侯志成

（神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719315）

目前神東礦區(qū)煤炭開采以一次采全高開采方式為主，在提高煤炭產(chǎn)能、開采效率和提高煤炭資源回收率方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但這種大規(guī)模、高強(qiáng)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(qū)域生態(tài)環(huán)境更加脆弱，水文環(huán)境容量進(jìn)一步縮小，煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾更加尖銳。

大柳塔煤礦在開發(fā)、建設(shè)過程中，創(chuàng)造性地將井下采空區(qū)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(chǎn)污水）注入井下采空區(qū)，利用采空區(qū)過濾、凈化的機(jī)理，并通過安全防護(hù)工程，將采空區(qū)變?yōu)橐蛔聝艋⑿畲娴乃畮?，再通過相關(guān)設(shè)施將水庫的清水引出從而再次用于礦區(qū)的生產(chǎn)及生活，實(shí)現(xiàn)了井上下水資源的匯集、儲存、聯(lián)合調(diào)度、綜合利用，使水源固封在井下，避免了礦井水外排導(dǎo)致的區(qū)域水資源的流失。

1 采空區(qū)過濾凈化技術(shù)

在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中，大柳塔煤礦發(fā)現(xiàn)了采空區(qū)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(qū)經(jīng)過矸石一系列的作用，流出的水即變?yōu)榍逅?，?jīng)水質(zhì)檢驗(yàn)，其水質(zhì)良好，能滿足生產(chǎn)要求。

1.1 過濾過程

因采空區(qū)充填物的級配較好，且煤層的頂?shù)装迥嗷锍涮钣陧肥g，在污水經(jīng)采空區(qū)注水點(diǎn)處向出水點(diǎn)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(qū)水力坡度較小，同時采空區(qū)矸石充填較密實(shí)，污水在采空區(qū)內(nèi)的滲流過程特別緩慢，沉淀與過慮同時發(fā)生，使進(jìn)入集水區(qū)的懸浮物大大減少。同時，采空區(qū)各出水點(diǎn)附近為主要的蓄水區(qū)，積水基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，積水區(qū)的懸浮物會進(jìn)一步沉淀。

圖1 礦井水采空區(qū)過濾與凈化機(jī)理

1.3 吸附與離子交換作用

采空區(qū)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(zhì)對礦井水中的一些有害物質(zhì)和細(xì)小顆粒會產(chǎn)生一定的吸附和陽離子交換作用，對污水起到了進(jìn)一步凈化的作用。礦井水采空區(qū)過濾與凈化機(jī)理如圖1所示。

2 采空區(qū)蓄水機(jī)理、技術(shù)

2.1 采空區(qū)蓄水機(jī)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(qū)相對低洼區(qū)域就形成了天然的蓄水區(qū)，即地下水庫。

地下水庫的水源 （采空區(qū)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(chǎn)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(jìn)入采空區(qū)，井下生產(chǎn)污水則由排水管道注入采空區(qū)，各類水源從采空區(qū)高處緩慢匯入采空區(qū)相對低洼區(qū)，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(diǎn)、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(qiáng)弱、采動裂隙發(fā)育程度及采空區(qū)大小等，而井下生產(chǎn)污水可以人為控制，可人工確定其注入采空區(qū)區(qū)域、注入量和注入速度等。

2.2 采空區(qū)蓄水技術(shù)

為便于控制和利用采空區(qū)的蓄水，結(jié)合采場擺布情況，在各采空區(qū)與大巷聯(lián)通的各順槽口施工人工壩體 （擋水墻），再加上各類保護(hù)煤柱，使采空區(qū)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(qū)內(nèi)。同時采取可靠的水位監(jiān)測、水質(zhì)保證技術(shù)與措施，確保采空區(qū)積水處于可控、可利用的范圍內(nèi)。

2.2.1 人工壩體

水庫人工壩體結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩部分組成，內(nèi)部為防水密閉，其結(jié)構(gòu)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(qū)水與井下大巷聯(lián)通的通道，確保采空區(qū)水與大巷安全隔離，防止采空區(qū)水浸入或滲出大巷而造成水患。外部為擋水墻，結(jié)構(gòu)為 “砼墻體+錨桿+‘井’字型11號礦用工字鋼”，砼墻厚度根據(jù)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(qiáng)度，進(jìn)而提高水庫蓄水水位。

2.2.2 水位監(jiān)控

對各水庫水位進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)超過警戒水位時，采取措施控制水位，確保水庫安全運(yùn)行。

（1）水位監(jiān)測。在各水庫地勢較低的出水口安設(shè)水位監(jiān)測設(shè)備 （透明水位觀測管、水壓計），根據(jù)擋水墻結(jié)構(gòu)及承載能力，設(shè)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(fā)現(xiàn)水庫水位超過警戒水位則采取相應(yīng)措施。

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

當(dāng)一處水庫水位接近警戒水位時，一方面停止將井下生產(chǎn)污水注入該水庫，通過注水系統(tǒng)中各閘閥控制改變污水注入路徑，使污水流向其他注水點(diǎn)，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(tǒng)，加大該水庫向井下供水系統(tǒng)和地面用水系統(tǒng)的供水量，同時還可以將該水庫的清水引出，通過注水系統(tǒng)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(zhì)控制

通過加強(qiáng)源頭管控、提高凈化作用效果等方法來提高水庫水質(zhì)。

（1）加強(qiáng)源頭管控，減少污水雜質(zhì)進(jìn)入水庫。加強(qiáng)雜物管理，對于影響水質(zhì)的井下廢棄物 （廢油脂、乳化液）及時回收上井，嚴(yán)禁丟棄在采空區(qū)。

（2）提高凈化作用效果，采取多孔、多注水點(diǎn)等方式分散注水，延長污水進(jìn)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(qū)水循環(huán)復(fù)利用技術(shù)

依據(jù)采空區(qū)凈化及蓄水原理，大柳塔煤礦根據(jù)采空區(qū)底板高程、生產(chǎn)接續(xù)，將一水平22煤采空區(qū)各個相對低洼積水區(qū)作為地下水庫，將水庫相對較高的地點(diǎn)22406、22604、22607、22611、22613順槽口作為注水點(diǎn)，將相對低洼的406、201、608順槽口作為清水出水點(diǎn)，各注水點(diǎn)、出水點(diǎn)通過離心泵、加壓泵、供排水管路和上下水平水循環(huán)利用系統(tǒng)相連，形成了采空區(qū)水循環(huán)復(fù)利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域水資源不損失、井下污水不升井。

該系統(tǒng)主要由一水平22煤1、2、3號地下水庫，6個注水點(diǎn)系統(tǒng)和上下水平水循環(huán)利用系統(tǒng)組成。大柳塔礦井下水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大柳塔礦井下水循環(huán)系統(tǒng)立體示意圖

3.1 地下水庫系統(tǒng)

以一水平22煤采空區(qū)作為凈化、蓄水的水庫，分別將22煤四盤區(qū)、老六盤區(qū)、新六盤區(qū)采空區(qū)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(guān)參數(shù)見表1。

表1 水庫技術(shù)參數(shù)

（1）注水系統(tǒng)。在各采空區(qū)與大巷相連的高處附近施工鉆孔和安設(shè)注水系統(tǒng)，通過鉆孔使井下排水 （注水）系統(tǒng)與采空區(qū)相連，井下生產(chǎn)的污水可通過這些鉆孔注入采空區(qū)，經(jīng)過采空區(qū)矸石過濾、凈化后復(fù)利用。目前已分別在一水平22煤2＃輔運(yùn)大巷及零度輔運(yùn)大巷設(shè)置6 個注水點(diǎn) （400、406、604、607、611和613注水點(diǎn)），在各注水點(diǎn)附近的大巷水溝設(shè)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(diǎn)進(jìn)入水庫，實(shí)現(xiàn)污水零升井。1＃地下水庫及注、供水系統(tǒng)如圖3所示。

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

（3）上下水平水循環(huán)利用系統(tǒng)。隨著開采水平的延深，在二水平52煤總回51、109聯(lián)巷外側(cè)施工1＃、2＃水循環(huán)利用硐室，在這兩個硐室分別施工鉆孔系統(tǒng)，52煤的污水在水循環(huán)利用硐室通過離心泵經(jīng)鉆孔系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)入二水平52煤供水系統(tǒng)提供生產(chǎn)用水，實(shí)現(xiàn)了二水平52煤提供排水系統(tǒng)與一水平22煤地下水庫系統(tǒng)互聯(lián)互通，擴(kuò)大了地下水庫系統(tǒng)的覆蓋范圍，提高了井下水循環(huán)利用水平。

3.2 井下水循環(huán)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(diǎn)注入采空區(qū)進(jìn)行過濾、凈化，經(jīng)采空區(qū)凈化后的清水通過各出水點(diǎn)一部分由管路輸送至各采掘工作面用水點(diǎn)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(chǎn)和生活使用。其水循環(huán)路線為井下一水平各作業(yè)地點(diǎn)的生產(chǎn)污水→中轉(zhuǎn)水倉→排水管路 （大巷水溝）→注水點(diǎn)水倉→注水鉆孔→水庫→出水點(diǎn) （406、201、608）→大巷供水管路→井下各用水點(diǎn)、地面復(fù)利用。

井下二水平52煤的污水通過盤區(qū)水倉，經(jīng)過1＃、2＃水循環(huán)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(chǎn)所需的清水，22煤406、608出水點(diǎn)出來的清水經(jīng)供水鉆孔進(jìn)入52煤1＃、2＃水循環(huán)利用硐室再與52煤供水管路相連，供52煤生產(chǎn)使用。其水循環(huán)路線為井下二水平52煤各作業(yè)地點(diǎn)的生產(chǎn)污水→中轉(zhuǎn)水倉→52煤三盤區(qū)水倉→52 煤1＃、2＃水循環(huán)利用硐室→22 煤406、613注水點(diǎn)→1＃、3＃水庫→出水點(diǎn) （406、201、608）→大巷供水管路→井下各用水點(diǎn)、地面復(fù)利用。井下水循環(huán)復(fù)利用技術(shù)工藝流程如圖4所示。

圖3 1＃地下水庫及注、供水系統(tǒng)示意圖

圖4 井下水循環(huán)復(fù)利用技術(shù)工藝流程圖

3.3 效益分析

在采空區(qū)自凈化機(jī)理及蓄水作用基礎(chǔ)上，通過一定的防護(hù)、注水、引水等設(shè)施，大柳塔礦建成了一個自給自足、自我凈化的井下水循環(huán)復(fù)利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)井下采空區(qū)及采場的實(shí)際情況，靈活設(shè)計，施工技術(shù)簡單，管理維護(hù)成本低，便于安全管理，對井下地質(zhì)條件適應(yīng)性高，易于推廣。

該系統(tǒng)簡化了傳統(tǒng)的地面清水入井，井下污水升井的供水及污水處理模式，節(jié)約了生產(chǎn)用水、污水處理、供排水系統(tǒng)及維護(hù)等費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

同時通過采空區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)，將水資源固定在井下，避免了因煤炭開采導(dǎo)致的區(qū)域水文環(huán)境破壞后難以逆轉(zhuǎn)的矛盾，保護(hù)了水資源，為當(dāng)?shù)厣鐣?、?jīng)濟(jì)、生態(tài)的發(fā)展儲存了寶貴的水資源，其社會、生態(tài)效益巨大。

（1）經(jīng)濟(jì)效益。

以目前大柳塔礦井下生產(chǎn)污水平均涌出量為425m3／h計算，大柳塔礦因污水零升井可節(jié)約費(fèi)用763.9萬元／a，節(jié)省清水費(fèi)用約為4862萬元／a，排水設(shè)備、安裝及維護(hù)等費(fèi)用約496萬元。

（2）社會效益。

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

（3）生態(tài)效益。

減緩了礦區(qū)開發(fā)對當(dāng)?shù)厮Y源的過度擾動，避免了當(dāng)?shù)厮Y源因開采導(dǎo)致的流失，使得寶貴的水資源得以留在當(dāng)?shù)?，抑制、減弱了區(qū)域水環(huán)境容量的不斷萎縮，對礦區(qū)綠化、開采沉陷區(qū)環(huán)境治理及區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展保存、匯集了彌足珍貴的水源，促進(jìn)了礦區(qū)的生態(tài)和諧和可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

大柳塔煤礦創(chuàng)新了井下水資源保護(hù)及復(fù)利用技術(shù)，建成了井下采空區(qū)對水資源的匯集、存蓄、凈化并向井下、地面生產(chǎn)及生活供水的區(qū)域水資源保護(hù)與復(fù)利用模式，較好地解決了神東礦區(qū)高強(qiáng)度煤炭開采對區(qū)域水文環(huán)境的破壞問題，解決了傳統(tǒng)煤炭開采導(dǎo)致水資源流失、生態(tài)環(huán)境持續(xù)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(shù)途徑，豐富了保水開采技術(shù)體系，為國內(nèi)外煤炭行業(yè)的保水開采提供了實(shí)踐借鑒。

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