煤礦轉型為專用地下水庫技術研究

彭海兵，李瑞群

(國能神東煤炭集團補連塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

為了保護中國西部礦區相對脆弱的生態環境，特別是保護寶貴的礦井水資源，神東礦區利用采空區矸石的凈化作用和儲存空間，創造性地發明了煤礦地下水庫技術，地下水庫的建成發揮了巨大的水資源保護作用，既保證礦井正常生產用水，又提供部分地面生產生活用水。但煤炭資源畢竟是有限的，礦井資源回收完畢后，如果直接將礦井廢棄封閉，那么煤礦井下的地下水庫將無法繼續使用，也就無法發揮對西部礦井水資源保護和生態環境保護的作用，無形中造成了很大的浪費。如果在資源回收完畢后，繼續保留礦井必需的生產系統，保持地下水庫的運行，將其專門作為地下水庫繼續進行使用，通過采取改造措施將開采完畢的礦井繼續作為水資源儲存和凈化的工廠進行使用，對于繼續發揮煤礦地下水庫水資源保護利用的作用具有重要意義。同時還可以考慮進一步擴大地下水庫的凈化范圍，將地面污水也注入到專用地下水庫，從而形成地面和井下一體化的地下水庫運行模式。

1 神東礦區地下水庫建設及應用情況

1.1 煤礦地下水庫的概念

煤礦地下水庫是指利用井下煤柱和人工壩體將井下采空區形成封閉的空間對礦井水進行儲存，將礦井水注入采空區，礦井水流動過程中利用采空區矸石實現對礦井水的凈化，使其凈化為清水，同時在地面和井下建設相應的抽采與回灌工程，實現礦井水的抽采利用與回灌儲存，這一整套系統稱為煤礦地下水庫[1 -3]。

圖1 煤礦地下水庫示意Fig.1 Schematic diagram of coal mine underground reservoir

1.2 煤礦地下水庫的建設條件

煤礦建設地下水庫要充分考慮對水資源進行保護的價值以及礦井是否具備建設地下水庫的技術條件，建設煤礦地下水庫需符合以下主要條件。

礦井必須位于水資源缺乏的地區，采用地下水庫技術對于水資源保護和生態環境保護的價值大。礦井水文地質類型必須為簡單或中等；在這種條件下，礦井地下水庫的應用和管理相對更加容易，在安全上也更加有保證，如果水文地質類型為復雜或極復雜，就增大了礦井水害管控的難度，不利于地下水庫的使用和管理；礦井必須采用全部垮落法管理頂板，由于地下水庫的核心原理是利用采空區的矸石對礦井水進行過濾和儲存，因此工作面頂板必須采用全部垮落法進行管理，才能形成采空區矸石和采空區儲水空間，否則不適合建設地下水庫；煤層傾角不宜過大，一般傾角不大于6 °，傾角越小越有利于建設地下水庫，傾角過大不利于保證地下水庫的庫容量，也不利于壩體的穩定。

1.3 煤礦地下水庫建設核心技術

煤礦地下水庫建設的核心技術主要包含水庫選址、壩體構筑、庫容確定、水體調運、水位監測等等，經過多年的建設和發展形成了集規劃設計、建設、運行和監控技術為主要內容的地下水庫核心技術，實現清污分流，分質供水，分類利用。地下水庫建設關鍵技術見表1。

表1 煤礦地下水庫關鍵技術

1.4 神東礦區地下水庫建設情況

神東煤炭集團于1998年開始在大柳塔井22601綜采采空區進行儲水試驗，將生產過程中產生的污水注入22601采空區進行沉淀、過濾后用于礦井生產用水，不再從地面供水，形成了地下水庫建設的雛形。經過不斷的實踐和探索，到2007年采空區儲水方案已基本成熟和完善，大部分礦井將生產過程中產生的污水注入綜采采空區進行儲存復用。采空區復用水根據水質情況，有的直接作為礦井生產、地表灌溉用水，有的經簡單處理后作為工業、生活和灌溉用水，有的經深度處理后作為飲用水。截至2020年底，神東煤炭集團11個礦井共有15個儲水采空區，儲水面積15.63×106m2。 通過采空區對礦井水的儲存和調蓄，解決礦區水資源短缺的問題，實現礦井均衡排水、綠色開采和節能減排目標。近年來，礦井水利用量占到礦區總用水量的95%以上。2010—2019年，神東礦井水儲水利用累計節約污水處理費和工業用水費約19.3億元。

2 煤礦開采結束后地下水庫改造建設和安全管理

2.1 礦井開采結束后產生的變化

煤礦開采結束后，井下所有的采掘活動終止，礦井的地層運動也停止，井下涌水量趨于穩定，保證礦井正常生產的各個系統也終止運行，礦井開采結束后帶來的主要變化有如下2個方面。

2.1.1 地質方面的變化

礦井開采結束后，由于井下沒有采掘作業場所產生，也不再產生對含水層和巖層的破壞，礦井涌水量趨于穩定。同時由于采掘作業停止，不再有井下污水產生，井下涌水為清水，這也使得煤礦地下水庫閑置出更大的處理能力，為利用地下水庫處理地面污水提供更大的能力。

2.1.2 井下主要生產系統方面的變化

礦井開采結束后，如果礦井直接關閉，所有生產系統均不再使用，處于停用狀態，正常情況下將對各系統設施進行拆除，如果考慮到地下水庫的改造和繼續使用，就需要對各個生產系統采取不同的處置措施，對于不再使用的系統進行拆除，部分仍然需要的系統進行保留或者改造。例如主運系統完全不再使用，予以拆除；對于通風系統、輔助運輸系統、供排水系統和供電系統將繼續保留，但保留下的系統能力將大幅縮減。

2.2 礦井開采結束后地下水庫的改造建設和運行

如果礦井作為專門使用的地下水庫運行，需要在原有巷道和生產系統的基礎上進行一定的改造，同時要保證所需系統的正常運行，這些系統主要包括通風系統、供排水系統、供電系統、輔助運輸系統。

2.2.1 封閉不使用的巷道

由于礦井回采完畢后作為專用地下水庫進行使用，為了簡化管理，方便維護，盡量將不使用的巷道進行封閉，保留的巷道僅為礦井的大巷和地下水庫工作區的巷道。在封閉巷道時注意以下事項。

如果封閉區域為地下水庫，則需要在封閉位置施工規格和強度較高的人工壩體，人工壩體的施工位置最好在地下水庫整體規劃時就提前規劃好位置，在封閉時直接采用；對于普通的封閉則不需要施工人工壩體，僅施工普通防火密閉；在施工人工壩體時，注意壩體的位置要在距離聯巷口向里5～6 m的位置施工，這樣一旦人工壩體需要加固時，還有加固的空間；針對地下水庫內部的普通密閉施工，為了保證地下水庫之間儲水的通暢，避免形成階梯水庫，通常在普通密閉埋設“U”型返水管。

2.2.2 通風系統

地下水庫運行期間，由于沒有采掘工作面，也就沒有井下污染和有害氣體的產生，僅需要在礦井主要大巷和地下水庫工作區域提供作業人員用風量，保持主要大巷和地下水庫工作區域的需風量即可，井下通風量大幅度減小。因此礦井主要通風機需要更換為小型通風機，礦井作為專用地下水庫使用時的通風系統如圖2所示。

圖2 通風系統示意Fig.2 Schematic diagram of ventilation system

2.2.3 供排水系統

在礦井作為專用地下水庫使用后，井下的供排水系統將成為最關鍵的生產系統之一，為了保證專用地下水庫的運行，原有的供排水系統要進行一定的改造，以往供采掘工作面使用的供排水管路需全部拆除，對保證地下水庫運行的供排水系統進行改造，確保井下供排水系統的能力能夠保證清水和污水的循環使用，為了保證礦井抗災能力，井下主要排水泵房仍然保留。

取水和回灌管路：通過地下水庫凈化后的清水，可利用管路在地勢較低處的壩體進行引流取用，如此可實現“清水自流”，管路布設應與壩體施工同時進行。同理，來自采掘面的污水也由管路在地勢較高處引流注入水庫中。其中，無論取水或回灌管路，都應在管路與取用/回灌水源之間布設中轉水倉。煤礦地下水庫的取水和回灌管路布置如圖3所示[4 -7]。

同一水平庫間管道建設：為實現水庫整體運行安全，通過對原有井下供排水管道進行改造升級，將同一水平的不同地下水庫相互連通，實現庫間水量調配和突發情況下水體緊急調運，保障煤礦地下水庫壩體安全，同一水平煤礦地下水庫庫間連通管道如圖4所示。

圖3 煤礦地下水庫取水和回灌管路布置Fig.3 Water intake and reinjection pipeline layout of coal mine underground reservoir

圖4 同一水平煤礦地下水庫庫間連通管道Fig.4 Connecting pipeline between underground reservoirs of the same level coal mine

上下水平煤層通道建設：開采不同水平煤層時，為實現上下煤層的地下水庫庫間連通便利，研發出上下層水庫間大垂距(超過100 m)、高壓差(超過1 MPa)和高貫通精度的大口徑鉆進技術，以便于上下煤層的取水和污水回灌，不同水平地下水庫庫間垂直管道建設如圖5所示。

圖5 不同水平地下水庫庫間垂直管道建設Fig.5 Construction of vertical pipes between underground reservoirs at different levels

地面管路系統與井下管路系統對接：在礦井作為專用地下水庫使用后，可以利用地下水庫對地面污水進行處理，即實現地面污水注入井下地下水庫，經地下水庫進行凈化和儲存，再將清水供到地面進行應用，為了保證這一系統的正常運轉，需要將地面管路系統和井下管路系統進行對接，形成井上下的立體循環系統[8 -16]，煤礦地下水庫立體循環系統模型如圖6所示。

圖6 煤礦地下水庫立體循環系統模型Fig.6 Three dimensional circulation system model of underground reservoir in coal mine

2.2.4 供電系統

井下供電系統主要是保證供排水系統的電力，用電量相比正常生產時大大降低，但為了保證供電系統的可靠，礦井仍然必須采用雙回路供電，確保供排水系統的可靠運行。

2.2.5 輔助運輸系統

輔助運輸系統主要是保證大巷和地下水庫工作區域的輔助運輸，在原有的輔助運輸系統的基礎上無需再進行特殊的改造，神東礦區的輔助運輸系統仍然采用無軌膠輪車輔助運輸系統。

3 地下水庫的安全設施建設和安全管理

在作為專用地下水庫進行使用后，地下水庫的儲存量加大，安全管理也更加重要，為了保證專用地下水庫的安全，需要建設配套的安全設施并加強相應的安全管理，主要包括以下方面。

在地下水庫關鍵部位的水倉要安設防災大泵，并且水泵和開關設施要盡可能安設高一些，一般為1 m以上；與地下水庫相聯通的所有巷道要全部掌握清楚，不能有遺漏，全部封閉嚴實，特別是位于地下水庫最高水位標高以下的各人工壩體必須加固可靠，強度足夠，預防水災；人工壩體上的所有引水管路閥門都要施工保護設施，以防車輛撞壞時，水管無法關閉而造成水災；在已存水的采空區周圍附近，如果相鄰有正在生產的小煤窯，要強調告訴小煤窯不能越界開采，預防水淹小煤窯；定期對井下采空區水位、人工壩體和煤柱壩體進行巡檢，發現異常及時采取有效措施進行處理；井下必須安裝水位監測系統，實時掌握水位情況，設置警戒水位，當超過警戒水位時及時泄放或者在水庫間進行調動，確保水庫安全。

4 效益分析

4.1 生態效益

礦井回采完畢后繼續保持地下水庫的應用，不僅儲存西部礦區寶貴的水資源，而且由于井下礦井污水不在產生，可以富余出大量凈化能力對地面污水進行凈化處理。經地下水庫處理的礦井水可以分為直接供地面使用的清水和進一步經地面深度污水廠處理的污水，這樣井下地下水庫的水和地面污水廠形成一整套銜接系統，實現地面污水凈化處理和儲存。

4.2 經濟效益

煤礦地下水庫的費用主要包含建設費用和運行費用，其中建設費用主要包含人工壩體建設和管路建設費用，運行費用主要是供排水電費。

經過測算地下水庫的建設費用為1.04元/m3，運行費用為0.09元/m3，合計費用為1.13元/m3。按照3元/m3的水價計算，采用地下水庫技術的經濟效益為1.87元/m3。

5 結語

神東煤炭集團經過多年的實踐與總結，形成一套高效建設與安全運行地下水庫的關鍵技術，包括水庫選址、壩體建設、污水回灌和清水取用管網布置等，解決礦井的供排水、污水處理、水災防治和環境保護等問題，在礦井回采完畢后，繼續將礦井作為專用地下水庫進行使用，實現地面污水凈化和循環利用，產生巨大的社會效益和經濟效益，對煤炭安全、高效、綠色開發具有重大環境生態效應。