中国神华神东煤炭集团公司哈拉沟煤矿 陕西神木 719315
摘要：本文以哈拉沟煤矿矿井水综合利用实践为基础，提出了西部缺水矿区矿井水综合利用模式。该模式充分利用现有的矿井水处理设施，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水五个产水源头抓起，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。通过矿井水综合利用，实现经济效益1727万元/年，实现了矿井水综合利用，减轻了环保压力。
关键词：西部缺水矿区；矿井水综合利用；清污分离；绿色开采
Application of Comprehensive Utilization Model of Mine Water in Western Water-deficient Mining Area
Wang Wei
（Ha Lagou coal mine of Shendong group，Shaanxi Shen mu 713915）
Abstract：Based on the practice of comprehensive utilization of mine water in Ha Lagou Coal Mine，this paper proposes a comprehensive utilization model for mine water in the western water-deficient mining area.This management model makes full use of the existing mine water treatment facilities and combines the conditions of underground water inrush from the closed goaf.Water in the aquifer，water in the goaf in the tunnel face of the minefield，water in the goaf behind the fully mechanized mining face，water in the face of the fully mechanized mining face，and water from the uncontaminated mine water and mine water treatment plant Grasp，take measures such as clearing and separation，make full use of the self-cleaning function of underground goaf，and realize mine water life，production and ecological utilization.Through the comprehensive utilization of mine water，the economic benefit was 17.27 million yuan / year，achieving comprehensive utilization of mine water and reducing environmental pressure.
Keywords：western water-deficient mining area，comprehensive utilization of mine water，decontamination separation，green mining
煤矿开采过程中，需要排放大量的矿井水，而开采通常会导致地下水位下降，造成矿区严重缺水，尤其西部缺水矿区问题更为严重[1-4]。要解决该问题，必须改变认识，将矿井水视为水害转变为水资源看待，根据矿井实际情况，采取措施将矿井水抽排至用水地点。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，是宝贵的水资源。矿井水资源化，不仅能够减少污水排放，减少排污费，而且节约大量自来水，经济效益明显；解决矿区缺水问题，缓减供水压力；减少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。许多矿区通过积极探索、采取新工艺、新技术，在矿井水处理、利用等方面取得了成功，提高了矿井水利用率[5-9]。
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，从连掘工作面、综采工作面、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。
1 矿井开采条件及水文地质情况
1.1 矿井开采条件
哈拉沟煤矿是神东煤炭集团公司所属的特大型现代化矿井，位于陕西省与内蒙古交界处的乌兰木伦河东岸陕西一侧，隶属神木市大柳塔镇。哈拉沟煤矿设计生产能力1000万吨/年，核定生产能力1600万t/a。矿井目前主采22煤煤质具有低灰、低硫、低磷和中高发热量的特点，属高挥发分的长焰煤和不粘结煤。本井田内煤层赋存稳定，煤层埋藏浅，倾角平缓，结构简单，水文地质条件及地质构造简单；瓦斯含量低；煤尘有爆炸危险；井田内2-2煤层为不自燃～很易自燃，3-1、4-2、4-3、4-4、5-2煤均为不自燃～易自燃煤层。
矿井采用平硐、斜井、立井联合开拓布置方式，主要采煤方法为长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板；掘进工作面采用连续采煤机掘进，锚杆机支护顶板的掘进工艺。主要运输系统皮带化、辅助运输无轨胶轮化、井巷支护锚喷化、生产系统远程自动化控制和安全监测监控系统自动化。
1.2 矿井水文地质情况
哈拉沟井田水文地质勘探类型为一类二型，井田充水以孔隙～裂隙水为主，水文地质条件中等类型矿床。依据地下水的赋存条件和水力特征，矿区含水层分为新生界松散层孔隙潜水、中生界碎屑岩类裂隙潜水和承压水以及烧变岩裂隙、孔洞潜水。
影响矿井充水强度的主要因素是煤层上覆基岩厚度和第四系松散含水层的富水性，新生界松散层孔隙潜水富水性较强，其中哈拉沟泉域，瓷窑湾地段富水性中等到强，含水层厚度较大，14.0-40.0m；烧变区孔洞裂隙潜水主要位于井田西部乌兰木伦河沿岸东部七概沟沿岸，2-2煤及以上煤层发生自燃使围岩形成的烧变岩区域，成条带状分布，厚度2.7-56.98m；井田区域第四系松散含水层潜水及烧变区孔洞裂隙潜水地下水赋存量较大。此外，哈拉沟井田煤层上覆基岩中生界碎屑岩类裂隙承压水富水性弱到极弱，上覆基岩厚度30.47-100.51m，煤层上覆基岩中生界碎屑岩类裂隙承压水赋存量较小。
根据导水裂隙带高度预测结果，前期煤炭开采形成的导水裂隙带大部分区域已经导通地表，导通区域的大量新生界松散层孔隙潜水及烧变区孔洞裂隙潜水将直接成为矿井涌水的充水水源。
综上分析，导水裂隙带导通地表及新生界松散层孔隙潜水、烧变区孔洞裂隙潜水富水强度较大，是哈拉沟煤矿矿井涌水中，浅层地下水占比较高的主要原因。
2 矿井水零排放管理框架
哈拉沟煤矿井下产水点主要包括：已封闭采空区含水层涌水、综采工作面采空区水、掘进工作面边界掘进采空区水、探放水作业地点疏放水和巷道冲洗及喷雾降尘污水等。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22401-22409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，矿井水综合利用技术框架如图1所示。
.png)
图1 矿井水综合利用技术框架
3 矿井水综合利用模式
3.1 已封闭采空区含水层涌水利用
哈拉沟煤矿22煤四盘区22401-22409综采工作面已回采完毕，该区域采空区整体处于封闭状态，水质较好，通过在采空区密闭低洼点铺设管路，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。
3.1.1 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煤四盘区煤厚普遍5-5.5m，实际采高约5m，截止至2018年，22煤四盘区22401-22409综采工作面已回采完毕，采空区整体面积约820万平方米，月涌水量约17万m³。
3.1.2 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的返水管，在底板高点设置了DN200的注水管，由于返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返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22401-22409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约17万m³，全部提升至哈拉沟净水厂处理供矿区居民用水。
3.2 井田边界掘进工作面采空区积水利用
根据哈拉沟煤矿22413回风巷边界掘进经验，边界采空区水水质较好，若通过水质化验达标，可通过清污分离将清水直接输送至采空区过滤，作为生产或灌溉用水。
3.2.1 掘进工作面基本条件
22413回风巷采用单巷掘进，设计掘进巷道宽5.6m，高4m，掘进区域东南侧为三不拉煤矿采空区，东侧为苏家壕煤矿采空区，北侧为郝家壕煤矿采空区，巷道布置情况如图3所示。22413回风巷边界为苏家壕煤矿采空区，根据已掌握的采掘、水文地质资料预测，采空区积水面积约44.65万㎡，最大水头高度7m，采空区积水量约48.22万m3。
.png)
图3 22413回风巷布置示意图
掘进范围内煤层倾角1-3°，煤厚2.74-6.43m，靠近22413切眼350m区域煤厚2.74-5m，其余掘进区域煤厚均大于5m，属稳定煤层。煤层直接顶厚度3.36m，岩性为细砂岩；老顶厚度11.9m，岩性为长石中粒砂岩；直接底厚度10.08m，岩性为粉砂岩，局部为砂质泥岩（遇水易软化）。巷道掘进期间，正常涌水量15m3/h，最大涌水量100m3/h，水文地质条件中等。
3.2.2 边界采空区水回收利用
22413回风巷4#调车硐正对钻探硐室处采用定向千米钻提前钻探疏放水时，观测发现采空区水水质清澈，若将采空区水全部按照污水外排，势必增大井下污水处理厂工作量，且增大矿井水外排量，降低矿井水利用率。我矿通过取样化验，结果表明该采空区水样各项水质指标基本合格，水质达标，见表1。因此，决定采取清污分离的方法将苏家壕煤矿采空区水回收利用。
表1 采空区水质检验报告
.png)
在22413回顺4#调车硐正对钻探硐室探放水孔处安装DN200PE管路到22413回风措施巷水仓。利用22411回风巷道原已安装好的DN200排水管路，在总回大巷处与DN200清水管路对接，直接将采空区水排往22405采空区，经采空区过滤直达22401采空区，由地面哈拉沟净水厂处理供矿区生活用水。充分利用积水采空区与泄水巷道以及水仓高差，采空区水直接流至水仓，可节约排水设备及电力消耗。
3.3 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，而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提升至地面矿井水处理厂处理。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。
3.3.1 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时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44-60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7-13m，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，47-48联巷之间巷道积水严重，如图4所示。
.png)
图4 22410回顺富水区剖面图
3.3.2 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两种方法相结合的方式进行涌水利用。在22410回顺48联巷低洼点（副帮侧）施工了尺寸为2m×1.5m×5m（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的注水管之间铺设一趟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22409-22401采空区进一步净化过滤后，提升至哈拉沟净水厂使用。22410回顺巷道喷雾降尘、冲洗巷道污水通过另外两趟DN200管路抽排至中央水仓。
3.4 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。
3.4.1 综连采工作面探放水产生情况
为确保综采工作面开采安全，通常会在综采工作面上覆采空区、空巷、地表水和含水层低洼点等区域提前施工探放水工程，将上覆积水疏放。根据哈拉沟煤矿探放水经验，上覆采空区和地表水量比较大，若全部作为污水排放，不仅增加污水排放、处理费用，而且也造成了水资源的浪费。以哈拉沟煤矿22518综采工作面探放水工程（包括切眼、22518回顺、22518运顺）为例，由于22518综采工作面局部过上覆12煤采空区、地表三元沟等，需施工探放水工程对采空区和地表水进行疏放，根据疏放工程统计，在近10个月的时间内累计疏放水量29万m³。由于该部分探放水水质较好，可以将该部分矿井水资源化，将其用于生产、绿化灌溉等。
3.4.2 综连采工作面探放水及未被污染过的矿井水利用
综连采工作面巷道内矿井水通常包括探放水、顶板淋水、采空区涌水及少量的综采工作面煤泥水等，其中探放水、顶板淋水和采空区涌水占比较大且水质较好，而综采工作面煤泥水相对较少且水质较差。通过分析，将综连采工作面巷道内全部矿井水集中由一趟排水管路排至位于井田中央的2#水泵房，然后排至22211-22214采空区内净化过滤，最后提升至地面供生态治理示范基地灌溉绿化用水或通过井下复用水系统处理后供井下生产用水。
通过将综连采工作面巷道内所有矿井水集中收集，解决了清水分散收集难的问题，同时将矿井水全部净化利用。
3.5 矿井水处理厂处理水利用
由于矿井中央回风、主运和辅运大巷、平硐、北辅运大巷及其他集中大巷中喷雾降尘水、冲洗巷道水和顶板淋水汇集后水质很差，通过水沟汇集至各水仓内，最终集聚在井下1#水泵房水仓内。1#水泵房水仓内污水提升至地面矿井水处理厂处理后能够达到煤炭工业污水综合排放一级标准。随着矿井环保压力的不断增加，根据公司统一安排，哈拉沟煤矿将矿井水处理厂处理后的矿井水全部利用，实现矿井水零排放。
结合矿井水处理厂月水处理量和现有生产系统情况，将矿井水处理厂处理后的矿井水排入哈拉沟主井90KW水泵房水池内，供哈拉沟洗煤厂生产用水。由于哈拉沟洗煤厂月生产用水（约3万m³/月）大于矿井水处理厂水量（约2万m³/月），且矿井水处理厂处理后的矿井水水质能够满足洗煤厂生产用水质标准，因此，该改造方案可行。具体实施方案：将矿井水处理厂处理后的矿井水从明渠外50方水池中接出一趟DN200的水管，与原接入90KW水泵房水池的管路连接，将处理后的矿井水抽排至90kw泵房水池内供洗煤厂生产用水。管路系统优化如图5所示。
.png)
图5 矿井水利用管路系统布置图
4 矿井水综合利用经济效益分析
1、矿井向哈拉沟净水厂供水约17万方/月，按照每吨水4.2元计算，可实现年经济效益约857万元。
2、矿井向神东水保示范区提升矿井水约15万方/月，按照每吨水4.2元计算，可实现年经济效益约756万元。
3、矿井水处理厂处理后水直接用于洗煤厂生产，可节水2万方/月，节电1.6万度/月，可实现年经济效益约114万元。
5 结论
1）哈拉沟煤矿充分利用现有矿井水处理设施，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水五个产水源头抓起，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技术模式。
2）通过矿井水综合利用，经济、社会效益明显，可实现经济效益1727万元/年，减轻企业环保压力。
3）哈拉沟煤矿矿井水综合利用技术模式的成功应用，为类似条件矿井水资源综合利用提供借鉴。
参考文献：
[1] 杨方亮．煤炭矿区资源综合利用现状与前景分析[J]．煤炭加工与综合利用，2018（9）：69-73．
[2] 耿耀强，王苏健，邓增社，等．神府矿区大型水库周边浅埋煤层开采水害防治技术[J]．煤炭学报，2018，43（7）：1999-2006．
[3] 靳德武．我国煤矿水害防治技术新进展及其方法论思考[J]．煤炭科学技术，2017，45（5）：141-147．
[4] 武强．我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题和展望[J]．煤炭学报，2014，39（5）：795-805．
[5] 王庆雄，张艳霞．浅谈哈拉沟煤矿节能减排及提高煤炭回采率技术[J]．陕西煤炭，2017，（4）：72-75．
[6] 刘勇，孙亚军．煤矿矿井水资源化技术探讨[J]．能源技术与管理，2008（1）：73-75．
[7] 蔡中见，宋兆立，满峰．矿井水处理与选煤厂洗水闭路循环的统筹管理[J]．山东煤炭科技，2018（6）：187-191．
[8] 荣伟国．矿井水井下处理用互冲洗过滤装置开发[J]．能源环境保护，2017，31（4）：49-52．
[9] 李翠，毕波，陈永春．淮南矿区矿井水井下复用技术探讨[J]．能源环境保护，2018，32（3）：34-36．
作者简介：
王巍（1985-），男，陕西榆林人，工程师，工程硕士研究生，现从事煤炭生产技术工作。
基金项目：
2019年度陕西省教育厅科研计划项目