哈拉沟煤矿矿井水综合利用管理模式研究.pdf

第7期 哈拉沟煤矿矿井水综合利用管理模式研究 张建军 （国家能源集团神东煤炭公司哈拉沟煤矿， 陕西神木， 719315） 摘要 煤矿开采过程中， 大量矿井水外排， 导致矿区地下水位下降， 造成区域内缺水严重。为解决 该问题， 本文介绍了哈拉沟煤矿矿井水综合利用管理模式， 该模式采取矿井水清污分离管理、 地下采 空区水库自净功能、 井下水复用系统、 矿井水净化处理、 生态治理等措施， 将矿井水水害变为水资源。 此举不仅减少污水排放， 而且节约大量自来水， 经济效益明显； 而且减少了矿井水对地表水系统的污 染， 保护地表水资源， 减小矿井环保压力。 关键词 矿井水水资源清污分离生态治理 中图分类号 TD74文献标识码 B文章编号 2096-7691 （2020） 07-054-05 作者简介 张建军 （1988-） ， 男， 2010年毕业于陕西师范大学国际商学院经济学系， 现任职于国家能源集团神东煤炭公司哈拉沟煤矿， 主要从 事矿井节能环保工作。 Tel 18690489502， E-mail 70921532 1项目研究背景 煤矿开采过程中， 需要排放大量矿井水， 而开采 通常会导致地下水位下降， 造成矿区严重缺水， 这就 造成一方面矿井水被大量外排浪费， 甚至会污染环 境， 另一方面矿区供水不能满足生产、 生活用水。 大量 外排矿井水不仅浪费水资源、 增加生产成本， 而且会 导致地面塌陷、 地下水资源流失， 出现水质恶化等环 境问题 ［1-3］。 煤矿开采要解决矿井水综合利用率低以 及处理成本高的现状， 必须改变认识， 将矿井水视为 水害转变为水资源利用， 根据每个矿井的实际情况， 采取措施将矿井水抽排至用水地点 ［4-5］。 矿井水源于 地下含水层， 相对地面水源污染程度轻， 处理成本低， 若能充分利用， 将是宝贵的水资源 ［6-10］。 为最大化利用矿井水资源， 哈拉沟煤矿从井下生 产源头抓起， 从综采工作面、 连掘工作面、 探放水点和 封闭采空区等所有涉及矿井水的作业点实施清污分 离， 充分利用井下采空区自净功能， 实现井下清水生 活、 生产和生态利用； 结合矿井水处理厂污水产生量、 水质等方面考虑， 将矿井水处理厂水提升至哈拉沟洗 煤厂供生产用水。 2矿井水综合利用管理模式 哈拉沟煤矿充分结合矿井实际情况， 形成了1套 矿井水综合利用管理模式， 该模式的形成充分利用了 地下采空区水库、 井下复用水系统、 矿井水处理厂、 哈 拉沟净水厂和神东生态治理示范基地建设等5个关 键过程。 2.1地下采空区水库 哈拉沟煤矿地下采空区水库作为神东矿区地下 水库的一部分， 利用22煤二盘区、 四盘区采空区作为 井下水库， 可储水面积2000万m2， 矿井水注入该采空 区内能够实现矿井水过滤净化。 2.2井下复用水系统 由于采空区中遗留的铁器在水中缓慢反应， 同时 由于缺氧， 所以采空区水中存在大量Fe2和Mn2离 子。 该种水质的矿井水一旦接触到O2， 会迅速形成难 溶于水Fe3沉淀物； 而Mn2则氧化时间较为缓慢， 最 终形成难溶于水MnO2沉淀物。 如果直接使用此矿井 水则会污染管路， 堵塞设备的冷却系统、 液压系统等， 严重危害井下工作面设备运行安全， 造成经济损失， 所以需要将原水进行处理。 井下水复用系统利用射流 器直接曝气， 使空气中的O2与水中的Fe2充分接触， 氧化成Fe3沉淀物； 利用加药装置， 使高锰酸钾溶液 与水中Mn2反应， 形成难溶于水MnO2沉淀物。 最终通 过设备过滤室将Fe3沉淀物和MnO2沉淀物从水中分 离开来， 使水中Fe和Mn离子含量达到国家饮用水标 准， 而Fe3沉淀物和MnO2沉淀物则采用自动反冲洗技 第18卷 第7期 VOL.18NO.7 2020年7月 Jul.2020 第7期 术定期排放， 如图1所示。 （a） 水处理设备 （b） 加药装置 图1井下复用水系统 采空区初步沉淀的矿井水， 经过加药和曝气， 由原 水泵排至水处理装置内， 通过反应区充分发生化学反 应， 再经过滤室过滤。 处理后的清水储存至清水池， 由 MD155-307的多级离心泵二次提送至用水工作面。 该系统能将采空区积水中的Fe和Mn离子含量 处理至工业用水标准， 且生产使用效果良好。 不仅节 约了用水成本， 而且减轻了矿井系统的排水负担。 2.3矿井水处理厂 哈拉沟煤矿矿井水处理厂位于矿井主井厂区， 建 设于2005年， 正式投运于2006年6月， 主要处理哈拉 沟煤矿的井下污水。 矿井水处理厂设计处理能力4800m3/d， 污水处理 采用地面混凝过滤净化方法。 具体处理工艺 矿井污 水→微滤机→调节池→一步净化器→重力无阀过滤 器→消毒→外排， 具体如图2所示。 矿井水 微滤机调节池一步净化 上清液回流 加药 污泥池压滤机 泥饼外运 重力无阀过滤器消毒 外排 图2矿井水处理工艺流程 2.4哈拉沟净水厂 哈拉沟净水厂位于哈拉沟煤矿井田内东南侧， 邻 近22401综采工作面切眼位置， 占地面积7464㎡， 设 计处理能力为10000m3/d， 该净水厂目前主要处理哈 拉沟煤矿22煤四盘区采空区水， 供大柳塔小区和哈 拉沟煤矿居民生活用水。 净水厂水处理过程主要经过 预沉、 沉淀、 搅拌、 加压、 澄清、 过滤、 消毒等环节， 厂区 主要构筑物有沉沙池、 提升泵房、 水处理间、 锅炉房、 办公室等组成， 水处理工艺流程 投加混凝剂矿井水 →明渠→预沉渠→集水井→沉沙池→提升泵房→二 氧化氯消毒→水力循环澄清池→无阀滤池→清水池 →输水管道→用户。 2.5神东生态治理示范基地 神东生态治理示范基地项目整合水土保持补偿 费、 地质环境恢复治理保证金、 土地复垦保证金等有 关资金， 在哈拉沟沉陷区范围内规划建设一个集水土 保持、 土地复垦、 地质环境恢复治理、 造林为一体综合 性生态治理示范区， 总占地面积约676公顷， 北至过 境公路， 南至哈拉沟沟口， 西至大石公路、 乌兰木伦 河。 项目总投资2亿元， 其中陕西省水土保持补偿费 1.6亿元， 地质环境恢复治理保证金0.4亿元， 每平米投 资约30元。 项目用水全部来自哈拉沟煤矿井下， 为哈 拉沟煤矿矿井水零排放提供了条件， 同时该项目获得 了水力部颁发 国家水土保持生态文明工程 ， 如图3 所示。 示范区 （生态）核心区 （公园） 北入口 南入口 （a） 生态治理示范基地规划 （b） 生态治理示范基地实景 图3神东生态治理示范基地 3矿井水综合利用管理框架 哈拉沟煤矿井下涌水量为473m3/h， 其中已封闭 采空区含水层涌水量343m3/h、 综采工作面采空区水 量50m3/h、 探放水作业地点疏放水涌水量45m3/h， 掘 张建军 哈拉沟煤矿矿井水综合利用管理模式研究55 第7期 进工作面边界掘进采空区水和巷道冲洗及喷雾降尘 污水量为35m3/h。 通过综合分析， 矿井各部分水产生 量、 水质情况， 结合矿井现有条件， 主要矿井水利用思 路如下 （1） 22煤四盘区2240122409综采工作面已回采 完毕， 该采空区整体处于封闭， 水质较好， 通过在采空 区密闭低洼地铺设管路， 将该区域顶板涌水收集提升 至哈拉沟净水厂进行处理后供矿井和小区居民用水。 （2） 连掘工作面边界掘进时， 对采空区积水进行 化验， 若水质较好， 通过清污分离将清水直接排至22 煤二盘区采空区进行过滤处理后， 供井下生产和地面 生态绿化用水。 （3） 综采工作面后方、 探放水作业地点等未被污 染的矿井水清污分离后， 直接抽排至22煤二盘区采 空区进行过滤处理后， 供井下生产和地面生态绿化 用水。 （4） 矿井水处理厂水处理量不大， 小于哈拉沟洗 煤厂生产用水量， 可将矿井水处理厂处理后的矿井水 提升至洗煤厂， 供其生产用水。 基于矿井水利用思路， 矿井水综合利用管理框架 如图4所示。 矿井水产生 已封闭 采空区 含水层 涌水 井田边界 掘进 工作面 采空区 积水 综采 工作面 后方 采空区 涌水 综连采 工作面 探放水及 未被污染 矿井水 大巷喷雾 降尘、 冲洗、 顶板淋水 哈拉沟 净水厂 地下 采空区 水库 地下 采空区 水库 地下 采空区 水库 矿井水 处理厂 矿井或 小区用水 井下 生产用水 井下 复用水 系统 神东 生态治理 示范基地 洗煤厂 生产用水 图4矿井水综合利用管理框架 4矿井水综合利用管理模式 4.1已封闭采空区含水层涌水利用 4.1.1封闭采空区基本情况 哈拉沟水源地位于 22 煤四盘区东南侧， 位于 22401切眼南侧修建了哈拉沟净水厂， 用于处理哈拉 沟水源地水， 以供矿区居民生活用水。 2011年以后， 随着22煤四盘区不断开采， 采空区积水较多， 且水质 较好， 因此， 将22煤四盘区采空区封闭， 杜绝其他矿 井水进入该采空区污染， 并将采空区水提升至哈拉沟 净水厂处理。 22煤四盘区煤厚55.5m， 实际采高约5m， 截至 2018年， 22煤四盘区2240122409综采工作面已回采完 毕， 采空区整体面积为820万m2， 月涌水量为17万m3。 4.1.2封闭采空区涌水利用 哈拉沟煤矿综采工作面向前推进时， 在不同区段 低洼点设置了DN200的反水管， 在底板高点设置了 DN200的注水管， 由于反水管和注水管的设置， 导致 各综采工作面采空区联通， 采空区涌水可以通过反水 管和注水管由高向低流动。 分析22煤四盘区煤层底板等值线可知， 该盘区 煤层自南向北底板标高不断增加， 即由2240122409 采空区底板标高不断增加， 22401采空区 （哈拉沟净 水厂） 处于低洼点， 如22409采空区底板标高1130m， 22401采空区底板标高1112m， 底板标高落差约20m。 随着22煤四盘区综采工作面不断开采， 封闭采空区 面积不断增大， 采空区高点水不断向低点 （哈拉沟净 水厂侧） 流入。 在22401切眼南侧施工了3个DN200的钻孔， 并 在哈拉沟净水厂设置了提升泵， 净水厂可根据水处理 情况通过钻孔将22煤四盘区的采空区水提升至哈拉 沟净水厂处理， 22煤四盘区采空区月度涌水量17万 m3， 全部提升至哈拉沟净水厂处理供矿区居民用水。 4.1.3封闭采空区水位监测 为实时观测22煤四盘区采空区水位情况， 确保 矿井安全生产， 哈拉沟煤矿结合采空区连通性观测， 在中央回风大巷52联巷 （22405回顺入口） 设置了透 明水管 （U型管） 和水文在线监测系统， 采空区警戒水 位设置为5m。 水文在线监测系统主机设置在矿调度指挥中心， 可通过水文在线监测系统可实时观测到采空区水位 情况， 如图5所示。 机电队跟班人员每天早班巡查1次 监测系统完好及水位情况， 工作人员每周通过透明水 管 （U型管） 观测1次水位情况， 与水文在线监测系统 数据进行对比， 确保数据的准确性。 图5水文在线监测系统分站 56 第7期 根据最新观测， 中央回风大巷52联巷 （22405回 顺入口） 底板标高为1127.58m， 积水标高为1131.67m， 积水面积为276.5万m2， 积水量为236.7万m3。 4.2综采工作面后方采空区涌水利用 综采工作面推进方向巷道底板通常高低起伏， 不 平整， 当巷道位于富水区时， 巷道低洼点通常会积水 严重， 需要设泵抽排。 通常巷道内提前布置了排水管 路， 当巷道低洼点积水后， 及时在该区域设泵将积水 通过排水管路抽排至中转水仓， 由中转水仓处水泵将 矿井水排至地下采空区水库。 但是， 通常综采工作面 后方采空区涌水水质较好， 可以采取清污分离的方法 将清水用于生产或绿化灌溉。 4.2.1综采工作面后方采空区涌水情况 综采工作面过富水区时， 巷道低洼点通常积水严 重， 通常采用综采工作面安装的排水管路进行排水， 若采用清污分离方法， 能够减少污水产生、 增加清水 供应。 以哈拉沟煤矿22410综采工作面过富水区为 例， 分析综采工作面后方采空区涌水利用。 22410综采工作面采高5m， 面宽300m， 工作面整 体呈现负坡推进。 22410回顺4460联巷范围内松散 层富水性强， 且22410综采工作面运顺整体高于回 顺， 高差713m， 工作面自切眼至回顺48联巷为负坡 推进， 工作面回采期间主要受本采空区水 （最大 270m3/h） 和相邻的 22409 采空区水 （230m3/h） 影响， 4748联巷之间巷道积水严重， 如图6所示。 41联巷反水管 22410工作面回顺 22409工作面运顺 45联巷反水管 47联巷反水管2个 哈拉沟煤矿22410-1工作面 48联巷反水管2个 49联巷反水管 50联巷反水管 53联巷反水管 54联巷反水管 55联巷反水管 副帮水窝 哈拉沟煤矿22409采空区 22410回顺剖面 46L排水点 48L返水点 巷道顶板 巷道底板 预埋管路 45L55L 40L41L42L43L44L45L46L47L48L49L50L51L52L53L54L55L56L57L85 8688909294969899100102104106108110112112116118120 图622410回顺富水区剖面 4.2.2综采工作面后方采空区涌水利用 矿井根据22410回顺底板标高及涌水情况， 通过 分析计划采用清污分离排水和预埋管路排水方法相 结合的方式进行涌水利用。 4.2.2.1清污分离排水 在22410回顺48联巷低洼点 （副帮侧） 施工了尺 寸为2m1.5m5m （高深长） 的临时水仓， 水仓内设 置了3台132kW的强排泵， 采空区清水自流至水仓。 水仓至22410回顺13联巷22409采空区DN200的注 水管之间铺设1趟DN200的清水管路， 强排泵将清水 通过DN200清水管路打入22409采空区。 清水通过 2240922401采空区进一步净化过滤后， 提升至哈拉 沟净水厂进行处理并利用。 22410回顺巷道喷雾降 尘、 冲洗巷道污水通过另外2趟DN200管路抽排至中 央水仓。 4.2.2.2预埋管路排水 22410回顺4648联巷巷道底板起伏 （起伏高差 2.3m） ， 同时由于回顺受F92 322∠50H1.9m断层 影响回顺底板起伏较大， 相邻22409综采面采空区及 本工作面采空区的积水将集中在回顺48联巷附近， 造成运输机机尾拉回水严重影响综采面正常推进。 为 此， 在22410回顺4648联巷巷道起伏较大地段， 按 1.3腰线开挖1.5m1.5m沟槽， 预埋100m DN300钢管 后与48、 47联巷泄水阀门对接， 同时沟槽采用混凝土 浇筑。 当工作面回采至48联巷低点时， 关闭其他联巷 反水管， 利用48联巷反水管将22409采空区涌水导流 至 46 联巷用水泵抽排， 减少 22409 采空区涌水对 22410工作面回采的影响。 大水窝 巷道底板 按1.3腰线施工 沟槽线 46L 巷道底板 制点 点 位 岗 点 之 距 距离累计 坡比 行坡高度 1135 1134 1133 1132 1131 1130 1135 1134 1133 1132 1131 1130 48L 图722410回顺4648联巷预埋管路 通过优化设计与施工， 采用预埋管远距离自动泄 水量达到120m3/h， 使22409采空区水位高度由2.0m 降至1.4m， 保证了22410综采面顺利推进。 4.3综连采工作面探放水及未被污染矿井水利用 综采工作面回采前， 需提前对上覆含水层、 采空 区和地表水进行疏放， 确保综采工作面安全推过富水 区域。 通常， 探放水水质较好， 但是由于探放水作业点 相对比较分散， 不好集中收集， 只能通过巷道内排水 管外排， 进入中转水仓内， 作为污水处置。 5结束语 哈拉沟煤矿充分利用现有的地下采空区水库、 井 张建军 哈拉沟煤矿矿井水综合利用管理模式研究57 第7期 下复用水系统、 矿井水处理厂、 哈拉沟净水厂和神东 生态治理示范基地建设等5个关键因素， 结合井下涌 水情况， 从已封闭采空区含水层涌水、 井田边界掘进 工作面采空区积水、 综采工作面后方采空区涌水、 综 连采工作面探放水及未被污染矿井水和矿井水处理 厂处理5个产水源头抓起， 采取清污分离等措施， 充分 利用井下采空区自净功能， 实现矿井水生活、 生产和生 态利用， 形成了一套矿井水综合利用管理模式。 参考文献 ［1］倪深海， 彭岳津， 王亨力， 等.我国矿井水资源利用管理对策研究 ［J］ .煤炭加工与综合利用， 2020 （4） 75-79. ［2］曹庆一， 任文颖， 陈思瑶， 等.煤矿矿井水处理技术与利用现状 ［J］ . 能源与环保， 2020， 42 （3） 100-104. ［3］王飞.大柳塔煤矿井下智能供水系统设计与应用 ［J］ .陕西煤炭， 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Study of Comprehensive Utilization and Management Model of Pit Water at Halagou Coal Mine Zhang Jianjun （Halagou Coal Mine，CHN Energy Shendong Coal Group Corporation，Shenmu，Shaanxi，19315） AbstractDuring coal mine，extensive pit water has to be drained out，leading to lowering level of ground⁃ water and thus heavy shortage of water in the mining area. In responding to this，this paper describes the comprehensive utilization and management model applied in pit water at Halagou Coal Mine，in which initia⁃ tives are taken such as pit-water dirt-clearing，separation and management，self-purification of underground goaf reservoir，the pit water reuse system，pit water purification and ecological remedy，to turn pit water from a hazard to a resource. Doing so not only reduces wastewater，but also saves a lot of tap water，gain⁃ ing good financial benefit；meanwhile，it reduces the pollution of pit water to the surface water system，safe⁃ guarding surface water resources and lowering the pressure on mines in terms of environmental protection. Key WordsPit water；Water resource；Dirt clearing and separation；Ecological governance （收稿日期 2020-06-07责任编辑 徐慧） 58