承壓開采技術(shù)在地下礦山廢水減排中的應(yīng)用*

杜新亮，劉長(zhǎng)武，劉樹新，曹磊，周曉明

(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065)

承壓開采技術(shù)在地下礦山廢水減排中的應(yīng)用*

杜新亮，劉長(zhǎng)武，劉樹新，曹磊，周曉明

(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065)

地下礦山的廢水減排是針對(duì)地下礦山開采過(guò)程中造成的水環(huán)境嚴(yán)重破壞問(wèn)題而提出的。承壓開采是在盡量不影響礦井水文地質(zhì)條件下所使用的帶壓開采技術(shù)，可以很好地解決資源開采對(duì)地下水原始賦存狀態(tài)的破壞問(wèn)題，從而取得良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。論文以冀中能源股份有限公司葛泉礦東井1195回采工作面為例，系統(tǒng)總結(jié)了地下礦山承壓開采的技術(shù)方法和途徑，分析了承壓開采在礦山廢水減排中的意義和作用及取得的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

地下礦山;廢水減排;承壓開采;隔水關(guān)鍵層;突水防治

1 引言

近年我國(guó)的工業(yè)發(fā)展取得了顯著的成效。2010年，我國(guó)工業(yè)增加值達(dá)18.64萬(wàn)億元，占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總量的比重達(dá)到46.8%，工業(yè)增加值連續(xù)5年保持年均13.5%以上的增長(zhǎng)速度。由于工業(yè)消耗主要以礦藏資源為主，礦藏資源在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。隨著我國(guó)礦產(chǎn)量的不斷增加，礦藏開采所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題愈加突出［1］。礦藏資源開采過(guò)程中產(chǎn)生的污染源(如礦山廢水、礦井廢氣、煤矸石、噪聲、粉塵及地表沉陷等)嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。其中又以“三廢”(即廢水、廢矸、廢氣)帶來(lái)的問(wèn)題最為突出。由于我國(guó)大部分礦區(qū)分布在干旱和半干旱地區(qū)，探索適合我國(guó)國(guó)情的并有利于資源開發(fā)與環(huán)保的礦藏開采技術(shù)就成為當(dāng)前人們十分關(guān)注的熱點(diǎn)課題［2-4］。

2 地下礦藏開發(fā)引起的環(huán)境問(wèn)題

地下礦藏的大規(guī)模開發(fā)與利用，在對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響，如地下礦藏開采引起地表塌陷，采掘過(guò)程中產(chǎn)生的廢矸石及排出的廢氣、廢水、粉塵等都對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，使部分地面建筑物損壞和礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。其中以“三廢”(即廢水、廢氣、廢渣)帶來(lái)的污染問(wèn)題最為突出［5］。

2.1 廢氣與粉塵污染

各類地下礦藏開發(fā)過(guò)程中都伴隨有大量廢氣的排放。以煤礦為例，我國(guó)大部分煤礦都是瓦斯礦井，并且高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井約占礦井總數(shù)40%左右［6］。此外，在井下其它作業(yè)過(guò)程中還產(chǎn)生部分有害氣體，如柴油動(dòng)力機(jī)械排放的廢氣中含有大量的NOX;井下使用的硝胺炸藥在爆炸過(guò)程中產(chǎn)生CO和NOX;地下礦藏自燃產(chǎn)生CO，CO2等。為了井下生產(chǎn)安全，通常采用通風(fēng)方式將井下的有害氣體抽出礦井排入大氣中。CO2、NOX、CH4、CO及H2S等是造成大氣污染和溫室效應(yīng)的有害源，嚴(yán)重影響地球的氣候和生態(tài)環(huán)境，已引起國(guó)際環(huán)境組織和世界各國(guó)的廣泛重視。

2.2 固體廢棄物污染

固體廢棄物污染主要指地下礦藏開采過(guò)程產(chǎn)生的棄渣和矸石。地下礦藏開采過(guò)程中，會(huì)同時(shí)采出部分頂、底板圍巖及夾雜在有用礦物中的巖石，經(jīng)過(guò)洗選分離后的這些巖石或尾礦作為固體廢棄物堆積起來(lái)成為矸石山或尾礦庫(kù)。煤矸石或尾礦庫(kù)對(duì)環(huán)境的影響首先表現(xiàn)為侵占土地，破壞自然景觀(據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤矸石累計(jì)堆積已達(dá)30億t［6］，占地55萬(wàn)m2以上);其次是矸石山和尾礦庫(kù)排出的大量煙塵、CO、H2S、SO2等有害氣體，損害人體健康，抑制作物生長(zhǎng)，腐蝕構(gòu)筑物等。

2.3 水體污染

“三廢”中，廢水對(duì)環(huán)境的破壞最大，造成的后果也最嚴(yán)重。水體污染主要分為兩類:一是地下礦藏開采對(duì)地下水水位的影響，包含對(duì)淺層、中層和深層地下水的影響;二是礦區(qū)生活污水、礦井生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的礦井廢水對(duì)地下水水質(zhì)的影響［7］。

(1)地下開采對(duì)淺、中層地下水的影響。

淺、中層地下水是工業(yè)用水和生活用水的主要水源，由于受地下采礦活動(dòng)的影響，礦體下的巖層及上覆巖層(包括松散沖擊層)中的垂向裂縫增多、增大，地下含水層中的水快速地向下滲透，形成了區(qū)域性地下水位降落漏斗，淺、中層地下水逐年被疏干。

(2)地下開采對(duì)深層地下水的影響。

地下開采過(guò)程中，為維持采礦工作的正常進(jìn)行及采掘工作面的橫向和縱深的發(fā)展，必須將工作面周圍的水或潛在的水排出。隨著開采深度的加大，采掘工作面附近的深層含水層水被截留，轉(zhuǎn)化為礦井廢水排出，礦井排水量逐年增加，導(dǎo)致深層地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范圍和幅度也越來(lái)越大。深層地下水位一再下降，很難在短時(shí)期內(nèi)得到恢復(fù)［7］。

(3)地下開采對(duì)地下水水質(zhì)的影響。

礦井疏排(抽排)地下水是地下礦藏開采過(guò)程中的一項(xiàng)基本工藝過(guò)程。該工藝過(guò)程所造成的后果主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:一是當(dāng)含有有害雜質(zhì)的地下水排到地面時(shí)，可導(dǎo)致地表含水層、淺層土壤的污染;另一方面礦山的疏、排水工作改變了該區(qū)域地下水系統(tǒng)的自然、物理和化學(xué)格局，并對(duì)地下水系統(tǒng)(包括地下水的儲(chǔ)存量和水質(zhì)流場(chǎng)的介質(zhì)等)產(chǎn)生反作用。兩種作用都將引起礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化，并且反過(guò)來(lái)對(duì)礦區(qū)開發(fā)建設(shè)帶來(lái)不利影響。

3 地下礦藏承壓開采的技術(shù)原理

3.1 承壓開采的基本原理

隨著礦井開采深度、開采速度、開采強(qiáng)度、開采規(guī)模的增加和擴(kuò)大，一些礦區(qū)(特別是華北石炭二疊系礦區(qū))來(lái)自底部的灰?guī)r裂隙巖溶高承壓水的威脅日趨嚴(yán)重，底板巖層在采動(dòng)的影響下的破壞程度也日趨加劇，許多礦井突水事故都與之密切相關(guān)，如圖1所示。“承壓開采”技術(shù)是指在不疏降地下水位的情況下，回采工作面底板含水層有較高的承壓水作用時(shí)，通過(guò)底板封堵、加固等手段來(lái)保證工作面不產(chǎn)生水害事故的開采方式［8］。此時(shí)承壓水的水位高于開采水平，因此叫承壓開采。其特點(diǎn)是:“以防為主，承壓開采，適當(dāng)疏排，輔以截堵”。采前和開采過(guò)程中，可在礦區(qū)外圍截堵地下水的補(bǔ)給源，盡量減少水的動(dòng)儲(chǔ)量;同時(shí)，在承壓開采中根據(jù)礦井涌水量和承壓大小進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖杷祲海赃_(dá)到安全開采的目的。該方法安全、經(jīng)濟(jì)、合理，對(duì)大多數(shù)開采地質(zhì)條件都可以使用。因此，底板承壓開采的理論研究及生產(chǎn)實(shí)踐受到了人們的高度重視［9］。

圖1 承壓開采底板裂隙垂直分帶示意圖

3.2 承壓開采技術(shù)

承壓開采是在有效保護(hù)地下水環(huán)境前提下的開采技術(shù)。承壓開采技術(shù)主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容。

(1)承壓開采的三種途徑:一是合理選擇開采區(qū)域;二是采取合理的采礦方法和工程措施;三是適當(dāng)留設(shè)防水(砂)礦(巖)柱。

(2)承壓開采的兩種方法:一是減小導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)現(xiàn)頂部帶壓開采。具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)充填開采、條帶開采、分層開采、協(xié)調(diào)開采、限厚開采等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)減小裂隙帶高度。二是以底板加固為主導(dǎo)的底板承壓開采。對(duì)于底部賦存巖溶水或承壓水體的礦體，工作面底板加固就是對(duì)底板隔水層薄弱帶進(jìn)行注漿強(qiáng)化處理，既降低底板巖層的滲透性，又提高底板巖層的承載能力，起到了封堵和加固的雙重作用［10］。

4 承壓開采在礦山廢水減排中的應(yīng)用

根據(jù)上面所述的原理和方法，對(duì)河北冀中能源股份有限公司葛泉礦東井1195工作面進(jìn)行了承壓開采的技術(shù)實(shí)踐。不但成功地開采出按一般方法“暫不可利用的儲(chǔ)量”，同時(shí)，也大大減小了礦井的廢水排放量，實(shí)現(xiàn)了資源開發(fā)與環(huán)保并重的目標(biāo)。

葛泉礦東井位于邯邢地區(qū)百泉地質(zhì)單元邢臺(tái)煤礦和葛泉礦匯流區(qū)內(nèi)［11］。1195工作面位于大油村向斜構(gòu)造的一翼，處于SF2斷層下盤，主采石炭系太原組9#煤層。煤層呈單斜構(gòu)造。煤層底板距奧灰強(qiáng)含水層43～45m，礦區(qū)附近奧灰水水位+40～+ 45m，1195工作面開采標(biāo)高-60～-130m，承壓1.0～1.75MPa，屬于奧灰水位下的帶壓開采，客觀上存在奧灰水突水威脅。為保證生產(chǎn)安全，對(duì)1195工作面底板巖層進(jìn)行注漿封堵、加固是十分必要的。

針對(duì)以上情況，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了如下的布置和操作:

4.1 注漿孔布置

(1)工程布置。

1195工作面開采前，前期的底板注漿加固工作通過(guò)鄰的1194工作面運(yùn)料巷進(jìn)行。后期在1195運(yùn)料巷及運(yùn)輸巷布置了鉆窩進(jìn)行注漿加固工作。

具體的注漿鉆孔布置及相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 1195工作面底板注漿鉆孔布置圖

(2)鉆孔結(jié)構(gòu)。

注漿孔單孔由孔口管(?108)、止水套管(?89)和裸孔注漿段(?75)組成。在符合相關(guān)規(guī)程的基礎(chǔ)上，因鉆孔位置的巖性、水壓以及初見(jiàn)水量大小而不同，止水套管埋深在煤層底板下6～10m，終孔位置為穿過(guò)本溪灰?guī)r底2m。注漿鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 注漿孔單孔結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 注漿系統(tǒng)及注漿工藝

根據(jù)葛泉礦東井注漿量大、注漿范圍廣、注漿時(shí)間長(zhǎng)等實(shí)際特點(diǎn)，選用了目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的井上、下聯(lián)合注漿系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主體是地面注漿站。注漿站具有風(fēng)動(dòng)下料、射流造漿、制漿過(guò)程自動(dòng)跟蹤控制，水泥注漿量自動(dòng)計(jì)量、注漿密度自動(dòng)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

采用下行、分段注漿方式，注漿之前先進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算注漿段單位吸漿量，然后確定漿液配比與濃度進(jìn)行注漿。

(1)注漿段選擇。

由于煤層底板下10m范圍內(nèi)為采動(dòng)破壞范圍，因此注漿加固與改造的目的層為煤層底板以下10m至本溪灰?guī)r底部的富水構(gòu)造巖層。

(2)壓水試驗(yàn)。

注漿之前首先用清水進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)時(shí)間穩(wěn)定30～60min，根據(jù)壓水試驗(yàn)的結(jié)果確定注漿漿液的比重與泥漿泵的檔位。

(3)注漿材料與配比。

采用純水泥漿液灌注，漿液濃度遵循由稀到濃的原則，逐級(jí)改變，結(jié)束時(shí)又略變稀。一般采用1.1比重水泥漿試注，視注漿壓力變化情況調(diào)節(jié)漿液比重。

(4)注漿技術(shù)要求。

①當(dāng)注漿壓力保持不變，吸漿量均勻減少時(shí);或吸漿量不變，壓力均勻升高時(shí)，注漿工作應(yīng)該持續(xù)下去，一般不改變水灰比;

②注漿時(shí)，當(dāng)改變漿液水灰比后，如注漿壓力突然增或吸漿量突然減少，應(yīng)立即停泵、查明原因、進(jìn)行處理;

③注漿前后及注漿時(shí)都必須觀測(cè)鄰孔的水量、渾濁度及水位變化情況，以便判斷或發(fā)現(xiàn)鉆孔串漿，便于及時(shí)處理;

④一般情況下，注漿工作必須連續(xù)進(jìn)行，直至結(jié)束。當(dāng)注漿孔段已經(jīng)用到最大濃度的漿液，吸漿量仍然很大，不見(jiàn)減少，孔口壓力無(wú)明顯上升或發(fā)生底鼓及底板裂隙漏漿時(shí)，應(yīng)采用間歇式注漿，間歇性注漿仍然出現(xiàn)吸漿量不減，壓力不升等情況時(shí)，可以考慮添加速凝劑或注砂、碎石、石渣等骨料。

(5)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

①結(jié)束壓力:以本溪灰?guī)r含水層靜水壓力的2.5倍以上為標(biāo)準(zhǔn)，即6～8MPa作為結(jié)束壓力;

②結(jié)束吸漿量，一般以35L/min左右為標(biāo)準(zhǔn)，且越小越好。

達(dá)到結(jié)束壓力時(shí)，掃孔下鉆進(jìn)行下一孔段的注漿。注漿工作結(jié)束后，對(duì)注漿孔予以封閉。

以上措施的實(shí)施，不但滿足了工作面安全生產(chǎn)的要求，而且由于有效地封堵了地下水的涌出途徑，降低了工作面的涌水量，1195工作面采后的單孔涌水量在5m3/h左右，比該礦其它工作面的單孔平均涌水量27m3/h降低了許多，從而大大減小了礦井的廢水減排。

利用承壓開采技術(shù)對(duì)“暫不可利用儲(chǔ)量”進(jìn)行開發(fā)利用，不但直接解放了一般方法不能開采的吊滯煤炭，而且由于少排礦井廢水，又可以減少噸煤的生產(chǎn)成本。

承壓開采技術(shù)的利用，使葛泉礦東井每小時(shí)少排水264.5m3，據(jù)葛泉礦的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，排出1 m3的水成本是1元。據(jù)此可以計(jì)算出全礦1年節(jié)省的排水費(fèi)為:

M=365天×24h×264.5 m3×1元/m3=231.7萬(wàn)元，即每年通過(guò)少排地下廢水一項(xiàng)，可獲得直接經(jīng)濟(jì)效益231.7萬(wàn)元。

5 結(jié)論

結(jié)合葛泉礦東井1195工作面具體的煤層賦存條件和開采技術(shù)條件，對(duì)受底板巖溶承壓水威脅的工作面承壓開采技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用，證明了研究結(jié)果在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)璋保護(hù)等方面的實(shí)用性。

(1)受底板巖溶承壓水威脅的華北石炭二疊系煤田的下組煤(太原組)，通過(guò)對(duì)煤層底板本溪灰?guī)r含水層的注漿加固，改造成相對(duì)隔水層后，大幅度增加了煤層和更深處奧灰高承壓含水層的距離，使部分地段可以滿足安全生產(chǎn)的要求，從而大大增加了礦井的可采儲(chǔ)量。

(2)利用隔水關(guān)層的阻水、隔水原理實(shí)施承壓開采，可大大減少地下礦藏生產(chǎn)過(guò)程中的廢水排放量，不僅節(jié)約資金，而且保護(hù)地下水資源，能夠同時(shí)獲得良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

［1］繆協(xié)興，浦海，白海波.隔水關(guān)鍵層原理及其在保水采煤中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(1):1-4.

［2］許家林，錢鳴高.綠色開采的理念與技術(shù)框架［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2007，25(7):61-65.

［3］錢鳴高、許家林、繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)的研究與實(shí)踐［J］.能源技術(shù)與管理，2004(4):1-4.

［4］謝中強(qiáng).淺析煤炭綠色開采技術(shù)［J］.中州煤炭，2009，5:45-46.

［5］周海東，張業(yè)健，等.論煤礦“三廢”與環(huán)境保護(hù)［J］.煤礦環(huán)境保護(hù)，2002，16(3):5-8.

［6］楊俊峰，付永勝.煤礦環(huán)境污染評(píng)價(jià)及“三廢”資源化探討［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31(7):179-181.

［7］李嵐.煤炭保水開采技術(shù)研究［J］.露天采礦技術(shù)，2009，5:14 -19.

［8］魯海峰.承壓水上采煤底板變形破壞特征數(shù)值模擬研究及其工程應(yīng)用［D］.安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［9］劉志軍.承壓水上采煤斷層失穩(wěn)突水的研究［D］.太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［10］范立民.論保水采煤?jiǎn)栴}［J］.煤田地址與勘探，2005，33 (5):50-53.

［11］李沖，白峰青，等.葛泉礦東井帶壓開采9#煤綜合防治水技術(shù)研究［J］.礦業(yè)工程研究，2010(3):21-24.

Application of Mining above the Confined Aquifer Technology in Wastewater Reduction

DU Xin-liang，LIU Chang-wu，LIU Shu-Xin，CAO Lei，ZHOU Xiao-ming

(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Chengdu，Sichuan 610065，China;
2.College of Water Resource＆Hydropower of Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China)

With respect to the serious water environment problems of underground mine，a new concept of wastewater reduction is proposed.Mining above the confined aquifer will be conducted under the condition that it does not affect regional hydrogeologic conditions，It can be a good solution to the resources exploitation of groundwater occurrence the destruction of the original state.The goal is to maximize the economic，social and environmental benefits.This paper introduces the JIZHONG energy resources Co.，LTD existed in gequan coal mine east well of stope face 1195 as an example，systematically summarizes the ways and methods for mining above the confined aquifer，analyzes the meaning and the role of mining above the confined aquifer in the mine wastewater emission reduction and the social and economic benefits.

underground mine;wastewater reduction;mining above the confined aquifer;water-resisting key strata;water inrush control

X751

B

1009-3842(2012)02-0043-04

2011-02-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50879049;50574064);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB226802)

杜新亮(1987-)，男，新疆石河子人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈叵鹿こ?。E-mail:dxl091301@tom.com