矿井水控制、处理、利用、回灌与生态环保五位一体优化结合研究＊

武 强王志强郭周克张党育陈亚杰赵鹏飞陈 宇王铁记刘存玉王 屹

(1.中国矿业大学地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 2.河北工业大学能源与环境工程学院,天津市,300401; 3.冀中能源峰峰集团,河北省邯郸市,056003)

★节能与环保 ★

矿井水控制、处理、利用、回灌与生态环保五位一体优化结合研究＊

武 强1王志强2郭周克3张党育3陈亚杰3赵鹏飞3陈 宇3王铁记3刘存玉3王 屹3

(1.中国矿业大学地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 2.河北工业大学能源与环境工程学院,天津市,300401; 3.冀中能源峰峰集团,河北省邯郸市,056003)

以梧桐庄煤矿的突水治理为例,以一种全新思维方式将矿井水控制、处理、利用、回灌与生态环保五位一体优化结合,统筹管理,较好地解决了矿井水害防控、水资源利用与生态环保相互之间的矛盾和冲突。

矿井水治理 五位一体 优化结合 矿井水回灌 绿色开采

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

梧桐庄煤矿具有极为特殊复杂的水文地质条件,在建井和生产阶段发生过多次严重突水事故。1995年12月3日,在建井期间发生了断层突水,导致了淹井事故。2000年5月14日,采煤过程中掘进工作面左帮淋水增大,出水量42 m3/h。2001年3月10日,该矿巷道顶板发生突水,实测增加水量130 m3/h,导致巷道再次被淹。2002年6月7日,该矿首采区工作面发生异常涌水,出水量480 m3/h,致使工作面被淹,整个采区处于半停产状态。

梧桐庄煤矿矿井水具有Ca2+、Mg2+离子含量较高的高矿化度特征和煤粉为主的高悬浮物特征,矿化度达5000 mg/L、总硬度达2000 mg/L、悬浮物含量1800 mg/L,属典型的“三高”(高矿化度、高硬度和高悬浮物)废水。大量的高矿化度矿井水作为生产废水未经处理直接外排,使矿区周边的生态环境遭到了严重破坏,当地农民和梧桐庄煤矿均受到了巨大的经济损失。为此,地方环保部门已把梧桐庄煤矿的矿井水直排问题列为限期治理项目。

在此情况下,该矿根据井田地质构造和水文地质条件,研究矿井突水机理,对矿井水进行控制、处理、综合利用和深层回灌,开辟出了一条矿井废水资源化和矿井废水零排放的道路,既保护了当地生态环境,同时也实现了煤矿的绿色开采。

2 矿井水控制

2.1 地质构造与水文地质

梧桐庄井田基本为一掩盖区,仅在西北部有上二叠统出露。地层由老至新有下古生界中奥陶统,上古生界石炭系、二叠系,新生界第三系及第四系沉积地层。本井田可划分为10个含水层,自下往上依次为奥陶系灰岩含水层 (Ⅰ);石炭系太原组大青 (Ⅱ)、小青 (Ⅲ)、伏青 (Ⅳ)、山青 (Ⅴ)、野青 (Ⅵ)灰岩含水层;二叠系山西组砂岩含水层(Ⅶ)、石盒子组砂岩含水层 (Ⅷ);石千峰组砂岩含水层 (Ⅸ);第三系、第四系含水层 (X)。

根据构造分割和水文地质条件特征,峰峰矿区鼓山东划分为4种不同强度的径流区 (强径流区、弱径流区、半停滞区、停滞区),梧桐庄煤矿矿井位于鼓山东侧南端停滞区,奥陶系灰岩为煤系基盘,总厚度约600 m,并为井田主要含水层及各含水层的总补给源。在基本封闭的地垒块段,天然条件下奥陶系灰岩含水层及煤系含水层基本处于停滞状态。深层地下水为煤系地层含水层和奥陶系灰岩含水层水,由于受井田边界断层的阻水和上覆隔水层的封闭作用,补给径流排泄条件较差,相对滞流,与地表水系和浅层地下水基本无水力联系。而在断裂破碎带、褶曲轴部等部位岩溶和裂隙较发育,富水性较好,并具有明显的不均一性。井田勘探资料显示,奥陶系灰岩含水层分布面积广、厚度大、水压高、富水性强、导水通道发育,单位涌水量为1.258～6.438 L/(s·m),对矿井生产构成严重威胁。

2.2 矿井水控制

梧桐庄煤矿182104工作面存在多处导水通道或薄弱地带,又有多条小断层,煤层开采过程中,存在卸荷作用,在地压和水压联合作用下,造成底板突水事故难以避免。通过试验研究和理论分析,对综合探测出的大煤底板至野青灰岩含水层的含水裂隙薄弱带进行预注浆加固,并进行疏水降压。通过对182104工作面中段底板陷落柱和导水异常区的注浆治理加固工程,该段野青灰岩含水层由中等富水层改造为弱含水层,矿井涌水量由最大时的1850 m3/h减少至270 m3/h,封水效果85%;工作面底板岩层稳定性进一步加强,隔水层底板承受的水压力明显减小,使得工作面中段钻孔的野青水压已从注浆前的1.8 MPa降至1.29 MPa。

3 矿井水处理和利用

梧桐庄煤矿矿井涌水主要源自奥陶系灰岩含水层水,补给径流排泄条件较差,相对滞流,在长期水岩相互作用下,形成高矿化度、高硬度水质;并且矿井涌水在流经采煤工作面和巷道时,由于带入大量煤粉和岩粉等悬浮颗粒而具有高悬浮物的特性;此外,由于矿工生产、生活活动的影响,还使矿井水含有较多的细菌。该矿矿井涌水量为1100 m3/h,原水水质如表1所示。

表1 矿井水原水水质

经过对矿井水处理试验和理论研究,确定矿井水处理工艺,如图1所示。为了降低能耗,矿井水处理工艺分为井下处理工艺和井上处理工艺两部分。

矿井原水经过井下混凝、沉淀、石英砂过滤技术处理后,其中200 m3/h的矿井水可用于矿井井下消防、防尘等生产用水,而900 m3/h的矿井水用泵打到井上进行处理,经过滤、反渗透技术处理后有125 m3/h的矿井水可以达到生活用水的水质要求,其余矿井水经井上处理工艺活性炭吸附和ClO2消毒后,可以达到地下水回灌的水质要求,回灌水水质不高于回灌目标含水层的水质背景值。

4 矿井水回灌

梧桐庄煤矿井田处于相对独立的水文地质单元,井田区为相对滞缓的排泄区,与地表水系和浅层地下水基本无水力联系,主要通过深部奥陶系灰岩含水层与其他井田或地下水系统联系,并且联系微弱,仅在井田西南角边界接受深层奥灰水补给,在广泛调研与技术论证的基础上,将矿井水处理后回灌至原奥陶系灰岩含水层。为此,本研究工程设计3个回灌井,单井孔深1200 m,单井最大回灌量为300 m3/h。回灌目的层为奥陶系中统马家沟灰岩,奥陶系以上地层全部以套管止水封闭,奥陶系则为祼孔以利于回灌。

图1 矿井水处理工艺

地下水回灌方法主要取决于回灌目的及回灌目标层的水文地质条件,回灌井淤堵 (塞或积)是地下水人工回灌要解决的主要问题,主要内容包括淤层的形成过程、补给效率及控制措施等。高矿化度矿井水深层地下水回灌工程目前在国际上鲜有报道。本研究根据梧桐庄矿井田水文地质条件,通过数值模拟和现场工程试验,实现了矿井水回灌工程的顺利进行。

4.1 奥灰水回灌状态下动态变化趋势模拟预测

利用数值模拟来预测人工回灌对井田奥灰水流场的影响,定量研究回灌过程中井田奥灰水与周边奥陶系地下水的水动力条件。通过建立水文地质概念模型,梧桐庄煤矿井田奥陶系岩溶地下水流可概化为非均质介质中三维承压非稳定流问题,数学模型为:

式中:Kxx、Kyy、Kzz——分别为主轴方向渗透系数;

h0(x,y,z)——奥灰水初始水头值;

h1(x,y,z,t)——奥灰含水层第一类边界上的实测水头值;

q(x,y,z,t)——奥灰含水层第二类边界上的单位面积流量;

Ω——渗流区域;

Γ1——第一类边界曲面;

Γ2——第二类边界曲面;

n——外法线方向;

w——源汇项,包括矿井涌水、越流排泄和人工回灌溉。

通过数值模拟,可以得出结论:地下水人工回灌对井田奥灰水流场有一定的影响,回灌中心附近流场变化较大,而较远的地段流场变化较小,如东边界附近、西边界附近及南部地段流场形态变化较小,整个井田流场形态依然为西高东低缓慢下降,也就是说回灌对田奥灰水流场有一定的影响,但还远没有达到改变奥灰水天然径流状态的强度。

4.2 回灌技术方案

对奥陶系灰岩含水层进行了3种方式的工程回灌试验:连续回灌试验、间断回灌与不定时回扬回灌试验、连续回灌与定时回扬回灌试验,确定了矿井水回灌的技术方案。

(1)经现场矿井水回灌试验,梧桐庄矿矿井水回灌奥陶系中统马家沟灰岩含水层,试验比较成功,回扬可以清除含水层和回灌井的堵塞问题。

(2)在矿井水回灌过程之间进行回扬,与连续回灌下进行回扬相比,能较好地恢复回灌量和回灌水位,保证回灌井比较正常地进行回灌。

(3)以回灌量水位降幅削减值作为回灌效果的评价标准,则采用回灌12 h回扬1次的方式最好,回灌量水位降幅削减值为0.224 m/kt。

5 生态环境保护

经过井下和地面双级联合处理后的矿井水,除部分作为井下生产供水和地面洒水外,剩余全部回灌地下。这既回补了矿区地下含水层,保护了水资源,也不会造成对水环境和生态环境的污染,确保了煤矿的绿色开采,实现了矿井水的零排放,保护了矿区周边地区的生态环境,促进了当地生态经济的可持续发展。

6 五位一体优化管理

将矿井水控制、处理与利用、回灌、生态环保5个方面统筹规划,统一管理,建立梧桐庄煤矿矿井水五位一体优化管理模型,对实现煤矿安全生产、水资源需求及生态环境保护优化协调管理具有重要意义。具体的优化结合管理模型如下:

式中:Qp(i,j),Ql(i,j),Qi(i,j)——生产用水量、生活用水量、回灌水量的决策变量,m3/d;

ppi,lpi,ipi——生产、生活、回灌单位立方米的水价或水资源补偿价,元/m3;

pdi,ldi,idi——生产、生活、回灌水单位立方米排污费,元/m3;

pti,lti,iti——生产、生活、回灌水单位立方米处理费,元/m3;

C(i,j)——价格系数,均取1;

Ni——生产、生活、回灌水决策变量个数;

S(k,i),S′(k,i)——i时段附加水量;

β(k,i)——单位脉冲响应函数。

7 结论

本研究以一种全新的思维、技术理论和方法,将矿井水控制、处理、利用、回灌和生态环保五位一体优化结合。通过对梧桐庄煤矿采煤工作面陷落柱和导水异常区的注浆治理,使矿井涌水量减少1580 m3/h,封水效果达85%;对矿井水处理利用,每年节约水资源285×104m3,节约自来水费用165万元;实施矿井水回灌工程,每年可削减:悬浮物排放量4197 t;悬浮物排放量788 t;CODcr排放量394 t。将矿井水控制、处理、利用、回灌和生态环保五位一体优化相结合的策略保护了煤矿周边地区的生态环境,实现了煤矿绿色开采、可持续开采的战略目标。

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[2]武强,董东林,石占华等.华北型煤田排–供–生态环保三位一体优化结合研究 [J].中国科学 (D辑), 1999(6)

[3]Wu Qiang,Li Duo,2006,Management of karst water resources in mining area:dewatering in mines and demand forwatersupply in theDongshan Mine of Taiyuan,Shanxi Province,North China,Environmental Geology,50(8)

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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]武强,李铎.“煤–水”双资源矿井建设与开发研究[J].中国煤炭地质,2009(3)

(责任编辑 张艳华)

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

武强 (1959-),男,汉族,教授,博导,主要从事矿井防治水、水资源、数字矿山等方向研究工作。

＊煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题、国家自然科学基金 (40572149、40772162)、国家重点基础研究发展计划 (973)项目 (2006CB202205)和“十一五”国家科技支撑项目 (2007BAK24B01,2006BAB16B04)联合资助。