侯志成

（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西省榆林市，719315）

目前神东矿区煤炭开采以一次采全高开采方式为主，在提高煤炭产能、开采效率和提高煤炭资源回收率方面发挥了至关重要的作用。但这种大规模、高强度的煤炭开采会将煤层上部含水岩层破坏、地表沉陷，给地下水资源和地表水系造成很大的影响，致使区域生态环境更加脆弱，水文环境容量进一步缩小，煤炭开采与生态环境保护之间的矛盾更加尖锐。

大柳塔煤矿在开发、建设过程中，创造性地将井下采空区作为地下水库，将矿井各类涌水 （大气渗水、上部岩层裂隙水、井下生产污水）注入井下采空区，利用采空区过滤、净化的机理，并通过安全防护工程，将采空区变为一座井下净化、蓄存的水库，再通过相关设施将水库的清水引出从而再次用于矿区的生产及生活，实现了井上下水资源的汇集、储存、联合调度、综合利用，使水源固封在井下，避免了矿井水外排导致的区域水资源的流失。

1 采空区过滤净化技术

在多年的生产实践中，大柳塔煤矿发现了采空区矸石对注入的污水具有过滤、沉淀、吸附以及离子交换的作用。污水注入采空区经过矸石一系列的作用，流出的水即变为清水，经水质检验，其水质良好，能满足生产要求。

1.1 过滤过程

因采空区充填物的级配较好，且煤层的顶底板泥化物充填于矸石之间，在污水经采空区注水点处向出水点处的渗流过程中，矸石对污水中的悬浮物起到过滤作用。

1.2 沉淀作用

由于采空区水力坡度较小，同时采空区矸石充填较密实，污水在采空区内的渗流过程特别缓慢，沉淀与过虑同时发生，使进入集水区的悬浮物大大减少。同时，采空区各出水点附近为主要的蓄水区，积水基本处于静止状态，积水区的悬浮物会进一步沉淀。

图1 矿井水采空区过滤与净化机理

1.3 吸附与离子交换作用

采空区充填物中砂岩、粉砂岩的孔隙率为5%～13%，同时煤层底板中有一定的黏土矿物，这些物质对矿井水中的一些有害物质和细小颗粒会产生一定的吸附和阳离子交换作用，对污水起到了进一步净化的作用。矿井水采空区过滤与净化机理如图1所示。

2 采空区蓄水机理、技术

2.1 采空区蓄水机理

大柳塔煤矿井田面积约为126km2，东西长度约为13.8km，南北宽度约为10.4km，一水平主采煤层底板高程为1110.8～1203.2 m。因开采范围广、22煤底板高程变化大，22煤采空区相对低洼区域就形成了天然的蓄水区，即地下水库。

地下水库的水源 （采空区积水来源）为大气降水、第四系松散层孔隙潜水、烧变岩裂隙潜水、煤系基岩含水岩组含水及井下生产污水等。其中大气降水、地下各含水岩组的含水沿采动形成的裂隙带进入采空区，井下生产污水则由排水管道注入采空区，各类水源从采空区高处缓慢汇入采空区相对低洼区，从而形成天然的地下水库。其中大气降水、地下各含水岩组的含水注入地点、水量及速度不受人工控制，主要取决于大气降水量、地下含水岩组富水强弱、采动裂隙发育程度及采空区大小等，而井下生产污水可以人为控制，可人工确定其注入采空区区域、注入量和注入速度等。

2.2 采空区蓄水技术

为便于控制和利用采空区的蓄水，结合采场摆布情况，在各采空区与大巷联通的各顺槽口施工人工坝体 （挡水墙），再加上各类保护煤柱，使采空区形成一完整、封闭的空间，从而将积水安全有效地储存在采空区内。同时采取可靠的水位监测、水质保证技术与措施，确保采空区积水处于可控、可利用的范围内。

2.2.1 人工坝体

水库人工坝体结构由内外两部分组成，内部为防水密闭，其结构为 “0.75 m 砖墙+2 m 黄土（顶部充填罗克休）+0.75 m 砖墙”，主要起隔断采空区水与井下大巷联通的通道，确保采空区水与大巷安全隔离，防止采空区水浸入或渗出大巷而造成水患。外部为挡水墙，结构为 “砼墙体+锚杆+‘井’字型11号矿用工字钢”，砼墙厚度根据该处水库水位的高低确定，一般为1～1.6m 的混凝土密闭墙，主要起支撑、加固作用，通过挡水墙提高水库人工坝体整体强度，进而提高水库蓄水水位。

2.2.2 水位监控

对各水库水位进行监测，当超过警戒水位时，采取措施控制水位，确保水库安全运行。

（1）水位监测。在各水库地势较低的出水口安设水位监测设备 （透明水位观测管、水压计），根据挡水墙结构及承载能力，设定该处水库水位警戒值。建立水位观测台账，每班安排专人观测各处水位，若发现水库水位超过警戒水位则采取相应措施。

（2）水位管控。当水库水位超过警戒水位时，通过采取停止注水、水库间调水、加快该水库用水等措施来降低水位。

当一处水库水位接近警戒水位时，一方面停止将井下生产污水注入该水库，通过注水系统中各闸阀控制改变污水注入路径，使污水流向其他注水点，注入其他水库，减缓该水库水位上升趋势。另一方面通过切换供水系统，加大该水库向井下供水系统和地面用水系统的供水量，同时还可以将该水库的清水引出，通过注水系统注入水位较低的水库储存再利用，从而降低该水库水位。

2.2.3 水质控制

通过加强源头管控、提高净化作用效果等方法来提高水库水质。

（1）加强源头管控，减少污水杂质进入水库。加强杂物管理，对于影响水质的井下废弃物 （废油脂、乳化液）及时回收上井，严禁丢弃在采空区。

（2）提高净化作用效果，采取多孔、多注水点等方式分散注水，延长污水进入水库后沉淀、渗流路径，减少注水的流量来减小渗流水压，从而提高渗流过程的净化效果。

3 采空区水循环复利用技术

依据采空区净化及蓄水原理，大柳塔煤矿根据采空区底板高程、生产接续，将一水平22煤采空区各个相对低洼积水区作为地下水库，将水库相对较高的地点22406、22604、22607、22611、22613顺槽口作为注水点，将相对低洼的406、201、608顺槽口作为清水出水点，各注水点、出水点通过离心泵、加压泵、供排水管路和上下水平水循环利用系统相连，形成了采空区水循环复利用系统，实现了区域水资源不损失、井下污水不升井。

该系统主要由一水平22煤1、2、3号地下水库，6个注水点系统和上下水平水循环利用系统组成。大柳塔矿井下水循环系统结构如图2所示。

图2 大柳塔矿井下水循环系统立体示意图

3.1 地下水库系统

以一水平22煤采空区作为净化、蓄水的水库，分别将22煤四盘区、老六盘区、新六盘区采空区作为水库，即1＃地下水库 （406水库）、2＃地下水库 （201水库）、3＃地下水库 （608水库），各水库分布如图2所示，各水库相关参数见表1。

表1 水库技术参数

（1）注水系统。在各采空区与大巷相连的高处附近施工钻孔和安设注水系统，通过钻孔使井下排水 （注水）系统与采空区相连，井下生产的污水可通过这些钻孔注入采空区，经过采空区矸石过滤、净化后复利用。目前已分别在一水平22煤2＃辅运大巷及零度辅运大巷设置6 个注水点 （400、406、604、607、611和613注水点），在各注水点附近的大巷水沟设置拦截闸门、注水水仓和水泵，通过层层拦截，使井下污水全部通过各注水点进入水库，实现污水零升井。1＃地下水库及注、供水系统如图3所示。

（2）出水系统。在各采空区低洼区设置出水口，即406、201、608出水口，各出水口施工高强度的挡水墙，同时在出水口安设加压泵和供水管路，水库出来的清水可直接进入或通过加压泵进入井下供水管路供生产用水。

（3）上下水平水循环利用系统。随着开采水平的延深，在二水平52煤总回51、109联巷外侧施工1＃、2＃水循环利用硐室，在这两个硐室分别施工钻孔系统，52煤的污水在水循环利用硐室通过离心泵经钻孔系统分别泵排至1＃和3＃水库，一水平22煤水库的清水则通过钻孔系统进入二水平52煤供水系统提供生产用水，实现了二水平52煤提供排水系统与一水平22煤地下水库系统互联互通，扩大了地下水库系统的覆盖范围，提高了井下水循环利用水平。

3.2 井下水循环利用工艺流程

井下一水平22煤的污水通过排水管道由各注水点注入采空区进行过滤、净化，经采空区净化后的清水通过各出水点一部分由管路输送至各采掘工作面用水点使用，另一部分通过一水平22煤平硐自流管路自流至地面供地面生产和生活使用。其水循环路线为井下一水平各作业地点的生产污水→中转水仓→排水管路 （大巷水沟）→注水点水仓→注水钻孔→水库→出水点 （406、201、608）→大巷供水管路→井下各用水点、地面复利用。

井下二水平52煤的污水通过盘区水仓，经过1＃、2＃水循环利用硐室的注水钻孔向上泵排至22煤各水库净化；52煤生产所需的清水，22煤406、608出水点出来的清水经供水钻孔进入52煤1＃、2＃水循环利用硐室再与52煤供水管路相连，供52煤生产使用。其水循环路线为井下二水平52煤各作业地点的生产污水→中转水仓→52煤三盘区水仓→52 煤1＃、2＃水循环利用硐室→22 煤406、613注水点→1＃、3＃水库→出水点 （406、201、608）→大巷供水管路→井下各用水点、地面复利用。井下水循环复利用技术工艺流程如图4所示。

图3 1＃地下水库及注、供水系统示意图

图4 井下水循环复利用技术工艺流程图

3.3 效益分析

在采空区自净化机理及蓄水作用基础上，通过一定的防护、注水、引水等设施，大柳塔矿建成了一个自给自足、自我净化的井下水循环复利用系统。该系统可根据井下采空区及采场的实际情况，灵活设计，施工技术简单，管理维护成本低，便于安全管理，对井下地质条件适应性高，易于推广。

该系统简化了传统的地面清水入井，井下污水升井的供水及污水处理模式，节约了生产用水、污水处理、供排水系统及维护等费用，经济效益显著。

同时通过采空区水循环系统，将水资源固定在井下，避免了因煤炭开采导致的区域水文环境破坏后难以逆转的矛盾，保护了水资源，为当地社会、经济、生态的发展储存了宝贵的水资源，其社会、生态效益巨大。

（1）经济效益。

以目前大柳塔矿井下生产污水平均涌出量为425m3／h计算，大柳塔矿因污水零升井可节约费用763.9万元／a，节省清水费用约为4862万元／a，排水设备、安装及维护等费用约496万元。

（2）社会效益。

因不需要地面向井下生产 供水，可节约生产用水170万m3／a，同时采空区清水可通过其自流系统排至地面水深度处理厂，为矿区生产、生活提供水源。有力地缓解了神东矿区水资源短缺的局面，为神东矿区年生产规模不断扩大提供了必要的水资源支撑。

（3）生态效益。

减缓了矿区开发对当地水资源的过度扰动，避免了当地水资源因开采导致的流失，使得宝贵的水资源得以留在当地，抑制、减弱了区域水环境容量的不断萎缩，对矿区绿化、开采沉陷区环境治理及区域生态的可持续发展保存、汇集了弥足珍贵的水源，促进了矿区的生态和谐和可持续发展。

4 结论

大柳塔煤矿创新了井下水资源保护及复利用技术，建成了井下采空区对水资源的汇集、存蓄、净化并向井下、地面生产及生活供水的区域水资源保护与复利用模式，较好地解决了神东矿区高强度煤炭开采对区域水文环境的破坏问题，解决了传统煤炭开采导致水资源流失、生态环境持续恶化的矛盾，摸索出一条全新、安全、效益显著的保水开采新技术途径，丰富了保水开采技术体系，为国内外煤炭行业的保水开采提供了实践借鉴。

［1］ 陈士超.神东矿区采煤沉陷区复垦土壤培肥技术研究 ［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2009

［2］ 李小平.神东矿区水资源现状及未来需求预测和对策 ［J］.内蒙古水利，2007 （2）

［3］ 李莹.陕北煤炭分布区地下水资源与煤炭开采引起的水文生态效应 ［D］.西安：长安大学，2008

［4］ 石青，陆兆华，梁震等.神东矿区生态环境脆弱性评估 ［J］.中国水土保持，2007 （8）