彭丹丹

（贛州市天鷹水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，江西 贛州 341000）

利用采空區(qū)修建地下水庫(kù)，可基于“導(dǎo)儲(chǔ)用”水循環(huán)利用技術(shù)將漏失水資源以及生產(chǎn)污水重新過(guò)濾、凈化，讓水資源的利用價(jià)值得到再生，達(dá)到循環(huán)利用的目的?；诘叵滤畮?kù)的水資源循環(huán)利用技術(shù)，真正做到了礦井水不外排，既解決了水污染問(wèn)題和水害問(wèn)題，同時(shí)還能節(jié)約用水費(fèi)用，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，在應(yīng)用地下水庫(kù)“導(dǎo)儲(chǔ)用”水循環(huán)利用技術(shù)時(shí)，像地下水庫(kù)的選址與建設(shè)，污水回灌與清水取用的管路布置等，也都是需要關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)。只有熟練掌握該技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，才能在保證礦區(qū)作業(yè)安全的前提下，切實(shí)發(fā)揮節(jié)水和環(huán)保效益。

1 項(xiàng)目概況及水庫(kù)水資源利用現(xiàn)狀

崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦的礦區(qū)面積為5054 m2，可采深度范圍+650 m～+450 m，可采儲(chǔ)量631.2 kt，可采煤層2 層，可采煤層總厚度1.75 m，采煤方法為走向長(zhǎng)壁法。該礦區(qū)的開(kāi)采時(shí)間較早，目前已經(jīng)出現(xiàn)大量采空區(qū)。由于煤礦層埋藏較淺，開(kāi)采面積較大，對(duì)礦區(qū)及周邊相鄰地區(qū)的水資源系統(tǒng)造成了不同程度的影響。從礦區(qū)的地質(zhì)勘察結(jié)果來(lái)看，一部分礦井水積存在采空區(qū)內(nèi)，改變了地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，使得地表水的入滲速度明顯加快，如果能夠?qū)⑦@部分地下水資源重新利用起來(lái)，作為礦區(qū)的生產(chǎn)或生活用水，不僅能夠達(dá)到節(jié)約用水的環(huán)保效果，而且還能降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。礦區(qū)每年產(chǎn)生的生活廢水約385 m3，這些廢水由礦區(qū)周邊村民定期清運(yùn)，主要用于農(nóng)田的施肥灌溉。

2 采空區(qū)水庫(kù)水資源循環(huán)利用技術(shù)

2.1 地下水庫(kù)的選址與建設(shè)

提前開(kāi)展礦區(qū)水文地質(zhì)和礦井涌水情況的調(diào)查，為采空區(qū)地下水庫(kù)的建設(shè)提供必要的依據(jù)。水文地質(zhì)勘探主要是查明該礦區(qū)的地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水體埋藏與分布情況，以及地下水的補(bǔ)給方式、外排條件等；礦井涌水分析則是明確地下水庫(kù)建成后水的來(lái)源，尤其要準(zhǔn)確計(jì)算用水量，以確定地下涌水能否滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)、生活用水的需要。在做好上述調(diào)查的前提下，合理規(guī)劃地下水庫(kù)的位置。本項(xiàng)目中建設(shè)的地下水庫(kù)是在原有煤柱壩體的基礎(chǔ)上，再修建人工壩體，使兩者結(jié)合圍城一個(gè)封閉的采空區(qū)空間[1］。其中，煤柱壩體為綜采面回踩后預(yù)留的大巷保護(hù)煤柱，其寬度在40 m～100 m 不等，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到20 MPa；人工壩體是用混凝土在綜采面順槽口澆筑而成，最大承載水位可達(dá)55 m。

該礦區(qū)有2 個(gè)煤層，層間距為160 m；現(xiàn)階段A 煤層已經(jīng)全部采完，利用形成的3 個(gè)采空區(qū)分別建成了3 個(gè)地下水庫(kù)；B 煤層建成了2 個(gè)循環(huán)水利用硐室。在兩個(gè)煤層之間使用鉆機(jī)布置了若干個(gè)鉆孔，將其連通，保證清水可以通過(guò)鉆孔管道在重力作用下自然流動(dòng)，使上方煤層的水流入下方煤層，以供井下生產(chǎn)使用。兩個(gè)煤層產(chǎn)生的污水，均通過(guò)5 個(gè)注水點(diǎn)實(shí)現(xiàn)回灌，最終在A 煤層的采空區(qū)匯集，從而形成了一個(gè)比較完整的地下水庫(kù)系統(tǒng)，達(dá)到水資源循環(huán)利用的效果。已建成的3 個(gè)地下水庫(kù)，最大儲(chǔ)水能力分別為608.4 萬(wàn)m3、340.3 萬(wàn)m3、644.6 萬(wàn)m3。

2.2 地下水庫(kù)污水回灌管路的布置

地下水庫(kù)的所有管路均遵循“污水從高向低回灌，清水從低到高取用”的原則布置。在污水回灌管路的布置中，要求盡量將污水回灌點(diǎn)布置在標(biāo)高偏高處（超出標(biāo)高1.0 m～1.5 m），這樣設(shè)置的目的是利用采空區(qū)矸石的吸附作用進(jìn)一步提升污水的凈化效果?？紤]到礦區(qū)井下采空區(qū)有多個(gè)污水源，需要在靠近地下水庫(kù)的一側(cè)布置一個(gè)集水倉(cāng)，將所有污水集中收集后再統(tǒng)一回灌。而集水倉(cāng)則能起到初次沉淀的功能，避免污水回灌中堵塞管路的情況。在該項(xiàng)目中，采用泵排的方式，將A 煤層和B 煤層的污水全部回灌到A 煤層采空區(qū)地勢(shì)較高的地方，在污水滲流的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自然凈化，凈化后的水即可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

在A 煤層上共設(shè)有5 處污水回灌點(diǎn)，其中1#和2#回灌點(diǎn)通過(guò)垂直鉆孔的方式，可以回灌B 煤層污水；在1#回灌點(diǎn)處，共設(shè)計(jì)有6 個(gè)長(zhǎng)度為150 m、直徑為70 mm 的注水孔。在B 煤層的硐室內(nèi)安裝一臺(tái)MDA330 型排水泵，每天可回灌污水1730 m3。在2#回灌點(diǎn)處，共設(shè)計(jì)有4 個(gè)長(zhǎng)度為120 m、直徑為200 mm 的水平鉆孔，可用于B 煤層污水回灌，每天可回灌污水約4500 m3。其他的3 個(gè)污水回灌點(diǎn)主要用于回灌A 煤層的積水。

2.3 地下水庫(kù)清水取用管路的布置

如上文所述，地下水庫(kù)的清水取用點(diǎn)要布置在標(biāo)高的偏低處（低于標(biāo)高1.0 m～1.5 m），其目的是利用清水自身的水壓向下流淌，從而省略了加壓泵，降低成本。從地下水庫(kù)中抽取的清水，可重新用作礦區(qū)的生產(chǎn)、生活用水，例如噴霧除塵、設(shè)備冷卻、地面綠化、橡膠壩補(bǔ)水等[2］。根據(jù)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異。

對(duì)于礦井的生產(chǎn)供水，采用的是自流供水模式。在地下水庫(kù)附近垂直鉆孔，孔深大約160 m，利用自然壓差（約1.5 MPa）使清水自然流出，能夠滿(mǎn)足噴霧降塵和井下消防用水的水壓要求。對(duì)于地面生產(chǎn)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見(jiàn)表1。

表1 地面清水使用統(tǒng)計(jì)表

2.4 地下水庫(kù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地下水庫(kù)要承受土壓、水壓，以及礦區(qū)開(kāi)采擾動(dòng)，因此保證地下水庫(kù)的結(jié)構(gòu)安全十分重要。本項(xiàng)目中，在修建地下水庫(kù)的同時(shí)應(yīng)用了安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，分別對(duì)水庫(kù)壩體的變形情況、滲流情況、局部應(yīng)力等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)達(dá)到了設(shè)定的安全閾值，則自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，提醒相關(guān)人員查明問(wèn)題并作出處理[3］。本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)使用的地下水庫(kù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 地下水庫(kù)安全監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，該安全監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備有微震解調(diào)儀、光柵解調(diào)儀、水質(zhì)分析儀等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水庫(kù)壩體應(yīng)力、變形、振動(dòng)、水質(zhì)等多項(xiàng)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)井下同一網(wǎng)絡(luò)上傳至地面監(jiān)控站，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析后得出相應(yīng)的結(jié)論，方便地面工作人員隨時(shí)了解地下水庫(kù)的各項(xiàng)情況。

水質(zhì)分析儀每2 小時(shí)反饋一次數(shù)據(jù)，包括地下水庫(kù)儲(chǔ)水的pH、濁度、溫度、電導(dǎo)率等；井下配備5 臺(tái)高清攝像儀，實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面；微震解調(diào)儀、光柵解調(diào)儀安裝在水庫(kù)壩體上，除了可以實(shí)時(shí)采集水庫(kù)壩體的應(yīng)力、變形量等參數(shù)外，還會(huì)自動(dòng)將實(shí)測(cè)值與安全值進(jìn)行對(duì)比。例如，位于壩體上的某表面式應(yīng)變計(jì)設(shè)定的安全值為±100με，如果實(shí)測(cè)應(yīng)變值超過(guò)該閾值，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

3 崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦采空區(qū)水庫(kù)水資源循環(huán)利用效果

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦開(kāi)采中，曾嘗試修建地面儲(chǔ)水池實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，但是從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，由于地面儲(chǔ)水池的占地面積大、水分蒸發(fā)快等弊端，運(yùn)營(yíng)成本難以達(dá)到預(yù)期。相比之下，利用礦區(qū)井下采空區(qū)修建地下水庫(kù)，則不占用地面空間，水分蒸發(fā)量小，并且可利用地下滲流凈化污水，具有建設(shè)成本低、水質(zhì)好等優(yōu)勢(shì)。除此之外，從本次項(xiàng)目的地下水庫(kù)建設(shè)與應(yīng)用效果來(lái)看，地下水庫(kù)還能解決礦井的“水害”問(wèn)題，真正做到了變廢為寶，兼顧了生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。地下水庫(kù)的建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用以及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 地下水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益分析

結(jié)合表2，地下水庫(kù)的一次性建設(shè)費(fèi)用為710 萬(wàn)元，投入運(yùn)行1 年所產(chǎn)生的的花費(fèi)為418 萬(wàn)元，每年可節(jié)約的費(fèi)用為5628 萬(wàn)元。除去建設(shè)成本，每年可節(jié)約費(fèi)用5210 萬(wàn)元。

3.2 地下水庫(kù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

結(jié)合本次煤礦井下采空區(qū)地下水庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目，總結(jié)出以下幾條地下水庫(kù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)：

（1）在礦藏采掘過(guò)程中需要同時(shí)進(jìn)行地下水庫(kù)的設(shè)計(jì)，在開(kāi)展深入實(shí)地調(diào)研，全面掌握礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的前提下，提前規(guī)劃好地下水庫(kù)的所在位置、大體規(guī)模，為下一步的施工建設(shè)提供依據(jù)。

（2）建設(shè)地下水庫(kù)時(shí)，盡量利用礦區(qū)井下采空區(qū)這類(lèi)便利條件，既可以降低項(xiàng)目成本，同時(shí)還能加快進(jìn)度，以便于水庫(kù)早日建成并投入使用。在一些巖層裂隙發(fā)育比較嚴(yán)重，或者是降水、地下水比較豐富的地區(qū)，利用采空區(qū)建設(shè)地下水庫(kù)，還能將“水害”變?yōu)椤八薄?/p>

（3）充分利用“水往低處流”的自然規(guī)律，同時(shí)結(jié)合土壤滲流對(duì)污水的凈化作用，減少對(duì)吸水泵的使用，既可以降低成本，又能保證污水凈化后的水質(zhì)滿(mǎn)足使用要求。

（4）根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果，所有與地下水庫(kù)連通的巷道，都要進(jìn)行封閉。位于地下水庫(kù)最高水位標(biāo)高以下的人工壩體，也要采取特殊措施進(jìn)行加固，并通過(guò)澆筑混凝土的方式提高其防滲效果，防止發(fā)生水災(zāi)事故。

（5）由于地下水庫(kù)的位置比較特殊，加上受力較為復(fù)雜，因此需要利用傳感器、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)等構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，密切關(guān)注地下水庫(kù)的應(yīng)力、變形、滲漏等情況，一旦發(fā)生異常情況立即采取相應(yīng)的處理措施，確保地下水庫(kù)的使用安全。

4 結(jié)語(yǔ)

崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦項(xiàng)目投產(chǎn)以后，由于連續(xù)的高強(qiáng)度開(kāi)采對(duì)地層造成了比較嚴(yán)重的破壞，水資源的漏失現(xiàn)象較為明顯。為了緩解礦區(qū)開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)的矛盾，同時(shí)也是進(jìn)一步降低礦區(qū)作業(yè)的用水成本，提出了利用礦區(qū)井下采空區(qū)修建地下水庫(kù)，然后將凈化后的污水重新利用的方案?；诘叵滤畮?kù)“導(dǎo)儲(chǔ)用”水循環(huán)利用原理，將礦藏開(kāi)采引起的漏失水資源儲(chǔ)存在采空區(qū)的地下水庫(kù)中，將井下作業(yè)產(chǎn)生的污水也回灌到地下水庫(kù)中，最后經(jīng)過(guò)矸石過(guò)濾、吸附和凈化，使上層清水重新用于地面綠化、井下除塵，達(dá)到了理想的水資源循環(huán)利用效果。