崇义县铅厂镇锯板坑煤矿采空区水库水资源循环利用技术

彭丹丹

（赣州市天鹰水利水电规划设计有限公司，江西 赣州 341000）

利用采空区修建地下水库，可基于“导储用”水循环利用技术将漏失水资源以及生产污水重新过滤、净化，让水资源的利用价值得到再生，达到循环利用的目的。基于地下水库的水资源循环利用技术，真正做到了矿井水不外排，既解决了水污染问题和水害问题，同时还能节约用水费用，创造可观的经济效益。当然，在应用地下水库“导储用”水循环利用技术时，像地下水库的选址与建设，污水回灌与清水取用的管路布置等，也都是需要关注的技术要点。只有熟练掌握该技术的应用要点，才能在保证矿区作业安全的前提下，切实发挥节水和环保效益。

1 项目概况及水库水资源利用现状

崇义县铅厂镇锯板坑小煤矿的矿区面积为5054 m2，可采深度范围+650 m～+450 m，可采储量631.2 kt，可采煤层2 层，可采煤层总厚度1.75 m，采煤方法为走向长壁法。该矿区的开采时间较早，目前已经出现大量采空区。由于煤矿层埋藏较浅，开采面积较大，对矿区及周边相邻地区的水资源系统造成了不同程度的影响。从矿区的地质勘察结果来看，一部分矿井水积存在采空区内，改变了地表水与地下水的转化关系，使得地表水的入渗速度明显加快，如果能够将这部分地下水资源重新利用起来，作为矿区的生产或生活用水，不仅能够达到节约用水的环保效果，而且还能降低企业的运营成本。矿区每年产生的生活废水约385 m3，这些废水由矿区周边村民定期清运，主要用于农田的施肥灌溉。

2 采空区水库水资源循环利用技术

2.1 地下水库的选址与建设

提前开展矿区水文地质和矿井涌水情况的调查，为采空区地下水库的建设提供必要的依据。水文地质勘探主要是查明该矿区的地层岩性、地质结构、水体埋藏与分布情况，以及地下水的补给方式、外排条件等；矿井涌水分析则是明确地下水库建成后水的来源，尤其要准确计算用水量，以确定地下涌水能否满足矿井生产、生活用水的需要。在做好上述调查的前提下，合理规划地下水库的位置。本项目中建设的地下水库是在原有煤柱坝体的基础上，再修建人工坝体，使两者结合围城一个封闭的采空区空间[1］。其中，煤柱坝体为综采面回踩后预留的大巷保护煤柱，其宽度在40 m～100 m 不等，抗压强度可以达到20 MPa；人工坝体是用混凝土在综采面顺槽口浇筑而成，最大承载水位可达55 m。

该矿区有2 个煤层，层间距为160 m；现阶段A 煤层已经全部采完，利用形成的3 个采空区分别建成了3 个地下水库；B 煤层建成了2 个循环水利用硐室。在两个煤层之间使用钻机布置了若干个钻孔，将其连通，保证清水可以通过钻孔管道在重力作用下自然流动，使上方煤层的水流入下方煤层，以供井下生产使用。两个煤层产生的污水，均通过5 个注水点实现回灌，最终在A 煤层的采空区汇集，从而形成了一个比较完整的地下水库系统，达到水资源循环利用的效果。已建成的3 个地下水库，最大储水能力分别为608.4 万m3、340.3 万m3、644.6 万m3。

2.2 地下水库污水回灌管路的布置

地下水库的所有管路均遵循“污水从高向低回灌，清水从低到高取用”的原则布置。在污水回灌管路的布置中，要求尽量将污水回灌点布置在标高偏高处（超出标高1.0 m～1.5 m），这样设置的目的是利用采空区矸石的吸附作用进一步提升污水的净化效果。考虑到矿区井下采空区有多个污水源，需要在靠近地下水库的一侧布置一个集水仓，将所有污水集中收集后再统一回灌。而集水仓则能起到初次沉淀的功能，避免污水回灌中堵塞管路的情况。在该项目中，采用泵排的方式，将A 煤层和B 煤层的污水全部回灌到A 煤层采空区地势较高的地方，在污水渗流的过程中实现自然净化，净化后的水即可实现重复利用。

在A 煤层上共设有5 处污水回灌点，其中1#和2#回灌点通过垂直钻孔的方式，可以回灌B 煤层污水；在1#回灌点处，共设计有6 个长度为150 m、直径为70 mm 的注水孔。在B 煤层的硐室内安装一台MDA330 型排水泵，每天可回灌污水1730 m3。在2#回灌点处，共设计有4 个长度为120 m、直径为200 mm 的水平钻孔，可用于B 煤层污水回灌，每天可回灌污水约4500 m3。其他的3 个污水回灌点主要用于回灌A 煤层的积水。

2.3 地下水库清水取用管路的布置

如上文所述，地下水库的清水取用点要布置在标高的偏低处（低于标高1.0 m～1.5 m），其目的是利用清水自身的水压向下流淌，从而省略了加压泵，降低成本。从地下水库中抽取的清水，可重新用作矿区的生产、生活用水，例如喷雾除尘、设备冷却、地面绿化、橡胶坝补水等[2］。根据用水目的和供水方式的不同，清水取用管路的布置形式率有差异。

对于矿井的生产供水，采用的是自流供水模式。在地下水库附近垂直钻孔，孔深大约160 m，利用自然压差（约1.5 MPa）使清水自然流出，能够满足喷雾降尘和井下消防用水的水压要求。对于地面生产和生活用水，采用的是泵排供水模式，地面清水用途及供水量见表1。

表1 地面清水使用统计表

2.4 地下水库监测监控系统的设计

地下水库要承受土压、水压，以及矿区开采扰动，因此保证地下水库的结构安全十分重要。本项目中，在修建地下水库的同时应用了安全监测技术，分别对水库坝体的变形情况、渗流情况、局部应力等进行动态监测，一旦监测到的数据达到了设定的安全阈值，则自动进行预警，提醒相关人员查明问题并作出处理[3］。本项目中设计使用的地下水库监测监控系统见图1。

图1 地下水库安全监控系统示意图

如图1所示，该安全监控系统的前端设备有微震解调仪、光栅解调仪、水质分析仪等，可以实现对地下水库坝体应力、变形、振动、水质等多项内容的动态监测。所得监测数据通过井下同一网络上传至地面监控站，经过计算机分析后得出相应的结论，方便地面工作人员随时了解地下水库的各项情况。

水质分析仪每2 小时反馈一次数据，包括地下水库储水的pH、浊度、温度、电导率等；井下配备5 台高清摄像仪，实时记录现场画面；微震解调仪、光栅解调仪安装在水库坝体上，除了可以实时采集水库坝体的应力、变形量等参数外，还会自动将实测值与安全值进行对比。例如，位于坝体上的某表面式应变计设定的安全值为±100με，如果实测应变值超过该阈值，则系统会自动报警。

3 崇义县铅厂镇锯板坑小煤矿采空区水库水资源循环利用效果

3.1 经济效益分析

崇义县铅厂镇锯板坑小煤矿开采中，曾尝试修建地面储水池实现水资源的循环利用，但是从实际应用效果来看，由于地面储水池的占地面积大、水分蒸发快等弊端，运营成本难以达到预期。相比之下，利用矿区井下采空区修建地下水库，则不占用地面空间，水分蒸发量小，并且可利用地下渗流净化污水，具有建设成本低、水质好等优势。除此之外，从本次项目的地下水库建设与应用效果来看，地下水库还能解决矿井的“水害”问题，真正做到了变废为宝，兼顾了生态效益和经济效益。地下水库的建设费用、运行费用以及产生的经济效益统计见表2。

表2 地下水库经济效益分析

结合表2，地下水库的一次性建设费用为710 万元，投入运行1 年所产生的的花费为418 万元，每年可节约的费用为5628 万元。除去建设成本，每年可节约费用5210 万元。

3.2 地下水库建设经验

结合本次煤矿井下采空区地下水库建设项目，总结出以下几条地下水库建设经验：

（1）在矿藏采掘过程中需要同时进行地下水库的设计，在开展深入实地调研，全面掌握矿区水文地质结构的前提下，提前规划好地下水库的所在位置、大体规模，为下一步的施工建设提供依据。

（2）建设地下水库时，尽量利用矿区井下采空区这类便利条件，既可以降低项目成本，同时还能加快进度，以便于水库早日建成并投入使用。在一些岩层裂隙发育比较严重，或者是降水、地下水比较丰富的地区，利用采空区建设地下水库，还能将“水害”变为“水利”。

（3）充分利用“水往低处流”的自然规律，同时结合土壤渗流对污水的净化作用，减少对吸水泵的使用，既可以降低成本，又能保证污水净化后的水质满足使用要求。

（4）根据前期调查结果，所有与地下水库连通的巷道，都要进行封闭。位于地下水库最高水位标高以下的人工坝体，也要采取特殊措施进行加固，并通过浇筑混凝土的方式提高其防渗效果，防止发生水灾事故。

（5）由于地下水库的位置比较特殊，加上受力较为复杂，因此需要利用传感器、通信设备、计算机等构建安全监测系统，密切关注地下水库的应力、变形、渗漏等情况，一旦发生异常情况立即采取相应的处理措施，确保地下水库的使用安全。

4 结语

崇义县铅厂镇锯板坑小煤矿项目投产以后，由于连续的高强度开采对地层造成了比较严重的破坏，水资源的漏失现象较为明显。为了缓解矿区开发与生态保护的矛盾，同时也是进一步降低矿区作业的用水成本，提出了利用矿区井下采空区修建地下水库，然后将净化后的污水重新利用的方案。基于地下水库“导储用”水循环利用原理，将矿藏开采引起的漏失水资源储存在采空区的地下水库中，将井下作业产生的污水也回灌到地下水库中，最后经过矸石过滤、吸附和净化，使上层清水重新用于地面绿化、井下除尘，达到了理想的水资源循环利用效果。