蒙陕深部矿区强富水顶板水害防控与综合利用技术

张玉军，刘毅涛，宁石杰，郭中权

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院,北京 100013；3.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300；4.中国煤炭科工集团 杭州环保研究院，浙江 杭州 311201)

蒙陕深部矿区经过近十年的大力开发，目前正逐步向深部发展。该矿区煤层埋深介于500～1000m，地表普遍为第四系风积沙和萨拉乌苏组含水层覆盖，含水丰富；白垩系含水层厚度大、富水性中等到强，且胶结程度差；煤系地层分布多层承压含水层，与煤层之间缺乏稳定隔水层。矿区已经投产的纳林河二号矿井、门克庆等矿井，首采工作面最大水量(包括采空区和钻孔探放水)达到760m3/h。同时，蒙陕深部矿区地表普遍为风积砂覆盖，生态环境脆弱，大规模的煤炭开采必然带来对环境和水资源的破坏，同时建设大型煤炭基地配套的煤化工项目往往需要大量用水，这又进一步增加了环境的负荷。因此，蒙陕深部矿区大型大水矿井均面临一个采煤、水害防治和矿井水综合利用三者之间的矛盾问题，而水害防控与水资源综合利用技术相结合则是解决这一矛盾的有效方法和途径。不仅为蒙陕深部矿区亿吨级煤炭基地开发提供技术支撑，保障矿井安全高效开采，而且也丰富了西部生态环境脆弱区绿色开采技术体系[1-3]。

我国水害防治理论历经多年的研究和实践，逐渐形成了上“三带”、三图双预测、关键层以及控水采煤等符合我国煤矿实际的理论体系。在水害防治技术实践过程中，水害的规模由小到大，采煤的条件由简单到复杂，成功地进行了各种水害类型的防治探索与实践，逐步形成了一套成熟的防治水安全开采技术体系。在水害预测预报、水害超前探测与监测预警、水害预防与治理技术方面都取得了进步[4-7]。然而，水害防治过程中不可避免地大量排放矿井水和破坏水资源。目前我国煤矿矿井水的排放量在6.1×108m3/a左右，2010年全国的矿井水利用量3.6×108m3，利用率为59%。但直接排放的大部分矿井水中含有煤粉、岩粉、细菌和其他污染物，如果不经处理将无法直接利用。近年来，我国在煤矿矿井水的综合利用方面取得了一定的成绩，但传统的矿井水处理通常都在地面进行，不仅需要将矿井水由井下通过加压提升至地面，而且在处理后仍然需要用管道向井下供水，其主要方法有：采用混凝、沉淀、过滤和杀菌工艺对矿井水进行无害化处理；对于净化后的含盐或者含低放射性的矿井水，则采用电渗析、反渗透或离子交换等技术。煤矿矿井水井下直接处理利用技术符合煤矿绿色开采的理念，目前在兖州矿区、神东矿区的个别煤矿井下已有小型的软化器，小规模尝试性地将矿井水处理后作为煤矿井下生产用水。因此，开发适合煤矿井下巷道工作环境的，能同时降低水中硬度、硫酸根和氯化物指标的综采工作面给水深度技术和处理成套设备，必将是矿井水井下综合利用的发展趋势[8-9]。

本文以纳林河二号矿井为工程背景，针对蒙陕矿区开采深度大，主采煤层受多层含水层威胁、且上覆泥岩隔水层较薄的特殊地质条件，基于覆岩破坏理论和砂岩裂隙含水层的充水规律，提出了以“控水采煤”为核心的深部水害防治关键技术；针对蒙陕矿区高矿化度矿井水质和井下工作环境的特殊性，开发了一种适合蒙陕深部矿区矿井水水质特点的、并适合井下特殊环境要求的综采工作面给水深度处理成套装备；将疏控水技术与矿井水深度处理技术相结合，实现了蒙陕深部矿区矿井水综合利用。

1 研究区概况

纳林河二号矿井采用立井式开拓，设计生产能力8.0Mt/a，为侏罗系煤系地层，井田内共有可采煤层5层，倾角 1°～ 3°，煤层埋藏深度较大，其中首采主采煤层3-1 煤埋深大于500m。地层由下而上为三叠系、侏罗系(延安组、直罗组、安定组)、白垩系和第四系，影响 3-1 煤开采的直接充水含水层为延安组承压水含水层组。含水层岩性以灰、灰白色中、粗粒砂岩为主，局部地段裂隙发育。首采31101工作面北以回风巷、南以运输巷、西以一号辅助运输巷、东以切眼为界， 工作面长240m，推进长度2100m，平均煤厚5.5m，采用一次采全厚大采高综采采煤法，工作面设计采高6m。

2 水害防控与综合利用技术的思路

水害防控与综合利用技术的思路就是以“控水采煤”技术为核心，最大限度地控制、减小矿井涌水量，确保矿井生产安全的基础上，再将有限的矿井疏排水通过井下分质、深度处理后在工作面最大化加以利用，从而实现水害防治与水资源综合利用双重作用。

所谓控水采煤技术，就是通过对覆岩破坏规律以及岩层尤其是受到采动破坏性影响的岩层的渗透性能及其变化特征的研究，并与具体的采矿条件、相应的采煤工艺和有效的技术措施相结合，来控制工作面的涌水量大小及涌水形式，以满足安全开采和经济合理双重要求的水害防控技术。掌握覆岩破坏规律并准确预计不同覆岩类型及开采条件下覆岩破坏高度是实现水体下安全采煤的关键。

3 深部水害防控技术及应用

3.1 深部高强度采动覆岩破坏规律研究

3.1.1 覆岩结构特征及类型

覆岩结构特征及类型决定着导水裂缝带的发育高度。覆岩类型的确定取决于覆岩岩性、组合、力学强度以及水理性质等。纳林河二号矿井主采3号煤层覆岩岩性以砂岩为主，平均含量在60%左右，泥岩类含量相对较少；覆岩单轴矿压强度介于16.444～55.448 MPa，平均 39.65 MPa，而且随着埋深增大岩层抗压强度降低；从其水理性质角度来看，砂岩属于弱钙质胶结，泥岩是一种水稳性很强的非膨胀型、非崩解性泥质岩。因此，整个覆岩属于以砂岩岩层为主、岩层组合为上硬下软互层，中硬覆岩类型。

3.1.2 采动影响覆岩破坏高度及特征

纳林河二号矿井为了获得覆岩破坏高度，在31101首采工作面开采后施工了1个采前孔CQ01和1个采后孔CH01，分别应用钻探取芯、钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视探测手段，取得了3-1煤覆岩开采前后裂隙发育与覆岩破坏高度实测高度，如图1～2所示。

图1 裂缝带范围钻孔取芯

图2 采动岩层钻孔电视窥视

(1)3-1煤层覆岩完整性较好，原生裂隙发育较少，且均为横向延展裂隙，未见高角度纵向裂

隙，覆岩含水层的层间导水性较差，是实现复合水体下安全开采的有利条件。

(2)实测得到导水裂缝带高度为103.23m，3-1煤层采厚约6.0m，裂采比为17.21倍。由于CH01钻孔距离断层较近，实测的导水裂缝带发育高度已经受到断裂构造的影响使得覆岩破坏高度较正常地质条件下有所增加。

3.2 顶板裂隙砂岩含水层充水规律分析

3.2.1 顶板富水含水层采动影响程度分析

根据首采工作面实测覆岩破坏高度，在31101首采工作面开采范围内，影响3-1煤开采的直接充水含水层为煤系地层延安组含水层组，部分区域直罗组含水层也可能通过采动裂隙对工作面充水。该矿于2014年8月27日31101工作面开始试生产。MDBS1，MDBS2和MDBS4为井田范围内的水位长观孔，观测层位均为安定组和直罗组含水层，MDBS1钻孔距离31101工作面回风巷仅60m，距离开切眼1400m；MDBS2钻孔距离31101工作面回风巷约800m，距离开切眼约1800m。图3所示为31101工作面回采与涌水量、长观钻孔水位变化关系，随着回采面积的增大，采空区涌水量经历逐渐增大-稳定，MDBS1和MDBS2钻孔水位也经历下降-稳定。由此可见，采动影响在局部已经波及到直罗组含水层。

图3 31101工作面回采与涌水量、长观钻孔水位变化相关性

3.2.2 顶板裂隙砂岩含水层充水特征分析

裂隙砂岩含水层的充水特征取决于含水层的岩性、岩层组合结构、构造发育、以及采动影响程度等。通过首采工作面顶板砂岩含水层物探、放水试验、首采工作面疏放水，结合砂岩含(隔)水层的结构特征，确定蒙陕深部矿区砂岩裂隙含水层的充水规律为：

(1)从顶板砂岩含水层物理探测分析，延安组顶板砂岩含水层的连续性差，含水层分布具有明显的不均一性，且在平面和垂向上水力联系差，但局部富水性较好。

(2)通过对顶板延安组砂岩含水层放水试验可以得知延安组含水层具有如下特点：在构造裂隙发育的地段不排除含水层具有一定的富水性，局部而言含水层内水力联系较为通畅，地下水补给较为充沛，随着放水时间的推移，水量呈现衰减的趋势。

(3)从覆岩含隔水层空间分布特征分析来看：矿井充水水源主要是煤层顶板100m范围内的含水层，泥砂岩交互沉积，与上部含水层之间水力联系不密切，这为实现工作面的安全开采提供了有利条件。

(4)从岩层组合结构特征来看，煤层直接顶板基本为泥岩隔水层，可以抑制导水裂缝带发育高度，减小上部含水层对工作面的充水影响，为实现工作面的安全开采提供有利条件。

3.3 深部水害防控技术方案

根据首采区的具体条件、3-1 煤层顶板含水层的赋存状态与富水程度、3-1 煤距不同含水层的岩柱厚度，并结合3-1 煤层开采受顶板以上多层含水层水威胁的特点，基于覆岩破坏规律以及砂岩裂隙含水层的充水规律，提出蒙陕深部矿区“控水采煤”的水害防治技术。其目的就是通过采前预先疏放静储量，降低回采期间的涌水压力，避免工作面瞬间涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范围内。具体方案为：

(1)对于延安组含水层采取“钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、先疏后采与边疏边采相结合”的方案。

(2)对于直罗组底部砂岩含水层采取“边回采边疏降”的方案。

4 矿井水综合利用技术方案

4.1 矿井涌水量与供水关系分析

根据上述3-1煤开采对上覆含水层的影响范围和程度，在首采工作面回采前采用“大井法”对涌水量进行了预计。计算得到导水裂缝带只波及到延安组含水层，其对首采工作面充水的最大涌水量为395m3/h；如果导水裂缝带局部波及到直罗组，预计得到直罗组含水层对首采工作面充水的最大涌水量为53m3/h；首采工作面总涌水量为448m3/h。同时，由图3可知，截止2016年10月，31101工作面累计推进709m，工作面采空区涌水量最大为509.3m3/h，平均为411.3 m3/h。而根据矿井设计，矿井及选煤厂工业场地的一般生产、生活总用水量为9880.7m3/d。也就是说矿井涌水量如果能够充分利用的话，正好可以满足矿井生产、生活用水。

4.2 矿井水综合利用方案

根据上述排供水量关系、供用水量平衡分析以及处理工艺的选择，确定矿井水的综合利用方案为：以井下疏排水和生产过程中的涌水为水源，通过井下深度处理后，其出水一部分作为井下综采工作面乳化液用水，另一部分作为地面甲醇、烯烃及尿素等煤化工企业的生产用水的补充水源。其中综采工作面主要用水为设备冷却水、喷雾降尘用水及乳化液配制用水。

4.3 综采工作面深度处理工艺

目前，能够去除水中溶解性固体，降低离子含量的水处理技术主要有药剂法、离子交换法、蒸馏法、电渗析法和反渗透法等。反渗透技术利用压力作用将盐份与水分离，具有设备简单、集成度高、适应范围广的特点，是唯一可以在井下应用的水脱盐处理技术。而影响反渗透正常运行的主要污染物为净化处理加入PAC，PAM后未过滤完全的微小絮体，砂、黏泥，输水管道、泵阀产生的锈蚀等颗粒物质，油脂、细菌等有机污染物，以及含量过高的硫酸盐、碳酸盐、二氧化硅等物质。

本文通过预处理单元工艺试验、离子去除单元工艺试验和防结垢技术等试验，确定反渗透作为纳林河二号井井下工作面用水深度处理工艺。

4.4 井下综采工作面给水深度处理工业试验

通过上述分步试验研究，确定井下处理装置采用50um +20um +10um的组合过滤三级预处理方案，包括压力调节单元、悬浮物去除单元及离子去除单元(如图4所示)。工业性试验结果表明(表1)，出水水质能够满足配乳化液用水(TDS≤800mg/L)的要求，研发的配制乳化液用水处理站出水水质稳定、可靠，水处理站的使用大大减少了水中杂质的含量，减少了液压支架冒液、窜液现象的发生。确定的预处理单元(三级悬浮物过滤)+离子去除单元的处理工艺是适合煤矿综采工作面给水处理要求的合适技术，水处理实际成本为1.35元/t。

A1,A2，B1-MK-FB系列过滤器单元组件；C1-MK-FC系列过滤器单元组件；D1-离子去除单元组件图4 成套装备工艺流程

水质指标Na+ /(mg·L-1)Mg2+ /(mg·L-1)Ca2+ /(mg·L-1)CO2-3 /(mg·L-1)HCO-3 /(mg·L-1)Cl- /(mg·L-1)SO2-4 /(mg·L-1)TDS /(mg·L-1)pH进水2870.0053.00340.002.53160.00353.006079.009903.757.70出水152.511.117.010.0221.8482.98212.82484.047.04

5 结束语

(1)针对蒙陕矿区开采深度大，主采煤层受多层富水含水层威胁的特殊地质条件，研究实测获得深部厚煤层一次采全高高强度开采覆岩破坏规律，并基于覆岩破坏理论和砂岩裂隙含水层的充水规律，提出了复合水体下以“控水采煤”为核心的深部水害防治技术。并在纳林河二号矿井首采工作面成功应用，工作面最大涌水量330m3/h，实现了工作面的安全回采。

(2)针对纳林河二号矿井高含盐量、高硫酸盐、高硬度的水质特征，通过预处理单元工艺试验、离子去除单元工艺试验和防结垢技术等试验，确定反渗透作为纳林河二号井井下工作面用水深度处理工艺。工业性试验结果表明出水水质能够满足配乳化液用水的要求。

(3)提出以蒙陕矿区井下水为水源，先利用老空区对矿井水进行沉淀、过滤、吸附预处理，然后通过井下深度处理后，其出水一部分作为井下综采工作面乳化液用水，另一部分作为地面甲醇、烯烃及尿素等煤化工企业的生产用水的补充水源的矿井水综合利用方案。

(4)研究成果将为蒙陕矿区亿吨级煤炭基地开发提供技术支撑，从而保障矿井安全高效绿色开采。