基于“深地-井下-地面”联动的煤矿矿井水处理利用模式初探

张春晖,赵桂峰,苏佩东,肖楠,张益臻,沈哲林

1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083;2.中关村至臻环保股份有限公司,北京 100070

我国是全球最大的煤炭生产国和煤炭消费国,2022 年中国煤炭原煤产量为4.56×109t,居世界第一[1]。据统计,我国煤矿开采过程中生产吨煤产生矿井水高达0.78 ～2 t[2]。目前,对于产生的矿井水,部分经分级分质处理后循环利用,其余部分则外排至地表水环境中。我国矿井水具有利用率低、弃水量大的特点,现阶段煤矿矿井水平均利用率仅为35% 左右[2]。以神府矿区、榆神矿区、榆横矿区为例, 外排水量占比分别为 35.84%、76.91%、72.71%[3]。此外,我国部分煤矿区存在实际排水量与预测水量差距较大、矿区周边缺少回用对象、矿井水水质难以满足回用要求等问题,这是导致我国现有矿井水利用率较低而外排水量较大的主要原因[4]。

矿井水是一种重要的非常规水资源。自“十二五”《矿井水利用发展规划》颁布以来,我国对矿井水资源化利用工作越来越重视。2019 年印发的《国家节水行动方案》中指出,在缺水地区要加强非常规水源利用,逐年提高包括矿井水在内的非常规水源利用比例[5]。矿井水在资源化利用前需要进行处理,以达到不同的用水标准。武强等[6]在矿井水资源化利用方面开展了大量的研究,先后提出了“排、供、环保”三位一体及“控制、处理、利用、回灌与生态环保”五位一体优化结合的矿井水资源化方式;何绪文等[7]指出,矿井水处理要协调好不同矿区、不同矿井及时间尺度上共性与个性的统一问题,总结出分质供水梯级利用、井下处理就地复用的矿井水资源化利用新模式。对矿井水资源化利用,发展矿区循环经济,是缓解我国北方地区“富煤贫水”的重要举措,也是建设绿色矿山和生态矿山的现实选择[8]。虽然近年来国内外学者(尤其是国内学者)在矿井水处理方面开展了大量研究工作,但矿井水处理一次性投资和运行成本高,尤其是对于配有深度处理并采用膜分离和浓水分盐处理的工艺,对煤矿日常运行造成沉重负担。对此,顾大钊[9]创造性地提出了以“导储用”为特征的煤矿地下水库储用矿井水理念,进行了煤矿地下水库设计、建设、运行和工程示范;此外,针对梧桐庄矿矿井水矿化度高的问题,李志明[10]依据梧桐庄矿矿井地质条件和水文条件,设计回灌工艺对矿井水进行了回灌处理。对矿井水深地回灌可以实现多余矿井水零排放处理,在一定程度上节约大量费用。

针对现有矿井水井下处理工艺选择受限、处理量小,地面处理占地面积大、运行成本高,矿井水处理后外排又会产生高额排水费的问题,本文从矿井水处理现状入手,在前期工作实践的基础上,博取各家所长,通过系统分析提出了基于“深地-井下-地面”联动的矿井水处理利用模式,为煤矿安全绿色开采、改善矿区水环境质量提供技术支撑。

1 煤矿矿井水处理技术现状

煤矿区的水环境问题主要包括煤炭开采过程中抽排出的矿井涌水、煤炭洗选废水和煤矿矿区生活污水等。随着我国环保法律法规的日趋严格和处理工艺的不断提升,煤矿洗选过程已经基本上可以做到洗水闭路循环;而矿区生活污水产生量小,经过市政生活污水处理工艺处理后,可以达到绿化、清扫等中水回用标准,实现回用。因此,煤矿区水环境问题的核心内容是如何处理和利用煤炭开采过程中抽排出的矿井涌水。

从时间维度上,煤矿矿井涌水可划分为闭矿后产生的存量老空水和煤矿生产过程中产生的新增矿井水[11]。对于老空水常用处理技术主要有物理法、化学法和生物法等[12-14]。其中,主流技术是采用地下渗透性反应墙和石灰中和处理法。近年来,太原理工大学等单位还开展了采用人工湿地、吸附法等对老空水进行深度处理的实践,均取得了良好的处理效果[15]。对于煤矿生产过程中产生的新增矿井水,通过矿井疏干,将其抽排至目标区,以便进一步处理。

从空间维度上,传统的矿井水处理首先需要把矿井水提升至地面进行处理后,部分在地面直接复用,部分返回到井下复用。该处理方式存在占地面积大,基建费用、运行成本、提升费用以及相应管路铺设费用较高等缺点,并且不可避免地造成二次污染。因此,近年来有很多科研工作者尝试把矿井水在井下就地处理后直接复用,这样不仅可以克服以上缺点,还能产生较大的经济效益、环境效益和生态效益[16]。

煤矿开采对环境的污染过程是长期的,煤矿闭坑后对地下水的污染仍在持续。针对煤矿矿井水同时具有存量和增量的问题,笔者课题组曾提出“两维一体化”煤矿矿井水处理与利用的理念[11](图1),建立了基于时间维度的煤矿矿井水“生产-闭坑”全过程污染控制技术和基于空间维度的煤矿矿井水“井下-地面”分级处理与利用技术。然而,矿井涌水经处理后,回用场地和所需水量都很有限,因此会向地表水环境外排多余的矿井水。当外排水量较大时,企业要向水务管理部门缴纳高额的排水费,从而给企业造成沉重负担,对此,需要找到更加经济有效的矿井水处理方法。

图1 “两维一体化”煤矿矿井水分级处理与高效循环利用技术体系流程[11]Fig.1 “Two-dimensional integration” graded treatment and efficient recycling of coal mine water [11]

2 “深地-井下-地面”联动矿井水处理利用模式

2.1 基本原理

随着国家“碳达峰、碳中和”目标的提出以及越来越严格的环保政策要求,亟待通过理念创新和技术创新探索新型的矿井水处理技术。针对矿井水外排费用高的特点,在充分调研矿井水处理技术和矿井水深地回灌处理的基础上,提出了基于“深地-井下-地面”联动的矿井水处理利用模式:对于煤矿矿井涌水,依据水质、水量条件和矿区实际情况选用适合的工艺进行处理后,其中一部分用于地面工业用水、农业用水、居民生活用水和矿井生产防尘洒水、设备冷却水和乳化液配置用水等,其余部分则进行回灌处理或地表排放。其整体处理利用体系和概念模型分别如图2 和图3 所示。需要说明的是,图3 只是一个概念模型,其中涉及的煤层、井下处理设备、地下水库等位置并不代表实际的布局,具体需要依据不同的煤矿特点进行合理配置。

图2 基于“深地-井下-地面”联动的矿井水处理利用体系Fig.2 “Deep ground-underground-surface ground” linkage system for mine water treatment and utilization

图3 基于“深地-井下-地面”联动的矿井水处理与利用概念模型示意图Fig.3 Conceptual model of “deep ground-underground-surface ground” linkage system for mine water treatment and utilization

在满足回灌条件的基础上,该模式可以同步实现矿井水高效低耗处理和多余矿井涌水的深地回灌处理。矿井涌水回灌前要对其进行水质、水量、水文地质和回灌含水层的地质结构等进行评估,预测其回灌后可能产生的水文地质、安全和水质方面的影响。在确保安全和回灌含水层水质不受损害的前提下,可将矿井水回灌至煤层以下含水层(深地回灌)。对于经评估后不适合深地回灌的情况,只能根据需要合理配置井下和地面矿井水处理系统,处理后多余的矿井涌水进行外排处理。采用“深地-井下-地面”联动的矿井水处理利用模式能够实现矿井涌水零排放,同时起到降低处理成本的作用。

2.2 深地回灌工程适用性分析

2.2.1 水质、水量、水文、地质、地下建筑结构评估

实现矿井水深地回灌处理,必须对水量、水质、水文、地质、地下建筑结构等进行全面勘察评估,系统掌握矿井水开发利用的历史、现状及矿井水的形成过程及地下特征、地质环境构造等。

水量的大小是决定地下水回灌成本的重要因素,矿井涌水量太小时无须进行深井回灌。

对水质的分析主要包括污染物成分分析、处理后水质分析、为达到地下水回灌水质要求必要的工艺设计分析等。

此外,还需要对当地地形、地貌、水文地质、岩层特点等进行全面分析[17-18],包括:获取目标区域地下水系统含水层特征,如勘察回灌区上覆松散层、孔隙含水层、碎屑岩裂隙及裂隙弱含水层等地层;勘察目标区域地下水补、径、排条件;勘察目标区域地层详细构造;勘察目标区域隔水层情况。

2.2.2 回灌工程可行性分析

目前国内尚无健全的矿井水回灌法律条文,也无具体标准规范,因此开展矿井水回灌的可行性分析十分必要。可行性分析包括以下四方面[19-21]。

2.2.2.1 水文地质条件的可行性

对目标回灌区含水层分析,包括含水层厚度和承压情况、含水岩层组成特点、矿井涌水来源等。预测在实际回灌过程中,地质单元会发生怎样的变化,是否会对当地地下水量补给造成不利影响(主要涉及水质污染和水质安全问题),是否会对相邻水文地质单元造成破坏(主要是针对钻井过程中产生的岩层破坏现象)。此外,还需要根据具体工程情况确定回灌含水层的储水能力、渗透性、边界条件、与其他含水层间的水力联系、回灌后是否会导致顶底板突水威胁[22]等,只有这些条件都具备的情况下,才能说明当地的水文地质条件满足回灌要求。

2.2.2.2 回灌水质的可行性

矿井水井下安全回灌对水质的最基本要求是回灌后不会引起地下水水质恶化。各国普遍有地方或行业的井下安全回灌水质标准,我国早在2005 年就出台了《城市污水再生利用地下水回灌水质:GB/T 19772—2005》标准。在实践过程中,矿井水井下安全回灌的水质要求往往取决于地下水的用途及水质状况、人工回灌方式和地下水埋藏条件等因素。可以考虑处理后的矿井水首先达到《地表水环境质量标准:GB 3838—2002》Ⅲ类水体和《地下水质量标准:GB/T 14848—2017》,同时,为了保证回灌水质的安全,处理后水质还需要达到目标回灌区含水层水质要求,并且在条件适宜的情况下,尽可能保证回灌到目的层矿井水水质优于原目的层水质。因此,需要定期测量,对处理后矿井水进行实时采样监测,确保其中的各项指标均达标。

此外,由于不同地区回灌目的层的水质不同、容纳效率相异,因此回灌水质还需满足回灌目的层所能容纳的水质指标,以保证回灌水质与回灌目的层水质拥有更好的匹配性。如果回灌层为地下饮水区域,则矿井涌水必须处理达到饮用水的标准后才可以进行回灌,否则就会对人体健康构成一定危害,同时也可能会恶化地下含水层的水质,导致地下水污染。当然,将矿井涌水处理至饮用水标准会在一定程度上加大水处理费用,继续采用深地回灌的方式是否更为经济需要进一步评估分析。

2.2.2.3 回灌工程对井下安全生产影响的评估

煤炭开采生产作业是在地层内部进行的,空间狭小,安全风险相对较高。开展矿井水回灌工程,在一定程度会对地层结构产生破坏,一旦产生突水等不利事件,将会影响到井下生产作业的安全。因此,需要开展回灌工程对井下安全生产的评估,重点是两方面[21]:一是回灌工程所选地点环境条件(气体环境、温度环境等)的变化,是否会影响到附近区域内的生产作业;二是回灌工程所选地点的地质条件(地层、地质结构特点),是否会影响到附近区域内的生产作业。矿井涌水回灌过程前的凿井、回灌作业等会产生一定的震动,会对地层的地质结构造成一定的影响,而井下正常生产也需要一定的地质承载能力,二者之间一旦建立相互作用关系,无论是回灌工程还是井下生产都会受到干扰,甚至产生安全事故。因此,必须在施工前从人员、设备、管理、技术等因素综合分析回灌过程是否会对井下安全生产造成不利影响,以确保井下能够开展正常的生产作业。

2.2.2.4 回灌工程对矿产资源影响的评估

为保证回灌过程不对矿产资源造成影响,回灌目的层应位于煤系下较深层位,且回灌目的层以上应尽可能包括较多的隔水层,如巨厚层状的地层、砂、泥岩互层等,以便起到良好的隔水作用。同时,还需考虑回灌目的层与其他矿产资源的距离以及中间须有良好的隔水层,以保证回灌不会影响其他矿产资源。此外,施工过程中要采取加强固井质量,选择优质套管等措施,避免串层和漏水,确保不对煤层和其他矿产资源产生影响。

经过可行性分析后,目标区域水文地质条件和地下岩层结构条件符合矿井水回灌要求的,矿井水经过处理后部分用于矿区使用,其余部分(用于外排的)则根据实际情况进行全部或部分深地回灌处理;不符合回灌要求的,则需要根据当地环保部门的具体要求进行外排处理。

2.3 矿井水处理利用相关技术

煤矿矿区用水主要分为地面居民生活用水和井下生产用水。居民生活用水包括饮用、洗涤、冲厕、洗澡等;矿区井下生产用水包括采掘设备液压用水、消防降尘洒水、设备冷却水、乳化液配置用水等。根据矿区实际情况和实际矿井涌水的水质水量条件,选用适合的工艺进行处理,其中一部分回用矿区,其余部分则进行深地回灌处理。

2.3.1 矿井水“井下-地面”处理技术

2.3.1.1 不同水质矿井水处理技术

对于煤矿生产过程中产生的矿井水,按照其水质特点,大致可分为高悬浮物矿井水、高铁锰矿井水、高矿化度矿井水、高氟矿井水、酸性矿井水和含特殊组分矿井水等类型[23]。

高悬浮物矿井水(高浊度矿井水)中的悬浮物含量明显高于地表水,一般为10 ～100 mg/L,有时超过1 000 mg/L。在应用实践中,由于煤矿高悬浮物矿井水粒度小、密度小、沉降速率慢,易造成矿井水混凝过程中矾花形成困难、沉降效果差的问题。因此,近年来很多学者开展了新型混凝剂的研发工作,如麻博等[24]研究的无机-有机复合絮凝剂,对浊度去除率可达99.7%。此外,一些新的工艺,如体积小、易于模块化的聚瓷膜处理技术,都具有较好的效果[25]。

含铁、锰地下水在我国分布很广。国内外对含铁、锰矿井水主要以各种氧化法除铁锰和接触过滤法除锰为主。在目前除铁、锰机理尚不明确、各种参数缺乏的情况下,高悬浮物的存在使得矿井水除铁、锰变得更加复杂,增加了处理难度。近年来,一些新工艺和新材料也不断应用到高铁锰矿井水的处理中,如水合二氧化锰改性火山岩除铁锰、MnO2/TiO2改性沸石除高铁锰矿井水, 效果显著[26-27]。

高矿化度矿井水是指水中含盐量超1 000 mg/L的矿井水[28]。我国高矿化度矿井水约占矿井水总量的1/3。高矿化度矿井水的常用处理工艺有蒸馏法、电渗析法和以反渗透为主的膜分离法。对于膜分离技术,其产生的浓盐水是矿井水处理中的难题。要实现废水零排放就必须解决浓盐水排放问题。郭强等[29]采用井下采空区封存浓盐水,可大幅度降低投资和运行成本。顾大钊等[30]研究开发地下水库建设的关键技术并在神东矿区建设示范工程。这都为矿井水的处理开辟了新路径。

我国高氟矿井水中的氟含量一般在几十至几百毫克每升,超过国家污水综合排放标准限值10 mg/L。近年来,氟离子排放限值越来越低,如我国大型煤矿区集中的西北省份要求外排至地表水环境的煤矿矿井水执行《地表水环境质量标准:GB 3838—2002》中相对应的标准限值,一般以Ⅲ类标准为主(≤1.0 mg/L)。针对以上情况,一些新的处理方法,如Ce-Mn 复合金属氧化物改性沸石材料除氟药剂、CFYJ-L-1 除氟药剂,可使处理后的矿井水中氟离子浓度稳定低于1.0 mg/L,且成本更低[31-33]。

酸性矿井水的pH 值一般在2 ～6 之间。我国酸性矿井水分布较广,在陕、晋、鲁、皖、蒙、川、桂、贵等省区均匀分布。近年来,高密度泥浆法(HDS)在酸性矿井水处理的研究和应用中较为广泛。郑彭生等[34]、徐加兴等[35]针对某矿山酸性废水,采用高密度泥浆法底泥回流及金选厂炭浸尾矿渣浆辅助沉降综合协同试验,取得了较好的处理效果。

2.3.1.2 “井下-地面”联合处理技术

井下空间狭小,正常生产需要占用大量空间,真正能够用于井下水处理的空间更为有限。因此,必须合理利用井下采空区。济三煤矿利用井下采空区对孔隙裂隙型水进行处理后,供防尘洒水、设备冷却水、乳化液配置用水使用,通过井下处理及回用后每年节约水处理成本57.82 万元,节省排水电费为75.50 万元[36]。

建设地下水库是实现矿井水地下存储的一种重要手段。对于井下采空区储水空间大、矿井水文地质条件为中等及中等以下、拥有充足水源和所在地生态条件良好的场地,适合建设地下水库[37]。谢和平等[38]提出了煤矿地下空间开发利用的六大设计原则和四大设计理念,为地下空间的利用指明了新的方向。目前,已经有部分地下水库正常运行。大柳塔煤矿利用地下采空区创造性地建成了我国首座煤矿地下水库,实现了矿井水资源的循环利用[37]。磁窑沟煤矿于2017 年正式投入使用地下水,实现矿井涌水零排放和矿井水资源的循环利用,创收经济效益每年79 万元[39]。顾大钊等[40]对此煤矿地下水库进行研究,提出煤矿水库安全系数概念,采用定量对比分析的方法评估煤矿地下水库坝体的稳定性和安全性。寸草塔二矿也合理利用采空区进行存储矿井水,每天可减少外排2 968 m3的水量,从而减少处理水的外排费用。储存的水量可用于喷雾降尘、设备冷却、巷道保护等,实现了处理水回用和节能减排[41]。

为实现矿井水井下高效处理,应当尽量使用模块化设备。程志伟等[42]提出高效旋流一体化净化工艺。该工艺采用旋流闪混技术实现高效混合,采用常压节能旋流技术和二级旋流离心分离技术进行泥水分离,整个装置一体化集成,能最大程度的减小占地面积。张家峁矿井水处理站应用该工艺后,矿井水悬浮物从1 466 mg/L 降低至4 mg/L,经济和环境效益显著。狄军贞等[43]提出了矿井水井下处理与PRB 修复相结合的原位处理方法,通过无烟煤、钢渣、石英砂、沸石填料的不同组合构建的PRB 活性柱对污染成分具有良好的去除效率,其最佳组合适用于含有机物、氮、磷和重金属离子污染矿井水的井下原位修复处理。

矿井水地面处理受场地限制性因素小,因此可选择的范围较宽泛,可根据实际情况进行合理选择。对于一般的水质,通过简单处理就能达到标准,如冀中能源葛泉矿高悬浮物矿井水采用“混凝-沉淀-过滤”可达到工业用水排放标准,后续再进行“活性炭吸附+消毒”处理,可达到生活用水排放标准[44]。然而,随着水质标准的提高,对矿井水处理要求也更为严格,尤其是高矿化度矿井水和含特殊组分的矿井水,单独处理会消耗大量的资金。因此,需要开展节能低耗的处理技术研究,并将水处理过程与实际生产相结合,从而实现能量的循环。顾大钊等[45]提出的高效低耗矿井水处理体系如图4 所示。

图4 矿井水井上-井下联合高效低耗处理技术体系[45]Fig.4 Surface-underground mine water treatment system with high-efficiency and low energy consumption [45]

2.3.2 矿井水深地回灌处理技术

2.3.2.1 回灌目的层的选取

近年来,高矿化度矿井水和含特殊组分矿井水越来越多[45],如在我国干旱-半干旱气候带的西北部存在大量的高矿化度矿井水。通过“分级处理”和“分质利用”虽能在一定程度上降低高矿化度矿井水处理能耗,但总体费用依然很高,而通过回灌处理能有效解决这一问题。例如,毛乌素沙漠腹地某煤矿为高矿化度矿井水,通过采用地下回灌的方式,利用风积沙层的自然过滤净化作用去除了绝大部分的、大肠杆菌等污染物,再经过风积沙层中的低矿化度地下水资源稀释作用,降低了原矿井水中的TDS,从而减少了回灌水对地下水质的污染[46]。

矿井水回灌的目的是减少地面多余矿井水的排放,从而保护环境、降低成本,其原理是将矿井水通过压力泵及回灌井注入深部地层中,前提是要有合适回灌目的层。

回灌目的层的选取原则[19,47]如下:

(1) 目的层应位于煤系下较深层位,与煤层之间存在稳定的间隔距离及隔水层。

(2) 目的层应位于地质构造简单的区域,应具有良好的储集性、渗透性、封闭性。

(3) 目的层砂岩应当总体较厚,横向连贯性好,有足够的储集空间,且没有贯通上下部隔水层的深大断裂。

总之,应定量化选择层位参数指标,并据此建立回灌层遴选综合评价方法,确保回灌目的层的选择更加科学、精准,以进一步增加回灌成功率,最大限度提高回灌总量,延长回灌井使用年限。

2.3.2.2 回灌施工作业

确定回灌目的层后,需要根据地层情况及设计要求,采用适当的钻井方式、工艺参数、钻井液、机械设备等进行钻井作业;钻井施工完成后进行下管、固井、止水作业,并进行耐压试验,确保施工质量。梧桐庄矿1 号回灌井结构如图5 所示[48]。梧桐庄矿煤系地层主要为埋深150～830 m 的石炭系,煤系地层的基底是奥陶系灰岩,厚600 m,深度在830 ～1 430 m,其含水层岩溶裂隙发育,富水性强,回灌目的层选在1 200 m 处。在具体施工过程中,控制顶角斜偏在0.5° ～1.0°,套管从ϕ426 mm 至ϕ244 mm 逐级递减,采用组合齿轮钻进,施工后做注水试验,注水量约300 t/h,延续时间为72 h。

图5 梧桐庄矿1 号回灌井结构示意图Fig.5 No.1 reinjection well structure in Wutongzhuang mine

2.3.2.3 回灌试验

施工结束后需要进行回灌试验。回灌过程中,需要根据设计值及实际运行工况确定合适的回灌速率;在井田内部及周边利用已有的观测孔进行水位观测,可进行连续一周或者更长时间,对回灌量、回灌水位、水位变化等基本参数进行研究。回灌试验的效果评价可以通过回灌水位及水量降幅削减值来确定[49]。回灌试验结束后,根据试验结果常采用数值模拟分析的方法评价回灌方案是否可行。该方法主要是通过设定一定的时间,依据现有参数和方案,预测在回灌条件下流场变化情况、水量变化情况等[47]。只有各项指标都满足设计要求后,才能进行正式的回灌作业。实际回灌过程中将根据现场条件、施工水平和水文地质条件等反馈信息实时调整回灌量,确保回灌流量、孔口压力、上升速度等符合设计要求。

在进行矿井水深井回灌过程中,需要根据回灌区地层的结构、岩性、水源条件、地形地貌等条件,优化回灌方式、改进工程工艺,从而提高回灌效率。实践证明,工程设计的合理性与工艺控制的合理性是研发高效回灌技术的重要内容。地面回灌方面,可通过增大回灌水头、减小回灌时间等方法来增大回灌速率;地下灌注方面,可在净化设施、建井设计、建井材料等方面改进工艺来增加回灌速率[50-51]。郑小燕等[52]针对城市地下空间开发中的地下水控制问题提出的水平辐射井回灌方法,可以增大有效入渗面积,从而增大回灌速率。

2.3.2.4 回灌水质模拟

矿井水回灌过程中,通过在回灌井中、回灌区附近布点安装相关传感器、设备(液位传感器、多功能水质监测设备)以实现数据的监测;同时,通过定期取样回灌水进行分析,得到水质主要组分的浓度变化情况,获得更为全面的水质特点,从而展开污染物迁移转化规律研究,为回灌水质、水量及过程控制提供必要的数据支撑。监测及取样过程需要依据特定矿井水质选择合适的污染成分,如TDS、COD、Cl、F、总大肠杆菌、酸碱性、pH 值,DO(溶解氧)、浊度、氨氮、亚硝酸盐、硫酸盐、水温、盐度、总碱度和硫化氢等。矿井水回灌过程中会与地下岩层发生多种作用,主要有过滤吸附、离子交换、沉淀-溶解等,因此对特定水量、水质和地下岩层环境进行溶质迁移转化模拟具有重要意义[53-54]。通过前期对地层岩石的物理参数和化学参数的测定以及对回灌作业的数据监测,模拟长期回灌条件下回灌矿井水流场变化情况和累计最大回灌值等分析,可更好地调整后续回灌作业实施。郑强等[15]对闭坑矿区的酸性老空水进行吸附研究发现,黄土能够有效吸附水中典型污染物,并且以化学吸附为主、物理吸附为辅,其吸附过程较符合准二级动力学模型。

2.3.2.5 回灌安全性分析

开展回灌工程需要加强水质安全性分析。矿井水经过处理后产生的部分副产物可能影响地下水质,此外,除了回灌水中的某些成分与地下岩层之间产生的相互作用[40],还存在水动力场效应、水化学场效应、微生物作用等均可能对地下水产生影响。因此,必须从源头上确保回灌水质的安全,在回灌过程中实时取样分析检测水质情况,并依据现场地质条件参数辅助模型模拟水质扩散规律,及时发现问题,确保回灌水质不会对地下水造成不利影响。

矿井水深地回灌的安全,也要考虑回灌过程、回灌后水体对回灌含水层和煤柱的影响。一般情况下,回灌水与场地原始地下水组分浓度存在差异。根据原始地下水流特点建立地下水流数值模型,同时根据回灌水质和回灌参数建立深部回灌污染物迁移规律数值模拟模型,考察重点离子或污染组分对地下水体的影响,从而为回灌水质安全提供一定保障。地下水模拟模型与信息系统的集成是确保回灌水质及回灌过程安全性的重要保障,在建立矿井水回灌至地下含水层的回灌管理信息系统时,可采用“静态+动态”的思想。“静态”是指固定模型的具体结构、水文地质参数、运移参数、模型计算方法及输出文件格式。“动态”是指每次模拟都发生变化的数据部分,包括两方面内容,一是对水流模型模拟期的动态处理,可以做一年或多年的模拟或预测计算;二是回灌过程水流模型的源汇项、运移模型的源汇浓度和初始水位的动态处理[55]。为保证煤柱不被地下水侵蚀,必须注重对回灌材料的选择,同时对井壁外侧需做好防震和密封处理,一般套管均选用无缝钢管,采用对焊或外接箍丝扣连接;此外,回灌井的安全稳定非常重要,必须通过地质条件、受力分析等核算材料规格。

另外,还要分析矿井水深地回灌过程对安全生产的影响,尤其是预防底板突水的发生。为使矿井水深地回灌尽可能不影响矿区安全生产,需要根据确定的回灌点进行试验和模拟研究,分析预测回灌工程对附近生产过程可能造成的影响,同时通过完善安全管理制度、增强风险预控力度、消除安全违规行为、提升生产安全管理水平来规避可能存在的安全隐患[21]。为避免矿井水回灌过程扰动附近地层的地质条件,引发第Ⅱ类中间状态和第Ⅲ类危险状态的煤层底板突水的情况,可在井孔附近注浆加固,同时必须加强水文地质观测,防止底板断裂出水。对底板突水危险性评价,可以利用层次分析法、人工神经网络、支持向量机、脆弱性指数法、Fisher 判别分析模型等方法进行判别[56]。

3 结 论

(1) 提出了基于“深地-井下-地面”联动的矿井水处理利用新模式。所建模式对于我国煤矿矿井水处理及资源化利用具有重要的参考意义。

(2) 论述了深地回灌工程技术的适用条件,包括煤矿区水质、水量、水文、地质、地下建筑结构等评估和回灌工程的可行性分析。

(3) 总结了不同水质矿井水处理技术和“井下-地面”协同处理技术体系。

(4) 从回灌目的层的选取、施工作业、回灌试验、回灌水质模拟及安全性分析等方面,总结了矿井水深地回灌工程的主要技术工艺。