摘要：目前国内煤矿矿井水绝大部分由井下排至地面后再进行处理、回用，近年少部分煤矿尝试将矿井水在井下直接处理。通过对部分已经投入使用的井下处理站调研，本文结合容光井下矿井水处理站设计及施工中存在的问题，提出矿井水井下处理设计工艺选择及设计注意事项。
关键词：矿井水；废水处理；回用；巷道
中图分类号： X93 文献标识码：A 文章编号：1007-0370（2011）11-0141-02
根据煤层的赋存条件，我国井下采煤开拓方法为斜井、立井、平硐，或其中几种方式混合开拓。目前国内斜井和立井开拓的矿井水常规处理流程为：井底水仓→井下排水泵→地面调节池→泵→混凝反应→沉淀→过滤→消毒→回用，平硐开拓矿井水可直接从井下自流进入地面调节池。
煤层埋深一般达数百米甚至上千米，矿井水由井下提升至地面需要消耗大量的电能；矿井水处理设施设在地面占用土地；矿井水中含有大量的煤尘、岩尘，矿井水由井下提升至地面，对管道的磨损很大；井下水仓需要定期清理，清理周期长，清理难度大、工作量大；煤矿主要生产用水是井下用水；部分矿井可以利用地质地形条件不设水仓和事故排水泵。基于上述六个原因，矿井水在井下处理的可行性一直是被探索的课题。
1 井下矿井水处理站工艺选择
1.1 沉淀工艺选择
矿井水沉淀工艺目前应用较多的有迷宫斜板沉淀池、水力循环沉清池、普通斜管沉淀池、高密度迷宫斜板（小间距斜板）沉淀池等，迷宫斜板沉淀池由于斜板斜长达2m，受施工条件限制，在井下沉淀池高度不宜过高，因此不推荐在井下采用迷宫斜板沉淀技术。水力循环沉清池是一个圆形的大池子，在井下建设困难，因此也不推荐用于井下。矿井水煤泥的粘性较大，普通斜管容易堵塞，在矿井水悬浮物浓度较高或粘性较大的情况下不适合采用普通斜管沉淀。
而高密度迷宫沉淀池主要具有：布水均匀不短路；材料有疏水性质，不利于矾花附着，有助于排泥；排泥面积是普通斜管的4倍多，大幅提高了沉淀排泥负荷。另外，高密度迷宫斜板斜长为1m，其在井下布置受限制较小，因此矿井水处理站设置井下时，推荐采用高密度迷宫斜板（或小间距斜板）沉淀池。
1.2 过滤工艺选择
过滤工艺在矿井水处理过程中最为常用的一种方式，目前过滤设施主要有重力无阀滤池、V型滤池、快速滤池、机械过滤等。V型滤池虽然出水水质好，但池体复杂、滤料层高，在井下施工难度大；另外，其反冲洗系统复杂，而井下对控制系统安全因素要求非常高，实行自动化难度也较大。机械过滤在水量较小的时候比较适用，对于处理规模较大时，因设备较多而管理和操作复杂。快速滤池和重力无阀滤池相比，总体高度较小，但其控制较无阀滤池复杂，两种方式各有优势，可根据矿井特点选取。
1.3 消毒方式选择
常规的消毒方法有液氯消毒、二氧化氯消毒、紫外消毒、臭氧消毒，规模较小的污水处理工程还采用固体消毒剂。液氯有毒，一旦在井下泄漏很难扩散，对井下工人生命及健康产生威胁，因此不适宜用在井下。二氧化氯发生器、紫外消毒装置以及臭氧发生器目前均没有厂家生产适用于井下防爆型设备，不能下井，因此也不适合用于井下处理站。井下消毒从目前的技术水平来看，只能采用固体消毒剂（如漂白粉、次氯酸钠、氯块），或将固体药剂溶与水后（如次氯酸钠溶液）直接投加。
2 容光煤矿井下矿井水处理站
2.1 项目概况
容光矿井为新建高瓦斯矿井，为斜井开拓。矿井旱季正常涌水量为128.9m3/h，雨季正常涌水量为369.8m3/h，最大涌水量为1002.3m3/h。地面生产用水约158.5 m3/d，井下用水量约1540 m3/d，井下用水量占全矿井总生产用水量90.6%。
原可研设计井下排水泵4台，单台水泵功率为800kw，正常涌水开启1台，排水量为580m3/h。井下设两条水仓，总有效容积约3000m3。
容光矿在设计时根据矿井的地质地形特点，基于安全角度考虑，在井下布置一条泄水平巷，一旦井下发生突水事故，矿井水将由泄水平巷直接排入附近河流。
鉴于本矿井设计本身已有泄水平巷，无需考虑井下防突水而增设的水仓和排水泵，经多方调研、探讨，最终确定将矿井水处理站设在井下，处理后矿井水采用高压泵回用井下，剩余矿井水从泄水平巷直接排入河流，取消水仓和井下排水泵。
考虑到本地区雨季较长，设计时从不利角度考虑，井下矿井水处理站设计能力按雨季正常涌水量考虑，设计处理能力为460m3/h，雨季总处理时间为19.3h。
2.2 工艺流程
容光矿井水处理采用高密度迷宫斜板沉淀池+重力无阀滤池处理工艺。
2.3 经济效益
矿井水井下处理总投资约1320万元，如将矿井水处理站放在地面总投资约980万元，但将增加水仓、排水泵、排水管道等投资约350万元。从建设投资来看，容光矿矿井水处理站设在井下和地面的投资基本相当。
矿井水处理站设井下，每年减少排水泵耗电226.76万度（雨季按3个月计算）。另外，由于矿井水处理站设在井下，将减少地面占地约4000m2（6亩）。此外，由于矿井水处理后从泄水平巷流走，减少排水管网的频繁更换，减少了运行成本。矿井水设在井下，还消除了定期繁琐的水仓清理工作。
由此可见，矿井水设在井下处理节能、节地效果明显，也有较明显的经济效益。
3 井下处理存在问题及解决方案
3.1 设备选型问题
首先，所选用的设备不能过大，因为井口直径大小有限，运输设备的绞车或罐笼的大小是一个定值，设备的高度、长度、宽度均将受到绞车或罐笼的大小限制。另外，井下巷道的大小以及转弯半径对设备的大小也所有限制。
其次，机电设备必须具有煤安标志才能下井，高瓦斯矿井防爆等级要求更高。目前国内尚没有专门针对能用于井下的环保设备，特别是自动化程度高的先进的加药设备、消毒设备、在线监测设备等均不具备下井的条件。
因此矿井水设在井下处理，设备选型受到较大的限制。
容光井下矿井水处理站在设计时，与采矿专业、机电专业、土建专业各专业多方沟通，设备选型充分考虑上述因素。
3.2 布置问题
首先，井下布置应考虑通风。因巷道一般在井下数百米处，不可能自然通风，井下通风是通过通风机抽风，从回风井补充新鲜空气进入井下。井下巷道交错，设计不合理容易造成巷道通风困难，影响设备运行安全和操作人员安全。
受通风条件限制，井下矿井水处理站必须设在一个环路的巷道系统内，这给系统布置带来较大的困难，布置不当将会造成巷道浪费严重，或提升环节增多。
容光井下矿井水处理站设计时候充分考虑通风安全，硐室之间形成环路，并合理利用巷道，即解决了井下通风困难问题，也基本不存在巷道浪费问题。
其次，井下布置单个巷道的宽度和巷道之间的距离受到限制。受岩性影响，巷道的宽度不宜过大，巷道与巷道之间不宜过近。容光矿井在和采矿专业设计人员商榷后，认为巷道宽度不宜超过5.5m，巷道之间净距离不宜小于12m，设计平面布置时充分考虑了这一因素。
巷道宽度的限制，将限制部分工艺在井下的实现，例如水力循环澄清池将无法在井下实现。巷道之间净距离的要求则增加构筑物及设备布置的难度。
3.3 施工问题
首先，根据《煤矿安全规程》，井下不得从事电焊、气焊和喷灯焊接等工作，如果必须进行上述工作时，每次必须制定安全措施。
因此，在设计时，应尽可能避免施工中可能出现需要焊接或明火的地方。容光井下矿井处理设计时，管道连接主要采用法兰连接，对于预埋的管道一次做好并要求连接端带有法兰，便于后续管道施工进行法兰连接，从而避免了管道焊接。
其次，由于受巷道高度和宽度限制，大型机械无法下井，设计时应考虑避免施工过程使用大型机械设备。
4 结语
矿井水处理设在井下，节约地面占地，减少矿井排水电耗，降低排水管路磨损，避免烦死的清仓工作，具有很好的应用前景。
水处理设在井下，将受到运输、通风、安全等诸多因素的限制，给设计和施工带来较大的困难，只有在掌握采矿、机电等各专业知识背景的情况下才能合理设计，避免后续施工、管理及安全运行的问题。
由于下井机电设备必须具有煤安标志，导致部分自动化程度高的先进设备不能下井，这是矿井水处理站设在井下最大的不利因素，尚有待设备技术的研制。
参考文献
[1]林选才等．给水排水设计手册．北京：中国建筑工业出版社，2005.9.
[2]国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程．北京：煤炭工业出版社，2009.12.
[3] 何绪文,肖宝清,王平. 废水处理与矿井水资源化.2002.
收稿日期：2011-09-20
作者简介：黄华（1979-），男，工程师，研究方向：环保工程设计、环境影响评价.
