一種煤礦采空區水利用的多模塊耦合處理系統及方法與流程

本發明涉及一種煤礦水資源的利用技術，尤其涉及的是一種煤礦采空區水利用的多模塊耦合處理系統及方法。

背景技術：

眾所周知，煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的化石資源。我國是世界上的產煤大國，煤炭在我國經濟社會發展中占有極重要的地位。隨著煤炭工業發展對煤炭資源需求量日益增加，煤炭資源開發規模也隨之不斷擴大，其主要圍繞著煤炭生產、煤炭貯運、加工轉換等環節進行產品作業。

伴隨著供給側結構性改革的持續深入推進，在我國能源結構調整優化過程中，短期內煤炭在現有的能源供給體系中仍然扮演著不可替代的重要角色。近些年來，大規模地煤炭資源開采造成地面以下煤層形成空洞或空腔，地表水體和地下水可通過導水裂隙、地面斷層、塌陷區等各種通道涌入礦井，當礦井涌水超過正常排水能力時，容易在煤礦采空區形成一定范圍的積水，造成煤礦水災事故頻繁發生。

然而，一些煤炭資源型城市水資源相對匱乏，再加上煤炭資源的高強度開發,地下水遭到嚴重破壞，水資源供需矛盾突出、水生態環境脆弱、水安全威脅較大，同時城市綠地灌溉、城市景觀和灑澆道路等市政用水的總體消耗量大，反而進一步加劇了水資源的短缺狀況。采空區中積存了大量的水資源，事實上，煤礦采空區水本身也是一種潛在的水資源。因此，煤礦采空區水開發再利用可成為有效緩解區域水危機的重要途徑之一。

各種運行模式的水處理系統在不同領域的均有所應用，其功能及處理效果千差萬別。但在煤礦采空區積水收集再利用領域，其研發力度并不大，技術應用前景廣闊。目前亟需開發研制一種適用于煤礦采空區水開發再利用的處理系統，以緩解當前部分區域水資源匱乏局面，這對我國部分區域改善用水狀況具有積極的現實意義。

目前的水處理技術不能有效緩解部分區域水資源匱乏的局面，對煤礦采空區水的資源化利用能力低；同時缺乏一種適用于煤礦采空區水開發再利用的處理系統，可就地組裝和拆卸，就地凈化處理，并不斷儲水供外地利用，其研發力度并不大，技術應用前景十分廣闊。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種煤礦采空區水利用的多模塊耦合處理系統及方法，實現對煤礦采空區的水資源的有效利用。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括進水模塊、過濾消毒模塊、吸附出水模塊和水質在線檢測模塊；所述進水模塊包括連接在煤礦采空區的吸水端和污水泵，所述污水泵通過吸水管路連接吸水端；所述過濾消毒模塊包括轉子流量計、多級篩濾器和加藥器，所述轉子流量計、多級篩濾器依次設置在污水泵出口，所述加藥器設置在多級篩濾器的出口；所述吸附出水模塊包括多層吸附柱和儲水箱，所述多級篩濾器的出口連接三路通道，一路通道連接至水質在線檢測模塊，一路通道連接至儲水箱，一路通道連接至多層吸附柱的進水口；所述多層吸附柱的出水口具有三路出口，一路出口連接至多層吸附柱的進水口，一路出口連接至儲水箱，一路出口連接至水質在線檢測模塊。

所述進水模塊具有至少兩條吸水管路，其中一條吸水管路的吸水端位于煤礦采空區的淺層并通過第一止回閥連接到污水泵，另一條吸水管路的吸水端位于煤礦采空區的深層并通過第二止回閥連接到污水泵。

所述吸水端包括喇叭吸水口和濾網套頭，所述濾網套頭包裹在所述喇叭吸水口上。

所述多級篩濾器包括多個透水濾網、拉環和可卸式集污室；所述多個透水濾網依次沿進水方向設置，多個透水濾網的孔徑逐級遞減，所述拉環固定在各個透水濾網上，所述可卸式集污室上沿軸向設置多個用于卡持透水濾網的卡口。

所述多層吸附柱包括罩式集水器、多個吸附層、多個承托層和管式布水器；所述罩式集水器呈罩形設置于頂部，罩式集水器的頂部為多層吸附柱的出水口，所述多個吸附層和多個承托層沿軸向依次交替設置，所述管式布水器設置于底部。

所述多個承托層上對稱設置有多個用于原水透過的孔道。

所述吸附層內設有多孔質epp填料，所述epp填料內摻雜活性炭。

所述管式布水器上設有多個等距等徑的布水孔。

所述儲水箱的進口設有第四止回閥，所述多層吸附柱的進水口上設有第六止回閥，出水口上設有第五止回閥，所述多級篩濾器的出口有三路通道，一路通道連接至水質在線檢測模塊，一路通道通過第三止回閥連接至第四止回閥上，一路通道連接至第六止回閥；第五止回閥具有三路出口，一路出口通過第七止回閥連接至第六止回閥，一路出口連接至第四止回閥上，一路出口連接至水質在線檢測模塊。

一種煤礦采空區水利用的多模塊耦合處理方法，包括以下步驟：

(1)開啟污水泵和第一止回閥，第二號止回閥關閉，在污水泵抽吸作用下，煤礦采空區積水通過吸水端進入吸水管路中，當轉子流量計讀數明顯低于高水位流量時，即說明進水模塊系統處于低水位運行，此時先開啟第二止回閥，再關閉第一止回閥，保證進水管道正常輸水；

(2)經進水模塊處理后的原水經過管路進入多級篩濾器中，濾后水透過濾網由加藥器進行消毒滅菌處理，實現污染物層層分離；

(3)在過濾消毒模塊進行深度凈化的同時，與吸附儲水模塊和水質在線檢測模塊進行耦合，水質在線檢測模塊用于評定過濾消毒模塊和吸附儲水模塊處理原水的優劣程度，判定凈化后的水質是否滿足相應作業水質標準要求；

(4)如果經過濾消毒模塊處理后的出水符合《城市污水再生利用城市雜用水水質》gb18920-2002規定的用水水質標準時，開啟第三和第四止回閥，同時關閉第五、第六和第七止回閥，讓出水暫存在儲水箱中，待儲水完畢，運轉對外使用；

(5)如果經過濾消毒模塊處理后的原水懸浮物指標不符合相應用途水質標準時，關閉第三和第七止回閥，同時開啟第四、第五和第六止回閥，讓原水進入吸附儲水模塊持續凈化，進一步提高水質；

(6)如果出水水質不佳或用水水質要求更高時，開啟第七止回閥使得從多層吸附柱出水口的出來的部分原水重新進入多層吸附柱進水口，再次參與吸附凈化循環過程中，增強原水在多層吸附柱中的停留時間，改善并提高出水水質。

本發明相比現有技術具有以下優點：本發明的多模塊耦合處理系統相互聯系，構成一個完整的運行體系，集進水模塊、過濾消毒模塊、吸附儲水模塊和水質在線檢測模塊于一體，可實現各階段出水水質的同步測試，及時掌握水質水量變化，調整凈水方式，提高了原水的處理效率。多模塊耦合處理系統適用于煤礦采空區水的開發再利用的實際情況，可就地組裝和拆卸，隨用隨開，操作原理簡單，處理完畢后，可將儲水箱運轉至作業車輛上直接使用。構成多模塊耦合處理系統的各個模塊單元所需鋼板、pvc管道、止回閥等材料廉價易得，制作簡單，且不會對環境產生二次污染，僅僅需要定期更換填料層、疏通管路和清理集污室等后期日常維護工作。整個系統工程搭建占用土地空間少、施工方便、系統凈化效果好、運行穩定可靠，符合水資源匱乏型城市的節水需求。

附圖說明

圖1是本發明多模塊耦合處理系統的結構示意圖；

圖2是圖1中的多級篩濾器的結構示意圖；

圖3是圖1中的多層吸附柱的結構示意圖。

附圖標記說明：

1、采空區上部；2、煤礦采空區；3、喇叭吸水口；4、濾網套頭；5、吸水管路；6、第一止回閥；7、第二止回閥；8、污水泵；9、轉子流量計；10、多級篩濾器；11、水流流向；12、加藥器；13、第三止回閥；14、第四止回閥；15、第五止回閥；16、第六止回閥；17、第七止回閥；18、水質實時檢測系統；19、計算機操作平臺；20、數據轉換線；21、儲水箱；22、多層吸附柱；23、罩式集水器；24、螺栓；25、螺母；26、吸附層；27、承托層；28、多層吸附柱的進水口；29、管式布水器；30、布水孔；31、吸水端；32、垮落帶；33、導水裂隙帶；101、透水濾網；102、拉環；103、可卸式集污室。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，本實施例的處理系統應用在煤礦開采井1的煤礦采空區2內，包括進水模塊、過濾消毒模塊、吸附出水模塊和水質在線檢測模塊；所述進水模塊包括連接在煤礦采空區2的吸水端31和污水泵8，所述污水泵8通過吸水管路5連接吸水端31；所述過濾消毒模塊包括轉子流量計9、多級篩濾器10和加藥器12，所述轉子流量計9、多級篩濾器10依次設置在污水泵8出口，所述加藥器12設置在多級篩濾器10的出口；所述吸附出水模塊包括多層吸附柱22和儲水箱21，所述多級篩濾器10的出口連接三路通道，一路通道連接至水質在線檢測模塊，一路通道連接至儲水箱21，一路通道連接至多層吸附柱22的進水口；所述多層吸附柱22的出水口具有三路出口，一路出口連接至多層吸附柱22的進水口28，一路出口連接至儲水箱21，一路出口連接至水質在線檢測模塊。

如圖1所示，水流流向11沿煤礦采空區2流向儲水箱21。

水質在線檢測模塊包括通過數據轉換線20連接的水質實時檢測系統18和計算機操作平臺19。水質實時檢測系統18一端連接過濾消毒模塊出水，另一端連接吸附儲水模塊出水，實時監測兩個模塊出水的水質指標，將數據同步上傳到計算機操作平臺19，進行記錄更新，以便掌控水質變化。將符合《城市雜用水水質》標準要求的凈化水儲存在儲水箱21中，每個儲水箱21裝滿后，更換一個空置儲水箱21，實現連續不間斷集水作業。將裝滿后的儲水箱21移動至作業運輸車輛上，可供給城市綠地灌溉、城市景觀、灑澆道路等多種市政綠化用水需求。

本實施例的進水模塊具有兩條吸水管路5，其中一條吸水管路5的吸水端31位于煤礦采空區2的淺層并通過第一止回閥6連接到污水泵8，另一條吸水管路5的吸水端31位于煤礦采空區2的深層并通過第二止回閥7連接到污水泵8,吸水管路5為pvc材質。

本實施例的吸水端31包括喇叭吸水口3和濾網套頭4，所述濾網套頭4包裹在喇叭吸水口3上。可以先過濾掉大體積雜質。所述吸水端31位于垮落帶32和導水裂隙帶33之下。

如圖2所示，所述多級篩濾器10包括五個透水濾網101、拉環102和可卸式集污室103；所述五個透水濾網101依次沿進水方向設置，五個透水濾網101的孔徑逐級遞減，所述拉環102固定在各個透水濾網101上，所述可卸式集污室103上沿軸向設置多個用于卡持透水濾網101的卡口。透水濾網101的孔徑逐級變小，用于去除原水中較大的不可溶解性懸浮顆粒物，減輕后續模塊的處理負荷。當可卸式集污室103收納滿污垢后，先拉住拉環102，取出透水濾網101后，卸掉其中的污垢，最后反序安裝復原。

本實施例的加藥器12可實現自動控制，加藥器12內裝有配制好的消毒滅菌類溶劑，加藥器12定時定量向管道投加，在水力沖擊作用下，溶劑與管道進水充分混合均勻，達到抑制微生物滋生目的。

如圖3所示，所述多層吸附柱22包括罩式集水器23、多個吸附層26、多個承托層27和管式布水器29；所述罩式集水器23呈罩形設置于頂部，罩式集水器23的頂部為多層吸附柱22的出水口，所述多個吸附層26和多個承托層27沿軸向依次交替設置，所述承托層27的端部通過螺栓24和螺母25連接在多層吸附柱22上，所述管式布水器29設置于底部。

所述多個承托層27上對稱設置有多個用于原水透過的孔道。供下一級原水自下而上依次透過吸附層26，去除原水中更細微的懸浮物和固有的色味。

所述吸附層26內設有多孔質epp填料，所述epp填料內摻雜活性炭。以增大填料與污水的接觸面積，增強對原水污染物的吸附能力。

所述管式布水器29上設有多個等距等徑的布水孔30。當原水通過第六止回閥16進入管式布水器29時，可從多層吸附柱22底部向上層均勻布水。

所述儲水箱21的進口設有第四止回閥14，所述多層吸附柱22的進水口28上設有第六止回閥16，出水口上設有第五止回閥15，所述多級篩濾器10的出口有三路通道，一路通道連接至水質在線檢測模塊，一路通道通過第三止回閥13連接至第四止回閥14上，一路通道連接至第六止回閥16；第五止回閥15具有三路出口，一路出口通過第七止回閥17連接至第六止回閥16，一路出口連接至第四止回閥14上，一路出口連接至水質在線檢測模塊。

一種煤礦采空區2水利用的多模塊耦合處理方法，包括以下步驟：

(1)開啟污水泵8和第一止回閥6，第二號止回閥關閉，在污水泵8抽吸作用下，煤礦采空區2積水通過吸水端31進入吸水管路5中，當轉子流量計9讀數明顯低于高水位流量時，即說明進水模塊系統處于低水位運行，此時先開啟第二止回閥7，再關閉第一止回閥6，保證進水管道正常輸水，防止污水泵8空轉產生機械損耗；

(2)經進水模塊處理后的原水經過管路進入多級篩濾器10中，濾后水透過濾網由加藥器12進行消毒滅菌處理，實現污染物層層分離；

(3)在過濾消毒模塊進行深度凈化的同時，與吸附儲水模塊和水質在線檢測模塊進行耦合，水質在線檢測模塊用于評定過濾消毒模塊和吸附儲水模塊處理原水的優劣程度，判定凈化后的水質是否滿足相應作業水質標準要求；

(4)如果經過濾消毒模塊處理后的出水符合《城市污水再生利用城市雜用水水質》gb18920-2002規定的用水水質標準時，開啟第三和第四止回閥14，同時關閉第五、第六和第七止回閥17，讓出水暫存在儲水箱21中，待儲水完畢，運轉對外使用；

(5)如果經過濾消毒模塊處理后的原水懸浮物指標不符合相應用途水質標準時，關閉第三和第七止回閥17，同時開啟第四、第五和第六止回閥16，讓原水進入吸附儲水模塊持續凈化，吸附一些不可溶解性的污染物，進一步提高水質的色度和濁度；

(6)如果出水水質不佳或用水水質要求更高時，開啟第七止回閥17使得從多層吸附柱22出水口的出來的部分原水重新進入多層吸附柱22進水口，再次參與吸附凈化循環過程中，增強原水在多層吸附柱22中的停留時間，改善并提高出水水質。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。