邢台矿区矿井水资源优化配置化研究

2015-01-12连会青陈建东

华北科技学院学报 2015年4期

连会青，冉伟，陈建东

(1.中国矿业大学(北京), 北京 100083；2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

0 引言

矿井水是由于采矿活动造成采动区域及其周边区域水文地质系统与水文地质单元构造的破坏，从而改变了地下水及地表水径流方向和途径，最终在采空区或采动场所汇集，并在汇集过程中因物化作用与时间效应遭受污染的交替性差的水体。矿井水呈两种赋存形式：一是为保证煤炭安全生产，在采矿过程中随汇随排的矿井水，必须进行输排；二是矿井、井巷关闭后经一定时间汇集的滞留矿井水[1]。将矿井水作为水资源加以处理利用，即是矿井水资源化。

据国家煤矿安全监察局2012年调查统计[3],近年全国煤矿每年实际排水量达71.7×109m3，这些矿井水如果不加处理对外排放, 不仅浪费宝贵的水资源, 而且将对矿区及附近产生严重污染，所以必须采取相应措施进行治理。因此，将煤矿矿井水资源化，使之具有经济、环境以及社会效益 ,具有非常重要的现实意义。

1 邢台矿区水资源概况

邢台矿区是冀中能源股份公司直属重点矿区之一，位于河北省邢台市和沙河市境内，主要有六对矿井，分别为东庞矿、邢东矿、邢台矿、葛泉矿、章村矿和显德汪矿。邢台矿区矿井水排放量在1369×104m3/a 左右。

1.1 矿井水水质分析

邢台矿区的邢台矿、东庞矿、邢东矿、葛泉矿、显德汪矿矿井水原水水质指标见表1。可以看出，邢台矿区 5对矿井的矿井水来自地下，除悬浮物含量波动较大外，其它离子成分基本不超标，无化学污染，属于水质较好的含悬浮物矿井水类型。矿井水经过净化处理后，出水水质可达到排放要求或一般生产用水要求。再经过矿井水深度处理，出水可满足电厂化水车间原水和洗浴生活用水要求。

表1 邢台矿区矿井水质指标

注：表中单位除PH值外，其他均为mg/l.

通过分析，邢台矿井水污染以无机煤粉和岩尘为主，表现出较高的悬浮物和浑浊度，水质基本属于无毒、污染性较轻，中性略偏碱性的生产废水，属含悬浮物矿井水。经一定程度净化处理后，可以作为各项生产用水，甚至可供生活饮用。

1.2 矿井水水量分析

根据矿井水文地质资料及多年矿井水排放情况分析，排水量将长期维持在一定水平附近，能够为矿井水回用提供稳定的水量来源。因此，邢台矿区矿井水作为潜在水资源是长期的、稳定的、可靠的。主要煤矿日均排水量总计可达21911 m3，煤矿区奥灰岩溶含水层地下水位平均为51 m(见表2)。

表2 主要开采矿井涌水量及岩溶水位情况

为了减少矿井排水量，节约排水费用，在现有的技术条件下加大对矿井水综合治理的力度，合理利用矿井水，加强对矿井用水的管理，从而达到保护水资源的目的。矿区各矿井排水量分布及数据见图1。

图1 邢台矿区矿井排水量图

1.3 技术可行性和经济合理性分析

上述各矿井均已具备了完善的条件来进行矿井水资源化。矿区现有土地资源丰富，闲置的厂房、均可以考虑利用，可提供排水、供热、供电等便利条件。根据矿井水文地质资料及多年矿井水排放情况分析，排水量将长期维持稳定，能够为矿井水回用提供稳定的水量来源。因此，邢台矿区矿井水作为潜在水资源是长期、稳定、可靠的。

回灌过程中所涉及的过滤技术、输水技术、回灌井的建设等都是大众化运行、可掌握、可实行的技术。另外，地下水位的大幅度下降也给地下存水留下巨大空间。因此，矿井水回灌无论从技术上还是环境上都是可行的。

2 矿井水资源化模式

2.1 浅排水源地疏供联合模式

浅排水源地是指建立在井田周围，可以分担矿井疏水降压作用的地面水源地。适用于不能单靠矿井排水将水位降至安全水头的大水矿区。

浅排水源地辅助矿井疏干，起码涉及两个相互矛盾的目标：供水部门总是希望在满足供水要求的前提下，使含水层产生最小的水位降，供水孔离矿井疏干中心越远越好；而矿山部门则希望以最小的排水量达到矿井疏干降压要求。因此供水孔距疏干中心越近越好。用最优化方法从技术、经济角度协调这些相互矛盾的目标，使“疏供联合”总体指标达到最优化。

2.2 矿井水、地下水与地表水优化配置模式

水资源综合利用的最佳境界应该是矿井水、地表水与地下水优化配置，可以通过建立三者联合调度的管理模型来解决问题。由于要达到的目标较多，一般采用水资源多目标经济管理模型。水资源多目标经济管理模型由目标函数和约束条件组成。

1) 目标函数：水资源综合利用要求矿区水资源管理达到供水量极大，费用极小，故提出双重目标函数。

2) 约束条件：

① 水力约束：响应函数将水量与水位有机地联系起来成为管理模型的基础；

② 水位约束：如地下水水位降深较大有可能破坏水均衡条件，引起不良工程地质问题；降深太小对矿井安全起不到应有作用；

③ 水量约束：总供水量应小于天然资源量；

④ 非负约束：目标函数及约束条件中各参数均非负。

2.3 排水、供水、生态环保三位一体优化结合模式

矿井排水、供水、生态环保三位一体优化结合，不仅注重了排水系统的疏降效果和对生态环境系统的质量保护，而且直接考虑了供水系统的供水需求，三者同时作为优化管理设计的重要约束指标，无轻重之别。三位一体优化结合系统控制矿区水头压力，不仅满足安全带压开采高度，而且确保了矿区及周围地区一定供水需求。

2.4 “排水(疏水)—供水—回灌—生态环保—安全开采”五位一体化模式

所谓矿井水“排水(疏水)—供水—回灌—生态环保—安全开采”五位一体化模式是指在对矿井水疏降较为有效的地下水系统某些补给部位，建立能够保证生态环境质量的供水水源地，预先截取补给矿井的地下水水流。这样既可满足矿井周围的各类供水需求，又可达到疏降矿井水的目的，有效地降低了邢台矿区因只采取井下大流量疏放而造成昂贵的吨煤排水费用和水污染处理费用，变被动的井下防治水工作为积极主动的地面截流工作(见图2)。

图2 矿井水“排—疏—供—回灌—生态环保—安全开采五位一体化”新模式图

3 矿井水资源化实例

章村矿以原煤开采为核心，以洗煤厂、矸石电厂、水泥厂主体产业，已建成“矿井水-矸石-能源”的高效资源循环利用圈,已建成生态工业园。章村矿矿井水水资源化及综合利用系统为生态工业园的重要组成部分，主要包括矿井水的循环利用、各生产单元内部水的利用、生产单元之间水的复用、矿井水回灌四个部分。

章村矿矿井水上井后，供洗煤厂、电厂使用，另外在坑口电厂建有处理能力400 m3/h的集中水处理站，经过处理后，可作为锅炉冷却、除尘用水。其中，电厂排出的富含氧离子硬水又补充到洗煤厂进行循环再利用。洗煤厂吨原煤耗水量0.11 m3/t，低于国家标准0.15 m3/t，年用水量8.74×104m3，其中电厂硬质水3×104m3，2007年在产量增加的情况下，全年用水总量同比节约4.3万m3，而且在生产过程中严格执行环保标准，达到Ⅰ级洗水闭路循环，实现了生产废水零排放。矿区矿井水资源化及综合利用流程见图3。

将矿井水“排水(疏水)—供水—回灌—生态环保—安全开采”五个方面统筹规划，统一管理，建立章村矿矿井水五位一体优化管理模型，对于实现煤矿安全生产、满足水资源需求及实现安全生产、生态环保协调管理具有重要意义。