承壓開采技術在地下礦山廢水減排中的應用*

杜新亮，劉長武，劉樹新，曹磊，周曉明

(1.水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都 610065;2.四川大學水利水電學院，四川成都 610065)

承壓開采技術在地下礦山廢水減排中的應用*

杜新亮，劉長武，劉樹新，曹磊，周曉明

(1.水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都 610065;2.四川大學水利水電學院，四川成都 610065)

地下礦山的廢水減排是針對地下礦山開采過程中造成的水環境嚴重破壞問題而提出的。承壓開采是在盡量不影響礦井水文地質條件下所使用的帶壓開采技術，可以很好地解決資源開采對地下水原始賦存狀態的破壞問題，從而取得良好的經濟、社會和環境效益。論文以冀中能源股份有限公司葛泉礦東井1195回采工作面為例，系統總結了地下礦山承壓開采的技術方法和途徑，分析了承壓開采在礦山廢水減排中的意義和作用及取得的社會和經濟效益。

地下礦山;廢水減排;承壓開采;隔水關鍵層;突水防治

1 引言

近年我國的工業發展取得了顯著的成效。2010年，我國工業增加值達18.64萬億元，占國民經濟總量的比重達到46.8%，工業增加值連續5年保持年均13.5%以上的增長速度。由于工業消耗主要以礦藏資源為主，礦藏資源在我國經濟發展中具有重要作用。隨著我國礦產量的不斷增加，礦藏開采所帶來的環境問題愈加突出［1］。礦藏資源開采過程中產生的污染源(如礦山廢水、礦井廢氣、煤矸石、噪聲、粉塵及地表沉陷等)嚴重破壞了生態環境。其中又以“三廢”(即廢水、廢矸、廢氣)帶來的問題最為突出。由于我國大部分礦區分布在干旱和半干旱地區，探索適合我國國情的并有利于資源開發與環保的礦藏開采技術就成為當前人們十分關注的熱點課題［2-4］。

2 地下礦藏開發引起的環境問題

地下礦藏的大規模開發與利用，在對經濟發展起到巨大推動作用的同時，也對環境產生了重大影響，如地下礦藏開采引起地表塌陷，采掘過程中產生的廢矸石及排出的廢氣、廢水、粉塵等都對環境造成嚴重的影響，使部分地面建筑物損壞和礦區生態系統遭到破壞。其中以“三廢”(即廢水、廢氣、廢渣)帶來的污染問題最為突出［5］。

2.1 廢氣與粉塵污染

各類地下礦藏開發過程中都伴隨有大量廢氣的排放。以煤礦為例，我國大部分煤礦都是瓦斯礦井，并且高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井約占礦井總數40%左右［6］。此外，在井下其它作業過程中還產生部分有害氣體，如柴油動力機械排放的廢氣中含有大量的NOX;井下使用的硝胺炸藥在爆炸過程中產生CO和NOX;地下礦藏自燃產生CO，CO2等。為了井下生產安全，通常采用通風方式將井下的有害氣體抽出礦井排入大氣中。CO2、NOX、CH4、CO及H2S等是造成大氣污染和溫室效應的有害源，嚴重影響地球的氣候和生態環境，已引起國際環境組織和世界各國的廣泛重視。

2.2 固體廢棄物污染

固體廢棄物污染主要指地下礦藏開采過程產生的棄渣和矸石。地下礦藏開采過程中，會同時采出部分頂、底板圍巖及夾雜在有用礦物中的巖石，經過洗選分離后的這些巖石或尾礦作為固體廢棄物堆積起來成為矸石山或尾礦庫。煤矸石或尾礦庫對環境的影響首先表現為侵占土地，破壞自然景觀(據不完全統計，我國煤矸石累計堆積已達30億t［6］，占地55萬m2以上);其次是矸石山和尾礦庫排出的大量煙塵、CO、H2S、SO2等有害氣體，損害人體健康，抑制作物生長，腐蝕構筑物等。

2.3 水體污染

“三廢”中，廢水對環境的破壞最大，造成的后果也最嚴重。水體污染主要分為兩類:一是地下礦藏開采對地下水水位的影響，包含對淺層、中層和深層地下水的影響;二是礦區生活污水、礦井生產過程中產生的礦井廢水對地下水水質的影響［7］。

(1)地下開采對淺、中層地下水的影響。

淺、中層地下水是工業用水和生活用水的主要水源，由于受地下采礦活動的影響，礦體下的巖層及上覆巖層(包括松散沖擊層)中的垂向裂縫增多、增大，地下含水層中的水快速地向下滲透，形成了區域性地下水位降落漏斗，淺、中層地下水逐年被疏干。

(2)地下開采對深層地下水的影響。

地下開采過程中，為維持采礦工作的正常進行及采掘工作面的橫向和縱深的發展，必須將工作面周圍的水或潛在的水排出。隨著開采深度的加大，采掘工作面附近的深層含水層水被截留，轉化為礦井廢水排出，礦井排水量逐年增加，導致深層地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范圍和幅度也越來越大。深層地下水位一再下降，很難在短時期內得到恢復［7］。

(3)地下開采對地下水水質的影響。

礦井疏排(抽排)地下水是地下礦藏開采過程中的一項基本工藝過程。該工藝過程所造成的后果主要體現在2個方面:一是當含有有害雜質的地下水排到地面時，可導致地表含水層、淺層土壤的污染;另一方面礦山的疏、排水工作改變了該區域地下水系統的自然、物理和化學格局，并對地下水系統(包括地下水的儲存量和水質流場的介質等)產生反作用。兩種作用都將引起礦區生態環境的變化，并且反過來對礦區開發建設帶來不利影響。

3 地下礦藏承壓開采的技術原理

3.1 承壓開采的基本原理

隨著礦井開采深度、開采速度、開采強度、開采規模的增加和擴大，一些礦區(特別是華北石炭二疊系礦區)來自底部的灰巖裂隙巖溶高承壓水的威脅日趨嚴重，底板巖層在采動的影響下的破壞程度也日趨加劇，許多礦井突水事故都與之密切相關，如圖1所示?！俺袎洪_采”技術是指在不疏降地下水位的情況下，回采工作面底板含水層有較高的承壓水作用時，通過底板封堵、加固等手段來保證工作面不產生水害事故的開采方式［8］。此時承壓水的水位高于開采水平，因此叫承壓開采。其特點是:“以防為主，承壓開采，適當疏排，輔以截堵”。采前和開采過程中，可在礦區外圍截堵地下水的補給源，盡量減少水的動儲量;同時，在承壓開采中根據礦井涌水量和承壓大小進行適當的疏水降壓，以達到安全開采的目的。該方法安全、經濟、合理，對大多數開采地質條件都可以使用。因此，底板承壓開采的理論研究及生產實踐受到了人們的高度重視［9］。

圖1 承壓開采底板裂隙垂直分帶示意圖

3.2 承壓開采技術

承壓開采是在有效保護地下水環境前提下的開采技術。承壓開采技術主要包含兩個方面的內容。

(1)承壓開采的三種途徑:一是合理選擇開采區域;二是采取合理的采礦方法和工程措施;三是適當留設防水(砂)礦(巖)柱。

(2)承壓開采的兩種方法:一是減小導水斷裂帶高度實現頂部帶壓開采。具體來說就是通過充填開采、條帶開采、分層開采、協調開采、限厚開采等方法來實現減小裂隙帶高度。二是以底板加固為主導的底板承壓開采。對于底部賦存巖溶水或承壓水體的礦體，工作面底板加固就是對底板隔水層薄弱帶進行注漿強化處理，既降低底板巖層的滲透性，又提高底板巖層的承載能力，起到了封堵和加固的雙重作用［10］。

4 承壓開采在礦山廢水減排中的應用

根據上面所述的原理和方法，對河北冀中能源股份有限公司葛泉礦東井1195工作面進行了承壓開采的技術實踐。不但成功地開采出按一般方法“暫不可利用的儲量”，同時，也大大減小了礦井的廢水排放量，實現了資源開發與環保并重的目標。

葛泉礦東井位于邯邢地區百泉地質單元邢臺煤礦和葛泉礦匯流區內［11］。1195工作面位于大油村向斜構造的一翼，處于SF2斷層下盤，主采石炭系太原組9#煤層。煤層呈單斜構造。煤層底板距奧灰強含水層43～45m，礦區附近奧灰水水位+40～+ 45m，1195工作面開采標高-60～-130m，承壓1.0～1.75MPa，屬于奧灰水位下的帶壓開采，客觀上存在奧灰水突水威脅。為保證生產安全，對1195工作面底板巖層進行注漿封堵、加固是十分必要的。

針對以上情況，現場進行了如下的布置和操作:

4.1 注漿孔布置

(1)工程布置。

1195工作面開采前，前期的底板注漿加固工作通過鄰的1194工作面運料巷進行。后期在1195運料巷及運輸巷布置了鉆窩進行注漿加固工作。

具體的注漿鉆孔布置及相互關系如圖2所示。

圖2 1195工作面底板注漿鉆孔布置圖

(2)鉆孔結構。

注漿孔單孔由孔口管(?108)、止水套管(?89)和裸孔注漿段(?75)組成。在符合相關規程的基礎上，因鉆孔位置的巖性、水壓以及初見水量大小而不同，止水套管埋深在煤層底板下6～10m，終孔位置為穿過本溪灰巖底2m。注漿鉆孔結構如圖3所示。

圖3 注漿孔單孔結構示意圖

4.2 注漿系統及注漿工藝

根據葛泉礦東井注漿量大、注漿范圍廣、注漿時間長等實際特點，選用了目前國內先進的井上、下聯合注漿系統。該系統的主體是地面注漿站。注漿站具有風動下料、射流造漿、制漿過程自動跟蹤控制，水泥注漿量自動計量、注漿密度自動監測等優點。

采用下行、分段注漿方式，注漿之前先進行壓水試驗，根據壓水試驗結果計算注漿段單位吸漿量，然后確定漿液配比與濃度進行注漿。

(1)注漿段選擇。

由于煤層底板下10m范圍內為采動破壞范圍，因此注漿加固與改造的目的層為煤層底板以下10m至本溪灰巖底部的富水構造巖層。

(2)壓水試驗。

注漿之前首先用清水進行壓水試驗，壓水試驗時間穩定30～60min，根據壓水試驗的結果確定注漿漿液的比重與泥漿泵的檔位。

(3)注漿材料與配比。

采用純水泥漿液灌注，漿液濃度遵循由稀到濃的原則，逐級改變，結束時又略變稀。一般采用1.1比重水泥漿試注，視注漿壓力變化情況調節漿液比重。

(4)注漿技術要求。

①當注漿壓力保持不變，吸漿量均勻減少時;或吸漿量不變，壓力均勻升高時，注漿工作應該持續下去，一般不改變水灰比;

②注漿時，當改變漿液水灰比后，如注漿壓力突然增或吸漿量突然減少，應立即停泵、查明原因、進行處理;

③注漿前后及注漿時都必須觀測鄰孔的水量、渾濁度及水位變化情況，以便判斷或發現鉆孔串漿，便于及時處理;

④一般情況下，注漿工作必須連續進行，直至結束。當注漿孔段已經用到最大濃度的漿液，吸漿量仍然很大，不見減少，孔口壓力無明顯上升或發生底鼓及底板裂隙漏漿時，應采用間歇式注漿，間歇性注漿仍然出現吸漿量不減，壓力不升等情況時，可以考慮添加速凝劑或注砂、碎石、石渣等骨料。

(5)注漿結束標準。

①結束壓力:以本溪灰巖含水層靜水壓力的2.5倍以上為標準，即6～8MPa作為結束壓力;

②結束吸漿量，一般以35L/min左右為標準，且越小越好。

達到結束壓力時，掃孔下鉆進行下一孔段的注漿。注漿工作結束后，對注漿孔予以封閉。

以上措施的實施，不但滿足了工作面安全生產的要求，而且由于有效地封堵了地下水的涌出途徑，降低了工作面的涌水量，1195工作面采后的單孔涌水量在5m3/h左右，比該礦其它工作面的單孔平均涌水量27m3/h降低了許多，從而大大減小了礦井的廢水減排。

利用承壓開采技術對“暫不可利用儲量”進行開發利用，不但直接解放了一般方法不能開采的吊滯煤炭，而且由于少排礦井廢水，又可以減少噸煤的生產成本。

承壓開采技術的利用，使葛泉礦東井每小時少排水264.5m3，據葛泉礦的統計結果，排出1 m3的水成本是1元。據此可以計算出全礦1年節省的排水費為:

M=365天×24h×264.5 m3×1元/m3=231.7萬元，即每年通過少排地下廢水一項，可獲得直接經濟效益231.7萬元。

5 結論

結合葛泉礦東井1195工作面具體的煤層賦存條件和開采技術條件，對受底板巖溶承壓水威脅的工作面承壓開采技術進行了系統研究。并且通過現場工業性試驗和工業應用，證明了研究結果在技術、經濟與環璋保護等方面的實用性。

(1)受底板巖溶承壓水威脅的華北石炭二疊系煤田的下組煤(太原組)，通過對煤層底板本溪灰巖含水層的注漿加固，改造成相對隔水層后，大幅度增加了煤層和更深處奧灰高承壓含水層的距離，使部分地段可以滿足安全生產的要求，從而大大增加了礦井的可采儲量。

(2)利用隔水關層的阻水、隔水原理實施承壓開采，可大大減少地下礦藏生產過程中的廢水排放量，不僅節約資金，而且保護地下水資源，能夠同時獲得良好的經濟、社會和環境效益。

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［4］謝中強.淺析煤炭綠色開采技術［J］.中州煤炭，2009，5:45-46.

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Application of Mining above the Confined Aquifer Technology in Wastewater Reduction

DU Xin-liang，LIU Chang-wu，LIU Shu-Xin，CAO Lei，ZHOU Xiao-ming

(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Chengdu，Sichuan 610065，China;
2.College of Water Resource＆Hydropower of Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China)

With respect to the serious water environment problems of underground mine，a new concept of wastewater reduction is proposed.Mining above the confined aquifer will be conducted under the condition that it does not affect regional hydrogeologic conditions，It can be a good solution to the resources exploitation of groundwater occurrence the destruction of the original state.The goal is to maximize the economic，social and environmental benefits.This paper introduces the JIZHONG energy resources Co.，LTD existed in gequan coal mine east well of stope face 1195 as an example，systematically summarizes the ways and methods for mining above the confined aquifer，analyzes the meaning and the role of mining above the confined aquifer in the mine wastewater emission reduction and the social and economic benefits.

underground mine;wastewater reduction;mining above the confined aquifer;water-resisting key strata;water inrush control

X751

B

1009-3842(2012)02-0043-04

2011-02-09

國家自然科學基金資助項目(50879049;50574064);國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2010CB226802)

杜新亮(1987-)，男，新疆石河子人，碩士研究生，研究方向為地下工程。E-mail:dxl091301@tom.com