创新的煤矿绿色开采技术


——矿井水地面管井深部回灌的技术方法与应用

        煤矿突水被认为是生产中的重大灾害之一，也是世界产煤国家面对的一大安全开采难题[1]，作者1999年在全面系统分析华北型煤田矿井水患和矿区水资源合理开发利用以及生态环境问题等方面的基础上，提出了煤矿排—供—生态环保三位一体优化结合的思路，从理论上探讨了综合解决煤矿区愈来愈严重的排供矛盾和生态环境问题的可能性[2,3]。随着时代的进步、技术的更新，新问题也不断出现。根据河北峰峰集团梧桐庄煤矿矿井水水患问题，作者提出了矿井水控制、处理、利用、回灌与生态环保五位一体优化结合策略，为类似地质和水文地质条件下的华北型煤矿发展指明了一个新的发展方向。
        冀中能源峰峰集团梧桐庄煤矿具有极为特殊复杂的水文地质条件，在建井和生产阶段发生过多次严重突水事故。1995年12月3日，在建井期间发生了断层突水，导致了淹井事故。2000年5月14日，采煤过程中掘进头迎头左帮淋水增大，出水量42m3/h。2001年3月10日，该矿巷道顶板发生突水，实测增加水量130m3/h，导致巷道再次被淹。2002年6月7日，该矿首采区工作面发生异常涌水，底板含水层热水上涌，出水量480m3/h，致使工作面被淹，整个采区处于半停产状态。
        梧桐庄煤矿矿井水具有Ca2+、Mg2+离子含量较高的高矿化度特征和煤粉为主的高悬浮物特征，矿化度达5000mg/L、总硬度达2000mg/L、悬浮物含量1800mg/L，属典型的“三高（高矿化度、高硬度和高悬浮物）”废水。大量的高矿化度矿井水作为生产废水未经处理直接外排，矿区周边的生态环境遭到了严重破坏，当地农民和梧桐庄煤矿均受到了巨大的经济损失。为此，地方环保部门已把梧桐庄煤矿的矿井水直排问题列为限期治理项目。在此情况下，根据该矿井田地质构造和水文地质条件，研究矿井突水机理，对矿井水进行控制、处理、综合利用和深层回灌，开辟出了一条矿井废水资源化和矿井废水零排放的道路，既保护了当地生态环境，同时也实现了煤矿绿色开采战略目标。

        研究区概况

        冀中能源峰峰集团梧桐庄矿位于河北省邯郸市峰峰矿区南部，毗邻磁县西部，以北神岗村为中心，北距峰峰市区12km，东距磁县城15km，地理坐标为北纬36°19′，东经114°12′。该矿矿井面积40km2，1992年10月建矿，2001年5月首采工作面开始设备试运转，2003年10月投产。设计年产量120万吨，目前已达到1.80Mt/a的生产规模，是峰峰集团按照高产高效模式建设的大型现代化矿井。随着产量的增加，开采工作面相应增加，井下矿井水的涌水量也会相应增加，其地下水具有矿化度高、硬度高的特点，并且又具有极为特殊复杂的地质构造与水文地质条件。
        梧桐庄井田基本为一掩盖区，仅在西北部有上二叠统出露。地层由老至新有：下古生界中奥陶统，上古生界石炭系、二叠系，新生界第三系及第四系沉积地层。本井田可划分为十个含水层，自下往上依次为奥陶系灰岩含水层（Ⅰ）；石炭系太原组大青（Ⅱ）、小青（Ⅲ）、伏青（Ⅳ）、山青（Ⅴ）、野青（Ⅵ）灰岩含水层；二叠系山西组砂岩含水层（Ⅶ）、石盒子组砂岩含水层（Ⅷ）；石千峰组砂岩含水层（Ⅸ）；第三系、第四系含水层（X）。
        根据构造分割和水文地质条件特征，峰峰矿区鼓山东划分为四种不同强度的径流区(强径流区、弱径流区、半停滞区、停滞区)，梧桐庄煤矿井位于鼓山东侧南端停滞区，奥陶系灰岩为煤系基盘，总厚度约600m，并为井田主要含水层及各含水层的总补给源。在基本封闭的地垒块段，天然条件下奥陶系灰岩含水层及煤系含水层基本处于停滞状态。深层地下水为煤系地层含水层和奥陶系灰岩含水层水，由于受井田边界断层的阻水和上覆隔水层的封闭作用，补给径流排泄条件较差，相对滞流，与地表水系和浅层地下水基本无水力联系。而在断裂破碎带、褶曲轴部等部位岩溶、裂隙较发育，富水性较好，并具有明显的不均一性。井田勘探资料显示，奥陶系灰岩含水层分布面积广、厚度大、水压高、富水性强、导水通道发育，单位涌水量为1.258～6.438L/s.m，对矿井生产构成严重威胁。

        矿井水处理和利用

        梧桐庄煤矿矿井涌水主要源自奥陶系灰岩含水层水，补给径流排泄条件较差，相对滞流，在长期水岩相互作用下，形成高矿化度、高硬度水质；并且矿井涌水在流经采煤工作面和巷道时，由于带入大量煤粉和岩粉等悬浮颗粒而具有高悬浮物的特性；此外，由于矿工生产生活活动的影响，还使矿井水含有较多的细菌。该矿矿井水经封堵控制后，涌水量1100m3/h，由于水资源比较紧张，根据该矿生产要求，200m3/h的矿井水经过处理后用于矿井井下消防、防尘等生产用水；125m3/h的矿井水经过处理后作为矿井井上生产、生活用水，要求处理后水质达到《生活饮用水水质卫生规范（2001）》要求；剩余775 m3/h的矿井水由于矿化度较高，外排会造成生态环境破坏，经过充分的研究，775m3/h矿井水对地下水进行深层回灌，经过处理后达到地下水进行回灌的水质要求，回灌水水质不高于回灌目标含水层的水质背景值。矿井水处理工艺如图1所示。

        梧桐庄煤矿井田处于相对独立的水文地质单元，井田区为相对滞缓的排泄区，与地表水系和浅层地下水基本无水力联系，主要通过深部奥陶系灰岩含水层与其他井田或地下水系统联系，并且联系微弱，仅在井田西南角边界接受深层奥灰水补给。在广泛调研与技术论证的基础上，将矿井水井处理后回灌至1200m以下的奥陶系灰岩含水层。为此，本研究工程设计3个回灌井，单井孔深1200m，单井最大回灌量为300m3/h。回灌目的层为奥陶系中统马家沟灰岩，奥灰总厚度约605m，含水层厚度大，以厚层状、质纯的豹皮状灰岩、角砾状灰岩以及白云质灰岩为主，所以采用管井注入法对地下水进行回灌。管井注入法的主要优点是:不受地形条件限制，也不受地面厚层弱透水层分布和地下水位埋深等条件的限制。此外，占地少，水量浪费少，不易受地面气候变化等因素影响；缺点是井管和含水层易被堵塞。该方法主要适合于因地面弱透水层较厚或地面场地限制不能修建地面入渗工程的地区，特别适合于用来补给承压含水层或埋藏较深的潜水含水层。回灌井淤堵(塞或积)是地下水人工回灌要解决的主要问题，本项目地下水回灌工程研究主要考察回灌水量随时间变化规律、回灌井堵塞控制措施等，提高地下水回灌效率。
        回灌井布置。矿井水回灌井处于韦武神岗背斜轴部东侧，地面高程＋222m，工程设计为3个回灌井，单井孔深1200m，单井回灌量为258.4m3/h，总回灌量为775m3/h，回灌目的层为奥陶系中统马家沟灰岩，奥陶系以上地层全部用套管止水封闭。根据井下生产揭露，奥灰含水层裂隙溶洞发育富水程度较高，利用地面标高与奥灰含水层水位（＋122m）标高差，将经过净化的矿井水回灌至奥灰含水层中储存起来（见图2）。

        回灌试验。为了清除堵塞含水层和回灌井的杂质，稳定回灌量和回灌压力，在进行回灌时必须进行回扬。本研究考察了连续回灌、间断回灌与不定时回扬、连续回灌与定时回扬三种回灌方式。通过四种回灌与回扬方式试验研究可以得出如下三点结论：
        1、经现场矿井水回灌试验，梧桐庄矿矿井水回灌奥陶系中统马家沟灰岩含水层比较成功，采用连续回灌与定时回扬可以清除含水层和回灌井的堵塞问题，保证回灌量和回灌压力持续稳定。
        2、在矿井水回灌过程之间进行回扬，与连续回灌下进行回扬相比，能较好地恢复回灌量和回灌水位，保证回灌井比较正常地进行回灌。
        3、以回灌量水位降幅削减值作为回灌效果的评价标准，则采用回灌12小时回扬一次的方式最好（回灌量水位降幅削减值为0.224米/千吨），连续回灌与定时回扬试验结果如图3所示。

        回灌效果

        利用数值模拟来预测人工回灌对井田奥灰水流渗场的影响，定量研究回灌过程中井田奥灰水与周边奥陶系地下水的水动力条件。通过建立水文地质概念模型，梧桐庄煤矿井田奥陶系岩溶地下水流可概化为非均质介质中三维承压非稳定流问题[4]，数学模型为：
        式中：Kxx、Kyy、Kzz分别为主轴方向渗透系数；
        h0(x,y,z)为奥灰水初始水头值；
        h1(x,y,z,t)为奥灰含水层第一类边界上的实测水头值；
        q(x,y,z,t)为奥灰含水层第二类边界上的单位面积流量；
        Ω为渗流区域；
        г1为第一类边界曲面；
        г2为第二类边界曲面；
        n为外法线方向；
        w为源汇项包括：矿井涌水、越流排泄和人工回灌溉。
        通过数值模拟，可以得出结论：地下水人工回灌对井田奥灰水流场有一定的影响，回灌中心附近，流场变化较大，而较远的地段，流场变化较小，如东边界附近、西边界附近及南部地段流场形态变化较小，整个井田流场形态依然为西高东低缓慢下降，也就是说回灌对田奥灰水流场有一定的影响，但还远没有达到改变奥灰水天然径流状态的强度。

        研究结论

        针对华北型煤矿突水灾害问题，本文提出的矿井水控制、处理、利用、回灌、生态环保五位一体策略较好地解决了煤矿矿井水害、水资源与生态环保问题，实现了煤矿可持续开采和绿色开采的战略目标。地面管井对深部地下水回灌采用连续回灌与定时回扬方式效果较好，可以有效解决回灌过程中的淤堵、回灌量和回灌压力问题。对回灌效果地下水流场进行数值模拟，地下水人工回灌对井田奥灰水流场有一定的影响，但还远没有达到改变奥灰水天然径流状态的强度。

            责编/吴 浪

参考文献
        [1] 陈元良，何绪文：我国矿井水处理利用现状及存在问题[J]，科技创新导报，2009，24：72-75.
        [2] 武强，董东林，石占华等：华北型煤田排—供—生态环保三位一体优化结合研究[J]，中国科学(D辑)，1999，29（6）：567-573.
        [3] WU Qiang,LIDuo,DIZhiqiang,etal.Combination of drainage, water supply and environmental protection as well as rational distribution of water resource in Zhengzhou mining district[J], Science in China Series D Earth Sciences, 2005, 48（10）：1768-1779.
        [4] G. Bekesi, J. McConchie. Groundwater recharge modelling using the Monte Carlo technique, Manawatu region, New Zealand[J], Journal of Hydrology, 1999( 224) 3: 137-148.

本文作者
        中国矿业大学 地球科学与测绘工程学院 武强
        河北工业大学 能源与环境工程学院 王志强
        冀中能源峰峰集团  郭周克 张党育 陈亚杰
                            赵鹏飞  陈   宇 王铁记
                            刘   存  王   屹