深部矿井水地下调蓄系统研究

2022-02-26段东伟蒲治国刘凯祥贺晓浪

煤炭工程 2022年2期

段东伟，丁湘，冯洁，蒲治国，刘凯祥，贺晓浪

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西西安 710054；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.中煤冲击地压与水害防治研究中心，内蒙古鄂尔多斯 017000)

我国侏罗纪煤炭资源主要分布于西北地区，其中蒙陕矿区因煤质优良、储量丰富、开采条件优越成为我国煤炭工业战略西移的重要基地[1]。各矿井在开采过程中均面临矿井涌水量大和工作面煤泥水淤积的问题，工作面回采环境较差，严重影响生产效率和排水效率。

科技工作者针对矿井水的复用开展了积极探索，但由于矿井涌水量与煤化工、生态等用水量的波动，矿井水资源供需量存在一定的平衡矛盾，导致大量盈余矿井水未得到充分利用[2，3]。基于以上问题，研究利用工作面采空区进行矿井水储存和净化，实现涌水量消峰平谷、平稳抽排，提高矿井清水比例，通过矿井水地下调蓄，缓解矿井水供需矛盾。近年来，在井下储水方面，研究者开展了相关研究。其中，顾大钊等针对我国西部富煤缺水地区，提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念，从矿井水资源保护利用角度提出并实践了水资源有效利用途径[4-6]；陈苏社等针对神东矿区生态环境脆弱和水资源匮乏的问题，提出利用煤矿井下采空区对水资源进行转移、净化、储存和利用，并在大柳塔煤矿建成了我国第一座井下分布式地下水库系统[7-9]；曹志国等针对煤矿地下水库运行安全问题，构建了煤矿地下水库安全监控总体结构，并叙述了地下水库运行安全监控系统设计和关键技术[10-12]。相关研究多集中在神东矿区煤层埋深小、矿井涌水量小、水质相对较好的矿井，针对蒙陕深部大水矿井的类似研究较少。本研究在前人研究的基础上，基于蒙陕矿区深埋煤层大水矿井独特的地质、水文地质条件，开展利用深井空间进行矿井水储存、净化与调蓄的可行性研究。

1 蒙陕深部矿井水调蓄系统建设理念

针对蒙陕深部侏罗系矿井涌水量大、污水比例高、矿井水提升和处理压力大及资源化利用率低的问题，通过建设矿井水地下调蓄系统，利用采空区和冒裂岩石空隙对矿井水进行储存和净化，并根据涌水量波动情况通过控制性储水和放水进行矿井水量调蓄，从而实现稳定矿井水排水量、提高清水比例、调节矿井水供需平衡、提高矿井水利用率的目的。基于深部煤层赋存和开采条件，将矿井水汇集和封闭至井下采空区进行储存、净化，并根据用水需求按需取用，能够避免大流量矿井浊水对排水系统造成的峰值压力，同时可根据水资源供给平衡情况进行动态储水、供水，实现矿井水资源的稳定供给，利用采空区可自然净化提高升井水质，降低地面水处理成本。

2 矿井水地下储存、净化与调蓄原理

工作面回采后，在采空区上方会形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。来自冒落带的块状岩石和岩石碎屑垮落至采空区，重新充填形成松散岩石介质，具有较大的储水空间。随着矿井涌水量持续波动，在井下主排水系统能力不足、排水设备故障、矿井水处理和外排负荷超限等情况发生时，可将一部分矿井水暂时储存在储水空间内，以缓解矿井排水和水处理压力，实现矿井总排水量消峰平谷。在矿井涌水量衰减或矿井水利用量增加时，可将部分积水排出，维持一定的矿井排水量，使排水系统、水处理系统正常运行，同时保证对用户需水量的持续供给。矿井水采空区净化是利用井下采空区、废弃巷道等空间的储存、物理沉淀、过滤、吸附及煤岩体和微生物的生化作用对井下污水的处理过程。在煤层采空区的特定区域构筑集水区，在采空区边缘修筑挡水设施，使采空区污水受到自然沉淀和岩石碎屑、煤粉等物质的过滤、吸附、离子交换等净化作用后，可形成清洁水在集水区汇集，并经由专用排水系统输排至地面。矿井水地下储存、净化与调蓄原理如图1所示。

图1 矿井水地下储存、净化与调蓄示意图

经过调蓄空间净化后的矿井清水主要为井下生产和地面工业、生态等用水大户提供水源，同时根据地面水处理和化工用水状况进行动态调配，实现水量按需调配的同时，缓解矿井涌水波动对矿井排水系统造成的影响。

3 矿井水地下储存、净化与调蓄系统的建设可行性研究

针对蒙陕矿区深部矿井煤层埋深大，顶板含水层富水性强、巷道矿压显现的特点，在矿井水地下调蓄系统建设前，应先根据井下水文地质和工程地质条件，开展可行性研究，以指导建设决策和方案设计。

3.1 深部矿井水地下储存调蓄系统建设条件和选址

3.1.1 调蓄系统建设基础条件要求

1)煤层为近水平或缓斜厚煤层且采用垮落法开采的矿井。相对于中斜和急斜煤层，近水平与缓斜煤层采空区储水能力较大，储、放水条件较好。采用房式、柱式、房柱式、充填开采等方法形成的采空区，由于储水能力较小且自然净化功能不足而不适合建设地下调蓄空间。

2)矿井涌水量为中等或涌水量大的矿井。涌水量较小(小于180m3/h)，井下无调蓄空间建设的必要；矿井涌水量中等(180～600m3/h)或较大(大于600m3/h)时，可利用调蓄空间对矿井水采用部分储存调蓄和部分外排的方式，实现涌水量消峰平谷和矿井水净化。

3)煤层分盘区(采区)开采，上下煤层不存在压茬开采。规划建设地下调蓄空间的采空区在一定时间之内，应不影响相邻工作面及下层煤的安全开采。

4)煤层硬度应足够大且采空区外侧具有建设水闸墙的条件。煤层硬度较大时，煤柱抗压强度较高，调蓄空间储水条件下的安全系数较高。

3.1.2 调蓄空间建设选址原则

符合调蓄系统建设条件的矿井，调蓄空间的选址是工程建设的重要基础，选址原则如下：

1)调蓄空间建设位置应不影响矿井的正常采掘活动。在一定采掘规划时间范围内，调蓄系统的建设和储水运行过程应不影响周边及下部煤层的安全开采。

2)优先选择煤层底板位置低且导水构造不发育的位置。出于矿井防治水安全和矿井污水注入条件考虑，调蓄空间建设应优先选择煤层底板较低的位置。储水空间的建设位置尤其储水空间边界煤柱应尽量避开导水断层，以增加调蓄空间的安全性，并减少煤柱改造工程和费用投入。

3)储水空间外围隔离煤柱满足一定的隔离条件。进行调蓄空间的建设位置和范围选择时，应确保调蓄空间边界煤柱满足防隔水煤柱宽度要求，在此基础上应尽量使外侧水闸墙建设数量少、巷道尺寸小且工程建设条件良好。

4)距离井底水仓、生产采区(工作面)相对较近。便于矿井浊水的注入、清水的调用和向地面输排，在满足以上条件的前提下，调蓄系统应优先选择距离井底水仓和生产采区(工作面)较近的位置。符合条件的新建矿井，还可以将调蓄系统的建设与巷道及工作面的采掘规划统筹设计。

3.2 调蓄空间容水量计算

储水空间主要由采空区和冒裂带(统称冒裂带)孔隙和裂隙带裂隙组成[13，14]，如图2所示。根据储水介质不同，调蓄空间理论容水量计算方法如下：

图2 采空区顶板冒落带和裂隙带分布

1)基于孔隙介质的储水空间。在不考虑裂隙带储水的情况下，调蓄空间容水量为：

V=VmRm

(1)

式中，V为储水空间大小，m3；Vm为冒落区体积，m3；Rm为储水系数。

2)基于孔隙-裂隙介质的储水空间。同时考虑孔隙储水和裂隙储水，储水空间容水量为：

V=V1+V2

(2)

V1=VmRm

(3)

V2=VfRf

(4)

式中，V1为冒落区储水体积，m3；V2为裂隙带储水体积，m3；Vf为裂隙带体积，m3；Rf为裂隙带储水系数。

3.3 调蓄系统水质保障

根据调蓄系统建设理念，调蓄系统一方面要对矿井水进行储存、调蓄，平衡矿井排水量，另一方面则对大流量落地污水进行净化。试验证明[15-17]，利用调蓄空间的物理沉淀、吸附和生化作用能使矿井水悬浮物、油类、微生物等含量降低，在保障排水系统安全高效运行的同时，降低地面水处理系统的运行负荷。调蓄系统建成后，充分利用采空空间介质条件，引导矿井水与冒落矸石中的蒙脱石等物质反应，实现净化处理。将生产工作面浑浊的矿井水从采空区地势较高位置注入，使之在向地势较低的地方渗流的过程中实现自动净化的功能，根据自然净化效果，还可以在注水口适当加入絮凝剂等进一步提高浊水的沉淀效果。

3.4 调蓄系统隔离工程建设条件

矿井水调蓄系统储水空间是由隔离煤柱和水闸墙围成的一个封闭的采掘空间，矿井水储存在采空区塌陷后的破碎岩层空隙中。隔离煤柱一般为盘区煤柱、区段巷道煤柱和护巷煤柱等，除区段巷道煤柱外，隔离煤柱的宽度一般较大，相应的抗压强度能满足要求。水闸墙是出于防水的目的，在各巷道外口利用混凝土等材料砌筑形成封闭墙体，将不连续的煤柱连为一体，建设形成封闭的储水空间，水闸墙对储水空间的建设和防水性能起到关键的作用。隔离空间的稳定性和安全性取决于煤柱的防渗性能和水闸墙的稳定性及防渗能力。

1)防隔水煤柱改造。由于隔离煤柱是由煤体和部分夹矸组成的天然地质体，其中存在一定的孔隙、天然裂隙和构造裂隙。为提高隔离煤柱的防渗性能，一般采用帷幕灌浆、混凝土防渗墙、断层注浆、混凝土喷注等方式进行处理。因此，调蓄系统建设位置需要具备隔离煤柱改造条件，方可进行隔离工程的实施。

2)水闸墙建设条件。水闸墙作为巷道的阻水主体和隔离煤柱的重要衔接结构，应满足其抗压、防渗要求，避免水闸墙在采动应力和储水压力共同作用下发生开裂、破坏而造成储水渗漏。水闸墙构筑时，应嵌入煤柱一定深度(一般为0.3～0.8m)，以确保稳定性和堵水效果；水闸墙一般采用素混凝土或钢筋混凝土结构，同时配以锚杆、工字钢梁并在水闸墙四周注浆方式增加其抗压强度和防渗性能。目前，针对水闸墙的不同使用要求，已有相关规范对闸墙的参数设计提出具体要求，同时井下水闸墙的施工和煤柱的加固已具备成熟的施工技术。

3.5 强矿压对调蓄系统建设的影响

蒙陕深部矿井煤层开采过程中均面临顶板强矿压的影响，为避免强矿压对隔离煤柱和水闸墙造成破坏，可建立应力监测系统对工作面前方应力场进行实时监测，研究高应力区分布及其变化趋势，并通过工程措施提高隔离工程的稳定性。根据门克庆矿井03工作面巷道应力监测情况(图3)，在工作面推进过程中，由于煤层应力的重新分布，综采面前方5～15m范围内为煤柱应力集中区，煤柱垂向应力峰值远大于原岩应力。

图3 门克庆矿03工作面超前应力分布曲线

在调蓄系统拟建设位置，工作面停采线外侧煤柱留设宽度应不小于50～60m，同时水闸墙的建设位置在避开煤柱应力集中区的前提下，尽量布置在远离采空区一侧。为进一步减小矿压对水闸墙建设位置的影响，确保水闸墙安全，可采取以下措施处理：①提前对煤层顶板进行预裂，防止顶板在水闸墙建设位置形成动压及应力集中区；②施工底板泄压槽，在应力集中区进行底板泄压，消除底鼓影响；③水闸墙掏槽深度超过围岩松动圈厚度，确保墙体嵌入坚固、完整的新鲜煤岩体内。

3.6 调蓄系统运行安全性保障

矿井水调蓄系统运行的安全性是进行地下储水与调蓄的首要因素。调蓄系统运行期间，面临的潜在安全风险主要有水闸墙变形失稳、煤柱及水闸墙渗漏出水、巷道通风不良等。其中煤柱和水闸墙变形失稳和破坏主要由强矿压、储水位过高等原因引起，煤柱和水闸墙渗漏出水主要由水闸墙四周注浆、闸墙前后巷道防渗处理、断层注浆改造不到位等原因引起。为保障调蓄空间的抗压和防渗能力，在水闸墙建设前应对巷道煤柱进行加固和防渗改造。

1)抗压防渗能力保障措施。为保障调蓄空间运行的安全性，在密闭工程建设期间，采取对闸墙前后巷道砌碹加固、巷道充填、煤柱防渗改造等措施增加水闸墙的抗压防渗性能；在水闸墙建设后通过安装安全监测系统，对储水水位、闸墙和煤柱渗漏量进行监测，根据监测情况进行风险辨识。根据闸墙四周和煤柱的渗漏情况及渗漏量，通过控制性放水以降低储水水位，并对渗漏位置进行注浆堵水、混凝土喷注等措施进行防渗处理。

2)通风安全性保障措施。由于水闸墙建设位置与外侧巷道距离一般超过6m，为避免巷道通风不良，确保闸墙施工和系统调试过程中工作人员的安全性，应对水闸墙附近采取局部通风措施，并保证风量；在系统运行期间，可选择在水闸墙外侧安装栅栏门，使栅栏门与外侧巷道距离不超过6m，并将压力监测管延长至栅栏门外侧，同时在压力监测管端口和放水管上分别安装水压、流量自动监测系统，对调蓄空间内水位、管道流量等实现自动监测。

3.7 经济和环境效益

3.7.1 经济效益

矿井水地下储存与调蓄在满足防治水安全的基础上，应具有一定的经济效益。调蓄系统建设费用主要包括闸墙硐室掏槽和支护、闸墙砌筑、巷道加固、煤柱和闸墙注浆、管路系统配备、安全监测等费用。矿井水的相关费用主要为矿井水自井下向地面的输排费用、地面矿井水初处理(降浊、降COD、除BOD、除油脂)费用和矿井水深度处理(分盐)费用。由于经调蓄系统净化后的矿井水无需经矿井水初处理，可直接进行深度处理后复用，因此调蓄系统运行的经济效益可按以下公式计算：

式中，Y为调蓄系统运行经济效益，元；a为矿井水预处理费用，元/m3；Q为调蓄系统平均单位时间输出清水量，m3/d；t为调蓄系统运行时间，d；Xi为调蓄系统建设单项费用，元；b为矿井水平均排水费用，元/m3；V为调蓄系统有效储水体积，m3。

3.7.2 环境效益

以往煤矿开采过程中，由于矿井水资源化利用配套工程不完善，矿井水在向井下生产用水、地面选煤用水后仍大量盈余，高矿化度浑浊矿井水的外排造成地面水土污染、土壤盐渍化、地表生态环境恶化等负效应。实施地下储存、净化和调蓄后，能降低地面水处理压力；同时，矿井水井下储存在减少排水量的同时，井下巨大的调蓄空间能有效实现矿井水量的消峰平谷、平稳抽排，使矿井水处理及煤化工、生态用水稳定、持续，提高矿井水资源化利用率，有效缓解矿井水外排造成的生态环境负效应。

4 矿井水调蓄系统工程示范

内蒙古鄂尔多斯市呼吉尔特矿区门克庆煤矿先期主要开采侏罗系3-1煤层，煤层近水平展布，平均厚度4.53m，埋深超过600m，属于基岩较厚、埋深大的厚煤层。中央大巷呈东西向布置，将井田分为南北两翼，矿井采用综合机械化采煤工艺、全部垮落法顶板管理方法；煤层开采主要充水含水层为侏罗系直罗组和延安组含水层，其中直罗组含水层平均厚度为60m左右、富水中等～强，补给条件较好；各工作面推进过程中，工作面内部及后方采空区涌水量较大，回采面内部煤水淤积严重，导致排水工作量大、回采效率低下且影响煤质；同时，由于矿井涌水量较大且浊水比例高，引起地面水处理设施负荷过大，影响水处理效率及后续矿井水资源化利用进程。为缓解以上问题，提出利用工作面采空区建设矿井水调蓄系统的思路，并根据矿井的水文地质和工程地质条件开展了调蓄系统建设可行性研究。

通过综合论证，门克庆井田北翼03工作面位置底板位置低且构造不发育、与其他工作面开采互不影响、外围隔离煤柱稳定且密闭条件较好，在工作面回采结束后，具备建立调蓄系统的条件。可以通过建设水闸墙将03工作面区段巷道密闭形成调蓄空间，并建设矿井水注入和调出管路系统和相关监测系统形成矿井水调蓄系统。

03工作面长度为290m，推进长度为3974m，煤层平均采高为4.7m。在进行矿井水调蓄系统建设时，通过采空区及上部冒裂带容水量预算，调蓄空间孔隙体积为568.94万m3，孔隙和裂隙体积共计779.21万m3。共设计和建设4座水闸墙，分别位于新回撤通道至回撤通道段的4条巷道内，编号分别为1#—4#(图4)。各水闸墙墙体采用长方柱形钢筋混凝土结构，墙体厚度为5m，闸墙内均设置排水管路和压力观测管。

图4 矿井水调蓄系统密闭工程布置图

到2020年初，该矿已完成调蓄系统的建设，并进行了储水、调蓄运行试验。目前，该调蓄系统运行情况良好。通过矿井水储存、调蓄，有效实现了矿井水量的消峰平谷、平稳抽排，利用井下采空空间实现了矿井水的净化，有效提高了清水比例，降低了矿井水提升和水处理成本，并提高了矿井水的综合利用率；根据概算，调蓄系统的运行共计产生经济效益1230.7万元。同时通过矿井水地下储存和调蓄，有效减少了矿井排水量，缓解矿井水外排造成的水资源浪费、水土污染、生态环境恶化等问题，产生了良好的环境和社会效益。