（环境工程专业论文）陕西主要煤矿区地下水保护目标层赋存特征及其保护利用对策.pdf

s u b j e c t ：t h eo c c u r r e n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o t e c t i o n u t i l i z a t i o n c o u n t e r m e a s u r eo fg r o u n d w a t e r sp r o t e c t i n gt a r g e tl a y e ri n t h em a i nc o a l m i n i n ga r e ao fs h a a n x i p r o v i n c e s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：z h a oy a n - h o n g i n s t r u c t o r ：x i ay u - c h e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a st 1 1 e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o a l - m i n i n gi n d u s t r y i nr e s e n ty e a r , t h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h ee n e r g ye x p l o r a t i o na n dt h ew a t e rr e s o u r c er e q u e s tw e r ei n c r e a s i n g l ya g g r a v a t i o n , a n dm o r eg r o u n d w a t e rw e r eu t i l i z e db yt h ec o a lm i n i n ga r e a s o ，b a s e do nt h er i g h t u n d e r s t a n d i n ga b o u tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ，t h ei m p l e m e n t o fp r o p e rp r o t e c t i o na n d u t i l i z a t i o nc o u n t e r m e a s u r ei sn o wb e c o m i n ga ni m p o r t a n ts u b j e c tf o r t h eg r o u n d w a t e rs c i e n c e i nt h i sp a p e r , t h eg r o u n d w a t e r s o c c u r r e n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n l n e 、) l 骶r 。s c h a r 鼍l c t e r i s t i c si ns h a a n x ip r o v i n c e sm a i nc o a l m i n i n ga r e aw e r es u m m a r i z e d t h el i t h o l o g y , t h i c k n e s s 锄dd i s t r i b u t i o n ，w h i c hw e r eo ft h em a i na q u i f e r , t h em a i na q u i f u g e ，a n dt h el a y e r b e t 、c e nt h em a i ne x p o r t e dc o a ls e a n l sr o o fa n dt h em a i na q u i f u g e sf l o o r , w e r es t u d i e di n y u s h e i 血t o n g c h u a na n dj i a o p i n gm i n i n ga r e a a n da c c o r d i n g t ot h ec o a l - m i n i n g si n f l u e n c e o ng r o u n d w a t e r sp r o t e c t i n gt a r g e tl a y e r , w h i c hw a s t h em e a no fm a i na q u i f e r , t h e c o a l - m i n i n ga r e aw e r ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ，w h i c hw e r ep r e s e r v e dr e o n ，l e a k a g e r e 9 1 0 n a n dn o n e 、7 i 舭rr e g i o n a l s o ，i tw e r es t u d i e dt h a tt h es i t u a t i o no fm i n ei n f l o w , w a t e rq u a l i t y c h a r a c t e r i s t i ca n dr e s o u r c ed e g r e eo ft h em i n ew a t e r a f t e rt h es t u d i e sa b o v e ，啪m a i n p r o b l e m si nt h ep r o c e s so fg r o u n d w a t e r sp r o t e c t i o na n d u t i l i z a t i o nw e r ef o u n do u t ，t h a tw e r e l a r g ea m o u n to fg r o u n d w a t e r sl o s sa n d l o w m i n ed r a i n a g e se f f i c i e n c y , a n dt h em a i nr e a s o n s w e r ea n a l y z e ds e p a r a t e l y t h ea q u i f e rs t r u c t u r e sd e s t r u c t i o nd u et ot h ec o a lm i n i n g 、瑚t h e m a i nr e a s o nf o rt h ef i r s tp r o b l e m l i t t l eu n d e r s t a n d i n ga b o u tt h eg r o u n d w a t e r si m p o r t a n c e ， p o o r b a s i ce n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ne q u i p m e n t ，u n b a l a n c ed e v e l o p m e n t b e t w e e nt h e c o a l m i n i n gi n d u s t r y n os u p p o r ta n dg u i d a n c ef r o mt h el a w sa n dr e g u l a t i o n so nt h em i n e d r a i n a g e su s i n g ，l a c kp o l i c y ss u p p o r ta n dm o t i v a t i o nm e c h a n i s m ，l o wi m p r o v eo f t h e p r o f e s s i o n a lt e c h n i q u el e v e l ，i m p e r f e c t o ft e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ，s h o r t a g eo ff i m d i n v e s t m e n t ，a n dd e f i c i e n c yo fs c a l ea n dd e m o n s t r a t i o nw e r ef o r t h es e c o r l do n e f o rt h er e a s o n sa b o v e ，s o m ep e r t i n e n tm e a s u r e m e n t sf o rt h eg r o u n d w a t e r s p r o t e c t i o n a n du t i l i z a t i o nw e r ep u tf o r w a r d c o r r e s p o n d i n g l y d e v e l o p i n gp r e s e r v i n g w a t e rc o a l m i n i n 舀 s e l e c t i n gr a t i o n a lm i n i n g t h i c k n e s s ，a n di m p r o v i n gt h em i n i n gs p e e dc o u l db eu s e dt or e d u c e t h el o s so fg r o u n d w a t e r s t r e n g t h e n i n gt h e p l a na n dg u i d a n c e ，i m p r o v i n gp o l i t ya n dm e a s u r e s b r o a d e n i n gt h et y p e so ff i n a n c i a li n v e s t m e n t ，e s t a b l i s h i n ga n dp e r f e c t i n gt h e 删a r d s y s t e m ， a n da c c e l e r a t i n g t e c h n o l o g yi m p r o v e m e n tm i g h tu s e f u lt oi m p r o v et h em i n e d r a i n a g e ，s e m c i e n c v k e yw o r d s ：c o a lm i n i n ga r e ai ns h a a n x ip r o v i n c e g r o u n d w a t e r sp r o t e c t i n gt a r g e t l a y e r o c c u r r e n c ec h a r a c t e r i s t i c s m i n ew a t e r c o u n t e 册e a s u 】r e o f p r o t e c t i n ga n du t i l i z a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 县种技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 5 i 2 濑缸日期：2 u o 夕心 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：怒格钇 艚教师躲忑 6 只，cb 1 绪论 1 1 问题的提出与研究意义 l 绪论 煤炭占我国一次性能源消耗量的7 5 ，这种以煤为主的能源结构在今后相当长的时 期内不会发生根本性变化。我国煤矿多分布在北方和西北干旱和半干旱地区，但由于水 资源分布的极不平衡，形成了北方地区的富煤贫水格局。据统计目前全国8 6 个国有重 点煤矿区中有7 1 缺水，4 0 属于严重缺水u j 。 这是因为煤炭资源的大规模开采极易破坏矿区地下水文环境，造成水文地质构造变 异，形成以矿井为中心的地下降水漏斗，改变浅、中、深层地下水源的补给、径流、排 泄运动规律和储存条件，使煤层以上的地下水，以至地表水逐步渗漏到矿井内。为保证 正常的开采条件，煤矿需采取疏干降压以及外排矿井废水等手段，减少顶板水压及从巷 道和回采面不断涌出的地下水对生产造成的影响。这一方式将引起区域内水位下降、地 表径流减少、断流，从而导致生态环境被破坏、居民生活取水困难，同时造成了水资源 的浪费，而产生的大量矿井废水又将引起区域内水资源的污染【2 】。 根据统计调查，2 0 0 5 年全国矿井水排放量约为4 2 亿m 3 ，利用量约为1 1 亿m 3 ，全 国矿井水利用率约为2 6 。西北煤矿每年矿井水排放量达2 4 7 0 亿m 3 ，利用率仅为 2 1 9 8 ，而陕西省矿井水利用率仅为9 4 8 f 3 1 。这些矿井水中中性水约占7 0 - - 8 0 ， 硬度符合饮用水要求的占4 0 , - - - , 5 0 ，这是一个相当可观的水资源，如果我们将这部分 矿井水作为第二水资源，解决矿区能源开发与水资源紧张的矛盾就指日可待。但长期以 来，由于技术所限和认识不足，矿井水只被当作水害加以预防和治理，很少考虑到矿井 水的有利一面，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护。 此外，部分矿井水为高悬浮物、高矿化度酸性水，有的甚至含有放射性元素等有毒 有害污染物，有人对全国9 0 个重点矿务局2 5 4 个矿井水和1 5 4 个深井水水样的总a ，总 1 3 天然放射性水平监测结果发现，有近5 0 矿区饮用水总a 放射性指标超标，有的甚至 超标数l o 倍之多1 4 。这些未经处理直接外排的矿井水既污染环境，影响景观，破坏生态 平衡，又危害人类的身体健康。所以，有必要对矿井水进行资源化。 同时，矿井水资源化，不但可减少废水排放量，免交排污费，而且节省大量水源井 取水，节约水资源费和提升费，为矿区带来了明显的经济效益；开辟了新水源，减少了 淡水资源开采量；实现“优质水优用，差质水差用 的原则，减轻或避免长距离输水问 题；解决了矿区严重缺水状况，解决了职工吃水难，用水难的问题，缓减城市供水压力 也使水资源的利用更加经济合理；将会减除矿井水对地表水系的污染，堵住污染源，保 护美化矿区环境，保护地表水资源。可以说，矿井水资源化是解决煤矿缺水和环境污染 西安科技大学硕士学位论文 问题的最佳选择，可以达到环境、经济和社会三个效益的统一。 2 0 0 7 年，国家发展和改革委员会也发布了矿井水专项规划，提出矿井水利用率要从 目前的2 6 提高到2 0 1 0 年的7 0 。规划要求各级政府加大对矿井水利用的支持力度， 积极支持矿井水利用技术研发和工程项目建设，拓宽融资渠道，本着“谁投资、谁受益 的原则，吸引企业和社会各界投资兴建矿井水利用工程。从这旱可以看出，国家对于矿 井水保护和利用也很重视。 而想要达到提高矿井水的利用率的目标，可以从以下两方面考虑：一是从根本上减 少矿井水的产生量即保护地下水资源( 保水采煤) ；二是进行矿井水资源化利用达到零 排放。 针对以上情况，鉴于本人在本科时已完成的毕业论文煤矿区水环境问题及其防治 现状，为进一步深入研究，在导师的指导下确定了硕士学位论文题目为陕西煤矿区 地下水保护利用对策研究，本文将对煤矿区影响生态环境的地下水进行研究，根据地 下水赋存特征及矿井水水质特征，分析矿井开采对水资源的影响现状，有针对性地提出 保护地下水资源、提高矿井水利用率的具体措施，期望能对矿区缺水问题和生态保护有 所裨益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 保水采煤的研究现状 矿区的可持续发展，必须在不断改善区内生态环境条件下完成，这就要大力开展植 树种草、绿化矿区，防风固沙，减少水土流失，为煤田开发营造优美的自然环境。这一 环境的营造，离不开水，没有水，生命无法生存，缺水，煤田无法开发。只有有了足够 的水资源，才能促进矿区开发与区域经济的持续健康发展，人与自然和谐相处。而煤田 开发又导致水源地的破坏与污染，使可持续发展无法实现。因此，煤田开发可持续发展 的关键是保水采煤，即在保护浅层地下水资源的条件下开采煤炭资源。 保水采煤是陕北、内蒙古西部等煤矿区一个永恒的话题。它是针对陕北侏罗纪煤田 开采过程中，萨拉乌苏组地下水的严重渗漏与生态环境恶化而提出的。保水采煤的基本 思想是1 9 9 0 年之后形成的【5 j 。1 9 9 0 年4 月2 8 日和1 2 月2 0 日，神北矿区的瓷窑湾煤矿 先后两次发生巷道冒顶事故。虽然涌入矿井的水不多，但大量的沙掩埋了巷道，并引起 了地下水位的持续下降、顺沟渠水库干涸、饮马泉流量迅速减少，小溪断流和植被枯萎。 1 9 9 2 年，范立刚6 j 在论述神北矿区的主要环境地质问题时，对陕北煤炭开采过程中的地 下水保护进行了叙述，首次提出“保水采煤的观点，但尚未使用“保水采煤”一词。 借鉴瓷窑湾煤矿的事故，1 9 9 5 年初，为了保证大柳塔煤矿的安全投产，开展了突水防治 工程1 7 1 ，对陕北采空区的地下水渗漏有了新的认识。 2 l 绪论 1 9 9 5 - - - , 1 9 9 8 年，由煤田地质总局牵头，陕西煤田地质局1 8 5 队、中煤水文地质局和 中国矿业大学等单位联合承担开展了中国西部侏罗纪煤田( 榆神府矿区) 保水采煤与 地质环境综合研究嗍，在这一研究中，首次明确使用“保水采煤 一词。保水采煤的 研究面积涉及陕西省境内北纬3 8 0 3 0 以北的侏罗纪煤田分布区。该研究项目针对榆神府 矿区水资源贫乏、生态环境脆弱的特点，从保水采煤的实际需要出发，通过深入研究该 区水文地质特征、煤层覆岩结构类型和工程地质特征，结合采动对覆岩、含水层的影响 划分出保水区、失水区和无水区，并分别提出了保水采煤的途径与方法；首次提出在浅 部烧变岩分布区建立浅排供水水源地，既可保护水资源，减少压煤量，又可保证矿井首 采生产安全，对开发榆神府矿区具有重要的现实意义。该研究项目运用遥感技术，圈定 了流经研究区内1 2 个主要煤矿区3 级以上水系分布范围和汇水面积，估算了过境地表 水径流量，并提出榆神府矿区地表、地下水和矿井水资源联合调度管理模式，为该地区 缺水煤矿利用过境地表水，解决矿区供水难题提供了科学依据。利用卫星航片解释评价 了鄂尔多斯侏罗纪煤田综合地质环境现状，并进行了分区；在榆神府矿区采用人工智能 神经网络模型，对采煤引起的环境地质问题、发展趋势及地质环境质量的现状进行了评 价，提出了防治对策。 该项研究所取得的重大成果，从战略性和全局性高度，为该地区煤炭资源开发与规 划及可持续发展，提供了宏观决策依据，具有极其深远和重要的现实意义。同时，该项 成果从宏观上对决策者起到了一定的指导作用，也奠定了保水采煤研究的基础。但由于 除神北矿区外的其他地区勘查程度低，控制工程少，其研究深度不足以满足保水与生态 环境保护的需求。 2 0 0 3 年，陕西煤田地质局开展了深化研究f _ 7 1 ，研究区域近1 0 0 0 k m 2 ，是在上述工作 基础上开展的更细致的研究，该研究具体到一些规划中的大型井田，分析了保水采煤的 条件，提出了保水采煤的措施。 近几年，关于保水采煤研究的问题有例： ( 1 ) 保水的程度。应该使地下水位下降后确保该地区不至于造成泉水的干涸或大 幅度减流，对植被的生长条件不产生大的影响。但是，风沙区适应生态、农林保护的合 理地下水位、最佳生态环境与水资源消长的和谐关系，以及煤炭开采与地下水的协调关 系等，是需要继续研究的内容。 ( 2 ) 采煤保水的途径。采煤保水的前提是保护环境，保护生态。在陕北地区，实 现采煤保水的途径有两个：一是合理选择开采区域；二是采取合理的采煤方法和工程措 施。通常情况，实现水体下安全开采的措施有3 种：预留防水煤柱，预先疏排和从开采 方法上采取措施。这些技术途径均是从保证井下安全生产为出发点，后续工作将在此基 础上，置立于保护矿区生态环境，创建“绿色矿区 。 而针对于陕西煤矿区，将来的工作将侧重于提高其他矿区的勘查程度，增加相应的 3 西安科技大学硕士学位论文 控制工程，推行“保水采煤 ，根据矿区实际的情况采取适当的保水采煤措施以求满足 保水与生态环境保护的需求。 1 2 2 矿井水处理利用的研究现状 矿井水主要来源于地下水，在煤炭开采过程中，是地下水与煤、岩层接触，发生一 系列物理、化学和生化反应而形成。煤矿矿井水本身的水质主要受当地水文、地质、气 候和地理等自然条件的影响。当矿井水流经采煤工作面时，将带入大量的煤粉、岩粒等 悬浮物；同时由于受到井下矿工的生产和生活活动的影响，矿井水中往往含有较多的细 菌；对于开采高硫煤层的矿井，由于煤层及其围岩中硫铁矿的氧化作用，使矿井水呈现 酸性和高铁性等。目前我国按照对环境影响以及作为生活饮用水水源的可行性，习惯上 将矿井水按水质类型特征分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸| 生矿 井水和特殊污染型矿井水五类。不同的矿井水采取不同的处理方法。在实际生产中的矿 井水大多数为复合型水。 ( 1 ) 国外研究现状 国外煤矿都把处理矿井水作为环境保护工作的重点，而且认为矿山排水是煤炭开采 中的一种伴生资源而不是负担，矿井水愈大，盈利愈多，经济效益也就愈大【1 0 。1 3 j 。1 9 7 0 年代以来又开展了区域综合治理规划，寻求在环境整体上的最佳治理方案，以达到经济 上合理、技术上可行和环保上可靠的目标。据统计美国早在1 9 8 0 年代初期，煤矿井下 水的利用率就达到8 1 ，俄罗斯顿巴斯矿区1 9 8 8 年矿井水利用率就已超过9 0 t 1 4 l 。 目前，国外矿井水的用途如下：选煤、水力运输、水采及水力充填用，俄罗斯利 用的矿井水有5 0 用于选煤；锅炉、冷却、灭尘用；生活饮用，这主要是利用从排 水钻孔中抽出的水；利用矿井水作热泵来调节建筑物室内温度。为此国外很多煤田重 视矿井排出水和矿区各含水层的地下水水层以及处理方法和工艺的研究。如波兰上西里 西亚煤田通过水质研究，根据用途不同把矿井水分为四类：生活用、工业用、生产用和 不能利用。并且提出不同的水质应用不同的管路从井下排出【l5 。 俄罗斯的煤炭工业居世界领先地位，对矿井水的处理技术及其利用的研究起步较 早、成果显著，居世界领先地位。俄罗斯煤矿环保研究院研制了用气浮法净化矿井水， 采用净化水部分循环工作方式，循环水在压力箱中剩余压力作用下充满空气，较好地形 成轻浮选剂【1 6 1 。俄罗斯采煤建井和劳动组织所研究的电絮凝法，是以直流电通过金属电 极处理矿井水，在电化学、电物理综合作用下，使矿井水杂质颗粒、水和微气泡形成松 散团粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一层泡沫后用刮板排除。此法可使杂质团粒的沉淀 速度提高数倍，并对排除乳化于水中的石油产物和其污染物有效。近年来主要进行了以 下三个方面的工作： 矿井水进行初步的澄清和消毒后排入水体； 4 1 绪论 净化处理后作为洗煤厂和矿区综合防尘用水； 净化处理后作为矿区和城市的生活杂用水。 2 0 世纪8 0 年代前后，美国和一些欧洲国家先后开展了采用人工湿地处理矿井水的 实验研究，取得了一些可喜的成果，目前已逐步应用于生产，并收到了良好的效果【1 7 9 1 。 此法具有投资省、运行费低、易于管理等突出的优点【2 0 】，引起了人们的极大兴趣。 ( 2 ) 国内研究现状 早在解放前，我国的一些煤矿就注意矿井水的利用，例如将井下排水直接用于煤的 洗选，或者经过自然沉淀、过滤后用于洗澡。解放后，一些煤矿在井下集取未受污染的 巷道水或井筒淋水以供矿区生活饮用。1 9 6 0 年代以后，我国与英国日本等国家的交往增 加，煤矿开采技术有新的发展，水处理技术也在提高。1 9 6 8 年北京给水排水设计院及北 京煤矿设计院在大台煤矿进行了井下排水净化后供给生活饮用水的试验研究，主要进行 了混凝、沉淀、过滤及混凝、直接过滤试验，使出水达到了饮用水标准。 我国煤矿矿井水净化站大多是1 9 8 0 年代以后建立的，如大同、平顶山、徐州、淮 北等矿区的矿井水净化站。到目前为止，我国煤矿已陆续建造了6 0 余座矿井水处理站 j 。目前我国煤矿矿井水净化后供生活饮用的水量已达5 0 0 0 0 0 m 3 d 以上。在净水工艺 及方式上，一般都能做到因地制宜。例如当矿井水排水时间不均衡时，设置调节池；当 原水悬浮物含量高时，增加预沉池；水中粗颗粒物多时，设沉砂池；水的p h 值较低时， 要增加中和设备；有的煤矿还采用澄清池代替混合、反应和沉淀池。虽然我国有意识的 矿井水综合利用起步较晚，2 0 0 5 年矿井水利用率约为2 6 ，但就目前来说，随着各矿 水资源的紧张，许多矿区都进行了不同程度的综合利用工作。根据不同的情况我国矿井 水的综合利用现状也不同。 第一种情况是矿井水不经处理直接利用。这种情况的前提条件是矿井水中不含有毒 有害元素，或含有少量，但不超过外排标准，只是悬浮细菌超标。 第二种情况是矿井水经过常规的混凝、沉淀和过滤处理，处理后或者供工业使用或 者饮用或者外排。这种情况下矿井水中必须不含有有毒有害元素( 或含量小于饮用标 准) ，p h 值接近中性，含盐量也不高。 第三种情况是矿井水必须首先进行特殊处理，才能进行常规处理，进一步处理为工 业或饮用水。这种情况是指对酸性矿井水的处理。酸性矿井水在我国分布较广，而且酸 性矿井水的危害较大，必须经过处理才能排放。 第四种情况是高矿化度矿井水的综合利用。只有少数几种工业用水能直接用高矿化 度水。在多数的情况下必须经过脱盐处理。脱盐处理之前必须经过常规处理去除大部分 除盐之外的污染物，才能进入脱盐设备。由于脱盐设备造价较高，运行费用也高。所以 脱盐工序只是在淡水缺乏的矿区得到了应用。 而最近几年的研究主要集中于以下几方面： 5 西安科技大学硕士学位论文 一是新型混凝剂的开发研究。如徐海宏【2 2 】等通过实验证明复合絮凝剂( 无机高分子 絮凝剂聚合氯化铝( p a c ) 与有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺( p a m ) 复配) 对低浊度矿 井水的絮凝效果明显优于单一絮凝剂的效果，具有用量少、成本低、毒性小、适应的p h 值、温度范围广等优点。对于低浊度的矿井水，复合絮凝剂的投加量不宜过大，最佳配 比需根据试验确定。黄念东等【2 3 】利用聚硅酸铝( p s a a ) 混凝剂对煤矿含氟矿井水进行 处理，结果表明：用p s a a 作混凝剂，氟、s s 和c o d 的去除率分别为8 5 、9 8 和9 5 ， 处理后的水质可达到排放标准或矿井除尘生产用水。 二是工艺流程的改进。煤炭科学研究总院杭州环境保护研究所提出一种集混合、絮 凝、沉淀于一体的高效澄清池，再采用无烟煤和石英砂双层多介质滤料【2 4 j ，具有自动化 程度高，投资少，使用寿命长，运行成本低，出水水质好等特点，该技术已在江苏大屯、 山东兖州、安徽新集、山东新汶、山西晋城等矿区的矿井水处理中应用。为矿区矿井水 的处理利用找到最易实行最经济合理的工艺。张玉芳1 2 5 】等对加压溶气气浮法处理矿井水 中悬浮物的处理效果进行了试验研究，该工艺处理后的水质可满足工业回用水要求，去 除效率高，运行管理方便，占地少，投资省，投药量少，是一种经济实用可行的处理工 艺。武强【2 6 】等提出利用混凝微滤膜分离技术处理含悬浮物矿井水，聂锦旭1 27 j 等也提出 将纳滤膜技术引入含悬浮物矿井水的处理过程中，指出经过一定预处理后，再通过膜装 置，处理效果明显，出水也很稳定，达到国家饮用水标准。 三是因地制宜，就地取材，变废为宝。如范立民【2 8 】等通过吸附试验和工程实践表明 萨拉乌苏组沙层对矿井污水具有明显的净化作用，通过二次吸附后，矿井水中的煤粉全 部消失，p b 、a s 、b o d 、c o d 及油类也显著减少。冯利利【2 9 j 等提出利用采空区过滤净 化矿井水，通过实验表明浊度去除率在9 0 以上，效果良好且出水回用率高。充分利用 矿区当地的天然条件或后天条件，为矿区水资源的保护利用做出贡献。罗道安【3 0 j 等利用 天然沸石粉与优质烟煤粉按一定比例混合，在高温下灼烧成多孔质高强度的沸石颗粒吸 附含有重金属p b 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 的矿井水，处理后的含量显著低于国家排放标准，同时 多孔质沸石颗粒经过解脱附再生处理后可重复使用。于华通等【3 l 】提出利用碱性赤泥去除 酸性矿井水中的污染物，能调节p h 值使其符合国家水质标准并去除了矿井水中的重金 属污染物，为治理赤泥和酸性矿井水的污染开辟一条新的途径。充分利用矿区当地的天 然条件或后天条件，为矿区水资源的保护利用做出贡献。不同矿区因地制宜地选择矿井 水利用发展方向，以最大限度地提高矿井水利用率。 总之，世界上不少国家在矿井水的处理和利用方面，进行了广泛的研究和实践，已 取得了许多成果，积累了不少经验。但由于煤炭矿井水成份的复杂性和地域的特点等因 素，现有的处理与回用工艺技术还有待改进。针对不同的水质情况和回用的具体要求， 应采用不同的工艺。 ( 3 ) 发展趋势 6 1 绪论 经过几十年的努力，矿井水资源化技术已经发展得比较成熟，大致的工艺流程是： 混凝、沉淀、过滤和消毒。但由于很多方面的原因，2 0 0 5 年矿井水的利用率仅达到2 6 ， 为达到国家发展和改革委员会2 0 1 0 年7 0 的目标，提高利用率，应因矿制宜、因水制 宜，选取适宜技术，做到以节省投资和处理效果满足要求为原则。对于矿井水的研究将 继续集中在以下几个方面： 新型混凝剂的开发研究； 工艺流程的改进； 因地制宜，就地取材，达到经济目标； 研究开发适应矿井水水质特性的成套水处理设备； 实现矿井水处理工艺过程的自动控制； 追求循环经济，达到零排放。 总之，就是尽快解决矿区水资源紧缺的问题，找到真正经济合理又易于实施的方法， 以便尽早达到矿井水利用率从2 6 提高到7 0 的目标，同时，也希望政府给予支持，合 理收取矿井水排污费，大力鼓励矿井水资源化及其回用。 1 3 研究目标及内容 1 3 1 研究目标 总结陕西主要煤矿区( 榆神府矿区、铜川矿区、韩城矿区等) 地下水赋存特征及矿 井水水质特征，分析矿井开采对水资源的影响现状，有针对性地提出保护地下水资源、 提高矿井水利用率的具体措施。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 陕西主要煤矿区地下水赋存特征，包括：主采煤层顶板至地表之间主要含 水层和隔水层的分布、厚度、岩性等：地下水资源的丰度及其与生态环境的关系； 陕西主要煤矿区地下水赋存特征分区图。 ( 2 ) 陕西主要煤矿区矿井水特征，包括：矿井涌水量特征；矿井水水质特征； 矿井水资源化程度。 ( 3 ) 煤矿区地下水保护利用中存在的主要问题及其原因，包括：地下水大量流 失；矿井水利用率不高。 ( 4 ) 煤矿区地下水保护利用措施，包括：减少矿井水的措施；提高矿井水利 用率的措施。 7 西安科技大学硕士学位论文 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 ( 1 ) 通过大量书籍、科技文献、科研报告或去矿区收集陕西典型煤矿区主采煤层 顶板至地表之间主要含( 隔) 水层的相关资料和矿井水的相关资料。应用s u r f e r 软件绘 制矿区主要含( 隔) 水层等厚线图，详细分析以上图件，归纳总结主要含( 隔) 水层的 分布及厚度特征，根据其对生态环境的影响程度绘制矿区保水采煤分区图。具体分为： 保水区、漏失区和无水区；根据常年矿区涌水量、水质监测数据等，总结分析出矿井涌 水量的大小和变化规律以及矿井水的水质情况；根据矿区采用的矿井水处理方法和处理 效果分析出当地矿井水资源化程度，最后总结归纳出矿井水的特征。 ( 2 ) 在总结地下水赋存特征和矿井水特征过程中，结合国内外地下水保护利用研 究现状，找出陕西主要煤矿区地下水保护利用中存在的问题并分析原因。 ( 3 ) 减少矿井水的产生就是在采煤前就考虑到采煤后可能引起的地下水环境的变 化，在其源头就防止其产生，即根据地下水赋存特征分区图，结合矿区当地实际情况， 提出具体措施；提高矿井水利用率就是根据该矿区矿井水水质特征，结合目前国内外的 矿井水处理工艺，同时考虑该矿区的地质条件和经济状况提出最佳的工艺流程，使矿区 矿井水达标排放，最好是零排放。 8 1 绪论 1 4 2 技术路线 收集陕两主要煤矿区相关资料 整理所有相关资料并将其分类 li 地下水方面矿井水方面 ll l ilil 主要地下 矿井矿井矿井 含( 隔水丰涌水水水水资 水层度特征质特源化 资料征程度 llill uu 总结地下水赋存特征总结矿井水特征 ii u 地下水保护利用中存在的问题及原因 l i i 地下水大量流失矿井水利用率不高 uu 减少矿井水产生措施提高矿井水利用率措施 l ii u 得出结论 o 提交硕十学位论文 图1 1 技术路线图 9 皇耋! 丝至兰望兰兰竺尘三 2 陕西主要煤矿区地下水赋存特征 陕西省位于我国西北之东部，面积1 9 5 8 万k m 2 。其中含煤面秘57 i 万k m 2 ，占全 省面积的2 2 ，是煤炭资源较丰富的省份，煤炭储量居全国第三位，现有证件齐全的煤 矿近6 0 0 处，分布在9 个市4 1 个县( 县级市、区) 3 2 1 02 0 0 7 年全省煤炭产量达到了17 亿t ，2 0 0 8 年达到21 亿t ，l 刮：匕增长2 3 ，位居全国第三，成为我国煤炭生产的重要基 地之一。早一巾侏罗世和晚石炭、早二叠世为其最重要的成煤期。五太煤田分柿于渭北 和陕北。陕南仅有储量数百至数月吨的煤产地十多个( 见图21 ) 。 陕西省内主要煤矿区有：铜川 矿区，澄合矿区，蒲白矿区，焦坪 矿区，韩城矿区，黄陵矿区，彬长 矿区和榆神府矿区。又根据主采煤 层赋存条什、构造环境与区域水文 地质条件，可将跌西主要煤矿区划 分为以下3 个分区，即：陕北区、 渭北区和黄陇区1 3 3 。 ( 1 ) 陕北区 陕北区是指鄂尔多斯盆地东北 缘的侏罗纪煤田在陕西省境内的部 分。构造极为简单，仃理、断裂稀 少。但该区煤层上覆基岩层较薄， 其顶部受到强烈风化，或烧变，有 大量裂隙发育，可采煤层多，采煤 厚度大。由丁地处毛乌素沙漠，水 资源匮乏，潜水资源尤显珍贵，但 受采动影响后极易流失，生态环境 极为脆弱。 ( 2 ) 渭北区 渭北区是指渭北石炭一二叠纪 煤田，主要包括铜川矿区东部( 不 龠焦坪) 、蒲白矿区、澄合矿区、韩 城矿区。该区位于鄂尔多斯搞地南 图2 i 陕西竹煤炭资杯分布图 缘，与渭河裂陷系相邻，受区域拉张应力作用，】下断层、张节理十分发育，上覆岩层较 黪 2 陕西省主要煤矿区地下水赋存特征 破碎。由于地处渭北旱塬，水资源比较匮乏。区内大部分地区有较厚的黄土覆盖。 ( 3 ) 黄陇区 黄陇区是指鄂尔多斯盆地南缘黄陵一陇县侏罗纪煤田的中一东部，主要包括黄陵矿 区、焦坪矿区和彬长矿区。该区构造简单，基本不发育节理、断裂。上覆基岩层中的宜 君砾岩、洛河砂岩、凤凰山砾岩厚度巨大，黄土覆盖层较薄。 以上是对陕西主要煤矿区的又一次分区，由于资料受限，本文仅就每类中典型的矿 区进行分析研究，即研究榆神府矿区、铜川矿区、焦坪矿区主要含( 隔) 水层和主采煤 层顶板到主要隔水层底板间岩层的岩性、厚度、分布，以及采煤对地下水保护目标层的 影响程度。 2 1 榆神府矿区 2 1 1 研究区概况 榆神府矿区属于鄂尔多斯侏罗纪煤田，它位于鄂尔多斯盆地黄土高原地区，在陕西 省神木、府谷、榆林县境内。矿区处于陕北黄土高原与毛乌素沙漠南缘地区西部及中部。 榆神府矿区由榆神与神府两个矿区构成，其中榆神矿区包括大保当区及孟家湾区；神府 矿区包括神北矿区与新民区，整个矿区东西宽约8 4 k m ，南北长约8 5 k m ，面积7 1 3 9 7 k m 2 。 见图2 2 。 ( 1 ) 地形地貌 矿区地表整体呈西北高、东南低的特点。海拔1 2 0 0 - - - 1 3 0 0 m ，地势总体平坦。依据 卫星t m 图像可清楚地将矿区地貌分为两大类型，即西部为风积沙地貌( 毛乌素沙地前 滩) ，东部及北部为黄土梁峁丘陵地貌【3 4 1 。由风沙区及黄土丘陵区两大地貌组成。 ( 2 ) 气候 榆神府矿区属于中温带半干旱大陆型季风气候，冬春季干旱少雨、多风沙，夏季多 雨。该地区多年平均降雨量仅4 0 3 - 一4 3 3 m m 左右，每年的降雨一般主要集中在7 、8 、9 三个月份，其降水量约占全年的7 0 以上，而多年平均蒸发量却有1 8 9 5 - - - , 2 1 l l m m 。 ( 3 ) 地表水系 榆林、神木一带属黄河水系。区内窟野河、秃尾河为其一级水系，流经榆林的榆溪 河属黄河一级河流无定河的二级河流。除窟野河、无定河源远流长外，其它河流仅几十 公里。秃尾河、榆溪河均发源于沙漠地区，主要流经沙漠及沙漠滩地区。其特点水系不 发育，主要接受地下水的补给，清水流量占年径流量7 0 以上，平均含沙量小于1 2 7 9 m 3 ， 属清水性河流。一年中出现较低、较高两个峰值期，年际变化与降水周期基本一致。区 域内还发育一些以红碱淖为汇水中心的内陆沟流，它们发源于沙漠区，流经沙漠滩地区， 流程较短、水量较小，部分为季节性沟流。 西安科技大学硕士学位论文 阿22 榆神府矿区范围图 ( 4 ) 地层与煤层 榆神府矿区的地层从老到新发育有上三叠统侏罗系、白垩系、新近系、第四系地层 ( 表21 ) 。矿区构造简单，断层稀少、地层平缓，为向西倾斜、倾角1 3 。的单斜构造。 含煤地层为侏罗系中统延安组，自下而上共分为五个含煤段，共含煤2 0 多层有 对比意义的达1 5 层，其中主要可采煤层有5 层，在神府矿区为1 0 、2 0 、3 一、4 0 及5 。 煤，榆神矿区为2 、3 一、4 3 、5 4 及5 。煤层，各可采煤层多属中厚厚煤层，并有特 厚煤层富集。在神府矿区1 2 和2 2 煤最厚达l o m 左右，5 2 煤厚达8 m 有余，而在榆神矿 区2 0 煤最厚达1 21 6 m ，5 0 煤厚56 0 n l 。各可采煤层厚度、间距由于受沉积环境及后期 剥蚀作用，各地亦有变化。就全区而言，1 t 2 。2 煤间距一般为4 5 5 0 m ，2 - 2 一煤间 距一般为3 5 m ，3 - 1 4 。煤间距一般为4 0 m ，4 - 2 5 。煤间距一般为3 5 5 7 m ，5 - 2 5 3 煤 间距一般为3 0 m ”i 。开采对砂层水造成影响最大的是最上部的一层煤，神北区主要为 1 0 和2 2 煤，平均厚度分别为2 8 t m 和4 l o m ，榆神矿区为2 2 煤，平均厚1 0 0 4 m 。 2 陕西省主要煤矿区地下水赋存特征 表2 1 榆神府矿区区域地层一览表 地层厚度分布 岩性 特 征 系统 组( m ) 范围 全新统 以现代风积沙为主，在草滩地区有洪积、湖积层，为亚沙土于榆林、神 和细砂层夹黑垆土，在一些宽阔河谷还有洪积、冲积层，如 o 6 0 木的广大地 q 4 窟野河、秃尾河、榆溪河。区。 ，、 ，v u 1 v v 、v 4 v 、，v 、v 、 ，v 、，“v 、，v 第 马兰组 于榆林、神 上更新 ( q 3 m ) 灰黄、灰褐色亚砂土及粉砂，均质，松散，大孔隙度。 o 3 0木零星分 布。 统 卜部为灰黄、褐灰色粉、细砂及亚沙土，具层状构造，顶部榆林、神木 四 萨拉乌苏0 组( q 3 s ) 有白垩土及泥炭薄层，下部为浅灰、黑褐色亚沙土夹砂质亚 1 4 5 西北部广泛 粘土，底部有砾石，含螺及脊椎动物化石。分布。 ，、，、，v v 、，v 、4 、，v 1 a ，、，、，、，、，、，、，q 1 、 v 、，、n ，、4 、，、 中更新 离石组浅棕黄、褐黄色亚粘土及亚沙土，夹粉土质沙层，薄层褐色2 0 神木以北的 系河谷及分水 统( q 2 1 )古土壤层及钙质结核层，底部具有砾石层。 1 6 5 岭。 下更新 三门组 上部褐红色亚粘土，均质、致密，夹钙质结核层，下部浅肉于大柳塔井 红色、灰褐色砂砾岩，半胶结，砾石成份以砂岩及泥岩块为o 5 0田内有分 统 ( q l s ) 主，含少量石英岩及燧石。 布。 ，v 气、4 v 、，- “- “p ， ，v 、4 v 、4 v 、，v ，v 、 、，v 新 上 出露于河谷 近新 三趾马组棕红、紫红色粘十或砂质粘士，夹钙质结核层，偶夹黄灰色o 上游及分水 统 n 2 b泥质透镜体，底部时有半胶结砂砾岩层，含脊椎动物化石。 l l o 岭。 系 白 神木的红碱 洛河组 紫红、桔红色巨厚层状，中粗粒长石砂岩，胶结松散，巨型 垩 下统板斜层理甚发育，底部有几米至几十米厚的砾岩层，成份为 2 3 7 淖、榆林的 ( k i l ) 石英岩、硅质岩、硅灰岩及片岩等。 3 5 0小壕兔以西 系 等地。 安定组 上部紫红、暗紫色泥岩，紫杂色砂质泥岩为主，与粉砂岩及神木窝兔采 细砂岩互层，含叶肢介、介形虫及鱼化石，下部以紫红色中 5 5 当、榆林的 侏 ( j o 1 4 4 罕粗粒长囱i 砂岩为主，夹砂质泥岩。刀兔。 中 上旋回：其上部紫杂、灰绿色泥岩、砂泥岩为主，夹灰绿