創(chuàng)新的煤礦綠色開采技術(shù)


——礦井水地面管井深部回灌的技術(shù)方法與應用

        煤礦突水被認為是生產(chǎn)中的重大災害之一，也是世界產(chǎn)煤國家面對的一大安全開采難題[1]，作者1999年在全面系統(tǒng)分析華北型煤田礦井水患和礦區(qū)水資源合理開發(fā)利用以及生態(tài)環(huán)境問題等方面的基礎(chǔ)上，提出了煤礦排—供—生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結(jié)合的思路，從理論上探討了綜合解決煤礦區(qū)愈來愈嚴重的排供矛盾和生態(tài)環(huán)境問題的可能性[2,3]。隨著時代的進步、技術(shù)的更新，新問題也不斷出現(xiàn)。根據(jù)河北峰峰集團梧桐莊煤礦礦井水水患問題，作者提出了礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)保五位一體優(yōu)化結(jié)合策略，為類似地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下的華北型煤礦發(fā)展指明了一個新的發(fā)展方向。
        冀中能源峰峰集團梧桐莊煤礦具有極為特殊復雜的水文地質(zhì)條件，在建井和生產(chǎn)階段發(fā)生過多次嚴重突水事故。1995年12月3日，在建井期間發(fā)生了斷層突水，導致了淹井事故。2000年5月14日，采煤過程中掘進頭迎頭左幫淋水增大，出水量42m3/h。2001年3月10日，該礦巷道頂板發(fā)生突水，實測增加水量130m3/h，導致巷道再次被淹。2002年6月7日，該礦首采區(qū)工作面發(fā)生異常涌水，底板含水層熱水上涌，出水量480m3/h，致使工作面被淹，整個采區(qū)處于半停產(chǎn)狀態(tài)。
        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5000mg/L、總硬度達2000mg/L、懸浮物含量1800mg/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(chǎn)廢水未經(jīng)處理直接外排，礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境遭到了嚴重破壞，當?shù)剞r(nóng)民和梧桐莊煤礦均受到了巨大的經(jīng)濟損失。為此，地方環(huán)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，根據(jù)該礦井田地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)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?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，同時也實現(xiàn)了煤礦綠色開采戰(zhàn)略目標。

        研究區(qū)概況

        冀中能源峰峰集團梧桐莊礦位于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)南部，毗鄰磁縣西部，以北神崗村為中心，北距峰峰市區(qū)12km，東距磁縣城15km，地理坐標為北緯36°19′，東經(jīng)114°12′。該礦礦井面積40km2，1992年10月建礦，2001年5月首采工作面開始設(shè)備試運轉(zhuǎn)，2003年10月投產(chǎn)。設(shè)計年產(chǎn)量120萬噸，目前已達到1.80Mt/a的生產(chǎn)規(guī)模，是峰峰集團按照高產(chǎn)高效模式建設(shè)的大型現(xiàn)代化礦井。隨著產(chǎn)量的增加，開采工作面相應增加，井下礦井水的涌水量也會相應增加，其地下水具有礦化度高、硬度高的特點，并且又具有極為特殊復雜的地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)條件。
        梧桐莊井田基本為一掩蓋區(qū)，僅在西北部有上二疊統(tǒng)出露。地層由老至新有：下古生界中奧陶統(tǒng)，上古生界石炭系、二疊系，新生界第三系及第四系沉積地層。本井田可劃分為十個含水層，自下往上依次為奧陶系灰?guī)r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?guī)r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(jù)構(gòu)造分割和水文地質(zhì)條件特征，峰峰礦區(qū)鼓山東劃分為四種不同強度的徑流區(qū)(強徑流區(qū)、弱徑流區(qū)、半停滯區(qū)、停滯區(qū))，梧桐莊煤礦井位于鼓山東側(cè)南端停滯區(qū)，奧陶系灰?guī)r為煤系基盤，總厚度約600m，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?guī)r含水層及煤系含水層基本處于停滯狀態(tài)。深層地下水為煤系地層含水層和奧陶系灰?guī)r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(lián)系。而在斷裂破碎帶、褶曲軸部等部位巖溶、裂隙較發(fā)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?guī)r含水層分布面積廣、厚度大、水壓高、富水性強、導水通道發(fā)育，單位涌水量為1.258～6.438L/s.m，對礦井生產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅。

        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?guī)r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(zhì)；并且礦井涌水在流經(jīng)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(chǎn)生活活動的影響，還使礦井水含有較多的細菌。該礦礦井水經(jīng)封堵控制后，涌水量1100m3/h，由于水資源比較緊張，根據(jù)該礦生產(chǎn)要求，200m3/h的礦井水經(jīng)過處理后用于礦井井下消防、防塵等生產(chǎn)用水；125m3/h的礦井水經(jīng)過處理后作為礦井井上生產(chǎn)、生活用水，要求處理后水質(zhì)達到《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范（2001）》要求；剩余775 m3/h的礦井水由于礦化度較高，外排會造成生態(tài)環(huán)境破壞，經(jīng)過充分的研究，775m3/h礦井水對地下水進行深層回灌，經(jīng)過處理后達到地下水進行回灌的水質(zhì)要求，回灌水水質(zhì)不高于回灌目標含水層的水質(zhì)背景值。礦井水處理工藝如圖1所示。

        梧桐莊煤礦井田處于相對獨立的水文地質(zhì)單元，井田區(qū)為相對滯緩的排泄區(qū)，與地表水系和淺層地下水基本無水力聯(lián)系，主要通過深部奧陶系灰?guī)r含水層與其他井田或地下水系統(tǒng)聯(lián)系，并且聯(lián)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(diào)研與技術(shù)論證的基礎(chǔ)上，將礦井水井處理后回灌至1200m以下的奧陶系灰?guī)r含水層。為此，本研究工程設(shè)計3個回灌井，單井孔深1200m，單井最大回灌量為300m3/h?；毓嗄康膶訛閵W陶系中統(tǒng)馬家溝灰?guī)r，奧灰總厚度約605m，含水層厚度大，以厚層狀、質(zhì)純的豹皮狀灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r以及白云質(zhì)灰?guī)r為主，所以采用管井注入法對地下水進行回灌。管井注入法的主要優(yōu)點是:不受地形條件限制，也不受地面厚層弱透水層分布和地下水位埋深等條件的限制。此外，占地少，水量浪費少，不易受地面氣候變化等因素影響；缺點是井管和含水層易被堵塞。該方法主要適合于因地面弱透水層較厚或地面場地限制不能修建地面入滲工程的地區(qū)，特別適合于用來補給承壓含水層或埋藏較深的潛水含水層?；毓嗑俣?塞或積)是地下水人工回灌要解決的主要問題，本項目地下水回灌工程研究主要考察回灌水量隨時間變化規(guī)律、回灌井堵塞控制措施等，提高地下水回灌效率。
        回灌井布置。礦井水回灌井處于韋武神崗背斜軸部東側(cè)，地面高程＋222m，工程設(shè)計為3個回灌井，單井孔深1200m，單井回灌量為258.4m3/h，總回灌量為775m3/h，回灌目的層為奧陶系中統(tǒng)馬家溝灰?guī)r，奧陶系以上地層全部用套管止水封閉。根據(jù)井下生產(chǎn)揭露，奧灰含水層裂隙溶洞發(fā)育富水程度較高，利用地面標高與奧灰含水層水位（＋122m）標高差，將經(jīng)過凈化的礦井水回灌至奧灰含水層中儲存起來（見圖2）。

        回灌試驗。為了清除堵塞含水層和回灌井的雜質(zhì)，穩(wěn)定回灌量和回灌壓力，在進行回灌時必須進行回揚。本研究考察了連續(xù)回灌、間斷回灌與不定時回揚、連續(xù)回灌與定時回揚三種回灌方式。通過四種回灌與回揚方式試驗研究可以得出如下三點結(jié)論：
        1、經(jīng)現(xiàn)場礦井水回灌試驗，梧桐莊礦礦井水回灌奧陶系中統(tǒng)馬家溝灰?guī)r含水層比較成功，采用連續(xù)回灌與定時回揚可以清除含水層和回灌井的堵塞問題，保證回灌量和回灌壓力持續(xù)穩(wěn)定。
        2、在礦井水回灌過程之間進行回揚，與連續(xù)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小時回揚一次的方式最好（回灌量水位降幅削減值為0.224米/千噸），連續(xù)回灌與定時回揚試驗結(jié)果如圖3所示。

        回灌效果

        利用數(shù)值模擬來預測人工回灌對井田奧灰水流滲場的影響，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(zhì)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(zhì)介質(zhì)中三維承壓非穩(wěn)定流問題[4]，數(shù)學模型為：
        式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為主軸方向滲透系數(shù)；
        h0(x,y,z)為奧灰水初始水頭值；
        h1(x,y,z,t)為奧灰含水層第一類邊界上的實測水頭值；
        q(x,y,z,t)為奧灰含水層第二類邊界上的單位面積流量；
        Ω為滲流區(qū)域；
        г1為第一類邊界曲面；
        г2為第二類邊界曲面；
        n為外法線方向；
        w為源匯項包括：礦井涌水、越流排泄和人工回灌溉。
        通過數(shù)值模擬，可以得出結(jié)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(tài)變化較小，整個井田流場形態(tài)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(tài)的強度。

        研究結(jié)論

        針對華北型煤礦突水災害問題，本文提出的礦井水控制、處理、利用、回灌、生態(tài)環(huán)保五位一體策略較好地解決了煤礦礦井水害、水資源與生態(tài)環(huán)保問題，實現(xiàn)了煤礦可持續(xù)開采和綠色開采的戰(zhàn)略目標。地面管井對深部地下水回灌采用連續(xù)回灌與定時回揚方式效果較好，可以有效解決回灌過程中的淤堵、回灌量和回灌壓力問題。對回灌效果地下水流場進行數(shù)值模擬，地下水人工回灌對井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(tài)的強度。

            責編/吳 浪

參考文獻
        [1] 陳元良，何緒文：我國礦井水處理利用現(xiàn)狀及存在問題[J]，科技創(chuàng)新導報，2009，24：72-75.
        [2] 武強，董東林，石占華等：華北型煤田排—供—生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結(jié)合研究[J]，中國科學(D輯)，1999，29（6）：567-573.
        [3] WU Qiang,LIDuo,DIZhiqiang,etal.Combination of drainage, water supply and environmental protection as well as rational distribution of water resource in Zhengzhou mining district[J], Science in China Series D Earth Sciences, 2005, 48（10）：1768-1779.
        [4] G. Bekesi, J. McConchie. Groundwater recharge modelling using the Monte Carlo technique, Manawatu region, New Zealand[J], Journal of Hydrology, 1999( 224) 3: 137-148.

本文作者
        中國礦業(yè)大學 地球科學與測繪工程學院 武強
        河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院 王志強
        冀中能源峰峰集團  郭周克 張黨育 陳亞杰
                            趙鵬飛  陳   宇 王鐵記
                            劉   存  王   屹