礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)保五位一體優(yōu)化結(jié)合研究＊

武 強王志強郭周克張黨育陳亞杰趙鵬飛陳 宇王鐵記劉存玉王 屹

(1.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津市,300401; 3.冀中能源峰峰集團(tuán),河北省邯鄲市,056003)

★節(jié)能與環(huán)保 ★

礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)保五位一體優(yōu)化結(jié)合研究＊

武 強1王志強2郭周克3張黨育3陳亞杰3趙鵬飛3陳 宇3王鐵記3劉存玉3王 屹3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津市,300401; 3.冀中能源峰峰集團(tuán),河北省邯鄲市,056003)

以梧桐莊煤礦的突水治理為例,以一種全新思維方式將礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)保五位一體優(yōu)化結(jié)合,統(tǒng)籌管理,較好地解決了礦井水害防控、水資源利用與生態(tài)環(huán)保相互之間的矛盾和沖突。

礦井水治理 五位一體 優(yōu)化結(jié)合 礦井水回灌 綠色開采

AbstractA case study is carried out on the mine water outburst control in Wutongzhuang Coal Mine in this paper and a brand new thinking is adopted in the combination of a total of five aspects of mine water outburst fighting,i.e.mine water control,mine water treatment,mine water utilization,mine water back filling and mine water treatment for eco-environmental protection.A well coordinated management on the five aspects produces a scheme that better copes with mine water prevention and control,water resources utilization and eco-environment protection and their interrelations.

Key wordsfive-in-one,optimized combination,mine water back filling,green mining(environment friendly mining)

1 概述

梧桐莊煤礦具有極為特殊復(fù)雜的水文地質(zhì)條件,在建井和生產(chǎn)階段發(fā)生過多次嚴(yán)重突水事故。1995年12月3日,在建井期間發(fā)生了斷層突水,導(dǎo)致了淹井事故。2000年5月14日,采煤過程中掘進(jìn)工作面左幫淋水增大,出水量42 m3/h。2001年3月10日,該礦巷道頂板發(fā)生突水,實測增加水量130 m3/h,導(dǎo)致巷道再次被淹。2002年6月7日,該礦首采區(qū)工作面發(fā)生異常涌水,出水量480 m3/h,致使工作面被淹,整個采區(qū)處于半停產(chǎn)狀態(tài)。

梧桐莊煤礦礦井水具有Ca2+、Mg2+離子含量較高的高礦化度特征和煤粉為主的高懸浮物特征,礦化度達(dá)5000 mg/L、總硬度達(dá)2000 mg/L、懸浮物含量1800 mg/L,屬典型的“三高”(高礦化度、高硬度和高懸浮物)廢水。大量的高礦化度礦井水作為生產(chǎn)廢水未經(jīng)處理直接外排,使礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民和梧桐莊煤礦均受到了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為此,地方環(huán)保部門已把梧桐莊煤礦的礦井水直排問題列為限期治理項目。

在此情況下,該礦根據(jù)井田地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件,研究礦井突水機(jī)理,對礦井水進(jìn)行控制、處理、綜合利用和深層回灌,開辟出了一條礦井廢水資源化和礦井廢水零排放的道路,既保護(hù)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,同時也實現(xiàn)了煤礦的綠色開采。

2 礦井水控制

2.1 地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)

梧桐莊井田基本為一掩蓋區(qū),僅在西北部有上二疊統(tǒng)出露。地層由老至新有下古生界中奧陶統(tǒng),上古生界石炭系、二疊系,新生界第三系及第四系沉積地層。本井田可劃分為10個含水層,自下往上依次為奧陶系灰?guī)r含水層 (Ⅰ);石炭系太原組大青 (Ⅱ)、小青 (Ⅲ)、伏青 (Ⅳ)、山青 (Ⅴ)、野青 (Ⅵ)灰?guī)r含水層;二疊系山西組砂巖含水層(Ⅶ)、石盒子組砂巖含水層 (Ⅷ);石千峰組砂巖含水層 (Ⅸ);第三系、第四系含水層 (X)。

根據(jù)構(gòu)造分割和水文地質(zhì)條件特征,峰峰礦區(qū)鼓山東劃分為4種不同強度的徑流區(qū) (強徑流區(qū)、弱徑流區(qū)、半停滯區(qū)、停滯區(qū)),梧桐莊煤礦礦井位于鼓山東側(cè)南端停滯區(qū),奧陶系灰?guī)r為煤系基盤,總厚度約600 m,并為井田主要含水層及各含水層的總補給源。在基本封閉的地壘塊段,天然條件下奧陶系灰?guī)r含水層及煤系含水層基本處于停滯狀態(tài)。深層地下水為煤系地層含水層和奧陶系灰?guī)r含水層水,由于受井田邊界斷層的阻水和上覆隔水層的封閉作用,補給徑流排泄條件較差,相對滯流,與地表水系和淺層地下水基本無水力聯(lián)系。而在斷裂破碎帶、褶曲軸部等部位巖溶和裂隙較發(fā)育,富水性較好,并具有明顯的不均一性。井田勘探資料顯示,奧陶系灰?guī)r含水層分布面積廣、厚度大、水壓高、富水性強、導(dǎo)水通道發(fā)育,單位涌水量為1.258～6.438 L/(s·m),對礦井生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2.2 礦井水控制

梧桐莊煤礦182104工作面存在多處導(dǎo)水通道或薄弱地帶,又有多條小斷層,煤層開采過程中,存在卸荷作用,在地壓和水壓聯(lián)合作用下,造成底板突水事故難以避免。通過試驗研究和理論分析,對綜合探測出的大煤底板至野青灰?guī)r含水層的含水裂隙薄弱帶進(jìn)行預(yù)注漿加固,并進(jìn)行疏水降壓。通過對182104工作面中段底板陷落柱和導(dǎo)水異常區(qū)的注漿治理加固工程,該段野青灰?guī)r含水層由中等富水層改造為弱含水層,礦井涌水量由最大時的1850 m3/h減少至270 m3/h,封水效果85%;工作面底板巖層穩(wěn)定性進(jìn)一步加強,隔水層底板承受的水壓力明顯減小,使得工作面中段鉆孔的野青水壓已從注漿前的1.8 MPa降至1.29 MPa。

3 礦井水處理和利用

梧桐莊煤礦礦井涌水主要源自奧陶系灰?guī)r含水層水,補給徑流排泄條件較差,相對滯流,在長期水巖相互作用下,形成高礦化度、高硬度水質(zhì);并且礦井涌水在流經(jīng)采煤工作面和巷道時,由于帶入大量煤粉和巖粉等懸浮顆粒而具有高懸浮物的特性;此外,由于礦工生產(chǎn)、生活活動的影響,還使礦井水含有較多的細(xì)菌。該礦礦井涌水量為1100 m3/h,原水水質(zhì)如表1所示。

表1 礦井水原水水質(zhì)

經(jīng)過對礦井水處理試驗和理論研究,確定礦井水處理工藝,如圖1所示。為了降低能耗,礦井水處理工藝分為井下處理工藝和井上處理工藝兩部分。

礦井原水經(jīng)過井下混凝、沉淀、石英砂過濾技術(shù)處理后,其中200 m3/h的礦井水可用于礦井井下消防、防塵等生產(chǎn)用水,而900 m3/h的礦井水用泵打到井上進(jìn)行處理,經(jīng)過濾、反滲透技術(shù)處理后有125 m3/h的礦井水可以達(dá)到生活用水的水質(zhì)要求,其余礦井水經(jīng)井上處理工藝活性炭吸附和ClO2消毒后,可以達(dá)到地下水回灌的水質(zhì)要求,回灌水水質(zhì)不高于回灌目標(biāo)含水層的水質(zhì)背景值。

4 礦井水回灌

梧桐莊煤礦井田處于相對獨立的水文地質(zhì)單元,井田區(qū)為相對滯緩的排泄區(qū),與地表水系和淺層地下水基本無水力聯(lián)系,主要通過深部奧陶系灰?guī)r含水層與其他井田或地下水系統(tǒng)聯(lián)系,并且聯(lián)系微弱,僅在井田西南角邊界接受深層奧灰水補給,在廣泛調(diào)研與技術(shù)論證的基礎(chǔ)上,將礦井水處理后回灌至原奧陶系灰?guī)r含水層。為此,本研究工程設(shè)計3個回灌井,單井孔深1200 m,單井最大回灌量為300 m3/h。回灌目的層為奧陶系中統(tǒng)馬家溝灰?guī)r,奧陶系以上地層全部以套管止水封閉,奧陶系則為祼孔以利于回灌。

圖1 礦井水處理工藝

地下水回灌方法主要取決于回灌目的及回灌目標(biāo)層的水文地質(zhì)條件,回灌井淤堵 (塞或積)是地下水人工回灌要解決的主要問題,主要內(nèi)容包括淤層的形成過程、補給效率及控制措施等。高礦化度礦井水深層地下水回灌工程目前在國際上鮮有報道。本研究根據(jù)梧桐莊礦井田水文地質(zhì)條件,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程試驗,實現(xiàn)了礦井水回灌工程的順利進(jìn)行。

4.1 奧灰水回灌狀態(tài)下動態(tài)變化趨勢模擬預(yù)測

利用數(shù)值模擬來預(yù)測人工回灌對井田奧灰水流場的影響,定量研究回灌過程中井田奧灰水與周邊奧陶系地下水的水動力條件。通過建立水文地質(zhì)概念模型,梧桐莊煤礦井田奧陶系巖溶地下水流可概化為非均質(zhì)介質(zhì)中三維承壓非穩(wěn)定流問題,數(shù)學(xué)模型為:

式中:Kxx、Kyy、Kzz——分別為主軸方向滲透系數(shù);

h0(x,y,z)——奧灰水初始水頭值;

h1(x,y,z,t)——奧灰含水層第一類邊界上的實測水頭值;

q(x,y,z,t)——奧灰含水層第二類邊界上的單位面積流量;

Ω——滲流區(qū)域;

Γ1——第一類邊界曲面;

Γ2——第二類邊界曲面;

n——外法線方向;

w——源匯項,包括礦井涌水、越流排泄和人工回灌溉。

通過數(shù)值模擬,可以得出結(jié)論:地下水人工回灌對井田奧灰水流場有一定的影響,回灌中心附近流場變化較大,而較遠(yuǎn)的地段流場變化較小,如東邊界附近、西邊界附近及南部地段流場形態(tài)變化較小,整個井田流場形態(tài)依然為西高東低緩慢下降,也就是說回灌對田奧灰水流場有一定的影響,但還遠(yuǎn)沒有達(dá)到改變奧灰水天然徑流狀態(tài)的強度。

4.2 回灌技術(shù)方案

對奧陶系灰?guī)r含水層進(jìn)行了3種方式的工程回灌試驗:連續(xù)回灌試驗、間斷回灌與不定時回?fù)P回灌試驗、連續(xù)回灌與定時回?fù)P回灌試驗,確定了礦井水回灌的技術(shù)方案。

(1)經(jīng)現(xiàn)場礦井水回灌試驗,梧桐莊礦礦井水回灌奧陶系中統(tǒng)馬家溝灰?guī)r含水層,試驗比較成功,回?fù)P可以清除含水層和回灌井的堵塞問題。

(2)在礦井水回灌過程之間進(jìn)行回?fù)P,與連續(xù)回灌下進(jìn)行回?fù)P相比,能較好地恢復(fù)回灌量和回灌水位,保證回灌井比較正常地進(jìn)行回灌。

(3)以回灌量水位降幅削減值作為回灌效果的評價標(biāo)準(zhǔn),則采用回灌12 h回?fù)P1次的方式最好,回灌量水位降幅削減值為0.224 m/kt。

5 生態(tài)環(huán)境保護(hù)

經(jīng)過井下和地面雙級聯(lián)合處理后的礦井水,除部分作為井下生產(chǎn)供水和地面灑水外,剩余全部回灌地下。這既回補了礦區(qū)地下含水層,保護(hù)了水資源,也不會造成對水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的污染,確保了煤礦的綠色開采,實現(xiàn)了礦井水的零排放,保護(hù)了礦區(qū)周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

6 五位一體優(yōu)化管理

將礦井水控制、處理與利用、回灌、生態(tài)環(huán)保5個方面統(tǒng)籌規(guī)劃,統(tǒng)一管理,建立梧桐莊煤礦礦井水五位一體優(yōu)化管理模型,對實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)、水資源需求及生態(tài)環(huán)境保護(hù)優(yōu)化協(xié)調(diào)管理具有重要意義。具體的優(yōu)化結(jié)合管理模型如下:

式中:Qp(i,j),Ql(i,j),Qi(i,j)——生產(chǎn)用水量、生活用水量、回灌水量的決策變量,m3/d;

ppi,lpi,ipi——生產(chǎn)、生活、回灌單位立方米的水價或水資源補償價,元/m3;

pdi,ldi,idi——生產(chǎn)、生活、回灌水單位立方米排污費,元/m3;

pti,lti,iti——生產(chǎn)、生活、回灌水單位立方米處理費,元/m3;

C(i,j)——價格系數(shù),均取1;

Ni——生產(chǎn)、生活、回灌水決策變量個數(shù);

S(k,i),S′(k,i)——i時段附加水量;

β(k,i)——單位脈沖響應(yīng)函數(shù)。

7 結(jié)論

本研究以一種全新的思維、技術(shù)理論和方法,將礦井水控制、處理、利用、回灌和生態(tài)環(huán)保五位一體優(yōu)化結(jié)合。通過對梧桐莊煤礦采煤工作面陷落柱和導(dǎo)水異常區(qū)的注漿治理,使礦井涌水量減少1580 m3/h,封水效果達(dá)85%;對礦井水處理利用,每年節(jié)約水資源285×104m3,節(jié)約自來水費用165萬元;實施礦井水回灌工程,每年可削減:懸浮物排放量4197 t;懸浮物排放量788 t;CODcr排放量394 t。將礦井水控制、處理、利用、回灌和生態(tài)環(huán)保五位一體優(yōu)化相結(jié)合的策略保護(hù)了煤礦周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)了煤礦綠色開采、可持續(xù)開采的戰(zhàn)略目標(biāo)。

[1]陳元良,何緒文.我國礦井水處理利用現(xiàn)狀及存在問題 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2009,24

[2]武強,董東林,石占華等.華北型煤田排–供–生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結(jié)合研究 [J].中國科學(xué) (D輯), 1999(6)

[3]Wu Qiang,Li Duo,2006,Management of karst water resources in mining area:dewatering in mines and demand forwatersupply in theDongshan Mine of Taiyuan,Shanxi Province,North China,Environmental Geology,50(8)

[4]杜新強,冶雪艷,路瑩等.地下水人工回灌堵塞問題研究進(jìn)展 [J].地球科學(xué)進(jìn)展,2009(8)

[5]G.Bekesi,J.McConchie.Groundwater recharge modelling using the Monte Carlo technique,Manawatu region,New Zealand[J],Journal of Hydrology,1999 (3)

[6]武強,李鐸.“煤–水”雙資源礦井建設(shè)與開發(fā)研究[J].中國煤炭地質(zhì),2009(3)

(責(zé)任編輯 張艷華)

A research on an optimized five-in-one combination of mine water control, treatment,utilization,back-filling and environment friendly treatment

Wu Qiang1,Wang Zhiqiang2,Guo Zhouke3,Zhang Dangyu3,Chen Yajie3, Zhao Pengfei3,Chen Yu3,Wang Tieji3,Liu Cun3,Wang Yi3
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Haidian District,Beijing 100083,China; 2.School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China; 3.Jizhong Energy Fengfeng Group,Handan,Hebei province 056003,China)

TD994

A

武強 (1959-),男,漢族,教授,博導(dǎo),主要從事礦井防治水、水資源、數(shù)字礦山等方向研究工作。

＊煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題、國家自然科學(xué)基金 (40572149、40772162)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (973)項目 (2006CB202205)和“十一五”國家科技支撐項目 (2007BAK24B01,2006BAB16B04)聯(lián)合資助。