大柳塔煤礦井下水資源保護及復利用技術工程實踐

侯志成

（神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315）

目前神東礦區煤炭開采以一次采全高開采方式為主，在提高煤炭產能、開采效率和提高煤炭資源回收率方面發揮了至關重要的作用。但這種大規模、高強度的煤炭開采會將煤層上部含水巖層破壞、地表沉陷，給地下水資源和地表水系造成很大的影響，致使區域生態環境更加脆弱，水文環境容量進一步縮小，煤炭開采與生態環境保護之間的矛盾更加尖銳。

大柳塔煤礦在開發、建設過程中，創造性地將井下采空區作為地下水庫，將礦井各類涌水 （大氣滲水、上部巖層裂隙水、井下生產污水）注入井下采空區，利用采空區過濾、凈化的機理，并通過安全防護工程，將采空區變為一座井下凈化、蓄存的水庫，再通過相關設施將水庫的清水引出從而再次用于礦區的生產及生活，實現了井上下水資源的匯集、儲存、聯合調度、綜合利用，使水源固封在井下，避免了礦井水外排導致的區域水資源的流失。

1 采空區過濾凈化技術

在多年的生產實踐中，大柳塔煤礦發現了采空區矸石對注入的污水具有過濾、沉淀、吸附以及離子交換的作用。污水注入采空區經過矸石一系列的作用，流出的水即變為清水，經水質檢驗，其水質良好，能滿足生產要求。

1.1 過濾過程

因采空區充填物的級配較好，且煤層的頂底板泥化物充填于矸石之間，在污水經采空區注水點處向出水點處的滲流過程中，矸石對污水中的懸浮物起到過濾作用。

1.2 沉淀作用

由于采空區水力坡度較小，同時采空區矸石充填較密實，污水在采空區內的滲流過程特別緩慢，沉淀與過慮同時發生，使進入集水區的懸浮物大大減少。同時，采空區各出水點附近為主要的蓄水區，積水基本處于靜止狀態，積水區的懸浮物會進一步沉淀。

圖1 礦井水采空區過濾與凈化機理

1.3 吸附與離子交換作用

采空區充填物中砂巖、粉砂巖的孔隙率為5%～13%，同時煤層底板中有一定的黏土礦物，這些物質對礦井水中的一些有害物質和細小顆粒會產生一定的吸附和陽離子交換作用，對污水起到了進一步凈化的作用。礦井水采空區過濾與凈化機理如圖1所示。

2 采空區蓄水機理、技術

2.1 采空區蓄水機理

大柳塔煤礦井田面積約為126km2，東西長度約為13.8km，南北寬度約為10.4km，一水平主采煤層底板高程為1110.8～1203.2 m。因開采范圍廣、22煤底板高程變化大，22煤采空區相對低洼區域就形成了天然的蓄水區，即地下水庫。

地下水庫的水源 （采空區積水來源）為大氣降水、第四系松散層孔隙潛水、燒變巖裂隙潛水、煤系基巖含水巖組含水及井下生產污水等。其中大氣降水、地下各含水巖組的含水沿采動形成的裂隙帶進入采空區，井下生產污水則由排水管道注入采空區，各類水源從采空區高處緩慢匯入采空區相對低洼區，從而形成天然的地下水庫。其中大氣降水、地下各含水巖組的含水注入地點、水量及速度不受人工控制，主要取決于大氣降水量、地下含水巖組富水強弱、采動裂隙發育程度及采空區大小等，而井下生產污水可以人為控制，可人工確定其注入采空區區域、注入量和注入速度等。

2.2 采空區蓄水技術

為便于控制和利用采空區的蓄水，結合采場擺布情況，在各采空區與大巷聯通的各順槽口施工人工壩體 （擋水墻），再加上各類保護煤柱，使采空區形成一完整、封閉的空間，從而將積水安全有效地儲存在采空區內。同時采取可靠的水位監測、水質保證技術與措施，確保采空區積水處于可控、可利用的范圍內。

2.2.1 人工壩體

水庫人工壩體結構由內外兩部分組成，內部為防水密閉，其結構為 “0.75 m 磚墻+2 m 黃土（頂部充填羅克休）+0.75 m 磚墻”，主要起隔斷采空區水與井下大巷聯通的通道，確保采空區水與大巷安全隔離，防止采空區水浸入或滲出大巷而造成水患。外部為擋水墻，結構為 “砼墻體+錨桿+‘井’字型11號礦用工字鋼”，砼墻厚度根據該處水庫水位的高低確定，一般為1～1.6m 的混凝土密閉墻，主要起支撐、加固作用，通過擋水墻提高水庫人工壩體整體強度，進而提高水庫蓄水水位。

2.2.2 水位監控

對各水庫水位進行監測，當超過警戒水位時，采取措施控制水位，確保水庫安全運行。

（1）水位監測。在各水庫地勢較低的出水口安設水位監測設備 （透明水位觀測管、水壓計），根據擋水墻結構及承載能力，設定該處水庫水位警戒值。建立水位觀測臺賬，每班安排專人觀測各處水位，若發現水庫水位超過警戒水位則采取相應措施。

（2）水位管控。當水庫水位超過警戒水位時，通過采取停止注水、水庫間調水、加快該水庫用水等措施來降低水位。

當一處水庫水位接近警戒水位時，一方面停止將井下生產污水注入該水庫，通過注水系統中各閘閥控制改變污水注入路徑，使污水流向其他注水點，注入其他水庫，減緩該水庫水位上升趨勢。另一方面通過切換供水系統，加大該水庫向井下供水系統和地面用水系統的供水量，同時還可以將該水庫的清水引出，通過注水系統注入水位較低的水庫儲存再利用，從而降低該水庫水位。

2.2.3 水質控制

通過加強源頭管控、提高凈化作用效果等方法來提高水庫水質。

（1）加強源頭管控，減少污水雜質進入水庫。加強雜物管理，對于影響水質的井下廢棄物 （廢油脂、乳化液）及時回收上井，嚴禁丟棄在采空區。

（2）提高凈化作用效果，采取多孔、多注水點等方式分散注水，延長污水進入水庫后沉淀、滲流路徑，減少注水的流量來減小滲流水壓，從而提高滲流過程的凈化效果。

3 采空區水循環復利用技術

依據采空區凈化及蓄水原理，大柳塔煤礦根據采空區底板高程、生產接續，將一水平22煤采空區各個相對低洼積水區作為地下水庫，將水庫相對較高的地點22406、22604、22607、22611、22613順槽口作為注水點，將相對低洼的406、201、608順槽口作為清水出水點，各注水點、出水點通過離心泵、加壓泵、供排水管路和上下水平水循環利用系統相連，形成了采空區水循環復利用系統，實現了區域水資源不損失、井下污水不升井。

該系統主要由一水平22煤1、2、3號地下水庫，6個注水點系統和上下水平水循環利用系統組成。大柳塔礦井下水循環系統結構如圖2所示。

圖2 大柳塔礦井下水循環系統立體示意圖

3.1 地下水庫系統

以一水平22煤采空區作為凈化、蓄水的水庫，分別將22煤四盤區、老六盤區、新六盤區采空區作為水庫，即1＃地下水庫 （406水庫）、2＃地下水庫 （201水庫）、3＃地下水庫 （608水庫），各水庫分布如圖2所示，各水庫相關參數見表1。

表1 水庫技術參數

（1）注水系統。在各采空區與大巷相連的高處附近施工鉆孔和安設注水系統，通過鉆孔使井下排水 （注水）系統與采空區相連，井下生產的污水可通過這些鉆孔注入采空區，經過采空區矸石過濾、凈化后復利用。目前已分別在一水平22煤2＃輔運大巷及零度輔運大巷設置6 個注水點 （400、406、604、607、611和613注水點），在各注水點附近的大巷水溝設置攔截閘門、注水水倉和水泵，通過層層攔截，使井下污水全部通過各注水點進入水庫，實現污水零升井。1＃地下水庫及注、供水系統如圖3所示。

（2）出水系統。在各采空區低洼區設置出水口，即406、201、608出水口，各出水口施工高強度的擋水墻，同時在出水口安設加壓泵和供水管路，水庫出來的清水可直接進入或通過加壓泵進入井下供水管路供生產用水。

（3）上下水平水循環利用系統。隨著開采水平的延深，在二水平52煤總回51、109聯巷外側施工1＃、2＃水循環利用硐室，在這兩個硐室分別施工鉆孔系統，52煤的污水在水循環利用硐室通過離心泵經鉆孔系統分別泵排至1＃和3＃水庫，一水平22煤水庫的清水則通過鉆孔系統進入二水平52煤供水系統提供生產用水，實現了二水平52煤提供排水系統與一水平22煤地下水庫系統互聯互通，擴大了地下水庫系統的覆蓋范圍，提高了井下水循環利用水平。

3.2 井下水循環利用工藝流程

井下一水平22煤的污水通過排水管道由各注水點注入采空區進行過濾、凈化，經采空區凈化后的清水通過各出水點一部分由管路輸送至各采掘工作面用水點使用，另一部分通過一水平22煤平硐自流管路自流至地面供地面生產和生活使用。其水循環路線為井下一水平各作業地點的生產污水→中轉水倉→排水管路 （大巷水溝）→注水點水倉→注水鉆孔→水庫→出水點 （406、201、608）→大巷供水管路→井下各用水點、地面復利用。

井下二水平52煤的污水通過盤區水倉，經過1＃、2＃水循環利用硐室的注水鉆孔向上泵排至22煤各水庫凈化；52煤生產所需的清水，22煤406、608出水點出來的清水經供水鉆孔進入52煤1＃、2＃水循環利用硐室再與52煤供水管路相連，供52煤生產使用。其水循環路線為井下二水平52煤各作業地點的生產污水→中轉水倉→52煤三盤區水倉→52 煤1＃、2＃水循環利用硐室→22 煤406、613注水點→1＃、3＃水庫→出水點 （406、201、608）→大巷供水管路→井下各用水點、地面復利用。井下水循環復利用技術工藝流程如圖4所示。

圖3 1＃地下水庫及注、供水系統示意圖

圖4 井下水循環復利用技術工藝流程圖

3.3 效益分析

在采空區自凈化機理及蓄水作用基礎上，通過一定的防護、注水、引水等設施，大柳塔礦建成了一個自給自足、自我凈化的井下水循環復利用系統。該系統可根據井下采空區及采場的實際情況，靈活設計，施工技術簡單，管理維護成本低，便于安全管理，對井下地質條件適應性高，易于推廣。

該系統簡化了傳統的地面清水入井，井下污水升井的供水及污水處理模式，節約了生產用水、污水處理、供排水系統及維護等費用，經濟效益顯著。

同時通過采空區水循環系統，將水資源固定在井下，避免了因煤炭開采導致的區域水文環境破壞后難以逆轉的矛盾，保護了水資源，為當地社會、經濟、生態的發展儲存了寶貴的水資源，其社會、生態效益巨大。

（1）經濟效益。

以目前大柳塔礦井下生產污水平均涌出量為425m3／h計算，大柳塔礦因污水零升井可節約費用763.9萬元／a，節省清水費用約為4862萬元／a，排水設備、安裝及維護等費用約496萬元。

（2）社會效益。

因不需要地面向井下生產 供水，可節約生產用水170萬m3／a，同時采空區清水可通過其自流系統排至地面水深度處理廠，為礦區生產、生活提供水源。有力地緩解了神東礦區水資源短缺的局面，為神東礦區年生產規模不斷擴大提供了必要的水資源支撐。

（3）生態效益。

減緩了礦區開發對當地水資源的過度擾動，避免了當地水資源因開采導致的流失，使得寶貴的水資源得以留在當地，抑制、減弱了區域水環境容量的不斷萎縮，對礦區綠化、開采沉陷區環境治理及區域生態的可持續發展保存、匯集了彌足珍貴的水源，促進了礦區的生態和諧和可持續發展。

4 結論

大柳塔煤礦創新了井下水資源保護及復利用技術，建成了井下采空區對水資源的匯集、存蓄、凈化并向井下、地面生產及生活供水的區域水資源保護與復利用模式，較好地解決了神東礦區高強度煤炭開采對區域水文環境的破壞問題，解決了傳統煤炭開采導致水資源流失、生態環境持續惡化的矛盾，摸索出一條全新、安全、效益顯著的保水開采新技術途徑，豐富了保水開采技術體系，為國內外煤炭行業的保水開采提供了實踐借鑒。

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