煤矿矿井水资源化利用关键技术开发与示范研究何绪文，李丹，邵立南，何咏中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京（100083）E-mail：hexuwen@摘要：矿井水资源化是解决矿区水问题的最佳选择，本文针对目前矿井水的综合处理利用率低且处理成本很高这一现实以及矿区严重缺水的状况，进行矿井水资源化研究，指出了矿井水资源化的途径和技术。
关键词：矿井水；资源化；高矿化度；深度处理1水是社会文明、经济发展和人类生存必不可少的自然资源，但我国淡水资源人均占有量只相当于世界人均的1/4，在全国600多座城市中，有400多座城市缺水，而煤矿区所在城市缺水状况更为严重。
全国86个国有重点煤矿区中有71％缺水，40％属于严重缺水,在国家“十一五”规划建设的十三个煤炭基地中，有十个基地是缺水或严重缺水地区。
这种富煤地区也是贫水地区的格局，使得煤矿区水资源供需矛盾十分突出，为此国家对矿井水利用高度重视[1]。
1矿井水资源化的目的及意义1.1 矿井水资源化是适应国家战略部署和我国经济发展的重大需求2005年6月国务院《关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》（国发[2005]21号），将矿井水利用工作做出明确安排。
2006年3月国家对外发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中再次指出“积极开展海水淡化、海水直接利用和矿井水利用”。
《国家“十一五”科学技术发展规划》中，“面向紧迫需求，攻克关键技术”发展思路包括“立足于当前国民经济和社会发展的紧迫要求，把能源、资源、环境、农业、信息、健康等关键领域的重大技术开发放在突出位置，加强工艺技术和产1本课题得到国家自然科学基金项目（项目名称：高浊高铁高锰矿井水中污染物去除机理与处理工艺研究，编号：50678172）和教育部科学技术研究重点项目（项目名称：煤矿矿井水的混凝特性与除铁除锰技术研究，编号：107022）的资助。
业共性技术的研究”，其中在国家重大战略需求的基础研究领域明确提到“重点开展水循环与水资源高效利用”。
2006年12月国家发改委颁布了《矿井水利用专项规划》，其中明确指出“加大矿井水利用技术研发力度，注重自主创新，重点研发具有自主知识产权的关键技术；加强技术创新能力建设，建立以企业为主体的技术创新体系，推动“产学研”的联合，促进矿井水利用科技成果的产业化；组织实施矿井水利用的重大示范工程，研究和推广适用于重要产矿区、严重缺水矿区及大涌水矿区的矿井水利用技术，不断扩大矿井水利用规模，提高矿井水利用水平。
”可见做好矿井水资源化利用工作既是满足国家层面的战略部署和要求，又是国民经济发展的重大要求。
1.2矿井水资源化利用是煤炭生产安全与可持续健康发展的重要保证煤炭是我国的主要能源，煤炭工业的健康持续发展是我国能源安全的重要保证。
2005年全国生产煤炭19.5亿吨，约占一次能源生产总量的74％，但依然不能满足我国经济快速增长的需要，在今后相当长的时期内，能源生产和消费以煤为主的格局不会有大的改变，煤炭产量还会逐年增加。
根据2005年对全国年产量20万吨、近年涌水量60万立方米/年（含）以上的煤矿统计，全国煤矿每年矿井水涌水量在42亿立方米左右，约占全国矿井水排放量（有色、冶金、黄金、化工等矿山）80％以上，而目前矿井水利用主要是经过简单沉淀后用于洗煤、井下防尘等方面，利用率不到26％，大部分矿井水未经处理直接排放[2]。
矿井水的大量排放，不仅严重污染环境，而且造成水资源极大浪费。
随着国家大型煤炭基地的建设，煤化工、煤电联合等下游产业链的进一步延伸，以及环境保护力度的日益加大，矿井水污染问题在煤矿地区已凸显出来。
在我国规划建设的十三个大型煤炭基地及相邻城市的地下水、地表水水位急剧下降，不仅造成了地面沉降、地表塌陷等地质灾害，而且使农耕环境退化、生态平衡受到破坏，并严重污染地下和地表水体。
为此，国家发改委明确要求，在2010年前矿井水利用率必须提高到60％以上，并作为煤矿地区重要的第二水源，未达标的一律不得再批准新建项目。
这些政策引向，为矿井水的大规模利用提供了巨大的发展空间，矿井水资源化利用的市场需求不断扩大，价值不断提高。
因此，煤矿矿井水的资源化利用既是解决制约未来煤矿企业可持续发展“瓶颈”问题的关键，也是其可持续发展的必然选择。
1.3矿井水资源化需要强有力的技术支持我国矿井水资源化利用起步晚，发展慢，利用率低，重视不够，重要的是煤矿矿井水资源化利用的关键技术不过关。
长期以来，对煤矿矿井水的水质特性缺乏深入系统研究，更缺乏关键处理技术的支撑。
2 矿井水的特点煤矿矿井水的水质受到水文条件、水动力学、矿床地质构造与开采条件的影响，在采矿活动中，与煤层、岩层、空气、煤灰等接触混合，其水质会发生一系列的物理化学和生化变化，与普通地表水或地下水水质相比具有明显的差异，具有显著特性，主要体现在：①高浊：一般煤矿矿井水悬浮物含量明显高于地表水，由于其悬浮颗粒组成主要是轻质细微煤粉和煤质腐殖质类，感观性状差；粒度细微、比重轻、负电性强，十分稳定，不易凝聚沉降[3]。
②高铁锰：煤矿矿井水属于地下涌出水，地下水中一般都含有高浓度的二价铁、锰金属离子，接触空气后，部分二价铁、锰金属离子会转化成高价铁锰离子，并吸附包裹在细微悬浮颗粒表面，形成复杂的物相[4]。
③高矿化度：除含有高浓度的铁、锰金属离子外，煤矿矿井水还含有大量钙镁离子，以及氯、硫酸根等阴离子，因此具有高矿化特征[5]。
④高污染物：矿井水一般呈酸性，除了高浊、高铁锰和高矿化度外，更严重的是，水中还含有大量有毒重金属和有机污染物，如铅、砷、铬、镉、多环笨类化合物，以及煤焦油、腐殖质等，这些有毒重金属和有机物一般都高于环境标准的几倍甚至上百倍。
煤矿矿井水显著的水质特征是高浊、高铁锰、高盐份、高污染，且其水质特征依地区不同而具有显著差异。
因此，煤矿矿井水直接排放，势必造成环境严重污染，而传统常规水处理技术不能有效净化处理这类矿井水，多数地区的煤矿矿井水处理不达标。
因此，当前矿井水资源化亟需强有力的关键处理技术支撑，要实现“2010年前矿井水利用率必须提高到60％以上，并作为煤矿地区重要的第二水源”，实现“水循环与水资源高效利用”的目标，国家、企业、科研院校必须加大科研投入力度，立足于当前国民经济和社会发展的紧迫要求，将矿井水资源化利用的重大关键处理技术开发放在突出位置，加强工艺技术和产业共性技术的研究，为矿井水资源化、规模化利用提供强有力的技术支撑。
3 矿井水资源化关键技术与示范本文针对矿井水独特的水质特性，攻克矿井水资源化利用技术的“瓶颈”难题，创新研制开发拥有自主知识产权的，适合于高浊、高铁锰、高矿化度和高污染的矿井水资源化利用的新型处理回用工艺及其关键技术、设备，促进煤炭开采与生态环境保护的协调发展，为矿区矿井水资源化利用提供技术支撑。
3.1 关键技术（1）煤矿区各类矿井水水化学行为研究针对煤矿区开采过程中，矿井水高浊、高铁锰、高矿化度、高污染的水质特征，以及水质随地域、时空变化等复杂问题，系统的研究典型矿区矿井水水化学变化行为，深入揭示典型矿井水中各类污染物分布规律，探讨矿井水中污染物悬浮物稳定相变规律，为研制开发新型矿井水资源化利用工艺和关键技术提供科学依据。
（2）煤矿区高浊矿井水资源化利用关键技术根据高浊矿井水的水化学行为特征，研究不同影响因子下，悬浮物的混凝沉降规律及对出水水质的影响，确定高浊矿井水的混凝沉降特性及GT值控制指标，探索高浊矿井水资源化利用的最佳混凝去除技术条件，提出高浊矿井水设计参数的新规范，建立实用新型的强化混凝处理工艺技术系统。
（3）煤矿区高铁锰矿井水资源化利用关键技术与净化机理研究针对高铁锰矿井水处理，通过滤料表面改性，筛选并研发新型、高效、启动快的锰砂滤料，最终研制开发并优化适用于去除矿井水中悬浮物、高铁锰离子的新型一体化的矿井水除铁、锰组合工艺。
（4）煤矿区高矿化度矿井水资源化利用关键技术针对高矿化度矿井水水质特点，重点研究探讨反渗透膜工艺脱盐效能及其膜污染清除技术，以及适配的前置预处理单元技术，形成并建立针对高矿化度矿井水资源化利用的新型膜处理技术系统。
（5）煤矿区酸性重污染矿井水资源化利用关键技术研究探讨矿井水水质，尤其是pH值和重金属污染物随采矿时间的变化规律，重点研发酸性重污染矿井水的经济实用的净化处理关键技术，开发新型、高效、低耗的生态组合工艺。
（6）煤矿区微污染矿井水饮用处理安全保障技术研究针对严重缺水矿区重金属和有机物微污染的矿井水水质特征，研制开发适用于微污染矿井水的安全饮用水净化处理方法和技术，提出并建立微污染矿井水安全处理技术保障措施及合理可行的工艺。
（7）大型煤炭基地矿井水井下就地复用关键技术与装备结合特大型、大型煤矿区综采设备冷却、乳化液配比、井下防尘、洒水对矿井水就地复用的水量、水质要求，充分利用废弃巷道的沉降过滤特性，摸索解决矿井水井下就地处理施工难、空间有限、防爆、防静电等级高等技术难题，提出实用新型的矿井水井下复用工艺，并对处理设备的几何尺寸及设计参数重新定位研究，形成矿井水井下就地复用定型产品与装备，并确定相应的施工工艺与技术操作规程。
（8）矿井水处理技术支撑体系建立与资源化利用示范推广在以上研究基础上，结合矿井水利用专项规划，建立拥有自主知识产权、高效、经济的矿井水处理技术支撑体系，并以水资源高效利用为目标，建立多个高效、节能的矿井水资源化利用示范工程。
3.2 技术创新（1）典型煤矿区高浊矿井水强化快速混凝关键技术及成套设备。
（2）典型煤矿区高铁锰矿井水快速预氧化、过滤关键技术及新型滤料技术与装备。
（3）典型高矿化度矿井水高效除盐膜滤技术系统及膜污染清洗技术。
（4）经济实用的酸性重污染矿井水快速氧化中和处理关键技术及工艺示范。
（5）以矿井水为水源的饮水安全处理保障技术系统。
（6）大型煤炭基地矿井水井下就地复用处理关键技术、装备与工程。
4 研究基础及成果国内外以往的研究对矿井水资源化应用技术形成了较好的基础，但存在问题是，力量分散，方向不集中，系统性差，特别是缺少具有深层次基础理论和基本规律支撑下的技术创新研究成果和示范工程。
我国从20世纪70年代就开始进行矿井水净化后供给生活饮用水的试验研究，主要采用了混凝、沉淀、过滤工艺，使出水达到了饮用水标准。
在80～90年代中国矿业大学北京研究生部，从胶体化学、电化学角度分析了矿井水的净化机理，并对混凝剂的选择作了大量试验。
经过多年技术积累，在矿井水处理利用方面取得如下成果：（1）在高浊矿井水处理方面，结合国家发改委示范工程项目“鹤壁矿区矿井水回收利用”，揭示了煤种与煤矿矿井水水质之间的相关特性，研究出高浊矿井水的混凝沉降规律，提出了不同水质矿井水与混凝剂选择与优化之间的匹配关系，突破现行的水处理设计规范，提出合理的GT值范围，为高浊矿井水处理提供理论依据。
