煤矿转型为专用地下水库技术研究

彭海兵，李瑞群

(国能神东煤炭集团补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

为了保护中国西部矿区相对脆弱的生态环境，特别是保护宝贵的矿井水资源，神东矿区利用采空区矸石的净化作用和储存空间，创造性地发明了煤矿地下水库技术，地下水库的建成发挥了巨大的水资源保护作用，既保证矿井正常生产用水，又提供部分地面生产生活用水。但煤炭资源毕竟是有限的，矿井资源回收完毕后，如果直接将矿井废弃封闭，那么煤矿井下的地下水库将无法继续使用，也就无法发挥对西部矿井水资源保护和生态环境保护的作用，无形中造成了很大的浪费。如果在资源回收完毕后，继续保留矿井必需的生产系统，保持地下水库的运行，将其专门作为地下水库继续进行使用，通过采取改造措施将开采完毕的矿井继续作为水资源储存和净化的工厂进行使用，对于继续发挥煤矿地下水库水资源保护利用的作用具有重要意义。同时还可以考虑进一步扩大地下水库的净化范围，将地面污水也注入到专用地下水库，从而形成地面和井下一体化的地下水库运行模式。

1 神东矿区地下水库建设及应用情况

1.1 煤矿地下水库的概念

煤矿地下水库是指利用井下煤柱和人工坝体将井下采空区形成封闭的空间对矿井水进行储存，将矿井水注入采空区，矿井水流动过程中利用采空区矸石实现对矿井水的净化，使其净化为清水，同时在地面和井下建设相应的抽采与回灌工程，实现矿井水的抽采利用与回灌储存，这一整套系统称为煤矿地下水库[1 -3]。

图1 煤矿地下水库示意Fig.1 Schematic diagram of coal mine underground reservoir

1.2 煤矿地下水库的建设条件

煤矿建设地下水库要充分考虑对水资源进行保护的价值以及矿井是否具备建设地下水库的技术条件，建设煤矿地下水库需符合以下主要条件。

矿井必须位于水资源缺乏的地区，采用地下水库技术对于水资源保护和生态环境保护的价值大。矿井水文地质类型必须为简单或中等；在这种条件下，矿井地下水库的应用和管理相对更加容易，在安全上也更加有保证，如果水文地质类型为复杂或极复杂，就增大了矿井水害管控的难度，不利于地下水库的使用和管理；矿井必须采用全部垮落法管理顶板，由于地下水库的核心原理是利用采空区的矸石对矿井水进行过滤和储存，因此工作面顶板必须采用全部垮落法进行管理，才能形成采空区矸石和采空区储水空间，否则不适合建设地下水库；煤层倾角不宜过大，一般倾角不大于6 °，倾角越小越有利于建设地下水库，倾角过大不利于保证地下水库的库容量，也不利于坝体的稳定。

1.3 煤矿地下水库建设核心技术

煤矿地下水库建设的核心技术主要包含水库选址、坝体构筑、库容确定、水体调运、水位监测等等，经过多年的建设和发展形成了集规划设计、建设、运行和监控技术为主要内容的地下水库核心技术，实现清污分流，分质供水，分类利用。地下水库建设关键技术见表1。

表1 煤矿地下水库关键技术

1.4 神东矿区地下水库建设情况

神东煤炭集团于1998年开始在大柳塔井22601综采采空区进行储水试验，将生产过程中产生的污水注入22601采空区进行沉淀、过滤后用于矿井生产用水，不再从地面供水，形成了地下水库建设的雏形。经过不断的实践和探索，到2007年采空区储水方案已基本成熟和完善，大部分矿井将生产过程中产生的污水注入综采采空区进行储存复用。采空区复用水根据水质情况，有的直接作为矿井生产、地表灌溉用水，有的经简单处理后作为工业、生活和灌溉用水，有的经深度处理后作为饮用水。截至2020年底，神东煤炭集团11个矿井共有15个储水采空区，储水面积15.63×106m2。 通过采空区对矿井水的储存和调蓄，解决矿区水资源短缺的问题，实现矿井均衡排水、绿色开采和节能减排目标。近年来，矿井水利用量占到矿区总用水量的95%以上。2010—2019年，神东矿井水储水利用累计节约污水处理费和工业用水费约19.3亿元。

2 煤矿开采结束后地下水库改造建设和安全管理

2.1 矿井开采结束后产生的变化

煤矿开采结束后，井下所有的采掘活动终止，矿井的地层运动也停止，井下涌水量趋于稳定，保证矿井正常生产的各个系统也终止运行，矿井开采结束后带来的主要变化有如下2个方面。

2.1.1 地质方面的变化

矿井开采结束后，由于井下没有采掘作业场所产生，也不再产生对含水层和岩层的破坏，矿井涌水量趋于稳定。同时由于采掘作业停止，不再有井下污水产生，井下涌水为清水，这也使得煤矿地下水库闲置出更大的处理能力，为利用地下水库处理地面污水提供更大的能力。

2.1.2 井下主要生产系统方面的变化

矿井开采结束后，如果矿井直接关闭，所有生产系统均不再使用，处于停用状态，正常情况下将对各系统设施进行拆除，如果考虑到地下水库的改造和继续使用，就需要对各个生产系统采取不同的处置措施，对于不再使用的系统进行拆除，部分仍然需要的系统进行保留或者改造。例如主运系统完全不再使用，予以拆除；对于通风系统、辅助运输系统、供排水系统和供电系统将继续保留，但保留下的系统能力将大幅缩减。

2.2 矿井开采结束后地下水库的改造建设和运行

如果矿井作为专门使用的地下水库运行，需要在原有巷道和生产系统的基础上进行一定的改造，同时要保证所需系统的正常运行，这些系统主要包括通风系统、供排水系统、供电系统、辅助运输系统。

2.2.1 封闭不使用的巷道

由于矿井回采完毕后作为专用地下水库进行使用，为了简化管理，方便维护，尽量将不使用的巷道进行封闭，保留的巷道仅为矿井的大巷和地下水库工作区的巷道。在封闭巷道时注意以下事项。

如果封闭区域为地下水库，则需要在封闭位置施工规格和强度较高的人工坝体，人工坝体的施工位置最好在地下水库整体规划时就提前规划好位置，在封闭时直接采用；对于普通的封闭则不需要施工人工坝体，仅施工普通防火密闭；在施工人工坝体时，注意坝体的位置要在距离联巷口向里5～6 m的位置施工，这样一旦人工坝体需要加固时，还有加固的空间；针对地下水库内部的普通密闭施工，为了保证地下水库之间储水的通畅，避免形成阶梯水库，通常在普通密闭埋设“U”型返水管。

2.2.2 通风系统

地下水库运行期间，由于没有采掘工作面，也就没有井下污染和有害气体的产生，仅需要在矿井主要大巷和地下水库工作区域提供作业人员用风量，保持主要大巷和地下水库工作区域的需风量即可，井下通风量大幅度减小。因此矿井主要通风机需要更换为小型通风机，矿井作为专用地下水库使用时的通风系统如图2所示。

图2 通风系统示意Fig.2 Schematic diagram of ventilation system

2.2.3 供排水系统

在矿井作为专用地下水库使用后，井下的供排水系统将成为最关键的生产系统之一，为了保证专用地下水库的运行，原有的供排水系统要进行一定的改造，以往供采掘工作面使用的供排水管路需全部拆除，对保证地下水库运行的供排水系统进行改造，确保井下供排水系统的能力能够保证清水和污水的循环使用，为了保证矿井抗灾能力，井下主要排水泵房仍然保留。

取水和回灌管路：通过地下水库净化后的清水，可利用管路在地势较低处的坝体进行引流取用，如此可实现“清水自流”，管路布设应与坝体施工同时进行。同理，来自采掘面的污水也由管路在地势较高处引流注入水库中。其中，无论取水或回灌管路，都应在管路与取用/回灌水源之间布设中转水仓。煤矿地下水库的取水和回灌管路布置如图3所示[4 -7]。

同一水平库间管道建设：为实现水库整体运行安全，通过对原有井下供排水管道进行改造升级，将同一水平的不同地下水库相互连通，实现库间水量调配和突发情况下水体紧急调运，保障煤矿地下水库坝体安全，同一水平煤矿地下水库库间连通管道如图4所示。

图3 煤矿地下水库取水和回灌管路布置Fig.3 Water intake and reinjection pipeline layout of coal mine underground reservoir

图4 同一水平煤矿地下水库库间连通管道Fig.4 Connecting pipeline between underground reservoirs of the same level coal mine

上下水平煤层通道建设：开采不同水平煤层时，为实现上下煤层的地下水库库间连通便利，研发出上下层水库间大垂距(超过100 m)、高压差(超过1 MPa)和高贯通精度的大口径钻进技术，以便于上下煤层的取水和污水回灌，不同水平地下水库库间垂直管道建设如图5所示。

图5 不同水平地下水库库间垂直管道建设Fig.5 Construction of vertical pipes between underground reservoirs at different levels

地面管路系统与井下管路系统对接：在矿井作为专用地下水库使用后，可以利用地下水库对地面污水进行处理，即实现地面污水注入井下地下水库，经地下水库进行净化和储存，再将清水供到地面进行应用，为了保证这一系统的正常运转，需要将地面管路系统和井下管路系统进行对接，形成井上下的立体循环系统[8 -16]，煤矿地下水库立体循环系统模型如图6所示。

图6 煤矿地下水库立体循环系统模型Fig.6 Three dimensional circulation system model of underground reservoir in coal mine

2.2.4 供电系统

井下供电系统主要是保证供排水系统的电力，用电量相比正常生产时大大降低，但为了保证供电系统的可靠，矿井仍然必须采用双回路供电，确保供排水系统的可靠运行。

2.2.5 辅助运输系统

辅助运输系统主要是保证大巷和地下水库工作区域的辅助运输，在原有的辅助运输系统的基础上无需再进行特殊的改造，神东矿区的辅助运输系统仍然采用无轨胶轮车辅助运输系统。

3 地下水库的安全设施建设和安全管理

在作为专用地下水库进行使用后，地下水库的储存量加大，安全管理也更加重要，为了保证专用地下水库的安全，需要建设配套的安全设施并加强相应的安全管理，主要包括以下方面。

在地下水库关键部位的水仓要安设防灾大泵，并且水泵和开关设施要尽可能安设高一些，一般为1 m以上；与地下水库相联通的所有巷道要全部掌握清楚，不能有遗漏，全部封闭严实，特别是位于地下水库最高水位标高以下的各人工坝体必须加固可靠，强度足够，预防水灾；人工坝体上的所有引水管路阀门都要施工保护设施，以防车辆撞坏时，水管无法关闭而造成水灾；在已存水的采空区周围附近，如果相邻有正在生产的小煤窑，要强调告诉小煤窑不能越界开采，预防水淹小煤窑；定期对井下采空区水位、人工坝体和煤柱坝体进行巡检，发现异常及时采取有效措施进行处理；井下必须安装水位监测系统，实时掌握水位情况，设置警戒水位，当超过警戒水位时及时泄放或者在水库间进行调动，确保水库安全。

4 效益分析

4.1 生态效益

矿井回采完毕后继续保持地下水库的应用，不仅储存西部矿区宝贵的水资源，而且由于井下矿井污水不在产生，可以富余出大量净化能力对地面污水进行净化处理。经地下水库处理的矿井水可以分为直接供地面使用的清水和进一步经地面深度污水厂处理的污水，这样井下地下水库的水和地面污水厂形成一整套衔接系统，实现地面污水净化处理和储存。

4.2 经济效益

煤矿地下水库的费用主要包含建设费用和运行费用，其中建设费用主要包含人工坝体建设和管路建设费用，运行费用主要是供排水电费。

经过测算地下水库的建设费用为1.04元/m3，运行费用为0.09元/m3，合计费用为1.13元/m3。按照3元/m3的水价计算，采用地下水库技术的经济效益为1.87元/m3。

5 结语

神东煤炭集团经过多年的实践与总结，形成一套高效建设与安全运行地下水库的关键技术，包括水库选址、坝体建设、污水回灌和清水取用管网布置等，解决矿井的供排水、污水处理、水灾防治和环境保护等问题，在矿井回采完毕后，继续将矿井作为专用地下水库进行使用，实现地面污水净化和循环利用，产生巨大的社会效益和经济效益，对煤炭安全、高效、绿色开发具有重大环境生态效应。