侯 嬪，段書樂，范業(yè)承，于 躍，何緒文，伯 磊，張子航

（1.中國礦業(yè)大學（北京）化學與環(huán)境工程學院，北京100083；2.中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京100083）

在我國，長期以來存在著煤炭開發(fā)與地下水資源保護不協(xié)調的問題。據調查，陜西省大海則煤礦區(qū)內不僅水系不發(fā)達，而且旱季大部分河流均枯竭斷流。此外，該礦區(qū)年平均蒸發(fā)量為2 283.86 mm，是降雨量的5～7倍，又因為井下排水中SO42-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Na+等離子含量較高（其中SO42-、Ca2+、Na+濃度分別為3 070.64、471.16、925.56 mg/L），懸浮物（SS）含量大（600～3 000 mg/L），常規(guī)的礦井水處理項目建設投資高、運行處理成本高[1-2]。而且一般礦井水經過水處理工藝凈化處理后，雖可重新回灌至地表松散層[3]，但該回用方法效率偏低，難免會造成水資源大量損耗。顯然，水資源缺乏、回用成本高和回用效率低已制約了該煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

如果要提高礦井水利用率、降低回用成本、改善時空用水分配不均和加強對水資源保護，就必須優(yōu)化礦井水的利用方案與處理技術。倪深海[5]對我國煤礦礦井水資源綜合利用潛力進行系統(tǒng)推測，明確了各地區(qū)礦井水資源利用發(fā)展方向和利用重點；苗立永[6]等根據礦井水處理工藝以及用水單位對水質的要求，總結了礦井水分質資源化的綜合利用途徑，提出了礦井水回用于生產、生活、生態(tài)和其他用水的多方面利用理念；閆佳偉[7]等人總結了全國53處煤礦礦井水利用率、利用方式、利用價格等現(xiàn)狀基礎，提出開發(fā)高質量礦井水、增加礦井水產業(yè)化和規(guī)?；c廢棄礦井水資源化利用的展望。以上研究成果雖然分別從礦井水源頭、利用途徑2個方面提高了礦井水的綜合利用率，但各地區(qū)礦井水資源存在地區(qū)差異和基礎利用條件不同的特點，依然制約著水資源高效利用的發(fā)展。此外，充分利用井下空間構建井下和復用系統(tǒng)有利于礦井水的治污和排污[8]。同時還可考慮智能化技術與新興的分布式地下水庫凈化循環(huán)利用技術相結合，協(xié)同促進礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[9]。

近年來，“智慧水務”已成為當今水處理行業(yè)的重點話題之一，尤其是在煤礦礦井水智能控制技術的發(fā)展過程中，已逐步可實現(xiàn)加藥、排泥、給水排水和冷卻等電動液控系統(tǒng)的自動化[10-14]的控制，以及遠程監(jiān)測地下水位、水質和預防地下水災害等[15-17]的目的。然而，國內礦井水排放與處理過程中仍普遍存在自動化程度低、可靠性差、處理困難和工人勞動強度大等問題[18]，尚不能很好地實現(xiàn)全過程量質耦合的高效綜合利用，所以有必要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行優(yōu)化升級，從而充分實現(xiàn)煤礦礦井水處理的自動化監(jiān)測與控制，達到高效靈活的配置礦區(qū)水資源的目的。為此重點分析了陜西省大海則煤礦礦井水循環(huán)利用過程中存在的問題，探討了不同時間、空間條件下礦井水的水量水質變化規(guī)律，重構了礦區(qū)水平衡圖，確定了礦井水井下-地面綜合利用途徑，并初步提出了礦井水井下-地面多目標協(xié)同智能調配技術，這對礦井水井下-地面高效利用的發(fā)展以及煤礦企業(yè)智慧化進程具有重要推動作用。

1 礦井水量質耦合變化規(guī)律

1.1 礦井水水量

通過對該煤礦礦井水供水現(xiàn)狀的調查分析可知，該礦井正常涌水時井下排水量為35 520 m3/d（含黃泥灌漿析出水量為960 m3/d）。從水資源利用的角度分析，礦井水資源量應為相對穩(wěn)定階段的礦井涌水量，但在實際生產中，影響礦井涌水的因素很多，同時這些因素彼此之間相互作用，這就造成該礦井涌水量的波動，實際涌水量最大可達到52 800 m3/d。因此僅通過礦井水的供給端來實現(xiàn)高效利用是不滿足未來的發(fā)展方向的，還必須充分考慮礦區(qū)的需水情況[19]，讓礦井水資源形成適應當?shù)靥囟ㄐ枨蟮木C合利用方案。

首先分析了礦區(qū)采暖季的礦井水利用方案，礦區(qū)礦井水原水量平衡圖（采暖季）如圖1。

由圖1可知，該礦區(qū)生活、消防、灌漿和鍋爐房4個用水點的水資源需求量較大，分別為1 286.7、2 738.1、1 145.8、1 680.0 m3/d，總量約占礦區(qū)用水的76%。此外可知換熱站、乏風機組用水總量為995.0 m3/d，綠化用水168.1 m3/d，洗煤補充用水924.2 m3/d，除塵用水量為80.0 m3/d。上述雖然對礦區(qū)礦井水大范圍需求量做了不同程度的分析，但不難發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)原礦井水就地利用率極低，回用于該礦區(qū)的總水量僅占礦井排水量的22.1%。因此，在礦井水的處理過程中，水量平衡分析不僅要表現(xiàn)為“總水量”的守恒，而是要用最短的流程把污染物處理掉，同時根據具體的用水要求，加強中間用水點的調控，提高處理過程中對用水潛力的開發(fā)，達到更經濟有效的分級回用模式。

1.2 礦井水水質分析

通過對礦區(qū)進行實地調研和現(xiàn)場監(jiān)測可知，該礦區(qū)礦井水與附近礦井水質特點相似，進水SS和硬度分別為3 000 mg/L和1 333 mg/L，表現(xiàn)為“高濁和高硬度”。該礦區(qū)礦井水現(xiàn)采用二級處理技術，處理單元包括調節(jié)預沉池、機械過濾器、高效旋流器、高密度沉淀池和V型濾池，各處理單元水質情況和回用水質標準見表1。

圖1 礦區(qū)礦井水原水量平衡圖（采暖季）Fig.1 Raw water balance of mine water in mining area（heating season）

表1 礦井水各處理單元水質及回用標準Table 1 Water quality and reuse standards of each treatment unit for mine water

由表1可以看出，預處理系統(tǒng)中調節(jié)預沉池可去除部分大顆粒懸浮物，高效旋流處理后可進一步降低水中的懸浮物，出水SS可降至30 mg/L；二級處理單元經除硬-混凝沉淀-pH調節(jié)-過濾4個部分后除SS和COD部分降低外，硬度基本除去。實際運行中，調節(jié)池還具有調節(jié)水量的作用，解決了礦井水出水不均勻的問題，是該處理工藝重要的井下水處理構筑物。但是，二級處理后出水還不能達到更高的礦井水回用標準和要求，因此將礦井水處理工藝優(yōu)化為三級處理系統(tǒng)，即在原有二級處理的基礎上，補充三級深度處理工藝單元，包括自清洗過濾及超濾-反滲透-消毒，可有效降低菌類、鹽度、膠體和有機物等的濃度。在礦井水三級處理工藝的基礎上，根據用水需要，初步構建了礦井水分級分質利用途徑。

但從提高回用率的角度分析，僅考慮凈化工藝出水的水質情況是否滿足回用標準是不夠的[20]，還需要根據對各處理階段水質與復用水水質標準的綜合分析，根據時間和空間布置確定具體的用水點和用水量，從而實現(xiàn)礦井水井下-地面、分級分質的高效利用的目的。

1.3 礦井水量質與時空變化的規(guī)律

為了進一步明確礦井水高效利用的技術途徑，考察了不同時間（采暖季和非采暖季）和空間（井下-地面）對礦區(qū)實際礦井水回用水需求量的影響。

首先，通過分析發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)下該礦區(qū)回用水的需求量變化較大。主要表現(xiàn)在：①非采暖季礦井水蒸發(fā)量遠大于采暖季；②采暖期與非采暖期鍋爐補充水量不同，分別為1 680 m3/d和250 m3/d；③非采暖季洗浴用水增加，而采暖季節(jié)換熱站用水增加，綠化用水減少。

其次，不同空間對該礦區(qū)用水量的影響也較大，除受礦區(qū)原有工藝設備所處空間制約外，其地面需求量一般多于井下[21]。井下用水主要包括消防灑水、灌漿用水和井下灑水降塵，需求量僅為地面用水的14%左右，遠小于地面生產、生活以及生態(tài)用水的需求量。由此可見，了解該礦區(qū)時空用水情況對提高礦井水利用率也至關重要。

綜上可知，該礦區(qū)礦井水在時間與空間上均具有水量分配不均和分級分質利用不協(xié)調的特點。因此，在構建礦區(qū)水量平衡圖時，有必要結合時空用水規(guī)律，協(xié)同分級分質和多目標的核心理念，最終確定礦井水高效利用技術途徑。

2 礦井水高效利用途徑

2.1 重構礦區(qū)礦井水水量平衡

通過以上陜西省大海則煤礦礦井水原有水量平衡存在的問題分析，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)回用水量受季節(jié)影響較大，同時，現(xiàn)有的礦井水回用方向具有局限性且回用率低。因此，為了進一步提高礦區(qū)水資源回用率，綜合礦區(qū)用水特點及冬季采暖對供水的影響，同時考慮礦區(qū)井下-地面不同空間用水需求的差異，重構的不同季節(jié)的井下-地面水量平衡圖如圖2。

圖2 不同季節(jié)礦井水水量平衡對比圖（m3/d）Fig.2 Comparison of water balance for mine water in different seasons（m3/d）

在采暖季（12月—3月），總礦井水涌水量為35 520 m3/d，共分為井下和地面2個用水方向，用水量分別為4 060.9 m3/d和30 019.1 m3/d，主要用于井下和地面的生產、生活和生態(tài)用水。其中，井下的礦井水經井下預處理后分別用于井下的消防用水（2 738.1 m3/d）、灌漿用水（1 145.8 m3/d）和井下灑水降塵（177.0 m3/d）；而地面的礦井水經過園區(qū)綜合處理后一部分用于地面生產用水（1 075 m3/d）、洗煤補充用水（964.2 m3/d）、鍋爐用水（1 680 m3/d）換熱站用水（850 m3/d）、除塵用水（155 m3/d）和生活用水（1 286.7 m3/d），另一部分則直接排入管網進入附近電廠進行進一步的處理和回用。

在非采暖季（5月—8月），總礦井水涌水量為35 520 m3/d，共分為井下和地面2個用水方向，用水量分別為4 238.9 m3/d和29 841.1 m3/d，主要用于井下和地面的生產、生活和生態(tài)用水，這與采暖季的用水方向是一樣的。而非采暖季與采暖季的水量平衡差異主要體現(xiàn)在地面的用水方向和用水量。具體來說，非采暖季的地面礦井水經處理后少量用于鍋爐用水（250 m3/d）和換熱站用水（150 m3/d），其中增加了洗煤補充用水量（1 162.5 m3/d）、除塵用水（355 m3/d）和綠化用水量（168.1 m3/d），這主要是由于非采暖季溫度高、蒸發(fā)量大而導致的。

不難看出，不同季節(jié)的礦井水都可以經過井下處理后回用于井下消防灑水、黃泥灌漿制漿用水和井下灑水降塵。再經地面深度處理后，又可回用于洗煤廠用水、換熱站用水、除塵用水和綠化用水等生產、生活和生態(tài)用水。相比于生活用水，生產用水呈現(xiàn)出水量大、水質要求較低、用水點較為集中的特點，在礦區(qū)用水過程中更應遵循“水十條”中對礦井水綜合利用的要求：①煤炭礦區(qū)的補充用水、周邊地區(qū)生產和生態(tài)用水應優(yōu)先使用礦井水；②工業(yè)生產等要優(yōu)先使用再生水。對比發(fā)現(xiàn)，在采暖期除鍋爐用水量和換熱站用水量較大外，綠化用水和蒸發(fā)損耗的水量都要小于非采暖期的。此外，生活用水、其他生產用水以及消防、灌漿等用水在不同季節(jié)差異不明顯。因此，在建立水平衡圖時有必要考慮空間用水的布局，這樣會更有利于提高礦井水利用率、節(jié)約用水成本。

綜上所述，在重構礦區(qū)礦井水水量平衡圖時，充分考慮了時間、空間和能耗的影響，可以實現(xiàn)井下處理井下回用，地面處理就地回用的井下-地面的礦井水高效綜合利用目標。

2.2 礦井水井下-地面分級分質高效綜合利用途徑

基于以上重構的礦井水水量平衡圖，結合不同處理階段、不同水質對回用水調配的影響規(guī)律，確定的礦井水井下-地面分級分質高效綜合利用途徑如圖3。

圖3 礦井水井下-地面分級分質高效綜合利用途徑Fig.3 Efficient utilization approach of mine water based on underground-surface and quality-quantity

由圖3可知，該礦井水處理工藝按照空間順序可分為井下處理和地面處理2個部分，按照時間順序可分為預處理、二級處理和深度處理3個單元。

在井下處理部分，以預處理單元為主。調節(jié)預沉池出水經過混凝沉淀和機械過濾，儲存到清水池中，清水池出水水質參數(shù)為：SS≤30 mg/L、COD≤60 mg/L和硬度≤450 mg/L，可滿足GB 50383—2006煤礦井下消防、灑水設計規(guī)范中井下消防、灑水等標準，因此，可用水井下消防用水、灌漿用水和灑水降塵等。

在地面處理部分，部分井下的調節(jié)預沉池出水提升到地面處理，包括預處理（高效旋流）、二級處理（高密度沉淀池）和深度處理（超濾反滲透）3個單元，設置3個儲水點，即中間水池、高位水池和復用水池。其中，經高效旋流處理后中間水池的礦井水水質為：SS≤30 mg/L、COD≤50 mg/L和硬度≤450 mg/L，可以滿足地面降塵和消防用水；經高密度沉淀池二級處理后高位水池的礦井水水質為：SS≤30 mg/L、COD≤50 mg/L和硬度≤60 mg/L，能夠滿足CJ/T 48—1999生活雜用水水質標準中掃除標準和GBT 19923—2005城市污水再生利用工業(yè)用水水質中的冷卻用水和工藝與產品用水的標準等，因此，可用于換熱、洗煤和循環(huán)冷卻等；而經過超濾反滲透的復用水池則是為生活、農業(yè)等提供高品質礦井水，其余部分經過該礦區(qū)礦井水深度處理站反滲透深度處理后其水質可達到飲用水水質標準，因此可用于煤制甲醇和烯烴項目的生產用水、鍋爐房用水和綠化用水等生產生活生態(tài)用水。

此外，由圖3可知，全流程共設置了4個用水點：調節(jié)預沉池、清水池、高位水池和復用水池。本研究在4個用水點處，根據礦井水的時間和空間變化規(guī)律，結合分級分質的核心理念，構建了“分級分質+時空協(xié)同”的礦井水井下-地面分級分質高效綜合利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)礦井水的時空有序和分級分質合理調度，可將處理后礦井水的循環(huán)使用率提高到100%，有助于彌補井下-地面礦井水調配模式單一和響應遲緩的不足，解決了大型礦區(qū)礦井水高效利用的技術難題。

3 礦井水井下-地面高效利用智能調配系統(tǒng)

傳統(tǒng)的礦井水綜合利用方案大多采用人工控制的手段，仍存在人力消耗大、自動化程度弱和操作不穩(wěn)定等問題。因此，為了解決上述問題，提出了礦井水井下-地面智能調配技術，構建的兼有礦井水實時監(jiān)測、無線傳輸、數(shù)據儲用與調控功能的智能分析平臺與控制系統(tǒng)如圖4。

圖4 智能調配系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of intelligent allocation system

由圖4可知，該系統(tǒng)由3部分組成：數(shù)據采集系統(tǒng)、智能分析平臺和調配控制系統(tǒng)。

數(shù)據采集系統(tǒng)主要包括多種水質水量傳感器、監(jiān)測終端、GPRS數(shù)據發(fā)送裝置和后臺接收裝置4個單元。首先采集傳感器獲得的水質（pH、懸浮物和電導率等）數(shù)據；同時還需在反應池內增設水位傳感器、在控制終端的智能水泵設置流量傳感器，及時將構筑物內水量和水位信息反饋；最后通過STM32芯片與Wi-Fi模塊組成的系統(tǒng)上傳到后臺服務模塊?？梢钥闯?，數(shù)據采集是數(shù)據分析平臺與監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能如下：①水質數(shù)據采集：通過多種水質傳感器（SS、pH、電導率和水中油）的檢測，以數(shù)字信號和電信號的方式將數(shù)據發(fā)送至采集模塊；②水量檢測：通過對井下或地面多個用水點的水量實時監(jiān)測，判斷水量需求，保證及時供給，保障生活生產；③設備運行監(jiān)測：采集模塊連接運行設備，監(jiān)測設備運行狀況，實時監(jiān)測調度系統(tǒng)運行狀態(tài)。

智能分析平臺是在force control軟件的基礎上搭建起來的系統(tǒng)，主要包括數(shù)據庫和前端服務裝置。首先接收整個礦井水處理過程中不同時間和空間監(jiān)測的水量與水質數(shù)據，然后經過數(shù)據庫分析、運算和轉換等數(shù)據管理功能后，在前端人機交互界面展示。本平臺共展示1個一級界面和9個二級界面，其中包括5個監(jiān)測水池界面、3個數(shù)據分析界面（歷史曲線，歷史報表，閾值報警）和1個系統(tǒng)設置界面。智能分析平臺一級界面如圖5，智能分析平臺二級界面如圖6。

圖5 智能分析平臺一級界面Fig.5 Main interface of intelligent analysis platform

圖6 智能分析平臺二級界面Fig.6 Secondary interface of intelligent analysis platform

由圖5可以看出，主要展示了礦井水水處理工藝流程變化，以及不同時間井下-地面5個監(jiān)測點（調節(jié)預沉池、清水池、中間水池、復用水池和高位水池）和4個用水點（清水池、中間水池、復用水池和高位水池）的水量水質的變化情況，其中水量由液位傳感器監(jiān)測，水質由pH、SS、水中油和電導率傳感器分別監(jiān)測。

由圖6可以看出，主要展示了礦井水從機械過濾器通過進水閥門（綠色運行狀態(tài)為開啟、紅色運行狀態(tài)為關閉）流入清水池，礦井水通過水泵回用于灌漿用水、井下除塵用水和井下消防用水，可以看出清水池、井下除塵用水和井下消防用水的水位情況以及pH、SS、水中油和電導率的實時情況。

由圖5和圖6可知，智能分析平臺系統(tǒng)界面可實現(xiàn)以下功能：①水質數(shù)據連接：即監(jiān)測界面與傳感器連接，實時接收水質信息，并通過界面實時顯示；②水質數(shù)據處理：即通過水質數(shù)據實時記錄，刻畫水質變化曲線，形成水質信息報表，監(jiān)視報警信息。這一過程有利于煤礦企業(yè)快速準確獲得這些監(jiān)測指標信息，優(yōu)化決策和水資源管理模式。

調配控制系統(tǒng)主要包括ARM開發(fā)板、電磁繼電器、工業(yè)水泵和分析控制程序?？刂平K端首先接收“后臺服務”，即智能分析平臺發(fā)送的水量和水質數(shù)據，同時基于不同用水點的回用標準，通過控制程序設置水量和水質閾值，然后給智能水泵下達指令，若實際水質滿足回用標準，則可將其注入儲水池中加以利用，若實際水質不能達到預定標準時，則會發(fā)出報警信號，同時回用工段的智能水泵停止工作，備用的泵組智能閥門開啟，將此階段的水返回上一工段重復處理或直接流入下一工段進行后續(xù)處理。同樣，礦井水水量和水質的控制模式相同，當反應池等構筑物內水位達到極限低水位時，報警信號傳出并停止出水水泵；當貯水池液位超過限值時，后端及時傳出報警并合理調節(jié)前端配水量。在智能調配過程中，ARM開發(fā)板的功能是集成多種模塊和內嵌控制程序，電磁繼電器的功能是接收控制信號，協(xié)調電路運行，工業(yè)水泵的功能是監(jiān)測礦井水流量并控制礦井水調度，最后通過分析控制程序分析礦井水數(shù)據和判斷水質信息，并最終發(fā)出控制信號。同時，在實際工況中還要根據電動機的工況參數(shù)和水泵運行狀態(tài)，設置泵的自檢與替換周期，提高水調度效率[22]。

綜上，通過數(shù)據采集系統(tǒng)、智能分析平臺和調配控制系統(tǒng)三者之間的有機結合，構建了礦井水井下-地面高效智能調配系統(tǒng)，最終可實現(xiàn)以下功能：①根據回用標準按時按需分配回用水資源，包括采暖季/非采暖季和分級/分質分配；②可實現(xiàn)井下-地面分節(jié)點協(xié)同智能調配，包括井下-地面5個貯水點的監(jiān)測及4個用水點的調配；③可實現(xiàn)礦區(qū)礦井水的實時監(jiān)測、無線傳輸、數(shù)據儲用與大數(shù)據智能調控功能。

4結論

1）陜西省大海則煤礦區(qū)原礦井水水量較大，但就地利用率極低，僅為礦井總排水量的22.1%；同時礦井水水質為高濁和高硬度，且在時間與空間上均具有水量分配不均、分級分質利用不協(xié)調的特點，因此，基于以上分析結果，將原有二級處理優(yōu)化為三級處理。

2）充分考慮了采暖季與非采暖季的時間變化、井下與地面的空間變化影響，以及分級分質利用的原則，重構了礦區(qū)礦井水水量平衡圖；形成了礦井水“分級分質+時空協(xié)同+智能調配”的綜合利用技術，可將礦井水回用率提高到100%；有助于彌補井下-地面礦井水調配模式單一和響應遲緩的不足。

3）同步構建了基于“在線傳感器、STM32芯片、Wi-Fi模塊與嵌入式系統(tǒng)”的智能調配系統(tǒng)，可實現(xiàn)礦區(qū)礦井水的實時監(jiān)測、無線傳輸、數(shù)據儲用以及井下-地面分節(jié)點協(xié)同智能調配功能，形成了多目標管理的高效智能模塊。