礦井水控制、處理、利用、回灌與生態環保五位一體優化結合研究＊

武 強王志強郭周克張黨育陳亞杰趙鵬飛陳 宇王鐵記劉存玉王 屹

(1.中國礦業大學地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區,100083; 2.河北工業大學能源與環境工程學院,天津市,300401; 3.冀中能源峰峰集團,河北省邯鄲市,056003)

★節能與環保 ★

礦井水控制、處理、利用、回灌與生態環保五位一體優化結合研究＊

武 強1王志強2郭周克3張黨育3陳亞杰3趙鵬飛3陳 宇3王鐵記3劉存玉3王 屹3

(1.中國礦業大學地球科學與測繪工程學院,北京市海淀區,100083; 2.河北工業大學能源與環境工程學院,天津市,300401; 3.冀中能源峰峰集團,河北省邯鄲市,056003)

以梧桐莊煤礦的突水治理為例,以一種全新思維方式將礦井水控制、處理、利用、回灌與生態環保五位一體優化結合,統籌管理,較好地解決了礦井水害防控、水資源利用與生態環保相互之間的矛盾和沖突。

礦井水治理 五位一體 優化結合 礦井水回灌 綠色開采

AbstractA case study is carried out on the mine water outburst control in Wutongzhuang Coal Mine in this paper and a brand new thinking is adopted in the combination of a total of five aspects of mine water outburst fighting,i.e.mine water control,mine water treatment,mine water utilization,mine water back filling and mine water treatment for eco-environmental protection.A well coordinated management on the five aspects produces a scheme that better copes with mine water prevention and control,water resources utilization and eco-environment protection and their interrelations.

Key wordsfive-in-one,optimized combination,mine water back filling,green mining(environment friendly mining)

1 概述

梧桐莊煤礦具有極為特殊復雜的水文地質條件,在建井和生產階段發生過多次嚴重突水事故。1995年12月3日,在建井期間發生了斷層突水,導致了淹井事故。2000年5月14日,采煤過程中掘進工作面左幫淋水增大,出水量42 m3/h。2001年3月10日,該礦巷道頂板發生突水,實測增加水量130 m3/h,導致巷道再次被淹。2002年6月7日,該礦首采區工作面發生異常涌水,出水量480 m3/h,致使工作面被淹,整個采區處于半停產狀態。

梧桐莊煤礦礦井水具有Ca2+、Mg2+離子含量較高的高礦化度特征和煤粉為主的高懸浮物特征,礦化度達5000 mg/L、總硬度達2000 mg/L、懸浮物含量1800 mg/L,屬典型的“三高”(高礦化度、高硬度和高懸浮物)廢水。大量的高礦化度礦井水作為生產廢水未經處理直接外排,使礦區周邊的生態環境遭到了嚴重破壞,當地農民和梧桐莊煤礦均受到了巨大的經濟損失。為此,地方環保部門已把梧桐莊煤礦的礦井水直排問題列為限期治理項目。

在此情況下,該礦根據井田地質構造和水文地質條件,研究礦井突水機理,對礦井水進行控制、處理、綜合利用和深層回灌,開辟出了一條礦井廢水資源化和礦井廢水零排放的道路,既保護了當地生態環境,同時也實現了煤礦的綠色開采。

2 礦井水控制

2.1 地質構造與水文地質

梧桐莊井田基本為一掩蓋區,僅在西北部有上二疊統出露。地層由老至新有下古生界中奧陶統,上古生界石炭系、二疊系,新生界第三系及第四系沉積地層。本井田可劃分為10個含水層,自下往上依次為奧陶系灰巖含水層 (Ⅰ);石炭系太原組大青 (Ⅱ)、小青 (Ⅲ)、伏青 (Ⅳ)、山青 (Ⅴ)、野青 (Ⅵ)灰巖含水層;二疊系山西組砂巖含水層(Ⅶ)、石盒子組砂巖含水層 (Ⅷ);石千峰組砂巖含水層 (Ⅸ);第三系、第四系含水層 (X)。

根據構造分割和水文地質條件特征,峰峰礦區鼓山東劃分為4種不同強度的徑流區 (強徑流區、弱徑流區、半停滯區、停滯區),梧桐莊煤礦礦井位于鼓山東側南端停滯區,奧陶系灰巖為煤系基盤,總厚度約600 m,并為井田主要含水層及各含水層的總補給源。在基本封閉的地壘塊段,天然條件下奧陶系灰巖含水層及煤系含水層基本處于停滯狀態。深層地下水為煤系地層含水層和奧陶系灰巖含水層水,由于受井田邊界斷層的阻水和上覆隔水層的封閉作用,補給徑流排泄條件較差,相對滯流,與地表水系和淺層地下水基本無水力聯系。而在斷裂破碎帶、褶曲軸部等部位巖溶和裂隙較發育,富水性較好,并具有明顯的不均一性。井田勘探資料顯示,奧陶系灰巖含水層分布面積廣、厚度大、水壓高、富水性強、導水通道發育,單位涌水量為1.258～6.438 L/(s·m),對礦井生產構成嚴重威脅。

2.2 礦井水控制

梧桐莊煤礦182104工作面存在多處導水通道或薄弱地帶,又有多條小斷層,煤層開采過程中,存在卸荷作用,在地壓和水壓聯合作用下,造成底板突水事故難以避免。通過試驗研究和理論分析,對綜合探測出的大煤底板至野青灰巖含水層的含水裂隙薄弱帶進行預注漿加固,并進行疏水降壓。通過對182104工作面中段底板陷落柱和導水異常區的注漿治理加固工程,該段野青灰巖含水層由中等富水層改造為弱含水層,礦井涌水量由最大時的1850 m3/h減少至270 m3/h,封水效果85%;工作面底板巖層穩定性進一步加強,隔水層底板承受的水壓力明顯減小,使得工作面中段鉆孔的野青水壓已從注漿前的1.8 MPa降至1.29 MPa。

3 礦井水處理和利用

梧桐莊煤礦礦井涌水主要源自奧陶系灰巖含水層水,補給徑流排泄條件較差,相對滯流,在長期水巖相互作用下,形成高礦化度、高硬度水質;并且礦井涌水在流經采煤工作面和巷道時,由于帶入大量煤粉和巖粉等懸浮顆粒而具有高懸浮物的特性;此外,由于礦工生產、生活活動的影響,還使礦井水含有較多的細菌。該礦礦井涌水量為1100 m3/h,原水水質如表1所示。

表1 礦井水原水水質

經過對礦井水處理試驗和理論研究,確定礦井水處理工藝,如圖1所示。為了降低能耗,礦井水處理工藝分為井下處理工藝和井上處理工藝兩部分。

礦井原水經過井下混凝、沉淀、石英砂過濾技術處理后,其中200 m3/h的礦井水可用于礦井井下消防、防塵等生產用水,而900 m3/h的礦井水用泵打到井上進行處理,經過濾、反滲透技術處理后有125 m3/h的礦井水可以達到生活用水的水質要求,其余礦井水經井上處理工藝活性炭吸附和ClO2消毒后,可以達到地下水回灌的水質要求,回灌水水質不高于回灌目標含水層的水質背景值。

4 礦井水回灌

梧桐莊煤礦井田處于相對獨立的水文地質單元,井田區為相對滯緩的排泄區,與地表水系和淺層地下水基本無水力聯系,主要通過深部奧陶系灰巖含水層與其他井田或地下水系統聯系,并且聯系微弱,僅在井田西南角邊界接受深層奧灰水補給,在廣泛調研與技術論證的基礎上,將礦井水處理后回灌至原奧陶系灰巖含水層。為此,本研究工程設計3個回灌井,單井孔深1200 m,單井最大回灌量為300 m3/h。回灌目的層為奧陶系中統馬家溝灰巖,奧陶系以上地層全部以套管止水封閉,奧陶系則為祼孔以利于回灌。

圖1 礦井水處理工藝

地下水回灌方法主要取決于回灌目的及回灌目標層的水文地質條件,回灌井淤堵 (塞或積)是地下水人工回灌要解決的主要問題,主要內容包括淤層的形成過程、補給效率及控制措施等。高礦化度礦井水深層地下水回灌工程目前在國際上鮮有報道。本研究根據梧桐莊礦井田水文地質條件,通過數值模擬和現場工程試驗,實現了礦井水回灌工程的順利進行。

4.1 奧灰水回灌狀態下動態變化趨勢模擬預測

利用數值模擬來預測人工回灌對井田奧灰水流場的影響,定量研究回灌過程中井田奧灰水與周邊奧陶系地下水的水動力條件。通過建立水文地質概念模型,梧桐莊煤礦井田奧陶系巖溶地下水流可概化為非均質介質中三維承壓非穩定流問題,數學模型為:

式中:Kxx、Kyy、Kzz——分別為主軸方向滲透系數;

h0(x,y,z)——奧灰水初始水頭值;

h1(x,y,z,t)——奧灰含水層第一類邊界上的實測水頭值;

q(x,y,z,t)——奧灰含水層第二類邊界上的單位面積流量;

Ω——滲流區域;

Γ1——第一類邊界曲面;

Γ2——第二類邊界曲面;

n——外法線方向;

w——源匯項,包括礦井涌水、越流排泄和人工回灌溉。

通過數值模擬,可以得出結論:地下水人工回灌對井田奧灰水流場有一定的影響,回灌中心附近流場變化較大,而較遠的地段流場變化較小,如東邊界附近、西邊界附近及南部地段流場形態變化較小,整個井田流場形態依然為西高東低緩慢下降,也就是說回灌對田奧灰水流場有一定的影響,但還遠沒有達到改變奧灰水天然徑流狀態的強度。

4.2 回灌技術方案

對奧陶系灰巖含水層進行了3種方式的工程回灌試驗:連續回灌試驗、間斷回灌與不定時回揚回灌試驗、連續回灌與定時回揚回灌試驗,確定了礦井水回灌的技術方案。

(1)經現場礦井水回灌試驗,梧桐莊礦礦井水回灌奧陶系中統馬家溝灰巖含水層,試驗比較成功,回揚可以清除含水層和回灌井的堵塞問題。

(2)在礦井水回灌過程之間進行回揚,與連續回灌下進行回揚相比,能較好地恢復回灌量和回灌水位,保證回灌井比較正常地進行回灌。

(3)以回灌量水位降幅削減值作為回灌效果的評價標準,則采用回灌12 h回揚1次的方式最好,回灌量水位降幅削減值為0.224 m/kt。

5 生態環境保護

經過井下和地面雙級聯合處理后的礦井水,除部分作為井下生產供水和地面灑水外,剩余全部回灌地下。這既回補了礦區地下含水層,保護了水資源,也不會造成對水環境和生態環境的污染,確保了煤礦的綠色開采,實現了礦井水的零排放,保護了礦區周邊地區的生態環境,促進了當地生態經濟的可持續發展。

6 五位一體優化管理

將礦井水控制、處理與利用、回灌、生態環保5個方面統籌規劃,統一管理,建立梧桐莊煤礦礦井水五位一體優化管理模型,對實現煤礦安全生產、水資源需求及生態環境保護優化協調管理具有重要意義。具體的優化結合管理模型如下:

式中:Qp(i,j),Ql(i,j),Qi(i,j)——生產用水量、生活用水量、回灌水量的決策變量,m3/d;

ppi,lpi,ipi——生產、生活、回灌單位立方米的水價或水資源補償價,元/m3;

pdi,ldi,idi——生產、生活、回灌水單位立方米排污費,元/m3;

pti,lti,iti——生產、生活、回灌水單位立方米處理費,元/m3;

C(i,j)——價格系數,均取1;

Ni——生產、生活、回灌水決策變量個數;

S(k,i),S′(k,i)——i時段附加水量;

β(k,i)——單位脈沖響應函數。

7 結論

本研究以一種全新的思維、技術理論和方法,將礦井水控制、處理、利用、回灌和生態環保五位一體優化結合。通過對梧桐莊煤礦采煤工作面陷落柱和導水異常區的注漿治理,使礦井涌水量減少1580 m3/h,封水效果達85%;對礦井水處理利用,每年節約水資源285×104m3,節約自來水費用165萬元;實施礦井水回灌工程,每年可削減:懸浮物排放量4197 t;懸浮物排放量788 t;CODcr排放量394 t。將礦井水控制、處理、利用、回灌和生態環保五位一體優化相結合的策略保護了煤礦周邊地區的生態環境,實現了煤礦綠色開采、可持續開采的戰略目標。

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[5]G.Bekesi,J.McConchie.Groundwater recharge modelling using the Monte Carlo technique,Manawatu region,New Zealand[J],Journal of Hydrology,1999 (3)

[6]武強,李鐸.“煤–水”雙資源礦井建設與開發研究[J].中國煤炭地質,2009(3)

(責任編輯 張艷華)

A research on an optimized five-in-one combination of mine water control, treatment,utilization,back-filling and environment friendly treatment

Wu Qiang1,Wang Zhiqiang2,Guo Zhouke3,Zhang Dangyu3,Chen Yajie3, Zhao Pengfei3,Chen Yu3,Wang Tieji3,Liu Cun3,Wang Yi3
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Haidian District,Beijing 100083,China; 2.School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China; 3.Jizhong Energy Fengfeng Group,Handan,Hebei province 056003,China)

TD994

A

武強 (1959-),男,漢族,教授,博導,主要從事礦井防治水、水資源、數字礦山等方向研究工作。

＊煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題、國家自然科學基金 (40572149、40772162)、國家重點基礎研究發展計劃 (973)項目 (2006CB202205)和“十一五”國家科技支撐項目 (2007BAK24B01,2006BAB16B04)聯合資助。