一种金属矿山井下废弃巷道污水原位修复系统

1.本实用新型涉及污染地下水修复技术领域，尤其涉及一种金属矿山井下废弃巷道污水原位修复系统。


背景技术：

2.金属采矿业是我国经济发展的基础，在金属矿山开采阶段和闭矿阶段，井下开采产生了大量的废弃巷道，这也是井下污染地下水主要的汇流区和径流区。在矿山关停井下不再抽水后，随时间增加，巷道等空间内产生的酸性矿坑水会产生蓄积和溢流扩散，造成相邻含水层地下水污染，甚至经矿洞或排泄点涌出污染地表水。
3.在现有矿山生产过程中，仅是对巷道内所有的涌出水直接收集并统一外排至地上污水处理站，并不进行井下原位处理或雨污水分类的收集处置，进而增大了抽排水负荷及井上污水处理站的处理压力和成本。而实际上，在地下水流经路径上，仅是与矿脉接触发生溶滤反应的水才会受到污染，而其它经围岩裂隙、断裂带等渗入井下的地下水基本没有污染；另外，在矿山闭矿后，由于缺乏人为地主动抽排水措施，井下废弃巷道及采空区会产生大量的污染地下水蓄积。最后，这些空间内由于缺乏介质对上覆岩层支撑，长时间下会产生地层沉降、坍塌等安全风险。因此，金属矿山废弃巷道作为污染地下水的主要来源及安全风险源，在该区域采取有效的原位修复技术，实现地下水的有效治理，将有助于减轻井下废水治理压力和安全隐患风险，实现矿山运行安全，推动我国绿色矿山建设和实现绿色发展。所以，需要设计一种金属矿山井下污染地下水的原位修复系统来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种金属矿山井下废弃巷道污水原位修复系统，其通过设置井下原位修复系统，充分利用矿山现有井下废弃巷道等形成的污染地下水汇流空间，不占据矿山空间，通过原位填充反应材料可以实现受污染地下水的被动修复，有效解决井下地下水污染问题和坍塌风险，减少矿山开采期间的污水处理成本，降低矿山闭矿后的污染地下水外溢风险。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
6.一种金属矿山井下废弃巷道污水原位修复系统，包括充填式可渗透反应格栅，所述充填式可渗透反应格栅组成的系统主体利用井下开采形成的废弃巷道等空间，在其中原位填充反应材料构建可渗透反应格栅反应单元，所述反应单元末端设置有挡水墙，所述挡水墙上设置有第一出水管、导流管、水位监测管与反冲洗管，所述第一出水管连接有出水自动控制装置，所述第一出水管通过电动三通阀门与第二出水管及导流管连接。
7.优选地，所述水位监测管用于监测充填式可渗透反应格栅内蓄积的水量，所述出水自动控制装置用于控制达标水体的排放及未达标水体的重新返回格栅内再次修复；
8.所述出水自动控制装置包括箱体、控制箱、水质分析仪与抽水泵，所述箱体内设有两个取样筒，所述抽水泵入水端连通设有抽水管，所述抽水管上连通设有两个分流管，所述
箱体内设有用于清理取样筒内沉淀物的清理机构，所述清理机构包括固定连接在取样筒上端的电机，所述电机的输出轴固定连接有驱动轴，所述驱动轴侧壁通过连接杆固定连接有刮板，所述取样筒上设有与其内部连通的排污管，所述箱体上设有用于阻拦大颗粒杂质进入取样筒的阻拦机构。
9.优选地，所述阻拦机构包括固定连接在箱体侧壁的两个安装筒与两个防护筒，所述安装筒上设有第一过滤网，所述防护筒上设有第二过滤网，所述取样筒上设有第一连接管和第二连接管。
10.优选地，所述取样筒侧壁转动连接有转动杆，所述转动杆与驱动轴侧壁均固定连接有两个锥形齿轮，两个所述锥形齿轮相互啮合，所述转动杆侧壁固定连接有第一毛刷板，所述驱动轴侧壁固定连接有第二毛刷板，所述分流管、第一连接管与第二连接管以及排污管上均设有电磁阀。
11.优选地，所述导流管与反冲洗管均延伸回格栅进水端，所述导流管与反冲洗管前端布设有布水孔。
12.优选地，所述水位监测管用于监测充填式可渗透反应格栅内蓄积的水量，所述出水自动控制装置用于控制达标水体的排放及未达标水体的重新返回格栅内再次修复。
13.本实用新型中，具有以下有益效果：
14.1、本装置设置了充填式可渗透反应格栅，充分利用矿山现有井下废弃巷道、主要穿脉、采空区等形成的污染地下水汇流空间，构建原位充填式可渗透反应格栅系统，不占据矿山空间，通过填充材料对上覆岩层形成支撑作用，阻止沉降，减小坍塌等安全风险；另一方面作为填充反应材料实现受污染地下水的被动修复，有效解决采空区、巷道等产生的酸性矿坑水蓄积和溢流扩散带来的地下水污染问题，减少矿山开采期间的污水处理成本，降低矿山闭矿后的污染地下水外溢风险；
15.2、本装置设置了有水质在线实时监测及电动阀门等自动控制装置，在出水口水质监测不达标时，可自动通过导流管将不达标水体反排到格栅内部，实现再次处置，修复系统属于被动运行，正常运行状态仅通过在线监测控制即可，能耗低且不会产生二次污染；
16.3、本装置设置了有反冲洗管，在运行后期系统内反应材料活性降低或出现堵塞时，可对格栅进行反冲洗，促进反应材料活性和增大渗透性；
17.4、本装置设置了清理机构，通过两个取样筒的设置，可以在一个取样筒取样时对另外取样筒内沉淀物进行自动清理，避免沉淀物堵塞取样筒，不需要人为检修清理，进而提高了装置的实用性，同时也保证监测工作的持续进行；
18.5、本装置设置了阻拦机构与转动杆，在驱动轴转动过程中，第一毛刷板与第二毛刷板转动可以对第一过滤网与第二过滤网上的杂质进行清理，从而实现了自动疏通第一过滤网与第二过滤网的目的，提高装置自动化的同时也提高了电机的利用率。
附图说明
19.图1为本实用新型的充填式可渗透反应格栅侧视平面结构示意图；
20.图2为本实用新型的充填式可渗透反应格栅俯视平面结构示意图；
21.图3为本实用新型的渗透反应格栅中填充的铁基矿物复合反应材料对金属矿山中铅离子去除的等温吸附拟合；
22.图4为本实用新型的渗透反应格栅中填充的铁基矿物复合反应材料对金属矿山中镉离子去除的等温吸附拟合；
23.图5为本实用新型的渗透反应格栅中填充的铁基矿物复合反应材料对金属矿山中铝离子去除的等温吸附拟合；
24.图6为本实用新型的渗透反应格栅中填充的铁基矿物复合反应材料对金属矿山中镍离子去除的等温吸附拟合；
25.图7为本实用新型的反应材料去除as3+的柱实验示意图；
26.图8为本实用新型的反应材料去除as3+的试验结果图；
27.图9为本实用新型的反应材料性能评估的原位槽试验示意图；
28.图10为本实用新型的出水自动控制装置结构示意图；
29.图11为图10的a处结构放大图。
30.图中：1降雨入渗、2渗水裂隙、3围岩、4矿脉、5污染地下水、6充填式可渗透反应格栅、7挡水墙、8第一出水管、9出水自动控制装置、10电动三通阀门、11第二出水管、12导流管、13反冲洗管、14水位监测管、15废弃巷道存在的空间、16出水口、17可渗透反应格栅模拟槽、18反应材料填充区、19集水槽溢流口、20巷道污水集水槽、21封堵巷道污染地下水汇流口、22储液容器、23氮气袋、24蠕动泵、25液相取样管、26监测探头、27介质取样口、28反应材料、29箱体、30控制箱、31水质分析仪、32抽水泵、33取样筒、34锥形齿轮、35安装筒、36电机、37第一过滤网、38分流管、39第一毛刷板、40第一连接管、41转动杆、42驱动轴、43刮板、44第二连接管、45防护筒、46第二过滤网、47第二毛刷板、48排污管。
具体实施方式
31.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.一种金属矿山井下污染地下水的原位修复系统，包括充填式可渗透反应格栅6，充填式可渗透反应格栅6组成的系统主体利用井下开采形成的废弃巷道、采空区等空间，在其中原位填充反应材料28构建可渗透反应格栅反应单元，反应单元末端设置有挡水墙7，挡水墙7上设置有第一出水管8、导流管12、水位监测管14与反冲洗管13，第一出水管8连接有出水自动控制装置9，第一出水管8通过电动三通阀门10与第二出水管11及导流管12连接。
33.系统内原位填充反应材料28应是具有较好反应活性和力学强度的材料，其渗透系数值不小于5m/d，抗压强度值不小于30mpa充填式可渗透反应格栅6中填充的反应材料28为具有一定力学强度、透水性好、对重金属离子反应容量大的颗粒材料；反应材料28优选可有效降低酸性废水ph值的碳酸盐岩材料，可有效去除多种重金属离子的铁基材料组成，包括海绵铁、氧化铁、沸石负载氧化铁、活性炭负载纳米铁等，在材料填充时，可根据地下水污染特征进行复配装填，实现最大的去除效果所使用的反应材料28包括碳酸盐岩、铁基材料(沸石负载铁、活性炭负载铁等)材料；以上材料不仅具有一定的力学强度，且便于加工成颗粒状。碳酸盐岩可缓冲水溶液ph值，用于调节酸性地下水的ph值；铁基材料可通过吸附、还原、沉淀等作用去除多种重金属离子，用于污染地下水5中重金属的固定去除，对于酸性较强的废水(ph《5)，可采用前端填充碳酸盐岩、后端填充铁基材料的方式，先利用碳酸盐岩将ph缓
冲到6以上，再利用铁基沸石去除重金属离子；对于弱酸性(5《ph《6.5)，可将碳酸盐岩填充量减少或将其直接和铁基沸石混合填充；对于中性及碱性废水(ph》6.5)，可直接采用铁基沸石进行填充；
34.格栅内填充高活性的具有一定力学强度的颗粒材料，一方面作为充填材料对上覆岩层形成支撑作用，防止坍塌，另一方面作为高效反应材料28实现受污染地下水5的被动修复；
35.挡水墙7由钢板桩或水泥墙构建，并嵌入到周围的围岩3中，蓄积空间内地下水，充填式可渗透反应格栅6末端设置还有由钢板桩或水泥墙构建的封堵巷道污染地下水汇流口21，使空间内蓄积一定的废水与反应材料28充分反应后，经封堵巷道污染地下水汇流口21排出。
36.水位监测管14用于监测充填式可渗透反应格栅6内蓄积的水量，导流管12与反冲洗管13均延伸回格栅进水端，导流管12与反冲洗管13前端布设有布水孔，出水自动控制装置9及电动三通阀门10通过监测控制系统控制，监测控制系统根据自动在线监测装数据控制电动三通阀门10向第二出水管11或导流管12开启，出水自动控制装置9用于控制达标水体的排放及未达标水体的重新返回格栅内再次修复；
37.上述污水原位修复系统使用到的出水自动控制装置9包括箱体29、控制箱30、水质分析仪31与抽水泵32，控制箱30、水质分析仪31为现有技术故不作过多赘述，控制箱30内设有监测控制系统，箱体29内设有两个取样筒33，抽水泵32入水端连通设有抽水管，抽水管上连通设有两个分流管38，箱体29内设有用于清理取样筒33内沉淀物的清理机构，清理机构包括固定连接在取样筒33上端的电机36，电机36的输出轴固定连接有驱动轴42，驱动轴42侧壁通过连接杆固定连接有刮板43，取样筒33上设有与其内部连通的排污管48。
38.箱体29上设有用于阻拦大颗粒杂质进入取样筒33的阻拦机构，阻拦机构包括固定连接在箱体29侧壁的两个安装筒35与两个防护筒45，安装筒35上设有第一过滤网37，防护筒45上设有第二过滤网46，取样筒33上设有第一连接管40和第二连接管44。
39.取样筒33侧壁转动连接有转动杆41，转动杆41与驱动轴42侧壁均固定连接有两个锥形齿轮34，两个锥形齿轮34相互啮合，转动杆41侧壁固定连接有第一毛刷板39，驱动轴42侧壁固定连接有第二毛刷板47，分流管38、第一连接管40与第二连接管44以及排污管48上均设有电磁阀。
40.一种金属矿山井下污染地下水的原位修复系统运行方法，包括以下步骤：s1、格栅构建空间的确定：对矿山井下现有地下水渗出的废弃巷道、采空区等空间内水质和水量进行取样监测，根据地下水中污染物浓度、涌出量计算其污染通量，确定需要开展修复的靶区，明确充填式可渗透反应格栅6施工的空间条件与四周围岩3岩性等。
41.s2、反应材料28的筛选：基于靶区空间地下水的污染特征，通过文献调研、室内批实验、柱实验、中试实验等确定反应材料28，反应材料28应兼具反应活性、渗透性和力学强度，并结合修复系统设计的使用年限及反应材料28对污染物的反应容量，确定可渗透反应格栅中反应材料28的填充量。
42.s3、反应材料28充填：在枯水期或将巷道空间内已有积存废水引流、不影响施工条件下，将筛选的反应材料28按照设计用量均匀填充进来，采用从巷道内部边填充边回撤方法，使空间内污染地下水5可以全部流经反应材料28(为保证反应材料28能充填满所需修复
空间，可使用透水麻袋、透水槽等先装填反应材料28后，再分批次由空间内向外依次堆砌，使空间内充填满反应材料28)。
43.s4、挡水墙7构建及管路连接：在可渗透反应格栅末端构建由钢板桩或水泥墙组成的挡水墙7，挡水墙7嵌入到四周围岩3中，挡水墙7上部设置第一出水管8、导流管12、水位监测管14与反冲洗管13，第一出水管8上安装出水自动控制装置9，并通过电动三通阀门10与第二出水管11及导流管12连接，其中导流管12延伸回格栅内部，可将排出水重新引流到反应格栅前端进水处，反冲洗管13位于挡水墙7中下部，平时处于闭合状态。
44.s5、运行：充填式可渗透反应格栅6可实现被动运行，空间内汇流的污染地下水5在水力梯度下自动流经格栅内反应材料28并与之反应，再经挡水墙7设置的第一出水管8流出，系统运行过程中根据水质在线监测数据，监测控制系统控制电动三通阀门10的开启，当监测的水质达标时电动三通阀门10向第二出水管11侧开启，可直接经第二出水管11进入井下水体收集系统，当监测的水质不达标时，电动三通阀门10向导流管12侧开启，通过导流管12返排回格栅内部，重新与反应材料28反应，水位监测管14监测可渗透反应格栅内蓄积的水量，来控制第一出水管8的排出水量。
45.s6、维护与检修：在系统长期运行过程中，当第一出水管8出水水质长期不达标或反应格栅出现堵塞(出水量减少)时，开启反冲洗管13，利用反冲洗水泵对反应格栅进行反冲洗，以促进反应材料28的活性和疏通孔隙空间，当系统内反应介质完全失活无法实现污染地下水5修复时，系统需停止运行，打开挡水墙7进行反应材料28的更换。
46.本实用新型中，如图1-2所示，在金属矿山开采阶段和闭矿阶段，降雨入渗1等经过矿山围岩3中分布的渗水裂隙2向下入渗，当地下水流经矿脉4并接触发生溶滤反应时，一些重金属离子等污染物会释放出来，进而造成地下水污染，污染地下水5会集中在井下废弃巷道、穿脉及采空区渗出，这也是井下地下水主要的汇流区和径流区。随时间增加，采空区、巷道等产生的矿坑废水会产生蓄积和溢流扩散，造成矿山地下水严重污染。
47.图3-6为本渗透反应格栅中填充的沸石负载铁反应材料28对金属矿山中重金属离子去除的等温吸附拟合，可以清楚看出，其对典型重金属离子去除具有较好的普适性，反应容量大，去除效率高；
48.图7-8为利用柱实验模拟可渗透反应格栅对阴离子型重金属as
3+
去除的柱实验，蠕动泵24通过管道与储液容器22与反应器连接，储液容器22上设有氮气袋23，反应器上设有液相取样管25、监测探头26与介质取样口27，内部填充有反应材料28，可以看出，在进水as
3+
浓度高达2000μg/l、地下水流速为0.8m/d的情况下，在反应柱运行的54个孔隙体积过程中，反应柱出水中as
3+
浓度始终保持在较低的浓度，最大浓度仅为124μg/l，且出水as
3+
浓度保持稳定，对as
3+
的去除率一直在94％以上；
49.图9为在某金矿矿山井下巷道构建的充填式可渗透反应格栅6中试试验示意图，由钢板桩或水泥墙构建的封堵巷道污染地下水汇流口21，该废弃巷道存在的空间15设有挡水墙7，污染地下水5经挡水墙7的出水口16集中流出，中试实验设计在汇流口下游构建巷道污水集水槽20，巷道污水集水槽20上设有集水槽溢流口19，在巷道污水集水槽20连接处设计4个独立的反应材料填充区18即为可渗透反应格栅模拟槽17，用于填充不同反应介质或混合填充反应材料28，污染地下水5流经可渗透反应格栅模拟槽17，并与其中填充的材料反应，实现污染物的去除，在筛选对污染地下水5具有最好去除效果的材料后，可将挡水墙7打开，
将反应材料28充填到废弃的巷道中，实现废弃巷道的安全填充及污染地下水5修复。
50.图10-11为出水自动控制装置，初始状态，箱体29下端通过安装外部支撑架，使得箱体29第一连接管40浸没在污水中。
51.在使用时，只打开其中一个分流管38上的电磁阀，打开该分流管38对应的取样筒33对应的第一连接管40与第二连接管44上的电磁阀，此时，取样筒33通过与畅通的第一连接管40与第二连接管44与外界污水连通，污水进入该取样筒33内，通过启动抽水泵32将污水送入水质分析仪31内进行分析，在取样筒33使用一段时间后，其内壁形成大量沉淀物，可以关闭取样筒33对应的分流管38、第一连接管40与第二连接管44上的电磁阀，启动电机36后，电机36的输出轴带动驱动轴42转动，驱动轴42带动刮板43转动，从而刮除取样筒33内的沉淀物，打开第一连接管40与排污管48，沉淀物在重力作用下流出，随后关闭相关电磁阀，过程中实现了取样筒33内沉淀物的自动清理，不需要人为检修清理，进而提高了装置的实用性；
52.在清理过程中可以打开另一取样筒33上对应的分流管38、第一连接管40与第二连接管44的电磁阀，使得另外一个取样筒33能够进行取样工作，从而保证取样工作的持续进行；
53.驱动轴42转动过程中通过两个锥形齿轮34啮合带动转动杆41转动，第一毛刷板39与第二毛刷板47转动，从而可以对第一过滤网37与第二过滤网46上的杂质进行清理，从而实现了自动疏通第一过滤网37与第二过滤网46的目的。
54.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。