崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑煤礦采空區(qū)水庫水資源循環(huán)利用技術

彭丹丹

（贛州市天鷹水利水電規(guī)劃設計有限公司，江西 贛州 341000）

利用采空區(qū)修建地下水庫，可基于“導儲用”水循環(huán)利用技術將漏失水資源以及生產污水重新過濾、凈化，讓水資源的利用價值得到再生，達到循環(huán)利用的目的。基于地下水庫的水資源循環(huán)利用技術，真正做到了礦井水不外排，既解決了水污染問題和水害問題，同時還能節(jié)約用水費用，創(chuàng)造可觀的經濟效益。當然，在應用地下水庫“導儲用”水循環(huán)利用技術時，像地下水庫的選址與建設，污水回灌與清水取用的管路布置等，也都是需要關注的技術要點。只有熟練掌握該技術的應用要點，才能在保證礦區(qū)作業(yè)安全的前提下，切實發(fā)揮節(jié)水和環(huán)保效益。

1 項目概況及水庫水資源利用現(xiàn)狀

崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦的礦區(qū)面積為5054 m2，可采深度范圍+650 m～+450 m，可采儲量631.2 kt，可采煤層2 層，可采煤層總厚度1.75 m，采煤方法為走向長壁法。該礦區(qū)的開采時間較早，目前已經出現(xiàn)大量采空區(qū)。由于煤礦層埋藏較淺，開采面積較大，對礦區(qū)及周邊相鄰地區(qū)的水資源系統(tǒng)造成了不同程度的影響。從礦區(qū)的地質勘察結果來看，一部分礦井水積存在采空區(qū)內，改變了地表水與地下水的轉化關系，使得地表水的入滲速度明顯加快，如果能夠將這部分地下水資源重新利用起來，作為礦區(qū)的生產或生活用水，不僅能夠達到節(jié)約用水的環(huán)保效果，而且還能降低企業(yè)的運營成本。礦區(qū)每年產生的生活廢水約385 m3，這些廢水由礦區(qū)周邊村民定期清運，主要用于農田的施肥灌溉。

2 采空區(qū)水庫水資源循環(huán)利用技術

2.1 地下水庫的選址與建設

提前開展礦區(qū)水文地質和礦井涌水情況的調查，為采空區(qū)地下水庫的建設提供必要的依據(jù)。水文地質勘探主要是查明該礦區(qū)的地層巖性、地質結構、水體埋藏與分布情況，以及地下水的補給方式、外排條件等；礦井涌水分析則是明確地下水庫建成后水的來源，尤其要準確計算用水量，以確定地下涌水能否滿足礦井生產、生活用水的需要。在做好上述調查的前提下，合理規(guī)劃地下水庫的位置。本項目中建設的地下水庫是在原有煤柱壩體的基礎上，再修建人工壩體，使兩者結合圍城一個封閉的采空區(qū)空間[1］。其中，煤柱壩體為綜采面回踩后預留的大巷保護煤柱，其寬度在40 m～100 m 不等，抗壓強度可以達到20 MPa；人工壩體是用混凝土在綜采面順槽口澆筑而成，最大承載水位可達55 m。

該礦區(qū)有2 個煤層，層間距為160 m；現(xiàn)階段A 煤層已經全部采完，利用形成的3 個采空區(qū)分別建成了3 個地下水庫；B 煤層建成了2 個循環(huán)水利用硐室。在兩個煤層之間使用鉆機布置了若干個鉆孔，將其連通，保證清水可以通過鉆孔管道在重力作用下自然流動，使上方煤層的水流入下方煤層，以供井下生產使用。兩個煤層產生的污水，均通過5 個注水點實現(xiàn)回灌，最終在A 煤層的采空區(qū)匯集，從而形成了一個比較完整的地下水庫系統(tǒng)，達到水資源循環(huán)利用的效果。已建成的3 個地下水庫，最大儲水能力分別為608.4 萬m3、340.3 萬m3、644.6 萬m3。

2.2 地下水庫污水回灌管路的布置

地下水庫的所有管路均遵循“污水從高向低回灌，清水從低到高取用”的原則布置。在污水回灌管路的布置中，要求盡量將污水回灌點布置在標高偏高處（超出標高1.0 m～1.5 m），這樣設置的目的是利用采空區(qū)矸石的吸附作用進一步提升污水的凈化效果?？紤]到礦區(qū)井下采空區(qū)有多個污水源，需要在靠近地下水庫的一側布置一個集水倉，將所有污水集中收集后再統(tǒng)一回灌。而集水倉則能起到初次沉淀的功能，避免污水回灌中堵塞管路的情況。在該項目中，采用泵排的方式，將A 煤層和B 煤層的污水全部回灌到A 煤層采空區(qū)地勢較高的地方，在污水滲流的過程中實現(xiàn)自然凈化，凈化后的水即可實現(xiàn)重復利用。

在A 煤層上共設有5 處污水回灌點，其中1#和2#回灌點通過垂直鉆孔的方式，可以回灌B 煤層污水；在1#回灌點處，共設計有6 個長度為150 m、直徑為70 mm 的注水孔。在B 煤層的硐室內安裝一臺MDA330 型排水泵，每天可回灌污水1730 m3。在2#回灌點處，共設計有4 個長度為120 m、直徑為200 mm 的水平鉆孔，可用于B 煤層污水回灌，每天可回灌污水約4500 m3。其他的3 個污水回灌點主要用于回灌A 煤層的積水。

2.3 地下水庫清水取用管路的布置

如上文所述，地下水庫的清水取用點要布置在標高的偏低處（低于標高1.0 m～1.5 m），其目的是利用清水自身的水壓向下流淌，從而省略了加壓泵，降低成本。從地下水庫中抽取的清水，可重新用作礦區(qū)的生產、生活用水，例如噴霧除塵、設備冷卻、地面綠化、橡膠壩補水等[2］。根據(jù)用水目的和供水方式的不同，清水取用管路的布置形式率有差異。

對于礦井的生產供水，采用的是自流供水模式。在地下水庫附近垂直鉆孔，孔深大約160 m，利用自然壓差（約1.5 MPa）使清水自然流出，能夠滿足噴霧降塵和井下消防用水的水壓要求。對于地面生產和生活用水，采用的是泵排供水模式，地面清水用途及供水量見表1。

表1 地面清水使用統(tǒng)計表

2.4 地下水庫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設計

地下水庫要承受土壓、水壓，以及礦區(qū)開采擾動，因此保證地下水庫的結構安全十分重要。本項目中，在修建地下水庫的同時應用了安全監(jiān)測技術，分別對水庫壩體的變形情況、滲流情況、局部應力等進行動態(tài)監(jiān)測，一旦監(jiān)測到的數(shù)據(jù)達到了設定的安全閾值，則自動進行預警，提醒相關人員查明問題并作出處理[3］。本項目中設計使用的地下水庫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)見圖1。

圖1 地下水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，該安全監(jiān)控系統(tǒng)的前端設備有微震解調儀、光柵解調儀、水質分析儀等，可以實現(xiàn)對地下水庫壩體應力、變形、振動、水質等多項內容的動態(tài)監(jiān)測。所得監(jiān)測數(shù)據(jù)通過井下同一網絡上傳至地面監(jiān)控站，經過計算機分析后得出相應的結論，方便地面工作人員隨時了解地下水庫的各項情況。

水質分析儀每2 小時反饋一次數(shù)據(jù)，包括地下水庫儲水的pH、濁度、溫度、電導率等；井下配備5 臺高清攝像儀，實時記錄現(xiàn)場畫面；微震解調儀、光柵解調儀安裝在水庫壩體上，除了可以實時采集水庫壩體的應力、變形量等參數(shù)外，還會自動將實測值與安全值進行對比。例如，位于壩體上的某表面式應變計設定的安全值為±100με，如果實測應變值超過該閾值，則系統(tǒng)會自動報警。

3 崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦采空區(qū)水庫水資源循環(huán)利用效果

3.1 經濟效益分析

崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦開采中，曾嘗試修建地面儲水池實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，但是從實際應用效果來看，由于地面儲水池的占地面積大、水分蒸發(fā)快等弊端，運營成本難以達到預期。相比之下，利用礦區(qū)井下采空區(qū)修建地下水庫，則不占用地面空間，水分蒸發(fā)量小，并且可利用地下滲流凈化污水，具有建設成本低、水質好等優(yōu)勢。除此之外，從本次項目的地下水庫建設與應用效果來看，地下水庫還能解決礦井的“水害”問題，真正做到了變廢為寶，兼顧了生態(tài)效益和經濟效益。地下水庫的建設費用、運行費用以及產生的經濟效益統(tǒng)計見表2。

表2 地下水庫經濟效益分析

結合表2，地下水庫的一次性建設費用為710 萬元，投入運行1 年所產生的的花費為418 萬元，每年可節(jié)約的費用為5628 萬元。除去建設成本，每年可節(jié)約費用5210 萬元。

3.2 地下水庫建設經驗

結合本次煤礦井下采空區(qū)地下水庫建設項目，總結出以下幾條地下水庫建設經驗：

（1）在礦藏采掘過程中需要同時進行地下水庫的設計，在開展深入實地調研，全面掌握礦區(qū)水文地質結構的前提下，提前規(guī)劃好地下水庫的所在位置、大體規(guī)模，為下一步的施工建設提供依據(jù)。

（2）建設地下水庫時，盡量利用礦區(qū)井下采空區(qū)這類便利條件，既可以降低項目成本，同時還能加快進度，以便于水庫早日建成并投入使用。在一些巖層裂隙發(fā)育比較嚴重，或者是降水、地下水比較豐富的地區(qū)，利用采空區(qū)建設地下水庫，還能將“水害”變?yōu)椤八薄?/p>

（3）充分利用“水往低處流”的自然規(guī)律，同時結合土壤滲流對污水的凈化作用，減少對吸水泵的使用，既可以降低成本，又能保證污水凈化后的水質滿足使用要求。

（4）根據(jù)前期調查結果，所有與地下水庫連通的巷道，都要進行封閉。位于地下水庫最高水位標高以下的人工壩體，也要采取特殊措施進行加固，并通過澆筑混凝土的方式提高其防滲效果，防止發(fā)生水災事故。

（5）由于地下水庫的位置比較特殊，加上受力較為復雜，因此需要利用傳感器、通信設備、計算機等構建安全監(jiān)測系統(tǒng)，密切關注地下水庫的應力、變形、滲漏等情況，一旦發(fā)生異常情況立即采取相應的處理措施，確保地下水庫的使用安全。

4 結語

崇義縣鉛廠鎮(zhèn)鋸板坑小煤礦項目投產以后，由于連續(xù)的高強度開采對地層造成了比較嚴重的破壞，水資源的漏失現(xiàn)象較為明顯。為了緩解礦區(qū)開發(fā)與生態(tài)保護的矛盾，同時也是進一步降低礦區(qū)作業(yè)的用水成本，提出了利用礦區(qū)井下采空區(qū)修建地下水庫，然后將凈化后的污水重新利用的方案。基于地下水庫“導儲用”水循環(huán)利用原理，將礦藏開采引起的漏失水資源儲存在采空區(qū)的地下水庫中，將井下作業(yè)產生的污水也回灌到地下水庫中，最后經過矸石過濾、吸附和凈化，使上層清水重新用于地面綠化、井下除塵，達到了理想的水資源循環(huán)利用效果。