煤礦礦井水井下再利用新技術(shù)及工程應(yīng)用

陳團(tuán)團(tuán)

(中煤科工集團(tuán) 武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北　武漢　430064)

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·試驗(yàn)研究·

煤礦礦井水井下再利用新技術(shù)及工程應(yīng)用

陳團(tuán)團(tuán)

(中煤科工集團(tuán) 武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430064)

摘要結(jié)合煤礦礦井水井下再利用新技術(shù)在某礦區(qū)的成功應(yīng)用，總結(jié)了其應(yīng)用工藝、應(yīng)用條件及所應(yīng)采取的安全技術(shù)措施，研究結(jié)果表明：利用防水密閉墻結(jié)構(gòu)，將開采過程中產(chǎn)生的礦井水注入采空區(qū)，進(jìn)行沉淀、過濾、儲(chǔ)存作為礦井生產(chǎn)生活水源，提高了礦井水利用率，解決了礦井水供水和污水外排問題,取得了良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，為其它有條件的礦區(qū)及礦井井下采空區(qū)的儲(chǔ)水再利用的安全實(shí)施提供了參考。

關(guān)鍵詞礦井水；再利用；采空區(qū)；工藝流程；防水密閉墻

在煤炭資源開采過程中，礦井水水害問題是許多礦井面臨的危害之一，尤其對(duì)我國(guó)華北地區(qū)石炭二疊紀(jì)煤田巖溶-裂隙水水害區(qū)及華南晚二疊紀(jì)煤田巖溶水水害區(qū)，隨著礦井開采深度的增加，礦井面臨的水害問題日趨嚴(yán)重。因此，采取安全、合理、可行的技術(shù)措施，合理轉(zhuǎn)化與利用這部分水資源，尤其對(duì)于地處干旱少雨地區(qū)的礦區(qū)而言，可有效緩解生產(chǎn)、建設(shè)期間對(duì)水資源的需求與水資源匱乏之間的矛盾，依靠礦井自身地質(zhì)條件因素，實(shí)現(xiàn)井下安全用水。

結(jié)合目前的生產(chǎn)情況，很多礦井最大限度、因地制宜地利用井下采空區(qū)自然地質(zhì)特征，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水注入采空區(qū)進(jìn)行凈化，在充分利用地下開采空間的條件下，合理處理水害資源，有效挖掘礦井內(nèi)水處理的潛能，通過凈化采空區(qū)礦井水，減少礦井水處理成本，實(shí)現(xiàn)礦井水在井下的重復(fù)利用和協(xié)調(diào)開采，提高礦井水的利用率，減少供水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本，探索出一條新的礦井水處理技術(shù)。

1礦井水井下再利用新技術(shù)研究

1.1應(yīng)用工藝

礦井水井下再利用是礦井水處理的一種新工藝，根據(jù)采空區(qū)的實(shí)際地形、地質(zhì)條件和處理后礦井水的用途，確定主要去除的指標(biāo)，通過將礦井水注入采空區(qū)地勢(shì)高處引導(dǎo)其自流。由于采空區(qū)的矸石具有過濾、吸附、凈化礦井水的作用，水流經(jīng)過濾、沉淀、吸附與離子交換和自生礦物等物理化學(xué)作用達(dá)到凈化效果，在地勢(shì)低處進(jìn)行收集，供井上、下生產(chǎn)及生活使用。

以礦井水作為利用對(duì)象，通過相應(yīng)排水設(shè)施自然流入集水池(水倉(cāng))中，經(jīng)集水池的匯集、調(diào)節(jié)作用，經(jīng)管路或穿層鉆孔排入采空區(qū)中，采空區(qū)凈化水再次經(jīng)過井下復(fù)用水處理系統(tǒng)，去除Fe2+、Mn2+等指標(biāo)后，供給需要用水的地點(diǎn)，使礦井水經(jīng)處理成為凈水而被利用。

礦井水井下再利用工藝流程見圖1.

1.2應(yīng)用條件

礦井水井下再利用過程應(yīng)結(jié)合井下采空區(qū)地形、地質(zhì)條件、采空區(qū)位置和工作面采動(dòng)影響等諸多因素，因地制宜地進(jìn)行，優(yōu)先推薦在水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦井井下采空區(qū)進(jìn)行。

1) 采空區(qū)地形。

圖1　礦井水井下再利用工藝流程圖

礦井水井下復(fù)用的采空區(qū)應(yīng)具有一定的地形高差，將礦井水由采空區(qū)地勢(shì)高處注入采空區(qū)，受地勢(shì)高差影響，礦井水由高向低流動(dòng)，在流動(dòng)過程中經(jīng)過采空區(qū)矸石的過濾、吸附、凈化作用，最終流至采空區(qū)低處，通過設(shè)置在采空區(qū)相應(yīng)巷道處密閉墻體上的排水設(shè)備設(shè)施，經(jīng)沉淀凈化后通過管路排至井下及井上需水地點(diǎn)。

2) 地質(zhì)條件。

作為礦井水井下再利用的采空區(qū)，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造有特殊要求，只適用于少數(shù)礦井，要求不應(yīng)設(shè)置在具有構(gòu)造破壞的采空區(qū)，避免由于構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)，造成上下含水層水體潰入采空區(qū)，或儲(chǔ)存于采空區(qū)內(nèi)的水體在構(gòu)造的影響下，潰入上下煤層回采工作面中，造成水害事故。

3) 采空區(qū)位置。

為確保礦井水井下儲(chǔ)水復(fù)用的安全可靠，同時(shí)不對(duì)井下其它生產(chǎn)工作面造成影響，進(jìn)行礦井水儲(chǔ)水復(fù)用的采空區(qū)應(yīng)選擇在礦井已回采區(qū)域的下部，防止采空區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存的水體由于各種不確定因素而危及礦井的安全生產(chǎn)。

4) 工作面采動(dòng)影響。

回采工作面由于煤層采動(dòng)，影響頂板穩(wěn)定，隨工作面推進(jìn)，工作面壓力顯現(xiàn)，出現(xiàn)頂板初次來壓與周期來壓，頂板來壓會(huì)對(duì)防水密閉墻結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性造成破壞性影響，同時(shí)，對(duì)墻體周圍留設(shè)的安全煤(巖)柱造成影響，將在很大程度上影響采空區(qū)礦井水儲(chǔ)水復(fù)用的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3安全技術(shù)措施

鑒于作為水害的水資源在井下就地處理的安全性考慮，為確保礦井水凈化處理不對(duì)生產(chǎn)采區(qū)造成影響，不再造成次生災(zāi)害，在井下采空區(qū)礦井水凈化過程中，應(yīng)著重采取以下安全技術(shù)措施，確保水資源再利用的安全可靠：

1) 防水密閉墻結(jié)構(gòu)。

防水密閉墻硐室結(jié)構(gòu)主要指墻體形式、墻體與圍巖之間的有機(jī)組合，包括墻體的尺寸、嵌入圍巖的深度、材料、預(yù)埋管路、圍巖強(qiáng)度等。防水密閉墻的厚度及嵌入圍巖的深度等參數(shù)，應(yīng)根據(jù)密閉墻墻體自身強(qiáng)度、圍巖條件、防水煤(巖)柱、儲(chǔ)水區(qū)水頭大小等因素綜合確定，防水密閉墻的結(jié)構(gòu)應(yīng)確保其能承受運(yùn)行期間受控的安全水頭高度，確保硐室的可靠性及承壓能力。

防水密閉墻結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2　防水密閉墻結(jié)構(gòu)示意圖

防水密閉墻結(jié)構(gòu)可根據(jù)井下“一通三防”的功能要求，在單結(jié)構(gòu)平板式防水密閉墻基礎(chǔ)上，建成復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體，復(fù)合結(jié)構(gòu)基本組成形式為內(nèi)側(cè)墻體+充填層+外側(cè)墻體形式，其中內(nèi)側(cè)墻體為單結(jié)構(gòu)平板式防水密閉墻。

2) 圍巖條件。

在礦井水井下再利用過程中，防水密閉墻硐室作為起關(guān)鍵作用的構(gòu)筑物，其由墻體及圍巖共同構(gòu)成，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性取決于二者。一般而言，圍巖由于其結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的影響，作為該組成部分中的薄弱環(huán)節(jié)，是決定墻體強(qiáng)度及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，應(yīng)按《煤礦防治水規(guī)定》相關(guān)要求，在墻體所布置的巷道兩側(cè)留設(shè)符合要求的安全煤(巖)柱。

該影響因素對(duì)墻體的設(shè)置位置提出較高的要求，墻體應(yīng)設(shè)置在圍巖完整、裂隙發(fā)育少、強(qiáng)度較高、不受采動(dòng)影響的區(qū)域，若圍巖無法達(dá)到上述要求，應(yīng)采取有效的注漿等處理措施對(duì)圍巖進(jìn)行加固。

3) 水頭高度。

在墻體結(jié)構(gòu)、圍巖條件等因素確定之后，儲(chǔ)水區(qū)內(nèi)的水位將沿采空區(qū)“三帶”高度方向分布，合適的水位將決定進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行凈化處理的水量，過高的水位將會(huì)對(duì)圍巖條件提出更高的要求，影響整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性，因此，合理確定安全儲(chǔ)水高度是非常必要的。

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置水頭參考指標(biāo)，即限制水位線Hh，警戒水位線Hj，作為井下采空區(qū)儲(chǔ)水凈化過程中的監(jiān)控指標(biāo)。其中限制水位線Hh為防水密閉墻所能承受的安全水頭高度，根據(jù)處于采空區(qū)儲(chǔ)水區(qū)標(biāo)高最低的防水密閉墻，結(jié)合其所能承受的安全水頭高度值最終確定。實(shí)際生產(chǎn)過程中，影響儲(chǔ)水區(qū)防水密閉墻功能及安全性的因素眾多，為進(jìn)一步確保采空區(qū)礦井水復(fù)用過程可靠、安全，在限制水位線的基礎(chǔ)上，按照密閉墻所能承受的安全水頭值的80%確定警戒水位線，即Hj=0.8×Hh，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)水位標(biāo)高接近警戒水位線時(shí)，生產(chǎn)方必須采取有效措施，控制采空區(qū)儲(chǔ)水區(qū)供排量，使水位線低于警戒水位線Hj，減小不可控因素對(duì)采空區(qū)礦井水復(fù)用安全性的影響。

4) 監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

為確保礦井水井下采空區(qū)再利用新技術(shù)的有效實(shí)施，在整個(gè)儲(chǔ)水系統(tǒng)規(guī)劃、修建完成之后，應(yīng)選擇合適的墻體位置，在其上安裝排水管、注水管、壓力表及氣體檢測(cè)管等設(shè)備設(shè)施(見圖2)，在解決采空區(qū)礦井污水灌入，凈化水排出的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)儲(chǔ)水區(qū)內(nèi)水位、有毒有害氣體等的監(jiān)測(cè)預(yù)警，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)水壓、水位及氣體狀況，必要時(shí)采取合理措施，確保礦井水井下再利用的安全可靠。

2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及應(yīng)用前景

2.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

某礦井水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，在工作面已回采穩(wěn)定的采空區(qū)最低處，選擇52煤層2個(gè)工作面進(jìn)行礦井水井下再處理，其中2個(gè)工作面形成1個(gè)儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)，積水總面積131萬m2，平均積水深度3.5 m，積水量約22.9萬m3.

各防水密閉墻設(shè)置在順槽及大巷聯(lián)巷中，具體位置見圖3.各密閉墻結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

圖3　工作面防水密閉墻設(shè)置位置示意圖

表1　墻體參數(shù)表

由于各工作面采空區(qū)為聯(lián)合的礦井水復(fù)用區(qū)，在各工作面采空區(qū)周邊均設(shè)置有防水安全煤(巖)柱，采空區(qū)水位線只在采空區(qū)沿“三帶”高度方向分布，在相關(guān)墻體上設(shè)置監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)水位線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在保證礦井安全生產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)礦井供排相結(jié)合，經(jīng)過數(shù)十年的礦井水井下再利用實(shí)踐，每日外排930～3 270 m3，解決了礦井涌水的資源化處理，減少了礦井水處理成本，實(shí)現(xiàn)了礦井水在井下的復(fù)利用和礦井的協(xié)調(diào)開采。據(jù)了解，2013年該礦通過井下礦井水再利用，節(jié)約污水處理費(fèi)125萬元，節(jié)約水費(fèi)530萬元，節(jié)約排污費(fèi)10萬元，直接經(jīng)濟(jì)效益665萬元，在解決礦井水資源再利用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

2.2應(yīng)用前景

有條件的礦井將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水、涌水資源注入采空區(qū)進(jìn)行處理，作為礦區(qū)生產(chǎn)生活水源，通過密閉墻的隔離功能，實(shí)現(xiàn)礦井水凈化、存儲(chǔ)，同時(shí)確保不對(duì)生產(chǎn)采區(qū)的正常生產(chǎn)造成影響，在充分利用地下開采空間的條件下，有效挖掘礦井內(nèi)水處理的潛能，經(jīng)處理后的礦井水可直接作為礦井生產(chǎn)用水，地面簡(jiǎn)單處理后作為生活、工業(yè)和綠化用水，深度處理后為飲用水，有效解決了礦區(qū)供水和污水外排問題。

該項(xiàng)技術(shù)在西北地區(qū)多對(duì)礦井已成功應(yīng)用，做到了礦井水的供排結(jié)合，綜合利用，帶來了良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，對(duì)其他存在礦井水供排矛盾的煤炭基地及礦區(qū)，具有良好的示范作用及推廣應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)論

利用井下采空區(qū)做為儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)對(duì)礦井水處理效果明顯，通過特殊的應(yīng)用工藝，結(jié)合一定的應(yīng)用條件，采取有效的安全技術(shù)措施，能做到井下采空區(qū)做為儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)進(jìn)行礦井水處理與礦井水資源化的應(yīng)用，并且具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。采空區(qū)儲(chǔ)水復(fù)用區(qū)處理礦井水，在理論上是可行的，在技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的，對(duì)類似水資源緊缺的礦區(qū)，具有實(shí)施的可行性，綜合效益顯著，在確保煤炭安全生產(chǎn)的同時(shí)，可有效做到礦井水供排結(jié)合，綜合利用，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)開發(fā)與利用模式。

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New Technology and Engineering Application of Mine Water Reuse in Underground Goaf of Coal Mine

CHEN Tuantuan

AbstractCombines with the successful application of new technology of underground mine water reuse in a mining area, summarizes the application process, application conditions and the safety technical measures. The results show that the waterproof sealing wall structure plays an important role, and the mine water in the process of mining is injected into the goaf in where it is deposited, filtrated and stored as production and living water resourses of mining area. It improves the utilization rate of mine water resources, at the same time it is an effective solution to solve the problem of water supply and sewage outfall in mining area. The process achieves good environmental, economic and social benefits, and it can also provide reference for security implementation of water storage reuse in underground goaf of other mining area or mine equipped with conditions.

Key wordsMine water; Reuse; Goaf; Technological process; Waterproof sealing wall

中圖分類號(hào)：TD745+.23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2016)01-0033-04

作者簡(jiǎn)介：陳團(tuán)團(tuán)(1983—)，男，山西晉城人，2009年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，碩士研究生，工程師，主要從事礦井設(shè)計(jì)、礦井安全設(shè)計(jì)工作(E-mail)76221811@qq.com

收稿日期：2015-11-05