張春暉,趙桂峰,蘇佩東,肖楠,張益臻,沈哲林

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.中關(guān)村至臻環(huán)保股份有限公司,北京 100070

我國(guó)是全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和煤炭消費(fèi)國(guó),2022 年中國(guó)煤炭原煤產(chǎn)量為4.56×109t,居世界第一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤礦開采過程中生產(chǎn)噸煤產(chǎn)生礦井水高達(dá)0.78 ～2 t[2]。目前,對(duì)于產(chǎn)生的礦井水,部分經(jīng)分級(jí)分質(zhì)處理后循環(huán)利用,其余部分則外排至地表水環(huán)境中。我國(guó)礦井水具有利用率低、棄水量大的特點(diǎn),現(xiàn)階段煤礦礦井水平均利用率僅為35% 左右[2]。以神府礦區(qū)、榆神礦區(qū)、榆橫礦區(qū)為例, 外排水量占比分別為 35.84%、76.91%、72.71%[3]。此外,我國(guó)部分煤礦區(qū)存在實(shí)際排水量與預(yù)測(cè)水量差距較大、礦區(qū)周邊缺少回用對(duì)象、礦井水水質(zhì)難以滿足回用要求等問題,這是導(dǎo)致我國(guó)現(xiàn)有礦井水利用率較低而外排水量較大的主要原因[4]。

礦井水是一種重要的非常規(guī)水資源。自“十二五”《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》頒布以來,我國(guó)對(duì)礦井水資源化利用工作越來越重視。2019 年印發(fā)的《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》中指出,在缺水地區(qū)要加強(qiáng)非常規(guī)水源利用,逐年提高包括礦井水在內(nèi)的非常規(guī)水源利用比例[5]。礦井水在資源化利用前需要進(jìn)行處理,以達(dá)到不同的用水標(biāo)準(zhǔn)。武強(qiáng)等[6]在礦井水資源化利用方面開展了大量的研究,先后提出了“排、供、環(huán)?！比灰惑w及“控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)?！蔽逦灰惑w優(yōu)化結(jié)合的礦井水資源化方式;何緒文等[7]指出,礦井水處理要協(xié)調(diào)好不同礦區(qū)、不同礦井及時(shí)間尺度上共性與個(gè)性的統(tǒng)一問題,總結(jié)出分質(zhì)供水梯級(jí)利用、井下處理就地復(fù)用的礦井水資源化利用新模式。對(duì)礦井水資源化利用,發(fā)展礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì),是緩解我國(guó)北方地區(qū)“富煤貧水”的重要舉措,也是建設(shè)綠色礦山和生態(tài)礦山的現(xiàn)實(shí)選擇[8]。雖然近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者(尤其是國(guó)內(nèi)學(xué)者)在礦井水處理方面開展了大量研究工作,但礦井水處理一次性投資和運(yùn)行成本高,尤其是對(duì)于配有深度處理并采用膜分離和濃水分鹽處理的工藝,對(duì)煤礦日常運(yùn)行造成沉重負(fù)擔(dān)。對(duì)此,顧大釗[9]創(chuàng)造性地提出了以“導(dǎo)儲(chǔ)用”為特征的煤礦地下水庫儲(chǔ)用礦井水理念,進(jìn)行了煤礦地下水庫設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和工程示范;此外,針對(duì)梧桐莊礦礦井水礦化度高的問題,李志明[10]依據(jù)梧桐莊礦礦井地質(zhì)條件和水文條件,設(shè)計(jì)回灌工藝對(duì)礦井水進(jìn)行了回灌處理。對(duì)礦井水深地回灌可以實(shí)現(xiàn)多余礦井水零排放處理,在一定程度上節(jié)約大量費(fèi)用。

針對(duì)現(xiàn)有礦井水井下處理工藝選擇受限、處理量小,地面處理占地面積大、運(yùn)行成本高,礦井水處理后外排又會(huì)產(chǎn)生高額排水費(fèi)的問題,本文從礦井水處理現(xiàn)狀入手,在前期工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上,博取各家所長(zhǎng),通過系統(tǒng)分析提出了基于“深地-井下-地面”聯(lián)動(dòng)的礦井水處理利用模式,為煤礦安全綠色開采、改善礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

1 煤礦礦井水處理技術(shù)現(xiàn)狀

煤礦區(qū)的水環(huán)境問題主要包括煤炭開采過程中抽排出的礦井涌水、煤炭洗選廢水和煤礦礦區(qū)生活污水等。隨著我國(guó)環(huán)保法律法規(guī)的日趨嚴(yán)格和處理工藝的不斷提升,煤礦洗選過程已經(jīng)基本上可以做到洗水閉路循環(huán);而礦區(qū)生活污水產(chǎn)生量小,經(jīng)過市政生活污水處理工藝處理后,可以達(dá)到綠化、清掃等中水回用標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)回用。因此,煤礦區(qū)水環(huán)境問題的核心內(nèi)容是如何處理和利用煤炭開采過程中抽排出的礦井涌水。

從時(shí)間維度上,煤礦礦井涌水可劃分為閉礦后產(chǎn)生的存量老空水和煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的新增礦井水[11]。對(duì)于老空水常用處理技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和生物法等[12-14]。其中,主流技術(shù)是采用地下滲透性反應(yīng)墻和石灰中和處理法。近年來,太原理工大學(xué)等單位還開展了采用人工濕地、吸附法等對(duì)老空水進(jìn)行深度處理的實(shí)踐,均取得了良好的處理效果[15]。對(duì)于煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的新增礦井水,通過礦井疏干,將其抽排至目標(biāo)區(qū),以便進(jìn)一步處理。

從空間維度上,傳統(tǒng)的礦井水處理首先需要把礦井水提升至地面進(jìn)行處理后,部分在地面直接復(fù)用,部分返回到井下復(fù)用。該處理方式存在占地面積大,基建費(fèi)用、運(yùn)行成本、提升費(fèi)用以及相應(yīng)管路鋪設(shè)費(fèi)用較高等缺點(diǎn),并且不可避免地造成二次污染。因此,近年來有很多科研工作者嘗試把礦井水在井下就地處理后直接復(fù)用,這樣不僅可以克服以上缺點(diǎn),還能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益[16]。

煤礦開采對(duì)環(huán)境的污染過程是長(zhǎng)期的,煤礦閉坑后對(duì)地下水的污染仍在持續(xù)。針對(duì)煤礦礦井水同時(shí)具有存量和增量的問題,筆者課題組曾提出“兩維一體化”煤礦礦井水處理與利用的理念[11](圖1),建立了基于時(shí)間維度的煤礦礦井水“生產(chǎn)-閉坑”全過程污染控制技術(shù)和基于空間維度的煤礦礦井水“井下-地面”分級(jí)處理與利用技術(shù)。然而,礦井涌水經(jīng)處理后,回用場(chǎng)地和所需水量都很有限,因此會(huì)向地表水環(huán)境外排多余的礦井水。當(dāng)外排水量較大時(shí),企業(yè)要向水務(wù)管理部門繳納高額的排水費(fèi),從而給企業(yè)造成沉重負(fù)擔(dān),對(duì)此,需要找到更加經(jīng)濟(jì)有效的礦井水處理方法。

圖1 “兩維一體化”煤礦礦井水分級(jí)處理與高效循環(huán)利用技術(shù)體系流程[11]Fig.1 “Two-dimensional integration” graded treatment and efficient recycling of coal mine water [11]

2 “深地-井下-地面”聯(lián)動(dòng)礦井水處理利用模式

2.1 基本原理

隨著國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出以及越來越嚴(yán)格的環(huán)保政策要求,亟待通過理念創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新探索新型的礦井水處理技術(shù)。針對(duì)礦井水外排費(fèi)用高的特點(diǎn),在充分調(diào)研礦井水處理技術(shù)和礦井水深地回灌處理的基礎(chǔ)上,提出了基于“深地-井下-地面”聯(lián)動(dòng)的礦井水處理利用模式:對(duì)于煤礦礦井涌水,依據(jù)水質(zhì)、水量條件和礦區(qū)實(shí)際情況選用適合的工藝進(jìn)行處理后,其中一部分用于地面工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、居民生活用水和礦井生產(chǎn)防塵灑水、設(shè)備冷卻水和乳化液配置用水等,其余部分則進(jìn)行回灌處理或地表排放。其整體處理利用體系和概念模型分別如圖2 和圖3 所示。需要說明的是,圖3 只是一個(gè)概念模型,其中涉及的煤層、井下處理設(shè)備、地下水庫等位置并不代表實(shí)際的布局,具體需要依據(jù)不同的煤礦特點(diǎn)進(jìn)行合理配置。

圖2 基于“深地-井下-地面”聯(lián)動(dòng)的礦井水處理利用體系Fig.2 “Deep ground-underground-surface ground” linkage system for mine water treatment and utilization

圖3 基于“深地-井下-地面”聯(lián)動(dòng)的礦井水處理與利用概念模型示意圖Fig.3 Conceptual model of “deep ground-underground-surface ground” linkage system for mine water treatment and utilization

在滿足回灌條件的基礎(chǔ)上,該模式可以同步實(shí)現(xiàn)礦井水高效低耗處理和多余礦井涌水的深地回灌處理。礦井涌水回灌前要對(duì)其進(jìn)行水質(zhì)、水量、水文地質(zhì)和回灌含水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行評(píng)估,預(yù)測(cè)其回灌后可能產(chǎn)生的水文地質(zhì)、安全和水質(zhì)方面的影響。在確保安全和回灌含水層水質(zhì)不受損害的前提下,可將礦井水回灌至煤層以下含水層(深地回灌)。對(duì)于經(jīng)評(píng)估后不適合深地回灌的情況,只能根據(jù)需要合理配置井下和地面礦井水處理系統(tǒng),處理后多余的礦井涌水進(jìn)行外排處理。采用“深地-井下-地面”聯(lián)動(dòng)的礦井水處理利用模式能夠?qū)崿F(xiàn)礦井涌水零排放,同時(shí)起到降低處理成本的作用。

2.2 深地回灌工程適用性分析

2.2.1 水質(zhì)、水量、水文、地質(zhì)、地下建筑結(jié)構(gòu)評(píng)估

實(shí)現(xiàn)礦井水深地回灌處理,必須對(duì)水量、水質(zhì)、水文、地質(zhì)、地下建筑結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全面勘察評(píng)估,系統(tǒng)掌握礦井水開發(fā)利用的歷史、現(xiàn)狀及礦井水的形成過程及地下特征、地質(zhì)環(huán)境構(gòu)造等。

水量的大小是決定地下水回灌成本的重要因素,礦井涌水量太小時(shí)無須進(jìn)行深井回灌。

對(duì)水質(zhì)的分析主要包括污染物成分分析、處理后水質(zhì)分析、為達(dá)到地下水回灌水質(zhì)要求必要的工藝設(shè)計(jì)分析等。

此外,還需要對(duì)當(dāng)?shù)氐匦?、地貌、水文地質(zhì)、巖層特點(diǎn)等進(jìn)行全面分析[17-18],包括:獲取目標(biāo)區(qū)域地下水系統(tǒng)含水層特征,如勘察回灌區(qū)上覆松散層、孔隙含水層、碎屑巖裂隙及裂隙弱含水層等地層;勘察目標(biāo)區(qū)域地下水補(bǔ)、徑、排條件;勘察目標(biāo)區(qū)域地層詳細(xì)構(gòu)造;勘察目標(biāo)區(qū)域隔水層情況。

2.2.2 回灌工程可行性分析

目前國(guó)內(nèi)尚無健全的礦井水回灌法律條文,也無具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此開展礦井水回灌的可行性分析十分必要?？尚行苑治霭ㄒ韵滤姆矫鎇19-21]。

2.2.2.1 水文地質(zhì)條件的可行性

對(duì)目標(biāo)回灌區(qū)含水層分析,包括含水層厚度和承壓情況、含水巖層組成特點(diǎn)、礦井涌水來源等。預(yù)測(cè)在實(shí)際回灌過程中,地質(zhì)單元會(huì)發(fā)生怎樣的變化,是否會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤垦a(bǔ)給造成不利影響(主要涉及水質(zhì)污染和水質(zhì)安全問題),是否會(huì)對(duì)相鄰水文地質(zhì)單元造成破壞(主要是針對(duì)鉆井過程中產(chǎn)生的巖層破壞現(xiàn)象)。此外,還需要根據(jù)具體工程情況確定回灌含水層的儲(chǔ)水能力、滲透性、邊界條件、與其他含水層間的水力聯(lián)系、回灌后是否會(huì)導(dǎo)致頂?shù)装逋凰{[22]等,只有這些條件都具備的情況下,才能說明當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件滿足回灌要求。

2.2.2.2 回灌水質(zhì)的可行性

礦井水井下安全回灌對(duì)水質(zhì)的最基本要求是回灌后不會(huì)引起地下水水質(zhì)惡化。各國(guó)普遍有地方或行業(yè)的井下安全回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)早在2005 年就出臺(tái)了《城市污水再生利用地下水回灌水質(zhì):GB/T 19772—2005》標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)踐過程中,礦井水井下安全回灌的水質(zhì)要求往往取決于地下水的用途及水質(zhì)狀況、人工回灌方式和地下水埋藏條件等因素。可以考慮處理后的礦井水首先達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3838—2002》Ⅲ類水體和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB/T 14848—2017》,同時(shí),為了保證回灌水質(zhì)的安全,處理后水質(zhì)還需要達(dá)到目標(biāo)回灌區(qū)含水層水質(zhì)要求,并且在條件適宜的情況下,盡可能保證回灌到目的層礦井水水質(zhì)優(yōu)于原目的層水質(zhì)。因此,需要定期測(cè)量,對(duì)處理后礦井水進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè),確保其中的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

此外,由于不同地區(qū)回灌目的層的水質(zhì)不同、容納效率相異,因此回灌水質(zhì)還需滿足回灌目的層所能容納的水質(zhì)指標(biāo),以保證回灌水質(zhì)與回灌目的層水質(zhì)擁有更好的匹配性。如果回灌層為地下飲水區(qū)域,則礦井涌水必須處理達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)后才可以進(jìn)行回灌,否則就會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成一定危害,同時(shí)也可能會(huì)惡化地下含水層的水質(zhì),導(dǎo)致地下水污染。當(dāng)然,將礦井涌水處理至飲用水標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在一定程度上加大水處理費(fèi)用,繼續(xù)采用深地回灌的方式是否更為經(jīng)濟(jì)需要進(jìn)一步評(píng)估分析。

2.2.2.3 回灌工程對(duì)井下安全生產(chǎn)影響的評(píng)估

煤炭開采生產(chǎn)作業(yè)是在地層內(nèi)部進(jìn)行的,空間狹小,安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。開展礦井水回灌工程,在一定程度會(huì)對(duì)地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,一旦產(chǎn)生突水等不利事件,將會(huì)影響到井下生產(chǎn)作業(yè)的安全。因此,需要開展回灌工程對(duì)井下安全生產(chǎn)的評(píng)估,重點(diǎn)是兩方面[21]:一是回灌工程所選地點(diǎn)環(huán)境條件(氣體環(huán)境、溫度環(huán)境等)的變化,是否會(huì)影響到附近區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)作業(yè);二是回灌工程所選地點(diǎn)的地質(zhì)條件(地層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)),是否會(huì)影響到附近區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)作業(yè)。礦井涌水回灌過程前的鑿井、回灌作業(yè)等會(huì)產(chǎn)生一定的震動(dòng),會(huì)對(duì)地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成一定的影響,而井下正常生產(chǎn)也需要一定的地質(zhì)承載能力,二者之間一旦建立相互作用關(guān)系,無論是回灌工程還是井下生產(chǎn)都會(huì)受到干擾,甚至產(chǎn)生安全事故。因此,必須在施工前從人員、設(shè)備、管理、技術(shù)等因素綜合分析回灌過程是否會(huì)對(duì)井下安全生產(chǎn)造成不利影響,以確保井下能夠開展正常的生產(chǎn)作業(yè)。

2.2.2.4 回灌工程對(duì)礦產(chǎn)資源影響的評(píng)估

為保證回灌過程不對(duì)礦產(chǎn)資源造成影響,回灌目的層應(yīng)位于煤系下較深層位,且回灌目的層以上應(yīng)盡可能包括較多的隔水層,如巨厚層狀的地層、砂、泥巖互層等,以便起到良好的隔水作用。同時(shí),還需考慮回灌目的層與其他礦產(chǎn)資源的距離以及中間須有良好的隔水層,以保證回灌不會(huì)影響其他礦產(chǎn)資源。此外,施工過程中要采取加強(qiáng)固井質(zhì)量,選擇優(yōu)質(zhì)套管等措施,避免串層和漏水,確保不對(duì)煤層和其他礦產(chǎn)資源產(chǎn)生影響。

經(jīng)過可行性分析后,目標(biāo)區(qū)域水文地質(zhì)條件和地下巖層結(jié)構(gòu)條件符合礦井水回灌要求的,礦井水經(jīng)過處理后部分用于礦區(qū)使用,其余部分(用于外排的)則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行全部或部分深地回灌處理;不符合回灌要求的,則需要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的具體要求進(jìn)行外排處理。

2.3 礦井水處理利用相關(guān)技術(shù)

煤礦礦區(qū)用水主要分為地面居民生活用水和井下生產(chǎn)用水。居民生活用水包括飲用、洗滌、沖廁、洗澡等;礦區(qū)井下生產(chǎn)用水包括采掘設(shè)備液壓用水、消防降塵灑水、設(shè)備冷卻水、乳化液配置用水等。根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況和實(shí)際礦井涌水的水質(zhì)水量條件,選用適合的工藝進(jìn)行處理,其中一部分回用礦區(qū),其余部分則進(jìn)行深地回灌處理。

2.3.1 礦井水“井下-地面”處理技術(shù)

2.3.1.1 不同水質(zhì)礦井水處理技術(shù)

對(duì)于煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水,按照其水質(zhì)特點(diǎn),大致可分為高懸浮物礦井水、高鐵錳礦井水、高礦化度礦井水、高氟礦井水、酸性礦井水和含特殊組分礦井水等類型[23]。

高懸浮物礦井水(高濁度礦井水)中的懸浮物含量明顯高于地表水,一般為10 ～100 mg/L,有時(shí)超過1 000 mg/L。在應(yīng)用實(shí)踐中,由于煤礦高懸浮物礦井水粒度小、密度小、沉降速率慢,易造成礦井水混凝過程中礬花形成困難、沉降效果差的問題。因此,近年來很多學(xué)者開展了新型混凝劑的研發(fā)工作,如麻博等[24]研究的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑,對(duì)濁度去除率可達(dá)99.7%。此外,一些新的工藝,如體積小、易于模塊化的聚瓷膜處理技術(shù),都具有較好的效果[25]。

含鐵、錳地下水在我國(guó)分布很廣。國(guó)內(nèi)外對(duì)含鐵、錳礦井水主要以各種氧化法除鐵錳和接觸過濾法除錳為主。在目前除鐵、錳機(jī)理尚不明確、各種參數(shù)缺乏的情況下,高懸浮物的存在使得礦井水除鐵、錳變得更加復(fù)雜,增加了處理難度。近年來,一些新工藝和新材料也不斷應(yīng)用到高鐵錳礦井水的處理中,如水合二氧化錳改性火山巖除鐵錳、MnO2/TiO2改性沸石除高鐵錳礦井水, 效果顯著[26-27]。

高礦化度礦井水是指水中含鹽量超1 000 mg/L的礦井水[28]。我國(guó)高礦化度礦井水約占礦井水總量的1/3。高礦化度礦井水的常用處理工藝有蒸餾法、電滲析法和以反滲透為主的膜分離法。對(duì)于膜分離技術(shù),其產(chǎn)生的濃鹽水是礦井水處理中的難題。要實(shí)現(xiàn)廢水零排放就必須解決濃鹽水排放問題。郭強(qiáng)等[29]采用井下采空區(qū)封存濃鹽水,可大幅度降低投資和運(yùn)行成本。顧大釗等[30]研究開發(fā)地下水庫建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)并在神東礦區(qū)建設(shè)示范工程。這都為礦井水的處理開辟了新路徑。

我國(guó)高氟礦井水中的氟含量一般在幾十至幾百毫克每升,超過國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)限值10 mg/L。近年來,氟離子排放限值越來越低,如我國(guó)大型煤礦區(qū)集中的西北省份要求外排至地表水環(huán)境的煤礦礦井水執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3838—2002》中相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值,一般以Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為主(≤1.0 mg/L)。針對(duì)以上情況,一些新的處理方法,如Ce-Mn 復(fù)合金屬氧化物改性沸石材料除氟藥劑、CFYJ-L-1 除氟藥劑,可使處理后的礦井水中氟離子濃度穩(wěn)定低于1.0 mg/L,且成本更低[31-33]。

酸性礦井水的pH 值一般在2 ～6 之間。我國(guó)酸性礦井水分布較廣,在陜、晉、魯、皖、蒙、川、桂、貴等省區(qū)均勻分布。近年來,高密度泥漿法(HDS)在酸性礦井水處理的研究和應(yīng)用中較為廣泛。鄭彭生等[34]、徐加興等[35]針對(duì)某礦山酸性廢水,采用高密度泥漿法底泥回流及金選廠炭浸尾礦渣漿輔助沉降綜合協(xié)同試驗(yàn),取得了較好的處理效果。

2.3.1.2 “井下-地面”聯(lián)合處理技術(shù)

井下空間狹小,正常生產(chǎn)需要占用大量空間,真正能夠用于井下水處理的空間更為有限。因此,必須合理利用井下采空區(qū)。濟(jì)三煤礦利用井下采空區(qū)對(duì)孔隙裂隙型水進(jìn)行處理后,供防塵灑水、設(shè)備冷卻水、乳化液配置用水使用,通過井下處理及回用后每年節(jié)約水處理成本57.82 萬元,節(jié)省排水電費(fèi)為75.50 萬元[36]。

建設(shè)地下水庫是實(shí)現(xiàn)礦井水地下存儲(chǔ)的一種重要手段。對(duì)于井下采空區(qū)儲(chǔ)水空間大、礦井水文地質(zhì)條件為中等及中等以下、擁有充足水源和所在地生態(tài)條件良好的場(chǎng)地,適合建設(shè)地下水庫[37]。謝和平等[38]提出了煤礦地下空間開發(fā)利用的六大設(shè)計(jì)原則和四大設(shè)計(jì)理念,為地下空間的利用指明了新的方向。目前,已經(jīng)有部分地下水庫正常運(yùn)行。大柳塔煤礦利用地下采空區(qū)創(chuàng)造性地建成了我國(guó)首座煤礦地下水庫,實(shí)現(xiàn)了礦井水資源的循環(huán)利用[37]。磁窯溝煤礦于2017 年正式投入使用地下水,實(shí)現(xiàn)礦井涌水零排放和礦井水資源的循環(huán)利用,創(chuàng)收經(jīng)濟(jì)效益每年79 萬元[39]。顧大釗等[40]對(duì)此煤礦地下水庫進(jìn)行研究,提出煤礦水庫安全系數(shù)概念,采用定量對(duì)比分析的方法評(píng)估煤礦地下水庫壩體的穩(wěn)定性和安全性。寸草塔二礦也合理利用采空區(qū)進(jìn)行存儲(chǔ)礦井水,每天可減少外排2 968 m3的水量,從而減少處理水的外排費(fèi)用。儲(chǔ)存的水量可用于噴霧降塵、設(shè)備冷卻、巷道保護(hù)等,實(shí)現(xiàn)了處理水回用和節(jié)能減排[41]。

為實(shí)現(xiàn)礦井水井下高效處理,應(yīng)當(dāng)盡量使用模塊化設(shè)備。程志偉等[42]提出高效旋流一體化凈化工藝。該工藝采用旋流閃混技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效混合,采用常壓節(jié)能旋流技術(shù)和二級(jí)旋流離心分離技術(shù)進(jìn)行泥水分離,整個(gè)裝置一體化集成,能最大程度的減小占地面積。張家峁礦井水處理站應(yīng)用該工藝后,礦井水懸浮物從1 466 mg/L 降低至4 mg/L,經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。狄軍貞等[43]提出了礦井水井下處理與PRB 修復(fù)相結(jié)合的原位處理方法,通過無煙煤、鋼渣、石英砂、沸石填料的不同組合構(gòu)建的PRB 活性柱對(duì)污染成分具有良好的去除效率,其最佳組合適用于含有機(jī)物、氮、磷和重金屬離子污染礦井水的井下原位修復(fù)處理。

礦井水地面處理受場(chǎng)地限制性因素小,因此可選擇的范圍較寬泛,可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。對(duì)于一般的水質(zhì),通過簡(jiǎn)單處理就能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),如冀中能源葛泉礦高懸浮物礦井水采用“混凝-沉淀-過濾”可達(dá)到工業(yè)用水排放標(biāo)準(zhǔn),后續(xù)再進(jìn)行“活性炭吸附+消毒”處理,可達(dá)到生活用水排放標(biāo)準(zhǔn)[44]。然而,隨著水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高,對(duì)礦井水處理要求也更為嚴(yán)格,尤其是高礦化度礦井水和含特殊組分的礦井水,單獨(dú)處理會(huì)消耗大量的資金。因此,需要開展節(jié)能低耗的處理技術(shù)研究,并將水處理過程與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)。顧大釗等[45]提出的高效低耗礦井水處理體系如圖4 所示。

圖4 礦井水井上-井下聯(lián)合高效低耗處理技術(shù)體系[45]Fig.4 Surface-underground mine water treatment system with high-efficiency and low energy consumption [45]

2.3.2 礦井水深地回灌處理技術(shù)

2.3.2.1 回灌目的層的選取

近年來,高礦化度礦井水和含特殊組分礦井水越來越多[45],如在我國(guó)干旱-半干旱氣候帶的西北部存在大量的高礦化度礦井水。通過“分級(jí)處理”和“分質(zhì)利用”雖能在一定程度上降低高礦化度礦井水處理能耗,但總體費(fèi)用依然很高,而通過回灌處理能有效解決這一問題。例如,毛烏素沙漠腹地某煤礦為高礦化度礦井水,通過采用地下回灌的方式,利用風(fēng)積沙層的自然過濾凈化作用去除了絕大部分的、大腸桿菌等污染物,再經(jīng)過風(fēng)積沙層中的低礦化度地下水資源稀釋作用,降低了原礦井水中的TDS,從而減少了回灌水對(duì)地下水質(zhì)的污染[46]。

礦井水回灌的目的是減少地面多余礦井水的排放,從而保護(hù)環(huán)境、降低成本,其原理是將礦井水通過壓力泵及回灌井注入深部地層中,前提是要有合適回灌目的層。

回灌目的層的選取原則[19,47]如下:

(1) 目的層應(yīng)位于煤系下較深層位,與煤層之間存在穩(wěn)定的間隔距離及隔水層。

(2) 目的層應(yīng)位于地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單的區(qū)域,應(yīng)具有良好的儲(chǔ)集性、滲透性、封閉性。

(3) 目的層砂巖應(yīng)當(dāng)總體較厚,橫向連貫性好,有足夠的儲(chǔ)集空間,且沒有貫通上下部隔水層的深大斷裂。

總之,應(yīng)定量化選擇層位參數(shù)指標(biāo),并據(jù)此建立回灌層遴選綜合評(píng)價(jià)方法,確保回灌目的層的選擇更加科學(xué)、精準(zhǔn),以進(jìn)一步增加回灌成功率,最大限度提高回灌總量,延長(zhǎng)回灌井使用年限。

2.3.2.2 回灌施工作業(yè)

確定回灌目的層后,需要根據(jù)地層情況及設(shè)計(jì)要求,采用適當(dāng)?shù)你@井方式、工藝參數(shù)、鉆井液、機(jī)械設(shè)備等進(jìn)行鉆井作業(yè);鉆井施工完成后進(jìn)行下管、固井、止水作業(yè),并進(jìn)行耐壓試驗(yàn),確保施工質(zhì)量。梧桐莊礦1 號(hào)回灌井結(jié)構(gòu)如圖5 所示[48]。梧桐莊礦煤系地層主要為埋深150～830 m 的石炭系,煤系地層的基底是奧陶系灰?guī)r,厚600 m,深度在830 ～1 430 m,其含水層巖溶裂隙發(fā)育,富水性強(qiáng),回灌目的層選在1 200 m 處。在具體施工過程中,控制頂角斜偏在0.5° ～1.0°,套管從?426 mm 至?244 mm 逐級(jí)遞減,采用組合齒輪鉆進(jìn),施工后做注水試驗(yàn),注水量約300 t/h,延續(xù)時(shí)間為72 h。

圖5 梧桐莊礦1 號(hào)回灌井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 No.1 reinjection well structure in Wutongzhuang mine

2.3.2.3 回灌試驗(yàn)

施工結(jié)束后需要進(jìn)行回灌試驗(yàn)?；毓噙^程中,需要根據(jù)設(shè)計(jì)值及實(shí)際運(yùn)行工況確定合適的回灌速率;在井田內(nèi)部及周邊利用已有的觀測(cè)孔進(jìn)行水位觀測(cè),可進(jìn)行連續(xù)一周或者更長(zhǎng)時(shí)間,對(duì)回灌量、回灌水位、水位變化等基本參數(shù)進(jìn)行研究。回灌試驗(yàn)的效果評(píng)價(jià)可以通過回灌水位及水量降幅削減值來確定[49]?；毓嘣囼?yàn)結(jié)束后,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果常采用數(shù)值模擬分析的方法評(píng)價(jià)回灌方案是否可行。該方法主要是通過設(shè)定一定的時(shí)間,依據(jù)現(xiàn)有參數(shù)和方案,預(yù)測(cè)在回灌條件下流場(chǎng)變化情況、水量變化情況等[47]。只有各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求后,才能進(jìn)行正式的回灌作業(yè)。實(shí)際回灌過程中將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、施工水平和水文地質(zhì)條件等反饋信息實(shí)時(shí)調(diào)整回灌量,確?；毓嗔髁?、孔口壓力、上升速度等符合設(shè)計(jì)要求。

在進(jìn)行礦井水深井回灌過程中,需要根據(jù)回灌區(qū)地層的結(jié)構(gòu)、巖性、水源條件、地形地貌等條件,優(yōu)化回灌方式、改進(jìn)工程工藝,從而提高回灌效率。實(shí)踐證明,工程設(shè)計(jì)的合理性與工藝控制的合理性是研發(fā)高效回灌技術(shù)的重要內(nèi)容。地面回灌方面,可通過增大回灌水頭、減小回灌時(shí)間等方法來增大回灌速率;地下灌注方面,可在凈化設(shè)施、建井設(shè)計(jì)、建井材料等方面改進(jìn)工藝來增加回灌速率[50-51]。鄭小燕等[52]針對(duì)城市地下空間開發(fā)中的地下水控制問題提出的水平輻射井回灌方法,可以增大有效入滲面積,從而增大回灌速率。

2.3.2.4 回灌水質(zhì)模擬

礦井水回灌過程中,通過在回灌井中、回灌區(qū)附近布點(diǎn)安裝相關(guān)傳感器、設(shè)備(液位傳感器、多功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè);同時(shí),通過定期取樣回灌水進(jìn)行分析,得到水質(zhì)主要組分的濃度變化情況,獲得更為全面的水質(zhì)特點(diǎn),從而展開污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究,為回灌水質(zhì)、水量及過程控制提供必要的數(shù)據(jù)支撐。監(jiān)測(cè)及取樣過程需要依據(jù)特定礦井水質(zhì)選擇合適的污染成分,如TDS、COD、Cl、F、總大腸桿菌、酸堿性、pH 值,DO(溶解氧)、濁度、氨氮、亞硝酸鹽、硫酸鹽、水溫、鹽度、總堿度和硫化氫等。礦井水回灌過程中會(huì)與地下巖層發(fā)生多種作用,主要有過濾吸附、離子交換、沉淀-溶解等,因此對(duì)特定水量、水質(zhì)和地下巖層環(huán)境進(jìn)行溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化模擬具有重要意義[53-54]。通過前期對(duì)地層巖石的物理參數(shù)和化學(xué)參數(shù)的測(cè)定以及對(duì)回灌作業(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),模擬長(zhǎng)期回灌條件下回灌礦井水流場(chǎng)變化情況和累計(jì)最大回灌值等分析,可更好地調(diào)整后續(xù)回灌作業(yè)實(shí)施。鄭強(qiáng)等[15]對(duì)閉坑礦區(qū)的酸性老空水進(jìn)行吸附研究發(fā)現(xiàn),黃土能夠有效吸附水中典型污染物,并且以化學(xué)吸附為主、物理吸附為輔,其吸附過程較符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

2.3.2.5 回灌安全性分析

開展回灌工程需要加強(qiáng)水質(zhì)安全性分析。礦井水經(jīng)過處理后產(chǎn)生的部分副產(chǎn)物可能影響地下水質(zhì),此外,除了回灌水中的某些成分與地下巖層之間產(chǎn)生的相互作用[40],還存在水動(dòng)力場(chǎng)效應(yīng)、水化學(xué)場(chǎng)效應(yīng)、微生物作用等均可能對(duì)地下水產(chǎn)生影響。因此,必須從源頭上確保回灌水質(zhì)的安全,在回灌過程中實(shí)時(shí)取樣分析檢測(cè)水質(zhì)情況,并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件參數(shù)輔助模型模擬水質(zhì)擴(kuò)散規(guī)律,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,確?；毓嗨|(zhì)不會(huì)對(duì)地下水造成不利影響。

礦井水深地回灌的安全,也要考慮回灌過程、回灌后水體對(duì)回灌含水層和煤柱的影響。一般情況下,回灌水與場(chǎng)地原始地下水組分濃度存在差異。根據(jù)原始地下水流特點(diǎn)建立地下水流數(shù)值模型,同時(shí)根據(jù)回灌水質(zhì)和回灌參數(shù)建立深部回灌污染物遷移規(guī)律數(shù)值模擬模型,考察重點(diǎn)離子或污染組分對(duì)地下水體的影響,從而為回灌水質(zhì)安全提供一定保障。地下水模擬模型與信息系統(tǒng)的集成是確?；毓嗨|(zhì)及回灌過程安全性的重要保障,在建立礦井水回灌至地下含水層的回灌管理信息系統(tǒng)時(shí),可采用“靜態(tài)+動(dòng)態(tài)”的思想?！办o態(tài)”是指固定模型的具體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)、運(yùn)移參數(shù)、模型計(jì)算方法及輸出文件格式?！皠?dòng)態(tài)”是指每次模擬都發(fā)生變化的數(shù)據(jù)部分,包括兩方面內(nèi)容,一是對(duì)水流模型模擬期的動(dòng)態(tài)處理,可以做一年或多年的模擬或預(yù)測(cè)計(jì)算;二是回灌過程水流模型的源匯項(xiàng)、運(yùn)移模型的源匯濃度和初始水位的動(dòng)態(tài)處理[55]。為保證煤柱不被地下水侵蝕,必須注重對(duì)回灌材料的選擇,同時(shí)對(duì)井壁外側(cè)需做好防震和密封處理,一般套管均選用無縫鋼管,采用對(duì)焊或外接箍絲扣連接;此外,回灌井的安全穩(wěn)定非常重要,必須通過地質(zhì)條件、受力分析等核算材料規(guī)格。

另外,還要分析礦井水深地回灌過程對(duì)安全生產(chǎn)的影響,尤其是預(yù)防底板突水的發(fā)生。為使礦井水深地回灌盡可能不影響礦區(qū)安全生產(chǎn),需要根據(jù)確定的回灌點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究,分析預(yù)測(cè)回灌工程對(duì)附近生產(chǎn)過程可能造成的影響,同時(shí)通過完善安全管理制度、增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控力度、消除安全違規(guī)行為、提升生產(chǎn)安全管理水平來規(guī)避可能存在的安全隱患[21]。為避免礦井水回灌過程擾動(dòng)附近地層的地質(zhì)條件,引發(fā)第Ⅱ類中間狀態(tài)和第Ⅲ類危險(xiǎn)狀態(tài)的煤層底板突水的情況,可在井孔附近注漿加固,同時(shí)必須加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測(cè),防止底板斷裂出水。對(duì)底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),可以利用層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、脆弱性指數(shù)法、Fisher 判別分析模型等方法進(jìn)行判別[56]。

3 結(jié) 論

(1) 提出了基于“深地-井下-地面”聯(lián)動(dòng)的礦井水處理利用新模式。所建模式對(duì)于我國(guó)煤礦礦井水處理及資源化利用具有重要的參考意義。

(2) 論述了深地回灌工程技術(shù)的適用條件,包括煤礦區(qū)水質(zhì)、水量、水文、地質(zhì)、地下建筑結(jié)構(gòu)等評(píng)估和回灌工程的可行性分析。

(3) 總結(jié)了不同水質(zhì)礦井水處理技術(shù)和“井下-地面”協(xié)同處理技術(shù)體系。

(4) 從回灌目的層的選取、施工作業(yè)、回灌試驗(yàn)、回灌水質(zhì)模擬及安全性分析等方面,總結(jié)了礦井水深地回灌工程的主要技術(shù)工藝。