矿井水资源的开发利用

1　新河煤矿供水工程简介
　　新河矿是徐州矿区的一个大水矿井，正常涌水量32 m³/min，主要水源来自于奥陶系和石炭系太原组灰岩水，原水水质优良，常年外排，为开发利用矿井的地下水资源，并缓解徐州市区民用供水的紧张状况，经多年努力、多方合作，于1987年立项建设徐州城区民用供水工程，1998年6月28日建成投产。
1.1　矿井概况
　　新河煤矿位于徐州市西郊，距市中心11 km，交通十分便利；新河井田为一不对称的含煤向斜块段，走向长5.5 km，宽1.3 km，面积7.15 km²，地表平坦，属山前倾斜平原。该矿于1961年12月建成投产，矿井原设计能力年产30万t，井田开拓方式为立井多水平分区式，技术改造后，矿井的实际生产能力提高了1倍，但该矿因开采范围狭小，煤炭资源不足，因而进入80年代后期，矿井逐趋衰老，主采煤层开始转入水文条件复杂的太原组煤层，矿井实际涌水量逐年加大。为安全可靠地开采太原组煤层，查清矿井的水文地质条件成为迫切的工作，自80年代后期开始，与煤炭科学研究总院、中国矿业大学等科研单位合作，先后采用了环境同位素、水化学模型、工程数学电法、钻孔间透视和连通试验等多种技术手段，对新河井田的地质构造、水文条件和地下水源的水量水质，进行了综合性的科学研究和技术分析。又通过多次大规模的放水试验，基本查清了矿井的主要充水因素，确认矿井水主要来自奥陶系灰岩水的补给，地下水源充沛，导水通道复杂，补给条件较好，致使矿井的涌水量大，最大可达42 m³/min，煤炭开采将受到水害的威胁，防治水的工程量大且治理难度高。90年代初也实施了注浆堵水工程，但实际的堵水效果差，堵水率仅为37%，注浆堵水后仍要排放大量的矿井水，这不仅影响了矿井的安全生产，也加大了煤炭的开采成本，企业的经济效益随之衰减。因此，能否开发利用好这些地下水，已成为新河煤矿生存和持续发展的现实问题。
1.2　矿井水文地质条件
　　新河井田是在区域主应力方位为西北—南东的强烈挤压作用下而形成的含煤向斜，井田内北东向的断裂构造，处于挤压紧闭状态，不易形成导水通道，而北西方向的断裂构造处于拉张状态，其脆性破裂带发育，易被地下水长期侵蚀作用形成导水通道。井田内与煤层有关的含水地层，主要为第四系孔隙含水层，二迭系下石盒子组和山西组砂岩裂隙含水层，石炭系太原组灰岩溶隙含水层，奥陶系灰岩溶隙含水层。
　　第四系冲积层厚度32.56～68.02 m，平均50.86 m与下伏基岩呈不整合接触，由上而下分为4层，其中第三层为主要含水层，平均厚度25 m，岩性复杂以砂粘土为主，q=0.06～0.62 L/(s^.m)；第四层为冲积层内的主要隔水层，平均厚度9 m，粘性较强，可塑性好，分布稳定。
　　二迭系砂岩含水层，由下石盒子组和山西组两部分组成，下石盆子砂岩含水层赋存砂岩5～8层，总厚度25～40 m，q=0.0015～0.1032 L/(s^.m)；山西组砂岩含水层赋存砂岩4～7层，总厚度45～50 m，q=0.0195 L/(s^.m)，二迭系砂岩含水层以裂隙水储量为主，揭露后易疏干。
　　太原组灰岩含水层，赋存灰岩13层，总厚度53.46 m，上部的1～6层灰岩累计厚度30.38 m，岩溶裂隙较发育，富水性较强，q=0.033～5.04 L/(s^.m)；中部的7～9层灰岩累计厚度6.17 m，岩溶不甚发育多为小溶孔，q=0.027～4.532 L/(s^.m)；下部的10～13层灰岩累计厚度17.22 m，其中十、十二层灰岩为开采煤层的直接顶板，其溶洞、溶隙十分发育，但具有明显的垂向分带性，以-190 m为界，其上岩溶发育涌水大且集中，其下以裂隙为主涌水量较小且分散。
　　澳陶系灰岩含水层与下伏的凤山组呈整合接触，属海相沉积，该组灰岩分布于含煤地层的外缘，其溶洞和裂隙发育不均，其中马家沟和肖县组厚层灰岩的溶洞最为发育，富水性强，q=0.22～27.82 L/(s^.m)，该含水层是徐州地区的主要地下水源，也是侧向越流补给矿井水的主要水源。
　　通过综合性的矿井水文地质条件的研究和多学科的勘查分析，证实了井田的太原组灰岩与奥陶系灰岩有较好的水力联系，奥灰水源充沛，也圈定出了矿井的富水、贫水区范围，并对水质作了检验分析，符合国家规定的标准，可供居民饮用。水质检验结果见表2、3。

表2　新河矿井水质综合评价表

注：括号内为细菌学指标评价类别。

表3　江苏省环境监测中心徐州分中心水质检验报告书

注：取样日期1997年11月27日。

1.3　排供水工程
　　新河煤矿的矿井水主要来自于太原组和奥陶系石灰岩溶隙水，水量丰富，水质优良，经现场实地勘查，可供居民饮用的出水点11处，水量33.7 m³/min，出水点的分布及其涌水量见表4。
　　排供水工程采取清污分流、引流汇集、隔离封闭等技术途径，将符合饮用标准的矿井水汇集至排水基地输入地面水厂。整个排供水工程由-110 m和-260 m两个独立的系统组成，供水规模初期日供水4.2万m³(29.2 m³/min)，后期达到日供水量5.0万m³(34.7 m³/min)。-110 m水平扩建矿自用生活水的清水泵房经新建钻孔直接排至地面水厂，日供水量2.45万m³；-260 m水平新建清水泵房、水仓，采用管道或暗渠汇集各出水点清水，经井筒内原有排水管道排至地面水厂，初期日供水量1.75万m³/d，后期2.55万m³/d；地面水厂及输水管道由市自来水公司设计承建。新河煤矿两个生产水平的集供水系统见框图(图1)。井下前期集供水工程于1998年3月1日开工，历时104 d，于1998年6月13日完工，自1998年6月15日开始试运行，同时建设后期工程，于1998年9月28日竣工，经验收符合设计要求，运行正常，并取得了明显的技术经济效益。该工程于1998年12月28日通过了江苏省委科组织的技术鉴定。

表4　可供民用的矿井水出水点一览表

图1　井下集供水系统框图

1.4　效果浅析
　　新河煤矿供城区饮用水工程投产至今虽不足一年，但已显示出传统供水工程所不可比拟的优越性，综合效果显著。
　　(1)开创了城市供水的新模式。新河供水工程的建成，为缺水的市区提供了一个水源可靠、水量充沛、水质优良的供水基地。每年可供地下水1500万m³以上，满足35万人的生活饮用，缓解了市区供水紧张的状况，为发展城市建设，提高人民生活水准，具有显著的社会效益。
　　(2)实现了煤矿矿井水的资源化，改变了矿井水常年外排的传统。以往煤矿企业只注重煤炭资源的开采，忽略了宝贵的地下水利用，致使有价值的地下水大量流失，新河供水工程的投产,开创了煤矿采煤和采水并举的格局，既实现了矿井水的商业化，又为调整煤矿的产业结构提供了有效的途径。
　　(3)提高了煤矿开采的抗灾能力，新河煤矿是一座涌水量大的矿井，矿井水是安全生产的重大事故隐患，虽经注浆堵水收益较小，开采期间必须有完善的排水系统和足够的排水能力，原有的排水设施需要更新和增容，衰老矿井经济效益差。而供水工程的启动，有效地改善了状况，矿井的抗灾能力随之提高，排水能力增大了15.9%，开辟了矿井防治水害的新途径。
　　(4)增强了企业的环保意识，促进了矿井的文明管理。供水工程的建成使工业污水的外排量减少了90%，有效地改善了煤矿周围的环境保护；同时增强了职工的环保意识，珍惜矿井水资源的利用，从而促进了井下作业的文明管理。新河煤矿，虽然衰老，但质量标准化工作大有进展。
　　(5)改善了企业的生产经营状况，新河煤矿由于开采煤层薄、涌水量大、生产经营艰难，连年亏损，供水工程投产后得到了售水的资金，按现确认的水价0.40元/m³计，每年可获300万元以上的水费收入，相应地降低了煤炭开采成本，同时由于矿井水的疏放，解放了200万t的煤炭资源，价值约2.8亿元，延长了矿井的服务年限，为衰老矿井转产创造了有利条件。随着矿井水的深化利用，企业的经济效益将越加显著。
　　(6)充分发挥了矿井原有基础设施的潜力。在煤矿建设供市区饮用的水源比建设同样规模的工程节省投资，缩短工期，新河供水工程全部投资4137万元，其中地面工程2300万元，井下工程1837万元，井下工程建设与安装期用了104天，因地面工程延缓，整个工程的建设期不足4个月，这在国内水源基地建设中是罕见的。

2　结语
　　矿井水是地下开采煤炭资源的“副产品”，长期以来被片面地作为危及煤炭安全生产的隐患相待，并习惯性地以工业废水长年外排流失，在企业
步入社会大生产和市场经济的过程中，极有必要重新认识矿井水的综合利用。任何资源只有通过资源化才能发挥自身的价值，煤矿的矿井水源是一种宝贵的天然资源，只是因人为的采掘作业和传统的理念而处理不当。徐州矿区对矿井水的综合利用，尤其是新河煤矿以排供结合的模式，建成了供市区饮用的供水工程，基本实现了矿井水资源化的模式，虽然这些仅仅是初步的实践和探索，但从中却得到了诸多的有益启示。

作者简介：顾则仁，高级工程师，1941年生，1962年毕业于江苏煤矿专科学校，现任徐州矿务集团公司副总工程师。在有关杂志上发表论文32篇。地址：江苏省徐州市，邮码：221006。
作者单位：徐州矿务集团有限公司