災(zāi)害性水體的綜合防治與資源化的高效利用

摘要：恒源煤礦井下開采面臨嚴(yán)重的災(zāi)害性水體威脅，如何成功地消除這些水害影響并創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益，是該礦安全生產(chǎn)面臨的重大技術(shù)難題。為此該礦通過技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新，采取局部疏水降壓、帶壓開采和底板加固等水害防治方法，對太灰水進(jìn)行動態(tài)防治；利用井下高壓太灰水替代地表水作為井下生產(chǎn)及防塵用水、礦井涌水作為地面電場發(fā)電用水，實(shí)現(xiàn)了礦井災(zāi)害性水體的資源化利用，不僅實(shí)現(xiàn)了礦井的長期安全生產(chǎn)、節(jié)約了大量的地表水資源，也實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，還創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)及社會效益，為類似礦井的安全高效生產(chǎn)探索出一條全新的可持續(xù)發(fā)展之路。

關(guān)鍵詞：灰?guī)r巖溶水 礦井水 災(zāi)害性水體 綜合利用 可持續(xù)發(fā)展

1 概述

安徽恒源煤電股份有限公司煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣劉橋鎮(zhèn)境內(nèi)，西以省界與河南省永城市毗鄰，東北距淮北市約13km。1984年9月動工，1993年7月投產(chǎn)，2000年12月29日由原皖北煤電集團(tuán)公司劉橋二礦改制為安徽恒源煤電股份有限公司，是安徽省第一家煤電類上市公司，后因公司增發(fā)擴(kuò)融更名為安徽恒源煤電股份有限公司煤礦（簡稱恒源煤礦）。

恒源煤礦是一個設(shè)計年產(chǎn)原煤60萬噸，以綜采和高檔普采為主的現(xiàn)代化礦井，隨著先進(jìn)技術(shù)的利用和礦井三期技術(shù)改造的實(shí)施，現(xiàn)在已形成245萬噸的年生產(chǎn)能力。礦井主采煤層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1xs）4煤層和下統(tǒng)山西組（P1s）6煤層，其中占總儲量約65%的主采6煤層，受到下伏太原群灰?guī)r巖溶水的嚴(yán)重突水威脅，礦井水害是困繞該礦安全生產(chǎn)和效益提升的重要因素之一，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜型礦井。由于礦井開采存在多種災(zāi)害性水體威脅，且涌水量較大，最大涌水量達(dá)732.8m3/h以上，在礦井建設(shè)及投產(chǎn)初期曾多次發(fā)生淹沒井筒、巷道及工作面的水害事故，對礦井的高效開采造成重大影響。

該礦回采的6煤層底板下存在太原群多層灰?guī)r含水層和奧灰含水層，該含水層在本地區(qū)的其他井田，已造成多次礦井突水災(zāi)害，是礦井安全開采的最大災(zāi)害水體。如1988年淮北礦務(wù)局楊莊煤礦突水3153m3/h，淹沒生產(chǎn)水平；1995年皖北礦務(wù)局任樓煤礦首采區(qū)突水12000m3/h，淹沒整個礦井；1999年河南省陳四樓煤礦、葛店煤礦分別突水300m3/h，新莊煤礦工作面突水180m3/h；2001年劉橋一礦二水平Ⅱ623工作面突水375m3/h；Ⅱ626工作面突水220 m3/h，都是因為太灰及奧灰強(qiáng)含水層突水引起，均造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)。恒源煤礦處在劉橋一礦和新莊煤礦之間，目前進(jìn)入到二水平深部的開采階段，灰?guī)r水頭壓力高，底板隔水層厚度變化大，許多工作面的突水系數(shù)超過臨界突水系數(shù)，水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，突水威險性大增，煤礦的安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。如何防治井下灰?guī)r巖溶水突水，是該礦安全、高產(chǎn)高效回采6煤層的關(guān)鍵。

2 太原群灰?guī)r巖溶水的動態(tài)防治

恒源煤礦主要采用疏水降壓、帶壓開采和底板加固三種方法防治太原群灰?guī)r巖溶水。

2.1 疏水降壓

疏水降壓可以減小煤層底板灰?guī)r水壓力，使灰?guī)r水壓力降到臨界突水系數(shù)以下，防止煤層底板突水。根據(jù)該礦放水試驗結(jié)果，礦區(qū)流場和水文地質(zhì)條件分析，本礦太灰水滲流場的基本特征是：礦區(qū)中部的太灰水向南北兩端流動，中間太灰水位較南北兩端分別高出11～12m，其滲透性在礦內(nèi)還存在不均一性，在某些區(qū)段滲透較強(qiáng)，在另一些區(qū)段較弱。本礦中部的高水位區(qū)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。在高水位區(qū)存在奧灰水向太灰水的越流現(xiàn)象。由有限元計算得到的疏干水量歷時曲線可以看出，該礦井的太灰含水層的水位在理論上是可以疏降到安全水頭以下的，實(shí)踐證明疏水降壓在該礦是切實(shí)可行的。自該礦投產(chǎn)以來，太原群太灰水水位平穩(wěn)下降，水位由原來的-55m，逐漸下降到現(xiàn)在的-236m。平均每年下降約11.7m，隨著灰?guī)r水降落漏斗的不斷擴(kuò)大，水位下降速度逐漸減小。疏水降壓分為全域全量疏水和局部限量疏水兩種，恒源煤礦根據(jù)工作面的具體條件采用了局部限量疏水開采，主要在礦井淺部實(shí)施。

2.2 帶壓開采

帶壓開采是指不進(jìn)行深降強(qiáng)排，僅對采區(qū)或工作面的水文地質(zhì)條件進(jìn)行評價；對水文地質(zhì)條件動態(tài)監(jiān)測和預(yù)測；對工作面進(jìn)行改造等開采工程而言的一種防治水方法。實(shí)踐證明這種方法在該礦井是合適的。

該礦井6煤底板至太灰群L1灰?guī)r之間存在著50～60m、最大達(dá)70m厚的砂頁巖相對隔水層。特別是在L1灰?guī)r的頂部普遍發(fā)育著厚約20m的海相泥巖隔水層。利用這部分巖層的隔水性，進(jìn)行開采可行性進(jìn)行評價分析。該礦成功地回采了受灰?guī)r水威脅嚴(yán)重的6112、6113、6513、6514、6516工作面，共回采煤炭178.6萬噸，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 底板加固

隨著礦井開采深度的不斷增加，底板灰?guī)r水壓不斷升高，底板突水危險性顯著增加，采用疏水降壓和帶壓開采受到礦井排水及生產(chǎn)系統(tǒng)的限制，在經(jīng)濟(jì)上已不合算、安全上也不可靠，只有采用底板加固改造含水層的方法，才能確保工作面的安全回采。

該礦在集團(tuán)公司范圍內(nèi)帥先采用地面注漿站技術(shù)，通過加固改造6煤底板1～3灰含水層，使工作面底板的有效隔水層厚度顯著增加，增強(qiáng)了底板的阻水能力。自地面注漿站建成以來，共實(shí)施了Ⅱ613、Ⅱ615、Ⅱ616、Ⅱ617、Ⅱ6111及Ⅱ6119等6個工作面的底板加固注漿改造，安全采出受底板灰?guī)r水嚴(yán)重威脅的煤炭237.8萬噸，取得了數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)效益，目前該種水害防治方法已在集團(tuán)公司內(nèi)的劉橋一礦、五溝煤礦推廣應(yīng)用，也取得了很好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

3 礦井災(zāi)害性水體的綜合利用

3.1 太原群灰?guī)r巖溶水的利用

目前，采礦業(yè)正朝著現(xiàn)代化的方向推進(jìn)，井下應(yīng)采取綜合防塵的措施，并為生產(chǎn)提供足夠的水，一方面要消耗大量的地表水，另一方面井下同時會產(chǎn)生大量的災(zāi)害涌水需排到地面，用于礦井施工的大部分水是抽取的地表水，地表水加壓后被輸送到井下供生產(chǎn)使用。該礦利用井下易造成突水災(zāi)害的高壓灰?guī)r巖溶水，通過井下灰?guī)r供水孔的減壓，形成覆蓋生產(chǎn)系統(tǒng)的管網(wǎng)，替代地表水作為井下防塵和生產(chǎn)用水并獲得了成功。目前，井下防塵和生產(chǎn)用水全部采用灰?guī)r巖溶水，即減少了大量地表水資源的消耗，又緩慢地降低了底板灰?guī)r水壓、降低了突水威脅，還實(shí)現(xiàn)了灰?guī)r巖溶災(zāi)害性水體的資源化利用。

恒源煤礦從投產(chǎn)開始，先后在井底車場、風(fēng)井車場、六煤層各采區(qū)車場打了12眼灰?guī)r供水孔，滿足了井下的水需求，同時使6煤層底板灰?guī)r水的壓力有所下降，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了水資源的

浪費(fèi)，降低或避免了灰?guī)r水的突水危險性，并獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效

益。

綜合測算后得知，井下每排放1方的礦井水，大概需要1.40元的綜合費(fèi)用；井下防塵使用的是地表水，大概需要2.30元的綜合費(fèi)用，按照礦井目前生產(chǎn)能力245萬噸來計算，一天井下作業(yè)需要約1100方的水，全年可節(jié)約防塵用水費(fèi)用為：

2.30×1100×365=92.345（萬元）

井下因回采受底板灰?guī)r水害煤層，應(yīng)該疏干降壓開采，降壓到突水危險系數(shù)以下，一般的疏干放水量就相當(dāng)于目前井下綜合防塵用水量：即疏干水量為每天1100方，排水費(fèi)用為：

1.40×1100×365=56.21（萬元）

兩項合計為每年礦井可節(jié)約的防治水及防塵水費(fèi)為：

92.345＋56.21=148.555（萬元）

采用井下灰?guī)r巖溶水作為井下防塵及生產(chǎn)用水，全年可節(jié)省148.555萬元的費(fèi)用。

3.2 礦井涌水的綜合利用

目前，礦井不斷開拓延深，一般情況下礦井的涌水量大致為270～320方/小時，為確保井下作業(yè)人員的安全，生產(chǎn)中產(chǎn)生的礦井水一定要排放到地面，因為大部分礦井水屬于酸性水，任意排放會對地表水體造成污染，為防止污染事故的發(fā)生，恒源煤礦將排放的礦井水送至污水處理廠，處理達(dá)到要求后，再送至煤矸石發(fā)電廠作為發(fā)電用水。這樣，每天就能減少4500噸地表水的浪費(fèi)。電廠從投產(chǎn)開始，基本達(dá)到了礦井水零排放的指標(biāo)。

電廠投產(chǎn)前，恒源煤礦由于每年排放礦井水，需要上繳大概77.3萬元的環(huán)境保護(hù)補(bǔ)償費(fèi)，如果電廠發(fā)電采用的是地表水，按照現(xiàn)在每噸水資源費(fèi)0.3元計算，全年的水資源費(fèi)就是：

0.3×4500×365=49.275（萬元）

目前由于發(fā)電廠采用的是礦井涌水發(fā)電，可免繳環(huán)境保護(hù)補(bǔ)償費(fèi)和水資源費(fèi)，這樣一來，企業(yè)可獲得的直接經(jīng)濟(jì)效益就高達(dá)126.575萬元。

4 經(jīng)濟(jì)及社會效益

恒源煤礦通過化害為利的水害防治方法，消除了礦井水害事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了水文地質(zhì)條件復(fù)雜型礦井，連續(xù)9年未發(fā)生突水事故的安全記錄。通過高壓灰?guī)r水及礦井涌水的資源化綜合利用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益：首先是井下灰?guī)r巖溶水作為井下防塵和生產(chǎn)用水，每年節(jié)約的防治水及防塵水費(fèi)用達(dá)148.555萬元；其次是節(jié)約了環(huán)境保護(hù)補(bǔ)償費(fèi)和發(fā)電場用的地表水資源費(fèi)126.575萬元，兩項合計為275.13萬元，通過該項技術(shù)的實(shí)施，相當(dāng)于每年為該礦創(chuàng)造了275.13萬元的直接經(jīng)濟(jì)效益。另外還節(jié)約了大量的地表水資源，消除了礦井災(zāi)害性污水外排對地表環(huán)境的污染破壞，具有重要的社會效益，對實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

恒源煤礦災(zāi)害水體綜合防治與資源化利用技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)有：

5.1 通過災(zāi)害性水體的長期無害化使用，不僅為礦井生產(chǎn)提供了免費(fèi)而穩(wěn)定的水資源，還使突水威脅穩(wěn)步降低，并實(shí)現(xiàn)了礦井防治水工作由重災(zāi)害發(fā)生后的“治”，到災(zāi)害發(fā)生前“防”觀念上的轉(zhuǎn)換。即減少了災(zāi)害損失，又實(shí)現(xiàn)了礦井的長期安全生產(chǎn)，還達(dá)到了化害為利的循環(huán)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。

5.2 通過礦井涌水的循環(huán)利用，消除了礦井污水外排對地表環(huán)境的污染，同時大大地減少了地表水資源消耗，也為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

恒源煤礦根據(jù)本礦的水文地質(zhì)條件，不斷創(chuàng)新水害防治新技術(shù)、新方法，實(shí)現(xiàn)了煤炭開采的可持續(xù)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害性水體的綜合防治與資源化利用創(chuàng)新。通過化害為利的綠色環(huán)保生產(chǎn)模式，節(jié)約了有限的地表水資源，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢水的零排放，創(chuàng)造了巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益，為類似礦井的安全高效生產(chǎn)，探索出一條全新的可持續(xù)發(fā)展之路。