（环境工程专业论文）矿井水处理工艺设计及资源化研究——以淮南矿区为例.pdf

摘要 摘要 淮南矿区矿井涌水量为1 7 8 7 万吨年，利用率仅为4 4 ，大量外排的矿井水不仅 污染地表水、土壤，还造成了水资源的严重浪费。此外，随着煤炭深度开采的增加， 高温加剧了井下热害的程度，如何实现深部矿井热水的资源化利用，也是发展煤炭环 保资源化产业所面临的重要问题。 本文在查阅国内外相关文献的基础上，以淮南谢一煤矿为例，通过分析其矿井水 来源、涌水变化量及水质特征，对其资源化可行性进行了评价。利用矿井水正交混凝 试验、单因素试验、柱状沉淀试验和改性滤料过滤试验的结果，确定后期构筑物的运 行参数，并增设反渗透淡化除盐步骤。依据试验参数设计了最优物化处理工艺，即： 预沉调节一混凝一沉淀一过滤一反渗透一消毒，并进行平面和高程布设，在分析淮南 矿区地温分布规律及其影响因素的基础上，以热害严重的潘集矿区为研究对象，分析 其深部矿井水质特征，建议采用地源热泵技术来实现深部热水的资源化。最后，依照 “排供结合，分质分用”的原则设计资源化利用途径，并做了社会、经济和环境效益 分析。 图 4 0 】表【2 0 】参 8 0 】 关键词：矿井水；涌水量；水质特征；处理工艺；地温；资源化 中图分类号：x 7 0 3 a b s t r a e t a b s t r a c t t h ea n n u a lm i n eh y d r a u l i cd i s c h a r g ei s17 8 7m i l l i o nt o np e ry e a ri nh u a i n a nm i n i n g a r e a , b u tt h eu t i l i z a t i o nr a t ei so n l y4 4 t h el a r g en u m b e ro fm i n i n gw a t e rn o to n l y p o l l u t e st h es u r f a c ew a t e ra n ds o i l ，b u ta l s oc a u s e sas e r i o u sw a s t eo fw a t e rr e s o u r c e s b e s i d e s ，w i mt h ed e e p e n i n go fc o a lm i n i n g ，t h eh i g ht e m p e r a t u r ew i l la g g r a v a t et h ee x t e n t o fg e o t h e r m a l h o wt oa c h i e v et h ed e e pm i n i n gw a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，w h i c hi st h e m a j o ri s s u ew eh a v e t of a c ew h e nt od e v e l o pt h ei n d u s t r yo fc o a le n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n r e s o u r c eu t i l i z a t i o n b a s e do nc o n s u l i t i n gt h er e l e v a n tl i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ，x i e y ic o a lm i n eo f h u a i n a nm i n i n ga r e aw a st a k e nf o re x a m p l e a f t e ri t sm i n i n gw a t e rs o u r c e ，m i n eh y d r a u l i c d i s c h a r g ea n dw a t e rq u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d ，t h er e s o u r c eu t i l i z a t i o n f e a s i b i l i t yw a se v a l u a t e d a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t s ，i n c l u d i n gm i n i n gw a t e ro r t h o g o n a l c o a g u l a t i o ne x p e r i m e n t ，s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ，c o l u m n a rp r e c i p i t a t i o ne x p e r i m e n ta n d m o d i f i e df i l t e rm e d i af i l t r a t i o ne x p e r i m e n t ，t h er u n n i n gp a r a m e t e r so fs t r u c t u r e sh a v eb e e n d e t e r m i n e da n dt h er e v e r s eo s m o s i sd e s a l i n a t i o nh a sa l s ob e e na d d e d t h eo p t i m i z a t i o n m a t e r i a l i z e dt r e a t m e n tp r o c e s sb ye x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sh a sb e e nd e s i g n e d ，t h a ti s r e g u l a t i o n c o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n f i l t r a t i o n r e v e r s eo s m o s i s d i s i n f e c t i o n ， a n dt h ep l a n ea n de l e v a t i o nh a v ea l s ob e e nd e s i g n e d a f t e rt h eb a c k g r o u n do fg e o t h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o r so fh u a i n a nm i n i n ga r e aw e r ea n a l y z e d ，p a n j im i n i n g a r e aw h i c ht h em o s ts e r i o u sg e o t h e r m a lw a st a k e nf o re x a m p l e ，t h eq u a l i t yo fm i n i n gw a t e r i nd e e pc o a lm i n i n gw a sa n a l y z e d ，s o m es u g g e s t i o n sw e r ep r o v i d e d ，w h i c hu s e dt h e g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pt e c h n o l o g yt oa c h i e v et h ed e e pm i n i n gh o tw a t e rr e s o u r c e u t i l i z a t i o n f i n a l l y , i na c c o r d a n c et ot h ep r i n c i p l e s ，t h e “d r a i n a g ea n ds u p p l yc o m b i n e d ， d i f f e r e n tw a t e rq u a l i t yf o rd i f f e r e n tu s e ”w a su s e dt od e s i g nt h eu t i l i z a t i o nw a y s ，a n dt h e s o c i a l e c o n o m i ca n de n v k o n m e n t a lb e n e f i t sw e r ee v a l u a t e d f i g u r e 4 0 】t a b l e 【2 0 】r e f e r e n c e 8 0 】 k e yw o r d s ：c o a lm i n i n gw a t e r ；m i n eh y d r a u l i cd i s c h a r g e ；w a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ； t r e a t m e n tp r o c e s s ；g e o t h e r m a lt e m p e r a t u r e ；r e s o u r c eu t i l i z a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 7 0 3 i l l 绪论 1绪论 我国是世界上煤炭产量和消耗量最大的国家。煤炭在我国能源消耗结构中占 6 0 以上。然而，煤炭开发过程中排放的大量矿井废水不仅造成水资源的严重浪费， 而且导致了水环境污染问题。目前，全国7 0 的矿区面临缺水，其中4 0 严重缺 水，不少矿区生活用水十分紧张。因此，矿井水资源化是解决煤矿水资源短缺和 矿井水污染环境的最佳途径。 1 1 研究意义 我国煤炭生产中，每年排出矿井废水达4 2 亿吨，利用率仅2 0 左右，绝大部 分矿井水直接或经简单絮凝沉淀处理后排入地表水体【1 】。当前，一方面很多矿区严 重缺水，而另一方面大量矿井水浪费严重，且矿井废水排放到地表水体后对地表 水环境造成严重污染。这种现状与煤矿洁净生产以及资源循环利用相违背。因此， 矿井水的资源化利用备受关注。特别是现在我国矿业城市以及矿区周边农村，对 饮用水的需求量日益增大，着眼于矿井水的饮用开发，具有广阔的前景，也是矿 区循环经济的重要组成部分。此外，解决深部开采所面临的热害，以及热水的回 收利用能源化等问题，也是未来矿区着力解决的问题。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 国内研究现状 我国煤矿矿井水资源化起步较晚，大多矿井水净化站是八十年代以后建立的， 如大同、平顶山、徐州、淮南等矿区的矿井水净化站【2 】。到目前为止，我国煤矿已 陆续建造了六十余座矿井水处理站，其净化后供生活饮用的水量己达5 0 1 0 4 m 3 d 以上。在净水工艺及方式上，一般都能做到因地制宜。例如，当矿井排水时间不 均衡时，设置调节池；当原水悬浮物含量高时，增加预沉池；当水中粗颗粒物多 时，设沉砂池；当水的p h 值较低时，要增加中和设备；有的煤矿还采用澄清池代 替混合、反应和沉淀池。就目前而言，随着矿区水资源的紧张，许多地方都开展 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。 1 矿井水资源化可行性研究 可行性分析是矿井水资源化的首要步骤，矿井涌水变化量、水质特征等限制 性因素都会对后续资源化工作造成不同程度的影响。在分析矿井涌水来源方面， 以鹤岗煤田峻德、兴安两矿为例，作为典型的傍河型孔隙、裂隙充水矿床，分析 该矿床的充水条件和充水来源组成，并对其矿井水资源化的可行性进行了分析【3 l 。 安徽理工大学硕士论文 在分析矿井涌水变化方面，通过分析长沟峪煤矿矿井充水因素及其影响程度，建 立了矿井涌水量预测的b p 网络模型，并利用2 0 0 6 、2 0 0 7 年+ 1 4 1 水平和+ 2 0 水平 矿井最大涌水量预测验证了该模型的可行性，为矿井水资源化提供了科学依据【4 】。 通过对矿井涌水量的多种预测及计算方法进行分析和总结，从确定和不确定性分 析的角度，综述了工程实践中常用的矿井涌水量预测方法，并将各种方法的应用 范围与限制进行综合分析，探讨各方法的改进，进行实用性的评价。确定性数学 模型法和不确定性方法相结合的方法将是矿井涌水量预测计算的主要发展方向， 同时提出一些发展迅速的新技术相结合进行矿井涌水量预测的可能性【5 制。在分析 矿井水质分析评价方面，以阜新矿区为例，应用水文地质学和水文地球化学原理， 研究煤矿开采条件下偏碱性矿井水演化过程中的水岩作用，结果表明，水岩作用 对矿井水各组分的变化具有重要影响。并以该区煤矿矿井水的水质评价为例，用 权重调整法和广义合成运算两种方式对模糊综合评价法加以改进，从评价结果可 以看出，改进后的方法应用在矿井水评价上是可行的r 卜8 1 。此外，针对矿井水净化 处理厂厂址选择复杂的问题，以王营矿、五龙矿和海州矿为研究对象，在对其水 质以及周围的工农业和人口分布进行简单分析的基础上，采用多目标模糊优选模 型和灰色局势决策法对矿井水净化处理厂的厂址进行优化，确立建厂的最佳位置。 该方法不仅能全面地考虑多种因素，而且计算简单，可以在类似的厂址选择时推 广应用【9 1 。 2 矿井水处理试验研究 水处理模拟试验能为后期的工艺选择、构筑物参数设计，工程施工等工作提供 指导性依据。为实现矿井水资源化，解决高浊度矿井水回用处理，在分析高浊度 矿井水的化学特性的基础上，通过正交混凝沉淀搅拌实验，研究了混凝效果的影 响因素，确定了混凝的最佳反应条件，为净水厂的运行提供了可靠的参数【l m l l 】。针 对高浊高铁锰矿井水，大量试验研究表明，改性滤料对于矿井水中的f e 、m n 有较 强的吸附净化作用。采用普通石英砂、普通锰砂以及经过高锰酸钾溶液改性后的 石英砂和锰砂等滤料进行过滤试验并利用粉煤灰作为处理剂，结果表明改性后的 锰砂滤料具有较好的除f e 、m n 效果，处理后的矿井水满足回用水的水质要求。利 用涂铁改性火山岩滤料并以采空区填充物为载体，进行了相应的动力学参数和动 态迁移实验，揭示了高浊高铁锰矿井水中污染物在采空区内的迁移扩散规律，并 对其机理进行了分析，为劣质矿井水的资源化处理提供了理论依据，解决了高矿 化度高铁锰矿井水回用处理，实现了矿井水资源化【1 2 6 1 。针对高矿化度矿井水处 理应采用常规预处理加反渗透除盐工艺，通过混凝一微滤膜分离组合工艺对含悬 2 l绪论 浮物矿井水进行处理，试验考察了微滤膜操作特性的变化对膜过滤性能的影响及 该工艺对含悬浮物矿井水的处理效果，该工艺对含悬浮物矿井水处理，系统出水 水质稳定，所测项目达到国家生活饮用水水质标准【l 。7 1 8 】。 3 矿井水处理工艺改进研究 传统的矿井水处理工艺是以达到外排标准为目的，工艺流程简单，处理能力小， 导致其资源化利用率低，因此，为适应复杂多变的矿井水净化，其工艺的改进是 必然的【1 9 1 。在矿井水混凝沉淀工艺的改进方面，针对陈四楼选煤厂矿井水悬浮物 含量不稳定、颗粒粒度小、泥化程度高等特点，基于二次流技术，引进了高效混 凝反应器，增设自动配药、加药等装置。且周期循环静止沉淀池与常规沉淀池相 比具有较高的处理能力和水质澄清效果，不会对后续过滤单元产生水力影响。改 造不仅大大提高了污水处理系统的矿井水处理能力，而且出水水质远低于国家排 放标准2 0 】【2 l 】。在矿井水深度处理方面，针对淮河以北矿区以氯化物为主的高矿化 度矿井水，在原有净化处理设施的基础上，设计了以叠片过滤、超滤与反渗透相 结合的深度处理工艺，通过各级预处理出水水质指标的数据分析，表明其预处理 系统能够将矿井水处理并达到反渗透膜进水的标准，并通过试验研究确定了该工 。 艺各单元的技术参数及运行可靠性。经验证，处理后出水水质达到生活饮用水卫一 生标准【2 2 - 2 4 】。此外，通过以活性炭负载t i 0 2 为核心的后期深度处理矿井水工艺的研 究，确定了最佳反应条件，并验证了其处理效果【2 引。在矿井水药剂的选取方面， 根据煤矿矿井水水质特点，采用在矿井水净化处理工艺过程中投加药剂的方法， 达到同时去除矿井水的悬浮物、碳酸盐硬度和铁等多种有害物质的目的。同时针 对矿井水处理构筑物中藻类大量滋生繁殖的现状，重点考察了硫酸铜的适宜投加 量和持续作用时间，为有效地去除矿井水构筑物中的藻类提供了依据【2 6 刁7 1 。在矿 井水处理工程的监控方面，在线监控矿井水处理过程中进水和出水浊度是十分重 要的，通过控制室将浊度数据和药品投加量相联系，既保证了水处理效果和出水 水质，又节省了处理成本。通过介绍p l c 自控系统在电渗析工艺处理高矿化度矿井 水工程中的应用，以及如何实现整个矿井水处理的全面监控以及自动加药和自动 排泥等关键环节的操作。深入了解了p l c 自控系统的工作原理、结构和软件设计， 指出增设p l c 系统是矿井水处理自动化的必然趋势。实践表明，与工艺技术相配套 的自控监控系统能够取得良好的经济、社会和环境效益【2 w 。 4 矿井深部热害及热水资源化研究 在矿区深部开采热害防治工作及热水资源化利用方面，随着开采深度的增加， 矿井热害问题不可避免，如何将热害问题转化为能源加以利用是当前的矿业研究 安徽理1 二大学硕士论文 的热点【3 2 1 。基于地质学和热力学理论，系统地分析了淮南矿区地温变化规律及引 起地温异常的影响因素，根据矿区不同水平的地温分布特征，结合矿区地貌、水 系、构造发育程度、地层岩性组合、覆盖层厚度、矿井采空区范围等条件，对该 区深部地温的分布规律进行探究。通过分析井温梯度与地温梯度的关系，从理论 与实际勘探工作中充分说明和验证了地热盖层地温与井温梯度差的客观存在规 律。揭示了矿区异常高热流值、高地温梯度是由于在构造( 断层、背斜) 起伏热 效应作用下，具有不同热导率的地层造成地温梯度、热流值垂向及横向分布差异 所致。并基于地质学和热力学理论，建立了热害矿井巷道温度场的数学模型，研 究了巷道内部温度场埋深和通风热速的变化规律。计算结果表明，巷道温度对埋 深的敏感度要高于风速、温度随埋深的增加而呈阶段性递增。控制入口温度是解 决矿井热害的关键。为老矿区深部煤炭资源的开发，防治地热灾害提供了基础技 术参数【3 3 拼】。由于深部热水会加剧井下的热害程度，故在矿区进行深部开采的同 时，将矿井地热、矿井热水、除弊与兴利相结合，将矿井热水资源化，变废为宝， 以达到最佳经济效益的目的。同时开展了热水供应系统在煤矿中的设计及运用， 分析了在不同热媒条件下热水供应系统合理选择的必要性，以及对其他矿井热水 供应系统设计具有一定的借鉴参考作用。最后，为解决当前深部开采矿井热水所 造成的严重的能源浪费的方案，分析了三种系统型式：用于普通热水锅炉给水的 系统；有蒸气锅炉和溴化锂吸收式热泵的复合系统；有电动蒸汽压缩式热泵的系 统，证明地热水供热系统中使用热泵具有节能与经济意义【3 8 训】。 5 矿井水资源利用研究 提高矿井水的综合利用率是其资源化的目的，在矿井水资源化利用方面，针对 矿井水开发利用率低的弊端，并根据多年来的设计运行实践，分析了当前的形势、 利用率的症结，提出了相应的对策，探讨了矿井水资源化的处理技术、综合利用 途径以及进一步提高矿井水资源综合利用的措施和应用实例【4 2 删。通过分析矿井 水质类型，将矿井水净化处理为生产、生活用水的各种方法，并结合实例分析了 矿井水的投资估算和效益分析。此外，运用实时观测试验、数值模拟等方法，开 展了对矿井水资源化条件下的生态环境负效应问题的研究。通过研究矿井水资源 化所诱发的生态环境灾害样式，进一步明确表象与本质的关系，阐述了灾害样式 发生的时空尺度的关系和矿井水资源化极限值及衡量标志。各种试验和实例证明， 矿井水回用不仅具有良好的环境、社会效益，而且经济效益显著 4 5 4 7 1 。 此外，我国的矿井水的处理工艺单一，资源化利用途径设计尚不完善，针对 深部开采所带来的热害问题，以及深部矿井热水资源化研究还处于起步阶段。如 4 l 绪论 不及时提高煤矿矿井水处理技术及其资源化能力，便会加剧水资源和能源的浪费， 增加矿山企业的经济负担。 1 2 2 国外研究现状 国外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，矿井水涌出愈大，盈利愈多，经济效益也就愈大【4 9 1 。美 国早在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 5 0 l 。 近年来，更多的学者致力于提高就矿井水的资源化程度以及重度污染的矿井 水的利用问题。n a d ar a p a n t o v a 根据水质特征和矿区环境，相应的制定了矿井水流 动模型，使得该数字化模型能够很好的将矿井排放出来的废水合理的应用，同时 将矿井废水净化，使其成为水资源【5 1 1 。c l a i r em c o t e 针对含盐量高的矿井水建立 了一个模型系统，对常用的两种除盐的方法：淡化除盐法和冲水稀释法分别做出 了评价，对两者在矿井水资源化利用方面的利弊做出了分析【5 2 1 。模型不但能检测 出矿井水中的盐水比，而且可以为矿井水的净化回用提供便利。t b h a k d i s o n g k h r a m 针对泰国目前煤矿的高浓度的t d s 及s 0 4 2 。，在分析其水量水质和矿井水流动的 基础上设计处理工艺，成功地减少了矿井水中t d s 的浓度，同时降低了矿井废水；黟 对环境的污染【5 3 1 。g a v i nm m u d d 通过对矿井水中的矿物成分的分析，提出了其可 持续性利用和循环利用的报告，指出水的矿物质组成及含量对水资源的利用和采 矿都有深远的意义【5 4 1 。j e m a r e e 针对矿井水中硫酸盐与金属含量高的特点，利用 硫化钡盐来降低水中的矿化度。实验证明：石灰的预处理、金属氢氧化物的沉淀、 硫化氢气体除铁、碳酸氢盐的加热除盐，都使得矿井水中的矿化度有着不同程度 的下降，并给企业带来了经济效益【5 5 1 。p a u ll y o u n g e r 总结了英国目前正在使用的 6 种矿井水的处理方法：有氧表面湿地( 芦苇) 、厌氧堆肥、混合堆肥和石灰岩处 理系统、地下反应墙、封闭石灰岩系统、过滤除金属系统。分析了他们各自的利 弊，指出6 种处理方法有明显的特定性，具有相当大的发展空间【5 们。h i c h a me i k h a l i l 根据m a r r a k e c h 矿区地下水样本中金属毒性的检验分析，应用生物检测的手 段，结果表明矿井水中的毒性是由可溶性的z n 、c u 引起的，高浓度的重金属引起 了矿井水的酸化【5 7 】。d b a r r i ej o h n s o n 针对废弃矿山和废物产生的酸性矿井水中含 有大量的重金属，建立了可渗透反应障碍和无机媒体被动系统，使得不同的废物 材料可以利用在每个这样的系统。该项技术的扩大为矿井水的回收利用提供了巨 大的空间【5 8 1 。r o b e r tg ；d o u p 6 在矿井水最终排放方面做了相关研究，基于矿井水的 排放会对环境造成的危害的大小，同时分析了企业的最大经济效益的基础上，选 5 安徽理工大学硕士论文 择了八个不同的排放环境，并对每个环境的承受能力进行了分析评价。最终确定 了废水灌溉将承担最高的环境风险，而给予野生动物的使用将承担最低的环境风 险【5 9 】。m w a k i op t o l e 综述了地热水的开发前景与应用实例，地热水在医疗方 面的效用受到世界各地，包括中国，冰岛，与中东和东欧国家的高度重视。肯尼 亚等国也一直在开发地热系统用于发吲6 0 】。t o t a 通过模拟实验，研究了地热水转 化为能源的机理和方式，为地热的利用提供了理论基础【6 1 】。 总之，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，己取得了许多成果，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。 1 2 3 存在问题 1 目前对矿井水资源化利用的重要性认识不到位，没有把矿井水的合理利用 摆到重要位置。矿井水是煤矿开采过程中不可避免的伴生产物，受传统计划经济 的影响，矿井水资源化并未作为矿区发展循环经济、保护生态环境、实施可持续 发展战略的重要环节来实施。 2 与其它水处理行业相比，矿井水资源化技术、设备还不够完善。矿井水利 用率低，其综合利用有待加强。 3 矿井热水能源化技术的开发和应用还处于起步阶段，深部开采过程中的地 热能源未被充分利用。 4 矿井水的利用缺乏政策的支持和激励机制。 。 5 资金投入不足，模范示范不够。建设矿井水利用工程设施需要投入大量的 资金，资金短缺严重制约着矿井水综合利用工程的建设。小规模的矿井水利用工 程使综合成本过高、企业不能够获得相应的经济效益，而且所获得的环境效益也 相对较差。 1 3 研究内容及研究路线 1 3 1 研究内容 1 对比分析淮南各个矿区的煤炭开采及矿井水利用现状，选择谢一煤矿为研 究对象，分析其矿井水的来源、涌水变化量、各含水层及混合水质特征进行分析， 评价其矿井水资源化可行性。 2 通过物化试验确定构筑物的最佳参数。应用正交混凝试验确定矿井水的最 佳用药量以及混凝剂与助凝剂的配比，并在改变药剂投加时间和搅拌强度的条件 下，测定浊度去除率，确定矿井水的最佳絮凝效果。利用极差分析和单因素分析 6 l 绪论 确定最佳反应水平并对影响因素的大小进行排序；利用沉淀试验，通过绘制絮凝 沉淀等效率曲线计算悬浮物的去除率，并为后续沉淀池的设计确定有效高度，最 小沉淀速度、水力停留时间和表面负荷；通过改性过滤试验测试进水和出水的浊 度和c o d c r ，确定滤料的种类和层数以及反冲洗强度和周期。 3 根据试验数据确定矿井水最优处理工艺和构筑物的运行参数，对高矿化度 矿井水进行除盐淡化处理，增设反渗透( r o ) 装置，进行平面和高程设计，并绘 制图件。 4 通过对淮南矿区井底岩温、地温梯度，增温率等相关指标的收集和测试， 分析了矿井热害的形成机理及其影响因素，通过对地热资源丰富的矿区进行深部 矿井水质测试，选择地源热泵理作为其资源化工艺，目的是将矿井热害转化为一 种能源加以循环利用，同时设计矿井热水的利用途径。 5 根据“分质分用”的原则设计处理后的矿井水综合利用途径，并进行社会、 经济和环境效益分析，最后提出相应的资源化对策。 1 3 2 研究路线 在查阅国内外大量文献的基础上，收集淮南矿区的矿井水涌水逐年变化量， 不同含水层水质测试结果，及矿井水利用情况，选择矿井水处理工艺不完善的谢 一煤矿，并集中采集矿井原水进行试验分析。通过混凝、沉淀、过滤模拟试验结 果，确定后续构筑物的参数，并设计最优化处理工艺。选择深度处理方法，绘制 工艺流程、平面和高程布设图。 收集淮南矿区地温资料，揭示地温的水平、垂向分布规律和影响因素。分析 地温对矿井水的影响程度，并对矿区的地热资源进行统计划分，通过对深部矿井 热水的水质测试，设计热泵技术来实现其资源化利用。 最后，对谢一煤矿矿井水、潘集矿区的深部热水资源化利用途径以及社会、 经济和环境效益进行分析。 本文的研究技术路线，如图1 所示。 7 安徽理工大学硕士论文 图1 研究技术路线 f i g 1t e c h n i c a lr o u t e 8 2 矿区概况 2 矿区概况 2 1 自然地理概况 淮南煤田东起九龙岗，往西一直绵延到阜阳市，南部边缘是东西走向因地壳运动 而拱起的舜耕山、八公山一线，北过淮河入怀远；因而整个大煤田跨淮河两岸，南岸 分布于九龙岗、大通、蔡家岗、谢家集、李嘴孜、孔集一带，北岸自东向西展布于潘 集、顾桥、新集、谢桥一带直抵阜阳市东侧；煤田东西长达1 8 0 k m ，南北宽达1 5 - 2 5 k m ， 总面积3 6 0 0 k m 2 ，其中含煤面积2 8 0 0 k m 2 ；包括了滁州市的定远县，蚌埠市的怀远县， 合肥市的长丰县，六安市的寿县，淮南市区( 包括凤台县) ，阜阳市的颍上县、利辛 县、阜阳市区等，共五市十余个县区。 j 一， 怀 铁路t = o 网公路= = 河漉多；专= 例 煤矿 城销段珏f boo 寿县 名 抖 t 图2 淮南矿区地理位置交通 f i g 2g r a p ho fh u a i n a nm i n i n ga r e ag e o g r a p h i c a la n dt r a f f i cp o s i t i o n 如图2 所示，淮南煤田划分为淮南老区、潘谢新区。淮南老区：位于淮河南岸。 东起九龙岗，西至凤台县，南以舜耕山、八公山为界，北以阜一凤断层为界，东西长 约4 0 k m ，南北宽约l o k m ，面积约4 0 0 k m 2 。该区东部舜耕山北麓有大通井田和九龙 岗井田，已于1 0 7 9 年和1 9 8 1 年先后采完。中部李郢孜( 赖山) 及八公山的东北麓， 自东向西有李郢孜一、二井田，谢家集一、二、三井田，新庄孜井田( 含毕家岗) ， 李咀子井田和孔集井田。潘谢新区：位于淮河北岸，东起高皇寺，西至阜阳断层，北 以上窑、明龙山断层为界，南以阜阳断层为界与淮南老区相接。地跨阜阳、利辛、颖 上、凤台、淮南等县市。东西长约l o o k m ，南北宽约2 4 k m ，面积约2 4 0 0 k m 2 。该区 东部为潘集背斜，有潘集一、二、三、四及丁集井田。中部有顾桥、张集、谢桥、新 9 安徽理工大学硕士论文 集井田。西部有刘庄井田，以及展沟壑口孜集勘探区。 淮南是解放后崛起的大型能源城市，是国家大型能源基地之一，煤、电工业实力 雄厚。淮南煤田为中国十大煤田之一，1 9 9 7 年原煤产量2 2 0 4 万吨，其中地方煤炭产 量8 2 4 万吨。淮南煤电装机容量2 6 3 万千瓦，1 9 9 7 年发电量达1 3 6 6 亿千瓦，是华东 地区主要的能源供应地。近年来，由于煤炭生产和工矿企业的不断膨胀，使得该地区 环境遭受了不同程度的污染。 2 2 地质概况 2 2 1 水文 淮南市位于淮河流域，其最大的地表水系为淮河。淮河由陆家沟口入市境风台县， 流至永幸河闸口分流为二，北道北上转东环九里湾进入市境潘集区，南道( 又名超河) 东流至八公山区，南北河道至邓家岗汇流，由大通区洛河湾横坝孜出境。境内流长 8 7 k m ，其中市区流长5 1 k m 。市境支流有东淝河、窑河、泥黑河、架河、西淝河。湖 泊有高塘湖、胡大涧、石涧湖、瓦埠湖、城北湖、花家湖、焦岗湖，还有采煤塌陷区 积水而成的湖泊，最大的为淮西湖( 谢二矿塌陷区) 。此外，还有泉山、老龙眼、乳 山、丁山等小型山塘水库。全市水域面积3 7 5 k m 2 ，占总面积1 7 6 5 ；水面1 8 3k m 2 ， 占水域面积4 8 8 。市境地下水资源主要分布在第四系沉积层，面积约1 6 5 0k m 2 ，可 采储量4 5 亿m 3 ，与地表年平均径流量大致相等。 淮南市境内属于暖温带半湿润季风气候，季节分明，年平均气温1 5 3 ，最高气 温4 1 2 ，最低气温2 2 2 ，年平均无霜期1 3 9 天，年平均降雨量9 2 6 m m ，最大降 雨量达l5 2 2 6 m m ，最小降雨量4 5 0 3 m m ，城市主风向是东风，平均风速2 9 m s ，最 大风速2 0 o m s 。 2 2 2 地层与构造 地质演化历史可分为前震旦纪、震旦纪一三叠纪、侏罗纪一第四纪三个阶段。前 震旦纪，淮南地壳处于活动阶段；震旦纪一三叠纪属于剧烈运动时期，先后经历了蚌 埠、凤阳、皖南、加里东、华西力、印支等运动。期间地壳几度隆起沉降，形成了海 陆交互相地层。特别是晚石炭纪和二叠纪时期海陆交互相的沉积环境，为煤炭资源的 形成提供了良好的自然条件。 淮南矿区地层属华北地层区淮河地层分区淮南地层小区；地层发育主要为上 太古界、上元古晃、下古生界、中生界、新生界。主要煤系地层是中石炭统本溪组、 上石炭统太原组、下二叠统山西组、下二叠统下石盒子组、上二叠统上石盒子组合上 二叠统石千峰组。除在舜耕山、八公山边缘及上窑山北麓有零星出露外，均被新生界 地层所覆盖。二叠系总厚度大于1 9 0 0 m ，其中山西组、下石盒子组合上石盒子组( 下 1 0 2 矿区概况 段) 为主要含煤岩系( 厚约8 0 0 m ) ，一般含煤4 0 层( 最多达5 6 层) ，总厚3 0 - - - 4 0 m ， 自下而上分为a 、b 、c 、d 、e 5 个煤组，其中a 、b 、c 组为主要开采煤组，可采 1 0 1 9 层，可采厚度2 3 3 6 m 。石炭系太原组，含煤8 1 1 层，据现有资料，仅1 2 层 局部可采。 图3 淮南地质构造及矿点分布 f i g 3h u a i n a ng e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dm i n ed i s t r i b u t i o n 淮南矿区位于华北板块南缘。东起郯庐断裂，西至麻城阜阳断层，北接蚌埠隆起， 南以老人仓一寿县断层与合肥中生代坳陷相邻，见图3 。东西长1 8 0 k m ，南北宽 1 5 - 2 0 k m ，面积约3 2 0 0 k m 2 。构造形式为近东西向的对冲构造盆地，盆地南北两侧均 为推覆构造构成的迭瓦扇，其内部则为一较简单的复向斜构造。淮南区域构造的几何 配制及组合形式显示了由南向北的推挤作用，并构成了两翼对冲推覆构造格局，区域 性走向逆断层较为发育，同时北东向的正断层也很发育，是一组大致平行于郯庐断裂、 向西倾斜的阶梯式构造。淮南煤田的岩浆岩进入局限于上窑、潘集、丁集勘探区，一 般呈层状侵入，同位素年龄为1 1 亿a ，属燕山期。岩性以细晶岩为主，也有正长斑 岩、正长煌斑岩、辉石正长岩等。 淮南矿区现有1 4 对生产矿井，设计生产能力1 8 0 0 万t a 。在建矿井6 对，年生 产能力3 5 0 0 , - 4 0 0 0 万t 。“十五 期间规划开工建设的顾桥矿井8 0 0 万讹，国家规划 潘谢矿区生产能力2 6 5 0 万妇。煤炭产业是淮南工业的重要支柱，是淮南经济发展不 可缺少大的组成部分，然而随着开采强度的提高，开采深度的增加，导致排放的矿井 水量也不断增大。未经处理的矿井废水直接外排，不仅浪费了大量宝贵的水资源，造 安徽理t 大学硕上论文 成矿区用水紧张，同时也带来了水环境污染问题。因此，选择合适的矿区进行矿井水 处理工程设计，达到矿井水资源化利用的目的是十分必要的。 2 3 矿井水处理概况 淮南矿区现建有1 2 座矿井水处理站，设计处理能力为1 5 1 1 万m 3 d ，处理工艺 为混凝反应、沉淀( 或澄清) 、过滤等常规净化处理工艺。2 0 0 8 年淮南矿区1 3 对生 产矿矿井水抽排总量为2 7 6 5 万m 3 ，利用率6 4 ，其中分流的清水量为3 4 1 万m 3 ， 全部利用；污水量为2 4 2 6 万m 3 ，利用量为1 4 3 0 万m 3 ，外排量为9 9 4 万m 3 r 6 2 j 。部 分新、老矿区的矿井水利用情况如表1 所示。 表12 0 0 8 年淮南部分矿区矿井水利用统计 ! ! ! ! ! ! 坚i 翌! 呈曼苎! ! 竺! 竖! ! ! 垒! ! ! ! 12 1 坚坚呈! 翌竺2 呈璺! 呈! 竺! 里! 竖竺! 箜! 旦! ! q ! 矿名谢桥矿潘一矿潘_ 二矿潘三矿李咀孜顾桥矿谢一矿新庄孜总计 注：抽排利用量单位：万甜，利用率单位：。 2 3 1 淮南煤矿新区 淮南新矿主要包括淮河以北的潘集、谢桥、新集、张集等煤矿，多建于1 9 9 0 年 后。特点是生产规模大，现代化程度高。以下选取典型矿井进行介绍，各矿井水处理 工艺及利用现状如下： 潘三矿：潘三矿位于淮河以北潘集区境内，1 9 9 2 年投入生产，潘三矿矿井水是 一种有机浓度低的生产废水，主要受到井下粪便、岩煤尘、腐烂坑木、废机油及废酸 液的污染。原有设计主要采用跌曝、混凝、沉淀、过滤和消毒等环节来处理这种矿井 水。后通过矿井水改造工程，规范化加药、控制反应沉淀池的进水量、净水过滤器的 改造和科学量化加氯使得该矿井水净化厂的处理能力和处理效果明显提高【6 3 】。 谢桥矿：谢桥矿位于淮河以北颖上县境内，于1 9 9 7 年投入生产，目前该矿矿井 水实际涌水量为8 0 0 0 m a d 。由于缺乏深度处理，混凝沉淀处理后的矿井水质仍不能 满足生产和生活用水的需要。该矿矿井水总碱度为2 8 9 7 m g l ，可溶性总固体 2 7 2 7 9 m g l ，为含盐量、氯离子严重超标的高矿化度矿井水。为了提高矿井水处理效 果和利用率，拟增设反渗透( r o ) 除盐系统，该深度处理工艺能够解决矿区水资源 短缺的问题i 川。 新集一矿：新集一矿位于淮河以北风台县境内，1 9 9 3 年投产。该矿始建有一套 处理能力为6 9 6 0 m 3 d 的矿井水净化处理设施，净化工艺采用混凝沉淀，主要处理构 筑物为隔板反应池和斜管沉淀池。随着涌水量的不断增大( 最大可达1 8 0 0 0 m 3 d ) 。 1 2 2 矿区概况 矿井水处理能力和效果都逐渐下降。2 0 0 3 年该矿实施矿井水扩容改造工程，增设一 体化澄清池、无阀滤池和煤泥浓缩池，大大提高了矿井水处理量和出水水质，并能满 足生产和生活用水要求【6 5 j 。 新集三矿：新集三矿位于淮河以北风台县境内，矿井水处理站为煤矿“三同时” 配套工程，采用简单的混凝沉淀工艺，于1 9 9 6 年竣工并投入使用，设计处理能力为 3 6 0 0 m 3 d 。但随着开采量的增加，涌水量增大至6 0 0 0 m 3 d ，原有处理设备常年超负荷 运转，导致水泵、沉淀池，加药系统都不能正常工作，处理效果很差，s s 去除率仅 为4 0 5 0 。2 0 0 6 年通过矿井水处理改造工程，增设除油加药装置、新增澄清池和 p l c 控制系统，使得现阶段矿井水处理能力明显提高，出水水质也达到排放和回用 的标准【6 6 j 。 2 3 2 淮南煤矿老区 老矿井区主要包括孔集、新庄孜、李咀孜、谢一等煤矿，老矿区已开采了近半个 多世纪。其矿井水处理及利用情况如下： 孔集矿：孔集矿位于淮河以南八公山区境内，1 9 6 4 年建成投产。该矿矿井水经 过简单的混凝沉淀处理后，部分作为洗、选煤用水，其余矿井水直接外排。矿井水利 用率低，且未有矿井水改造扩建工程。 新庄孜矿：新庄孜矿座落在八公山区境内，1 9 4 8 年投产运行，建厂的同时设计 施工了一座8 0 0 0 m 3 d 的矿井水处理厂，但随着矿井涌水量逐年增大，原处理构筑物 老化等问题，迫使该矿于2 0 0 5 年实施矿井水厂的扩容改造工程，新增平流式调节池、 多介质滤池，并配有p l c 全程监控设备。提高了矿井水的处理能力，处理后的矿井 水达到生产和生活用水标准【6 川。 李咀孜矿：李咀孜矿位于淮河以南八公山区境内，1 9 6 0 年简易投产。该矿矿井 水处理能力低下，混凝一沉淀的工艺流程单一，且不能进行矿井水的深度处理净化。 矿井水经井下水仓混合后，便直接抽出外排，只有少部分用于洗煤，利用率极低。 谢一矿：谢一矿位于淮河以南谢家集区境内，1 9 5 2 年投产运行。该矿具有5 个 开采水平，开采量大，2 0 0 8 年矿井涌水量最高可达14 0 0 0 m 3 d 。该矿缺乏现代化处理 工艺，针对污染严重的矿井水只是经过简单的稀释处理便直接外排，不仅造成了严重 的环境污染，同时浪费了大量水资源。 目前，淮南矿区矿井水利用率仅为6 4 ，距离循环经济矿井水利用9 0 以上的 目标还有较大差距。相对新矿区，淮南老矿更暴露出建厂时间早，处理规模小，矿井 水处理利用率低等弊端。随着浅部煤层可采量的日渐减少。深部开采所涌出的大量矿 井废水及其资源化问题日益突出。因此，本文以淮南老矿区的谢一煤矿为研究对象， 开展其矿井水处理和资源化利用的研究。 安徽理t 大学硕 ：论文 3 矿井水资源化可行性分析 3 1 矿井水来源 矿井水的形成是由于巷道揭露含水层和采空区塌陷波及到水源所致，其来源主要 是大气降水、砂岩裂隙水、灰岩水和采空区水。 1 大气降水 大气降水是矿井水的主要补给来源，除了一部分被蒸发和地表径流外，其余则沿 岩石的孔隙和裂隙补给地下水，或直接进入矿井。大气降水在矿区的不同地点、不同 季节，其入渗补给量也存在差异。影响较大的为淮河以南老矿区，由于接受大气降水 直接补给大面积岩石露头，其通过裂隙通道间接补给煤系地层和下部灰岩地层。 2 砂岩裂隙水 砂岩裂隙分为原生构造裂隙和后期因采砂影响的开采裂隙，主要包括裂隙含水层 以及第四系松散含水层孔隙水，且常常受到地表水或其它含水层的补给，由于砂岩裂 隙赋存地下水，使得裂隙水成为矿井水源的_ 部分。 3 灰岩水 存在岩溶分布的地区，由于灰岩成分多为碳酸钙和碳酸镁，与水流接触时易受到 侵蚀而形成岩溶空隙。水流通过这些空隙源源不断的进入矿井，并对灰岩造成进一步 的侵蚀，使岩溶空隙覆盖面积逐渐增大。 淮南矿区灰岩水主要为华北石炭二叠纪煤田太原群薄层灰岩水，其主要赋存于 c 。3 上、c 。3 下两个层位，此外赋存于下部的奥陶系灰岩，往往通过断层、陷落柱与其 发生水力联系。后期则因采掘工作面直接揭露或由于采后底臌裂隙、断层带、构造破 碎带、陷落柱或封孔不佳的老钻孔与其发生水力联系。 4 采空区水 采空区及废弃巷道由于长期停止排水而存在的地下水，称为采空区水。淮南矿区 开采年限长，大范围、不同水平深度的开采，形成深浅不一的采空区，长期的积水形 成了大面积的采空区水。一旦巷道揭露或工作面与其发生水力联系，往往就会造成突、 涌水事故。 谢一矿现有矿井水主要为灰岩水，其次为砂岩水和采空区水。此外，矿井水还夹 杂着部分井下防尘水、黄泥灌浆水等。 3 2 矿井涌水变化量 3 2 1 涌水量 根据1 9 9 6 2 0 0 5 年谢一煤矿涌水量实