杜新亮，刘长武，刘树新，曹磊，周晓明

(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065;2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

承压开采技术在地下矿山废水减排中的应用*

杜新亮，刘长武，刘树新，曹磊，周晓明

(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065;2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

地下矿山的废水减排是针对地下矿山开采过程中造成的水环境严重破坏问题而提出的。承压开采是在尽量不影响矿井水文地质条件下所使用的带压开采技术，可以很好地解决资源开采对地下水原始赋存状态的破坏问题，从而取得良好的经济、社会和环境效益。论文以冀中能源股份有限公司葛泉矿东井1195回采工作面为例，系统总结了地下矿山承压开采的技术方法和途径，分析了承压开采在矿山废水减排中的意义和作用及取得的社会和经济效益。

地下矿山;废水减排;承压开采;隔水关键层;突水防治

1 引言

近年我国的工业发展取得了显著的成效。2010年，我国工业增加值达18.64万亿元，占国民经济总量的比重达到46.8%，工业增加值连续5年保持年均13.5%以上的增长速度。由于工业消耗主要以矿藏资源为主，矿藏资源在我国经济发展中具有重要作用。随着我国矿产量的不断增加，矿藏开采所带来的环境问题愈加突出［1］。矿藏资源开采过程中产生的污染源(如矿山废水、矿井废气、煤矸石、噪声、粉尘及地表沉陷等)严重破坏了生态环境。其中又以“三废”(即废水、废矸、废气)带来的问题最为突出。由于我国大部分矿区分布在干旱和半干旱地区，探索适合我国国情的并有利于资源开发与环保的矿藏开采技术就成为当前人们十分关注的热点课题［2-4］。

2 地下矿藏开发引起的环境问题

地下矿藏的大规模开发与利用，在对经济发展起到巨大推动作用的同时，也对环境产生了重大影响，如地下矿藏开采引起地表塌陷，采掘过程中产生的废矸石及排出的废气、废水、粉尘等都对环境造成严重的影响，使部分地面建筑物损坏和矿区生态系统遭到破坏。其中以“三废”(即废水、废气、废渣)带来的污染问题最为突出［5］。

2.1 废气与粉尘污染

各类地下矿藏开发过程中都伴随有大量废气的排放。以煤矿为例，我国大部分煤矿都是瓦斯矿井，并且高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井约占矿井总数40%左右［6］。此外，在井下其它作业过程中还产生部分有害气体，如柴油动力机械排放的废气中含有大量的NOX;井下使用的硝胺炸药在爆炸过程中产生CO和NOX;地下矿藏自燃产生CO，CO2等。为了井下生产安全，通常采用通风方式将井下的有害气体抽出矿井排入大气中。CO2、NOX、CH4、CO及H2S等是造成大气污染和温室效应的有害源，严重影响地球的气候和生态环境，已引起国际环境组织和世界各国的广泛重视。

2.2 固体废弃物污染

固体废弃物污染主要指地下矿藏开采过程产生的弃渣和矸石。地下矿藏开采过程中，会同时采出部分顶、底板围岩及夹杂在有用矿物中的岩石，经过洗选分离后的这些岩石或尾矿作为固体废弃物堆积起来成为矸石山或尾矿库。煤矸石或尾矿库对环境的影响首先表现为侵占土地，破坏自然景观(据不完全统计，我国煤矸石累计堆积已达30亿t［6］，占地55万m2以上);其次是矸石山和尾矿库排出的大量烟尘、CO、H2S、SO2等有害气体，损害人体健康，抑制作物生长，腐蚀构筑物等。

2.3 水体污染

“三废”中，废水对环境的破坏最大，造成的后果也最严重。水体污染主要分为两类:一是地下矿藏开采对地下水水位的影响，包含对浅层、中层和深层地下水的影响;二是矿区生活污水、矿井生产过程中产生的矿井废水对地下水水质的影响［7］。

(1)地下开采对浅、中层地下水的影响。

浅、中层地下水是工业用水和生活用水的主要水源，由于受地下采矿活动的影响，矿体下的岩层及上覆岩层(包括松散冲击层)中的垂向裂缝增多、增大，地下含水层中的水快速地向下渗透，形成了区域性地下水位降落漏斗，浅、中层地下水逐年被疏干。

(2)地下开采对深层地下水的影响。

地下开采过程中，为维持采矿工作的正常进行及采掘工作面的横向和纵深的发展，必须将工作面周围的水或潜在的水排出。随着开采深度的加大，采掘工作面附近的深层含水层水被截留，转化为矿井废水排出，矿井排水量逐年增加，导致深层地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范围和幅度也越来越大。深层地下水位一再下降，很难在短时期内得到恢复［7］。

(3)地下开采对地下水水质的影响。

矿井疏排(抽排)地下水是地下矿藏开采过程中的一项基本工艺过程。该工艺过程所造成的后果主要体现在2个方面:一是当含有有害杂质的地下水排到地面时，可导致地表含水层、浅层土壤的污染;另一方面矿山的疏、排水工作改变了该区域地下水系统的自然、物理和化学格局，并对地下水系统(包括地下水的储存量和水质流场的介质等)产生反作用。两种作用都将引起矿区生态环境的变化，并且反过来对矿区开发建设带来不利影响。

3 地下矿藏承压开采的技术原理

3.1 承压开采的基本原理

随着矿井开采深度、开采速度、开采强度、开采规模的增加和扩大，一些矿区(特别是华北石炭二叠系矿区)来自底部的灰岩裂隙岩溶高承压水的威胁日趋严重，底板岩层在采动的影响下的破坏程度也日趋加剧，许多矿井突水事故都与之密切相关，如图1所示。“承压开采”技术是指在不疏降地下水位的情况下，回采工作面底板含水层有较高的承压水作用时，通过底板封堵、加固等手段来保证工作面不产生水害事故的开采方式［8］。此时承压水的水位高于开采水平，因此叫承压开采。其特点是:“以防为主，承压开采，适当疏排，辅以截堵”。采前和开采过程中，可在矿区外围截堵地下水的补给源，尽量减少水的动储量;同时，在承压开采中根据矿井涌水量和承压大小进行适当的疏水降压，以达到安全开采的目的。该方法安全、经济、合理，对大多数开采地质条件都可以使用。因此，底板承压开采的理论研究及生产实践受到了人们的高度重视［9］。

图1 承压开采底板裂隙垂直分带示意图

3.2 承压开采技术

承压开采是在有效保护地下水环境前提下的开采技术。承压开采技术主要包含两个方面的内容。

(1)承压开采的三种途径:一是合理选择开采区域;二是采取合理的采矿方法和工程措施;三是适当留设防水(砂)矿(岩)柱。

(2)承压开采的两种方法:一是减小导水断裂带高度实现顶部带压开采。具体来说就是通过充填开采、条带开采、分层开采、协调开采、限厚开采等方法来实现减小裂隙带高度。二是以底板加固为主导的底板承压开采。对于底部赋存岩溶水或承压水体的矿体，工作面底板加固就是对底板隔水层薄弱带进行注浆强化处理，既降低底板岩层的渗透性，又提高底板岩层的承载能力，起到了封堵和加固的双重作用［10］。

4 承压开采在矿山废水减排中的应用

根据上面所述的原理和方法，对河北冀中能源股份有限公司葛泉矿东井1195工作面进行了承压开采的技术实践。不但成功地开采出按一般方法“暂不可利用的储量”，同时，也大大减小了矿井的废水排放量，实现了资源开发与环保并重的目标。

葛泉矿东井位于邯邢地区百泉地质单元邢台煤矿和葛泉矿汇流区内［11］。1195工作面位于大油村向斜构造的一翼，处于SF2断层下盘，主采石炭系太原组9#煤层。煤层呈单斜构造。煤层底板距奥灰强含水层43～45m，矿区附近奥灰水水位+40～+ 45m，1195工作面开采标高-60～-130m，承压1.0～1.75MPa，属于奥灰水位下的带压开采，客观上存在奥灰水突水威胁。为保证生产安全，对1195工作面底板岩层进行注浆封堵、加固是十分必要的。

针对以上情况，现场进行了如下的布置和操作:

4.1 注浆孔布置

(1)工程布置。

1195工作面开采前，前期的底板注浆加固工作通过邻的1194工作面运料巷进行。后期在1195运料巷及运输巷布置了钻窝进行注浆加固工作。

具体的注浆钻孔布置及相互关系如图2所示。

图2 1195工作面底板注浆钻孔布置图

(2)钻孔结构。

注浆孔单孔由孔口管(Ø108)、止水套管(Ø89)和裸孔注浆段(Ø75)组成。在符合相关规程的基础上，因钻孔位置的岩性、水压以及初见水量大小而不同，止水套管埋深在煤层底板下6～10m，终孔位置为穿过本溪灰岩底2m。注浆钻孔结构如图3所示。

图3 注浆孔单孔结构示意图

4.2 注浆系统及注浆工艺

根据葛泉矿东井注浆量大、注浆范围广、注浆时间长等实际特点，选用了目前国内先进的井上、下联合注浆系统。该系统的主体是地面注浆站。注浆站具有风动下料、射流造浆、制浆过程自动跟踪控制，水泥注浆量自动计量、注浆密度自动监测等优点。

采用下行、分段注浆方式，注浆之前先进行压水试验，根据压水试验结果计算注浆段单位吸浆量，然后确定浆液配比与浓度进行注浆。

(1)注浆段选择。

由于煤层底板下10m范围内为采动破坏范围，因此注浆加固与改造的目的层为煤层底板以下10m至本溪灰岩底部的富水构造岩层。

(2)压水试验。

注浆之前首先用清水进行压水试验，压水试验时间稳定30～60min，根据压水试验的结果确定注浆浆液的比重与泥浆泵的档位。

(3)注浆材料与配比。

采用纯水泥浆液灌注，浆液浓度遵循由稀到浓的原则，逐级改变，结束时又略变稀。一般采用1.1比重水泥浆试注，视注浆压力变化情况调节浆液比重。

(4)注浆技术要求。

①当注浆压力保持不变，吸浆量均匀减少时;或吸浆量不变，压力均匀升高时，注浆工作应该持续下去，一般不改变水灰比;

②注浆时，当改变浆液水灰比后，如注浆压力突然增或吸浆量突然减少，应立即停泵、查明原因、进行处理;

③注浆前后及注浆时都必须观测邻孔的水量、浑浊度及水位变化情况，以便判断或发现钻孔串浆，便于及时处理;

④一般情况下，注浆工作必须连续进行，直至结束。当注浆孔段已经用到最大浓度的浆液，吸浆量仍然很大，不见减少，孔口压力无明显上升或发生底鼓及底板裂隙漏浆时，应采用间歇式注浆，间歇性注浆仍然出现吸浆量不减，压力不升等情况时，可以考虑添加速凝剂或注砂、碎石、石渣等骨料。

(5)注浆结束标准。

①结束压力:以本溪灰岩含水层静水压力的2.5倍以上为标准，即6～8MPa作为结束压力;

②结束吸浆量，一般以35L/min左右为标准，且越小越好。

达到结束压力时，扫孔下钻进行下一孔段的注浆。注浆工作结束后，对注浆孔予以封闭。

以上措施的实施，不但满足了工作面安全生产的要求，而且由于有效地封堵了地下水的涌出途径，降低了工作面的涌水量，1195工作面采后的单孔涌水量在5m3/h左右，比该矿其它工作面的单孔平均涌水量27m3/h降低了许多，从而大大减小了矿井的废水减排。

利用承压开采技术对“暂不可利用储量”进行开发利用，不但直接解放了一般方法不能开采的吊滞煤炭，而且由于少排矿井废水，又可以减少吨煤的生产成本。

承压开采技术的利用，使葛泉矿东井每小时少排水264.5m3，据葛泉矿的统计结果，排出1 m3的水成本是1元。据此可以计算出全矿1年节省的排水费为:

M=365天×24h×264.5 m3×1元/m3=231.7万元，即每年通过少排地下废水一项，可获得直接经济效益231.7万元。

5 结论

结合葛泉矿东井1195工作面具体的煤层赋存条件和开采技术条件，对受底板岩溶承压水威胁的工作面承压开采技术进行了系统研究。并且通过现场工业性试验和工业应用，证明了研究结果在技术、经济与环璋保护等方面的实用性。

(1)受底板岩溶承压水威胁的华北石炭二叠系煤田的下组煤(太原组)，通过对煤层底板本溪灰岩含水层的注浆加固，改造成相对隔水层后，大幅度增加了煤层和更深处奥灰高承压含水层的距离，使部分地段可以满足安全生产的要求，从而大大增加了矿井的可采储量。

(2)利用隔水关层的阻水、隔水原理实施承压开采，可大大减少地下矿藏生产过程中的废水排放量，不仅节约资金，而且保护地下水资源，能够同时获得良好的经济、社会和环境效益。

［1］缪协兴，浦海，白海波.隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究［J］.中国矿业大学学报，2008，37(1):1-4.

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Application of Mining above the Confined Aquifer Technology in Wastewater Reduction

DU Xin-liang，LIU Chang-wu，LIU Shu-Xin，CAO Lei，ZHOU Xiao-ming

(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Chengdu，Sichuan 610065，China;
2.College of Water Resource＆Hydropower of Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China)

With respect to the serious water environment problems of underground mine，a new concept of wastewater reduction is proposed.Mining above the confined aquifer will be conducted under the condition that it does not affect regional hydrogeologic conditions，It can be a good solution to the resources exploitation of groundwater occurrence the destruction of the original state.The goal is to maximize the economic，social and environmental benefits.This paper introduces the JIZHONG energy resources Co.，LTD existed in gequan coal mine east well of stope face 1195 as an example，systematically summarizes the ways and methods for mining above the confined aquifer，analyzes the meaning and the role of mining above the confined aquifer in the mine wastewater emission reduction and the social and economic benefits.

underground mine;wastewater reduction;mining above the confined aquifer;water-resisting key strata;water inrush control

X751

B

1009-3842(2012)02-0043-04

2011-02-09

国家自然科学基金资助项目(50879049;50574064);国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB226802)

杜新亮(1987-)，男，新疆石河子人，硕士研究生，研究方向为地下工程。E-mail:dxl091301@tom.com