Coal mine drainage resources utilization technology innovation
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摘要:
国家对煤矿矿井水资源化利用高度重视，排放标准的不断提高和智慧矿山概念的不断深化，给矿井水处理技术提出了新的挑战。通过对矿井水地面处理技术与井下多级过滤处理技术的分析和比较，在总结了现有技术存在问题的基础上，提出了聚瓷膜超滤高效处理矿井水新技术。新技术相比于传统处理技术的多流程而言，因处理过程无需加药，可省去整个加药系统，故处理过程仅包括高压预处理与常压过滤处理2个主要单元，解决了矿井水传统处理方法必须加混凝剂的难题，可真正做到矿井水处理全过程无人值守，符合智慧矿山的要求。新技术具有流程短、占地小、无需加药、出水水质稳定、可自动运行等特点，同时还可实现模块化、智能化，可适用于不同场景下含高悬浮物矿井水的直接过滤，或作为矿井水苦咸水的预处理单元，其中特别适合用于矿井水的井下处理就地复用。其核心组件聚瓷膜更是具有强度高、通量大、超亲水疏油、耐受悬浮物（SS）质量浓度可达10000 mg/L等优势。通过实验室试验和矿井水地面处理改造工程案例可知，在进水SS质量浓度为0~10000 mg/L，聚瓷膜直滤后出水SS均能稳定达到1 mg/L以下，浊度稳定达到1 NTU以下，该技术在煤矿矿井水资源化利用方面有明显优势，可为将来的大规模工程化推广应用提供技术参考。
Abstract:The resource utilization of coal mine drainage has been attracting growing attention. The increasingly stringent discharge standards and the deepening of the concept of intelligent mine have posed new challenges to mine water treatment technology. This paper discussed the traditional treatment processes and the multi-stage filtration underground treatment technology. In addition, a new high-efficiency technology-Polycera membrane ultrafiltration-was proposed to treat coal mine drainage on the basis of summarizing the existing technology problems. Compared with the multi-process of the traditional treatment technology, the new technology only includes two main units, high pressure pretreatment and atmospheric filtration treatment, because the treatment process does not need dosing and the whole dosing system can be omitted, which solves the problem that the traditional coal mine drainage treatment method must add coagulant, and can truly make the whole process of coal mine drainage treatment unattended and meet the requirements of the intelligent mine. The new technology offers the advantage of a shorter process flow and a smaller footprint and could ensure the stability of effluent water quality. Besides, the new technology could be operated automatically without chemical additions. At the same time, it can realize modularization and intellectualization, and can be applied to the direct filtration of coal mine drainage containing high suspended solids in different scenarios, or as the pretreatment unit of coal mine drainage brackish water, especially suitable for the in-situ reuse of coal mine drainage underground treatment. The core component of the new technology is the Polycera membrane with high strength and high-water flux. It is a super hydrophilic and oleophobic material that can withstand suspended solids (SS) of high concentrations up to 10000 mg/L. By analyzing the laboratory-scale test results and the reconstruction engineering case of coal mine drainage treatment on the ground, it can be seen that in the range of inlet SS of 0-10000 mg/L, the SS of the filtered effluent after direct filtration with Polycera membrane can be stably below 1 mg/L, and the turbidity can be stably below 1NTU, it is shown that the new technology presents apparent advantages in the resource utilization of coal mine drainage. This technology could provide a technical reference for large-scale engineering applications in the future.
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Keywords:
- coal mine drainage /
- suspended solids /
- Polycera membrane /
- resource utilization /
- coal mine
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图 1 混凝-沉淀-过滤典型工艺流程
Figure 1. Typical process flow of coagulation-precipitation-filtration
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图 5 柔性陶瓷膜井下处理典型工艺流程
Figure 5. Typical process flow for underground treatment of flexible ceramic membrane
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图 6 无机陶瓷膜井下处理典型工艺流程
Figure 6. Typical process flow of inorganic ceramic membrane downhole treatment
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图 9 聚瓷膜井下短程高效处理流程
Figure 9. Short-range and efficient downhole treatment of Polycera membrane
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图 10 聚瓷膜处理模拟矿井水
Figure 10. Treatment of simulated coal mine drainage with Polycera membrane
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图 11 内蒙某典型煤矿矿井水处理工艺流程
Figure 11. Coal mine drainage treatment process of a typical coal mine in Inner Mongolia
表 1 常规矿井水处理技术对比
Table 1 Comparison of conventional coal mine drainage treatment technology
项目 混凝−沉淀−过滤工艺 瓷砂混凝 磁混凝 超磁分离技术 加药量/（μg·g−1） PAC：60~80
PAM：约5PAC：≤40
PAM：≤2PAC：≤40
PAM：≤2PAC：≤40
PAM：≤2水力停留时间/min 反应：15~30 反应：4~6 反应：4~6 反应：4~6 沉淀：90~120 沉淀：6~10 沉淀：6~10 沉淀：4~6 占地面积/m2 约250 约170 约120 约40 自动化程度 低 较高 较高 较高 SS去除率 97%以上 90%以上 95%以上 90%以上 耐冲击负荷能力 较强 较强 较强 一般 处理流程 长 较长 较长 短 吨水处理费用/元 0.5~0.8 约0.8 ≤0.5 约0.3 日常维护 复杂 复杂 简单 简单 
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表 2 膜处理技术对比分析
Table 2 Comparative analysis of membrane treatment technology
膜类型 柔性陶瓷膜 无机陶瓷膜 聚瓷膜 结构 中空纤维结构 盘片/管式结构 卷式结构 强度 有断丝风险 强度高、无断丝风险 强度高、无断丝风险 过滤精度/μm 0.1 0.8 0.02 安装方式 只能竖装 横放或竖放均可 横放或竖放均可 空间及占地 高度一般不能低于2 m 对高度有一定要求 对高度没有严格要求、占地小 运行模式 中空纤维结构，外压过滤，不允许大错
流且错流速度无法控制，容易挂泥易堵、结垢、清洗复杂、膜通量下降快 直流大孔通道，允许大错流，没有污
泥堵通道的风险预处理要求 加药混凝预处理 加药混凝预处理 自清洗过滤器，去除机械杂质 产品水质 产水浊度高 产水浊度一般 产水浊度低 耐受悬浮物浓度/(mg·L−1) 100 1000 10000 抗有机污染能力 材料经改性亲水，抗有机污堵能力差 抗有机污堵能力一般 超亲水材料，抗有机污堵能力强 耐油性 耐油性能差，遇油易污堵，难恢复 易污堵难恢复 亲水疏油 工艺特点 需要加药混凝预处理，流程长、环节
多，用药量大，产生污泥多，操作
繁琐，不易实现无人值守耐油性差易污堵、易结垢、
清洗频繁、清洗时间长，需要离
线清洗，难达到设计要求直接过滤矿井水，无需加药混凝预处理，
流程短、操作简单，容易实现无人值守
及远传操作维护量 操作相对复杂，维护量大 操作复杂，维护量大 运行稳定，远程控制，维护量小 运行成本 高 较高 低
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表 3 处理前后水质对比
Table 3 Comparison of water quality before and after treatment
项目 处理前 处理后 项目 处理前 处理后 SS 85~1380 ＜1 锌 0.023~0.582 ≤0.6 pH 7.7~8.4 6~9 镉 0.005~0.024 ≤0.005 COD 16~38 ≤20 高锰酸盐指数 3.5~9.2 ≤6 BOD5 3.0~9.3 ≤4 铬(六价) ＜0.004 ≤0.05 氨氮 0.475~1.2 ≤1.0 铅 0.007~0.11 ≤0.05 总磷 0.06~0.16 ≤0.16 氰化物 ＜0.004 ≤0.004 总氮 1.4~2.19 ≤1.0 挥发酚 ＜0.003 ≤0.003 氟化物 0.96~2.83 ≤1.0 硫化物 ＜0.005 ≤0.005 石油类 0.37~1.07 ≤0.05 阴离子表面活性剂 ＜0.05 ≤0.05 粪大肠菌群 80~490 ≤490个/L 硒 0.004~0.0015 ≤0.01 溶解氧 5.4~10.2 ≥5 砷 0.00091~0.093 ≤0.05 铜 0.04~0.095 ≤0.1 汞 0.00037~0.00069 ≤0.0001 注：项目中除pH外，其余单位均为mg/L。
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[1] 高 亮. 我国煤矿矿井水处理技术现状及其发展趋势[J]. 煤炭科学技术,2007(9):1−5. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2007.09.001 GAO Liang. Status of technology for processing mine water and its trend in China[J]. Coal Science and Technology,2007(9):1−5. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2007.09.001
[2] 何绪文,张晓航,李福勤,等. 煤矿矿井水资源化综合利用体系与技术创新[J]. 煤炭科学技术,2018,46(9):4−11. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2018.09.002 HE Xuwen,ZHANG Xiaohang,LI Fuqin,et al. Comprehensive utilization system and technical innovation of coal mine water resources[J]. Coal Science and Technology,2018,46(9):4−11. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2018.09.002
[3] 王国法. 煤矿智能化最新技术进展与问题探讨[J]. 煤炭科学技术,2022,50(1):1−27. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2022.1.mtkxjs202201001 WANG Guofa. New technological progress of coal mine intelligence and its problems[J]. Coal Science and Technology,2022,50(1):1−27. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2022.1.mtkxjs202201001
[4] ZHANG Siyu,WANG Hao,HE Xuwen,et al. Research progress, problems and prospects of mine water treatment technology and resource utilization in China[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2020,50(4):331−383.
[5] 顾大钊,李井峰,曹志国,等. 我国煤矿矿井水保护利用发展战略与工程科技[J]. 煤炭学报,2021,46(10):3079−3089. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2021.0917 GU Dazhao,LI Jingfeng,CAO Zhiguo,et al. Technology and engineering development strategy of water protection and utilization of coal mine in China[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(10):3079−3089. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2021.0917
[6] 李福勤,李 硕,何绪文,等. 煤矿矿井水处理工程存在的问题及对策[J]. 中国给水排水,2012,28(2):18−20. doi: 10.3969/j.issn.1000-4602.2012.02.005 LI Fuqin,LI Shuo,HE Xuwen,et al. Problems and solutions for mine water treatment works[J]. China Water & Wastewater,2012,28(2):18−20. doi: 10.3969/j.issn.1000-4602.2012.02.005
[7] 李福勤,朱云浩,焦亚楠. 二次混凝+沉淀工艺处理高岩粉矿井水试验研究[J]. 能源环境保护,2019,33(6):6−8,46. doi: 10.3969/j.issn.1006-8759.2019.06.002 LI Fuqin,ZHU Yunhao,JIAO Yanan. Experimental study on treatment of high rock powder mine water by secondary coagulation and precipitation process[J]. Energy Environmental Protection,2019,33(6):6−8,46. doi: 10.3969/j.issn.1006-8759.2019.06.002
[8] 郑利祥,郭中权,毛维东. 矿井水处理聚合氯化铝残留物对超滤膜污染的影响[J]. 中国给水排水,2021,37(1):51−56,63. doi: 10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2021.01.009 ZHENG Lixiang,GUO Zhongquan,MAO Weidong. Influence of polyaluminium chloride residue on ultrafiltration membrane fouling in mine water treatment[J]. China Water & Wastewater,2021,37(1):51−56,63. doi: 10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2021.01.009
[9] 郭中权,毛维东,肖 艳,等. 矿井水处理中聚丙烯酰胺残留物对反渗透膜污染的贡献[J]. 煤炭学报,2020,45(S2):986−992. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2020.0260 GUO Zhongquan,MAO Weidong,XIAO Yan,et al. Impact of polyacrylamide residue on reverse osmosis membrane fouling in mine water treatment[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(S2):986−992. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2020.0260
[10] 张 超,王宏义,李红伟,等. 含悬浮物矿井水处理技术现状及发展趋势[J]. 煤炭加工与综合利用,2019(12):72−75. doi: 10.16200/j.cnki.11-2627/td.2019.12.020 ZHANG Chao,WANG Hongyi,LI Hongwei,et al. Present situation and development trend of mine water treatment technology containing suspended solids[J]. Coal Processing & Comprehensive Utilization,2019(12):72−75. doi: 10.16200/j.cnki.11-2627/td.2019.12.020
[11] 张晓航,何绪文,王 浩,等. 磁絮凝工艺对含悬浮物矿井水处理效果的研究[J]. 水处理技术,2018,44(4):122−125,132. doi: 10.16796/j.cnki.1000-3770.2018.04.026 ZHANG Xiaohang,HE Xuwen,WANG Hao,et al. Mine water treatment effect with magnetic flocculation Technology and flocs fractal characteristics[J]. Technology of Water Treatment,2018,44(4):122−125,132. doi: 10.16796/j.cnki.1000-3770.2018.04.026
[12] 李福勤,何绪文,吕晓龙,等. 煤矿矿井水井下处理新技术及工程应用[J]. 煤炭科学技术,2014,42(1):117−120. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2014.01.027 LI Fuqin,HE Xuwen,LU Xiaolong,et al. Engineering application and new technology of underground mine water treatment[J]. Coal Science and Technology,2014,42(1):117−120. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2014.01.027
[13] 郭中权, 何绪文, 毛维东, 等. 矿井水资源化利用和零排放处理技术与工程案例[M]. 北京: 中国石化出版社, 2022: 100−106. [14] 周如禄,高 亮,郭中权,等. 煤矿矿井水井下直接处理及循环利用[J]. 中国给水排水,2013,29(4):71−74,79. doi: 10.3969/j.issn.1000-4602.2013.04.019 ZHOU Rulu,GAO Liang,GUO Zhongquan,et al. Underground direct treatment and recycle of coal mine water[J]. China Water & Wastewater,2013,29(4):71−74,79. doi: 10.3969/j.issn.1000-4602.2013.04.019
[15] ZHANG Liping,CHEN Aolei,QU Hongbin,et al. Fe and Mn removal from mining drainage using goaf filling materials obtained from coal mining process[J]. Water Science and Technology,2015,72(11):1940−1947.
[16] LIM Ying Pei,JASIMIN Afifah,NG Law Yong,et al. Performance evaluation on ultrafiltration as tertiary treatment for rubber glove wastewater[J]. Materials Today: Proceedings,2022,63(S1):267−272.
[17] TEOW Yeit Haan,LOH Wei Chean,ABDUL Wahab Mohammad. Thermo-responsive antifouling study of commercial PolyCera® membranes for POME treatment[J]. Membrane Water Treatment,2020,11(2):97−109.
[18] HURWITZ G,BHATTACHARJEE S,SEO E,et al. Field testing of PolyCera®, PES, and PVDF ultrafiltration membranes in municipal tertiary filtration: Impacts of membrane polymer chemistry on fouling, cleaning, energy, and cost[J]. Desalination and water treatment,2018,111:39−47.
[19] 何绪文. 一种煤矿矿井水处理系统[P]. 中国专利: 202211169558.3, 2022-09-23. [20] 何绪文, 夏 瑜, 张春晖. 一种高悬浮物矿井水井下短流程直滤处理装置与方法[P]. 中国专利: CN114506934A, 2022−05−17. -
期刊类型引用(23)
1. 白浩, 籍丽勇, 李国庆, 刘斌, 李松瑶, 闫丽. 陕北某露天煤矿矿坑涌水化学特征及灌溉适宜性. 水文地质工程地质. 2025(04) 
百度学术
2. 毛维东，郭中权，付元，杨久利，徐旭峰，吴艳涛，唐志鹏，张军，崔东锋，朱俊兆. 煤矿含盐矿井水处理利用技术综述. 煤炭科学技术. 2025(01): 365-376 . 本站查看
3. 李敏恒，王仁雷，汪庆喜，封云，艾周磐，曹荣. 煤矿矿井水零排放系统工程实践与优化分析. 绿色科技. 2025(04): 108-111+122 . 百度学术
4. 谢国良，廉开元，严明林，韩高将，王开闯，蒋文. 生态脆弱矿区矿井水特征及资源化适宜性研究. 矿业研究与开发. 2025(04): 278-288 . 百度学术
5. 贺琼琼，彭海森，孟振，苗真勇，万克记，许恩乐，高明强，黄少萌. 双重活化多孔碳氮材料实现流动电极电容去离子高效矿井水脱盐. 煤炭学报. 2025(03): 1732-1746 . 百度学术
6. 武强，高俊莲，曾一凡，程洋. 我国煤矿矿井水全生命周期保护与利用研究. 中国工程科学. 2025(02): 184-204 . 百度学术
7. 张春晖，赵桂峰，苏佩东，肖楠，张益臻，沈哲林. 基于“深地-井下-地面”联动的煤矿矿井水处理利用模式初探. 矿业科学学报. 2024(01): 1-12 . 百度学术
8. 杨小勇，张兆，李甲，李庭，邸卫猛，王雨晨，卜奕丹，郝春明. 悬浮物特征对砂加载混凝沉淀处理高悬浮矿井水实验的影响. 科学技术与工程. 2024(02): 871-877 . 百度学术
9. 李福勤，梁桢，王瑾，王世奕，何绪文，代其彬，田莉. 矿井水直接超滤试验研究. 工业用水与废水. 2024(01): 49-53+75 . 百度学术
10. 何绪文，王绍州，张学伟，季晓晴. 煤矿矿井水资源化绿色短流程关键技术与装备. 煤炭学报. 2024(02): 958-966 . 百度学术
11. 曹楠楠，白振荣，贺高峰，周发堂，张瑞，范青，李琼. 重砂诱导去除矿井水中高悬浮煤岩粉的实验研究. 煤炭加工与综合利用. 2024(04): 79-83 . 百度学术
12. 梁旭，曹楠楠，白振荣，王志慧，王艳兵，蔡巍巍，王利伟，郝春明. 水化学特征对砂加载混凝沉淀处理高悬浮矿井水效果的影响. 科学技术与工程. 2024(11): 4456-4463 . 百度学术
13. 郭耀光. 煤矿矿井水资源化综合利用体系与技术创新. 内蒙古煤炭经济. 2024(06): 31-33 . 百度学术
14. 张晓广，韩少科，谢阳，吴凡，李传峰，钟晓勇，李琼. 混凝剂种类对高悬浮物矿井水处理效率的影响研究. 煤炭加工与综合利用. 2024(06): 91-96 . 百度学术
15. 刘海涛，倪东滟. 煤矿区域生态环境质量影响因素的综合识别. 黑龙江科技大学学报. 2024(03): 341-346 . 百度学术
16. 刘宗，周如林，赵中梅. 矿井水井下短程直滤处理工艺中试研究. 煤炭工程. 2024(06): 169-173 . 百度学术
17. 何昱鹏，包一翔，吴敏，胡嘉敏，李杰，刘小庆，钟金魁，李井峰. 矿井水中有机污染物的潜在风险评估. 煤炭科学技术. 2024(08): 234-246 . 本站查看
18. 李福勤，王丛，郑煚州，陈宇航，何绪文，代其彬，田莉. 煤矿矿井水处理技术现状与展望. 工业水处理. 2024(09): 1-8 . 百度学术
19. 张建国，王之峰，何绪文，赵磊，张雪飞，王绍州，马文臣. 高浊高黏矿井水井下绿色短流程处理关键技术. 洁净煤技术. 2024(S2): 532-540 . 百度学术
20. 李竞赢，刘启蒙，杨明慧. 矿井水水化学特征及资源化利用研究——以张集煤矿为例. 煤炭科学技术. 2023(04): 254-263 . 本站查看
21. 林刚，付晶莹，江东，赵亚楠. 中国煤炭去产能的水资源协同效益分析. 煤炭科学技术. 2023(07): 187-196 . 本站查看
22. 王春辉，张建龙，冯长城，张书军，李珊，程爱华. 双碱法耦合聚合氯化铝预处理高矿化度矿井水实验研究. 绿色科技. 2023(16): 166-169+176 . 百度学术
23. 张仁生，王帅锋. 煤矿井下反渗透预处理技术的研究和应用. 中国煤炭. 2023(S2): 335-340 . 百度学术
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