Construction and implementation of emission reduction and treatment technology system in deep mining of high salt mine water
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摘要:
近年来，随着我国煤矿矿井水排放标准的不断提高，针对高盐矿井水处理及资源化利用方面的技术创新需求进一步提升。减少矿井水尤其是高盐矿井水的排放、提高矿井水的可利用性是提高煤炭生产安全、加快绿色矿山建设、促进煤炭企业可持续发展的重要保障。针对张双楼煤矿深部开采过程中面临的矿井水涌水量大、矿化度高、处理利用成本高等问题，提出了该矿高盐矿井水以“减量、储存、净化”为核心的减排治理技术体系，即：通过底板涌水封堵减量技术对已有残余涌水点进行减量封堵，从源头上减少高盐矿井水的排放；通过矿井水深层回灌储存与保水修复技术将高盐矿井涌水进行深部转移储存，助力实现矿井水“零排放”与深层地下水的保水修复；通过采空区煤岩自净与调蓄技术进行高盐矿井水的煤岩自净预处理，并进一步通过地面深度脱盐处理技术，实现高盐矿井水净化处理以及资源化利用或达标排放。同时，结合该矿的水文地质背景、矿井涌水规律以及矿井水处理利用现状，对以上技术在该矿应用实现的可行性和途径进行了综合分析与评价：通过底板涌水封堵减量技术的实施，实现了188 m3/h的底板四灰涌水减量治理；通过深层回灌储存技术，西翼采区能够实现对奥灰含水层200 m3/h的回灌储存与保水修复；通过采空区煤岩自净预处理与调蓄技术，东翼采区可蓄存约165万m3矿井水并进行特征组分的井下预处理；通过地面深度脱盐处理技术，矿井水处理能力达到700 m3/h，每年可减少盐排量14 271.5 t。最后，提出并形成了张双楼煤矿高盐矿井水减排治理的综合技术思路。张双楼煤矿高盐矿井水减排治理技术体系的提出，可为该矿及其他类似深部开采煤矿高盐矿井水的减量治理以及资源化利用提供理论基础与技术借鉴依据。
Abstract:With the improvement of mine water discharge standards, the demand for technological innovation in mine water treatment and resource utilization has been further enhanced. Reducing the discharge of mine water, especially high salt mine water, and improving the availability of mine water are important guarantees for improving coal production safety, accelerating green mine construction, and promoting sustainable development of coal enterprises. Focused on the problems of high water inflow, high salinity and high cost of treatment and utilization during deep mining of Zhangshuanglou Coalmine, a treatment technology system of mine water emission reduction in high salt mine with “reduction, storage and purification” as the core was put forward: Blocking the water inflow points through the floor water inflow blocking reduction technology to reduce the discharge of high salt mine water from the source; Through the deep reinjection technology of mine water, some mine water will be transferred and stored in depth to realize the “zero discharge” and water conservation of mine water; Through the technology of coal and rock self-purification in goaf, the high-salt mine water is carried out by regulation and storage; Through surface deep desalting treatment technology, high salt mine water purification treatment, resource utilization or standard discharge can be realized. Further, combined with the hydrogeological background of the mine, the law of mine water gushing and the status quo of mine water treatment and utilization, the feasibility of the application of the above technology in the mine was comprehensively analyzed and evaluated: Through the implementation of floor water gushing plugging reduction technology, the reduction treatment of 188 m3/h floor four ash gushing water was realized; Through deep reinjection technology, 200 m3/h recharge storage and water conservation restoration of Ordovician limestone aquifer can be realized in the west wing mining area; About 1.65 million m3 of mine water can be stored in the east wing mining area through self-cleaning pretreatment of coal and rock in goaf and regulation storage technology, and the underground pretreatment of characteristic components can be carried out; Through the surface deep desalination treatment technology, the mine water treatment capacity reaches 700 m3/h, and the annual salt discharge can be reduced by 14 271.5 t. Finally, the comprehensive technical idea of water emission reduction treatment of high salt mine in Zhangshuanglou Coalmine is put forward. The proposal of the water emission reduction treatment technology system of the high-salt mine in Zhangshuanglou Coalmine can provide a theoretical basis and technical reference for the water reduction treatment and resource utilization of high-salt mine in Zhangshuanglou Coalmine and other similar deep mining coal mines.
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0. 引 言
在煤炭开采过程中，为保障安全生产而开展的必要疏排水工程必然产生大量矿井水[1]。在2022年，我国煤矿产生的矿井水超过70亿m3，这些矿井水如果不能得到有效处置或资源化利用，不仅白白浪费大量宝贵的地下水资源，还可能引发一系列的水环境效应或生态环境风险。为此，国务院颁发的《水污染防治行动计划》(简称“水10条”)就明确将矿井水资源保护列为我国煤炭工业绿色可持续发展和我国生态文明建设中的重大关键问题[2]。同时，我国总体上属于贫水国家，2021年全国水资源总量29 638.2亿m3(水利部2021年水资源公报)，地下水资源量8 195.7亿m3，人均占有量仅为全世界的1/4[3]。在我国水资源短缺的情况下，矿井水作为一种非常规水资源，加强对矿井水的减排与治理是未来发展的必然选择[4]。据统计，我国吨煤开采产生矿井水约2.1 m3，每年矿井水排水量超过70亿m3[5-6]。在我国目前的矿井水分类中，一般根据矿井水的水质可分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水(或高盐矿井水)、酸性矿井水、含特殊污染物矿井水这5类。高盐矿井水是指全盐量高于1 000 mg/L的矿井水，若不加处理直接排放可能产生一系列的水环境效应。根据笔者课题组前期对全国矿井水水质现状的统计结果，高盐矿井水在我国矿井水中分布较为普遍，主要分布在水资源较为短缺的西北型煤田以及华北型煤田。例如，位于西北型煤田的新疆大南湖矿区矿井水含盐量最高可达40 g/L、位于宁夏的宁东矿区一般可达3～12 g/L；而位于华北型煤田的鲁西、徐州等矿区矿井水的含盐量也总体较高，例如位于鲁西地区的新巨龙煤矿一般在4～8 g/L、李楼煤矿高达4 g/L，而位于徐州丰沛矿区目前在产的张双楼煤矿、姚桥煤矿、徐庄煤矿、龙东煤矿矿井水含盐量一般在4～5 g/L，属于典型的高盐矿井水水质特征。另据统计，在我国上述矿区，尤其是华北型煤田2022年产生的约20亿t矿井水中，高盐矿井水约占6亿t，占比约30%。可见，高盐矿井水问题在我国西北地区、华北地区较为典型，开展相关的针对性治理研究意义重大[7]。可见，在华北地区，大量深部开采煤矿面临的高盐矿井水减排治理问题亟待开展，实现高盐矿井水的减量治理和资源化利用是实现煤炭企业高质量发展和矿区生态文明建设双重目标实现的重要推力[8]。然而，高盐矿井水的治理或处理成为众多煤矿面临的重大难题，高昂的排放费用、巨额的矿井水处理成本、排放去向的选择等均成为煤矿企业需要解决的痛点，因此，若能实现高盐矿井水的减排治理，将大幅降低煤矿企业的经济负担。
近年来，国内外学者在矿井水减排与治理研究方面取得了一系列成果[9–14]，对于高盐矿井水的治理思路主要集中在脱盐处理排放及转移存储2方面。孙亚军等[15]在鄂尔多斯盆地东部某矿实施回灌试验井工程后，获取了矿井水高压持续回灌封存的水文地质效应，证明了深层回灌的可行性。赵春虎等[16]进行了矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析，证明了矿井水回灌对深部高浓度含水层地下水化学成分影响较为有限。顾大钊等[17]提出了矿井水地下水库净化机理，实现了井下高矿化度水脱盐的工程治理。
在上述背景下，重点针对位于徐州矿区的张双楼煤矿矿井涌水量大、矿化度高、处理成本高等突出问题，提出该矿高盐矿井水减排治理的技术框架，并结合该矿特有的水文地质条件，提出上述各项治理技术的实现途径，并开展可行性评价。通过以上技术手段的应用，可极大减少张双楼煤矿在高压矿井水治理方面的经济支出，实现提高矿井煤炭生产安全、加快绿色矿山建设、促进煤炭企业可持续发展等目标。
1. 高盐矿井水涌水现状及问题
1.1 矿井水文地质背景
张双楼煤矿位于徐州市西北，主采二叠系山西组7煤、9煤，矿井开采深度较大，主要集中在–500 m，–750 m水平，深部部分区域最深可达到–1 100 m，整体属深部开采矿井。其中–500 m水平为11、12、13采区共3个采区，–750 m水平为21、22、23、24、25采区共5个采区。矿井目前采掘活动及未来接续主要集中在13采区东翼及深部24、25采区，东部的11、12、21、22和23已基本回采结束，其中11和21采区东翼采空区已进行封闭，为老空水蓄积区。具体如图1所示。
张双楼井田整体上为近东西走向、向南倾斜的单斜构造，断层较发育，主要含水层从上到下可分为第四系砂层或砂砾层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、太原组灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层，其水文地质结构如图2所示。其中，第四系含水层与煤系顶板砂岩含水层经过矿井长期开采疏放，富水性弱，奥灰含水层与煤层之间存在厚度较大的稳定隔水层段，对煤层回采影响小。对煤层回采存在较大影响的主要为煤层底板太原组四灰含水层，底板四灰含水层岩溶发育具有“浅部强、深部弱”的垂向分带性，同时由于矿井区域隔水断层发育，使四灰含水层富水性区块化特征明显。
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图 2 矿井综合水文地质结构示意Figure 2. Comprehensive hydrogeological schematic histogram of the coal mine1.2 矿井整体涌水情况
张双楼煤矿矿井总涌水量基本构成可以分为井筒涌水、采区涌水、采空区采空区涌水等，整体表现出矿化度高、涌水量大的特征。2018年以来，张双楼煤矿一直针对煤层主要充水的底板太原组第4层石灰岩(以下简称“四灰”)含水层进行主动疏放，四灰水位有明显下降。由表1可看出，近5 a来矿井涌水量总量相对较大，总体呈下降趋势，尤其是自2022年5月对井下原有底板四灰疏水降压孔的残余涌水点实施封堵减量治理以后，矿井总涌水量明显减少。
表 1 近5年矿井涌水量情况Table 1. Water inflow of mine in recent 5 years年份 2018 2019 2020 2021 2022 月均涌水量/(m3·h−1) 769 748 671 695 540 1.3 西翼新增涌水量估算
近年来，张双楼煤矿的开采重心逐步向西部和深部转移，位于西部的13采区及深部的24、25采区由于近南北向发育的F16、F26、SF27及SF30隔水断层带阻隔(图1)，使底板四灰含水层划分不同的独立水文地质单元，断层带东西两侧四灰含水层的水位差可达到200 m左右。不同于隔水断层带东侧由于煤层开采对四灰含水层的长期疏降，断层带西侧目前尚未揭露或人工疏降，基于矿井已揭露的四灰含水层水文地质参数及井下采掘资料，当采掘活动延伸至13采区西翼后，预计该区域底板四灰涌水量将达到约200 m3/h，以疏降至突水系数<0.06 MPa/m为13采区西翼区域疏放目标，利用非稳定流Jacob式(式(1))，对该区域疏降情况进行预计，具体见表2。
表 2 13采区西翼四灰含水层疏降情况预计Table 2. The dewatering of four limestone aquifer in the west wing of 13 mining area时间t/d 总疏降强度/(m3·h−1) 总降深/m 1 200 132.8 2 141.6 5 146.8 7 153.3 14 157.6 20 170.9 40 179.8 60 184.9 $ \vdots $ $ \vdots $ 120 193.7 180 198.9 $$ s{\text{ = }}\frac{Q}{{4{\text{π}} T}}\ln \frac{{2.25Tt}}{{{r^2}S}} = \frac{{0.183Q}}{T}\lg \frac{{2.25Tt}}{{{r^2}S}} $$ (1) 式中，s为观测点的水位降深，m；Q为放水孔的流量，m3/h；T为导水系数，m2/h；t为自放水开始到计算时刻的时间，h；r为计算点到放水井的距离，m；S为含水层的贮水系数，无量纲。
根据上表预算结果可以看出，当井下采掘活动至13采区西翼，由于矿井四灰含水层富水的区块化特征及该区域含水层补给条件情况，底板四灰含水层在200 m3/h的较大疏降强度下，初期便表现出较大的水位降深，后期降深逐渐下降，但仍需约180 d时间可将含水层疏降至安全水头以下。
目前，张双楼煤矿总体矿井涌水量较大，尤其是西翼13采区尚未揭露，初步预计该采区单个工作面疏降水量达到200 m3/h，且在180 d疏降周期后方能实现安全开采，这必将导致该矿在13采区西翼揭露后矿井涌水量的进一步增大。
1.4 矿井水处理利用现状
据统计，2022年张双楼煤矿矿井涌水量达到490万t，矿化度一般为3 112～4 418 mg/L，其中156万t矿井水用于井下防尘喷淋，其余334万t矿井水需排至地面工业广场水处理厂处理后排放，由于张双楼煤矿矿井水的全盐量大部分为较难处理的${\rm{SO}}_4^{2 - } $，Cl–与Na+，使矿井水处理成本高达15元/t以上。矿井现有的矿井水处理厂采用调节+微涡旋澄清工艺，矿井水处理站采用加药混凝、沉淀处理工艺，对矿井水中的悬浮物、化学需氧量进行去除，实现了矿井水的全处理、全达标排放。
综上所述，张双楼煤矿目前井下涌水量大、矿化度高、矿井水处理成本巨大。此外，由于矿井开采水平向深部拓展后，采掘活动受底板高承压含水层的影响将进一步加剧，尤其是西翼采区回采后将进一步增大矿井涌水量，从而导致矿井排水费用及处理成本进一步升高。因此，亟待研究和解决高盐矿井水的低成本减排及治理关键技术，为矿井高盐矿井水的低成本处理提供技术依据。
2. 高盐矿井水治理的技术框架
目前，张双楼煤矿高盐矿井水达标排放和资源化利用的关键是要进行除盐处理，但仅靠矿井水的深度处理一条途径必然导致矿井的经济成本大增，可见，通过必要的技术途径实现矿井涌水的源头减量，进而减少矿井水的总排放量同样至关重要。因此，有必要构建一套减少矿井总排水量、保护矿区地下水资源、降低高盐矿井水处理成本的技术框架体系，进一步优化该矿高盐矿井水的处理途径。
2.1 技术思路及框架
针对张双楼煤矿深部开采过程中面临的矿井涌水量大、矿化度高、处理利用费用高等问题，提出该矿高盐矿井水以“减量、储存、净化”为核心的减排治理技术体系，即对井下残余涌水点进行源头封堵减量，对高盐矿井水进行回灌储存并实现保水修复，利用井下采空区煤岩自净以及地面脱盐深度处理实现高盐矿井水的净化处理，提高高盐矿井水的可利用性，从而形成高盐矿井水的减排治理技术体系，其技术框架结构如图3所示。
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图 3 高盐矿井水的减排治理技术思路与框架Figure 3. Technical system for emission reduction and treatment of high salt mine water2.2 主要技术原理
2.2.1 底板涌水封堵减量技术
底板涌水封堵减量技术是一种源头减少矿井涌水量的技术手段，主要方式是将原有井下疏水降压的残余涌水点进行源头封堵。但底板涌水的封堵需要保证底板含水层水位恢复抬升后的突水系数不超过0.1 MPa/m，并且水位抬升范围不会影响到周围生产工作面[18-19]，以保证煤矿开采的安全性，如图4所示。运用底板涌水封堵减量技术需满足的条件有：
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图 4 底板涌水封堵减量技术示意Figure 4. Schematic of water inrush plugging and reduction technology of floor①煤层底板含水层富水性相对较弱，在前期疏水降压工作中区域水位已有大幅降低；②与邻近含水层水力联系差；③当前底板含水层水压远小于安全水压。
2.2.2 深层回灌储存与保水修复技术
目前，针对高盐矿井水处理的工艺一般较为复杂、成本高、投资巨大[20]。为促进实现矿井水资源的“零排放”和低成本处理，提出一种高盐矿井水深层回灌储存与保水修复技术，将高盐矿井水通过高压泵及回灌井注入到深部合适地层中，以实现矿井水资源保护和绿色矿山建设的目标，技术原理如图5所示。该技术的前提是回灌目的层的选取，以防止引起顶底板涌水等水害问题。矿井水深层回灌技术成功与否，取决于2个方面，①回灌目的层的厚度和透水性，②回灌的水质[21]。选取回灌目的层时，选取对煤矿开采安全基本没有影响的深部含水层或储水空间；选择构造相对简单的区域，没有贯通上下含水层的深大断裂[22]；选择和水资源利用没有关系的含水层或储水空间；选择与周围水文地质单元水力联系弱的含水层或储水空间。回灌的水质通常要优于回灌目的层的水质，主要是为了防止回灌目的层被污染。回灌还应当对回灌参数指标，如岩性、裂隙率、渗透系数、贮水系数、岩石力学相关参数等[23-24]进行专题分析。
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图 5 矿井水深层回灌顶板含水层和底板含水层示意Figure 5. Schematic of the roof aquifer and floor aquifer of the deep reinjection of mine water2.2.3 采空区煤岩自净与调蓄技术
采空区矿井水调蓄技术是指利用采空区进行水资源转移储存，同时利用采空区煤岩自净作用达到初步净化矿井水中特征污染物的目的，适用于高盐矿井水的治理。该技术可实现井下矿井水的预处理，可以根据煤矿涌水量波动情况，进行控制性储水和放水，发挥涌水量的调蓄作用。为保证煤矿开采安全，在进行采空区矿井水调蓄技术地址选择时，需考虑4个技术依据[25]：①需考虑采空区是否能够储存矿井开采产生的涌水；②选择构造相对较少、地层标高相对较低的区域；③选择安全性高、工程费用低的区域；④距地面矿井水处理站尽可能近。采空区矿井水调蓄概念如图6所示。
2.2.4 地面深度脱盐处理技术
地面深度脱盐处理技术是一种降低矿井水中硫酸盐和全盐量最直接的手段，使水质达到矿井水外排要求。该技术的关键是脱盐，主要有药剂法、蒸馏法、离子交换法、膜分离法和生物处理法等，据调研，在鲁西、徐州矿区深部开采煤矿针对高盐矿井水的处理成本普遍较高，一般超过10元/t。其中，药剂法通过投加药剂使溶解盐形成沉淀，从而达到除盐的目的。蒸馏法利用热能达到脱盐淡化的目的，适用于含盐量大于4 000 mg/L的矿井水。离子交换法主要是通过离子交换剂交换水中溶解离子，适用于含盐量100～300 mg/L的矿井水。膜分离法是在压力的作用下，将水中的不同离子通过膜以进行分离，主要有反渗透和纳滤技术等。
3. 高盐矿井水减排治理技术的实现
长期以来，张双楼煤矿一般采用将井下涌水排出地面后再进行深度处理，成本投入巨大。为降低高盐矿井水的处理成本，张双楼煤矿近年来一直探索和寻求新方法、新技术以改善高盐矿井水的处理现状，在上述高盐矿井水治理技术框架体系的指导下，目前已开展实施了井下残余涌水点的减量封堵，应用效果显著。因此，还亟待开展相关技术体系的进一步论证与实施，以减少高盐矿井的外排水量及治理成本。
3.1 底板涌水封堵减量技术的实现
3.1.1 残余涌水点概况
张双楼煤矿针对底板四灰水的治理一直采取积极、主动的“疏水降压”防治水手段，自2005年以来，张双楼矿已累计疏放四灰水约2700万m3，四灰水位明显下降。目前张双楼煤矿22、23采区已采掘完成，在有效保障现有采掘工程安全生产的前提下，部分底板涌水点存在封堵或减量治理的可行性。
通过对张双楼煤矿井下实地调查，目前已采掘完成工作面内共有9处出水钻孔，总涌水量共计240 m3/h。通过对井下涌水点水质特征进行分析，已明确涌水点补给源均为底板四灰含水层，存在封堵可行性[26]。
3.1.2 封堵可行性评价及方案
在明确各涌水点的涌水规律及补给水源的基础上，对于影响半径内无采掘工作面的涌水点进行全封堵设计。对于影响半径内有计划采掘工作面的涌水点，根据其所处水文地质单元的水文地质参数特征，建立了计算四灰流场的地下水流数学模型，对涌水点附近回采工作面(9800工作面)下隅角处水位抬升情况进行了预测评价。不同减量治理方案下水位恢复情况如图7所示。
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图 7 不同减量治理方案下水位恢复预测趋势Figure 7. Prediction trend of water level recovery under different reduction control schemes根据不同封堵条件下四灰水位抬升情况，在保障工作面安全生产(底板四灰带压开采不超过1 MPa的原则)的前提下设计出最佳封堵方案：①对不影响采掘工作面的涌水点进行100%完全封堵；②对影响采掘工作面的涌水点进行引流封堵，即封堵后预留一定的放水量以消减水压。对完全封堵钻孔进行注浆封堵，其余钻孔采用修复套管和孔口装置的治理措施，做到各涌水点“水量可放可控、水压实时监测”。上述方案所设计的四灰涌水点理论上的最大可封堵水量为188 m3/h，大幅减少了矿井底板四灰的涌水量。
此外，结合各采区近5年的采掘计划安排，拟采取分阶段对各四灰涌水点进行减量治理的思路，即先封堵对采掘活动无影响的涌水点，再分批次封堵有限影响涌水点，最后预采掘活动结束后封堵剩余涌水点。
3.1.3 减排治理效果
在上述评价基础上，张双楼煤矿已于2022–05–15封堵完成了–290 m回风巷底板四灰疏放水钻孔，减少矿井涌水量50 m3/h；于2022–06–09封堵完成了东11采区–500 m大巷底板四灰疏放水钻孔，减少矿井涌水量40 m3/h。截止目前，因上述残余涌水点的封堵减量，累计已节省高盐矿井水的排水电费、处理费用超过1200万元，经济效益极为显著。
3.2 深层回灌储存与保水修复技术的实现
3.2.1 煤层底板充水含水层概况
张双楼煤矿主采9号煤层底板主要充水含水层为太原组四灰含水层，且经过多年疏排，四灰水位有明显下降。经过全矿区对断层、陷落柱等地质构造的多年勘察，证明开采范围内四灰含水层与下部奥陶系岩溶地层无水力沟通，水文地质结构如图2所示。
3.2.2 回灌可行性评价
张双楼井田范围内中奥陶统石灰岩含水层区内埋藏较深，隐伏于煤系地层之下，距太原组四灰含水层距离约160 m。根据前期揭露成果，该区内奥陶系地层岩性以灰白色、灰色灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩为主，裂隙充填物较多，多为方解石，一般底界深度2 200 m，地层厚度大于500 m，与下伏寒武系地层不整合接触，是回灌目的层的良好选择。
根据前文所述矿井水深层回灌相关技术要求，张双楼煤矿矿井水回灌目的层选取应遵循以下原则：
1）不受矿井各主采煤层回采影响。根据“下三带”理论经验公式：①h=0.700 7+0.107 9 L；②h=0.303 L0.8。矿井主采下部9煤底板破坏带范围一般为12.1~21.0 m，9煤底板与太原组四灰充水含水层平均距离约48.9 m、与奥灰含水层顶板平均距离约207 m，9煤回采底板破坏带远未沟通底板四灰与奥灰含水层，奥灰含水层对7、9煤回采无影响。
2）具备一定厚度及储水空间。奥陶系地层包括八陡组、阁庄组、马家沟组和肖县组地层，其中阁庄组、马家沟组为岩溶裂隙承压含水层，其平均厚度分别可达到113.33、198.53 m，渗透系数分别为0.32～4.83 m/d，0.55～1.70 m/d，奥灰含水层各类指标见表3。奥灰含水层厚度发育稳定及其较大的渗透性，为矿井水回灌提供了良好的储水空间。
表 3 奥灰含水层各指标情况Table 3. Indicators of Ordovician limestone aquifer含水层 组 与9煤
距离/m层厚/m 渗透系数/
(m·d−1)奥灰含水层 阁庄组 207 (105.5～121.16 m)/113.33 0.32～4.83 马家沟组 198.53 0.55～1.70 3）不会对煤层安全开采造成威胁。9煤与奥灰含水层之间具备平均厚度约207 m泥岩、砂泥岩段稳定隔水层段，厚隔水底板且无地质构造异常，进一步保证了奥灰含水层对9煤回采无影响。
根据西翼13及24采区采掘工程规划，拟设计奥灰回灌井位置于–500 m水平西翼大巷处，如图8所示。
以上述计算西翼13采区首采面疏降水量作为回灌量进行评价，对该区域设计200 m3/h回灌量并回灌至奥灰含水层，利用承压含水层非稳定流公式反向推算出回灌后r=500 m(目前正在回采的13902工作面)及r=200 m(下一步计划回采的24901工作面)两处奥灰水位。依据计算结果，预计奥灰水位2年内抬升30 m以内并基本趋于稳定，表明上述回灌强度下不会引起奥灰水位的剧烈抬升，初步表明区域内奥灰具有较好的回灌可行性。具体计算结果见表4。
表 4 回灌后奥灰水位抬升预测Table 4. Ordovician limestone water level rise after reinjection时间/d 回灌量/
(m3·h−1)水位抬升/m r=200 m处 r=500 m处 1 200 18.78 15.86 2 19.88 16.97 5 21.34 18.42 7 21.87 18.96 10 22.44 19.52 20 23.54 20.63 40 24.64 21.73 60 25.29 22.37 120 26.39 23.47 180 27.03 24.12 300 27.84 24.93 480 28.59 25.68 600 28.95 26.03 1000 29.76 26.84 1500 30.40 27.49 另据统计，在2019年以来，位于山东省郓城市某社区(距张双楼煤矿直线距离105 km)进行了部分工业尾水的无压回灌监测，监测数据表明，回灌层位同为奥陶系马家沟组灰岩，回灌量为90.52 m3/h，回灌前回灌井水位埋深平均为42.69 m，回灌期间回灌井水位埋深平均为6.28 m，水位抬升36.41 m，该项目目前已稳定回灌超过3年。张双楼煤矿奥灰含水层的水文地质条件与上述案例相似，对比分析结果具有一定的参考价值，从水位抬升预测结果分析认为，张双楼矿将矿井水回灌至奥灰含水层具备安全实施的可行性，而具体的工程实现其他文献再做详细讨论。
4)矿井水各项指标整体优于回灌层的背景值。据水质分析资料，张双楼矿奥灰含水层地下水TDS为4 447 mg/L，四灰含水层地下水TDS为1 926～3 384 mg/L，四灰含水层地下水水质整体优于奥灰地下水。由于井下生产活动及较复杂的各含水层地下水混合作用，导致矿区西翼矿井水TDS达到4 418 mg/L，部分离子含量略高于奥灰水，但总体上水质差异不大，可通过地面或井下预处理或微处理使其水质优于奥灰水后再进行地面深井无压回灌或井下–500 m大巷有压回灌。当矿井采掘活动延伸至13采区西翼及深部，超过200 m3/h的四灰含水层涌水及预处理后的矿井水，各项指标优于奥灰含水层地下水。总体上，四灰含水层水质满足回灌对水质的要求，矿井水经过简单的预处理后也可达到回灌的要求，具有回灌的可行性。各含水层具体水质指标见表5。
表 5 不同含水层水质指标对比情况Table 5. Comparison of water quality indicators of different aquifers序号 水样来源 阳离子浓度/(mg·L−1) 阴离子浓度/(mg·L−1) TDS/(mg·L−1) K++Na+ Ca2+ Mg2+ Cl− SO4 2− HCO3 − 1 四灰水 361.65～441.05 199.80～465.53 49.68～110.98 184.04～324.25 1 047.93～1 893.36 169.94～203.44 1 926～3384 2 矿井水 468.33～783.32 210.76～473.86 78.64～188.95 252.7～336.6 1 638.68～2 296.21 155.29～858.69 3 112～4418 3 奥灰水 579.41 731.38 143.91 815.84 2 066.29 219.90 4447 综上所述，张双楼矿通过将矿井水回灌至奥灰含水层，可极大减少矿井水外排造成的资源浪费以及水处理成本，并具备技术、工程实践方面的可行性和较好的经济效益。
3.3 采空区煤岩自净与调蓄技术的实现
3.3.1 煤矿采空区概况
随着张双楼煤矿多年开采，井田东翼11、21采区多个工作面已完成采掘工作，并在巷道内通过设置水闸门、水闸墙等进行封闭了多年，采用容积法计算采空区面积及其储水量：
$$ W{\text{ = }}KMS/\cos \;\alpha $$ 式中，W为采空区储水量，m3；M为采空区煤层平均采高，m，依据矿井各开采煤层计算平均采高或煤厚；S为采空区面积，m2，依据矿井分煤层采掘工程平面图圈定的水平投影面积；α为煤层平均倾角，(°)，据矿井开采煤层计算；K为充水系数，与采煤方法、煤层倾角、顶底板岩性及采后间隔时间等有关，取值范围0.25～0.50，取最小值0.25进行保守估算。
初步计算张双楼矿东翼11采区的采空区可蓄水体积至少达到165万m3。由于地面矿井水深度处理站直接处理高盐矿井涌水成本高昂，因此考虑利用井下采空区对高盐、高悬浮矿井水储存调蓄并进行一级净化预处理，再排至地面矿井水处理站进行2次处理以减少处理成本。
3.3.2 预处理效果分析
已有研究结果表明，采空区作为一种天然的过滤器，可使内部矿井积水的水化学特征产生巨大变化[1, 5, 7, 21]。笔者团队采取了张双楼矿同水平面、位置相近的新封闭采空区水与东翼回采结束5年以上的采空区水进行水化学特征分析测试，经过采空区天然处理前和处理后的矿井水化学成分变化如图9所示。Ca2+、Mg2+离子存在小幅上升，可能与发生了阳离子吸附交换作用有关，而Na+、Cl−、pH、TDS、浊度、悬浮物含量等化学指标得到大幅度降低，Na+的净化效率为66.34%，Cl−的净化效率为59.74%，SO4 2−的净化效率为17.31%，TDS的净化效率为24.5%。除此之外，浊度由7.1FNU降至0.9FNU，悬浮物含量由55 mg/L降至10 mg/L，净化效率为81.8%。可见，仅通过采空区的天然煤岩自净作用，已使矿井水含盐量和浑浊度等关键指标大幅减小。
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图 9 采空区调蓄系统水化学成分对比Figure 9. Comparison of chemical composition of water in goaf regulation and storage system可见，利用东翼11采区的采空区进行井下调蓄与矿井水预处理，至少可减少165万m3矿井水的外排与处理。同时，通过利用采空区煤岩自净作用进行高盐矿井水井下预处理后，预计东翼采区现有约200 m3/h矿井涌水处理成本将大幅降低，总体经济效益极为显著。
3.4 地面深度脱盐处理技术的实现
3.4.1 矿井水处理现状
目前，张双楼煤矿现有矿井水处理厂采用调节+微涡旋澄清工艺，处理后出水外排，执行GB20426—2006《煤炭工业污染物排放标准》中新建(扩、改)生产线排放限值，出水悬浮物大部分时间可以达到SS≤50 mg/L的要求，少部分时间会出现超标情况。矿井水处理站采用加药混凝、沉淀处理工艺，对矿井水中的悬浮物、化学需氧量进行去除，实现矿井水的全处理、全达标，处理后的矿井水部分用于矸石山冲洗，剩余的深度脱盐处理达标后排入徐沛河。
根据淮河水利委员会的水质监测报告，张双楼煤矿原有矿井水处理厂处理工艺除盐工艺较为简单，无法满足矿井水外排水质要求，需对矿井水深度除盐处理工艺进行优化升级。此外，在实际运行过程中，矿井水处理站还存在诸如出水悬浮物不能稳定达标、没有污泥处理设施、澄清池出水悬浮物较高以及煤泥水池设计不合理等问题，亟待优化地面矿井水处理站设计，并完善矿井地面深度脱盐处理技术。
3.4.2 地面深度脱盐处理总体优化工艺设计
高盐矿井水处理工艺的选择直接关系到项目的建设投资、运行成本的高低、出水水质以及运行管理是否方便可靠。具体处理工艺设计要综合考虑设计水量、原水水质、处理水质要求、可利用场地等。技术目标要实现对张双楼煤矿高盐矿井水进行膜脱盐处理，降低水中硫酸盐及全盐量，使矿井水处理后满足达标外排或资源化利用的需求。最后，将膜脱盐产生的浓盐水进行结晶处理或无害化利用。
根据设计进水水质可知，张双楼煤矿矿井水全盐量大部分为SO4 2–、Cl–与Na+。为了满足排放要求中的WC SO4 2–≤650 mg/L，全盐量≤1 000 mg/L的要求，将高盐矿井水水中的SO4 2–、Cl−与Na+分别以Na2SO4，NaCl结晶盐的形式析出或其他方式分离出来，降低废水中的TDS、SO4 2–、Cl−与Na+。为了分离矿井水中的离子成分，能够采用的处理工艺为膜处理工艺和离子交换工艺。膜处理工艺主要包括反渗透膜浓缩处理工艺、电渗析浓缩处理工艺等；用于除盐的离子交换工艺根据树脂类型主要分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂。虽然离子交换用于除盐具有除盐彻底，流程简单的特点，但是离子交换工艺占地面积大、投资较高、需要大量酸碱再生、消耗大量药剂、产生的再生废水处理困难。因此，设计矿井水采用多级膜浓缩处理工艺降低废水中的盐分，同时产生少量浓盐水，再进行后续处理。通过工艺比选，项目膜浓缩采用“分步协同预处理+多级耦合膜浓缩”工艺、分盐处理采用“冷冻结晶”工艺、蒸发结晶采用“MVR蒸发结晶”工艺。所设计矿井水处理能力达到700 m3/h，每年可减少盐排量14 271.5 t。优化后的工艺流程如图10所示。
目前，张双楼矿已完成了高盐矿井水脱盐工艺的优化论证工作，其核心是将原有高成本、低效率的离子交换工艺优化为以多级膜浓缩技术为核心的除盐处理工艺。相关配套的处理站及成套已完成优化设计与招标工作，正在建设中，预计2024年将可正式投入使用。建成后，高盐矿井水的地面深度脱盐处理将与上述各项技术结合，实施井下残余涌水点“能封尽封”的减量治理；工作面矿井水在清污分流后“良水回灌”、污水经采空区自净调蓄后回灌或排至地表深度脱盐后外排与资源化利用；西翼13采区主动疏排的底板四灰水直接“良水回灌”或排至地表深度脱盐后外排与资源化利用。通过上述综合减排治理技术的实施，可直接减少矿井水的外排量、降低矿井水的综合治理成本。
4. 结 论
1）针对张双楼煤矿深部开采过程中的高盐矿井水排放处理问题，提出了该矿高盐矿井水以“减量、储存、净化”为核心的减排治理技术体系，即：通过底板涌水封堵减量技术对已有残余涌水点进行源头减量封堵，从源头上减少高盐矿井水的排放；通过矿井水深层回灌与保水修复技术将高盐矿井涌水进行深部转移储存，助力实现矿井水“零排放”；通过采空区煤岩自净与调蓄技术进行高盐矿井水的煤岩自净预处理，并通过地面深度脱盐处理技术，实现高盐矿井水净化处理以及资源化利用或达标排放。
2）张双楼煤矿底板涌水封堵减量技术目前已顺利实施：底板四灰残余涌水点的封堵可行性经评价后，结合涌水点所在采区近5年的采掘计划安排，制定了分阶段对各四灰涌水点进行减量治理的思路，所设计的封堵方案总计可减少底板四灰涌水量188 m3/h。
3）对张双楼煤矿深层回灌与保水修复技术的实现从回灌层位、回灌安全性、回灌水质等方面进行了综合论述。煤层底板奥陶系灰岩含水层马家沟组可作为回灌目的层，回灌后奥灰水位抬升速度缓慢，2年内邻近采掘工作面处水位抬升在30 m以内，与相邻山东郓城地区已完成回灌项目对比认为从安全角度上考虑张双楼煤矿具备回灌可行性。此外，从水质对比上来看，四灰含水层水质满足回灌对水质的要求，矿井水经过简单的预处理后也可达到回灌的要求。
4）对张双楼煤矿采空区煤岩自净与调蓄技术的实现进行分析。张双楼煤矿11、12采区东翼多个工作面早已完成采掘工作，采空区约可蓄水165万m3。采取同水平面、位置相近的新封闭采空区水与东翼采空5年以上的采空区水进行水化学特征分析测试，经过采空区天然处理后的矿井水Na+、Cl−、pH、TDS、浊度、悬浮物含量等化学指标大幅降低，采空区煤岩自净效果明显。
5）目前张双楼煤矿地面矿井水处理站已针对其存在问题进行了优化方案设计，在实施地面深度脱盐处理技术时需考虑设计水量、原水水质、水质要求、可利用场地等因素，因地制宜选取合适处理工艺。目前张双楼煤矿所设计矿井水处理能力达到700 m3/h，每年可减少盐排量14 271.5 t。
6）提出了张双楼煤矿高盐矿井水减排治理的综合技术思路，即实施井下残余涌水点“能封尽封”的减量治理；工作面矿井水在清污分流后“良水回灌”、污水经采空区自净调蓄后回灌或排至地表深度脱盐后外排与资源化利用；西翼13采区主动疏排的底板四灰水直接“良水回灌”或排至地表深度脱盐后外排与资源化利用。通过上述综合减排治理技术的实施，可直接减少矿井水的外排量、降低矿井水的综合治理成本。
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图 2 矿井综合水文地质结构示意
Figure 2. Comprehensive hydrogeological schematic histogram of the coal mine
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图 3 高盐矿井水的减排治理技术思路与框架
Figure 3. Technical system for emission reduction and treatment of high salt mine water
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图 4 底板涌水封堵减量技术示意
Figure 4. Schematic of water inrush plugging and reduction technology of floor
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图 5 矿井水深层回灌顶板含水层和底板含水层示意
Figure 5. Schematic of the roof aquifer and floor aquifer of the deep reinjection of mine water
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图 7 不同减量治理方案下水位恢复预测趋势
Figure 7. Prediction trend of water level recovery under different reduction control schemes
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图 9 采空区调蓄系统水化学成分对比
Figure 9. Comparison of chemical composition of water in goaf regulation and storage system
表 1 近5年矿井涌水量情况
Table 1 Water inflow of mine in recent 5 years
年份 2018 2019 2020 2021 2022 月均涌水量/(m3·h−1) 769 748 671 695 540 
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表 2 13采区西翼四灰含水层疏降情况预计
Table 2 The dewatering of four limestone aquifer in the west wing of 13 mining area
时间t/d 总疏降强度/(m3·h−1) 总降深/m 1 200 132.8 2 141.6 5 146.8 7 153.3 14 157.6 20 170.9 40 179.8 60 184.9 $ \vdots $ $ \vdots $ 120 193.7 180 198.9
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表 3 奥灰含水层各指标情况
Table 3 Indicators of Ordovician limestone aquifer
含水层 组 与9煤
距离/m层厚/m 渗透系数/
(m·d−1)奥灰含水层 阁庄组 207 (105.5～121.16 m)/113.33 0.32～4.83 马家沟组 198.53 0.55～1.70
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表 4 回灌后奥灰水位抬升预测
Table 4 Ordovician limestone water level rise after reinjection
时间/d 回灌量/
(m3·h−1)水位抬升/m r=200 m处 r=500 m处 1 200 18.78 15.86 2 19.88 16.97 5 21.34 18.42 7 21.87 18.96 10 22.44 19.52 20 23.54 20.63 40 24.64 21.73 60 25.29 22.37 120 26.39 23.47 180 27.03 24.12 300 27.84 24.93 480 28.59 25.68 600 28.95 26.03 1000 29.76 26.84 1500 30.40 27.49
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表 5 不同含水层水质指标对比情况
Table 5 Comparison of water quality indicators of different aquifers
序号 水样来源 阳离子浓度/(mg·L−1) 阴离子浓度/(mg·L−1) TDS/(mg·L−1) K++Na+ Ca2+ Mg2+ Cl− SO4 2− HCO3 − 1 四灰水 361.65～441.05 199.80～465.53 49.68～110.98 184.04～324.25 1 047.93～1 893.36 169.94～203.44 1 926～3384 2 矿井水 468.33～783.32 210.76～473.86 78.64～188.95 252.7～336.6 1 638.68～2 296.21 155.29～858.69 3 112～4418 3 奥灰水 579.41 731.38 143.91 815.84 2 066.29 219.90 4447
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