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矿井水资源的开发利用

2019-03-16 21:57:56

矿井水资源的开发利用

摘 要 介绍徐州矿区综合利用煤矿矿井水的初步实践,着重论述了开发矿井水资源、建成新河煤矿供市区饮用的供水工程,以及取得的技术经济效果。  关键词 矿井水 排供水 水资源 开发利用

地下开采煤炭资源是一种常规的开采方法,在井下开采煤炭过程中,频繁的采掘活动会不断地揭露煤系地层内的含水层,不可避免地引出地下水,在正常情况下这些地下水以工业废水常年排出矿外,在特殊情况下地下水因突发而直接威胁矿井生产和人身安全。因此,地下水传统地被认为是煤矿开采中的一种自然灾害。  煤矿开采所诱发出的地下水,其原水水质一般都较好,就徐州的矿区而言,煤矿的地下水源主要来自于地表冲积层、砂岩裂隙和石灰岩溶隙所储存的水,其涌水量和水质情况列于表1。由表1可知,徐州矿务集团公司的矿井水,就其水质和物理化学性质可分为三类:Ⅰ类为洁净水,水质标准基本符合《GB生活饮用水的卫生标准》;Ⅱ类为含有悬浮物的矿井水,除悬浮物超标外,其他指标基本符合要求;Ⅲ类为高矿化度、高硬度的矿井水,溶解性总固体量、总硬度和硫酸根等均超标。Ⅰ、Ⅱ类矿井水占全矿区总涌水量的55%左右,以往也被作为废水外排,既浪费了宝贵的地下水资源,又污染了周围环境。而地球上可直接供人类利用的淡水资源不多,只有总水储量的万分之一左右,其中地下水资源更为贫缺。我国的人均水资源占有量仅为全球平均水平的1/4,被列入13个贫水国之列。徐州市又是一座水资源严重不足的缺水城市,因连年过量地开采地下水,致使地下水位下降速率加剧,单井出水量逐年减少;地表水因受污染、水质难以保证,近年来地表水源被严重污染的情况时有发生,在一定程度上影响了徐州地区国民经济的发展。

表1 徐州矿区矿井水基本参数

单位

涌水量/万t.a-1

pH值

SS/mg.L-1

COD/mg.L-1

F/mg.L-1

硬度(以碳酸钙计)

分类

韩桥矿

2256.413

7.01

51

26.0

0.05

1014

大黄山矿

531.907

7.40

37

75.0

0.36

676

权台矿

692.740

6.75

98

270.0

<0.05

315

旗山矿

197.626

8.02

105

83.8

1.44

145

董庄矿

252.814

8.00

12

92.9

1.08

536

新河矿

1225.699

7.02

47

46.8

0.25

365

卧牛山矿

367.920

6.96

35

59.0

0.18

326

庞庄矿

321.599

6.93

92

33.4

1.26

186

夹河矿

126.144

6.10

43

14.6

1.56

100

义安矿

299.592

7.05

23

28.5

0.23

341

坨城矿

115.999

6.82

38

78.6

-

329

张集矿

253.970

7.66

163

120.0

2.60

956

三河尖矿

85.900

7.89

80

85.7

2.17

-

张双楼矿

745.038

8.00

327

386.0

1.07

1510

青山泉矿

578.160

7.00

58

52.1

-

-

综上所述,就水资源而言,目前存在着两大倾向:一方面城区建设、经济发展和人民生活期盼足够的水资源;另一方面因矿井开采常年有大量的地下水外排而白白流失。因此,开发利用矿井水资源乃是一项紧迫而现实的课题。  原徐州矿务局自80年代中期开始,将综合利用矿井水列入了议事日程,经多年的调研、探索和实际试点,已形成了清污分流、因质而用和分类实施等多种途径,截至1997年已投资1100余万元,建成了8个矿井水净化处理场所,年处理矿井水能力达1400多万t,分别成为矿井的生活用水和工业用水的供水源,也取得了较好的社会和经济效益。1988年又成功地完成了新河煤矿矿井水供市区民用的供水工程,开创了综合利用矿井水的新途径,该工程自1998年6月28日投产供水以来系统运行正常,现日供水量保持在30000 m3左右,真正实现了煤矿矿井水的资源化和商业化。

1 新河煤矿供水工程简介  新河矿是徐州矿区的一个大水矿井,正常涌水量32 m3/min,主要水源来自于奥陶系和石炭系太原组灰岩水,原水水质优良,常年外排,为开发利用矿井的地下水资源,并缓解徐州市区民用供水的紧张状况,经多年努力、多方合作,于1987年立项建设徐州城区民用供水工程,1998年6月28日建成投产。1.1 矿井概况  新河煤矿位于徐州市西郊,距市中心11 km,交通十分便利;新河井田为一不对称的含煤向斜块段,走向长5.5 km,宽1.3 km,面积7.15 km2,地表平坦,属山前倾斜平原。该矿于1961年12月建成投产,矿井原设计能力年产30万t,井田开拓方式为立井多水平分区式,技术改造后,矿井的实际生产能力提高了1倍,但该矿因开采范围狭小,煤炭资源不足,因而进入80年代后期,矿井逐趋衰老,主采煤层开始转入水文条件复杂的太原组煤层,矿井实际涌水量逐年加大。为安全可靠地开采太原组煤层,查清矿井的水文地质条件成为迫切的工作,自80年代后期开始,与煤炭科学研究总院、中国矿业大学等科研单位合作,先后采用了环境同位素、水化学模型、工程数学电法、钻孔间透视和连通试验等多种技术手段,对新河井田的地质构造、水文条件和地下水源的水量水质,进行了综合性的科学研究和技术分析。又通过多次大规模的放水试验,基本查清了矿井的主要充水因素,确认矿井水主要来自奥陶系灰岩水的补给,地下水源充沛,导水通道复杂,补给条件较好,致使矿井的涌水量大,可达42 m3/min,煤炭开采将受到水害的威胁,防治水的工程量大且治理难度高。90年代初也实施了注浆堵水工程,但实际的堵水效果差,堵水率仅为37%,注浆堵水后仍要排放大量的矿井水,这不仅影响了矿井的安全生产,也加大了煤炭的开采成本,企业的经济效益随之衰减。因此,能否开发利用好这些地下水,已成为新河煤矿生存和持续发展的现实问题。1.2 矿井水文地质条件  新河井田是在区域主应力方位为西北南东的强烈挤压作用下而形成的含煤向斜,井田内北东向的断裂构造,处于挤压紧闭状态,不易形成导水通道,而北西方向的断裂构造处于拉张状态,其脆性破裂带发育,易被地下水长期侵蚀作用形成导水通道。井田内与煤层有关的含水地层,主要为第四系孔隙含水层,二迭系下石盒子组和山西组砂岩裂隙含水层,石炭系太原组灰岩溶隙含水层,奥陶系灰岩溶隙含水层。  第四系冲积层厚度32.56~68.02 m,平均50.86 m与下伏基岩呈不整合接触,由上而下分为4层,其中第三层为主要含水层,平均厚度25 m,岩性复杂以砂粘土为主,q=0.06~0.62 L/(s.m);第四层为冲积层内的主要隔水层,平均厚度9 m,粘性较强,可塑性好,分布稳定。  二迭系砂岩含水层,由下石盒子组和山西组两部分组成,下石盆子砂岩含水层赋存砂岩5~8层,总厚度25~40 m,q=0.0015~0.1032 L/(s.m);山西组砂岩含水层赋存砂岩4~7层,总厚度45~50 m,q=0.0195 L/(s.m),二迭系砂岩含水层以裂隙水储量为主,揭露后易疏干。  太原组灰岩含水层,赋存灰岩13层,总厚度53.46 m,上部的1~6层灰岩累计厚度30.38 m,岩溶裂隙较发育,富水性较强,q=0.033~5.04 L/(s.m);中部的7~9层灰岩累计厚度6.17 m,岩溶不甚发育多为小溶孔,q=0.027~4.532 L/(s.m);下部的10~13层灰岩累计厚度17.22 m,其中十、十二层灰岩为开采煤层的直接顶板,其溶洞、溶隙十分发育,但具有明显的垂向分带性,以-190 m为界,其上岩溶发育涌水大且集中,其下以裂隙为主涌水量较小且分散。  澳陶系灰岩含水层与下伏的凤山组呈整合接触,属海相沉积,该组灰岩分布于含煤地层的外缘,其溶洞和裂隙发育不均,其中马家沟和肖县组厚层灰岩的溶洞为发育,富水性强,q=0.22~27.82 L/(s.m),该含水层是徐州地区的主要地下水源,也是侧向越流补给矿井水的主要水源。  通过综合性的矿井水文地质条件的研究和多学科的勘查分析,证实了井田的太原组灰岩与奥陶系灰岩有较好的水力联系,奥灰水源充沛,也圈定出了矿井的富水、贫水区范围,并对水质作了检验分析,符合国家规定的标准,可供居民饮用。水质检验结果见表2、3。

表2 新河矿井水质综合评价表

监测日期

监测地点

Fmax

F

水质级别

-58 m石门

0.448

3

2.14

良好(Ⅰ)类

-110 m新石门

1.448

10

7.14

较差(Ⅰ)类

-110 m老石门

0.241

3

2.13

良好(Ⅰ)类

-260 m轨道上山

0.379

3

2.14

良好(Ⅰ)类

-260 m石门迎头

0.483

3

2.15

良好(Ⅰ)类

-260 m大巷混合水

1.621

10

7.16

较差(Ⅴ)类

-58 m石门

0.241

3

2.13

良好(Ⅰ)类

-110 m新石门

0.241

3

2.13

良好(Ⅰ)类

-110 m老石门

0.414

3

2.14

良好(Ⅰ)类

-110 m清水泵房

0.345

3

2.14

良好(Ⅰ)类

-260 m轨道上山

0.379

3

2.14

良好(Ⅰ)类

-260 m石门迎头

0.414

3

2.14

良好(Ⅰ)类

-260 m大巷混合水

0.500

6

4.26

较差(Ⅴ)类

-260 m反坡

0.241

3

2.13

良好(Ⅰ)类

-260 m回风上山

0.276

3

2.13

良好(Ⅰ)类

-260 m王门水

0.241

3

2.13

良好(Ⅰ)类

注:括号内为细菌学指标评价类别。

表3 江苏省环境监测中心徐州分中心水质检验报告书

取样名称

-260 m2004反坡

-260 m回风上山

-260 m王门水

国家标准

水 温/℃

17.5

17.5

17.5

感观性检验

色度

<5

<5

<5

<15

嗅和味

不得含有

内眼可见物

不得含有

化学指标检验

pH值

7.4

7.6

7.3

3.5~8.5

电导率

611

557

625

总硬度

325

375

390

450

总碱度

313

298

283

450

碳酸根

0

0

0

重碳酸根

381

363

345

钙离子

76.2

104

85.0

镁离子

32.8

27.9

43.3

钾钠离子

39.0

4.0

41.0

0.3

0.1

1.0

1.0

硫酸盐

52.8

57.6

134

250

氯化物

25.0

18.0

35.0

250

矿化度

607

574

683

1000

毒理学指标

氟化物

0.38

0.38

0.38

1.0

氰化物

0.05

0.05

0.01

六价铬

0.05

0.05

0.01

挥发酚

0.02

细菌

总大肠菌群数/个.L-1

<3

<3

<3

3

细菌总数/个.mL-1

1

2

1

100

参考指标

氨氮

0.09

0.2

硝酸盐/mg.L-1

1.14

1.02

0.64

20

亚硝酸盐气氦

0.010

0.02

耗氧量

0.21

0.04

0.17

注:取样日期1997年11月27日。

1.3 排供水工程  新河煤矿的矿井水主要来自于太原组和奥陶系石灰岩溶隙水,水量丰富,水质优良,经现场实地勘查,可供居民饮用的出水点11处,水量33.7 m3/min,出水点的分布及其涌水量见表4。  排供水工程采取清污分流、引流汇集、隔离封闭等技术途径,将符合饮用标准的矿井水汇集至排水基地输入地面水厂。整个排供水工程由-110 m和-260 m两个独立的系统组成,供水规模初期日供水4.2万m3(29.2 m3/min),后期达到日供水量5.0万m3(34.7 m3/min)。-110 m水平扩建矿自用生活水的清水泵房经新建钻孔直接排至地面水厂,日供水量2.45万m3;-260 m水平新建清水泵房、水仓,采用管道或暗渠汇集各出水点清水,经井筒内原有排水管道排至地面水厂,初期日供水量1.75万m3/d,后期2.55万m3/d;地面水厂及输水管道由市自来水公司设计承建。新河煤矿两个生产水平的集供水系统见框图(图1)。井下前期集供水工程于1998年3月1日开工,历时104 d,于1998年6月13日完工,自1998年6月15日开始试运行,同时建设后期工程,于1998年9月28日竣工,经验收符合设计要求,运行正常,并取得了明显的技术经济效益。该工程于1998年12月28日通过了江苏省委科组织的技术鉴定。

表4 可供民用的矿井水出水点一览表

生产水平

出水点巷道名称

揭露的含水层

涌水量/n-1

-110m

-58石门回风巷

太原组4、10、12层灰岩

7.0

-110老石门

太原组1~4层灰岩

4.2

-110新石门

太原组1~3层灰岩

0.61

-110清水泵房

太原组1~6层灰岩

5.2

小  计

17.0

-260m

-260平石门

太原组12层灰岩

4.5

-260西一轨道上山

太原组10层灰岩

5.2

2004反坡

太原组10层灰岩

1.5

9212东放水道

太原组1~3层灰岩

1.0

西三回风上山

太原组11层灰岩

0.9

9212西放水道

太原组1~3层灰岩

1.0

2008运输道

太原组10层灰岩

3.5

小  计

16.7

图1 井下集供水系统框图

1.4 效果浅析  新河煤矿供城区饮用水工程投产至今虽不足一年,但已显示出传统供水工程所不可比拟的优越性,综合效果显着。  (1)开创了城市供水的新模式。新河供水工程的建成,为缺水的市区提供了一个水源可靠、水量充沛、水质优良的供水基地。每年可供地下水1500万m3以上,满足35万人的生活饮用,缓解了市区供水紧张的状况,为发展城市建设,提高人民生活水准,具有显着的社会效益。  (2)实现了煤矿矿井水的资源化,改变了矿井水常年外排的传统。以往煤矿企业只注重煤炭资源的开采,忽略了宝贵的地下水利用,致使有价值的地下水大量流失,新河供水工程的投产,开创了煤矿采煤和采水并举的格局,既实现了矿井水的商业化,又为调整煤矿的产业结构提供了有效的途径。  (3)提高了煤矿开采的抗灾能力,新河煤矿是一座涌水量大的矿井,矿井水是安全生产的重大事故隐患,虽经注浆堵水收益较小,开采期间必须有完善的排水系统和足够的排水能力,原有的排水设施需要更新和增容,衰老矿井经济效益差。而供水工程的启动,有效地改善了状况,矿井的抗灾能力随之提高,排水能力增大了15.9%,开辟了矿井防治水害的新途径。  (4)增强了企业的环保意识,促进了矿井的文明管理。供水工程的建成使工业污水的外排量减少了90%,有效地改善了煤矿周围的环境保护;同时增强了职工的环保意识,珍惜矿井水资源的利用,从而促进了井下作业的文明管理。新河煤矿,虽然衰老,但质量标准化工作大有进展。  (5)改善了企业的生产经营状况,新河煤矿由于开采煤层薄、涌水量大、生产经营艰难,连年亏损,供水工程投产后得到了售水的资金,按现确认的水价0.40元/m3计,每年可获300万元以上的水费收入,相应地降低了煤炭开采成本,同时由于矿井水的疏放,解放了200万t的煤炭资源,价值约2.8亿元,延长了矿井的服务年限,为衰老矿井转产创造了有利条件。随着矿井水的深化利用,企业的经济效益将越加显着。  (6)充分发挥了矿井原有基础设施的潜力。在煤矿建设供市区饮用的水源比建设同样规模的工程节省投资,缩短工期,新河供水工程全部投资4137万元,其中地面工程2300万元,井下工程1837万元,井下工程建设与安装期用了104天,因地面工程延缓,整个工程的建设期不足4个月,这在国内水源基地建设中是罕见的。

2 结语  矿井水是地下开采煤炭资源的副产品,长期以来被片面地作为危及煤炭安全生产的隐患相待,并习惯性地以工业废水长年外排流失,在企业步入社会大生产和市场经济的过程中,极有必要重新认识矿井水的综合利用。任何资源只有通过资源化才能发挥自身的价值,煤矿的矿井水源是一种宝贵的天然资源,只是因人为的采掘作业和传统的理念而处理不当。徐州矿区对矿井水的综合利用,尤其是新河煤矿以排供结合的模式,建成了供市区饮用的供水工程,基本实现了矿井水资源化的模式,虽然这些仅仅是初步的实践和探索,但从中却得到了诸多的有益启示。

作者简介:顾则仁,高级工程师,1941年生,1962年毕业于江苏煤矿专科学校,现任徐州矿务集团公司副总工程师。在有关杂志上发表论文32篇。地址:江苏省徐州市,邮码:221006。作者单位:徐州矿务集团有限公司


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