（地质工程专业论文）铜川矿区矿井水处理回用技术研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 铜川矿区矿井水处理回用技术研究 地质工程 、 郭欣( 签名)塑坚 夏玉成 ( 签名) 夏兰：丝 摘要 水是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。水资源问题是当前和2 l 世纪 我国社会经济可持续发展最突出的问题之一。 在我国，煤矿缺水是个普遍的现象，尤其是北方煤矿严重缺水，一方面许多煤矿需 要开辟新水源，另方面大量的矿井水被当作废水排放掉，浪费了宝贵的水资源。本文 针对这一事实以及铜川矿区严重缺水的现状提出了矿井水处理回用方案。 到铜川矿区现场采集的水样，并对水样进行实验分析后得出铜川矿区矿井水水质特 征。铜lj 矿区矿井水有轻微异味，浑浊度较高，属于高悬浮物矿井水。针对铜川矿区东 坡煤矿的矿井水水质特征和矿井的稳定涌水量，论证了在该矿区实现矿井水资源化回用 是可行的。按“优质水优用，低质水低用”原则，通过理论分析和技术比较确定了矿井 水资源化的最佳方案，并针对最佳方案提出工艺流程。 对矿井水处理回用过程中的关键操作单元一絮凝单元进行了实验研究。采用烧杯搅 拌实验方法对选定的五种絮凝剂分别进行絮凝实验。实验结果表明单独投加一种絮凝剂 时，聚合氯化铝( p a c ) 絮凝效果最好，最佳投药量是1 0 m g l ，最佳p h 值为7 5 。无 机絮凝剂与有机絮凝剂复配投加比单独投加一种絮凝剂絮凝效果更好，实验表明聚合氯 化铝与聚丙烯酰胺配合投放的絮凝效果最好，最佳投药量为p a c ：8 m g l ，p a m ：3 m g l ； 混合投加的最佳p h 值为7 0 。 本文的研究结果表明，该处理方案如果在铜川矿区实施，则铜川矿区矿井水可以完 全利用，实现零排放。 关键词：矿井水；工艺流程；絮凝实验 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fr e u s et e c h n i co f w a t e rr e s o u r c ei nt o n g c h u a n c o a lm i n i n ga r e a s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e：g n o x i n i n s t r u c t o r ：x i ay u e h e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( 三翻z 基i ! ( s i g n a t u r e ) 盈李匀 w a t e ri sp r i m a r yc o n d i t i o no ft h eh u m a ns u r v i v a la n dl i f e l i n eo ft h en a t i o n a le c o n o m y t h eq u e s t i o no fw a t e rr e s o u r c eb e c o m e so n eo ft h em o s to u t s t a n d i n gp r o b l e m so fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r y ss o c i a le c o n o m i ca tp r e s e n ta n d i nt h e2 1 s tc e n t u r y t h el a c ko fw a t e ri nc o l l i e r yi sag e n e r a lp h e n o m e n o ni nc h i n ae s p e c i a l l yi nn o r t h e r n c o l l i e r y o no n eh a n d ，m a n yc o l l i e r i e sn e e dt oo p e nu pt h en e ws o u , r o eo fw a t e r t h eo t h e r h a n d ，l o t so fc o a lm i n ed r a i n a g ei sd i s c h a r g e da st h ew a s t ew a t e rb e c a u s eo fi n s u f f i c i e n t c o g n i t i o n s oag r e a td e a l o fp r e c i o u sw a t e rr e s o u r c e si sw a s t e d t h i sp a p e rb r i n g su p r e a l i z i n gt h er e c y c l e t r e a t m e n to fc o a lm i n ed r a i n a g eb a s e d o nt h e s er e a l i t i e sa n dt h es e r i o u s d e f i c i e n tw a t e rs t a t ei nt o n g c h u a nm i n i n ga r e a a f t e rt h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so nt h ew a t e rs a m p l et h a ti sg a t h e r e di nt o n g c h u a n m i n i n ga r e a ，t h i sp a p e rg e tt h ec o n c l u s i o n ：t h ew a t e rq u a l i t yo fc o a lm i n ed r a i n a g ei n t o n g c h u a nm i n i n ga r e ai s w e l la n db e l o n g st oh i g hs u s p e n d e ds u b s t a n c em i n ew a t e r a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no ft h ew a t e rq u a l i t yo fc o a lw a t e ri nt o n g c h u a nm i n i n ga r e a ，t h i s p a p e rp r o p o s e st h eb e s ts c h e m e ，p l a n ，d i s p o s a la n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f t h eu t i l i z a t i o no f m i n ew a t e ri nt e r mo f “h i g hq u a l i t yw a t e ra n dh i g hu s e f u l n e s s ，l o wq u a l i t yw a t e ra n dl o w u s e f u l n e s s t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h et e c h n i c a lc o m p a r i s o n t h i sp a p e rm a k e st h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ek e yo p e r a t i o n f l o c c u l a t i o nu n i ti nt h e r e t r i e v a lp r o c e s s i n go f m i n ew a t e r u s et h eb e a k e rt os t i rt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u et oc a r r yo nt h ef l o c c u l a t i o ne x p e r i m e n t s e p a r a t e l ya c c o r d i n gt ot h ed e s i g n a t i o no f f i v ek i n do f f l o c c u l a n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e sw h e nt h r o w i n go n ek i n do ff l o c c u l a n ts e p a r a t e l y , t h e p a ch a sb e s tf l o c c u l a t i o ne f f e c t ，t h eo p t i m u mq u a n t i t yo fd o s ei s1 0 m g la n dt h eb e s tp h v a l u ei s7 5 t h ei n o r g a n i cf l o c c u l a n ta n dt h eo r g a n i cf l o c c u i a n ti sd u p l i c a t e dm a t c ha n dt h r e w b e t t e rt h a nt h e ya r et h r o w ns e p a r a t e l y t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ep a ca n dt h ep a m t h r o w nt o g e t h e rh a v et h eb e s tf l o c c u l a t i o ne f f e c t t h eo p t i m u mq u a n t i t yo fp a ci s8 m g l ，t h e o p t i m u mq u a n t i t yo fp a m i s3 m g la n dt h eo p t i m u mp hv a l u ei s7 t h i sp a p e ri n d i c a t e dt h a tt h em i n ew a t e ro ft o n g c h u a nm i m n ga r e ac a r lr e a l i z et h e m a x i m i z e da n dc o m p l e t e du s ei f t h i sr e t r i e v a lp l a ni sc a r r i e do u t k e y w o r d s ：m i n e w a t e r t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s f l o c c u l a t i o ne x p e r i m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要种技女学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名稚【r l z 日期：一寸c ，g 厂 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 郦“是 指删币虢及 必 指导教师签名： 矧以 。口1 1 年月厂日 1 绪论 1 1 选题背景 1 1 1 世界水资源现状 i 绪论 水资源是人类生活和生产不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源。水覆 盖着地球表面近3 4 ，因此地球有“蓝色星球”的美名。据水文地理学家估计，地球上 的水资源总量约为1 4 5 0 0 0 亿m 3 ，其中海洋占9 4 ，陆地占6 ，而且陆地水资源中的 4 为深层高矿化度水，与人类生活密切的江河、淡水湖和浅层地下水等淡水仅占2 。 由此可见，尽管地球上水资源丰富，但可利用的淡水资源是极其有限的，加之水分布不 平衡，世界上每年约6 5 的水资源集中在不到1 0 个国家里，而占世界人口4 0 的8 0 个 国家严重缺水，其余2 6 个国家的水资源也很少。 随着全球人口的急剧增长，工业迅速发展，人类对水资源的需求正以惊人的速度扩 大。据估计全球用水量每年大致以5 的速度递增，目前全世界的年耗水量己增加到7 0 0 0 亿m 3 。在近1 0 0 年的时间里，全球工业用水增加了2 0 倍，农业用水增加了7 倍，生活 用水增加了1 0 倍。由于人类生活和生产所需的都是淡水，而世界淡水资源总量基本不 变，使得2 0 世纪末人均水资源占有量仅是世纪初的1 1 8 。而且随着人口的增长，生活 污水剧增，工农业的发展又导致工业废水和农药、化肥污水的猛增。这些污水大多不经 过妥善处理后就直接排入江河湖海，对河流、湖泊、地下水层等淡水资源造成极大的污 染，使有限的水资源遭到破坏。水的过分消耗使水资源短缺成为一个世界性大问题。水 污染的严重使可供利用的水资源减少，更加重了水资源的供需矛盾i l j 。 1 9 7 2 年自联合国第一次人类环境会议发出“水将导致严重的社会危机”的警告信号 以来，水资源问题不但没有缓解，而且水污染还越来越严重。1 9 9 4 年，在近8 0 个国家 环境部长出席的首次国际饮用水和环境会议上，u n e p 主任伊丽莎白多德斯韦尔呼吁世 界各国采取一致的行动，像解决臭氧层问题那样，认真解决非常现实的水资源危机。1 9 9 7 年，联合国水问题大会提出“石油危机之后的下一个危机便是水”。2 0 0 3 年，受联合国 粮农组织、环境署、开发计划署、科教文组织和世界银行资助的“世界水委会”成立了 “2 1 世纪水世界委员会”，其主要工作就是指导制定2 1 世纪水、生命和环境的长期构想， 站在人类可持续发展的高度满足未来对水的需求和保证可持续用水【2 】。 1 1 2 我国水资源现状 我国水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，是水资源较丰富的国家之一，仅次于巴西、俄罗 西安科技大学硕士学位论文 斯和加拿大，居世界第四位。然而由于人口过多，使得我国的水资源情况也不容乐观， 人均占有量约为世界人均占有量的1 4 ，是美国的1 5 ，俄罗斯的1 ，1 2 ，在世界上名列 1 2 1 位，加上水旱灾害频繁，被联合国列为世界上1 3 个人均水资源贫乏国家之- - 3 1 。 随着我国社会经济的发展和人口的增加，使得水资源的供需矛盾日益突出，水资源 短缺已经成为我国经济和社会发展的主要因素之一。水资源缺乏的状况要求合理使用水 资源，加强水资源的管理。目前，我国城市居民生活和工业生产严重缺水，每年影响城 市产值近千亿元，全国6 6 9 个城市，有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，平均日缺水量 达1 6 0 0 万m 3 ，每年影响工业产值2 3 0 0 亿元：农村居民生活和农业也严重缺水，目前 农村居民有4 3 0 0 万人饮水困难，农作物供水不足，每年平均干旱面积达4 亿亩，缺水 3 0 0 亿m 3 。有专家预测，到2 0 3 0 年，我国人均水资源将减少到1 7 5 0 m 3 ，缺水将约达4 0 0 5 0 0 亿m 3 4 】。 我国水资源大多来源于降水，主要受地理气候影响，在地区分布及时空分布上极不均 匀。总格局是南方多，北方少；季节性强，年际变化大，大多数降雨集中于夏季；降雨 量自东向西逐步递减，年降雨量的8 0 主要集中在汛期，而非汛期往往引起严重干旱。 特别是北部地区降雨量比较少，水资源十分紧缺。受水资源贫乏影响，这些地区的国民 经济发展也受到严重的制约。 目前缺水问题主要靠超采地下水或过渡开发地表水来补给，由于过量开采地下水， 已经出现了地下水区域性下将漏斗，导致了地面沉降，水源井报废，海水入侵等一系列 环境问题【4 】。近几年，受全球气候和人类活动的影响，许多地区又出现了新的水资源问 题，特别是黄河流域不断出现断流现象。 由此可见，我国水资源面临的形式非常严峻，如果不想办法解决，水资源危机将成 为2 1 世纪最为棘手的难题，它将威胁着中华民族的发展。 1 1 3 我国煤矿区水资源现状 我国淡水资源贫乏，加之水资源的分布又极不平衡，而且，与其它资源的匹配也严 重失衡，特别是煤炭资源。全国水资源的8 1 分布在长江以南地区，而该地区耕地面积 仅占全国的3 6 ，煤炭资源占2 5 。淮河以北的广大地区水资源仅占全国的1 9 ，耕地 面积占全国的6 4 ，而煤炭资源却占全国总量的7 5 。因此，形成了北方地区的富煤贫 水格局。据统计目前全国8 6 个国有重点煤矿区中有7 1 缺水，其中4 0 属于严重缺水， 尤其在我国北方，人均生活用水量每天不足o 0 6 m 3 ，只有正常用水指标的l 2 ，有些矿 区每日供水不足2 h ，严重制约了矿山生产和影响煤炭职工的日常生活嶂】。 矿区能源开发与水资源紧张的矛盾已严重制约了煤矿工业的发展，也制约了我国国 民经济的总体发展。而我国煤炭系统每年排水大约在3 8 亿m 3 左右 6 】，其中中性水约占 7 0 8 0 ，硬度符合饮水要求的占4 0 5 0 ，这是数量相当可观的水资源，但长期 1 绪论 以来由于技术所限和认识不足，矿井水被当成水害加以预防和治理，许多矿井水被白白 排放掉而未加以综合利用和保护，目前矿井水的利用率平均只有2 2 ，其中北方国有煤 矿每年矿井水的排放量达1 4 亿m 3 ，而利用率却还不足2 0 【7 j 。毫无节制的排水不仅大 大增加了吨煤成本，严重污染地面环境，破坏了地表景观，抑制了水生生物的生长和繁 衍，使土壤板结或盐碱化，影响了农林渔牧业的生产和发展，而且还导致了水源污染、 水质恶化等环境问题。随着我国煤矿建设战略向西北推进，矿区缺水问题将越来越突出。 现在随着科学的发展和人们环境保护意识的提高，对矿井水有了新的认识，开始将 矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。矿井水资源化是在解决煤炭产 区严重缺水和矿井水污染环境两大难题的基础上提出的。矿井水的资源化是解决矿井水 直接排放污染环境问题和矿区水资源短缺问题的最佳选择，可以达到环境、经济和社会 三个效益的统一悼j 。 铜川矿区是本文的主要研究对象，该矿区目前矿井水以井下回用为主，或者经简单 处理后直接排入矿区附近的河流中，不仅污染了环境而且浪费了大量的水资源。若将其 处理回用，一方面可以缓解矿区缺水问题，另一方面可以实现一定的环境效益、经济效 益和社会效益。因此，在导师的指导下确定了我的论文题目一铜川矿区矿井水处理回 用技术研究。 1 2 国内外矿井水处理利用研究动态 1 2 1 国内矿井水处理并1 用概况 我国煤矿矿井水处理与回用研究起步较晚，并且综合利用率低。据统计，2 0 0 4 年我 国矿区矿井水排放量约为3 8 亿m 3 ，占全国废水排放量的9 ，全国工业废水排放总量 的1 5 以上，而综合利用率还不到2 0 。应该说在我国，矿井水的利用潜力巨大，前景 广阔。 解放前，我国的一些煤矿开始注意矿井水的利用，将井下排水直接用于煤的洗选， 或者经过自然沉淀、过滤后用于洗澡。解放后，一些煤矿在井下集取未受污染的巷道水 或井筒淋水以供矿区生活饮用。1 9 6 0 年以后，我国与英国、日本等国家的交往增加，煤 矿开采技术有了新的发展，水处理技术也在提高【9 】。近几年，我国各矿井对矿井水的处 理，尤其是深度处理方面的工作已逐步展开，环保工作者也积极研究矿井水处理和合理 利用的有效途径。 虽然我国有意识的矿井水综合利用起步较晚，利用率也较低，但就目前来说，随着 各矿水资源的紧张，许多矿区都进行了不同程度的综合利用工作。根据不同的情况，我 国矿井水的综合利用现状也不同。 第一种情况是矿井水不经处理直接利用。这种情况的前提条件是矿井水中不含有毒 西安科技大学硕士学位论文 有害元素，或含有少量，但不超过外排标准。 第二种情况是矿井水经过常规的混凝、沉淀和过滤处理，处理后或者供工业使用或 者饮用或者外排。这种情况下矿井水中必须不能含有有毒有害元素，或含量小于饮用标 准，p h 值接近中性，含盐量也不高。 第三种情况是矿井水必须首先进行特殊处理，才能进行常规处理，进一步处理为工 业或饮用水。这种情况是指对酸性矿井水的处理，酸性矿井水在我国分布较广，而且酸 性矿井水的危害较大，必须经过处理才能排放。 第四种情况是高矿化度矿井水的综合利用。只有少数几种工业用水能直接用高矿化 度水，在多数的情况下必须经过脱盐处理，脱盐处理之前必须经过常规处理去除大部分 除盐之外的污染物，才能进入脱盐设备。由于脱盐设备造价较高，运行费用也高，所以 脱盐工序只是在淡水缺乏的矿区得到了应用。 总体说来我国煤矿区矿井水利用率还很低，我国煤矿矿井水中普遍含有以煤粉和岩 粉为主的悬浮物，以及一些可溶的无机盐类，有机污染物很少，一般不含有毒物质，多 数矿井水是中性水，碱性水很少，有一定量的酸性水。可见，我国矿井水水质较好，但 利用率不高。全国范围内，只有平顶山矿务局、大同矿务局、鲍店煤矿、古汉山矿等的 矿井水处理工作做的相对较好，这些煤矿区矿井水利用一般采用混凝、沉淀、过滤、消 毒等工艺，但处理成本较高，且出水未达到饮用水卫生标准。存在的主要问题是：所用 药剂及药剂投加量不合理，处理设篪落后，工艺不尽合理，缺少深度处理单元，加上科 学化管理水平低。 1 2 2 国外矿井水处理利用概况 国外矿井水处理和利用技术的研究与应用较早，并已取得一些可喜的成果。国外煤 矿都把处理矿井水作为环境保护工作的重点，而且认为矿山排水是煤炭开采中的一种伴 生资源而不是负担，矿井水愈大，盈利愈多，经济效益也就愈大 1 0 l 。2 0 世纪7 0 年代以 来，又开展了区域综合治理规划，寻求在环境整体上的最佳治理方案，以达到经济上合 理，技术上可行和环保上可靠的目标。据统计，美国早在2 0 世纪8 0 年代初期，煤矿井 下水的利用率就达到8 1 ，俄罗斯顿巴斯矿区1 9 8 8 年矿井水利用率就己超过9 0 i l ”。 许多国家对矿井水进行适当处理后，一部分达到排放标准，而排入到地表水系。另 一部分水量回用于选煤厂工业给水和矿井生产。 俄罗斯的煤炭工业居世界领先地位，对矿井水的处理技术及其利用的研究起步较 早，成果显著，居世界领先地位。俄罗斯煤矿环保研究院研究用气浮法净化矿井水，采 用净化水部分循环工作方式，循环水在压力箱中剩余压力的作用下充满空气，较好地形 成轻浮选剂。俄罗斯采煤建井和劳动组织所研究的电絮凝法，是以直流电通过金属电极 处理矿井水，在电化学、电物理综合作用下，使矿井水杂质颗粒水和微气泡形成松散团 4 i 绪论 粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一层泡沫后用刮板排除，此法可使杂质团粒的沉淀速度 提高数倍，并对排除乳化于水中的石油产物和其污染物有效。 美国煤矿产生的矿井水大部分呈酸性，早期采用以下措施：实施矿坑封闭，防止硫 化物与空气接触，抑制酸性矿井水的形成，以及减少矿坑水的外溢量；封存污染水； 酸性矿井水稀释后排放。 日本矿井水除部分用于洗煤外，大部分矿井水经沉淀处理去除悬浮物后排入地表水 系。该国矿井水处理采用的技术一般有固液分离技术；中和法；氧化处理；还 原法；离子交换法等。 英国煤矿年排水量3 6 亿m 3 ，其中1 5 用作工业用水，8 5 排放到地表水系。该国 矿井水处理主要解决以下三大问题：对含悬浮物矿井水进行沉降处理；对矿井水中 铁化合物的去除；对矿井水中溶解盐的去除，采用化学试剂中和处理以及反渗透、冻 结法进行脱盐处理。 2 0 世纪8 0 年代前后，美国和一些欧洲国家先后开展了采用人工湿地处理矿井水的 实验研究，取得了一些可喜的成果，目前己逐步应用于生产，并收到了良好的效果，此 法具有投资省、运行费低、易于管理等突出的优点，引起了人们的极大兴趣【l “。 世界上不少国家在矿井水的处理和利用方面，进行了广泛的研究和实践，已取得了 许多成果，积累了不少经验，但由于煤炭矿井水成份的复杂性和地域的特点等因素，现 有的处理与回用工艺技术还不够完善和成熟，针对不同的水质情况和回用的具体要求， 应采用不同的工艺l l “。 1 - 3 矿井水的来源及分类 1 3 1 矿井水的来源及危害 矿井水是煤矿在开发过程中由大气降水、地表水和地下水等涌入矿井而形成的水， 它主要是由于在矿床开采过程中破坏了地下水原始赋存状态并产生了裂隙，密切了各含 水层之间的水力联系，通过大气降水和地表水渗透补给，使各种水沿着原有的和新的裂 隙渗入井下采掘空间形成的。矿井水是煤炭生产过程中排放量最多的废水，其水源主要 是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水l l “。 据不完全统计，我国国有重点煤矿年排矿井水约3 8 亿m 3 ，约占全国工业废水排放 量的1 5 以上。随着煤炭工业的发展，矿井水的排放量还将不断增型1 5 】。 长期以来，由于技术所限和认识不足，矿井水被当作水害加以预防和治理，矿井水 被白白排掉而未加以综合利用和保护。不仅严重污染了水资源而且造成了工业和生活用 水短缺。现在随着科学的发展和人们环境保护意识的提高，对矿井水也已有了新的认识， 开始将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。矿井水资源化是在解决 西安科技大学硕士学位论文 煤炭产区严重缺水和矿井水污染环境这两个困绕煤炭行业的难题的基础上提出的。在我 国煤炭产区中，部分地区干旱缺水，部分地区随着地下煤炭的开采。工业生产中的大量 用水，使得地表水逐渐减少，因此导致了矿区工农业生产和生活用水紧张，并且影响了 矿区周围人民的正常生活。而另一方面，很多矿区矿井水未能得到很好利用，大量的矿 井水被白白的排放掉，极大地浪费了宝贵的水资源，同时由于有些矿井水为高矿化度矿 井水，或者为酸性水，还有的矿井水中含有放射性元素等有毒有害污染物，这些矿井水 未经处理直接外排既污染了环境，又影响景观，甚至会破坏生态平衡。 1 3 2 矿井水的分类 我国矿井水中的悬浮物主要以煤粉、岩粉为主，还含有一些可溶性无机盐类，及少 量有机物。矿井水中一般不含有毒物质，汞、镉、六价铬、砷、铅等很少检出或含量低 于标准。 从矿井水资源化角度，根据矿井水的物理化学性质，一般可将其划分为5 种类型： 洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含微量元素或放射性元 素矿井水。 ( 1 ) 洁净矿井水 这类矿井水多数是从矿井旧开采面的奥陶系石灰岩中涌出和为开采安全而单独抽 放的灰岩输干水，一般为奥灰水、砂岩裂隙水、第四纪冲积层水及老窑积水等【1 6 】。主要 分布在东北、华北地区。此类矿井水水质较好，基本不含悬浮物，p h 值呈中性，不含 有毒、有害离子。即使含有，其含量也低于生活饮用水卫生标准值。只要在源头妥善截 流，通过井下单独布置的排水管将其排出，稍加处理或消毒，即可回收利用。 ( 2 ) 含悬浮物矿井水 此类矿井水中含有较多的固体悬浮物，悬浮物主要是受开采影响而带入地下水中的 煤尘和岩粉。我国大多数煤矿矿井水属于这一类。此类矿井水经井下水仓初沉后，排至 地面，采用常规处理工艺，即可得到合乎标准的生活和生产用水。 ( 3 ) 高矿化度矿井水 高矿化度矿井水指溶解性总固体( 含盐量) 超过1 0 0 0 m g l 的矿井水，其总硬度大 于4 5 0 m g l ，8 0 4 。或c l 超过2 5 0 m g l 。一般呈中性，因硬度高，带苦涩味，俗称苦咸 水。这一类矿井水主要分布在西北地区、黄淮海平原和东北、华北部分地区。 ( 4 ) 酸性矿井水 指p h 值小于6 0 的矿井水。煤系地层和煤中的硫铁矿是产生酸的物质基础，硫铁 矿经化学氧化特别是生物催化和氧化作用生成硫酸，酸性的强弱，取决于生物氧化作用 产生硫酸，以及以黄铁矿为主的各种煤层和围岩中含硫量，及围岩的化学组成【2 l 】。该类 矿井水中含有s 0 4 厶、f e 2 + 、f e 3 + 、m n 2 + 及其他金属离子。一般分布在南方煤矿，据不完 6 1 绪论 全统计，p h 值介于2 3 5 7 。此类矿井水通常采用化学中和法处理。 ( 5 ) 含特殊污染物矿井水 指水中放射性指标或毒理学指标超过国家饮用卫生标准的矿井水。主要有含氟水， 含铁、锰及某些重金属离子水以及含放射性元素水。此类矿井水的处理，要有针对性地 经过实验，合理选用水处理技术。含放射性元素矿井水是由于煤系地层含有放射性物质 溶入地下水而形成，因含放射性物质的煤矿开采受严格限制，其矿井水一般谈不到治理 和利用。 1 4 研究内容及意义 1 4 1 本文的研究内容及方法 本文针对我国矿区严重缺水，矿井水综合利用率低的现状进行矿井水资源化的技术 可行性研究。并主要以铜川矿区矿井水处理和利用为研究对象，结合国内外矿井水的处 理方法和工艺，研究铜川矿区生活饮用水和生产用水的合理方案，确定矿井水回用最佳 工艺流程，最佳处理方法及处理设旌。选择高效的絮凝剂，并确定絮凝剂的最佳投药量、 投放条件，从而降低矿井水处理回用的成本，争取矿井水全部得到综合利用，满足矿区 生活、生产需要。同时，使矿井水成为周边地区另一水源。 本文采用实验与理论结合的方法来研究矿井水。分别在研究矿区内采集水样，在实 验室进行水质分析化验，最终得出该矿区矿井水的水质特征。根据该矿区矿井水水质特 征，结合目前国内外的矿井水处理工艺，同时考虑该矿区的地质条件和经济状况提出最 佳的工艺流程。使矿区矿井水资源化切实实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。 1 4 2 研究意义 现在随着科学的发展和人们环境保护意识的提高，对矿井水也已有了新的认识，已 经开始将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。矿井水资源化是在解 决煤炭产区严重缺水和矿井水污染环境这两个困绕煤炭行业的难题的基础上提出的。 矿井水资源化具有重要的意义。随着煤炭开采量的增加和矿区经济的发展，生产和 生活用水更趋紧张，以致影响了当地居民的正常生产和生活。在我国北方地区，矿区能 源开发与水资源紧张的矛盾己严重制约了煤矿工业的发展，也制约了我国国民经济的总 体发展，所以矿井水资源化是解决煤矿供水严重短缺的最佳出路，具有明显的社会效益。 其次，从煤炭资源的开发战略来看，综合利用矿井水也有着重要意义。我国西部地 区煤炭储量占全国煤炭资源总储量的l 3 ，但是西部地区是我国水资源严重短缺的地区。 随着2 l 世纪煤炭发展战略向西北推进，煤炭缺水问题将日益突出，只有综合利用矿井 水，充分保护有限的水资源，才能解决矿区的生产和生活用水。因此矿井水资源的综合 西安科技大学硕士学位论文 利用和保护，影响到煤炭工业的持续、稳定、协调的发展，直接关系到我国煤炭资源的 开发战略，是事关全局的基础工作。 再次，从经济效益来说，综合利用矿井水，保护水资源也具有它的生命力。综合利 用矿井水，不仅本身具有很好的经济效益，还可以缓解因水资源短缺而造成的生产上的 不必要的损失，同时综合利用矿井水还可以极大限度地减少甚至消除矿井水的不达标排 放，可以免缴排污费和水资源损失费。 最后，因为煤矿矿井水中含有各种各样的污染物，据全国煤矿矿井水水质调查资料 表明，矿井水中普遍含有以煤粉和岩粉形成的悬浮物以及可溶的无机盐类，一些矿井水 中还含有有毒和有害物质以及放射性元素等 1 6 】，若未经过处理，直接排放，势必会造成 矿区周围环境的污染。目前，我国地下水资源紧缺，而矿区又需大量用水，这使得矿区 周围地下水供需失衡，水位大幅度下降，同时由于大量排放有害矿井水对土地和水系造 成直接的污染，不仅使土壤性质变差，而且危及农作物，影响人畜健康，还造成地面裂 隙、地面沉降、海水入侵等环境污染问题。因此，矿井水资源化还可以缓解因矿井水污 染导致的环境问题。 随着国民经济的发展，水环境受到了越来越严重的污染，水资源变得日益紧缺，使 得水源可持续性成了追在眉睫的问题。除了保护净水、治理废水，我们也应该寻找新的 水源。本课题关于矿井水资源化技术的研究为铜川矿区供水渠道开辟了新的途径，使矿 区缺水问题得到了一定的缓解。 2 铜川矿区概况 2 1 铜川市水资源 2 1 1 铜川市水资源概况 2 铜川矿区概况 铜川市是以煤矿为主兴起的工业城市，因而煤炭、建材等产业发达，己成为西北地 区重要的能源、原材料工业基地。建国以来累计生产原煤3 亿t ，水泥8 0 0 万t ，为国家 经济建设做出了重要贡献。 铜川市多年平均降水量6 3 0 m m ，多年平均自产地表径流量2 0 7 亿m 3 ，铜川市水资 源总量为2 1 4 5 亿m 3 ( 其中：地下水与地表水资源量的重复量为1 3 4 9 亿m 3 ) ，人均水 资源量为2 7 1 m 3 ，农耕地平均水资源量1 2 2 m 3 h a ，属水资源严重短缺地区之一。 ( 1 ) 铜川i 市地下水资源总量为1 4 2 亿i l l 3 ，可开采量为5 9 2 9 万m 3 。地下水主要有以 下3 个类型： 第四系孔隙潜水。按含水层性质，可分为河流冲积层潜水和黄土层潜水两种。前 者主要分布在漆水河、沮河等河道干流宽缓河谷地段。河流平均补给模数3 1 2 5 万 m 3 k m 2 ，各处单井涌水量为1 0 0 3 7 0 0 m 3 d ，可开采资源2 5 0 7 万m 3 ，占铜川市总可采 资源的6 8 2 ，是铜川市的重要水源地，但分布区面积仅占铜川市的3 4 4 。后者分布 在厚度较大、塬面较宽的黄土塬区，含水层一般厚3 0 7 5 m ，水位埋藏深度9 0 - - l o o m ， 年平均补给量为1 2 0 6 万m 3 ，单井涌水量可达1 0 0 2 0 0 m 3 d ，可开采量5 5 6 万m j ，仅 可供一般村庄用水； 岩溶裂隙承压水。主要分布在市区东南部，是渭北岩溶水的组成部分，水位埋深 较大，一般2 0 0 5 0 0 m ，取水难度大； 基岩裂隙水。主要分布在西部、中北部山区及中部黄土残塬、梁、峁地带，含水 层多为砂岩、泥岩互层裂隙水和砂砾岩裂隙水。 ( 2 ) 地表水资源：铜川市境内河流以凤凰山哭泉庙山金华山一线为分水岭。分 水岭北部为洛河水系，南部为石川河水系。北部洛河水系各支流7 8 条，主要河流4 条， 境内河长3 0 - - 5 l k m ，径流深从西南向北东沿流程减小，各水系汇聚于洛河，地表径流 8 0 4 6 万m 3 ，多年平均径流量5 7 7 亿m 3 ，洛河是铜川市唯一的过境河流，南部石川河水 系各支流共有河流6 7 条，主要河流6 条，境内河长2 2 7 7 k m ，径流深从西北向东南沿 流程减小，各水系自产地表径流1 2 6 亿m 3 汇聚于沮河，属铜川最主要的地表水资源开 发地。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 1 2 水资源的变化特征 铜川在开矿以后，自然界的平衡被打破，其中水资源的变化会更明显。主要表现在： 对地下水的影响和取水设施的影响。 ( 1 ) 因煤矿开采降低地下水水位，水源地不断出现吊泵现象，原有的水井深度必须加 大，取水难度不断增大、有些水井就不得不报废； ( 2 ) 当开采含水层从浅层逐步转向深层之后，地下水会不断恶化。因地下水含水层具 有不同的含水性质，如果一味地加大井深，就会把不同含水层勾通，使含水层含水组被 恶化： ( 3 ) 地下水补给严重不足，可开采水资源量越来越少； ( 4 ) 浅层、临矿层地下水逐渐污染，可利用率不断降低。 煤炭生产过程中，形成了铁锈、油污、细菌等生物性污染。地下水经矿层渗出必然 携带了煤泥、硫和磷等污染物，再从矿井中排出，成为一种特有的黑色污染源。排出后 如不加以处理，势必污染流经所在地的浅层地下水，最后导致地下水的可利用率越来越 低。 对地表水的影响：一是地表径流向采空区不断渗漏。煤炭在采出后，在地下形成了 采空区，采空区上方的岩石会自然跨落，依次形成顶板岩体冒落带、裂隙带和整体弯曲 带。随着煤炭生产不断延伸，采空区的范围会越来越大。大大小小的裂隙会将地表水导 入地下，造成许多矿区附近的河流径流量不断减少，以至于干枯：二是现有水源污染， 可利用程度逐渐降低。由于黑色矿井水的无处理排放和煤炭运输中的污染，致使河水的 可利用程度降低；三是由于环境污染，降水量减少，地表水总资源量也日趋减少；再加 上采矿等原因，污染的逐日加重，可利用的地表水总量也在减少。 2 1 3 水资源的需求与缺口 铜川市位于陕西中部，地处关中平原和陕北黄土高原的过度地带，全市辖三区两县， 土地总面积3 8 8 2 k m 2 ，1 9 9 9 年主要供水工程情况统计表提供的数据，总供水量为4 6 3 万 m 3 ，其中为农业供水2 8 2 8 万m 3 ，为工业供水1 0 2 1 万n 1 3 ，为城乡生活供水7 8 4 万i n 3 。 其需水量情况可大体归纳如下： ( 1 ) 生活用水需水量 铜川市共有人口8 4 万。按每人每天最高需水o 1 8 m 3 计算，铜川市每天最高需水1 5 1 2 万m 3 ，每年最高需水5 5 1 8 万m 3 ，由此可见，地下水可采资源量为5 9 2 9 万m 3 ，二者近 于持平。也就是说，地下水可开采量只能供人们生活使用。 ( 2 ) 农业用水需水量 据有关资料，截止1 9 9 9 年底，铜川市有效灌溉面积已达1 3 1 万h a 。建成蓄水工程 1 0 2 铜川矿区概况 8 8 座，其中水库3 0 座，池塘5 0 座，城市用蓄水工程8 座，现状供水能力1 0 6 5 5 万m 3 ； 建成引水工程6 6 处，供水能力9 5 3 万m 3 ；建成农用机井2 4 3 眼，供水能力3 0 2 0 m 3 h ； 建成各类抽水站3 1 4 座，供水能力1 2 5 8 m 3 h 。但由于多数水库池塘淤积比较严重，实 际蓄水能力比工程控制能力要小。如果需水设旋能够保证，并采用先进的节水技术，加 上合理的配水方案，现有水量还可满足生活用水和部分灌溉用水。 ( 3 ) 工业用水需水量 由于工业品种和数目没有统计，具体需水量尚未得出。但从生活用水和农业用水来 看，如果满足了生活和农业用水后，工业几乎无水可用。因此，需水总量还是求大于供。 2 2 矿区概况 2 2 1 矿区地质概况 铜j | i 矿区位于渭北石炭二叠纪煤田西部，东邻蒲白矿区，西接旬邑、淳化矿区，走向 长4 2 k m ，倾向宽6 7 k m ，面积约2 8 4 k m 2 ，煤炭储量1 6 亿t 。区内为低山丘陵区，标高 1 3 3 9 3 m 。渭北煤田的大地构造在不同地质历史时期，随着区域大地构造背景的演化而 改变。古生代，渭北煤田所在区域位于华北古板块西南缘；中生代，渭北煤田位于鄂尔 多斯盆地东南缘：新生代以来，渭北煤田位于汾渭陷系北缘。 铜川矿区是一个由不同期次、不同性质以及不同方向的地质构造相互叠加、改造形 成的比较典型的复合型煤田构造区，其总体构造表现为走向北东，倾向西北，在走向和 倾向上均有波状起伏，且被不同走向、不同性质的大、小断层强烈切割的复杂单斜构造。 根据钻孔、巷道揭露，矿区发育的地层有：中奥陶统、上石炭统、二叠系及第三、 第四系。区内主要含煤地层为上石炭统，中奥陶统地层为煤系基底，局部地带可见少量 基岩出露，其余地区为第四系覆盖。 2 2 2 研究煤矿概况 铜川矿区主要有以下几个煤矿，东区有王石凹煤矿、金华山煤矿、徐家沟煤矿、鸭 口煤矿、东坡煤矿；北区有焦坪煤矿、下石节煤矿、陈家山煤矿。本文研究对象主要是 王石凹煤矿、金华山煤矿、徐家沟煤矿和东坡煤矿。 东坡煤矿位于铜川煤城东陲的印台区高楼河乡，与蒲城、白水、富平三县接壤，西 距铜川3 7 k m ，东距蒲城县4 5 k m ，交通十分便利。该煤矿始建于1 9 5 8 年1 0 月，中途因 故停产，1 9 7 0 年重建，并于i o 月份简易投产，1 9 8 4 1 9 8 8 年进行了改扩建，井田面积 3 2 3 5 k m 2 ，井下可采储量4 3 1 1 4 万t ，设计能力9 0 万“a 。近年来，经过对矿井生产、 运输、通风和提升系统的技术改造，使矿井生产能力有了新的提升，2 0 0 4 年矿井生产能 力核定为1 0 5 万池，矿井尚可服务年限为2 9 _ 3 年。目前井下装备了两套综采，两套综 西安科技走学硕士学位论文 掘，共有三个采煤队，四个掘进队，初具现代化生产规模。全矿现有职工2 5 6 6 人。共 设置2 4 个基层单位，矿内实行“一矿两公司制”的管理机制。生产焦瘦煤，同时兼营 机电产品和矿用单体支柱修理。 金华山煤矿位于渭北煤田铜川矿区东部，行政区划隶属铜川市印台区红土镇管辖， 东西分别与徐家沟、王石凹矿毗邻，宽约4 5 k m ，长约5 k m ，井田面积2 3 k m 2 ，煤层埋 深4 8 0 m 。矿井始建于1 9 5 8 年7 月，1 9 6 3 年1 1 月建成投产，设计能力4 5 万讹，1 9 7 7 1 9 8 7 年进行了改扩建，设计生产能力达到9 0 万讹，2 0 0 4 年核定生产能力为9 0 万池， 截止2 0 0 4 年底全矿保有地质储量7 6 4 2 9 万t ，可采量4 7 1 0 9 万t 。矿井地质、水文地质 条件简单，属低沼气矿井。全矿现有职工2 6 0 4 人，配备三个采煤队，四个掘进队，六 个生产辅助单位。 王石凹煤矿位于铜川市东郊1 3 k m 处的傲背村，交通十分便利。该矿是国家“一五” 期间1 5 6 个重点工程建设项目之一，1 9 5 7 年开工建设，1 9 6 1 年1 1 月2 0 日建成移交生 产，年设计能力1 2 0 万t ，是铜川矿务局煤炭生产的大型骨干矿井之一，也是当时我国 西北地区的第一座最大的机械化竖井。全