陳團團

(中煤科工集團 武漢設計研究院有限公司，湖北　武漢　430064)

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·試驗研究·

煤礦礦井水井下再利用新技術及工程應用

陳團團

(中煤科工集團 武漢設計研究院有限公司，湖北武漢430064)

摘要結合煤礦礦井水井下再利用新技術在某礦區(qū)的成功應用，總結了其應用工藝、應用條件及所應采取的安全技術措施，研究結果表明：利用防水密閉墻結構，將開采過程中產(chǎn)生的礦井水注入采空區(qū)，進行沉淀、過濾、儲存作為礦井生產(chǎn)生活水源，提高了礦井水利用率，解決了礦井水供水和污水外排問題,取得了良好的環(huán)境、經(jīng)濟及社會效益，為其它有條件的礦區(qū)及礦井井下采空區(qū)的儲水再利用的安全實施提供了參考。

關鍵詞礦井水；再利用；采空區(qū)；工藝流程；防水密閉墻

在煤炭資源開采過程中，礦井水水害問題是許多礦井面臨的危害之一，尤其對我國華北地區(qū)石炭二疊紀煤田巖溶-裂隙水水害區(qū)及華南晚二疊紀煤田巖溶水水害區(qū)，隨著礦井開采深度的增加，礦井面臨的水害問題日趨嚴重。因此，采取安全、合理、可行的技術措施，合理轉化與利用這部分水資源，尤其對于地處干旱少雨地區(qū)的礦區(qū)而言，可有效緩解生產(chǎn)、建設期間對水資源的需求與水資源匱乏之間的矛盾，依靠礦井自身地質條件因素，實現(xiàn)井下安全用水。

結合目前的生產(chǎn)情況，很多礦井最大限度、因地制宜地利用井下采空區(qū)自然地質特征，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水注入采空區(qū)進行凈化，在充分利用地下開采空間的條件下，合理處理水害資源，有效挖掘礦井內水處理的潛能，通過凈化采空區(qū)礦井水，減少礦井水處理成本，實現(xiàn)礦井水在井下的重復利用和協(xié)調開采，提高礦井水的利用率，減少供水系統(tǒng)運營成本，探索出一條新的礦井水處理技術。

1礦井水井下再利用新技術研究

1.1應用工藝

礦井水井下再利用是礦井水處理的一種新工藝，根據(jù)采空區(qū)的實際地形、地質條件和處理后礦井水的用途，確定主要去除的指標，通過將礦井水注入采空區(qū)地勢高處引導其自流。由于采空區(qū)的矸石具有過濾、吸附、凈化礦井水的作用，水流經(jīng)過濾、沉淀、吸附與離子交換和自生礦物等物理化學作用達到凈化效果，在地勢低處進行收集，供井上、下生產(chǎn)及生活使用。

以礦井水作為利用對象，通過相應排水設施自然流入集水池(水倉)中，經(jīng)集水池的匯集、調節(jié)作用，經(jīng)管路或穿層鉆孔排入采空區(qū)中，采空區(qū)凈化水再次經(jīng)過井下復用水處理系統(tǒng)，去除Fe2+、Mn2+等指標后，供給需要用水的地點，使礦井水經(jīng)處理成為凈水而被利用。

礦井水井下再利用工藝流程見圖1.

1.2應用條件

礦井水井下再利用過程應結合井下采空區(qū)地形、地質條件、采空區(qū)位置和工作面采動影響等諸多因素，因地制宜地進行，優(yōu)先推薦在水文地質條件簡單的礦井井下采空區(qū)進行。

1) 采空區(qū)地形。

圖1　礦井水井下再利用工藝流程圖

礦井水井下復用的采空區(qū)應具有一定的地形高差，將礦井水由采空區(qū)地勢高處注入采空區(qū)，受地勢高差影響，礦井水由高向低流動，在流動過程中經(jīng)過采空區(qū)矸石的過濾、吸附、凈化作用，最終流至采空區(qū)低處，通過設置在采空區(qū)相應巷道處密閉墻體上的排水設備設施，經(jīng)沉淀凈化后通過管路排至井下及井上需水地點。

2) 地質條件。

作為礦井水井下再利用的采空區(qū)，對地質構造有特殊要求，只適用于少數(shù)礦井，要求不應設置在具有構造破壞的采空區(qū)，避免由于構造錯動，造成上下含水層水體潰入采空區(qū)，或儲存于采空區(qū)內的水體在構造的影響下，潰入上下煤層回采工作面中，造成水害事故。

3) 采空區(qū)位置。

為確保礦井水井下儲水復用的安全可靠，同時不對井下其它生產(chǎn)工作面造成影響，進行礦井水儲水復用的采空區(qū)應選擇在礦井已回采區(qū)域的下部，防止采空區(qū)內儲存的水體由于各種不確定因素而危及礦井的安全生產(chǎn)。

4) 工作面采動影響。

回采工作面由于煤層采動，影響頂板穩(wěn)定，隨工作面推進，工作面壓力顯現(xiàn)，出現(xiàn)頂板初次來壓與周期來壓，頂板來壓會對防水密閉墻結構及穩(wěn)定性造成破壞性影響，同時，對墻體周圍留設的安全煤(巖)柱造成影響，將在很大程度上影響采空區(qū)礦井水儲水復用的安全穩(wěn)定運行。

1.3安全技術措施

鑒于作為水害的水資源在井下就地處理的安全性考慮，為確保礦井水凈化處理不對生產(chǎn)采區(qū)造成影響，不再造成次生災害，在井下采空區(qū)礦井水凈化過程中，應著重采取以下安全技術措施，確保水資源再利用的安全可靠：

1) 防水密閉墻結構。

防水密閉墻硐室結構主要指墻體形式、墻體與圍巖之間的有機組合，包括墻體的尺寸、嵌入圍巖的深度、材料、預埋管路、圍巖強度等。防水密閉墻的厚度及嵌入圍巖的深度等參數(shù)，應根據(jù)密閉墻墻體自身強度、圍巖條件、防水煤(巖)柱、儲水區(qū)水頭大小等因素綜合確定，防水密閉墻的結構應確保其能承受運行期間受控的安全水頭高度，確保硐室的可靠性及承壓能力。

防水密閉墻結構見圖2.

圖2　防水密閉墻結構示意圖

防水密閉墻結構可根據(jù)井下“一通三防”的功能要求，在單結構平板式防水密閉墻基礎上，建成復合結構墻體，復合結構基本組成形式為內側墻體+充填層+外側墻體形式，其中內側墻體為單結構平板式防水密閉墻。

2) 圍巖條件。

在礦井水井下再利用過程中，防水密閉墻硐室作為起關鍵作用的構筑物，其由墻體及圍巖共同構成，其強度及穩(wěn)定性取決于二者。一般而言，圍巖由于其結構及強度的影響，作為該組成部分中的薄弱環(huán)節(jié)，是決定墻體強度及穩(wěn)定性的關鍵因素，應按《煤礦防治水規(guī)定》相關要求，在墻體所布置的巷道兩側留設符合要求的安全煤(巖)柱。

該影響因素對墻體的設置位置提出較高的要求，墻體應設置在圍巖完整、裂隙發(fā)育少、強度較高、不受采動影響的區(qū)域，若圍巖無法達到上述要求，應采取有效的注漿等處理措施對圍巖進行加固。

3) 水頭高度。

在墻體結構、圍巖條件等因素確定之后，儲水區(qū)內的水位將沿采空區(qū)“三帶”高度方向分布，合適的水位將決定進入采空區(qū)進行凈化處理的水量，過高的水位將會對圍巖條件提出更高的要求，影響整個系統(tǒng)的安全可靠性，因此，合理確定安全儲水高度是非常必要的。

根據(jù)實際情況，設置水頭參考指標，即限制水位線Hh，警戒水位線Hj，作為井下采空區(qū)儲水凈化過程中的監(jiān)控指標。其中限制水位線Hh為防水密閉墻所能承受的安全水頭高度，根據(jù)處于采空區(qū)儲水區(qū)標高最低的防水密閉墻，結合其所能承受的安全水頭高度值最終確定。實際生產(chǎn)過程中，影響儲水區(qū)防水密閉墻功能及安全性的因素眾多，為進一步確保采空區(qū)礦井水復用過程可靠、安全，在限制水位線的基礎上，按照密閉墻所能承受的安全水頭值的80%確定警戒水位線，即Hj=0.8×Hh，當采空區(qū)內水位標高接近警戒水位線時，生產(chǎn)方必須采取有效措施，控制采空區(qū)儲水區(qū)供排量，使水位線低于警戒水位線Hj，減小不可控因素對采空區(qū)礦井水復用安全性的影響。

4) 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

為確保礦井水井下采空區(qū)再利用新技術的有效實施，在整個儲水系統(tǒng)規(guī)劃、修建完成之后，應選擇合適的墻體位置，在其上安裝排水管、注水管、壓力表及氣體檢測管等設備設施(見圖2)，在解決采空區(qū)礦井污水灌入，凈化水排出的同時，實現(xiàn)對采空區(qū)儲水區(qū)內水位、有毒有害氣體等的監(jiān)測預警，動態(tài)監(jiān)測采空區(qū)內水壓、水位及氣體狀況，必要時采取合理措施，確保礦井水井下再利用的安全可靠。

2現(xiàn)場實踐及應用前景

2.1現(xiàn)場實踐

某礦井水文地質條件簡單，在工作面已回采穩(wěn)定的采空區(qū)最低處，選擇52煤層2個工作面進行礦井水井下再處理，其中2個工作面形成1個儲水復用區(qū)，積水總面積131萬m2，平均積水深度3.5 m，積水量約22.9萬m3.

各防水密閉墻設置在順槽及大巷聯(lián)巷中，具體位置見圖3.各密閉墻結構參數(shù)見表1.

圖3　工作面防水密閉墻設置位置示意圖

表1　墻體參數(shù)表

由于各工作面采空區(qū)為聯(lián)合的礦井水復用區(qū)，在各工作面采空區(qū)周邊均設置有防水安全煤(巖)柱，采空區(qū)水位線只在采空區(qū)沿“三帶”高度方向分布，在相關墻體上設置監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，對采空區(qū)水位線進行監(jiān)測，在保證礦井安全生產(chǎn)的同時，實現(xiàn)礦井供排相結合，經(jīng)過數(shù)十年的礦井水井下再利用實踐，每日外排930～3 270 m3，解決了礦井涌水的資源化處理，減少了礦井水處理成本，實現(xiàn)了礦井水在井下的復利用和礦井的協(xié)調開采。據(jù)了解，2013年該礦通過井下礦井水再利用，節(jié)約污水處理費125萬元，節(jié)約水費530萬元，節(jié)約排污費10萬元，直接經(jīng)濟效益665萬元，在解決礦井水資源再利用的同時，實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟與社會效益。

2.2應用前景

有條件的礦井將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水、涌水資源注入采空區(qū)進行處理，作為礦區(qū)生產(chǎn)生活水源，通過密閉墻的隔離功能，實現(xiàn)礦井水凈化、存儲，同時確保不對生產(chǎn)采區(qū)的正常生產(chǎn)造成影響，在充分利用地下開采空間的條件下，有效挖掘礦井內水處理的潛能，經(jīng)處理后的礦井水可直接作為礦井生產(chǎn)用水，地面簡單處理后作為生活、工業(yè)和綠化用水，深度處理后為飲用水，有效解決了礦區(qū)供水和污水外排問題。

該項技術在西北地區(qū)多對礦井已成功應用，做到了礦井水的供排結合，綜合利用，帶來了良好的環(huán)境、經(jīng)濟及社會效益，對其他存在礦井水供排矛盾的煤炭基地及礦區(qū)，具有良好的示范作用及推廣應用價值。

3結論

利用井下采空區(qū)做為儲水復用區(qū)對礦井水處理效果明顯，通過特殊的應用工藝，結合一定的應用條件，采取有效的安全技術措施，能做到井下采空區(qū)做為儲水復用區(qū)進行礦井水處理與礦井水資源化的應用，并且具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟及社會效益。采空區(qū)儲水復用區(qū)處理礦井水，在理論上是可行的，在技術上是可以實現(xiàn)的，對類似水資源緊缺的礦區(qū)，具有實施的可行性，綜合效益顯著，在確保煤炭安全生產(chǎn)的同時，可有效做到礦井水供排結合，綜合利用，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)開發(fā)與利用模式。

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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

中圖分類號：TD745+.23

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2016)01-0033-04

作者簡介：陳團團(1983—)，男，山西晉城人，2009年畢業(yè)于安徽理工大學，碩士研究生，工程師，主要從事礦井設計、礦井安全設計工作(E-mail)76221811@qq.com

收稿日期：2015-11-05