo)排放，但是處理后的水價高達(dá)3.2元/立方米，成本較高，復(fù)用效益較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，包括以下步驟一種煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，包括以下步驟1)首先在礦井煤層的特定區(qū)域構(gòu)筑集水區(qū)；2)然后在采空區(qū)邊緣修筑擋水設(shè)施和蓄水池，來阻隔采空區(qū)的水泄漏，使之充分沉淀，同時可以預(yù)防采空區(qū)透水事故的發(fā)生；3)引導(dǎo)巖層潛水自導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)冒落帶導(dǎo)入采空區(qū)；4)然后引導(dǎo)采空區(qū)礦井水通過采空區(qū)矸石過濾滲流后匯集在集水區(qū)；5)將過濾后的礦井水通過管道引入專用水倉蓄水，進(jìn)行二次沉淀；6)將沉淀后的凈化水經(jīng)由專用水倉和排水設(shè)施管排至礦區(qū)工業(yè)用水管網(wǎng)。
在凈化過程中，包括過濾、沉淀、吸附與離子交換和自生礦物生成作用這些物理化學(xué)過程。其中，過濾過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)；沉淀過程發(fā)生在步驟4)和步驟5)；吸附與離子交換過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)；自生礦物生成作用過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)。


圖1是本發(fā)明的井下采空區(qū)水的凈化過程的示意圖；圖2是本發(fā)明的凈化方法的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的礦井水采空區(qū)過濾凈化技術(shù)的原理與方法。
礦井充水條件分析表明礦區(qū)礦井充水水源主要來自第四系砂礫巖層潛水和大氣降水，水質(zhì)以HCO3-Ca型為主，礦化度較低。加之采空區(qū)充填物中硫化物含量低，碳酸鹽類含量較高，因此礦井水形成過程的酸形成不明顯，不可能導(dǎo)致礦井水的化學(xué)性狀與地下水有大的差別，其主要差別在于懸浮物含量較高，基巖裂隙潛水的涌入將導(dǎo)致一部分離子如氯、鈉等增高。根據(jù)礦井水化學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、采空區(qū)充填物的特征等，本發(fā)明的礦井水采空區(qū)過濾凈化技術(shù)涉及過濾、沉淀、吸附與離子交換、自生礦物生成作用等物理化學(xué)過程?，F(xiàn)分述如下(1)礦井水采空區(qū)過濾的過程與階段根據(jù)本發(fā)明，第四系砂礫巖層潛水自導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)冒落帶涌入采空區(qū)再匯聚到集水區(qū)經(jīng)歷了兩個過濾階段。
第一階段為充填于導(dǎo)水裂隙帶和冒落帶的砂礫過濾階段。由于第四系砂礫層為礦區(qū)礦井直接充水水源，砂礫層粘粒含量甚微，砂石占絕對優(yōu)勢，顆粒級配良好(表1)，顆粒排列較為緊密，當(dāng)煤層回采頂板冒落至基巖面時，砂礫將會充填在其中，形成過濾層，使地下水?dāng)y帶的懸浮物總量大為減少，因而礦井水水質(zhì)較好。
表1砂礫層粒度特征


第二階段發(fā)生在礦井水自采空區(qū)匯聚集水區(qū)的過程，采空區(qū)充填物對礦井水的過濾作用。由于采空區(qū)充填物級配較好，煤層頂?shù)装逡啄嗷涮钤陬w粒的空隙間，使充填物間空隙較小，對礦井水中懸浮物起過濾作用。同時由于煤層頂?shù)装搴幸欢康恼惩恋V物對細(xì)菌也產(chǎn)生過濾作用。
根據(jù)本發(fā)明，過濾作用主要發(fā)生在顆粒粒間空隙，因此顆粒粒間空隙的大小及其分布是決定過濾效果好壞的主要因素。水在粒間的運動為滲流。
(2)沉淀作用本發(fā)明的沉淀作用是去除礦井水懸浮物的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)礦井充水條件和采空區(qū)地質(zhì)條件，沉淀作用也可分為兩個階段。
第一階段發(fā)生在礦井水自采空區(qū)滲流至集水區(qū)的過程中，沉淀作用發(fā)生在采空區(qū)。由于礦井涌水量較小，煤層底板傾角很小(一般小于4度)，加之充填物間空隙較小，因此礦井水在充填物中的運動為滲流作用。由于水力坡度小，同時又有采空區(qū)充填物的存在，因此礦井水在采空區(qū)的運動特別緩慢，沉淀與過濾作用同時發(fā)生，使進(jìn)入集水區(qū)的懸浮物大為較少；第二階段發(fā)生在集水區(qū)。在集水區(qū)由于水基本處在靜止?fàn)顟B(tài)，因此本發(fā)明的沉淀作用是發(fā)生在集水區(qū)的主要原因之一，也是去除懸浮物的最后階段。
(3)吸附與離子交換作用本發(fā)明的吸附與離子交換作用主要發(fā)生在采空區(qū)和流入集水區(qū)的過程中，是清除礦井水中有害離子和細(xì)小顆粒的主要途徑。由于采空區(qū)充填物中砂巖、粉砂巖中孔隙率為5-13％之間，這些物質(zhì)對礦井水中的一些有害離子和細(xì)小顆粒將產(chǎn)生一定的吸附作用。更為重要的是由于煤層頂?shù)装搴幸欢康恼惩恋V物，且主要是以蒙脫石為主，具有較強(qiáng)的吸附和陽離子交換作用(表2，表3)。由于礦井水的Ph值為中性-弱堿性，故粘土礦物的表面為負(fù)電，因此粘土礦物將吸附正離子。同時，由于蒙脫石為鈣基蒙脫石，礦井水中一些正離子，如鈉、鉀離子將交換其中的鈣離子，使礦井水中鈣離子增高。
表2粘土礦物的礦物組成蒙脫 高嶺 伊利 石 長 方解樣品 吸蘭量石 石石英 石 石號mmd/100g(％) (％) (％) (％)(％)(％)J15490 3 5 2 / /80.00J15674 108 3 / 567.06J18179 105 3 / 373.50J18270 108 7 5 /58.14J18480 5 6 3 3 374.52J18569 10124 3 355.11平均77 87.33.7 1.8 2.3 68.05值表3粘土礦物的陽離子交換性陽離子交 交換 交換 交換 交換樣品堿性鈉鈣換總量性鈉 性鉀 性鈣 性鎂號 系數(shù) 比m.e/100g m.e/100g m.e/100g m.e/100g m.e/100gJ154 54.85 8.15 1.59 37.50 7.61 0.22 0.21J156 47.82 5.49 2.10 35.88 4.35 0.19 0.15J181 55.13 5.93 1.36 32.62 15.220.15 0.18J182 42.98 4.40 1.07 33.62 4.35 0.15 0.13
J184 48.025.27 1.43 35.34 5.980.16 0.15J185 40.413.75 1.33 29.35 5.980.06 0.13平均 48.205.50 1.48 34.05 7.250.17 0.16(4)自生礦物生成作用由于礦井水主要來自第四系含水層，水中含有較多的溶解性二氧化碳，形成碳酸氫根，碳酸氫根將與礦井水中的鈣、鎂離子作用形成碳酸氫鈣、碳酸鎂、碳酸鈣等。因此，雖然由于離子交換作用使礦井水中的鈣離子增高，但由于溶解性二氧化碳的存在，將發(fā)生自生礦物生成作用，使礦井水中鈣離子大幅度減少。
因此，根據(jù)以上分析，本發(fā)明提供了一種煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，包括以下步驟首先在礦井煤層的特定區(qū)域構(gòu)筑集水區(qū)；然后在采空區(qū)邊緣修筑擋水設(shè)施和蓄水池，來阻隔采空區(qū)的水泄漏，使之充分沉淀，同時可以預(yù)防采空區(qū)透水事故的發(fā)生；引導(dǎo)巖層潛水自導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)冒落帶導(dǎo)入采空區(qū)；然后引導(dǎo)采空區(qū)礦井水通過采空區(qū)矸石過濾滲流后匯集在集水區(qū)；將過濾后的礦井水通過管道引入專用水倉蓄水，進(jìn)行二次沉淀；將沉淀后的凈化水經(jīng)由專用水倉和排水設(shè)施管排至礦區(qū)工業(yè)用水管網(wǎng)。
申請人在神東礦區(qū)大柳塔煤礦的綜采工作面設(shè)計之初選取了礦井煤層底板標(biāo)高較低的六盤區(qū)作為礦井集水區(qū)域，因此在12601工作面開采結(jié)束后實施了一系列工程1)對12601采空區(qū)集水區(qū)修筑了防水密閉墻，其目的是，阻隔采空區(qū)水泄漏，使之充分沉淀，同時可以預(yù)防采空區(qū)透水事故的發(fā)生。2)在工作面順槽外口修建數(shù)個水倉，水倉與集水區(qū)用10寸水管連接，使水能自流到水倉中。3)水倉中設(shè)大泵和排水管網(wǎng)，向外供水，一部分作為井下用水，其余通過10寸水管自流至地面與地面管網(wǎng)聯(lián)結(jié)，一部分水直接輸入洗煤廠、熱電廠作為工業(yè)用水，另一部進(jìn)入污水處理廠，經(jīng)進(jìn)一步凈化處理達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入生活小區(qū)供水系統(tǒng)，其工程圖見圖1。
在凈化過程中，包括過濾、沉淀、吸附與離子交換和自生礦物生成作用這些物理化學(xué)過程。
其中，所述過濾過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)，所述沉淀過程發(fā)生在步驟4)和步驟5)，所述吸附與離子交換過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)，而所述自生礦物生成作用過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)。
下面根據(jù)圖表對過濾凈化效果及礦井水的利用進(jìn)行討論。
由于在采空區(qū)、集水區(qū)發(fā)生過濾、沉淀、吸附與離子交換作用、自生礦物生成作用等物理化學(xué)過程，礦井水中懸浮物、鈣離子及其它有害離子大幅度減少，可以直接作為工業(yè)用水，經(jīng)進(jìn)一步凈化后可作為飲用水并入水網(wǎng)。采空區(qū)過濾凈化后的水質(zhì)特征如表4所示。
表4凈化后礦井水的水化學(xué)特征及其與松散層水、基巖水的比較第四系松分析項目 基巖水 凈化后礦井水*散層潛水K+Na+mg/升 1.84-39.33 20.01-425.96Ca2+mg/升 35.27-56.91 34.47-55.31 44.49Mg2+mg/升 8.26-14.58 2.43-23.81 8.99NH4+＜0.03Cr6+未檢出Cl-mg/升4.0-20.0 4.0-555.06.38SO42-mg/升 0-24.0 14.0-100.0 100.00HCO3-mg/升 159.8-249.56 165.97-268.475.586(毫克當(dāng)量/升)NO2-＜0.003總硬度(德國度)7.40-9.085.38-11.10 148.13(碳酸鈣計)永久硬度(德國 0-0.22 0度)總堿度(毫克當(dāng) 5.586量/升)侵蝕性CO2mg/ 0-6.89 4.61-6.92升
PH 7.28-7.89 7.40-11.66 7.51色度 0.25渾濁度 0.00臭和味 無肉眼可見物 無細(xì)菌總數(shù) 63個/ml大腸菌群數(shù) ＜3個/1樣品數(shù)量 11 11 1下面對礦井水采空區(qū)過濾凈化技術(shù)效果進(jìn)行分析。
表4表明礦井水中除硫酸根離子比松散層地下水含量高外，其它離子均與松散層地下水可比，呈中性-弱堿性，色度低，無臭和味，無肉眼可見懸浮物，細(xì)菌總數(shù)少，可直接作為工業(yè)用水，處理后可作為飲用水。
表4還表明煤中黃鐵礦發(fā)生了氧化作用，因此導(dǎo)致硫酸根離子含量增加。但是，由于煤中黃鐵礦含量低，黃鐵礦的氧化作用不能導(dǎo)致礦井水發(fā)生質(zhì)的變化。雖然發(fā)生其它陽離子與鈣基蒙脫石中鈣離子的交換作用，但是由于礦井水中含有溶解性二氧化碳，鈣離子與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣等，因此礦井水中鈣離子含量并沒有提高多少。從表4的結(jié)果可以看出，前述的過濾、沉淀、吸附與離子交換、自生礦物生成作用等均存在于礦井水采空區(qū)過濾凈化過程中。因此，采空區(qū)過濾凈化技術(shù)的開發(fā)是在對礦井水文地質(zhì)條件、采空區(qū)地質(zhì)條件、采空區(qū)充填物的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征等具有深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上，分析采空區(qū)過濾凈化過程中可能的物理化學(xué)作用及其效應(yīng)的前提下進(jìn)行的。在開發(fā)過程中必須深入了解可能的污染過程與凈化過程及其效應(yīng)，才能有的放矢。
凈化后礦井水主要應(yīng)用在三個方面，一是井下除塵、消防等；二是作為洗煤廠、熱電廠的工業(yè)用水；三是經(jīng)進(jìn)一步的凈化處理后并入管網(wǎng)，供生活用水。礦井水采空區(qū)凈化過濾技術(shù)的應(yīng)用不但產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且其環(huán)境生態(tài)效應(yīng)更為顯著。
由于采用采空區(qū)過濾凈化技術(shù)，除初期的集水區(qū)、水倉等建設(shè)費和排水管道鋪設(shè)費用外，基本沒有污水處理費，因此其處理費用極其低廉。
礦井水利用的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)極其顯著，以大柳塔礦為例，每小時礦井水流量為280立方米左右，全年可達(dá)245萬立方米。礦區(qū)工業(yè)用水的價格為3.2元/立方米，排污費為0.96元/立方米，因此利用礦井水可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益784萬元/年，節(jié)省排污費235余萬元/年，每年的直接經(jīng)濟(jì)效益為1019余萬元。
目前全礦區(qū)礦井水利用量每天達(dá)13580m3，每年495.67萬立方米，占原來礦井日排污總量的72％，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為1586余萬元/年，節(jié)省排污費342余萬元/年，總直接經(jīng)濟(jì)效益為1928余萬元/年。
礦井水利用的環(huán)保生態(tài)效益表現(xiàn)在以下幾個方面，一是基本消除了礦井水引起的地表水體的污染；二是減少了地表水體水量的利用，有利于地表生態(tài)環(huán)境的維持與改善；三是減少了地下水開采量，減緩地下水位的下降，維持表土層的保水能力，防止水土流失；四是礦井水可直接應(yīng)用于礦區(qū)和周邊地區(qū)的綠化與生態(tài)改善。
權(quán)利要求
1.一種煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，包括以下步驟1)首先在礦井煤層的特定區(qū)域構(gòu)筑集水區(qū)；2)然后在采空區(qū)邊緣修筑擋水設(shè)施和蓄水池，來阻隔采空區(qū)的水泄漏，使之充分沉淀，同時可以預(yù)防采空區(qū)透水事故的發(fā)生；3)引導(dǎo)巖層潛水自導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)冒落帶導(dǎo)入采空區(qū)；4)然后引導(dǎo)采空區(qū)礦井水通過采空區(qū)矸石過濾滲流后匯集在集水區(qū)；5)將過濾后的礦井水通過管道引入專用水倉蓄水，進(jìn)行二次沉淀；6)將沉淀后的凈化水經(jīng)由專用水倉和排水設(shè)施管排至礦區(qū)工業(yè)用水管網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在凈化過程中，包括過濾、沉淀、吸附與離子交換和自生礦物生成作用這些物理化學(xué)過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述過濾過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉淀過程發(fā)生在步驟4)和步驟5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸附與離子交換過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述自生礦物生成作用過程發(fā)生在步驟3)和步驟4)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，包括以下步驟首先在礦井煤層的特定區(qū)域構(gòu)筑集水區(qū)；然后在采空區(qū)邊緣修筑擋水設(shè)施和蓄水池，來阻隔采空區(qū)的水泄漏，使之充分沉淀，同時可以預(yù)防采空區(qū)透水事故的發(fā)生；引導(dǎo)巖層潛水自導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)冒落帶導(dǎo)入采空區(qū)；然后引導(dǎo)采空區(qū)礦井水通過采空區(qū)矸石過濾滲流后匯集在集水區(qū)；將過濾后的礦井水通過管道引入專用水倉蓄水，進(jìn)行二次沉淀；將沉淀后的凈化水經(jīng)由專用水倉和排水設(shè)施管排至礦區(qū)工業(yè)用水管網(wǎng)。在凈化過程中，包括過濾、沉淀、吸附與離子交換和自生礦物生成作用這些物理化學(xué)過程。
文檔編號C02F9/04GK1482078SQ0212939
公開日2004年3月17日 申請日期2002年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月9日
發(fā)明者張喜武, 王安, 寇平, 楊俊哲, 唐德茂 申請人:神華集團(tuán)有限責(zé)任公司