超化煤礦充水含水層保護及恢復(fù)治理技術(shù)的探討

石勇麗，李林記，李 靜

(河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，鄭州 450002)

多年來煤礦開采主要以水害防治為原則，頂板裂隙水以疏干開采，底板巖溶裂隙水以疏放降壓為主。隨著煤層開采的深度增加，帶壓開采礦井越來越多，水害防治由頂板水轉(zhuǎn)為底板水，底板巖溶水威脅程度越來越大，排放水量也越來越大，另一方面巖溶水是很好的生活供水水源，所以矛盾越來越多，緩解矛盾迫不及待。

煤礦含水層保護與恢復(fù)治理技術(shù)還沒有統(tǒng)一的認識及方法手段，根據(jù)對以往煤礦含水層資料的分析研究，結(jié)合含水層水文地質(zhì)特征及歷年新方法的探討，通過排供結(jié)合、減少疏排量、填充改變徑流通道、采區(qū)回填巷道有效支護技術(shù)、減少地表徑流和監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)等6個方面進行研究分析(圖1)。

1 排供結(jié)合

“排供結(jié)合”就是要求礦井的排水與區(qū)域、礦區(qū)用水相結(jié)合，相互兼顧，達到資源的最優(yōu)化。對于新建礦井在勘探及礦山設(shè)計規(guī)劃時應(yīng)該考慮到這一問題，以免形成被動模式。對于目前大水礦井且大部分水利用率低而直接進行排放，應(yīng)及時改變排水工藝，根據(jù)水的利用途徑采取處理工藝，達到排供結(jié)合。

煤礦地下污水的凈化處理及實施排供結(jié)合，可以實現(xiàn)變廢為寶，化害為利，達到安全、環(huán)境、生態(tài)三大效益的統(tǒng)一。

“排供結(jié)合”，顧名思義，是將礦井水的排出量與用水對象的需水量相結(jié)合，使其平衡;而想滿足用水對象對水質(zhì)的要求，就必須根據(jù)用水對象對水質(zhì)的具體要求作不同深度的處理，這就是“分質(zhì)分用”。依照以上原則，使處理流程最優(yōu)化，經(jīng)濟投入最節(jié)省，經(jīng)濟效益最大化。而其回用應(yīng)遵循“先井下后井上，井上應(yīng)先工業(yè)后農(nóng)業(yè)”的原則，再考慮到經(jīng)濟實用而且易于推廣，結(jié)合現(xiàn)有的實踐經(jīng)驗，確定了新的礦井水處理工藝流程(圖2)。

2 減少疏排量

地下水資源是一個動態(tài)平衡的過程，隨著礦井的開采范圍越大，開采深度越深水量的排放也越來越大，不降壓疏排就會影響生產(chǎn)，亦不安全。然而地下水環(huán)境是不可逆的，所以我們應(yīng)該盡量在確保安全的情況下減少疏排量，從提高開采速度、選擇合理開采區(qū)域、合理采煤工藝、預(yù)留防水煤柱等4個方面?zhèn)让鏈p少疏排量的技術(shù)入手進行分析。

圖1 含水層治理與恢復(fù)技術(shù)轉(zhuǎn)變流程圖

圖2 設(shè)計礦井排水處理工藝流程圖

3 填充改變徑流通道

改變徑流通道應(yīng)該從含水層補給、徑流來水方向阻隔及填充增加底板隔水層隔水性能方面進行分析。

(1)從含水層補給、徑流來水方向阻隔。通過改變徑流通道保護地下水就要在補給邊界進行隔水處理，建立隔水帷幕，通過施工注漿鉆孔封閉地下水補給來源，通過化學(xué)工藝及物理填充封堵地下水裂隙通道，將地下水阻隔到礦區(qū)外，通過附近徑流通道避開礦區(qū)范圍，這樣一方面礦井受水害威脅有所減輕，另一方面保護了地下水不受污染及流失。

1)實際運用(21121工作面注漿堵水)。21121工作面位于21采區(qū)下山西翼，工作面為俯斜開采工作面，可采長度330m，切巷長100m，上下付巷坡度5°～28°。標高為-178.8～-286.4m，突水系數(shù)0.074，底板隔水層承受最大水壓值為4.18MPa。

圖3 21121工作面出水情況及鉆孔布置示意圖

工作面于2012年12月5日8點班開始出水(圖3)，初始水量為216m3/h，至12月17日總水量430m3/h。根據(jù)水質(zhì)分析檢驗報告分析，此次出水水源以底板L5-6灰?guī)r水為主，頂板砂巖水和底板L7-8灰?guī)r參與。

注漿堵水前后水量和水位關(guān)系分析:

根據(jù)收集的部分注漿時段-150車場、-300大巷、21121工作面涌水量數(shù)據(jù)，繪制了圖4，可以分析出，在發(fā)生涌水時到2月底，-150車場涌水量由250m3/h減為0m3/h，-300大巷由95 m3/h減為12m3/h，達到注漿目的。涌水量突然減少，證明注漿填補含水層裂縫，從地下水補給方向進行阻隔，可以有效保護地下水。

圖4 21121工作面注漿段部分涌水量變化曲線圖

(2)填充增加底板隔水層隔水性能。采用人工干預(yù)加固底板隔水層，通過底板含水層的裂隙充填，把含水層人為的改變?yōu)楦羲畬?，通過增加隔水層厚度來預(yù)防底板含水層破壞。

4 采區(qū)回填、巷道有效支護技術(shù)

煤層所處地下巖層為沉積巖，在常規(guī)的不充填采煤情況下，煤層的上覆巖層在垂直應(yīng)力作用下很快就會發(fā)生斷裂和破壞，并垮落到工作面后部的采空區(qū)內(nèi)。頂板中的隔水層和含水層也隨即發(fā)生破壞，塌陷范圍不斷擴大，直至地表。

圖5為采用充填采空區(qū)法采煤時，通過觀測得到的工作面支承壓力分布曲線，工作面采用綜合機械化開采，采高為3m，充填率為75%。由圖5可見，充填后，工作面前方的垂直應(yīng)力有了較大幅度的降低。

5 減少地表徑流量技術(shù)

地表徑流與地形、土地類型、降雨量、氣溫及地質(zhì)因素有關(guān)，降雨量、氣溫及地質(zhì)因素為自然因素，人工干預(yù)比較困難且執(zhí)行比較復(fù)雜，煤礦開采引起地形發(fā)生變化，地面塌陷、水土流失、村莊搬遷等。

研究應(yīng)從地形及土地類型上進行技術(shù)分析研究。

圖5 充填前后工作面支承壓力對比示意圖

(1)削坡

(2)平整土地

(3)植被種植

(4)減少建筑物及道路硬化

6 監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)

(1)地表徑流量監(jiān)測

①布設(shè)降雨量監(jiān)測站點

②利用流量監(jiān)測儀器

(2)地下水位監(jiān)測

①地面觀測孔。從現(xiàn)有資料分析，井田南部龜山斷層是一個補給邊界，在斷層的上下盤各布置1個奧陶系灰?guī)r含水層觀測孔，并在該斷層北側(cè)布置L7-8灰?guī)r觀測孔和L1-3灰?guī)r觀測孔各1個，用于研究該斷層的水文地質(zhì)性質(zhì)和斷層北側(cè)各含水層間的水力聯(lián)系。井田西北部為灰?guī)r含水層露頭，區(qū)域上是奧陶系灰?guī)r含水層的補給區(qū)，是井田的補給邊界；同時，奧陶系灰?guī)r水可經(jīng)斷裂構(gòu)造補給上部灰?guī)r含水層，故在工業(yè)廣場各布置了1個L7-8和L1-3灰?guī)r觀測孔。東翼采區(qū)利用原有的長觀1觀測孔。南部新設(shè)觀測孔控制南部主要來水方向，研究各含水層間是否發(fā)生水力聯(lián)系，并與井下觀測孔聯(lián)合構(gòu)成薄層灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層的觀測網(wǎng)絡(luò)，控制龜山斷層以北至-200m以下塊段L7-8和L1-3灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層的等水位線形態(tài)，研究分析塊段內(nèi)含水層的水文地質(zhì)條件。

②井下觀測孔。超化煤礦目前尚未建立井下監(jiān)測系統(tǒng)。為構(gòu)成比較完整的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，正確控制含水層的等水位線形態(tài)，滿足數(shù)值模擬計算的要求，在22采區(qū)皮帶下山布置L1-3灰?guī)r、L7-8灰?guī)r觀測孔各1個；21采區(qū)軌道下山布置L1-3灰?guī)r、L7-8灰?guī)r觀測孔各1個；23采區(qū)軌道下山布置L1-3灰?guī)r、L7-8灰?guī)r觀測孔各1個；共布置鉆孔3個。

(3)水質(zhì)監(jiān)測

(4)地面沉降、環(huán)境監(jiān)測

(5)底板原位地應(yīng)力普查與監(jiān)測

圖6 布設(shè)地面及井下水位觀測網(wǎng)絡(luò)位置分布圖

7 結(jié)語

本論文只是從基礎(chǔ)理論的角度進行研究，對于特定的枯水礦區(qū)、保水礦區(qū)及水體下開采等特定的開采條件，不一定全部適用，僅供參考。