基于“深地-井下-地面”聯動的煤礦礦井水處理利用模式初探

張春暉,趙桂峰,蘇佩東,肖楠,張益臻,沈哲林

1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083;2.中關村至臻環保股份有限公司,北京 100070

我國是全球最大的煤炭生產國和煤炭消費國,2022 年中國煤炭原煤產量為4.56×109t,居世界第一[1]。據統計,我國煤礦開采過程中生產噸煤產生礦井水高達0.78 ～2 t[2]。目前,對于產生的礦井水,部分經分級分質處理后循環利用,其余部分則外排至地表水環境中。我國礦井水具有利用率低、棄水量大的特點,現階段煤礦礦井水平均利用率僅為35% 左右[2]。以神府礦區、榆神礦區、榆橫礦區為例, 外排水量占比分別為 35.84%、76.91%、72.71%[3]。此外,我國部分煤礦區存在實際排水量與預測水量差距較大、礦區周邊缺少回用對象、礦井水水質難以滿足回用要求等問題,這是導致我國現有礦井水利用率較低而外排水量較大的主要原因[4]。

礦井水是一種重要的非常規水資源。自“十二五”《礦井水利用發展規劃》頒布以來,我國對礦井水資源化利用工作越來越重視。2019 年印發的《國家節水行動方案》中指出,在缺水地區要加強非常規水源利用,逐年提高包括礦井水在內的非常規水源利用比例[5]。礦井水在資源化利用前需要進行處理,以達到不同的用水標準。武強等[6]在礦井水資源化利用方面開展了大量的研究,先后提出了“排、供、環?！比灰惑w及“控制、處理、利用、回灌與生態環?！蔽逦灰惑w優化結合的礦井水資源化方式;何緒文等[7]指出,礦井水處理要協調好不同礦區、不同礦井及時間尺度上共性與個性的統一問題,總結出分質供水梯級利用、井下處理就地復用的礦井水資源化利用新模式。對礦井水資源化利用,發展礦區循環經濟,是緩解我國北方地區“富煤貧水”的重要舉措,也是建設綠色礦山和生態礦山的現實選擇[8]。雖然近年來國內外學者(尤其是國內學者)在礦井水處理方面開展了大量研究工作,但礦井水處理一次性投資和運行成本高,尤其是對于配有深度處理并采用膜分離和濃水分鹽處理的工藝,對煤礦日常運行造成沉重負擔。對此,顧大釗[9]創造性地提出了以“導儲用”為特征的煤礦地下水庫儲用礦井水理念,進行了煤礦地下水庫設計、建設、運行和工程示范;此外,針對梧桐莊礦礦井水礦化度高的問題,李志明[10]依據梧桐莊礦礦井地質條件和水文條件,設計回灌工藝對礦井水進行了回灌處理。對礦井水深地回灌可以實現多余礦井水零排放處理,在一定程度上節約大量費用。

針對現有礦井水井下處理工藝選擇受限、處理量小,地面處理占地面積大、運行成本高,礦井水處理后外排又會產生高額排水費的問題,本文從礦井水處理現狀入手,在前期工作實踐的基礎上,博取各家所長,通過系統分析提出了基于“深地-井下-地面”聯動的礦井水處理利用模式,為煤礦安全綠色開采、改善礦區水環境質量提供技術支撐。

1 煤礦礦井水處理技術現狀

煤礦區的水環境問題主要包括煤炭開采過程中抽排出的礦井涌水、煤炭洗選廢水和煤礦礦區生活污水等。隨著我國環保法律法規的日趨嚴格和處理工藝的不斷提升,煤礦洗選過程已經基本上可以做到洗水閉路循環;而礦區生活污水產生量小,經過市政生活污水處理工藝處理后,可以達到綠化、清掃等中水回用標準,實現回用。因此,煤礦區水環境問題的核心內容是如何處理和利用煤炭開采過程中抽排出的礦井涌水。

從時間維度上,煤礦礦井涌水可劃分為閉礦后產生的存量老空水和煤礦生產過程中產生的新增礦井水[11]。對于老空水常用處理技術主要有物理法、化學法和生物法等[12-14]。其中,主流技術是采用地下滲透性反應墻和石灰中和處理法。近年來,太原理工大學等單位還開展了采用人工濕地、吸附法等對老空水進行深度處理的實踐,均取得了良好的處理效果[15]。對于煤礦生產過程中產生的新增礦井水,通過礦井疏干,將其抽排至目標區,以便進一步處理。

從空間維度上,傳統的礦井水處理首先需要把礦井水提升至地面進行處理后,部分在地面直接復用,部分返回到井下復用。該處理方式存在占地面積大,基建費用、運行成本、提升費用以及相應管路鋪設費用較高等缺點,并且不可避免地造成二次污染。因此,近年來有很多科研工作者嘗試把礦井水在井下就地處理后直接復用,這樣不僅可以克服以上缺點,還能產生較大的經濟效益、環境效益和生態效益[16]。

煤礦開采對環境的污染過程是長期的,煤礦閉坑后對地下水的污染仍在持續。針對煤礦礦井水同時具有存量和增量的問題,筆者課題組曾提出“兩維一體化”煤礦礦井水處理與利用的理念[11](圖1),建立了基于時間維度的煤礦礦井水“生產-閉坑”全過程污染控制技術和基于空間維度的煤礦礦井水“井下-地面”分級處理與利用技術。然而,礦井涌水經處理后,回用場地和所需水量都很有限,因此會向地表水環境外排多余的礦井水。當外排水量較大時,企業要向水務管理部門繳納高額的排水費,從而給企業造成沉重負擔,對此,需要找到更加經濟有效的礦井水處理方法。

圖1 “兩維一體化”煤礦礦井水分級處理與高效循環利用技術體系流程[11]Fig.1 “Two-dimensional integration” graded treatment and efficient recycling of coal mine water [11]

2 “深地-井下-地面”聯動礦井水處理利用模式

2.1 基本原理

隨著國家“碳達峰、碳中和”目標的提出以及越來越嚴格的環保政策要求,亟待通過理念創新和技術創新探索新型的礦井水處理技術。針對礦井水外排費用高的特點,在充分調研礦井水處理技術和礦井水深地回灌處理的基礎上,提出了基于“深地-井下-地面”聯動的礦井水處理利用模式:對于煤礦礦井涌水,依據水質、水量條件和礦區實際情況選用適合的工藝進行處理后,其中一部分用于地面工業用水、農業用水、居民生活用水和礦井生產防塵灑水、設備冷卻水和乳化液配置用水等,其余部分則進行回灌處理或地表排放。其整體處理利用體系和概念模型分別如圖2 和圖3 所示。需要說明的是,圖3 只是一個概念模型,其中涉及的煤層、井下處理設備、地下水庫等位置并不代表實際的布局,具體需要依據不同的煤礦特點進行合理配置。

圖2 基于“深地-井下-地面”聯動的礦井水處理利用體系Fig.2 “Deep ground-underground-surface ground” linkage system for mine water treatment and utilization

圖3 基于“深地-井下-地面”聯動的礦井水處理與利用概念模型示意圖Fig.3 Conceptual model of “deep ground-underground-surface ground” linkage system for mine water treatment and utilization

在滿足回灌條件的基礎上,該模式可以同步實現礦井水高效低耗處理和多余礦井涌水的深地回灌處理。礦井涌水回灌前要對其進行水質、水量、水文地質和回灌含水層的地質結構等進行評估,預測其回灌后可能產生的水文地質、安全和水質方面的影響。在確保安全和回灌含水層水質不受損害的前提下,可將礦井水回灌至煤層以下含水層(深地回灌)。對于經評估后不適合深地回灌的情況,只能根據需要合理配置井下和地面礦井水處理系統,處理后多余的礦井涌水進行外排處理。采用“深地-井下-地面”聯動的礦井水處理利用模式能夠實現礦井涌水零排放,同時起到降低處理成本的作用。

2.2 深地回灌工程適用性分析

2.2.1 水質、水量、水文、地質、地下建筑結構評估

實現礦井水深地回灌處理,必須對水量、水質、水文、地質、地下建筑結構等進行全面勘察評估,系統掌握礦井水開發利用的歷史、現狀及礦井水的形成過程及地下特征、地質環境構造等。

水量的大小是決定地下水回灌成本的重要因素,礦井涌水量太小時無須進行深井回灌。

對水質的分析主要包括污染物成分分析、處理后水質分析、為達到地下水回灌水質要求必要的工藝設計分析等。

此外,還需要對當地地形、地貌、水文地質、巖層特點等進行全面分析[17-18],包括:獲取目標區域地下水系統含水層特征,如勘察回灌區上覆松散層、孔隙含水層、碎屑巖裂隙及裂隙弱含水層等地層;勘察目標區域地下水補、徑、排條件;勘察目標區域地層詳細構造;勘察目標區域隔水層情況。

2.2.2 回灌工程可行性分析

目前國內尚無健全的礦井水回灌法律條文,也無具體標準規范,因此開展礦井水回灌的可行性分析十分必要?？尚行苑治霭ㄒ韵滤姆矫鎇19-21]。

2.2.2.1 水文地質條件的可行性

對目標回灌區含水層分析,包括含水層厚度和承壓情況、含水巖層組成特點、礦井涌水來源等。預測在實際回灌過程中,地質單元會發生怎樣的變化,是否會對當地地下水量補給造成不利影響(主要涉及水質污染和水質安全問題),是否會對相鄰水文地質單元造成破壞(主要是針對鉆井過程中產生的巖層破壞現象)。此外,還需要根據具體工程情況確定回灌含水層的儲水能力、滲透性、邊界條件、與其他含水層間的水力聯系、回灌后是否會導致頂底板突水威脅[22]等,只有這些條件都具備的情況下,才能說明當地的水文地質條件滿足回灌要求。

2.2.2.2 回灌水質的可行性

礦井水井下安全回灌對水質的最基本要求是回灌后不會引起地下水水質惡化。各國普遍有地方或行業的井下安全回灌水質標準,我國早在2005 年就出臺了《城市污水再生利用地下水回灌水質:GB/T 19772—2005》標準。在實踐過程中,礦井水井下安全回灌的水質要求往往取決于地下水的用途及水質狀況、人工回灌方式和地下水埋藏條件等因素?？梢钥紤]處理后的礦井水首先達到《地表水環境質量標準:GB 3838—2002》Ⅲ類水體和《地下水質量標準:GB/T 14848—2017》,同時,為了保證回灌水質的安全,處理后水質還需要達到目標回灌區含水層水質要求,并且在條件適宜的情況下,盡可能保證回灌到目的層礦井水水質優于原目的層水質。因此,需要定期測量,對處理后礦井水進行實時采樣監測,確保其中的各項指標均達標。

此外,由于不同地區回灌目的層的水質不同、容納效率相異,因此回灌水質還需滿足回灌目的層所能容納的水質指標,以保證回灌水質與回灌目的層水質擁有更好的匹配性。如果回灌層為地下飲水區域,則礦井涌水必須處理達到飲用水的標準后才可以進行回灌,否則就會對人體健康構成一定危害,同時也可能會惡化地下含水層的水質,導致地下水污染。當然,將礦井涌水處理至飲用水標準會在一定程度上加大水處理費用,繼續采用深地回灌的方式是否更為經濟需要進一步評估分析。

2.2.2.3 回灌工程對井下安全生產影響的評估

煤炭開采生產作業是在地層內部進行的,空間狹小,安全風險相對較高。開展礦井水回灌工程,在一定程度會對地層結構產生破壞,一旦產生突水等不利事件,將會影響到井下生產作業的安全。因此,需要開展回灌工程對井下安全生產的評估,重點是兩方面[21]:一是回灌工程所選地點環境條件(氣體環境、溫度環境等)的變化,是否會影響到附近區域內的生產作業;二是回灌工程所選地點的地質條件(地層、地質結構特點),是否會影響到附近區域內的生產作業。礦井涌水回灌過程前的鑿井、回灌作業等會產生一定的震動,會對地層的地質結構造成一定的影響,而井下正常生產也需要一定的地質承載能力,二者之間一旦建立相互作用關系,無論是回灌工程還是井下生產都會受到干擾,甚至產生安全事故。因此,必須在施工前從人員、設備、管理、技術等因素綜合分析回灌過程是否會對井下安全生產造成不利影響,以確保井下能夠開展正常的生產作業。

2.2.2.4 回灌工程對礦產資源影響的評估

為保證回灌過程不對礦產資源造成影響,回灌目的層應位于煤系下較深層位,且回灌目的層以上應盡可能包括較多的隔水層,如巨厚層狀的地層、砂、泥巖互層等,以便起到良好的隔水作用。同時,還需考慮回灌目的層與其他礦產資源的距離以及中間須有良好的隔水層,以保證回灌不會影響其他礦產資源。此外,施工過程中要采取加強固井質量,選擇優質套管等措施,避免串層和漏水,確保不對煤層和其他礦產資源產生影響。

經過可行性分析后,目標區域水文地質條件和地下巖層結構條件符合礦井水回灌要求的,礦井水經過處理后部分用于礦區使用,其余部分(用于外排的)則根據實際情況進行全部或部分深地回灌處理;不符合回灌要求的,則需要根據當地環保部門的具體要求進行外排處理。

2.3 礦井水處理利用相關技術

煤礦礦區用水主要分為地面居民生活用水和井下生產用水。居民生活用水包括飲用、洗滌、沖廁、洗澡等;礦區井下生產用水包括采掘設備液壓用水、消防降塵灑水、設備冷卻水、乳化液配置用水等。根據礦區實際情況和實際礦井涌水的水質水量條件,選用適合的工藝進行處理,其中一部分回用礦區,其余部分則進行深地回灌處理。

2.3.1 礦井水“井下-地面”處理技術

2.3.1.1 不同水質礦井水處理技術

對于煤礦生產過程中產生的礦井水,按照其水質特點,大致可分為高懸浮物礦井水、高鐵錳礦井水、高礦化度礦井水、高氟礦井水、酸性礦井水和含特殊組分礦井水等類型[23]。

高懸浮物礦井水(高濁度礦井水)中的懸浮物含量明顯高于地表水,一般為10 ～100 mg/L,有時超過1 000 mg/L。在應用實踐中,由于煤礦高懸浮物礦井水粒度小、密度小、沉降速率慢,易造成礦井水混凝過程中礬花形成困難、沉降效果差的問題。因此,近年來很多學者開展了新型混凝劑的研發工作,如麻博等[24]研究的無機-有機復合絮凝劑,對濁度去除率可達99.7%。此外,一些新的工藝,如體積小、易于模塊化的聚瓷膜處理技術,都具有較好的效果[25]。

含鐵、錳地下水在我國分布很廣。國內外對含鐵、錳礦井水主要以各種氧化法除鐵錳和接觸過濾法除錳為主。在目前除鐵、錳機理尚不明確、各種參數缺乏的情況下,高懸浮物的存在使得礦井水除鐵、錳變得更加復雜,增加了處理難度。近年來,一些新工藝和新材料也不斷應用到高鐵錳礦井水的處理中,如水合二氧化錳改性火山巖除鐵錳、MnO2/TiO2改性沸石除高鐵錳礦井水, 效果顯著[26-27]。

高礦化度礦井水是指水中含鹽量超1 000 mg/L的礦井水[28]。我國高礦化度礦井水約占礦井水總量的1/3。高礦化度礦井水的常用處理工藝有蒸餾法、電滲析法和以反滲透為主的膜分離法。對于膜分離技術,其產生的濃鹽水是礦井水處理中的難題。要實現廢水零排放就必須解決濃鹽水排放問題。郭強等[29]采用井下采空區封存濃鹽水,可大幅度降低投資和運行成本。顧大釗等[30]研究開發地下水庫建設的關鍵技術并在神東礦區建設示范工程。這都為礦井水的處理開辟了新路徑。

我國高氟礦井水中的氟含量一般在幾十至幾百毫克每升,超過國家污水綜合排放標準限值10 mg/L。近年來,氟離子排放限值越來越低,如我國大型煤礦區集中的西北省份要求外排至地表水環境的煤礦礦井水執行《地表水環境質量標準:GB 3838—2002》中相對應的標準限值,一般以Ⅲ類標準為主(≤1.0 mg/L)。針對以上情況,一些新的處理方法,如Ce-Mn 復合金屬氧化物改性沸石材料除氟藥劑、CFYJ-L-1 除氟藥劑,可使處理后的礦井水中氟離子濃度穩定低于1.0 mg/L,且成本更低[31-33]。

酸性礦井水的pH 值一般在2 ～6 之間。我國酸性礦井水分布較廣,在陜、晉、魯、皖、蒙、川、桂、貴等省區均勻分布。近年來,高密度泥漿法(HDS)在酸性礦井水處理的研究和應用中較為廣泛。鄭彭生等[34]、徐加興等[35]針對某礦山酸性廢水,采用高密度泥漿法底泥回流及金選廠炭浸尾礦渣漿輔助沉降綜合協同試驗,取得了較好的處理效果。

2.3.1.2 “井下-地面”聯合處理技術

井下空間狹小,正常生產需要占用大量空間,真正能夠用于井下水處理的空間更為有限。因此,必須合理利用井下采空區。濟三煤礦利用井下采空區對孔隙裂隙型水進行處理后,供防塵灑水、設備冷卻水、乳化液配置用水使用,通過井下處理及回用后每年節約水處理成本57.82 萬元,節省排水電費為75.50 萬元[36]。

建設地下水庫是實現礦井水地下存儲的一種重要手段。對于井下采空區儲水空間大、礦井水文地質條件為中等及中等以下、擁有充足水源和所在地生態條件良好的場地,適合建設地下水庫[37]。謝和平等[38]提出了煤礦地下空間開發利用的六大設計原則和四大設計理念,為地下空間的利用指明了新的方向。目前,已經有部分地下水庫正常運行。大柳塔煤礦利用地下采空區創造性地建成了我國首座煤礦地下水庫,實現了礦井水資源的循環利用[37]。磁窯溝煤礦于2017 年正式投入使用地下水,實現礦井涌水零排放和礦井水資源的循環利用,創收經濟效益每年79 萬元[39]。顧大釗等[40]對此煤礦地下水庫進行研究,提出煤礦水庫安全系數概念,采用定量對比分析的方法評估煤礦地下水庫壩體的穩定性和安全性。寸草塔二礦也合理利用采空區進行存儲礦井水,每天可減少外排2 968 m3的水量,從而減少處理水的外排費用。儲存的水量可用于噴霧降塵、設備冷卻、巷道保護等,實現了處理水回用和節能減排[41]。

為實現礦井水井下高效處理,應當盡量使用模塊化設備。程志偉等[42]提出高效旋流一體化凈化工藝。該工藝采用旋流閃混技術實現高效混合,采用常壓節能旋流技術和二級旋流離心分離技術進行泥水分離,整個裝置一體化集成,能最大程度的減小占地面積。張家峁礦井水處理站應用該工藝后,礦井水懸浮物從1 466 mg/L 降低至4 mg/L,經濟和環境效益顯著。狄軍貞等[43]提出了礦井水井下處理與PRB 修復相結合的原位處理方法,通過無煙煤、鋼渣、石英砂、沸石填料的不同組合構建的PRB 活性柱對污染成分具有良好的去除效率,其最佳組合適用于含有機物、氮、磷和重金屬離子污染礦井水的井下原位修復處理。

礦井水地面處理受場地限制性因素小,因此可選擇的范圍較寬泛,可根據實際情況進行合理選擇。對于一般的水質,通過簡單處理就能達到標準,如冀中能源葛泉礦高懸浮物礦井水采用“混凝-沉淀-過濾”可達到工業用水排放標準,后續再進行“活性炭吸附+消毒”處理,可達到生活用水排放標準[44]。然而,隨著水質標準的提高,對礦井水處理要求也更為嚴格,尤其是高礦化度礦井水和含特殊組分的礦井水,單獨處理會消耗大量的資金。因此,需要開展節能低耗的處理技術研究,并將水處理過程與實際生產相結合,從而實現能量的循環。顧大釗等[45]提出的高效低耗礦井水處理體系如圖4 所示。

圖4 礦井水井上-井下聯合高效低耗處理技術體系[45]Fig.4 Surface-underground mine water treatment system with high-efficiency and low energy consumption [45]

2.3.2 礦井水深地回灌處理技術

2.3.2.1 回灌目的層的選取

近年來,高礦化度礦井水和含特殊組分礦井水越來越多[45],如在我國干旱-半干旱氣候帶的西北部存在大量的高礦化度礦井水。通過“分級處理”和“分質利用”雖能在一定程度上降低高礦化度礦井水處理能耗,但總體費用依然很高,而通過回灌處理能有效解決這一問題。例如,毛烏素沙漠腹地某煤礦為高礦化度礦井水,通過采用地下回灌的方式,利用風積沙層的自然過濾凈化作用去除了絕大部分的、大腸桿菌等污染物,再經過風積沙層中的低礦化度地下水資源稀釋作用,降低了原礦井水中的TDS,從而減少了回灌水對地下水質的污染[46]。

礦井水回灌的目的是減少地面多余礦井水的排放,從而保護環境、降低成本,其原理是將礦井水通過壓力泵及回灌井注入深部地層中,前提是要有合適回灌目的層。

回灌目的層的選取原則[19,47]如下:

(1) 目的層應位于煤系下較深層位,與煤層之間存在穩定的間隔距離及隔水層。

(2) 目的層應位于地質構造簡單的區域,應具有良好的儲集性、滲透性、封閉性。

(3) 目的層砂巖應當總體較厚,橫向連貫性好,有足夠的儲集空間,且沒有貫通上下部隔水層的深大斷裂。

總之,應定量化選擇層位參數指標,并據此建立回灌層遴選綜合評價方法,確?；毓嗄康膶拥倪x擇更加科學、精準,以進一步增加回灌成功率,最大限度提高回灌總量,延長回灌井使用年限。

2.3.2.2 回灌施工作業

確定回灌目的層后,需要根據地層情況及設計要求,采用適當的鉆井方式、工藝參數、鉆井液、機械設備等進行鉆井作業;鉆井施工完成后進行下管、固井、止水作業,并進行耐壓試驗,確保施工質量。梧桐莊礦1 號回灌井結構如圖5 所示[48]。梧桐莊礦煤系地層主要為埋深150～830 m 的石炭系,煤系地層的基底是奧陶系灰巖,厚600 m,深度在830 ～1 430 m,其含水層巖溶裂隙發育,富水性強,回灌目的層選在1 200 m 處。在具體施工過程中,控制頂角斜偏在0.5° ～1.0°,套管從?426 mm 至?244 mm 逐級遞減,采用組合齒輪鉆進,施工后做注水試驗,注水量約300 t/h,延續時間為72 h。

圖5 梧桐莊礦1 號回灌井結構示意圖Fig.5 No.1 reinjection well structure in Wutongzhuang mine

2.3.2.3 回灌試驗

施工結束后需要進行回灌試驗?；毓噙^程中,需要根據設計值及實際運行工況確定合適的回灌速率;在井田內部及周邊利用已有的觀測孔進行水位觀測,可進行連續一周或者更長時間,對回灌量、回灌水位、水位變化等基本參數進行研究?；毓嘣囼灥男Чu價可以通過回灌水位及水量降幅削減值來確定[49]?；毓嘣囼灲Y束后,根據試驗結果常采用數值模擬分析的方法評價回灌方案是否可行。該方法主要是通過設定一定的時間,依據現有參數和方案,預測在回灌條件下流場變化情況、水量變化情況等[47]。只有各項指標都滿足設計要求后,才能進行正式的回灌作業。實際回灌過程中將根據現場條件、施工水平和水文地質條件等反饋信息實時調整回灌量,確?；毓嗔髁?、孔口壓力、上升速度等符合設計要求。

在進行礦井水深井回灌過程中,需要根據回灌區地層的結構、巖性、水源條件、地形地貌等條件,優化回灌方式、改進工程工藝,從而提高回灌效率。實踐證明,工程設計的合理性與工藝控制的合理性是研發高效回灌技術的重要內容。地面回灌方面,可通過增大回灌水頭、減小回灌時間等方法來增大回灌速率;地下灌注方面,可在凈化設施、建井設計、建井材料等方面改進工藝來增加回灌速率[50-51]。鄭小燕等[52]針對城市地下空間開發中的地下水控制問題提出的水平輻射井回灌方法,可以增大有效入滲面積,從而增大回灌速率。

2.3.2.4 回灌水質模擬

礦井水回灌過程中,通過在回灌井中、回灌區附近布點安裝相關傳感器、設備(液位傳感器、多功能水質監測設備)以實現數據的監測;同時,通過定期取樣回灌水進行分析,得到水質主要組分的濃度變化情況,獲得更為全面的水質特點,從而展開污染物遷移轉化規律研究,為回灌水質、水量及過程控制提供必要的數據支撐。監測及取樣過程需要依據特定礦井水質選擇合適的污染成分,如TDS、COD、Cl、F、總大腸桿菌、酸堿性、pH 值,DO(溶解氧)、濁度、氨氮、亞硝酸鹽、硫酸鹽、水溫、鹽度、總堿度和硫化氫等。礦井水回灌過程中會與地下巖層發生多種作用,主要有過濾吸附、離子交換、沉淀-溶解等,因此對特定水量、水質和地下巖層環境進行溶質遷移轉化模擬具有重要意義[53-54]。通過前期對地層巖石的物理參數和化學參數的測定以及對回灌作業的數據監測,模擬長期回灌條件下回灌礦井水流場變化情況和累計最大回灌值等分析,可更好地調整后續回灌作業實施。鄭強等[15]對閉坑礦區的酸性老空水進行吸附研究發現,黃土能夠有效吸附水中典型污染物,并且以化學吸附為主、物理吸附為輔,其吸附過程較符合準二級動力學模型。

2.3.2.5 回灌安全性分析

開展回灌工程需要加強水質安全性分析。礦井水經過處理后產生的部分副產物可能影響地下水質,此外,除了回灌水中的某些成分與地下巖層之間產生的相互作用[40],還存在水動力場效應、水化學場效應、微生物作用等均可能對地下水產生影響。因此,必須從源頭上確?；毓嗨|的安全,在回灌過程中實時取樣分析檢測水質情況,并依據現場地質條件參數輔助模型模擬水質擴散規律,及時發現問題,確?；毓嗨|不會對地下水造成不利影響。

礦井水深地回灌的安全,也要考慮回灌過程、回灌后水體對回灌含水層和煤柱的影響。一般情況下,回灌水與場地原始地下水組分濃度存在差異。根據原始地下水流特點建立地下水流數值模型,同時根據回灌水質和回灌參數建立深部回灌污染物遷移規律數值模擬模型,考察重點離子或污染組分對地下水體的影響,從而為回灌水質安全提供一定保障。地下水模擬模型與信息系統的集成是確?；毓嗨|及回灌過程安全性的重要保障,在建立礦井水回灌至地下含水層的回灌管理信息系統時,可采用“靜態+動態”的思想?！办o態”是指固定模型的具體結構、水文地質參數、運移參數、模型計算方法及輸出文件格式?！皠討B”是指每次模擬都發生變化的數據部分,包括兩方面內容,一是對水流模型模擬期的動態處理,可以做一年或多年的模擬或預測計算;二是回灌過程水流模型的源匯項、運移模型的源匯濃度和初始水位的動態處理[55]。為保證煤柱不被地下水侵蝕,必須注重對回灌材料的選擇,同時對井壁外側需做好防震和密封處理,一般套管均選用無縫鋼管,采用對焊或外接箍絲扣連接;此外,回灌井的安全穩定非常重要,必須通過地質條件、受力分析等核算材料規格。

另外,還要分析礦井水深地回灌過程對安全生產的影響,尤其是預防底板突水的發生。為使礦井水深地回灌盡可能不影響礦區安全生產,需要根據確定的回灌點進行試驗和模擬研究,分析預測回灌工程對附近生產過程可能造成的影響,同時通過完善安全管理制度、增強風險預控力度、消除安全違規行為、提升生產安全管理水平來規避可能存在的安全隱患[21]。為避免礦井水回灌過程擾動附近地層的地質條件,引發第Ⅱ類中間狀態和第Ⅲ類危險狀態的煤層底板突水的情況,可在井孔附近注漿加固,同時必須加強水文地質觀測,防止底板斷裂出水。對底板突水危險性評價,可以利用層次分析法、人工神經網絡、支持向量機、脆弱性指數法、Fisher 判別分析模型等方法進行判別[56]。

3 結 論

(1) 提出了基于“深地-井下-地面”聯動的礦井水處理利用新模式。所建模式對于我國煤礦礦井水處理及資源化利用具有重要的參考意義。

(2) 論述了深地回灌工程技術的適用條件,包括煤礦區水質、水量、水文、地質、地下建筑結構等評估和回灌工程的可行性分析。

(3) 總結了不同水質礦井水處理技術和“井下-地面”協同處理技術體系。

(4) 從回灌目的層的選取、施工作業、回灌試驗、回灌水質模擬及安全性分析等方面,總結了礦井水深地回灌工程的主要技術工藝。