煤矿矿井水井下再利用新技术及工程应用

陈团团

(中煤科工集团 武汉设计研究院有限公司，湖北　武汉　430064)



·试验研究·

煤矿矿井水井下再利用新技术及工程应用

陈团团

(中煤科工集团 武汉设计研究院有限公司，湖北武汉430064)

摘要结合煤矿矿井水井下再利用新技术在某矿区的成功应用，总结了其应用工艺、应用条件及所应采取的安全技术措施，研究结果表明：利用防水密闭墙结构，将开采过程中产生的矿井水注入采空区，进行沉淀、过滤、储存作为矿井生产生活水源，提高了矿井水利用率，解决了矿井水供水和污水外排问题,取得了良好的环境、经济及社会效益，为其它有条件的矿区及矿井井下采空区的储水再利用的安全实施提供了参考。

关键词矿井水；再利用；采空区；工艺流程；防水密闭墙

在煤炭资源开采过程中，矿井水水害问题是许多矿井面临的危害之一，尤其对我国华北地区石炭二叠纪煤田岩溶-裂隙水水害区及华南晚二叠纪煤田岩溶水水害区，随着矿井开采深度的增加，矿井面临的水害问题日趋严重。因此，采取安全、合理、可行的技术措施，合理转化与利用这部分水资源，尤其对于地处干旱少雨地区的矿区而言，可有效缓解生产、建设期间对水资源的需求与水资源匮乏之间的矛盾，依靠矿井自身地质条件因素，实现井下安全用水。

结合目前的生产情况，很多矿井最大限度、因地制宜地利用井下采空区自然地质特征，将生产过程中产生的矿井水注入采空区进行净化，在充分利用地下开采空间的条件下，合理处理水害资源，有效挖掘矿井内水处理的潜能，通过净化采空区矿井水，减少矿井水处理成本，实现矿井水在井下的重复利用和协调开采，提高矿井水的利用率，减少供水系统运营成本，探索出一条新的矿井水处理技术。

1矿井水井下再利用新技术研究

1.1应用工艺

矿井水井下再利用是矿井水处理的一种新工艺，根据采空区的实际地形、地质条件和处理后矿井水的用途，确定主要去除的指标，通过将矿井水注入采空区地势高处引导其自流。由于采空区的矸石具有过滤、吸附、净化矿井水的作用，水流经过滤、沉淀、吸附与离子交换和自生矿物等物理化学作用达到净化效果，在地势低处进行收集，供井上、下生产及生活使用。

以矿井水作为利用对象，通过相应排水设施自然流入集水池(水仓)中，经集水池的汇集、调节作用，经管路或穿层钻孔排入采空区中，采空区净化水再次经过井下复用水处理系统，去除Fe2+、Mn2+等指标后，供给需要用水的地点，使矿井水经处理成为净水而被利用。

矿井水井下再利用工艺流程见图1.

1.2应用条件

矿井水井下再利用过程应结合井下采空区地形、地质条件、采空区位置和工作面采动影响等诸多因素，因地制宜地进行，优先推荐在水文地质条件简单的矿井井下采空区进行。

1) 采空区地形。

图1　矿井水井下再利用工艺流程图

矿井水井下复用的采空区应具有一定的地形高差，将矿井水由采空区地势高处注入采空区，受地势高差影响，矿井水由高向低流动，在流动过程中经过采空区矸石的过滤、吸附、净化作用，最终流至采空区低处，通过设置在采空区相应巷道处密闭墙体上的排水设备设施，经沉淀净化后通过管路排至井下及井上需水地点。

2) 地质条件。

作为矿井水井下再利用的采空区，对地质构造有特殊要求，只适用于少数矿井，要求不应设置在具有构造破坏的采空区，避免由于构造错动，造成上下含水层水体溃入采空区，或储存于采空区内的水体在构造的影响下，溃入上下煤层回采工作面中，造成水害事故。

3) 采空区位置。

为确保矿井水井下储水复用的安全可靠，同时不对井下其它生产工作面造成影响，进行矿井水储水复用的采空区应选择在矿井已回采区域的下部，防止采空区内储存的水体由于各种不确定因素而危及矿井的安全生产。

4) 工作面采动影响。

回采工作面由于煤层采动，影响顶板稳定，随工作面推进，工作面压力显现，出现顶板初次来压与周期来压，顶板来压会对防水密闭墙结构及稳定性造成破坏性影响，同时，对墙体周围留设的安全煤(岩)柱造成影响，将在很大程度上影响采空区矿井水储水复用的安全稳定运行。

1.3安全技术措施

鉴于作为水害的水资源在井下就地处理的安全性考虑，为确保矿井水净化处理不对生产采区造成影响，不再造成次生灾害，在井下采空区矿井水净化过程中，应着重采取以下安全技术措施，确保水资源再利用的安全可靠：

1) 防水密闭墙结构。

防水密闭墙硐室结构主要指墙体形式、墙体与围岩之间的有机组合，包括墙体的尺寸、嵌入围岩的深度、材料、预埋管路、围岩强度等。防水密闭墙的厚度及嵌入围岩的深度等参数，应根据密闭墙墙体自身强度、围岩条件、防水煤(岩)柱、储水区水头大小等因素综合确定，防水密闭墙的结构应确保其能承受运行期间受控的安全水头高度，确保硐室的可靠性及承压能力。

防水密闭墙结构见图2.

图2　防水密闭墙结构示意图

防水密闭墙结构可根据井下“一通三防”的功能要求，在单结构平板式防水密闭墙基础上，建成复合结构墙体，复合结构基本组成形式为内侧墙体+充填层+外侧墙体形式，其中内侧墙体为单结构平板式防水密闭墙。

2) 围岩条件。

在矿井水井下再利用过程中，防水密闭墙硐室作为起关键作用的构筑物，其由墙体及围岩共同构成，其强度及稳定性取决于二者。一般而言，围岩由于其结构及强度的影响，作为该组成部分中的薄弱环节，是决定墙体强度及稳定性的关键因素，应按《煤矿防治水规定》相关要求，在墙体所布置的巷道两侧留设符合要求的安全煤(岩)柱。

该影响因素对墙体的设置位置提出较高的要求，墙体应设置在围岩完整、裂隙发育少、强度较高、不受采动影响的区域，若围岩无法达到上述要求，应采取有效的注浆等处理措施对围岩进行加固。

3) 水头高度。

在墙体结构、围岩条件等因素确定之后，储水区内的水位将沿采空区“三带”高度方向分布，合适的水位将决定进入采空区进行净化处理的水量，过高的水位将会对围岩条件提出更高的要求，影响整个系统的安全可靠性，因此，合理确定安全储水高度是非常必要的。

根据实际情况，设置水头参考指标，即限制水位线Hh，警戒水位线Hj，作为井下采空区储水净化过程中的监控指标。其中限制水位线Hh为防水密闭墙所能承受的安全水头高度，根据处于采空区储水区标高最低的防水密闭墙，结合其所能承受的安全水头高度值最终确定。实际生产过程中，影响储水区防水密闭墙功能及安全性的因素众多，为进一步确保采空区矿井水复用过程可靠、安全，在限制水位线的基础上，按照密闭墙所能承受的安全水头值的80%确定警戒水位线，即Hj=0.8×Hh，当采空区内水位标高接近警戒水位线时，生产方必须采取有效措施，控制采空区储水区供排量，使水位线低于警戒水位线Hj，减小不可控因素对采空区矿井水复用安全性的影响。

4) 监测监控系统。

为确保矿井水井下采空区再利用新技术的有效实施，在整个储水系统规划、修建完成之后，应选择合适的墙体位置，在其上安装排水管、注水管、压力表及气体检测管等设备设施(见图2)，在解决采空区矿井污水灌入，净化水排出的同时，实现对采空区储水区内水位、有毒有害气体等的监测预警，动态监测采空区内水压、水位及气体状况，必要时采取合理措施，确保矿井水井下再利用的安全可靠。

2现场实践及应用前景

2.1现场实践

某矿井水文地质条件简单，在工作面已回采稳定的采空区最低处，选择52煤层2个工作面进行矿井水井下再处理，其中2个工作面形成1个储水复用区，积水总面积131万m2，平均积水深度3.5 m，积水量约22.9万m3.

各防水密闭墙设置在顺槽及大巷联巷中，具体位置见图3.各密闭墙结构参数见表1.

图3　工作面防水密闭墙设置位置示意图

表1　墙体参数表

由于各工作面采空区为联合的矿井水复用区，在各工作面采空区周边均设置有防水安全煤(岩)柱，采空区水位线只在采空区沿“三带”高度方向分布，在相关墙体上设置监测监控系统，对采空区水位线进行监测，在保证矿井安全生产的同时，实现矿井供排相结合，经过数十年的矿井水井下再利用实践，每日外排930～3 270 m3，解决了矿井涌水的资源化处理，减少了矿井水处理成本，实现了矿井水在井下的复利用和矿井的协调开采。据了解，2013年该矿通过井下矿井水再利用，节约污水处理费125万元，节约水费530万元，节约排污费10万元，直接经济效益665万元，在解决矿井水资源再利用的同时，实现了较好的经济与社会效益。

2.2应用前景

有条件的矿井将生产过程中产生的污水、涌水资源注入采空区进行处理，作为矿区生产生活水源，通过密闭墙的隔离功能，实现矿井水净化、存储，同时确保不对生产采区的正常生产造成影响，在充分利用地下开采空间的条件下，有效挖掘矿井内水处理的潜能，经处理后的矿井水可直接作为矿井生产用水，地面简单处理后作为生活、工业和绿化用水，深度处理后为饮用水，有效解决了矿区供水和污水外排问题。

该项技术在西北地区多对矿井已成功应用，做到了矿井水的供排结合，综合利用，带来了良好的环境、经济及社会效益，对其他存在矿井水供排矛盾的煤炭基地及矿区，具有良好的示范作用及推广应用价值。

3结论

利用井下采空区做为储水复用区对矿井水处理效果明显，通过特殊的应用工艺，结合一定的应用条件，采取有效的安全技术措施，能做到井下采空区做为储水复用区进行矿井水处理与矿井水资源化的应用，并且具有良好的环境、经济及社会效益。采空区储水复用区处理矿井水，在理论上是可行的，在技术上是可以实现的，对类似水资源紧缺的矿区，具有实施的可行性，综合效益显著，在确保煤炭安全生产的同时，可有效做到矿井水供排结合，综合利用，实现水资源的可持续开发与利用模式。

参考文献

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New Technology and Engineering Application of Mine Water Reuse in Underground Goaf of Coal Mine

CHEN Tuantuan

AbstractCombines with the successful application of new technology of underground mine water reuse in a mining area, summarizes the application process, application conditions and the safety technical measures. The results show that the waterproof sealing wall structure plays an important role, and the mine water in the process of mining is injected into the goaf in where it is deposited, filtrated and stored as production and living water resourses of mining area. It improves the utilization rate of mine water resources, at the same time it is an effective solution to solve the problem of water supply and sewage outfall in mining area. The process achieves good environmental, economic and social benefits, and it can also provide reference for security implementation of water storage reuse in underground goaf of other mining area or mine equipped with conditions.

Key wordsMine water; Reuse; Goaf; Technological process; Waterproof sealing wall

中图分类号：TD745+.23

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2016)01-0033-04

作者简介：陈团团(1983—)，男，山西晋城人，2009年毕业于安徽理工大学，硕士研究生，工程师，主要从事矿井设计、矿井安全设计工作(E-mail)76221811@qq.com

收稿日期：2015-11-05