同忻煤礦地下水庫(kù)建設(shè)與水資源保護(hù)技術(shù)研究

胡自龍,柴文玉

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 同忻煤礦山西有限公司,山西 大同 037000)

據(jù)2020年世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒,中國(guó)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)量分別占全球的47.6%和52.9%,為全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1]。此外,國(guó)家統(tǒng)計(jì)局初步核算,2020年我國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)3.9×109t,全年消費(fèi)煤炭2.83×109t,占能源消費(fèi)總量的56.8%,預(yù)計(jì)到2030年煤炭占我國(guó)一次能源消費(fèi)的比重仍在50%以上,煤炭作為主體能源的地位在短期內(nèi)不可動(dòng)搖[2]。

我國(guó)中西部地區(qū)(晉陜蒙甘寧)煤炭資源豐富,占全國(guó)探明煤炭資源儲(chǔ)量的近2/3,每年貢獻(xiàn)全國(guó)70%的煤炭消費(fèi)量,卻僅占有全國(guó)3.9%的水資源[3]。煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采產(chǎn)生了數(shù)以億噸的礦井廢水,導(dǎo)致水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱和煤炭資源開(kāi)發(fā)利用之間的矛盾日益嚴(yán)峻。針對(duì)上述問(wèn)題,2015年國(guó)務(wù)院提出“推進(jìn)礦井水綜合利用,實(shí)現(xiàn)礦井突水控制與水資源保護(hù)一體化”的要求。眾多學(xué)者[4-7]研究發(fā)明了短壁采煤、分層開(kāi)采、限制采高、充填式開(kāi)采、留設(shè)煤柱等“保水采煤”技術(shù),但現(xiàn)有技術(shù)在埋藏較淺的厚煤層、大采高礦井難以推廣,且存在成本高、效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。為此,神東礦區(qū)大柳塔煤礦開(kāi)發(fā)建設(shè)了我國(guó)第一個(gè)煤礦地下水庫(kù),為干旱地區(qū)水資源保護(hù)利用和資源開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新思路[8-10]。

同忻煤礦為侏羅系和石炭-二疊系雙系開(kāi)采井田,當(dāng)前主要開(kāi)采石炭-二疊系煤層,上覆侏羅系煤炭資源已開(kāi)采殆盡,采空區(qū)低洼處積水嚴(yán)重,積水面積達(dá)6.28×106m2,同時(shí)存在約250 m3/h的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水[11-12]。豐富的礦井水資源對(duì)下伏石炭-二疊系煤炭資源的開(kāi)采造成嚴(yán)重威脅,同時(shí)增加了地面污水處理系統(tǒng)和礦井排水系統(tǒng)的壓力。因此,建設(shè)井下水庫(kù),實(shí)現(xiàn)“煤水共采”,在消除上覆采空區(qū)積水隱患的同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，保護(hù)了水資源和生態(tài)環(huán)境,為其他礦區(qū)水資源的保護(hù)利用提供參考。

1 地質(zhì)概況

大同煤田屬華北地區(qū)新華夏構(gòu)造體系的重要組成部分,整體為一NE走向(30°～50°)的不對(duì)稱向斜構(gòu)造(大同向斜),向斜東南翼較陡(傾角20°～60°)西北翼趨于平緩(傾角5°～15°),形狀近似呈長(zhǎng)軸狀。該區(qū)西鄰呂梁經(jīng)向構(gòu)造帶北端的西石山脈,東接大同盆地,北抵內(nèi)蒙古陸隆起帶,南以洪濤山與寧武煤田相望,是我國(guó)華北聚煤區(qū)北部重要的多紀(jì)煤田(圖1)[11-12]。

同忻煤礦位于大同煤田NE部，大同向斜東翼,呈NE—SW向(10°～50°)展布,傾向NE,東高西低的單斜構(gòu)造(圖1)。井田內(nèi)構(gòu)造平緩,地層傾角多為2°～3°,東部及東南部煤層露頭處地層較陡(30°～50°),局部地區(qū)甚至出現(xiàn)直立或倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象[11-12]。

圖1 大同煤田構(gòu)造形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Datong coalfield structure

前人研究表明[11-12],同忻井田經(jīng)歷了加里東和海西期構(gòu)造抬升剝蝕、印支期巖漿侵入破壞、燕山和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加等階段,發(fā)育有灰?guī)r裂隙含水層和砂巖孔隙、裂隙含水層等(圖2),含水層單位涌水量0.000 6～0.013 L/(s·m),滲透系數(shù)0.001～0.066 m/d,富水性較弱。石炭系本溪組下部發(fā)育鐵鋁質(zhì)泥巖夾薄層狀灰?guī)r,軟硬疊加,平均厚度約27.18 m,是太原組下部煤層與奧陶系灰?guī)r間的良好隔水層[11-12],山西組、永定莊組厚層泥巖和砂質(zhì)泥巖也是井田內(nèi)主要隔水層。

圖2 同忻煤礦水文地質(zhì)綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive hydrogeological histogram of Tongxin Coal Mine

口泉河流經(jīng)井田南部,為季節(jié)性河流,主要存在大氣降水和河流沿岸煤礦礦井水補(bǔ)給。隨著煤礦大規(guī)模開(kāi)采,口泉河已成為滲透性河谷,井田范圍內(nèi)沿途滲漏量約85.13 m3/h[11-12]。井田內(nèi)地表水體一部分沿地表徑流排走,另一部分入滲補(bǔ)給地下水,成為侏羅系礦井采空區(qū)積水直接水源,或以三水轉(zhuǎn)化的形式成為下伏石炭—二疊系礦井的間接充水水源。

同忻井田石炭系3#-5#煤層總厚度0～37.95 m,平均14.38 m,含有8～15層夾矸。根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范(GB12719—1991)》[13]及井田內(nèi)煤層頂?shù)装鍘r石工程地質(zhì)條件,石炭系3#—5#煤層回采后冒落帶平均發(fā)育高度約57.52 m,導(dǎo)水裂隙帶平均發(fā)育高度約207.64 m,井田內(nèi)部分區(qū)域出現(xiàn)石炭系3#-5#煤層導(dǎo)通上覆侏羅系14#煤層采空區(qū)積水現(xiàn)象(同忻井田石炭系3#—5#層與侏羅系14#層間距為56.85～235.12 m),嚴(yán)重威脅下伏工作面安全回采(圖2)。實(shí)現(xiàn)“煤水共采”是消除上覆積水隱患、保護(hù)礦區(qū)水源和助力降本增效的重要之舉[14-15]。

2 井下水源

2.1 井下水源特征

目前,同忻礦井下共有3處穩(wěn)定出水水源,分別位于井田二盤區(qū)輔運(yùn)大巷南側(cè)南8202工作面T4-1、T2-1放水孔;二盤區(qū)8202工作面采空區(qū)5202巷密閉返水管;井底車場(chǎng)上覆同家梁礦水倉(cāng)放水孔。各出水點(diǎn)在井田內(nèi)的平面位置分布如圖3所示。

1)南8202工作面T4-1、T2-1放水孔。同忻煤礦南8202工作面上覆侏羅系14#層同家梁礦410盤區(qū)及白洞礦404盤區(qū)采空區(qū),侏羅系14#層與石炭系3#—5#層平均層間距約190 m。針對(duì)上覆侏羅系14#層采空區(qū)積水情況,共設(shè)計(jì)施工30個(gè)井下探放水孔、1個(gè)地面放水孔和1個(gè)地面大孔徑抽水井。截止2020年6月底,共計(jì)疏放上覆侏羅系采空區(qū)積水2.67×106m3,當(dāng)前仍有兩個(gè)鉆孔(T4-1、T2-1)出水,水量約59.50 m3/h(圖3)。根據(jù)對(duì)T4-1和T2-1鉆孔放水量的長(zhǎng)期觀測(cè),預(yù)計(jì)南8202工作面上覆侏羅系采空區(qū)存在相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水,補(bǔ)給量為55 m3/h～65 m3/h。

2)8202工作面采空區(qū)5202巷密閉返水管。同忻煤礦8202工作面上覆同家梁礦侏羅系14#與15#煤層間5#暗斜井。根據(jù)前期摸排勘查,該暗斜井存在約60 m3/h的補(bǔ)給水量。由于受石炭系3#—5#煤層8202、8203等工作面的采動(dòng)影響,5#暗斜井進(jìn)入上覆導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍內(nèi)。2019年5月8202工作面采空區(qū)5202巷密閉返水管開(kāi)始涌水,實(shí)測(cè)涌水量約80 m3/h,現(xiàn)密閉仍有出水,水量穩(wěn)定在85 m3/h左右(圖3)。

圖3 同忻煤礦井下出水點(diǎn)平面分布及水量變化圖Fig.3 Plane distribution and water volume variation of water outlet points of Tongxin Coal Mine

3)井底車場(chǎng)上覆同家梁礦水倉(cāng)放水孔。同忻煤礦井底車場(chǎng)對(duì)應(yīng)上覆同家梁礦井底水倉(cāng)和204泵房,屬于同家梁礦高程最低點(diǎn)。同家梁礦關(guān)閉前,井底水倉(cāng)排水量為83.33 m3/h。同家梁礦關(guān)閉后,同忻礦于井底車場(chǎng)消防材料庫(kù)向同家梁礦低洼處水倉(cāng)施工1個(gè)定向放水孔(鉆孔傾角+15°,孔深519 m)。自2017年5月中旬開(kāi)始放水,截止2020年6月底共計(jì)疏放積水1.01×106m3,目前,鉆孔水量穩(wěn)定在66.67 m3/h左右。

2.2 水源水質(zhì)分析

本次研究共采集同忻煤礦井下3個(gè)穩(wěn)定出水點(diǎn)的6個(gè)水樣,由山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心和山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊(duì)水化學(xué)實(shí)驗(yàn)室共同檢測(cè)。依據(jù)DZ/T0064—1993《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法》[16]對(duì)其進(jìn)行陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Fe3+、Mn2+)、陰離子(Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-)、溶解性總固體(TDS)、固體懸浮物含量(SS)、大腸菌群數(shù)和pH值等檢測(cè),每個(gè)樣品在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試3次,取平均值進(jìn)行后續(xù)研究。通過(guò)對(duì)比分析研究,得出不同出水點(diǎn)的水質(zhì)類型、水質(zhì)情況和水源特征,為后期井下廢水處理和利用提供理論依據(jù)。

根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果(表1),同忻煤礦南8202工作面放水孔水樣TDS值為1 656 mg/L～1 760 mg/L；pH值為7.47～7.68,呈弱堿性;水樣陽(yáng)離子以Ca2+和Na+為主,質(zhì)量濃度分別為198.45 mg/L～234.44 mg/L和173.49 mg/L～198.23 mg/L,K+濃度最低(12.84 mg/L～15.98 mg/L);水樣陰離子中SO42-質(zhì)量濃度最高，為666.42 mg/L～798.26 mg/L,其次為HCO3-(320.63 mg/L～351.01 mg/L)和Cl-(226.66 mg/L～235.55 mg/L),CO32-質(zhì)量濃度維持在3 mg/L以下,占據(jù)一定比重的HCO3-。由此表明該區(qū)域相對(duì)較好的徑流條件,與地表水體及淺部地下水有較強(qiáng)的水力聯(lián)系,這與該放水孔長(zhǎng)期穩(wěn)定出水的特征相吻合[17]。5202巷密閉返水管和上覆同家梁礦放水孔水樣離子特征與南8202工作面水樣相似,pH值呈弱堿性,陽(yáng)離子同樣以Ca2+和Na+為主,陰離子中SO42-質(zhì)量濃度最高,CO32-質(zhì)量濃度最低,但三者TDS值存在一定差異,5202密閉返水管水樣TDS值(1 905 mg/L～2 150 mg/L)相對(duì)較高,上覆同家梁礦水樣則相對(duì)偏低,這與不同區(qū)域地下水的連通性和流動(dòng)性密切相關(guān)。

表1 同忻煤礦井下出水點(diǎn)水質(zhì)分析測(cè)試結(jié)果Table 1 Water quality analysis and test results of underground water outlet of Tongxin Coal Mine

水化學(xué)條件在研究地下水水化學(xué)特征及演化規(guī)律方面意義重大。Piper三線圖可以直觀反映出不同水質(zhì)類型、水源相關(guān)性以及水質(zhì)演化過(guò)程等[18-20]。將本次研究的6個(gè)水樣繪制在Piper三線圖中(圖4),樣品集中分布在菱形區(qū)域6、9區(qū),不同水樣的水化學(xué)特征具有很強(qiáng)的相似性,南8202工作面和5202巷密閉返水管水樣以SO4-Ca·Mg型水為主,上覆同家梁礦水樣HCO3-質(zhì)量濃度偏高,表現(xiàn)出SO4·HCO3-Ca·Mg型水特點(diǎn),這與該區(qū)域較好的地下水徑流條件有關(guān)。

圖4 同忻煤礦井下水樣Piper三線圖Fig.4 Piper diagram of underground water samples of Tongxin Coal Mine

以往研究[11-12]指出,同忻煤礦第四系松散孔隙含水層除接受大氣降水和河流滲漏補(bǔ)給外,局部接受巖溶地下水的頂托補(bǔ)給,水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型,礦化度600 mg/L,由西向東徑流,補(bǔ)給山前沖洪積盆地;石炭-二疊系及侏羅系砂巖含水層水以SO4·HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型水為主,礦化度290 mg/L～1 000 mg/L,局部可達(dá)1 400 mg/L;寒武-奧陶系巖溶含水層水則表現(xiàn)為HCO3-Ca·Mg型。綜上所述,同忻煤礦井下出水點(diǎn)水源特征與地表第四系松散孔隙含水層水和石炭系上覆砂巖含水層水的水化學(xué)特征更為相似,考慮為地表水、上覆砂巖水以及采空區(qū)積水混合補(bǔ)給。

此外,在Schoeller折線圖[21-22](圖5)中,6個(gè)水樣的折線形狀相近,各離子含量一致,結(jié)合在Piper三線圖中分布情況,初步判定本次所研究水樣有著相似水源,為采空區(qū)積水與地表水或淺層地下水混合所致,取樣點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定出水的特征也側(cè)面印證了地表水或淺層地下水的補(bǔ)給。

圖5 同忻煤礦井下水樣Schoeller折線圖Fig.5 Schoeller line chart of underground water samples of Tongxin Coal Mine

本次研究中6個(gè)不同水樣均檢測(cè)到重金屬離子存在,其中Fe3+質(zhì)量濃度為0.11～0.43 mg/L,平均0.23 mg/L；Mn2+質(zhì)量濃度為0.04～0.38 mg/L,平均0.23 mg/L；上覆同家梁礦水樣的Fe3+、Mn2+濃度最高,這可能與同家梁礦侏羅系采空區(qū)及水倉(cāng)內(nèi)殘留一定數(shù)量鐵器材料和徑流條件有關(guān)(表1)。本次研究所采集水樣中SS含量為3.52 mg/L～6.14 mg/L,平均4.61 mg/L,且均未檢測(cè)到大腸菌群,各方面水質(zhì)特征均滿足煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范要求[23],可作為井下水庫(kù)建設(shè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定供水水源。

2.3 井下用水情況統(tǒng)計(jì)

同忻煤礦井下用水主要包含井下消防用水、大巷沖洗除塵用水、綜放工作面用水、備采工作面用水、掘進(jìn)工作面用水和煤層注水等5個(gè)方面。按照煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范要求,井下各方面用水情況如表2所示。

表2 同忻煤礦井下用水情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Underground Water Usage in Tongxin Coal Mine

目前,同忻煤礦現(xiàn)有3個(gè)綜放工作面、2個(gè)備采工作面及11個(gè)掘進(jìn)工作面,以1.30的富余系數(shù)估算,井下每天總計(jì)消耗水量(12+9.92×3+1×2+3.54×11+6)×24×1.30=2 767 m3。大量的井下用水不僅增加了企業(yè)的噸煤生產(chǎn)成本,還破壞了礦區(qū)內(nèi)地下水生態(tài)平衡。同忻煤礦作為千萬(wàn)噸級(jí)現(xiàn)代化智能礦井,打破煤礦傳統(tǒng)用水模式,充分利用井下已有穩(wěn)定水源,通過(guò)簡(jiǎn)單處理實(shí)現(xiàn)礦井水的重復(fù)高效利用是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)久之計(jì)。

2.4 地下水庫(kù)建設(shè)

同忻煤礦充分利用井下3個(gè)穩(wěn)定出水點(diǎn)建設(shè)井下水庫(kù),將礦井水進(jìn)行匯集、處理和重復(fù)利用[24]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,井下水庫(kù)布置于二盤區(qū)輔運(yùn)巷以南、井底水倉(cāng)以東,左右端口分別與第二回風(fēng)巷及二盤區(qū)輔運(yùn)巷相連,主要巷道長(zhǎng)480 m,采用矩形斷面(5.5 m×4.5 m),其中凈化水段長(zhǎng)180 m;蓄水段長(zhǎng)300 m,蓄水深度2.5 m,有效容積3 000 m3;配電硐室長(zhǎng)15 m,寬2.3 m,高1.8 m;配備2臺(tái)MD200-40×2型消防離心泵，流量200 m3/h,揚(yáng)程80 m。地下水庫(kù)平面布置如圖6所示。

圖6 同忻礦井下水庫(kù)平面布置圖Fig.6 Layoutof the underground reservoir of Tongxin Coal Mine

本次礦井水綜合治理利用主要將井下涌水引入地下水庫(kù)凈化水段,通過(guò)加入CaO等進(jìn)行簡(jiǎn)單凈化除硬,加入聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)礦井水中懸浮物進(jìn)行絮凝、黏合,產(chǎn)生的污泥接入中央水泵房,處理后的水經(jīng)多介質(zhì)過(guò)濾器深層過(guò)濾,中水最終進(jìn)入后續(xù)蓄水段,后期采用消防水泵與井下供水管路直接對(duì)接,滿足井下日常生產(chǎn)用水；部分中水則通過(guò)管路接入地面污水處理廠,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步凈化滿足地面景觀用水和附近工業(yè)園區(qū)用水(圖7)[4,24]。

圖7 井下水源處理凈化流程圖Fig.7 Flow chart of underground water treatment and purification

3 結(jié)論

同忻煤礦地下水庫(kù)的建設(shè)投用,使井下污水處理能力達(dá)95 m3/h,按6.5元/t水費(fèi)計(jì)算,企業(yè)每年可節(jié)約購(gòu)水費(fèi)用540.90萬(wàn)元。此外,依據(jù)井下中央水泵房排水系統(tǒng)檢測(cè)檢驗(yàn)報(bào)告,主排水泵噸水百米耗電為0.49 kW·h,若將井下每天產(chǎn)生的礦井水排至地面污水處理廠(高程差400 m),每年預(yù)計(jì)需要電費(fèi)114.17萬(wàn)元;污水處理廠凈化每方礦井水預(yù)計(jì)消耗電費(fèi)和材料費(fèi)0.28元,每年則需處理費(fèi)用23.30萬(wàn)元。綜上所述,地下水庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目每年可為礦方節(jié)約費(fèi)用678.37萬(wàn)元。

井下水庫(kù)建設(shè)有效緩解了地面污水處理廠處理能力不足的問(wèn)題,同時(shí)減輕了因采掘工作面增多帶來(lái)的礦井排水系統(tǒng)壓力,每年可節(jié)約井下生產(chǎn)用水費(fèi)用數(shù)百萬(wàn)元。此外,井下水庫(kù)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了“煤水共采”技術(shù)的應(yīng)用與推廣,一定程度上減輕了上覆侏羅系及同層采空區(qū)積水的威脅,加快了井下探放水工程施工進(jìn)展,保障了礦井防治水安全。與此同時(shí),實(shí)現(xiàn)了井下廢水零排放,保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)平衡,改善了水文地質(zhì)環(huán)境,為晉北煤炭開(kāi)采地區(qū)地下水資源保護(hù)利用開(kāi)辟了新方法。