一种煤矿地下水库中水体的处理方法

摘要

本发明公开了一种煤矿地下水库中水体的处理方法，包括如下步骤：步骤1：根据井下不同矿井水源进入地下水库中水体的水质情况，将所述水体分为悬浮物超标水体、重金属超标水体和有机物超标水体；步骤2：将所述地下水库相应地分为用于去除悬浮物的悬浮物污染处理水库、用于去除重金属的重金属污染处理水库和用于通过试剂去除有机物和无机物的试剂处理水库；步骤3：将所述悬浮物超标水体引入所述悬浮物污染处理水库中，通过直接过滤将所述悬浮物超标水体处理为合格水体；将所述重金属超标水体引入重金属污染处理水库，通过模块化水处理方法将所述重金属超标水体处理为合格水体；将所述有机物超标水体引入所述试剂处理水库，通过添加试剂将所述有机物超标水体处理为合格水体。

说明书

技术领域

本发明涉及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其涉及一 种煤矿地下水库中水体的处理方法。

背景技术

我国是缺水国家，水资源短缺现象对国民经济发展和人民生活的改 善构成了严重威胁。矿井水在煤炭开采过程中不可避免产生，作为一种 宝贵的水资源，仅国有重点煤矿每年排放的矿井水就高达22亿吨，平均 每开采一顿煤需要排放2吨废水。一方面，矿井水的外排，不仅浪费了 大量宝贵的水资源，而且对周边环境极易构成严重的环境污染。另一方 面，我国西部地区赋存着丰富的煤炭资源，但水资源匮乏，使得矿区用 水及周边区域用水紧张的进一步恶化，已经严重制约了矿区的正常生产， 不利于资源与环境的协调发展。

当前，矿井地下水仍以抽排到地面为主，由于水资源利用的季节性 等因素，造成水资源的极大浪费，加剧当地供给的失衡。同时对矿井水 悬浮物等水质的处理方法大多仍是在矿井水由井下排放在地面进行处 理，也容易造成二次污染。

为了在采煤过程中最大限度保护地下水资源，实现煤炭资源与环境 协调开发，神华集团有限责任公司开发建设了煤矿分布式地下水库。煤 矿地下水库是在煤炭开采形成的采空区基础上人工构筑而成的，利用采 空区空隙储存矿井水。发明的“一种煤矿分布式地下水库水资源的净化 方法”通过水库内破碎岩体的吸附沉淀作用，可将矿井水的悬浮颗粒物 过滤沉淀。但是，煤矿井下矿井水的污染源不同，在利用煤矿地下水库 对矿井水体净化处理过程中，出现了不同污染的水体相互交叉，容易造 成相互影响，影响了矿井水净化效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种在井下能够直 接对水体进行净化处理的煤矿地下水库中水体的处理方法，确保地下水 库的水质可直接满足井下生产需要。

本发明技术方案提供的一种煤矿地下水库中水体的处理方法，包括 如下步骤：步骤1：根据井下不同矿井水源进入地下水库中水体的水质情 况，并在所述水体进入所述地下水库之前，将所述水体分为悬浮物超标 水体、重金属超标水体和有机物超标水体；步骤2：将所述地下水库相应 地分为用于去除悬浮物的悬浮物污染处理水库、用于去除重金属的重金 属污染处理水库和用于通过试剂去除有机物和无机物的试剂处理水库； 步骤3：将所述悬浮物超标水体引入所述悬浮物污染处理水库中，通过直 接过滤将所述悬浮物超标水体处理为合格水体；将所述重金属超标水体 引入重金属污染处理水库，通过模块化水处理方法将所述重金属超标水 体处理为合格水体；将所述有机物超标水体引入所述试剂处理水库，通 过添加试剂将所述有机物超标水体处理为合格水体。

进一步地，将悬浮物超标水体根据其悬浮物超标程度分为第一悬浮 物超标水体和第二悬浮物超标水体，其中所述第一悬浮物污染水体中悬 浮物的超标程度大于所述第二悬浮物水体中悬浮物的超标程度，在步骤3 中还包括步骤31：将第一悬浮物超标水体引入净化距离长、垮落岩石砾 度小的所述悬浮物污染处理水库进行净化处理；将第二悬浮物超标水体 引入净化距离短、垮落岩石砾度大的所述悬浮物污染处理水库进行净化 处理。

进一步地，所述重金属污染处理水库中设置有用于处理所述重金属 超标水体中重金属的重金属处理装置；在所述重金属污染处理水库的周 边挖掘多个硐室，在每个所述硐室内布置有至少一台便携的所述重金属 处理装置。

进一步地，所述模块化水处理方法，是将所述重金属处理装置与所 述重金属污染处理水库的进水孔串联，所述重金属超标水体首先注入所 述重金属处理装置内，并经所述重金属处理装置进行处理之后，再将处 理后的合格水体排出所述重金属污染处理水库。

进一步地，所述试剂被添加在所述试剂处理水库的入水口处。

进一步地，所述步骤3中还包括步骤32：根据有机物污染的类型， 将所述试剂处理水库进一步分为COD污染处理水库，并将所述有机物超 标水体进一步分出COD超标水体，将该COD超标水体引入相应的所述 COD污染处理水库进行净化处理。

进一步地，对于包括悬浮物超标水体、重金属超标水体和有机物超 标水体的所述水体，将按照有机物污染处理、重金属污染处理、悬浮物 污染处理的顺序依次进行污染处理。

进一步地，将所述试剂处理水库、所述重金属污染处理水库和所述 悬浮物污染处理水库顺次串联连通。

进一步地，在步骤1中还进一步从所述水体中分出氨氮超标水体， 并在步骤3中将所述氨氮超标水体引入所述试剂处理水库，通过添加试 剂去除所述氨氮超标水体的超标氨氮，将所述氨氮超标水体处理为合格 水体。

进一步地，在步骤1中还进一步从所述水体中分出氟化物超标水体， 并在步骤3中将所述氟化物超标水体引入所述试剂处理水库，通过添加 试剂去除所述氟化物超标水体的超标氟化物，将所述氟化物超标水体处 理为合格水体。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

通过将不同矿井水源引入地下水库中的水体进行分类，分为悬浮物 超标水体、重金属超标水体和有机物超标水体，再将地下水库相应地分 为悬浮物污染处理水库、重金属污染处理水库和试剂处理水库，再分别 将悬浮物超标水体引入悬浮物污染处理水库中，通过直接过滤将悬浮物 超标水体处理为合格水体；将重金属超标水体引入重金属污染处理水库， 通过模块化水处理方法将重金属超标水体处理为合格水体；将有机物超 标水体引入试剂处理水库，通过添加试剂将有机物超标水体处理为合格 水体。

通过设置不同的地下水库对不同污染的水体进行净化处理，避免矿 井水污染物相互影响，有利于保障了地下水库的水质安全，同时减少因 大量水体被提升到地面处理增加的成本，提高了地下水井下利用效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种煤矿地下水库中水体的处理方法的步骤示 意图；

图2为对水体进行分类的示意图；

图3为对地下水库进行分类的示意图；

图4为将不同污染的水体引入相应的地下水库进行处理的示意图。

附图标记对照表：

1-水体；                    11-悬浮物超标水体；

12-重金属超标水体；         13-有机物超标水体；

2-地下水库；                21-悬浮物污染处理水库；

22-重金属污染处理水库；     23-试剂处理水库；

221-重金属处理装置。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

在煤矿开采过程中，会有多种水体从不同的矿井水源被引入地下水 库中，为了避免不同的水体之间交叉污染，需要在不同的水体(矿井水) 进入下地下水库之前，对上述不同的水体进行分类处理。

如图1-4所示，本发明提供的一种煤矿地下水库中水体的处理方法， 包括如下步骤：

步骤1：根据井下不同矿井水源进入地下水库2中水体1的水质情况， 并在水体1进入地下水库2之前，将水体1分为悬浮物超标水体11、重金属 超标水体12和有机物超标水体13；

步骤2：将地下水库2相应地分为用于去除悬浮物的悬浮物污染处理 水库21、用于去除重金属的重金属污染处理水库22和用于通过试剂去除 有机物和无机物的试剂处理水库23；

步骤3：将悬浮物超标水体11引入悬浮物污染处理水库21中，通过直 接过滤将悬浮物超标水体11处理为合格水体；

将重金属超标水体12引入重金属污染处理水库22，通过模块化水处 理方法将重金属超标水体12处理为合格水体；

将有机物超标水体13引入试剂处理水库23，通过添加试剂将有机物 超标水体13处理为合格水体。

本发明提供的处理方法，在从不同矿井水源引入的矿井水进入地下 水库2之前进行分类，上述水体1为进入地下水库2之前的矿井水。

该煤矿地下水库中水体的处理方法，首先确定煤矿地下水库2垮落岩 体与水体1的水质作用关系，具体为：

通过试验确定地下水库2的参数与水质作用的关系。包括：地下水库 2的空间大小、库内垮落岩体砾度和岩性对污染水体吸附、沉淀的过滤关 系，地下水库2内垮落岩体与污染水体的离子交换关系。

试验的手段以模型试验为主，利用地下水库2现场取样测试数据进行 校验。模型的建立应考虑地下水库2的空间尺寸、岩体岩性、垮落砾度、 矿井水流速与流向等参数。通过模拟地下水库2的岩体对水体1的水质过 滤过程，获得水质的变化曲线，同时在现场取样化验，用实测值对模拟 值进行验证。

再选定煤矿地下水库2水质处理参数，具体为：

根据拟进入地下水库2的水体1的水质情况，对水体1进行分类。将水 体分为悬浮物超标的水体11、重金属超标水体12和有机物超标水体13。 需要在水体1进入地下水库2之前对水体通过监测进行分类，以利后续处 理。例如，假设从第一水源处引入的水体1为悬浮物超标的水体11，从第 二水源处引入的水体1为重金属超标水体12，从第三水源处引入的水体1 为有机物超标水体13，则需要对上述三种水体1分别进行处理，避免不同 的水体1一同汇入地下水库2造成交叉污染。

悬浮物超标的水体11即为物理悬浮物污染超标的水体；重金属超标 水体12即为重金属污染超标的水体；有机质超标水体13即为有机物污染 超标的水体。

根据上述煤矿地下水库2内矸石与水质作用的关系，结合污染水体 的类型，选定水处理参数。选定的原则：对于悬浮物超标的水体11，即 为物理悬浮物污染超标的水体，选定地下水库直接过滤处理。对于重金 属超标水体12，即为重金属污染超标的水体，选定模块化水处理方法进 行处理。对于有机物超标水体13，即为有机质污染超标的水体，选定在 地下水库内添加试剂的方法进行处理。

再对煤矿地下水库2进行分类对不同污染的水体1分别进行处理，根 据煤矿地下水库水处理参数，为了避免交叉污染，对地下水库2进行分类， 并设置相应地处理设备与试剂。将地下水库2分为悬浮物污染处理水库 21、重金属污染处理水库22和试剂处理水库23。

悬浮物污染处理水库21用来将悬浮物超标水体11引入，通过直接 过滤将悬浮物超标水体11处理为合格水体。重金属污染处理水库22用 来将重金属超标水体12引入，通过模块化水处理方法将重金属超标水体 12处理为合格水体。试剂处理水库23用来将有机物超标水体13引入， 通过添加试剂将有机物超标水体13处理为合格水体。

重金属污染处理水库21与模块化水处理设备串联，避免污染其他水 库。

最后根据地下水库2中水体1的水质监测情况，结合选定的地下水库 对不同污染的水体1选择不同的地下水库进行处理，具体如下：

(1)对于悬浮物超标水体11，即物理悬浮物污染超标的水体，选定 悬浮物污染处理水库21直接过滤处理。即将悬浮物超标水体11引入悬 浮物污染处理水库21中，通过直接过滤将悬浮物超标水体11处理为合 格水体。地下水库是在煤炭开采形成的采空区基础上人工构筑而成的， 煤炭开采后覆岩垮落，使得采空区内充填有孔隙状岩块，根据岩性及开 采参数的不同，储水系数大致为0.15-0.35。直接过滤就是在上述悬浮物 污染处理水库21的上游设置注水孔，在悬浮物污染处理水库21的下游 设置出水孔，利用水库内岩体空隙的吸附沉淀作用，将矿井水的悬浮物 超标的水体11中的悬浮颗粒物过滤。

(2)对于重金属超标水体12，即为重金属污染超标的水体，选定重 金属污染处理水库22，通过模块化水处理方法进行处理。根据污染水体 的重金属超标类型，煤矿地下水常超标的离子为铁离子，选定相应的重 金属处理装置221，将重金属超标水体12首先送入重金属处理装置221， 净化后经检测合格再送入地下水库。即将重金属超标水体12引入重金属 污染处理水库22，通过模块化水处理方法将重金属超标水体12处理为合 格水体。

上述在重金属污染处理水库22中使用重金属处理装置221来处理重 金属超标水体12中的重金属方法称之为该处模块化处理方法。

(3)对于机物超标水体13，即有机质污染超标的水体，选定有试剂 处理水库23。根据污染的机物超标水体13的有机物超标类型，在试剂处 理水库23入水口处添加相应试剂。即，将有机物超标水体13引入试剂 处理水库23，通过添加试剂将有机物超标水体13处理为合格水体。

有机物超标水体13添加的试剂需根据具体超标类型确定，矿井水质 监测中常见的有机物超标类型为化学需氧量cod超标，可采用混凝剂。

由此，本发明提供的煤矿地下水库中水体的处理方法，通过对水体 进行分类，并相应地对地下水库进行分类，通过设置不同的地下水库对 不同污染的水体进行净化处理，避免矿井水污染物相互影响，有利于保 障了地下水库的水质安全，同时减少因大量水体被提升到地面处理增加 的成本，提高了地下水井下利用效率。

较佳地，将悬浮物超标水体11根据其悬浮物超标程度分为第一悬浮 物超标水体和第二悬浮物超标水体，其中第一悬浮物污染水体中悬浮物 的超标程度大于第二悬浮物水体中悬浮物的超标程度，在步骤3中还包 括步骤31：将第一悬浮物超标水体引入净化距离长、垮落岩石砾度小的 悬浮物污染处理水库21进行净化处理；将第二悬浮物超标水体引入净化 距离短、垮落岩石砾度大的悬浮物污染处理水库21进行净化处理。

根据污染水体的污染程度，分为悬浮物污染重的水体(即第一悬浮 物超标水体)和悬浮物污染轻的水体(即第二悬浮物超标水体)两类。 悬浮物污染重和悬浮物污染轻以100mg/L为标准，水体中含有悬浮物高 于100mg/L为污染重的水体，低于100mg/L为污染轻的水体。

根据污染程度，设置不同处理效果的悬浮物污染处理水库21进行过 滤净化。

悬浮物污染轻的水体，即第二悬浮物超标水体送入净化距离短、垮 落岩体砾度大的悬浮物污染处理水库21中，将悬浮物污染重的水体，即 第一悬浮物超标水体送入净化距离长、垮落岩体砾度小的悬浮物污染处 理水库21中。

通过净化距离的长短和垮落岩体砾度的大小来控制处理不同的悬浮 物超标水体，进一步提高了净化效果。

根据试验数据分析，净化距离长、垮落岩石砾度小的过滤效果好， 但过滤时间长。如果不分悬浮物污染程度的轻重，都注入该地下水库可 能导致过滤的速度不能满足水的使用需求。但注入距离短、垮落岩石砾 度大的水库可能无法满足过滤的水质要求。因此，优选的办法是将悬浮 物污染矿井水分为两类，既满足水质要求也保障用水需求，具体为：

将污染程度重的第一悬浮物超标水体，采用净化距离长、垮落岩体 砾度小的悬浮物污染处理水库21处理，可以保证净化效果。

将污染程度轻的第二悬浮物超标水体，采用净化距离短、垮落岩体 砾度大的悬浮物污染处理水库21处理，一方面可以保证净化效果，另一 方面保证过滤的速度能够满足水的使用需求。

较佳地，如图3-4所示，重金属污染处理水库22中设置有用于处理 重金属超标水体12中重金属的重金属处理装置221，在所述重金属污染 处理水库22的周边挖掘多个硐室，在每个硐室内布置有至少一台便携的 重金属处理装置221。

通过设置重金属处理装置221，先将重金属超标水体12通过重金属 处理装置221处理，将重金属降至所需标准，再将合格水注入水库，使 污染水达到净化效果。可以根据不同的重金属采用不同的重金属处理装 置221。该重金属处理装置221为小型的便携的设备，利于在空间受限的 地下水库中使用，其具有小型化、可移动特点，根据地下水库的寿命和 需要，方便转移。该重金属处理装置221可以为现有的能够处理重金属 的重金属处理器，在此不再赘述。

矿井水常见的重金属污染为铁、锰超标，根据超标的重金属类型， 选用相应的重金属处理装置221。例如，矿井水经地下水库过滤后，引入 重金属处理装置221，利用射流器直接曝气，使空气中的氧气与水中的铁、 锰等离子充分氧化后沉淀，再将过滤了沉淀物的清水输入到清水管网。

较佳地，上述模块化水处理方法，是将重金属处理装置221与重金 属污染处理水库22的进水孔串联，重金属超标水体12首先注入重金属 处理装置221内，并经重金属处理装置221进行处理之后，再将处理后 的合格水体排出重金属污染处理水库22。

模块化水处理，是将重金属处理装置221与与重金属污染处理水库 22的进水孔串联或者其它地下水库2的出水孔串联，重金属超标水体12 首先注入重金属污染处理水库22进行过滤，其先注入重金属处理装置 221内，并经重金属处理装置221进行处理，然后再存储在重金属污染处 理水库22内，需要使用该处合格水体时，再引入水处理装置将合格水体 排入其他所需水库内。

较佳地，试剂被添加在试剂处理水库23的入水口处。将试剂被添加 在试剂处理水库23的入水口处，利于在有机物超标水体13进入试剂处 理水库23时，立刻通过试剂进行净化处理，提高了净化效果。

较佳地，步骤3中还包括步骤32：根据有机物污染的类型，将试剂 处理水库23进一步分为COD污染处理水库，并将有机物超标水体13进 一步分出COD超标水体，将该COD超标水体引入相应的COD污染处理 水库进行净化处理，进一步提高了净化效果。

COD是化学需氧量。化学需氧量、氨氮、氟化物含量是水质检测的 内容。矿井水中可能其中一项指标超标，可能多项指标超标，因此根据 矿井的具体情况设置污染处理水库。如化学需氧量超标，则将水体引入 相应的COD污染处理水库进行处理，避免交叉污染。

较佳地，对于包括悬浮物超标水体11、重金属超标水体12和有机物 超标水体13的所述水体1，将按照有机物污染处理、重金属污染处理、 悬浮物污染处理的顺序依次进行污染处理，避免其他污染物残留，影响 水库的处理效果。

即，假如从某一水源处引入的水体1包括上述悬浮物超标水体11、 重金属超标水体12和有机物超标水体13，上述三种被污染的水体为一 体，为了将水体1中的污染物净化干净，并避免交叉污染，则按照先处 理有机物污染，再处理重金属污染，最后处理悬浮物污染的顺序依次进 行污染处理，提高净化效果。

较佳地，将试剂处理水库23、重金属污染处理水库22和悬浮物污染 处理水库21顺次串联连通。按照有试剂处理水库23、重金属污染处理水 库22、悬浮物污染处理水库21的顺序串联，一方面利于将含有多种污染 的水体1按照有机物污染处理、重金属污染处理、悬浮物污染处理的顺 序依次进行污染处理，另一方面利于将合格水体融合在一起利用，提高 了利用效率。

较佳地，在步骤1中还进一步从水体1中分出氨氮超标水体，并在 步骤3中将氨氮超标水体引入试剂处理水库23，通过添加试剂去除氨氮 超标水体的超标氨氮，将氨氮超标水体处理为合格水体。

氨氮含量是水质检测的内容。矿井水中，如氨氮含量超标，则将该 氨氮超标水体引入试剂处理水库23，通过在试剂处理水库23添加试剂， 例如混凝剂等，将氨氮超标水体处理为合格水体。

较佳地，在步骤1中还进一步从水体1中分出氟化物超标水体，并 在步骤3中将氟化物超标水体引入试剂处理水库23，通过添加试剂去除 氟化物超标水体的超标氟化物，将氟化物超标水体处理为合格水体。

氟化物含量是水质检测的内容。矿井水中，如氨氮含量超标，则将 该氟化物超标水体引入试剂处理水库23，通过在试剂处理水库23添加试 剂，例如混凝剂等，将氟化物超标水体处理为合格水体。

上述氨氮和氟化物属于无机物，由于试剂处理水库23能够通过添加 试剂去除水体1中有机物和无机物，上述氨氮超标水体和氟化物超标水 体都可以在试剂处理水库23中通过添加试剂进行净化处理。

也即是，有机物超标水体13、氨氮超标水体和氟化物超标水体都可 以在试剂处理水库23中通过添加试剂进行净化处理。当水体1中含有有 机物超标水体、氨氮超标水体和氟化物超标水体中的一种水体或几种水 体时，可直接将上述水体引入试剂处理水库23通过添加混凝剂进行处理。

当然，如有机物超标水体13中COD超标时，优选地将其引入COD 污染处理水库进行净化处理，避免交叉污染，提高净化效果。

本发明提供的煤矿地下水库中水体的处理方法，解决了煤矿地下水 库的水源污染问题，保障了地下水库的水质安全，实现了矿井水资源的 安全利用。通过对煤矿地下水库内矸石物性和水文地质条件的勘察和试 验，掌握地下水库内垮落矸石与地下水相互影响的物理化学特性，结合 水质监测情况，进行污染水体的实地分类处理和进行地下水库相应分类 处理，使地下水库内水体保持水质稳定，避免了交叉污染和污染物超标， 同时减少因大量水体被提升到地面处理增加的成本和利用效率。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本 领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其 它变型，也应视为本发明的保护范围。