蒙陜深部礦區(qū)強(qiáng)富水頂板水害防控與綜合利用技術(shù)

張玉軍，劉毅濤，寧石杰，郭中權(quán)

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院,北京 100013；3.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；4.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 杭州環(huán)保研究院，浙江 杭州 311201)

蒙陜深部礦區(qū)經(jīng)過(guò)近十年的大力開發(fā)，目前正逐步向深部發(fā)展。該礦區(qū)煤層埋深介于500～1000m，地表普遍為第四系風(fēng)積沙和薩拉烏蘇組含水層覆蓋，含水豐富；白堊系含水層厚度大、富水性中等到強(qiáng)，且膠結(jié)程度差；煤系地層分布多層承壓含水層，與煤層之間缺乏穩(wěn)定隔水層。礦區(qū)已經(jīng)投產(chǎn)的納林河二號(hào)礦井、門克慶等礦井，首采工作面最大水量(包括采空區(qū)和鉆孔探放水)達(dá)到760m3/h。同時(shí)，蒙陜深部礦區(qū)地表普遍為風(fēng)積砂覆蓋，生態(tài)環(huán)境脆弱，大規(guī)模的煤炭開采必然帶來(lái)對(duì)環(huán)境和水資源的破壞，同時(shí)建設(shè)大型煤炭基地配套的煤化工項(xiàng)目往往需要大量用水，這又進(jìn)一步增加了環(huán)境的負(fù)荷。因此，蒙陜深部礦區(qū)大型大水礦井均面臨一個(gè)采煤、水害防治和礦井水綜合利用三者之間的矛盾問(wèn)題，而水害防控與水資源綜合利用技術(shù)相結(jié)合則是解決這一矛盾的有效方法和途徑。不僅為蒙陜深部礦區(qū)億噸級(jí)煤炭基地開發(fā)提供技術(shù)支撐，保障礦井安全高效開采，而且也豐富了西部生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綠色開采技術(shù)體系[1-3]。

我國(guó)水害防治理論歷經(jīng)多年的研究和實(shí)踐，逐漸形成了上“三帶”、三圖雙預(yù)測(cè)、關(guān)鍵層以及控水采煤等符合我國(guó)煤礦實(shí)際的理論體系。在水害防治技術(shù)實(shí)踐過(guò)程中，水害的規(guī)模由小到大，采煤的條件由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，成功地進(jìn)行了各種水害類型的防治探索與實(shí)踐，逐步形成了一套成熟的防治水安全開采技術(shù)體系。在水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水害超前探測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警、水害預(yù)防與治理技術(shù)方面都取得了進(jìn)步[4-7]。然而，水害防治過(guò)程中不可避免地大量排放礦井水和破壞水資源。目前我國(guó)煤礦礦井水的排放量在6.1×108m3/a左右，2010年全國(guó)的礦井水利用量3.6×108m3，利用率為59%。但直接排放的大部分礦井水中含有煤粉、巖粉、細(xì)菌和其他污染物，如果不經(jīng)處理將無(wú)法直接利用。近年來(lái)，我國(guó)在煤礦礦井水的綜合利用方面取得了一定的成績(jī)，但傳統(tǒng)的礦井水處理通常都在地面進(jìn)行，不僅需要將礦井水由井下通過(guò)加壓提升至地面，而且在處理后仍然需要用管道向井下供水，其主要方法有：采用混凝、沉淀、過(guò)濾和殺菌工藝對(duì)礦井水進(jìn)行無(wú)害化處理；對(duì)于凈化后的含鹽或者含低放射性的礦井水，則采用電滲析、反滲透或離子交換等技術(shù)。煤礦礦井水井下直接處理利用技術(shù)符合煤礦綠色開采的理念，目前在兗州礦區(qū)、神東礦區(qū)的個(gè)別煤礦井下已有小型的軟化器，小規(guī)模嘗試性地將礦井水處理后作為煤礦井下生產(chǎn)用水。因此，開發(fā)適合煤礦井下巷道工作環(huán)境的，能同時(shí)降低水中硬度、硫酸根和氯化物指標(biāo)的綜采工作面給水深度技術(shù)和處理成套設(shè)備，必將是礦井水井下綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)[8-9]。

本文以納林河二號(hào)礦井為工程背景，針對(duì)蒙陜礦區(qū)開采深度大，主采煤層受多層含水層威脅、且上覆泥巖隔水層較薄的特殊地質(zhì)條件，基于覆巖破壞理論和砂巖裂隙含水層的充水規(guī)律，提出了以“控水采煤”為核心的深部水害防治關(guān)鍵技術(shù)；針對(duì)蒙陜礦區(qū)高礦化度礦井水質(zhì)和井下工作環(huán)境的特殊性，開發(fā)了一種適合蒙陜深部礦區(qū)礦井水水質(zhì)特點(diǎn)的、并適合井下特殊環(huán)境要求的綜采工作面給水深度處理成套裝備；將疏控水技術(shù)與礦井水深度處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了蒙陜深部礦區(qū)礦井水綜合利用。

1 研究區(qū)概況

納林河二號(hào)礦井采用立井式開拓，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8.0Mt/a，為侏羅系煤系地層，井田內(nèi)共有可采煤層5層，傾角 1°～ 3°，煤層埋藏深度較大，其中首采主采煤層3-1 煤埋深大于500m。地層由下而上為三疊系、侏羅系(延安組、直羅組、安定組)、白堊系和第四系，影響 3-1 煤開采的直接充水含水層為延安組承壓水含水層組。含水層巖性以灰、灰白色中、粗粒砂巖為主，局部地段裂隙發(fā)育。首采31101工作面北以回風(fēng)巷、南以運(yùn)輸巷、西以一號(hào)輔助運(yùn)輸巷、東以切眼為界， 工作面長(zhǎng)240m，推進(jìn)長(zhǎng)度2100m，平均煤厚5.5m，采用一次采全厚大采高綜采采煤法，工作面設(shè)計(jì)采高6m。

2 水害防控與綜合利用技術(shù)的思路

水害防控與綜合利用技術(shù)的思路就是以“控水采煤”技術(shù)為核心，最大限度地控制、減小礦井涌水量，確保礦井生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上，再將有限的礦井疏排水通過(guò)井下分質(zhì)、深度處理后在工作面最大化加以利用，從而實(shí)現(xiàn)水害防治與水資源綜合利用雙重作用。

所謂控水采煤技術(shù)，就是通過(guò)對(duì)覆巖破壞規(guī)律以及巖層尤其是受到采動(dòng)破壞性影響的巖層的滲透性能及其變化特征的研究，并與具體的采礦條件、相應(yīng)的采煤工藝和有效的技術(shù)措施相結(jié)合，來(lái)控制工作面的涌水量大小及涌水形式，以滿足安全開采和經(jīng)濟(jì)合理雙重要求的水害防控技術(shù)。掌握覆巖破壞規(guī)律并準(zhǔn)確預(yù)計(jì)不同覆巖類型及開采條件下覆巖破壞高度是實(shí)現(xiàn)水體下安全采煤的關(guān)鍵。

3 深部水害防控技術(shù)及應(yīng)用

3.1 深部高強(qiáng)度采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律研究

3.1.1 覆巖結(jié)構(gòu)特征及類型

覆巖結(jié)構(gòu)特征及類型決定著導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度。覆巖類型的確定取決于覆巖巖性、組合、力學(xué)強(qiáng)度以及水理性質(zhì)等。納林河二號(hào)礦井主采3號(hào)煤層覆巖巖性以砂巖為主，平均含量在60%左右，泥巖類含量相對(duì)較少；覆巖單軸礦壓強(qiáng)度介于16.444～55.448 MPa，平均 39.65 MPa，而且隨著埋深增大巖層抗壓強(qiáng)度降低；從其水理性質(zhì)角度來(lái)看，砂巖屬于弱鈣質(zhì)膠結(jié)，泥巖是一種水穩(wěn)性很強(qiáng)的非膨脹型、非崩解性泥質(zhì)巖。因此，整個(gè)覆巖屬于以砂巖巖層為主、巖層組合為上硬下軟互層，中硬覆巖類型。

3.1.2 采動(dòng)影響覆巖破壞高度及特征

納林河二號(hào)礦井為了獲得覆巖破壞高度，在31101首采工作面開采后施工了1個(gè)采前孔CQ01和1個(gè)采后孔CH01，分別應(yīng)用鉆探取芯、鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)和鉆孔彩色電視探測(cè)手段，取得了3-1煤覆巖開采前后裂隙發(fā)育與覆巖破壞高度實(shí)測(cè)高度，如圖1～2所示。

圖1 裂縫帶范圍鉆孔取芯

圖2 采動(dòng)巖層鉆孔電視窺視

(1)3-1煤層覆巖完整性較好，原生裂隙發(fā)育較少，且均為橫向延展裂隙，未見(jiàn)高角度縱向裂

隙，覆巖含水層的層間導(dǎo)水性較差，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合水體下安全開采的有利條件。

(2)實(shí)測(cè)得到導(dǎo)水裂縫帶高度為103.23m，3-1煤層采厚約6.0m，裂采比為17.21倍。由于CH01鉆孔距離斷層較近，實(shí)測(cè)的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度已經(jīng)受到斷裂構(gòu)造的影響使得覆巖破壞高度較正常地質(zhì)條件下有所增加。

3.2 頂板裂隙砂巖含水層充水規(guī)律分析

3.2.1 頂板富水含水層采動(dòng)影響程度分析

根據(jù)首采工作面實(shí)測(cè)覆巖破壞高度，在31101首采工作面開采范圍內(nèi)，影響3-1煤開采的直接充水含水層為煤系地層延安組含水層組，部分區(qū)域直羅組含水層也可能通過(guò)采動(dòng)裂隙對(duì)工作面充水。該礦于2014年8月27日31101工作面開始試生產(chǎn)。MDBS1，MDBS2和MDBS4為井田范圍內(nèi)的水位長(zhǎng)觀孔，觀測(cè)層位均為安定組和直羅組含水層，MDBS1鉆孔距離31101工作面回風(fēng)巷僅60m，距離開切眼1400m；MDBS2鉆孔距離31101工作面回風(fēng)巷約800m，距離開切眼約1800m。圖3所示為31101工作面回采與涌水量、長(zhǎng)觀鉆孔水位變化關(guān)系，隨著回采面積的增大，采空區(qū)涌水量經(jīng)歷逐漸增大-穩(wěn)定，MDBS1和MDBS2鉆孔水位也經(jīng)歷下降-穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，采動(dòng)影響在局部已經(jīng)波及到直羅組含水層。

圖3 31101工作面回采與涌水量、長(zhǎng)觀鉆孔水位變化相關(guān)性

3.2.2 頂板裂隙砂巖含水層充水特征分析

裂隙砂巖含水層的充水特征取決于含水層的巖性、巖層組合結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育、以及采動(dòng)影響程度等。通過(guò)首采工作面頂板砂巖含水層物探、放水試驗(yàn)、首采工作面疏放水，結(jié)合砂巖含(隔)水層的結(jié)構(gòu)特征，確定蒙陜深部礦區(qū)砂巖裂隙含水層的充水規(guī)律為：

(1)從頂板砂巖含水層物理探測(cè)分析，延安組頂板砂巖含水層的連續(xù)性差，含水層分布具有明顯的不均一性，且在平面和垂向上水力聯(lián)系差，但局部富水性較好。

(2)通過(guò)對(duì)頂板延安組砂巖含水層放水試驗(yàn)可以得知延安組含水層具有如下特點(diǎn)：在構(gòu)造裂隙發(fā)育的地段不排除含水層具有一定的富水性，局部而言含水層內(nèi)水力聯(lián)系較為通暢，地下水補(bǔ)給較為充沛，隨著放水時(shí)間的推移，水量呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)。

(3)從覆巖含隔水層空間分布特征分析來(lái)看：礦井充水水源主要是煤層頂板100m范圍內(nèi)的含水層，泥砂巖交互沉積，與上部含水層之間水力聯(lián)系不密切，這為實(shí)現(xiàn)工作面的安全開采提供了有利條件。

(4)從巖層組合結(jié)構(gòu)特征來(lái)看，煤層直接頂板基本為泥巖隔水層，可以抑制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，減小上部含水層對(duì)工作面的充水影響，為實(shí)現(xiàn)工作面的安全開采提供有利條件。

3.3 深部水害防控技術(shù)方案

根據(jù)首采區(qū)的具體條件、3-1 煤層頂板含水層的賦存狀態(tài)與富水程度、3-1 煤距不同含水層的巖柱厚度，并結(jié)合3-1 煤層開采受頂板以上多層含水層水威脅的特點(diǎn)，基于覆巖破壞規(guī)律以及砂巖裂隙含水層的充水規(guī)律，提出蒙陜深部礦區(qū)“控水采煤”的水害防治技術(shù)。其目的就是通過(guò)采前預(yù)先疏放靜儲(chǔ)量，降低回采期間的涌水壓力，避免工作面瞬間涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范圍內(nèi)。具體方案為：

(1)對(duì)于延安組含水層采取“鉆孔疏干或疏降與回采疏干或疏降相結(jié)合、先疏后采與邊疏邊采相結(jié)合”的方案。

(2)對(duì)于直羅組底部砂巖含水層采取“邊回采邊疏降”的方案。

4 礦井水綜合利用技術(shù)方案

4.1 礦井涌水量與供水關(guān)系分析

根據(jù)上述3-1煤開采對(duì)上覆含水層的影響范圍和程度，在首采工作面回采前采用“大井法”對(duì)涌水量進(jìn)行了預(yù)計(jì)。計(jì)算得到導(dǎo)水裂縫帶只波及到延安組含水層，其對(duì)首采工作面充水的最大涌水量為395m3/h；如果導(dǎo)水裂縫帶局部波及到直羅組，預(yù)計(jì)得到直羅組含水層對(duì)首采工作面充水的最大涌水量為53m3/h；首采工作面總涌水量為448m3/h。同時(shí)，由圖3可知，截止2016年10月，31101工作面累計(jì)推進(jìn)709m，工作面采空區(qū)涌水量最大為509.3m3/h，平均為411.3 m3/h。而根據(jù)礦井設(shè)計(jì)，礦井及選煤廠工業(yè)場(chǎng)地的一般生產(chǎn)、生活總用水量為9880.7m3/d。也就是說(shuō)礦井涌水量如果能夠充分利用的話，正好可以滿足礦井生產(chǎn)、生活用水。

4.2 礦井水綜合利用方案

根據(jù)上述排供水量關(guān)系、供用水量平衡分析以及處理工藝的選擇，確定礦井水的綜合利用方案為：以井下疏排水和生產(chǎn)過(guò)程中的涌水為水源，通過(guò)井下深度處理后，其出水一部分作為井下綜采工作面乳化液用水，另一部分作為地面甲醇、烯烴及尿素等煤化工企業(yè)的生產(chǎn)用水的補(bǔ)充水源。其中綜采工作面主要用水為設(shè)備冷卻水、噴霧降塵用水及乳化液配制用水。

4.3 綜采工作面深度處理工藝

目前，能夠去除水中溶解性固體，降低離子含量的水處理技術(shù)主要有藥劑法、離子交換法、蒸餾法、電滲析法和反滲透法等。反滲透技術(shù)利用壓力作用將鹽份與水分離，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、集成度高、適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)，是唯一可以在井下應(yīng)用的水脫鹽處理技術(shù)。而影響反滲透正常運(yùn)行的主要污染物為凈化處理加入PAC，PAM后未過(guò)濾完全的微小絮體，砂、黏泥，輸水管道、泵閥產(chǎn)生的銹蝕等顆粒物質(zhì)，油脂、細(xì)菌等有機(jī)污染物，以及含量過(guò)高的硫酸鹽、碳酸鹽、二氧化硅等物質(zhì)。

本文通過(guò)預(yù)處理單元工藝試驗(yàn)、離子去除單元工藝試驗(yàn)和防結(jié)垢技術(shù)等試驗(yàn)，確定反滲透作為納林河二號(hào)井井下工作面用水深度處理工藝。

4.4 井下綜采工作面給水深度處理工業(yè)試驗(yàn)

通過(guò)上述分步試驗(yàn)研究，確定井下處理裝置采用50um +20um +10um的組合過(guò)濾三級(jí)預(yù)處理方案，包括壓力調(diào)節(jié)單元、懸浮物去除單元及離子去除單元(如圖4所示)。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明(表1)，出水水質(zhì)能夠滿足配乳化液用水(TDS≤800mg/L)的要求，研發(fā)的配制乳化液用水處理站出水水質(zhì)穩(wěn)定、可靠，水處理站的使用大大減少了水中雜質(zhì)的含量，減少了液壓支架冒液、竄液現(xiàn)象的發(fā)生。確定的預(yù)處理單元(三級(jí)懸浮物過(guò)濾)+離子去除單元的處理工藝是適合煤礦綜采工作面給水處理要求的合適技術(shù)，水處理實(shí)際成本為1.35元/t。

A1,A2，B1-MK-FB系列過(guò)濾器單元組件；C1-MK-FC系列過(guò)濾器單元組件；D1-離子去除單元組件圖4 成套裝備工藝流程

水質(zhì)指標(biāo)Na+ /(mg·L-1)Mg2+ /(mg·L-1)Ca2+ /(mg·L-1)CO2-3 /(mg·L-1)HCO-3 /(mg·L-1)Cl- /(mg·L-1)SO2-4 /(mg·L-1)TDS /(mg·L-1)pH進(jìn)水2870.0053.00340.002.53160.00353.006079.009903.757.70出水152.511.117.010.0221.8482.98212.82484.047.04

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)蒙陜礦區(qū)開采深度大，主采煤層受多層富水含水層威脅的特殊地質(zhì)條件，研究實(shí)測(cè)獲得深部厚煤層一次采全高高強(qiáng)度開采覆巖破壞規(guī)律，并基于覆巖破壞理論和砂巖裂隙含水層的充水規(guī)律，提出了復(fù)合水體下以“控水采煤”為核心的深部水害防治技術(shù)。并在納林河二號(hào)礦井首采工作面成功應(yīng)用，工作面最大涌水量330m3/h，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。

(2)針對(duì)納林河二號(hào)礦井高含鹽量、高硫酸鹽、高硬度的水質(zhì)特征，通過(guò)預(yù)處理單元工藝試驗(yàn)、離子去除單元工藝試驗(yàn)和防結(jié)垢技術(shù)等試驗(yàn)，確定反滲透作為納林河二號(hào)井井下工作面用水深度處理工藝。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明出水水質(zhì)能夠滿足配乳化液用水的要求。

(3)提出以蒙陜礦區(qū)井下水為水源，先利用老空區(qū)對(duì)礦井水進(jìn)行沉淀、過(guò)濾、吸附預(yù)處理，然后通過(guò)井下深度處理后，其出水一部分作為井下綜采工作面乳化液用水，另一部分作為地面甲醇、烯烴及尿素等煤化工企業(yè)的生產(chǎn)用水的補(bǔ)充水源的礦井水綜合利用方案。

(4)研究成果將為蒙陜礦區(qū)億噸級(jí)煤炭基地開發(fā)提供技術(shù)支撐，從而保障礦井安全高效綠色開采。