煤礦轉(zhuǎn)型為專用地下水庫(kù)技術(shù)研究

彭海兵，李瑞群

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

為了保護(hù)中國(guó)西部礦區(qū)相對(duì)脆弱的生態(tài)環(huán)境，特別是保護(hù)寶貴的礦井水資源，神東礦區(qū)利用采空區(qū)矸石的凈化作用和儲(chǔ)存空間，創(chuàng)造性地發(fā)明了煤礦地下水庫(kù)技術(shù)，地下水庫(kù)的建成發(fā)揮了巨大的水資源保護(hù)作用，既保證礦井正常生產(chǎn)用水，又提供部分地面生產(chǎn)生活用水。但煤炭資源畢竟是有限的，礦井資源回收完畢后，如果直接將礦井廢棄封閉，那么煤礦井下的地下水庫(kù)將無(wú)法繼續(xù)使用，也就無(wú)法發(fā)揮對(duì)西部礦井水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的作用，無(wú)形中造成了很大的浪費(fèi)。如果在資源回收完畢后，繼續(xù)保留礦井必需的生產(chǎn)系統(tǒng)，保持地下水庫(kù)的運(yùn)行，將其專門作為地下水庫(kù)繼續(xù)進(jìn)行使用，通過(guò)采取改造措施將開采完畢的礦井繼續(xù)作為水資源儲(chǔ)存和凈化的工廠進(jìn)行使用，對(duì)于繼續(xù)發(fā)揮煤礦地下水庫(kù)水資源保護(hù)利用的作用具有重要意義。同時(shí)還可以考慮進(jìn)一步擴(kuò)大地下水庫(kù)的凈化范圍，將地面污水也注入到專用地下水庫(kù)，從而形成地面和井下一體化的地下水庫(kù)運(yùn)行模式。

1 神東礦區(qū)地下水庫(kù)建設(shè)及應(yīng)用情況

1.1 煤礦地下水庫(kù)的概念

煤礦地下水庫(kù)是指利用井下煤柱和人工壩體將井下采空區(qū)形成封閉的空間對(duì)礦井水進(jìn)行儲(chǔ)存，將礦井水注入采空區(qū)，礦井水流動(dòng)過(guò)程中利用采空區(qū)矸石實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水的凈化，使其凈化為清水，同時(shí)在地面和井下建設(shè)相應(yīng)的抽采與回灌工程，實(shí)現(xiàn)礦井水的抽采利用與回灌儲(chǔ)存，這一整套系統(tǒng)稱為煤礦地下水庫(kù)[1 -3]。

圖1 煤礦地下水庫(kù)示意Fig.1 Schematic diagram of coal mine underground reservoir

1.2 煤礦地下水庫(kù)的建設(shè)條件

煤礦建設(shè)地下水庫(kù)要充分考慮對(duì)水資源進(jìn)行保護(hù)的價(jià)值以及礦井是否具備建設(shè)地下水庫(kù)的技術(shù)條件，建設(shè)煤礦地下水庫(kù)需符合以下主要條件。

礦井必須位于水資源缺乏的地區(qū)，采用地下水庫(kù)技術(shù)對(duì)于水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的價(jià)值大。礦井水文地質(zhì)類型必須為簡(jiǎn)單或中等；在這種條件下，礦井地下水庫(kù)的應(yīng)用和管理相對(duì)更加容易，在安全上也更加有保證，如果水文地質(zhì)類型為復(fù)雜或極復(fù)雜，就增大了礦井水害管控的難度，不利于地下水庫(kù)的使用和管理；礦井必須采用全部垮落法管理頂板，由于地下水庫(kù)的核心原理是利用采空區(qū)的矸石對(duì)礦井水進(jìn)行過(guò)濾和儲(chǔ)存，因此工作面頂板必須采用全部垮落法進(jìn)行管理，才能形成采空區(qū)矸石和采空區(qū)儲(chǔ)水空間，否則不適合建設(shè)地下水庫(kù)；煤層傾角不宜過(guò)大，一般傾角不大于6 °，傾角越小越有利于建設(shè)地下水庫(kù)，傾角過(guò)大不利于保證地下水庫(kù)的庫(kù)容量，也不利于壩體的穩(wěn)定。

1.3 煤礦地下水庫(kù)建設(shè)核心技術(shù)

煤礦地下水庫(kù)建設(shè)的核心技術(shù)主要包含水庫(kù)選址、壩體構(gòu)筑、庫(kù)容確定、水體調(diào)運(yùn)、水位監(jiān)測(cè)等等，經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和發(fā)展形成了集規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和監(jiān)控技術(shù)為主要內(nèi)容的地下水庫(kù)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清污分流，分質(zhì)供水，分類利用。地下水庫(kù)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)見表1。

表1 煤礦地下水庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)

1.4 神東礦區(qū)地下水庫(kù)建設(shè)情況

神東煤炭集團(tuán)于1998年開始在大柳塔井22601綜采采空區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)水試驗(yàn)，將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污水注入22601采空區(qū)進(jìn)行沉淀、過(guò)濾后用于礦井生產(chǎn)用水，不再?gòu)牡孛婀┧纬闪说叵滤畮?kù)建設(shè)的雛形。經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐和探索，到2007年采空區(qū)儲(chǔ)水方案已基本成熟和完善，大部分礦井將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污水注入綜采采空區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)存復(fù)用。采空區(qū)復(fù)用水根據(jù)水質(zhì)情況，有的直接作為礦井生產(chǎn)、地表灌溉用水，有的經(jīng)簡(jiǎn)單處理后作為工業(yè)、生活和灌溉用水，有的經(jīng)深度處理后作為飲用水。截至2020年底，神東煤炭集團(tuán)11個(gè)礦井共有15個(gè)儲(chǔ)水采空區(qū)，儲(chǔ)水面積15.63×106m2。 通過(guò)采空區(qū)對(duì)礦井水的儲(chǔ)存和調(diào)蓄，解決礦區(qū)水資源短缺的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦井均衡排水、綠色開采和節(jié)能減排目標(biāo)。近年來(lái)，礦井水利用量占到礦區(qū)總用水量的95%以上。2010—2019年，神東礦井水儲(chǔ)水利用累計(jì)節(jié)約污水處理費(fèi)和工業(yè)用水費(fèi)約19.3億元。

2 煤礦開采結(jié)束后地下水庫(kù)改造建設(shè)和安全管理

2.1 礦井開采結(jié)束后產(chǎn)生的變化

煤礦開采結(jié)束后，井下所有的采掘活動(dòng)終止，礦井的地層運(yùn)動(dòng)也停止，井下涌水量趨于穩(wěn)定，保證礦井正常生產(chǎn)的各個(gè)系統(tǒng)也終止運(yùn)行，礦井開采結(jié)束后帶來(lái)的主要變化有如下2個(gè)方面。

2.1.1 地質(zhì)方面的變化

礦井開采結(jié)束后，由于井下沒有采掘作業(yè)場(chǎng)所產(chǎn)生，也不再產(chǎn)生對(duì)含水層和巖層的破壞，礦井涌水量趨于穩(wěn)定。同時(shí)由于采掘作業(yè)停止，不再有井下污水產(chǎn)生，井下涌水為清水，這也使得煤礦地下水庫(kù)閑置出更大的處理能力，為利用地下水庫(kù)處理地面污水提供更大的能力。

2.1.2 井下主要生產(chǎn)系統(tǒng)方面的變化

礦井開采結(jié)束后，如果礦井直接關(guān)閉，所有生產(chǎn)系統(tǒng)均不再使用，處于停用狀態(tài)，正常情況下將對(duì)各系統(tǒng)設(shè)施進(jìn)行拆除，如果考慮到地下水庫(kù)的改造和繼續(xù)使用，就需要對(duì)各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)采取不同的處置措施，對(duì)于不再使用的系統(tǒng)進(jìn)行拆除，部分仍然需要的系統(tǒng)進(jìn)行保留或者改造。例如主運(yùn)系統(tǒng)完全不再使用，予以拆除；對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)、輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)將繼續(xù)保留，但保留下的系統(tǒng)能力將大幅縮減。

2.2 礦井開采結(jié)束后地下水庫(kù)的改造建設(shè)和運(yùn)行

如果礦井作為專門使用的地下水庫(kù)運(yùn)行，需要在原有巷道和生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的改造，同時(shí)要保證所需系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這些系統(tǒng)主要包括通風(fēng)系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。

2.2.1 封閉不使用的巷道

由于礦井回采完畢后作為專用地下水庫(kù)進(jìn)行使用，為了簡(jiǎn)化管理，方便維護(hù)，盡量將不使用的巷道進(jìn)行封閉，保留的巷道僅為礦井的大巷和地下水庫(kù)工作區(qū)的巷道。在封閉巷道時(shí)注意以下事項(xiàng)。

如果封閉區(qū)域?yàn)榈叵滤畮?kù)，則需要在封閉位置施工規(guī)格和強(qiáng)度較高的人工壩體，人工壩體的施工位置最好在地下水庫(kù)整體規(guī)劃時(shí)就提前規(guī)劃好位置，在封閉時(shí)直接采用；對(duì)于普通的封閉則不需要施工人工壩體，僅施工普通防火密閉；在施工人工壩體時(shí)，注意壩體的位置要在距離聯(lián)巷口向里5～6 m的位置施工，這樣一旦人工壩體需要加固時(shí)，還有加固的空間；針對(duì)地下水庫(kù)內(nèi)部的普通密閉施工，為了保證地下水庫(kù)之間儲(chǔ)水的通暢，避免形成階梯水庫(kù)，通常在普通密閉埋設(shè)“U”型返水管。

2.2.2 通風(fēng)系統(tǒng)

地下水庫(kù)運(yùn)行期間，由于沒有采掘工作面，也就沒有井下污染和有害氣體的產(chǎn)生，僅需要在礦井主要大巷和地下水庫(kù)工作區(qū)域提供作業(yè)人員用風(fēng)量，保持主要大巷和地下水庫(kù)工作區(qū)域的需風(fēng)量即可，井下通風(fēng)量大幅度減小。因此礦井主要通風(fēng)機(jī)需要更換為小型通風(fēng)機(jī)，礦井作為專用地下水庫(kù)使用時(shí)的通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of ventilation system

2.2.3 供排水系統(tǒng)

在礦井作為專用地下水庫(kù)使用后，井下的供排水系統(tǒng)將成為最關(guān)鍵的生產(chǎn)系統(tǒng)之一，為了保證專用地下水庫(kù)的運(yùn)行，原有的供排水系統(tǒng)要進(jìn)行一定的改造，以往供采掘工作面使用的供排水管路需全部拆除，對(duì)保證地下水庫(kù)運(yùn)行的供排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，確保井下供排水系統(tǒng)的能力能夠保證清水和污水的循環(huán)使用，為了保證礦井抗災(zāi)能力，井下主要排水泵房仍然保留。

取水和回灌管路：通過(guò)地下水庫(kù)凈化后的清水，可利用管路在地勢(shì)較低處的壩體進(jìn)行引流取用，如此可實(shí)現(xiàn)“清水自流”，管路布設(shè)應(yīng)與壩體施工同時(shí)進(jìn)行。同理，來(lái)自采掘面的污水也由管路在地勢(shì)較高處引流注入水庫(kù)中。其中，無(wú)論取水或回灌管路，都應(yīng)在管路與取用/回灌水源之間布設(shè)中轉(zhuǎn)水倉(cāng)。煤礦地下水庫(kù)的取水和回灌管路布置如圖3所示[4 -7]。

同一水平庫(kù)間管道建設(shè)：為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)整體運(yùn)行安全，通過(guò)對(duì)原有井下供排水管道進(jìn)行改造升級(jí)，將同一水平的不同地下水庫(kù)相互連通，實(shí)現(xiàn)庫(kù)間水量調(diào)配和突發(fā)情況下水體緊急調(diào)運(yùn)，保障煤礦地下水庫(kù)壩體安全，同一水平煤礦地下水庫(kù)庫(kù)間連通管道如圖4所示。

圖3 煤礦地下水庫(kù)取水和回灌管路布置Fig.3 Water intake and reinjection pipeline layout of coal mine underground reservoir

圖4 同一水平煤礦地下水庫(kù)庫(kù)間連通管道Fig.4 Connecting pipeline between underground reservoirs of the same level coal mine

上下水平煤層通道建設(shè)：開采不同水平煤層時(shí)，為實(shí)現(xiàn)上下煤層的地下水庫(kù)庫(kù)間連通便利，研發(fā)出上下層水庫(kù)間大垂距(超過(guò)100 m)、高壓差(超過(guò)1 MPa)和高貫通精度的大口徑鉆進(jìn)技術(shù)，以便于上下煤層的取水和污水回灌，不同水平地下水庫(kù)庫(kù)間垂直管道建設(shè)如圖5所示。

圖5 不同水平地下水庫(kù)庫(kù)間垂直管道建設(shè)Fig.5 Construction of vertical pipes between underground reservoirs at different levels

地面管路系統(tǒng)與井下管路系統(tǒng)對(duì)接：在礦井作為專用地下水庫(kù)使用后，可以利用地下水庫(kù)對(duì)地面污水進(jìn)行處理，即實(shí)現(xiàn)地面污水注入井下地下水庫(kù)，經(jīng)地下水庫(kù)進(jìn)行凈化和儲(chǔ)存，再將清水供到地面進(jìn)行應(yīng)用，為了保證這一系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要將地面管路系統(tǒng)和井下管路系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，形成井上下的立體循環(huán)系統(tǒng)[8 -16]，煤礦地下水庫(kù)立體循環(huán)系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 煤礦地下水庫(kù)立體循環(huán)系統(tǒng)模型Fig.6 Three dimensional circulation system model of underground reservoir in coal mine

2.2.4 供電系統(tǒng)

井下供電系統(tǒng)主要是保證供排水系統(tǒng)的電力，用電量相比正常生產(chǎn)時(shí)大大降低，但為了保證供電系統(tǒng)的可靠，礦井仍然必須采用雙回路供電，確保供排水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2.2.5 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)

輔助運(yùn)輸系統(tǒng)主要是保證大巷和地下水庫(kù)工作區(qū)域的輔助運(yùn)輸，在原有的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上無(wú)需再進(jìn)行特殊的改造，神東礦區(qū)的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)仍然采用無(wú)軌膠輪車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。

3 地下水庫(kù)的安全設(shè)施建設(shè)和安全管理

在作為專用地下水庫(kù)進(jìn)行使用后，地下水庫(kù)的儲(chǔ)存量加大，安全管理也更加重要，為了保證專用地下水庫(kù)的安全，需要建設(shè)配套的安全設(shè)施并加強(qiáng)相應(yīng)的安全管理，主要包括以下方面。

在地下水庫(kù)關(guān)鍵部位的水倉(cāng)要安設(shè)防災(zāi)大泵，并且水泵和開關(guān)設(shè)施要盡可能安設(shè)高一些，一般為1 m以上；與地下水庫(kù)相聯(lián)通的所有巷道要全部掌握清楚，不能有遺漏，全部封閉嚴(yán)實(shí)，特別是位于地下水庫(kù)最高水位標(biāo)高以下的各人工壩體必須加固可靠，強(qiáng)度足夠，預(yù)防水災(zāi)；人工壩體上的所有引水管路閥門都要施工保護(hù)設(shè)施，以防車輛撞壞時(shí)，水管無(wú)法關(guān)閉而造成水災(zāi)；在已存水的采空區(qū)周圍附近，如果相鄰有正在生產(chǎn)的小煤窯，要強(qiáng)調(diào)告訴小煤窯不能越界開采，預(yù)防水淹小煤窯；定期對(duì)井下采空區(qū)水位、人工壩體和煤柱壩體進(jìn)行巡檢，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理；井下必須安裝水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握水位情況，設(shè)置警戒水位，當(dāng)超過(guò)警戒水位時(shí)及時(shí)泄放或者在水庫(kù)間進(jìn)行調(diào)動(dòng)，確保水庫(kù)安全。

4 效益分析

4.1 生態(tài)效益

礦井回采完畢后繼續(xù)保持地下水庫(kù)的應(yīng)用，不僅儲(chǔ)存西部礦區(qū)寶貴的水資源，而且由于井下礦井污水不在產(chǎn)生，可以富余出大量?jī)艋芰?duì)地面污水進(jìn)行凈化處理。經(jīng)地下水庫(kù)處理的礦井水可以分為直接供地面使用的清水和進(jìn)一步經(jīng)地面深度污水廠處理的污水，這樣井下地下水庫(kù)的水和地面污水廠形成一整套銜接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面污水凈化處理和儲(chǔ)存。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

煤礦地下水庫(kù)的費(fèi)用主要包含建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，其中建設(shè)費(fèi)用主要包含人工壩體建設(shè)和管路建設(shè)費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用主要是供排水電費(fèi)。

經(jīng)過(guò)測(cè)算地下水庫(kù)的建設(shè)費(fèi)用為1.04元/m3，運(yùn)行費(fèi)用為0.09元/m3，合計(jì)費(fèi)用為1.13元/m3。按照3元/m3的水價(jià)計(jì)算，采用地下水庫(kù)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益為1.87元/m3。

5 結(jié)語(yǔ)

神東煤炭集團(tuán)經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與總結(jié)，形成一套高效建設(shè)與安全運(yùn)行地下水庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)，包括水庫(kù)選址、壩體建設(shè)、污水回灌和清水取用管網(wǎng)布置等，解決礦井的供排水、污水處理、水災(zāi)防治和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題，在礦井回采完畢后，繼續(xù)將礦井作為專用地下水庫(kù)進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)地面污水凈化和循環(huán)利用，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)煤炭安全、高效、綠色開發(fā)具有重大環(huán)境生態(tài)效應(yīng)。