矿井废水回灌工程试验研究

李世峰，高文婷，牛永强，王屹

(1.河北工程大学资源学院，河北邯郸056038;2.河北省资源勘查重点实验室，河北 邯郸056038;3.冀中能源峰峰集团梧桐庄矿，河北邯郸056000)

梧桐庄煤矿是一个现代化大水矿井，矿井水水质具有以含煤粉为主的高悬浮物特征和Ca2+、Mg2+离子含量较高的高矿化度特征，含盐量严重超标，灌溉农田会对土壤和农作物产生不利影响。对于高矿化度矿井水，目前国内应用广泛的方法是脱盐法，而该矿矿井水浓度太高，脱盐处理成本太大，经济上不合理。因此，提出将处理后的矿井废水向煤系地层下覆奥陶系含水层回灌技术方案，该方案在全国同行业中尚属首例。处理后的矿井废水能否顺利回灌到含水层，以及含水层是否会发生堵塞，都要通过对回灌工程进行试验研究来解决。

1 矿井水回灌背景条件

1.1 井田地质与含水层水文地质特征

梧桐庄井田位于峰峰矿区的南部，鼓山断裂隆起的南部倾伏端。井田的东西两侧的地层由于断层的切割相对下降而使井田基岩地层抬起，呈一近似的三角形地垒块段，井田内地层总体走向北东，倾向南东，倾角一般15°左右。井田地质构造以NNE向为主，NWW向为辅。该矿为一掩盖区，地层由老至新为奥陶系、石炭系、二叠系及新生界。煤系基底为奥陶系灰岩(简称奥灰)，厚度约600 m，岩溶裂隙发育，单位涌水量为1.258～6.438 L/som，富水性强［1]。奥灰含水层的水质类型为 Cl·SO4－ Na·Ca或 Cl·SO4－ Ca·Na型水，矿化度为 5.2 ～5.7 g/L，pH 值为 7.5 ～7.6，rNa/rCl=0.8，反映出封闭构造内的水交替停滞状态的水化学特征［2]。含水层厚度大，介质岩性渗透系数高，透水能力强，补给条件好，比较适合于地下水人工补给，具备回灌、存贮高矿化度水的基本地质构造条件［3]。并且回灌量总是小于矿井排水量。因此，回灌时，该水文地质单元仍是被补给单元，不会补给相邻水文地质单元，即相邻水文地质单元水质不会受到影响。

1.2 矿井废水水质及对含水层的影响

矿井废水是指因开采煤炭资源而抽排的地下水及矿井涌水的总称，水质类型为Cl·SO4－Na·Ca型水，矿化度5.356 g/L，水温高达43℃，与奥灰含水层的水质类型相同，矿化度值接近，且水温一致，说明矿井排水的主要水源来自奥灰水补给。因此，将排出的废水再通过一定的装置回灌到含水层，使得奥灰水质不会发生大的改变。

2 矿井水回灌工程试验

2.1 回灌方法

在矿井水处理厂附近，施工1口回灌井进行回灌工程试验研究，单井孔深1 200 m，回灌目的层为奥陶系中统马家沟组灰岩，奥陶系以上地层全部用套管止水封闭，奥陶系用祼孔有利于回灌和节省费用。单井回灌量为258.4 m3/h，利用地面标高与奥灰含水层水位标高差(100 m)，将经过净化的矿井水回灌至奥灰含水层中储存起来。在井田内部及周边利用已有的观测孔进行水位观测。

2.2 连续回灌试验

自2004年10月16日至20日连续五天对矿井处理水进行首次连续回灌试验［4]，回灌水位－96.5 m(回灌前的静水位为－102 m)，初始回灌量为258 t/h，回灌结束时回灌量约230 t/h，五天回灌总量约28 000 t。连续回灌期间，对回灌量、回灌水位、水位变化等基本数据见表1所示，结果见图1。

表1 连续回灌试验监测数据Tab.1 The monitoring data of continuous recharge test

由表1和图1可以看出，采取连续回灌方式对矿井水进行回灌，随着回灌时间的增长，回灌量会逐渐减小，在10月18日之后趋于平缓，到10月20日回灌量为236 t/h;而单位回灌量由10月16日的46.82 t/h.m 减小至10月20日的37.63 t/h.m，同回灌量一样，也是在10月18日之后趋于平缓。回灌水位在矿井水回灌期间基本维持在－96 m左右，正负误差在±0.5 m范围之内，即回灌水位基本为常数。

回灌效率表示了回灌过程中回灌效能，表1数据显示回灌效率由10月16日的62.4%减小至10月20日的50.2%，回灌效率有一定程度的减小，说明回灌过程中所存在的一定程度的堵塞现象，同时也说明回灌目的层介质渗透性比较大，比较适合回灌。

2.3 间断回灌与不定时回扬回灌试验

为了清除堵塞含水层和回灌井的杂质，在进行回灌时必须进行回扬。间断回灌与不定时回扬能够减轻回灌井的堵塞问题，提高回灌效率。为此，自2004年10月25日进行以间断回灌与不定时回扬方式进行矿井水回灌试验。回灌采用间断进行的方式，每回灌4 h，停灌20或30 min，反复进行;回扬则不定时进行，共4次，步骤如下:

第一次是回灌前的洗井，回扬前静水位－102 m，回扬时动水位－117 m。第二次在回灌28 h(包括间歇时间)后回扬，先扬水15 min，接着停15 min，如此进行2回。第三次在继续回灌20 h(包括间歇时间)后回扬，先扬水10 min，接着停10 min，如此进行3回。第四次是在停灌后回扬，此时测得静水位－101 m，回扬的动水位为－118 m。回灌试验监测数据如表2所示。

本次试验回灌进行总时间65 h，除去停灌时间和回扬时间，实灌56 h时，总回灌量约14 600 m3，扬水量792 m3，为回灌量的5.42%。试验结果如图2所示。

由图2可以看出:1)在每段回灌时间内，回灌量都逐渐减小，回灌水位则逐渐上升。而经过20 min或30 min的停灌以后，重新回灌时的回灌量总比前次回灌末期的回灌量略增0.5 m3～1.0 m3，回灌水位则稍下降0.2 m ～1.0 m。

2)从各个回灌时段的总趋势来看，在每次回扬之前，回灌量和单位回灌量都是不断减小的，而回灌水位则是不断上升的。如在第二次回扬前的28 h内，单位回灌量从59.23 m3/h·m 下降到38.04 m3/h·m;第三次回扬前的20 h内，单位回灌量从49.43 m3/h·m 下降到35.51 t/h·m;第四次回扬前的12 h内，单位回灌量从49.33 m3/h·m下降到36.06 m3/h·m。

3)不定期回扬能增加回灌量，降低回灌水位，如经过第二次回扬后，单位回灌量从38.04 m3/h·m增加为49.43 m3/h·m;经第三次回扬后，单位回灌量从35.51 m3/h·m 增加为49.33 m3/h·m。

4)用此种回灌与回扬方式而引起的回灌前后水位降幅削减值为8 m，由此求得的回灌量水位降幅削减值为0.548×10－3 m/m3，回灌水位降幅削减值为 0.143 m/h。

2.4 连续回灌与定时回扬回灌试验

自2004年11月1日进行以连续回灌与定时回扬方式进行矿井水回灌试验，考察连续回灌时间24 h、回扬和连续回灌时间12 h回扬两种方式。

1)连续回灌12 h，回扬一次。每次回扬先扬水5 min，接着停5 min，如此进行三遍。回灌共进行了5次。回灌试验监测数据如表3所示。

从图3看出，连续回灌的12 h定时回扬方式，回扬频率相对频繁，但回灌量衰减速率和回灌水位上升速率均较其它两种方式慢，回灌效率相对较高。其原因在于回灌层和回灌井还没有完全堵塞，即被回扬所清除，使单位回灌量得以提高。

本次试验的实际回灌时间58 h，总回灌量15 000 m3，回灌前后相比，其回灌量水位降幅削减值为 0.224 m × 10－3/m3，回灌水位降深削减值为0.058 m/h(见表 4)。

2)连续回灌24 h左右，回扬一次。每次回扬先扬水10 min，接着停10 min，如此进行三遍。试验的实际回灌时间93 h，总回灌量23 900 m3，回灌前测得静水位 －101.0 m，动水位 －119.5 m;回灌后测得静水位 －99.2 m，动水位 －119.2 m，回灌前后相比，其回灌量水位降幅削减值为0.439×10－3m/m3，回灌水位降深削减值为 0.113 m/h。

3 回灌工程试验评价

3.1 对水文地质条件的影响

梧桐庄矿矿井水回灌目的层为奥陶系中统马家沟组灰岩，该含水层厚度大，介质岩性渗透系数高，透水能力强，补给条件好，比较适合于地下水人工补给，具备回灌、存贮高矿化度水的基本地质构造条件，并且回灌量总是小于矿井排水量。因此，在回灌状态下，该水文地质单元对于相邻含水层而言仍是被补给单元，不会补给相邻水文地质单元，即相邻水文地质单元的水质不会受到影响。

3.2 回灌水水质对含水层的影响

矿井水回灌对回灌水水质的要求是既不能污染地下水水源，也不能使回灌井或回灌目的含水层堵塞［5－6]。

根据回灌水质的要求，结合梧桐庄矿井水水质特点及回灌目的层，本研究提出梧桐庄矿井水进行地下水回灌的水质要求为不高于饮用水对有机指标和浊度的要求，即耗氧量小于3 mg/L，浊度不大于 5°。

首先对原矿井水进行混凝反应，然后经斜板沉淀，再经石英砂过滤，最后投加二氧化氯消毒，这样既可有效杀灭微生物，杜绝其大量繁殖堵塞回灌井的可能性，又可氧化矿井水中的微量有机物，避免地下水受到污染。即处理后的水质完全满足回灌水水质的要求［7－8]。

表2 间断回灌与不定时回扬试验监测数据Tab.2 The monitoring data of discontinuous rechargeand recharge test about redelivery without time

表3 连续回灌与定时回扬试验监测数据Tab.3 The monitoring data of continuous recharge and timing recharge test about redelivery

表4 水位降幅削减值计算表Tab.4 The calculation table of reduction value of decreasing range about water level

3.3 回灌工程方案评价

矿井水回灌包括回灌量的确定和回灌方式的选择，因此，矿井水回灌工程方案应该对两个方面进行可行性评价。

1)回灌量可行性评价:2003年以来，梧桐庄矿矿井涌水量逐年下降，目前稳定值为400 m3/h～450 m3/h。从模型预测结果看［9]，以 450 m3/h 的速度回灌8～10年，奥灰水的流场不会产生显著变化。若矿井排水67%来自奥灰水，边界水位上升幅度0.3 m～1.2 m之间;若矿井排水80%来自奥灰水，边界水位上升0.2 m ～0.75 m，完全不会改变井田奥灰水与井田周边奥陶系地下水的补给关系，井田水动力条件也不会产生明显的变化。

回灌状态下，其它含水层仍在补给井田区，但补给量已减少，说明回灌能有效的节省地下水资源。回灌后，井田外围区的地下水水质也并没有受到很大的影响。从矿区水文地质条件和地质构造分析回灌是可行的。

2)回灌方式评价:梧桐庄矿井水回灌试验研究成果表明，在回灌期间进行回扬可以减轻含水层和回灌井的堵塞，使回灌量和回灌水位得到较好的恢复，确保回灌井正常回灌;以回灌量水位降幅削减值作为回灌效果的评价标准，则最好采用每回灌12 h回扬一次的方式。矿井水回灌奥灰含水层试验比较成功，证明矿井水回灌工程方案可行。

4 结语

地下水人工补给成功的必要前提是所补给的含水层要具有足够的厚度和透水性，并且回灌水的水质要符合要求。通过对梧桐庄矿井田地质构造、水文地质条件、处理水水质和回灌工程方案等方面研究，该矿矿井水经处理后回灌于奥陶系中统马家沟组灰岩含水层，回灌工艺方案正确，技术路线切实可行，效果良好，目前正在建立二期回灌工程。该项目的实施无疑为矿井废水处理找到了一条较好的出路，同时也为含水层保护方案、防止水源枯竭及地面沉降奠定了基础。

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