謝 毫，申禮鵬

（煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程試驗室，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤礦礦井水是由煤炭開采過程中疏排地下含水層涌水以及采掘生產(chǎn)中防塵、設(shè)備冷卻等排水匯集而成，其行業(yè)典型特征水質(zhì)指標(biāo)即為懸浮物，在我國礦井水水質(zhì)的綜合分布中，含懸浮物礦井水占據(jù)了80%以上［1-3］。目前，我國各礦井水處理設(shè)施主要是圍繞處理懸浮物而進(jìn)行設(shè)計和建設(shè)的。而懸浮物粒徑作為其重要的物理特征指標(biāo)，對研究礦井水懸浮物自身的特性及其處理技術(shù)和工藝參數(shù)的選擇都起著至關(guān)重要的作用。

淮南礦區(qū)位于安徽省北部的淮河兩岸，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造位置屬華北板塊南緣，東起郯廬斷裂帶，西至阜陽斷層，北接蚌埠隆起，南以老人倉-壽縣斷層與合肥坳陷相鄰，東西長180 km，南北寬15～25 km，面積約3 200 km2。含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組，以及上二疊統(tǒng)上石盒子組，總厚度900 m左右，含煤層約40層。單層厚度平均大于0.7 m的煤層9～18層，最大厚度12 m，合計厚度23～36 m，分布在山西組、下石盒子組和上石盒子組下部。

以淮南礦區(qū)在采礦井的礦井水為研究對象，通過系統(tǒng)性采樣和測試分析，對淮南礦區(qū)礦井水中懸浮物的含量范圍及其粒徑特性和分布進(jìn)行全面分析和研究，以期為研究礦井水懸浮物的去除機(jī)理提供理論依據(jù)，為研發(fā)針對礦井水懸浮物的處理技術(shù)和裝備提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

研究對象主要為淮南礦區(qū)的潘三礦、張集礦北區(qū)、謝橋礦、丁集礦、顧橋礦、顧橋礦南區(qū)和顧北礦等7對現(xiàn)行生產(chǎn)礦井。各礦礦井水通常采用避峰用電夜間抽排的上水方式，經(jīng)測算統(tǒng)計礦井水正常涌出量范圍為1 320～6 200 m3/d，詳見表1，采樣點位于礦井水處理設(shè)施的進(jìn)水端。主要試驗儀器為粒徑分析儀（S3500，美國麥奇克公司）、電子天平（MS204S，瑞士梅特勒公司）、恒溫烘箱（5E-DHG，長沙開元公司）。懸浮物測試時，取一定量水樣用孔徑為0.45 μm濾膜過濾，不能通過濾膜的固體物經(jīng)103～105℃烘干后恒重稱量，進(jìn)而得到懸浮物含量。

表1 礦井水涌出量統(tǒng)計

懸浮物粒徑測試時，由固體激光源發(fā)出的單色、相干、平行的光束，經(jīng)過光束處理單元，照射到樣品顆粒后發(fā)生散射現(xiàn)象。散射光經(jīng)傅里葉透鏡聚焦后成像在一系列檢測器上，散射光的能量分布于顆粒粒徑的縫補(bǔ)直接相關(guān)，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，選擇合適的理論模型，從而得到被測樣品的粒度分布結(jié)果。顆粒折射率設(shè)置為1.59，形態(tài)設(shè)置為不規(guī)則；以水作為分散劑，分散劑折射率設(shè)置為1.333；測量時間為10 s，測量2次，分析軟件采用Microtrac FLEX。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 平均粒徑特性

通過對淮南礦區(qū)7對生產(chǎn)礦井的礦井水懸浮物的平均粒徑進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑極其微小且具有一定的穩(wěn)定性。其中，平均粒徑最大為21.16μm、最小為1.45μm、平均值為6.78μm，淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑分布情況如表2，圖1所示。由表2，圖1可知，在7對生產(chǎn)礦井中，顧北懸浮物的平均粒徑均值最大，謝橋懸浮物的平均粒徑均值次之，潘三懸浮物的平均粒徑均值最小，即顧北＞謝橋＞顧橋＞張北＞顧南＞丁集＞潘三。

表2 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑

圖1 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物平均粒徑圖

淮南礦區(qū)各礦井均為現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井，采用綜掘/綜采方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，在煤炭開采過程中，綜掘機(jī)/綜采機(jī)等設(shè)備通過旋轉(zhuǎn)截割部，使截割頭上戴齒與原煤/巖石壓力作用下發(fā)生碰觸，利用物理作用把原煤/巖石從母體中剝離出來，在此過程中由機(jī)械旋轉(zhuǎn)截割而產(chǎn)生的細(xì)小煤粉/巖粉在進(jìn)入礦井水體之后便成為了煤礦礦井水懸浮物，這也是形成懸浮物穩(wěn)定分布的主要原因。這樣細(xì)小的懸浮顆粒物往往很難自然沉降，需要通過礦井水處理設(shè)施對其進(jìn)行處理方可進(jìn)行回收利用或者達(dá)標(biāo)排放，常用的礦井水處理技術(shù)工藝是“混凝—沉淀—過濾—消毒”。通過上述4步［4-5］，使之符合生活飲用或工業(yè)使用所要求的水質(zhì)。目前，淮南礦區(qū)各礦井均建設(shè)有地面礦井水處理設(shè)施，亦是采用上述處理工藝對礦井水進(jìn)行處理，其出水水質(zhì)懸浮物小于10 mg/L、化學(xué)需氧量小于10 mg/L，處理后的礦井水常作為生產(chǎn)補(bǔ)充用水進(jìn)入井下生產(chǎn)用水管網(wǎng)。

2.2 含量分析

淮南礦區(qū)7對生產(chǎn)礦井的礦井水懸浮物含量指標(biāo)測定結(jié)果，見表3，圖2。

表3 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物含量

圖2 淮南礦區(qū)礦井水懸浮物含量圖

從表3和圖2可以看出，本次研究共測試獲得淮南礦區(qū)礦井水懸浮物21個數(shù)據(jù)，其中有19個數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定分布于130～554 mg/L，占整個數(shù)據(jù)量的90.5%。超出此范圍的數(shù)據(jù)只有兩個，分別為顧橋第二次水樣的5 584 mg/L和謝橋第一次水樣的7 276 mg/L，從數(shù)值上來看這兩個數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他礦井水懸浮物數(shù)值，分別為除上述2個值之外最大值的10.1倍和13.1倍。結(jié)合現(xiàn)場采樣情況發(fā)現(xiàn)，懸浮物兩次出現(xiàn)較大異常值是由于現(xiàn)場樣品采集時，其沉砂池水位已接近至池底，樣品采集時受池底沉降的泥沙影響導(dǎo)致懸浮物數(shù)值出現(xiàn)異常。

通過對7對礦井的礦井水懸浮物的含量和平均粒徑進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，礦井水懸浮物含量的高低與平均粒徑并無直接關(guān)系，懸浮物含量最高的3個水樣其對應(yīng)的平均粒徑分別為12.55、19.15、4.12μm，含量最低的3個水樣其對應(yīng)的平均粒徑則分別為14.32、1.45、3.57μm。懸浮物含量最高值為7 276 mg/L、最低值為130 mg/L，雖然懸浮含量相差極大，但是兩者的平均粒徑極為相近，分別為12.55和14.32μm。

2.3 粒徑分布特征

礦井水懸浮物的粒徑分布反映了懸浮物在水中的分散性和穩(wěn)定性，懸浮物的粒徑越小，在水中分布越均勻、越穩(wěn)定，越難通過自然/人工沉降除去，在以混凝—沉淀—過濾為主的礦井水處理工藝中對絮凝劑/助凝劑等藥品的投加量以及沉淀池/澄清池的流速、水力停留時間等設(shè)計運(yùn)行參數(shù)都有著重要的指導(dǎo)意義。在膜法水處理技術(shù)中，懸浮物粒徑的大小代表了懸浮物在膜面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔變小或堵塞的難易程度，對分離膜的選擇起著重要的作用。

為便于進(jìn)行粒徑測定結(jié)果分析，將粒徑劃分為小于1、1～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50 μm 7個粒級。圖3～圖8所示為礦井水懸浮物在不同粒級的分布情況，通過對懸浮物粒徑分布的情況進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)懸浮物在粒級上的分布特性可以將礦井水粒徑分布分為3類，第一類為丁集、潘三、顧北礦井水懸浮物，第二類為謝橋、張北礦井水懸浮物，第三類為顧橋、顧南礦井水懸浮物。

由圖3～圖5可確定礦井水懸浮物粒徑主要在10μm以下，粒徑小于10μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上。其中懸浮物粒徑主要集中在1～5 μm，在此范圍內(nèi)的粒徑占總懸浮物中的比例為40%～75%，其次主要分布在1μm以下的范圍內(nèi)，在此范圍的粒徑占總懸浮物的比例為15%～40%。

圖3 丁集礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖4 潘三礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖5 顧北礦井水懸浮物粒徑分布圖

由圖6、圖7可確定礦井水懸浮物粒徑主要在20μm以下，粒徑小于20μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上。其中，在最高分布區(qū)域上和第一類相似，懸浮物粒徑主要集中在1～5μm的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)的粒徑在總懸浮物中的占比為40%～55%，但是次分布范圍產(chǎn)生了變化，分布于5～10 μm的數(shù)量有了較大提升，其數(shù)量與分布在小于1 μm范圍內(nèi)的粒徑數(shù)量基本相當(dāng)。

圖6 張北礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖7 謝橋礦井水懸浮物粒徑分布圖

由圖8、圖9可知，在3次樣品結(jié)果中，懸浮物粒徑分布占比最高的區(qū)域均不相同，第一次出現(xiàn)在小于1μm的區(qū)域，總懸浮物占比均超過70%；第二次顧橋和顧南分別出現(xiàn)在10～20μm和1～5μm的區(qū)域，總懸浮物占比分別約為40%和33%；第三次出現(xiàn)在1～5μm的區(qū)域，總懸浮物占比分別約為55%、62%。與第一類和第二類相比，第三類礦井水懸浮物粒徑分布區(qū)域比雖無明顯的規(guī)律性，但是仍可確定礦井水懸浮物粒徑主要在30μm以下，粒徑小于30μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上，此結(jié)果與何緒文等研究成果“排到地面的礦井水總懸浮物中平均88%的粒徑在50μm以下，而粒徑大于80 μm的部分不超過5%，即礦井水中懸浮物的主要成分是粒徑極為細(xì)小的煤粉和巖塵基本一致［6-7］。

圖8 顧橋礦井水懸浮物粒徑分布圖

圖9 顧南礦井水懸浮物粒徑分布圖

3 結(jié)論

（1）淮南礦區(qū)未經(jīng)處理的礦井水原水懸浮物含量較高，經(jīng)預(yù)沉沉砂池沉淀后其懸浮物含量基本穩(wěn)定在130～554 mg/L。

（2）礦井水中懸浮物的粒徑大小及分布主要取決于煤礦的開采、挖掘等生產(chǎn)作業(yè)方式，其粒徑分布與懸浮物含量的高低無關(guān)。

（3）在以綜掘/綜采為主要開采工藝的生產(chǎn)礦井，其礦井水中懸浮物粒徑極其微小，平均粒徑穩(wěn)定分布在1.45～21.16μm，粒徑小于30μm的懸浮物可占總懸浮物90%以上。