礦井廢水回灌工程試驗研究

李世峰，高文婷，牛永強，王屹

(1.河北工程大學資源學院，河北邯鄲056038;2.河北省資源勘查重點實驗室，河北 邯鄲056038;3.冀中能源峰峰集團梧桐莊礦，河北邯鄲056000)

梧桐莊煤礦是一個現(xiàn)代化大水礦井，礦井水水質(zhì)具有以含煤粉為主的高懸浮物特征和Ca2+、Mg2+離子含量較高的高礦化度特征，含鹽量嚴重超標，灌溉農(nóng)田會對土壤和農(nóng)作物產(chǎn)生不利影響。對于高礦化度礦井水，目前國內(nèi)應用廣泛的方法是脫鹽法，而該礦礦井水濃度太高，脫鹽處理成本太大，經(jīng)濟上不合理。因此，提出將處理后的礦井廢水向煤系地層下覆奧陶系含水層回灌技術方案，該方案在全國同行業(yè)中尚屬首例。處理后的礦井廢水能否順利回灌到含水層，以及含水層是否會發(fā)生堵塞，都要通過對回灌工程進行試驗研究來解決。

1 礦井水回灌背景條件

1.1 井田地質(zhì)與含水層水文地質(zhì)特征

梧桐莊井田位于峰峰礦區(qū)的南部，鼓山斷裂隆起的南部傾伏端。井田的東西兩側(cè)的地層由于斷層的切割相對下降而使井田基巖地層抬起，呈一近似的三角形地壘塊段，井田內(nèi)地層總體走向北東，傾向南東，傾角一般15°左右。井田地質(zhì)構(gòu)造以NNE向為主，NWW向為輔。該礦為一掩蓋區(qū)，地層由老至新為奧陶系、石炭系、二疊系及新生界。煤系基底為奧陶系灰?guī)r(簡稱奧灰)，厚度約600 m，巖溶裂隙發(fā)育，單位涌水量為1.258～6.438 L/som，富水性強［1]。奧灰含水層的水質(zhì)類型為 Cl·SO4－ Na·Ca或 Cl·SO4－ Ca·Na型水，礦化度為 5.2 ～5.7 g/L，pH 值為 7.5 ～7.6，rNa/rCl=0.8，反映出封閉構(gòu)造內(nèi)的水交替停滯狀態(tài)的水化學特征［2]。含水層厚度大，介質(zhì)巖性滲透系數(shù)高，透水能力強，補給條件好，比較適合于地下水人工補給，具備回灌、存貯高礦化度水的基本地質(zhì)構(gòu)造條件［3]。并且回灌量總是小于礦井排水量。因此，回灌時，該水文地質(zhì)單元仍是被補給單元，不會補給相鄰水文地質(zhì)單元，即相鄰水文地質(zhì)單元水質(zhì)不會受到影響。

1.2 礦井廢水水質(zhì)及對含水層的影響

礦井廢水是指因開采煤炭資源而抽排的地下水及礦井涌水的總稱，水質(zhì)類型為Cl·SO4－Na·Ca型水，礦化度5.356 g/L，水溫高達43℃，與奧灰含水層的水質(zhì)類型相同，礦化度值接近，且水溫一致，說明礦井排水的主要水源來自奧灰水補給。因此，將排出的廢水再通過一定的裝置回灌到含水層，使得奧灰水質(zhì)不會發(fā)生大的改變。

2 礦井水回灌工程試驗

2.1 回灌方法

在礦井水處理廠附近，施工1口回灌井進行回灌工程試驗研究，單井孔深1 200 m，回灌目的層為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，奧陶系以上地層全部用套管止水封閉，奧陶系用祼孔有利于回灌和節(jié)省費用。單井回灌量為258.4 m3/h，利用地面標高與奧灰含水層水位標高差(100 m)，將經(jīng)過凈化的礦井水回灌至奧灰含水層中儲存起來。在井田內(nèi)部及周邊利用已有的觀測孔進行水位觀測。

2.2 連續(xù)回灌試驗

自2004年10月16日至20日連續(xù)五天對礦井處理水進行首次連續(xù)回灌試驗［4]，回灌水位－96.5 m(回灌前的靜水位為－102 m)，初始回灌量為258 t/h，回灌結(jié)束時回灌量約230 t/h，五天回灌總量約28 000 t。連續(xù)回灌期間，對回灌量、回灌水位、水位變化等基本數(shù)據(jù)見表1所示，結(jié)果見圖1。

表1 連續(xù)回灌試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 The monitoring data of continuous recharge test

由表1和圖1可以看出，采取連續(xù)回灌方式對礦井水進行回灌，隨著回灌時間的增長，回灌量會逐漸減小，在10月18日之后趨于平緩，到10月20日回灌量為236 t/h;而單位回灌量由10月16日的46.82 t/h.m 減小至10月20日的37.63 t/h.m，同回灌量一樣，也是在10月18日之后趨于平緩。回灌水位在礦井水回灌期間基本維持在－96 m左右，正負誤差在±0.5 m范圍之內(nèi)，即回灌水位基本為常數(shù)。

回灌效率表示了回灌過程中回灌效能，表1數(shù)據(jù)顯示回灌效率由10月16日的62.4%減小至10月20日的50.2%，回灌效率有一定程度的減小，說明回灌過程中所存在的一定程度的堵塞現(xiàn)象，同時也說明回灌目的層介質(zhì)滲透性比較大，比較適合回灌。

2.3 間斷回灌與不定時回揚回灌試驗

為了清除堵塞含水層和回灌井的雜質(zhì)，在進行回灌時必須進行回揚。間斷回灌與不定時回揚能夠減輕回灌井的堵塞問題，提高回灌效率。為此，自2004年10月25日進行以間斷回灌與不定時回揚方式進行礦井水回灌試驗。回灌采用間斷進行的方式，每回灌4 h，停灌20或30 min，反復進行;回揚則不定時進行，共4次，步驟如下:

第一次是回灌前的洗井，回揚前靜水位－102 m，回揚時動水位－117 m。第二次在回灌28 h(包括間歇時間)后回揚，先揚水15 min，接著停15 min，如此進行2回。第三次在繼續(xù)回灌20 h(包括間歇時間)后回揚，先揚水10 min，接著停10 min，如此進行3回。第四次是在停灌后回揚，此時測得靜水位－101 m，回揚的動水位為－118 m。回灌試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

本次試驗回灌進行總時間65 h，除去停灌時間和回揚時間，實灌56 h時，總回灌量約14 600 m3，揚水量792 m3，為回灌量的5.42%。試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出:1)在每段回灌時間內(nèi)，回灌量都逐漸減小，回灌水位則逐漸上升。而經(jīng)過20 min或30 min的停灌以后，重新回灌時的回灌量總比前次回灌末期的回灌量略增0.5 m3～1.0 m3，回灌水位則稍下降0.2 m ～1.0 m。

2)從各個回灌時段的總趨勢來看，在每次回揚之前，回灌量和單位回灌量都是不斷減小的，而回灌水位則是不斷上升的。如在第二次回揚前的28 h內(nèi)，單位回灌量從59.23 m3/h·m 下降到38.04 m3/h·m;第三次回揚前的20 h內(nèi)，單位回灌量從49.43 m3/h·m 下降到35.51 t/h·m;第四次回揚前的12 h內(nèi)，單位回灌量從49.33 m3/h·m下降到36.06 m3/h·m。

3)不定期回揚能增加回灌量，降低回灌水位，如經(jīng)過第二次回揚后，單位回灌量從38.04 m3/h·m增加為49.43 m3/h·m;經(jīng)第三次回揚后，單位回灌量從35.51 m3/h·m 增加為49.33 m3/h·m。

4)用此種回灌與回揚方式而引起的回灌前后水位降幅削減值為8 m，由此求得的回灌量水位降幅削減值為0.548×10－3 m/m3，回灌水位降幅削減值為 0.143 m/h。

2.4 連續(xù)回灌與定時回揚回灌試驗

自2004年11月1日進行以連續(xù)回灌與定時回揚方式進行礦井水回灌試驗，考察連續(xù)回灌時間24 h、回揚和連續(xù)回灌時間12 h回揚兩種方式。

1)連續(xù)回灌12 h，回揚一次。每次回揚先揚水5 min，接著停5 min，如此進行三遍。回灌共進行了5次。回灌試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

從圖3看出，連續(xù)回灌的12 h定時回揚方式，回揚頻率相對頻繁，但回灌量衰減速率和回灌水位上升速率均較其它兩種方式慢，回灌效率相對較高。其原因在于回灌層和回灌井還沒有完全堵塞，即被回揚所清除，使單位回灌量得以提高。

本次試驗的實際回灌時間58 h，總回灌量15 000 m3，回灌前后相比，其回灌量水位降幅削減值為 0.224 m × 10－3/m3，回灌水位降深削減值為0.058 m/h(見表 4)。

2)連續(xù)回灌24 h左右，回揚一次。每次回揚先揚水10 min，接著停10 min，如此進行三遍。試驗的實際回灌時間93 h，總回灌量23 900 m3，回灌前測得靜水位 －101.0 m，動水位 －119.5 m;回灌后測得靜水位 －99.2 m，動水位 －119.2 m，回灌前后相比，其回灌量水位降幅削減值為0.439×10－3m/m3，回灌水位降深削減值為 0.113 m/h。

3 回灌工程試驗評價

3.1 對水文地質(zhì)條件的影響

梧桐莊礦礦井水回灌目的層為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，該含水層厚度大，介質(zhì)巖性滲透系數(shù)高，透水能力強，補給條件好，比較適合于地下水人工補給，具備回灌、存貯高礦化度水的基本地質(zhì)構(gòu)造條件，并且回灌量總是小于礦井排水量。因此，在回灌狀態(tài)下，該水文地質(zhì)單元對于相鄰含水層而言仍是被補給單元，不會補給相鄰水文地質(zhì)單元，即相鄰水文地質(zhì)單元的水質(zhì)不會受到影響。

3.2 回灌水水質(zhì)對含水層的影響

礦井水回灌對回灌水水質(zhì)的要求是既不能污染地下水水源，也不能使回灌井或回灌目的含水層堵塞［5－6]。

根據(jù)回灌水質(zhì)的要求，結(jié)合梧桐莊礦井水水質(zhì)特點及回灌目的層，本研究提出梧桐莊礦井水進行地下水回灌的水質(zhì)要求為不高于飲用水對有機指標和濁度的要求，即耗氧量小于3 mg/L，濁度不大于 5°。

首先對原礦井水進行混凝反應，然后經(jīng)斜板沉淀，再經(jīng)石英砂過濾，最后投加二氧化氯消毒，這樣既可有效殺滅微生物，杜絕其大量繁殖堵塞回灌井的可能性，又可氧化礦井水中的微量有機物，避免地下水受到污染。即處理后的水質(zhì)完全滿足回灌水水質(zhì)的要求［7－8]。

表2 間斷回灌與不定時回揚試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.2 The monitoring data of discontinuous rechargeand recharge test about redelivery without time

表3 連續(xù)回灌與定時回揚試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.3 The monitoring data of continuous recharge and timing recharge test about redelivery

表4 水位降幅削減值計算表Tab.4 The calculation table of reduction value of decreasing range about water level

3.3 回灌工程方案評價

礦井水回灌包括回灌量的確定和回灌方式的選擇，因此，礦井水回灌工程方案應該對兩個方面進行可行性評價。

1)回灌量可行性評價:2003年以來，梧桐莊礦礦井涌水量逐年下降，目前穩(wěn)定值為400 m3/h～450 m3/h。從模型預測結(jié)果看［9]，以 450 m3/h 的速度回灌8～10年，奧灰水的流場不會產(chǎn)生顯著變化。若礦井排水67%來自奧灰水，邊界水位上升幅度0.3 m～1.2 m之間;若礦井排水80%來自奧灰水，邊界水位上升0.2 m ～0.75 m，完全不會改變井田奧灰水與井田周邊奧陶系地下水的補給關系，井田水動力條件也不會產(chǎn)生明顯的變化。

回灌狀態(tài)下，其它含水層仍在補給井田區(qū)，但補給量已減少，說明回灌能有效的節(jié)省地下水資源。回灌后，井田外圍區(qū)的地下水水質(zhì)也并沒有受到很大的影響。從礦區(qū)水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造分析回灌是可行的。

2)回灌方式評價:梧桐莊礦井水回灌試驗研究成果表明，在回灌期間進行回揚可以減輕含水層和回灌井的堵塞，使回灌量和回灌水位得到較好的恢復，確保回灌井正常回灌;以回灌量水位降幅削減值作為回灌效果的評價標準，則最好采用每回灌12 h回揚一次的方式。礦井水回灌奧灰含水層試驗比較成功，證明礦井水回灌工程方案可行。

4 結(jié)語

地下水人工補給成功的必要前提是所補給的含水層要具有足夠的厚度和透水性，并且回灌水的水質(zhì)要符合要求。通過對梧桐莊礦井田地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、處理水水質(zhì)和回灌工程方案等方面研究，該礦礦井水經(jīng)處理后回灌于奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r含水層，回灌工藝方案正確，技術路線切實可行，效果良好，目前正在建立二期回灌工程。該項目的實施無疑為礦井廢水處理找到了一條較好的出路，同時也為含水層保護方案、防止水源枯竭及地面沉降奠定了基礎。

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