同忻煤礦地下水庫建設與水資源保護技術研究

胡自龍,柴文玉

(晉能控股煤業集團 同忻煤礦山西有限公司,山西 大同 037000)

據2020年世界能源統計年鑒,中國煤炭生產和消費量分別占全球的47.6%和52.9%,為全球最大的煤炭生產國和消費國[1]。此外,國家統計局初步核算,2020年我國原煤產量達3.9×109t,全年消費煤炭2.83×109t,占能源消費總量的56.8%,預計到2030年煤炭占我國一次能源消費的比重仍在50%以上,煤炭作為主體能源的地位在短期內不可動搖[2]。

我國中西部地區(晉陜蒙甘寧)煤炭資源豐富,占全國探明煤炭資源儲量的近2/3,每年貢獻全國70%的煤炭消費量,卻僅占有全國3.9%的水資源[3]。煤炭資源的大規模開采產生了數以億噸的礦井廢水,導致水資源短缺、生態環境脆弱和煤炭資源開發利用之間的矛盾日益嚴峻。針對上述問題,2015年國務院提出“推進礦井水綜合利用,實現礦井突水控制與水資源保護一體化”的要求。眾多學者[4-7]研究發明了短壁采煤、分層開采、限制采高、充填式開采、留設煤柱等“保水采煤”技術,但現有技術在埋藏較淺的厚煤層、大采高礦井難以推廣,且存在成本高、效率低、資源浪費嚴重等問題。為此,神東礦區大柳塔煤礦開發建設了我國第一個煤礦地下水庫,為干旱地區水資源保護利用和資源開發開辟了新思路[8-10]。

同忻煤礦為侏羅系和石炭-二疊系雙系開采井田,當前主要開采石炭-二疊系煤層,上覆侏羅系煤炭資源已開采殆盡,采空區低洼處積水嚴重,積水面積達6.28×106m2,同時存在約250 m3/h的動態補給水[11-12]。豐富的礦井水資源對下伏石炭-二疊系煤炭資源的開采造成嚴重威脅,同時增加了地面污水處理系統和礦井排水系統的壓力。因此,建設井下水庫,實現“煤水共采”,在消除上覆采空區積水隱患的同時降低了生產成本，保護了水資源和生態環境,為其他礦區水資源的保護利用提供參考。

1 地質概況

大同煤田屬華北地區新華夏構造體系的重要組成部分,整體為一NE走向(30°～50°)的不對稱向斜構造(大同向斜),向斜東南翼較陡(傾角20°～60°)西北翼趨于平緩(傾角5°～15°),形狀近似呈長軸狀。該區西鄰呂梁經向構造帶北端的西石山脈,東接大同盆地,北抵內蒙古陸隆起帶,南以洪濤山與寧武煤田相望,是我國華北聚煤區北部重要的多紀煤田(圖1)[11-12]。

同忻煤礦位于大同煤田NE部，大同向斜東翼,呈NE—SW向(10°～50°)展布,傾向NE,東高西低的單斜構造(圖1)。井田內構造平緩,地層傾角多為2°～3°,東部及東南部煤層露頭處地層較陡(30°～50°),局部地區甚至出現直立或倒轉現象[11-12]。

圖1 大同煤田構造形態示意圖Fig.1 Schematic diagram of Datong coalfield structure

前人研究表明[11-12],同忻井田經歷了加里東和海西期構造抬升剝蝕、印支期巖漿侵入破壞、燕山和喜山期構造運動疊加等階段,發育有灰巖裂隙含水層和砂巖孔隙、裂隙含水層等(圖2),含水層單位涌水量0.000 6～0.013 L/(s·m),滲透系數0.001～0.066 m/d,富水性較弱。石炭系本溪組下部發育鐵鋁質泥巖夾薄層狀灰巖,軟硬疊加,平均厚度約27.18 m,是太原組下部煤層與奧陶系灰巖間的良好隔水層[11-12],山西組、永定莊組厚層泥巖和砂質泥巖也是井田內主要隔水層。

圖2 同忻煤礦水文地質綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive hydrogeological histogram of Tongxin Coal Mine

口泉河流經井田南部,為季節性河流,主要存在大氣降水和河流沿岸煤礦礦井水補給。隨著煤礦大規模開采,口泉河已成為滲透性河谷,井田范圍內沿途滲漏量約85.13 m3/h[11-12]。井田內地表水體一部分沿地表徑流排走,另一部分入滲補給地下水,成為侏羅系礦井采空區積水直接水源,或以三水轉化的形式成為下伏石炭—二疊系礦井的間接充水水源。

同忻井田石炭系3#-5#煤層總厚度0～37.95 m,平均14.38 m,含有8～15層夾矸。根據《礦區水文地質工程地質勘探規范(GB12719—1991)》[13]及井田內煤層頂底板巖石工程地質條件,石炭系3#—5#煤層回采后冒落帶平均發育高度約57.52 m,導水裂隙帶平均發育高度約207.64 m,井田內部分區域出現石炭系3#-5#煤層導通上覆侏羅系14#煤層采空區積水現象(同忻井田石炭系3#—5#層與侏羅系14#層間距為56.85～235.12 m),嚴重威脅下伏工作面安全回采(圖2)。實現“煤水共采”是消除上覆積水隱患、保護礦區水源和助力降本增效的重要之舉[14-15]。

2 井下水源

2.1 井下水源特征

目前,同忻礦井下共有3處穩定出水水源,分別位于井田二盤區輔運大巷南側南8202工作面T4-1、T2-1放水孔;二盤區8202工作面采空區5202巷密閉返水管;井底車場上覆同家梁礦水倉放水孔。各出水點在井田內的平面位置分布如圖3所示。

1)南8202工作面T4-1、T2-1放水孔。同忻煤礦南8202工作面上覆侏羅系14#層同家梁礦410盤區及白洞礦404盤區采空區,侏羅系14#層與石炭系3#—5#層平均層間距約190 m。針對上覆侏羅系14#層采空區積水情況,共設計施工30個井下探放水孔、1個地面放水孔和1個地面大孔徑抽水井。截止2020年6月底,共計疏放上覆侏羅系采空區積水2.67×106m3,當前仍有兩個鉆孔(T4-1、T2-1)出水,水量約59.50 m3/h(圖3)。根據對T4-1和T2-1鉆孔放水量的長期觀測,預計南8202工作面上覆侏羅系采空區存在相對穩定的動態補給水,補給量為55 m3/h～65 m3/h。

2)8202工作面采空區5202巷密閉返水管。同忻煤礦8202工作面上覆同家梁礦侏羅系14#與15#煤層間5#暗斜井。根據前期摸排勘查,該暗斜井存在約60 m3/h的補給水量。由于受石炭系3#—5#煤層8202、8203等工作面的采動影響,5#暗斜井進入上覆導水裂隙帶發育范圍內。2019年5月8202工作面采空區5202巷密閉返水管開始涌水,實測涌水量約80 m3/h,現密閉仍有出水,水量穩定在85 m3/h左右(圖3)。

圖3 同忻煤礦井下出水點平面分布及水量變化圖Fig.3 Plane distribution and water volume variation of water outlet points of Tongxin Coal Mine

3)井底車場上覆同家梁礦水倉放水孔。同忻煤礦井底車場對應上覆同家梁礦井底水倉和204泵房,屬于同家梁礦高程最低點。同家梁礦關閉前,井底水倉排水量為83.33 m3/h。同家梁礦關閉后,同忻礦于井底車場消防材料庫向同家梁礦低洼處水倉施工1個定向放水孔(鉆孔傾角+15°,孔深519 m)。自2017年5月中旬開始放水,截止2020年6月底共計疏放積水1.01×106m3,目前,鉆孔水量穩定在66.67 m3/h左右。

2.2 水源水質分析

本次研究共采集同忻煤礦井下3個穩定出水點的6個水樣,由山西省煤炭工業廳綜合測試中心和山西省地質勘查局二一七地質隊水化學實驗室共同檢測。依據DZ/T0064—1993《地下水質檢驗方法》[16]對其進行陽離子(Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Fe3+、Mn2+)、陰離子(Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-)、溶解性總固體(TDS)、固體懸浮物含量(SS)、大腸菌群數和pH值等檢測,每個樣品在室內實驗測試3次,取平均值進行后續研究。通過對比分析研究,得出不同出水點的水質類型、水質情況和水源特征,為后期井下廢水處理和利用提供理論依據。

根據水質檢測結果(表1),同忻煤礦南8202工作面放水孔水樣TDS值為1 656 mg/L～1 760 mg/L；pH值為7.47～7.68,呈弱堿性;水樣陽離子以Ca2+和Na+為主,質量濃度分別為198.45 mg/L～234.44 mg/L和173.49 mg/L～198.23 mg/L,K+濃度最低(12.84 mg/L～15.98 mg/L);水樣陰離子中SO42-質量濃度最高，為666.42 mg/L～798.26 mg/L,其次為HCO3-(320.63 mg/L～351.01 mg/L)和Cl-(226.66 mg/L～235.55 mg/L),CO32-質量濃度維持在3 mg/L以下,占據一定比重的HCO3-。由此表明該區域相對較好的徑流條件,與地表水體及淺部地下水有較強的水力聯系,這與該放水孔長期穩定出水的特征相吻合[17]。5202巷密閉返水管和上覆同家梁礦放水孔水樣離子特征與南8202工作面水樣相似,pH值呈弱堿性,陽離子同樣以Ca2+和Na+為主,陰離子中SO42-質量濃度最高,CO32-質量濃度最低,但三者TDS值存在一定差異,5202密閉返水管水樣TDS值(1 905 mg/L～2 150 mg/L)相對較高,上覆同家梁礦水樣則相對偏低,這與不同區域地下水的連通性和流動性密切相關。

表1 同忻煤礦井下出水點水質分析測試結果Table 1 Water quality analysis and test results of underground water outlet of Tongxin Coal Mine

水化學條件在研究地下水水化學特征及演化規律方面意義重大。Piper三線圖可以直觀反映出不同水質類型、水源相關性以及水質演化過程等[18-20]。將本次研究的6個水樣繪制在Piper三線圖中(圖4),樣品集中分布在菱形區域6、9區,不同水樣的水化學特征具有很強的相似性,南8202工作面和5202巷密閉返水管水樣以SO4-Ca·Mg型水為主,上覆同家梁礦水樣HCO3-質量濃度偏高,表現出SO4·HCO3-Ca·Mg型水特點,這與該區域較好的地下水徑流條件有關。

圖4 同忻煤礦井下水樣Piper三線圖Fig.4 Piper diagram of underground water samples of Tongxin Coal Mine

以往研究[11-12]指出,同忻煤礦第四系松散孔隙含水層除接受大氣降水和河流滲漏補給外,局部接受巖溶地下水的頂托補給,水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型,礦化度600 mg/L,由西向東徑流,補給山前沖洪積盆地;石炭-二疊系及侏羅系砂巖含水層水以SO4·HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型水為主,礦化度290 mg/L～1 000 mg/L,局部可達1 400 mg/L;寒武-奧陶系巖溶含水層水則表現為HCO3-Ca·Mg型。綜上所述,同忻煤礦井下出水點水源特征與地表第四系松散孔隙含水層水和石炭系上覆砂巖含水層水的水化學特征更為相似,考慮為地表水、上覆砂巖水以及采空區積水混合補給。

此外,在Schoeller折線圖[21-22](圖5)中,6個水樣的折線形狀相近,各離子含量一致,結合在Piper三線圖中分布情況,初步判定本次所研究水樣有著相似水源,為采空區積水與地表水或淺層地下水混合所致,取樣點長期穩定出水的特征也側面印證了地表水或淺層地下水的補給。

圖5 同忻煤礦井下水樣Schoeller折線圖Fig.5 Schoeller line chart of underground water samples of Tongxin Coal Mine

本次研究中6個不同水樣均檢測到重金屬離子存在,其中Fe3+質量濃度為0.11～0.43 mg/L,平均0.23 mg/L；Mn2+質量濃度為0.04～0.38 mg/L,平均0.23 mg/L；上覆同家梁礦水樣的Fe3+、Mn2+濃度最高,這可能與同家梁礦侏羅系采空區及水倉內殘留一定數量鐵器材料和徑流條件有關(表1)。本次研究所采集水樣中SS含量為3.52 mg/L～6.14 mg/L,平均4.61 mg/L,且均未檢測到大腸菌群,各方面水質特征均滿足煤礦井下消防、灑水設計規范要求[23],可作為井下水庫建設的長期穩定供水水源。

2.3 井下用水情況統計

同忻煤礦井下用水主要包含井下消防用水、大巷沖洗除塵用水、綜放工作面用水、備采工作面用水、掘進工作面用水和煤層注水等5個方面。按照煤礦井下消防、灑水設計規范要求,井下各方面用水情況如表2所示。

表2 同忻煤礦井下用水情況統計表Table 2 Underground Water Usage in Tongxin Coal Mine

目前,同忻煤礦現有3個綜放工作面、2個備采工作面及11個掘進工作面,以1.30的富余系數估算,井下每天總計消耗水量(12+9.92×3+1×2+3.54×11+6)×24×1.30=2 767 m3。大量的井下用水不僅增加了企業的噸煤生產成本,還破壞了礦區內地下水生態平衡。同忻煤礦作為千萬噸級現代化智能礦井,打破煤礦傳統用水模式,充分利用井下已有穩定水源,通過簡單處理實現礦井水的重復高效利用是企業可持續發展的長久之計。

2.4 地下水庫建設

同忻煤礦充分利用井下3個穩定出水點建設井下水庫,將礦井水進行匯集、處理和重復利用[24]。結合現場實際條件,井下水庫布置于二盤區輔運巷以南、井底水倉以東,左右端口分別與第二回風巷及二盤區輔運巷相連,主要巷道長480 m,采用矩形斷面(5.5 m×4.5 m),其中凈化水段長180 m;蓄水段長300 m,蓄水深度2.5 m,有效容積3 000 m3;配電硐室長15 m,寬2.3 m,高1.8 m;配備2臺MD200-40×2型消防離心泵，流量200 m3/h,揚程80 m。地下水庫平面布置如圖6所示。

圖6 同忻礦井下水庫平面布置圖Fig.6 Layoutof the underground reservoir of Tongxin Coal Mine

本次礦井水綜合治理利用主要將井下涌水引入地下水庫凈化水段,通過加入CaO等進行簡單凈化除硬,加入聚丙烯酰胺(PAM)對礦井水中懸浮物進行絮凝、黏合,產生的污泥接入中央水泵房,處理后的水經多介質過濾器深層過濾,中水最終進入后續蓄水段,后期采用消防水泵與井下供水管路直接對接,滿足井下日常生產用水；部分中水則通過管路接入地面污水處理廠,經過進一步凈化滿足地面景觀用水和附近工業園區用水(圖7)[4,24]。

圖7 井下水源處理凈化流程圖Fig.7 Flow chart of underground water treatment and purification

3 結論

同忻煤礦地下水庫的建設投用,使井下污水處理能力達95 m3/h,按6.5元/t水費計算,企業每年可節約購水費用540.90萬元。此外,依據井下中央水泵房排水系統檢測檢驗報告,主排水泵噸水百米耗電為0.49 kW·h,若將井下每天產生的礦井水排至地面污水處理廠(高程差400 m),每年預計需要電費114.17萬元;污水處理廠凈化每方礦井水預計消耗電費和材料費0.28元,每年則需處理費用23.30萬元。綜上所述,地下水庫建設項目每年可為礦方節約費用678.37萬元。

井下水庫建設有效緩解了地面污水處理廠處理能力不足的問題,同時減輕了因采掘工作面增多帶來的礦井排水系統壓力,每年可節約井下生產用水費用數百萬元。此外,井下水庫建設實現了“煤水共采”技術的應用與推廣,一定程度上減輕了上覆侏羅系及同層采空區積水的威脅,加快了井下探放水工程施工進展,保障了礦井防治水安全。與此同時,實現了井下廢水零排放,保護了礦區生態平衡,改善了水文地質環境,為晉北煤炭開采地區地下水資源保護利用開辟了新方法。