一种煤矿充填采空区储水净水系统及其模块化构筑方法

本发明涉及水资源保护与利用，具体为一种煤矿充填采空区储水净水系统及其模块化构筑方法。

背景技术：

1、煤炭开采过程中会产生大量矿井水，常规处理方式通常将矿井水抽排至地表进行集中净化处理，这种方式需要占用较多的地表土地来建设水处理设施，将矿井水从井下深处输送至地表需要消耗大量电能，并且处理后的水资源在地表储存容易发生蒸发损耗，利用煤矿采空区空间实现矿井水井下原位储存与净化能够避免水资源频繁抽排，但在实际应用中仍面临诸多技术阻碍。

2、现有的采空区储水净水技术多在采空区内部堆填具有过滤或吸附功能的散装材料，随着运行时间推移，水处理材料的物理孔隙逐渐被矿井水中的悬浮物堵塞，吸附材料也会达到饱和状态，造成整体净水效能明显下降，在地下采空区复杂的受限空间内，人工挖掘并整体替换失效的水处理材料施工难度大且存在安全风险，现有的一些采空区水处理系统在进行滤材清洗或更换时，需要将整个储水净水构筑体停机停水，中断正常的矿井水流转处理流程，现有系统通常缺乏对不同水处理功能区域的运行状态进行针对性监测与独立管控的设计，无法在维持主体水处理系统正常运行的状态下，对局部发生堵塞或效能衰减的区域进行独立水路隔离与原位再生处理，导致整个地下水处理系统的长期运行维护成本高且连续净水效率受限。

3、因此，本发明提出一种煤矿充填采空区储水净水系统及其模块化构筑方法，来解决现有技术的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种煤矿充填采空区储水净水系统及其模块化构筑方法，解决了现有采空区净水系统在水处理材料效能衰减时需要整体停水中断运行，地下受限空间内人工替换散装水处理材料施工难度大，以及无法对局部失效区域进行独立水路隔离与原位再生处理的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种煤矿充填采空区储水净水系统，包括水质检测单元、地质参数及强度设计单元、砌块制备单元、入井运输单元、防渗层、构筑体、进水管、出水管、监测控制单元、隔离阀、再生供给单元、再生管路以及再生废液排出管路；

4、水质检测单元对矿井水进行检测，地质参数及强度设计单元获取采空区地质数据，砌块制备单元制备预制砌块，入井运输单元将预制砌块运输至采空区内部；

5、构筑体布置于防渗层上方，构筑体由预制砌块装配形成，预制砌块内部封装有净水模块；

6、进水管连接构筑体流体入口端，出水管连接构筑体流体出口端；

7、隔离阀布置于预制砌块之间或不同净水模块之间的水流回路上，再生管路连接再生供给单元与预制砌块内部，再生废液排出管路连接预制砌块内部，监测控制单元分别电连接隔离阀和再生供给单元。

8、本方面提供的煤矿充填采空区储水净水系统，将承载结构与水处理功能结合，监测控制单元持续监测构筑体运行数据，在发生水处理效能衰减时，监测控制单元向隔离阀输出动作指令阻断局部水流，再生供给单元通过再生管路输入再生介质对净水模块执行原位再生操作，废液由再生废液排出管路排出，实现不停机且不取出替换地下滤材的净水模块原位再生。

9、优选的，煤矿充填采空区储水净水系统还包括挡墙、布水管以及集水管；

10、挡墙布置于构筑体四周边界区域；

11、布水管布置于构筑体流体入口端，布水管连通进水管；

12、集水管布置于构筑体流体出口端，集水管连通出水管。

13、优选的，预制砌块包括壳体，壳体外部表面和内部空腔表面均设置有通孔；

14、壳体外表面设置有连接机构，壳体内部开设预应力孔道；

15、多个预制砌块相邻拼接后，相邻预制砌块依靠表面空间对齐的通孔实现跨砌块的水流物理传递；

16、相邻预制砌块通过连接机构实现定位与抗剪互锁，预应力孔道内部穿入金属钢绞线，金属钢绞线贯穿多个预制砌块并通过两端锚固将多个预制砌块紧固连接。

17、优选的，净水模块采用可拆装结构封装于壳体内部，净水模块外部框架表面套设有橡胶密封圈；

18、橡胶密封圈在净水模块插入壳体后受压发生物理形变，形变的橡胶密封圈封堵实体配合间隙，使水流路径导向净水模块内部。

19、优选的，壳体内部开设向壁面内部凹陷的传感器安装槽，传感器安装槽内部固定有数据采集传感器，数据采集传感器与监测控制单元建立通信连接；

20、传感器安装槽将数据采集传感器与壳体外部物料物理隔离，同时传感器安装槽与壳体内部保持物理开口连通确保数据采集传感器获取水质监测数据与水位监测数据。

21、本发明第二方面提供一种煤矿充填采空区储水净水系统的模块化构筑方法，应用于本发明第一方面提供的煤矿充填采空区储水净水系统，包括以下步骤：

22、水质检测单元对矿井水进行检测，水质检测单元确定矿井水污染类型并输出净水模块配置需求；

23、地质参数及强度设计单元分析采空区地质数据，地质参数及强度设计单元确定预制砌块承载参数；

24、砌块制备单元根据预制砌块承载参数制备预制砌块，砌块制备单元将匹配配置需求的净水模块封装在预制砌块内部；

25、入井运输单元将预制砌块运输至井下采空区；

26、在采空区底板铺设防渗层，将预制砌块拼装形成构筑体，连通进水管和出水管；

27、监测控制单元获取构筑体内部的水质监测数据与水位监测数据，并根据水质监测数据与水位监测数据监测识别构筑体内部效能下降的功能区域，监测控制单元控制隔离阀闭合阻断功能区域水路，再生供给单元通过再生管路对功能区域实施脱附再生处理，废液通过再生废液排出管路排离。

28、本方面提供的方法，利用水质数据与地质数据定制预制砌块与净水模块，并在地下采空区装配成型，在净水运行阶段利用水路隔离步骤与分区再生步骤，对发生处理性能衰退的特定功能区域输入清洗介质、解吸介质或气水混合流体介质，原位消除净水模块内部附着的污染物，恢复物理化学污染去除模块的水处理能力。

29、优选的，水质检测单元确定矿井水污染类型并输出净水模块配置需求具体包括：

30、根据矿井水污染类型，构筑体内部按照主水流方向顺次排布形成装配有过滤型模块的过滤区、装配有沉淀吸附型模块的吸附/沉淀区以及装配有生化反应型模块的生化反应区；

31、矿井水优先进入过滤区，过滤型模块截留悬浮固体；

32、矿井水随后流入吸附/沉淀区，沉淀吸附型模块去除重金属离子；

33、矿井水最终流入生化反应区，生化反应型模块分解残留有机污染物。

34、优选的，地质参数及强度设计单元分析采空区地质数据，地质参数及强度设计单元确定预制砌块承载参数具体包括：

35、预制砌块承载参数包含预制砌块的壳体抗压强度及孔隙率，设定壳体抗压强度指标数值不低于5mpa，壳体总体孔隙率参数分布在20%～45%内。

36、优选的，监测控制单元监测识别构筑体内部效能下降的功能区域，监测控制单元控制隔离阀闭合阻断功能区域水路具体包括：

37、监测控制单元内部预先保存有目标浓度阈值、水位高度阈值以及最低流量阈值；

38、当监测控制单元判定出水端反馈的实际污染物浓度大于目标浓度阈值，或者判定功能区域的迎水端水位大于水位高度阈值且出水流量小于最低流量阈值时，监测控制单元判定识别出功能区域；

39、监测控制单元向隔离阀发送闭合指令，驱动隔离阀闭合并贴合封堵过流横截面，将功能区域从主水路流转回路中剥离。

40、优选的，再生供给单元通过再生管路对功能区域实施脱附再生处理具体包括：

41、针对过滤区，再生供给单元将高压清水注入过滤区实施反冲洗再生操作，水流冲刷剥离泥沙颗粒；

42、针对吸附/沉淀区，再生供给单元将酸性解吸液或碱性解吸液注入吸附/沉淀区实施化学再生操作，打破化学吸附平衡将固相重金属离子溶解进入液相；

43、针对生化反应区，再生供给单元将压缩空气与高压清水的混合流体注入生化反应区实施气水联合再生操作，气体微泡破裂产生的物理空化效应与水流剪切力叠加导致老化生物膜脱落。

44、本发明提供了一种煤矿充填采空区储水净水系统及其模块化构筑方法。具备以下有益效果：

45、1、本发明通过将净水模块封装在预制砌块内部，入井运输单元将预制砌块运输至井下并在采空区拼装形成构筑体，利用地下采空区空间进行矿井水原位储存与净化，将采空区承载支撑结构与水处理功能结合，免去将矿井水抽排至地表处理的流转步骤，减少地表土地占用，砌块制备单元根据水质检测单元确定的矿井水污染类型，在预制砌块内部分区装配不同类型的净水模块，满足不同采空区水环境的实际治理需求。

46、2、本发明通过监测控制单元获取数据采集传感器反馈的水质监测数据与水位监测数据，识别构筑体内部效能下降的功能区域，监测控制单元控制隔离阀闭合阻断局部水路，再生供给单元通过再生管路向功能区域输入清洗介质或解吸介质实施原位脱附再生处理，构筑体在维持主体流路运行的状态下实现局部净水模块的水处理性能恢复，免去整体停机停水以及在地下采空区人工取出替换净水滤材的步骤。

47、3、本发明在预制砌块的壳体外部设置连接机构并在壳体内部开设预应力孔道，多个预制砌块拼接后穿入金属钢绞线并通过两端锚固进行紧固连接，提升构筑体在地下采空区环境下的整体承载稳定性，净水模块外部套设的橡胶密封圈在插入壳体后受压发生物理形变并封堵实体配合间隙，使水流物理路径导向净水模块内部，避免矿井水从预制砌块装配缝隙流失，保证构筑体的水处理效果。