（矿业工程专业论文）神东环保生态型矿区建设技术的实践.pdf

太原理工大学工程硕士学位论文 y 6 2 0 1 07 摘要 矿区总面积3 8 4 2 k m 2 ，丌发建设面积约3 0 k m 2 ，地处晋陕蒙接壤区中心 地带，在地貌上处于鄂尔多斯高原与黄土高原的交接地带，北有毛乌素沙 地，南有黄土高原，是黄土高原地貌演化的典型过渡地带，为水蚀和风蚀 共同作用形成的地貌盖沙黄土丘陵和风蚀黄土丘陵。矿区原始生态环境 特征为：1 ) 生态环境的过渡性；2 ) 生态环境的波动性；3 ) 生态环境的脆 弱性；4 ) 生态环境的敏感性；5 ) 生态环境潜在危险区。在矿区开发建设 过程中环境一生态破坏为：1 ) 破坏地貌、植被；2 ) 水系及其循环系统的 破坏：3 ) 水土流失的加剧；4 ) 地表塌陷的增加；5 ) 空气质量的恶化。矿 区丌发将导致环境的恶化，改变原有的环境生态系统，使环境生态系统向 逆向发展，加剧生态系统的脆弱性。 针对矿区生态环境的特点，从综合利用水资源入手，开发了矿井水就 地净化的技术与方法，使矿井水得到了有效的利用，为矿区环境，i - 态建设 奠定了基础。同时对煤矸石采用井下处置方法，使矿区土地占用和污染大 为减少。在研究了植物与水分利用的关系基础上，采用系列生态建设技术 对矿区生态进行了恢复与建设，神东矿区共治理流动沙地9 2 3 6 平方公里， 配合实施封育管护，沙区植被覆盖度由开发初期的3 15 提高到目前的4 8 6 5 ，矿区受风沙危害的问题得到明显扼制。 矿区生态环境建设所确立了以整体生态环境建设解决局部开发破坏的 荒漠化地带环保一生态型矿区建设模式，将为类似矿区生态环境建设提供 借鉴作用。模式的核心内容是依据矿区土壤的水分分布特征和植物水分利 用机制，将环境生态建设定位于影响矿区开发建设的整个区域，以封锁、 控制建设区外围的大面积风沙与水土流失为主，同步解决开发建设造成的 破坏，使矿区生态系统与环境功能整体得以恢复与健全。 关键词：神东矿区，生态环境，水资源利用，生态建设技术，荒漠化 太原理工大学工程硕士学位论文 1 神东矿区原始生态环境特征及生态型矿区建设任务 1 1 矿区生态环境特征及开发建设过程中的环境一生态破坏 1 1 1 矿区原始生态环境特征 1 ) 生态环境的过渡性 矿区总面积3 8 4 2 k m 2 ，丌发建设面积约3 0k m 2 ，地处晋陕蒙接壤区中心 地带，在地貌上处于鄂尔多斯高原与黄土高原的交接地带，北有毛乌素沙 地，南有黄土高原，是黄土高原地貌演化的典型过渡地带，为水蚀和j x l 蚀 共同作用形成的地貌一盖沙黄土丘陵和风蚀黄土丘陵。地面风沙与黄土广 布，下伏地层为侏罗纪砂岩，风化破碎严重。地带性土壤为栗钙土，大部 分地段为贫瘠的风沙土和黄绵上，有机质含量低，n 、p 、k 贫乏是共同特 征。沟谷两岸的山坡上綦岩直接裸露，基本没有土壤发育。由于地貌、土 壤的过渡性特徊：，原始植被种类单调。矿区了丁发以前除当地居民房前屋后 栽植的树木外，基本没有人工植被，植被覆盖率仅3 1 1 。其代表群系为 油蒿( a r t e m i s i a o r d o s i c a k r a x c h ) 群系，形成单优势群落。主要伴生植物为一 年生的杂草类，如狗尾草( s e t a r i av i l l o s a ( l ) b e a u v ) 、蒺藜( t r i b u l u st e r r e s t r i s l ) 、刺藜( c h e n o p o d i u m a r i s t a t u ml ) 等，及少量多年生草本植物牛心扑子 ( c y n a n c h u m k o m a r o v i i a 1 i l j i n s k i ) 等。 2 ) 生态环境的波动性 由于矿区处于鄂尔多斯高原与黄土高原的交接地带，生态环境波动性 十分明显，主要表现在以下几个方面：是年际间与年内降水分配极不均 匀，年平均降水量3 6 2 m m ，主要集中在6 9 月，7 - 8 月约占全年降水量的5 5 ， 6 月和9 月约占全年的2 0 ，6 - 9 月约占全年降水量的3 4 ；二是降水常以暴雨 i 太原理工大学工程硕士学位论文 的形式出现，一场暴雨占全年降水量的1 3 1 7 ，且突发性强；三是热量指 标变化剧烈，年平均气温7 3 ，极端最高温度3 8 9 ，最低温度- - 3 0 7 0 ， 年平均气温较差大，一般1 3 2 1 4 9 c ，极端可达6 9 6 c ；四是大风为矿区常 见灾害，年平均风速3 2r n s ，最大风速2 4 l r d s ，年大风日数1 3 1 5 天，最多 3 7 天，大于5 m s 的起沙风7 0 天，主导风向n w ，主害风向n 及n w 。由于春 季降水少，常有沙尘暴发生，夏季大风常伴有大雨、冰雹。因此，矿区的 气候条件波动性大、突发性强。 3 ) 生态环境的脆弱性 生态脆弱性( v u l n e r a b i l i t y ) 是指生态系统在受到干扰叫，容易从一种 状态转变为另一种状态，而且一旦改变很难恢复到初始状态。这种转变意 味着：导致的损失不可弥3 1 、；对于人类引起的变化特别敏感；如果 这一损失和退化导致物种多样，盹降低、生态系统降低及生态系统不稳定性 增机i ，将产生广泛的不良连锁反应。 由于矿区位于黄土丘陵与毛乌紊沙漠之f u j ，沙漠多次侵袭，形成独特 的土壤理化性质，土壤颗粒组成较粗，疏松无结构，储水保肥能力差， 遇水流，土体迅速崩解，土粒易分散。加之矿区的暴雨、大风等气候因素， 土壤的理化性质与这些凶素相互作用，必然导致严重的土壤侵蚀。 黄河一级支流窟野河上游乌兰木伦河流经矿区，季节性暴雨，极易侵 蚀的岩屑黄土使这里成为严重的水土流失区和黄河粗沙物质的重要来源 区，侵蚀模数高达9 0 0 0 1 3 0 0 0 h m 年k m 2 ，地面沟壑纵横，支离破碎。同时， 风蚀风积作用十分强烈，流动沙丘广布，风蚀区面积占总面积的7 0 。除 沟谷区、河谷低地区外，潜水埋深可达2 0 3 0 m ，地表水贫乏，地下水不能 被植物利用。这些条件和因素使矿区的生态环境十分脆弱。 太原理工大学工程硕士学位论义 4 ) 生态环境的敏感性 生态环境的敏感性突出表现形式是主导因素的改变而使环境发生变 化。矿区的生态敏感性表现在两个方面，一是由于自然气候条件改变导致 的环境变化，如由于矿区降水集中，无雨持续时间长，土壤抗旱能力差， 特别容易发生灾难性的干旱，导致植被的死亡；二是由于矿区开发引起的 自然条件，如地下水位、地表状态的改变和废渣、废水排弃等导致的环境 污染所引发的生态环境变化。 5 ) 生态环境潜在危险区 从以上的分析不难看出，矿区是典型的生态脆弱带，由于生态环境具 有很高的波动性、脆弱性敏感性和很低的很低的抗可逆性、承受能力和自 我恢复能力，因此是生态环境的潜在危险区。矿区开发建设过程中一旦生 态环境遭到破坏，靠自身的能力需要相当长的时间才能恢复，甚至有i u 能 永远都升i 能恢复，导致环境的逆向演变与恶性循环，从而使生态系统彻底 破坏。这是多种自然条件和矿区丌发建设导致的环境变化特点决定的。 l 1 2 矿区开发建设过程中环境一生态破坏 由于矿区生态的脆弱性，对人为的干扰其敏感性特别强烈，因此在矿 区开发建设中如不注意保护原有的生态环境系统和进行生态建设，矿区生 态环境系统将彻底崩溃，矿区可持续发展也将不可能实现。实际上，在矿 区开发初期，矿区的开发缺乏规划，国家、地方、乡镇、个人煤矿沿乌兰 木伦河河床和两岸分布，管理混乱，矿区生态环境破坏严重，生态环境灾 害时有发生。矿区开发建设过程中的环境生态破坏主要表现在以下几个方 面： 太原理工大学工程硕士学位论文 1 ) 破坏地貌、植被 矿区开发建设过程中，随着矿区的大规模开发和道路的修建，大量的 土石方被移动，扰动地表，破坏地表景观，毁坏植被，加大了地表裸露， 地表大面积被破坏，弃土废渣堆积量6 8 5 8 万吨，土地出现风蚀荒漠化。 2 ) 水系及其循环系统的破坏 地表水系、地下水系以及大气降水构成了一个完整的水循环系统。由 于矿区煤层埋藏浅、煤层厚度大，地f 水系赋存在煤层上部，煤层开采过 程中将导致地裂缝、地表塌陷和地下水系的破坏，使地下水、部分地表水 和大气降水涌入矿井，以矿坑水的形式排出地表，减少地表径流量和表层 土壤的含水量，破坏水系的循环规律，浪费水资源，从而使生态系统遭到 破坏。据调查，部分地区地下水位下降2 3 米，甚至更为严重。 3 ) 水士流失的加剧 矿区丌发中产生的固体废弃物的大量堆积将侵占、压埋土地、农闭平 河邋，引发更为严重的水_ ：流失。在矿区玎发初期，年增加土壤侵蚀量4 5 1 4 万吨，增加入黄泥沙2 0 1 9 万吨，6 0 的固体废弃物直接排入乌兰木伦河和 悖牛川，使河道淤积、变窄，_ 可床抬高，阻碍 亍洪。如乌兰木伦河河床己 抬高4 米，泻洪能力大大降低，洪水期问泥石流时有发生。1 9 9 2 年8 月7 口， 一场暴雨冲毁农田1 3 4 7 万亩，草场1 1 7 力亩，河堤工程1 5 处，直接经济损 失1 3 8 0 万元。 4 ) 地表塌陷的增加 地表塌陷是煤炭开采过程中不可避免的现象之一。地表塌陷将导致地 表水、大气降水直接涌入矿井，使表层土壤的含水量大为减少，从而导致 植被的死亡。据调查，在相同的土地类型条件下，塌陷区沙蒿的死亡率比 非塌陷区高1 6 。如瓷窑湾矿形成的一个直径4 0 米、深i ，5 米的漏斗状塌陷 4 太原理工大学工程硕士学位论文 区中沙柳几乎全部死亡。 5 ) 空气质量的恶化 在煤炭开采过程中一般均有严重的空气污染问题。如露天矿和煤炭堆 积、装运场所以煤灰、粉尘污染为主，井下则存在二氧化碳、二氧化硫等 污染。煤矸石堆积地则可能同时存在二氧化硫、粉尘和其它有毒有害物质 的污染。 总之，矿区开发将导致环境的恶化，改变原有的环境生态系统，使环 境生态系统向逆向发展，加剧生态系统的脆弱性，因此，在矿区开发过程 中如不注意保护原有的生态系统和对其进行重建和改善，将使矿区生态系 统彻底崩溃。 1 2 矿区生态建设目标、原则与内容 从以l 的分析可以看出，由于矿区环境生态条件的特殊性、脆弱性和 敏感性，加之矿区开发建设过程中对原有环境生态条件的破坏，建立生态 型矿区存在系列刚难和问题。只有找出影响生态建设的关键因素和问题 才能确立荒漠区生态型矿区建设的具体目标与内容。 1 ) 影响生态建设的关键因素与问题 从矿区的环境生态条件和特征可以发现，导致矿区生态脆弱性和敏感 性的主要因素有( 1 ) 降水量小且集中，常常阻暴雨的形式出现，导致水土 流失；( 2 ) 土壤结构疏松，易流失，肥力不足，保水保肥能力差； ( 3 ) 风蚀风积作用十分强烈，导致土壤沙化。这些因素将导致植被的破坏，从 而加剧水土流失和荒漠化、沙漠化，形成恶性循环，使矿区的环境生态系 统彻底破坏。同时，矿区的开发建设又将使这些因素更加恶化，如水循环 系统的破坏将导致土壤含水量进一步减少，大量的固体废弃物堆积将导致 太原理工大学工程硕士学位论文 进一步的水土流失，采空区地表塌陷将导致部分植被的死亡，引起进一步 的荒漠化和沙漠化。在这些因素中，气候条件只有在形成有利的( 局部) 自然环境基础才能改变，如大风只有在植被广布的条件下才能减少和减弱， 降水量的增加也只有形成局部有利小气候条件下才能达到，而要形成这种 局部有利的气候条件也必须建立在植被覆盖率较高的前提下。因此，影响 矿区生态建设的关键因素与问题应该是减少或杜绝水土流失、风蚀沙化现 象，改善土壤结构、增强土壤的保水保肥能力，使矿区植被覆盖率增加， 从而改善局部小气候条件，使矿区生态系统形成良性循环。 2 ) 生态型矿区建设目标 影响矿区生态建设的关键因素与问题表明以防风固沙、水土保持为中 心的环境生态建设是荒漠区面r 区建设的总体目标。 f | _ _ _ 风蚀沙化、水土流失是矿区最为，“重的自然灾害，矿区羽：发建设 又将加剧这一灾害，因此4 i 解决风蚀沙化、水土流失问题，其它环境生态 问题的建设只能解决皮毛问题，且小能持久。 虽然以防风固沙、水土保持为中心的环境生态建设是荒漠化治理的基 本目的与任务，但是由于矿区特殊的功能与作用，其环境生态建设模式也 具有特色。根据矿区所处的特殊自然地理条件和其功能、结构，荒漠区生 态型矿区建设应建立以防治自然灾害与休闲旅游相结合的城镇防风固沙、 水土保持型环境生态系统。这种双重目的一方面是由于矿区自然地理条件 不好，水土流失、风沙灾害严重，矿区丌发建设又加剧了这些自然灾害和 产生了新的环境生态问题；另一方面，在这个远离大城市的茫茫风沙之地， 建设一座现代化的花园式矿区小城镇对于提高居民生活质量、稳定职工队 伍将有重要的作用。 鉴于这一目标，选择正确的生物措旋是关键。为了达到生态型矿区建 设的双重目的，生物措施的配罱应不同于流域治理，应突出城镇型环境生 6 太原理工大学工程硕士学位论文 态系统建设的特征，除一般的防风固沙、水土保持外，更应注重环境的绿 化与美化，改善和优化城镇环境生态系统，为居民提供更加舒适的生活、 工作空间，因而在树种的选择、花卉培育、园林景点布局上都有一定的要 求。因此，超出了一般意义上生物措施的含义。 根据矿区的实际条件和环境生态建设目标，生物措施的配置有三个更 加具体的目标：一是建设防护林带，减小风沙、风尘危害；二是绿化固坡， 减少水土流失；三是矿区开发建设破坏区域的环境治理与生态系统重建； 四是城镇区的园林建设。 3 ) 生态型矿区建设原则 以矿区建设为总目标，以防风固沙、水土保持、水源涵养、届住区 及周边l 1 1 地绿化为主体，从根本上消除矿区水土流失与风沙侵袭，为矿区 创造一个良好的自然生态环境，也为临近地区发展农牧、i 业生产提供有利的 环境条件，这是荒漠区生态型矿区建设的基本原则。 矿区自1 9 8 6 年开发建设以来，认真总结了煤炭企业先污染后治理、先 破坏后恢复的教训，确立了以丌发促治理、以治理保开发的指导思想，从 矿区长远发展目标与区域社会经济发展大局出发，认真执行国家环境保护 法律、法规，把保护开发区自然生态环境贯彻于煤h 开发的全过程，使能 源丌发与环境保护相互结合，相互促进，协调发展。矿区环境生态建设的 具体原则为： 坚持生态效益为主，兼顾经济效益与社会效益，建设生态经济平衡型 产业的原则；坚持统筹规划，由内向外、由近及远、先易后难、逐步实施 的原则；坚持大范围重点建设与精品工程相结合的原则；坚持工程措施与 生物措施相结合的原则；坚持人工植被与生物多样性的原则。 奎堕堡三查堂三垦塑圭兰垡堡兰 4 ) 矿区环保生态建设规划及内容 根据矿区的环境生态特点与条件，结合生态型矿区建设的目标，矿区 环境生态建设的主要内容为： ( 1 ) 工程措施与生物措施相结合防治水土流失 以矿井水利用、煤矸石的井下处置以及生活污水处理与利用、土地复 垦等工程措施防治加剧矿区的进一步水土流失，以生物措施为主导进行流 域治理，防治水土流失。 ( 2 ) 以生物措施为主导，减少风沙等自然灾害，优化生活与工作环境 ( 3 ) 实施灌溉工程，改良土壤，提高土壤的保水保肥能力 ( 4 ) 以工程措施为主导防治环境污染 矿区开发建设中进行煤矸石的井下处置及地面封闭生产、矿井水、生 活污水处理与利用、油, q p , f i 收与复用等防治大气、水体等的污染。 矿【基建设伊始就把这些建设内容纳入矿区总体规划，委托黄河i 二中游 管理局编制了神东矿区水土保持总体规划。1 9 9 9 年，委托国家林业局编制 y - 神华集团神府东胜矿区生态建设工程规划，经国家计委批准实施， 作为神东矿区十年生态建设规划，计划至2 0 0 8 年将神东矿区建成全国生态 建设示范区。 在实施中，总体以鸟兰木伦河为轴一t l , ，大柳塔、黑炭沟小区及马家塔 复垦区为重点建设工程，全面建设矿区生态环境。 在矿区环境生态建设实施过程中丌发了一系列建设技术，具体包含水 净化与利用技术、油脂回收、复用技术、洗煤厂水闭路循环系统、防尘技 术、井下矸石处理技术、生态建设技术等。这些技术的开发为实现荒漠区 生态型矿区建设的目标奠定了基础。 太原理工大学工程硕士学位论文 2 水净化与综合利用技术 由于矿区地处荒漠区，水资源贫乏，可供开发的水资源为4 3 7 亿m 3 ， 其中河川径流占7 6 o ，地下水占2 4 o ，矿区开发又不可避免的破坏地下 水资源，因此水资源及其利用成为制约矿区生态建设的关键因素之一。针 对这种状况，在采用先进技术对生活污水进行处理的同时，结合矿井水和 采空区及其充填物的特点，重点开发了矿井水采空区过滤净化技术，为矿 井水的净化与利用开辟了一条新途径。 2 1 1 矿井水采空区过滤净化技术 山于矿区煤层浅埋深、薄纂岩、上覆厚松散层的特征，煤层回采顶板 垮落后赋存在第叫系砂砾层和风化基岩中的浅层地卜- 水将大量涌入工作 面，造成水资源的极人浪费，因此高效、低成本的矿井水净化技术将是建 设荒漠区生态型矿区的关键技术之一。 1 ) 下水采空区过滤净化技术开发的前提与条件 ( 1 ) 矿区煤层上覆岩层的含水性 按地下水的赋存条件及水力学特征，矿区地下水可分为新生界松散层 孔隙潜水、中生界裂隙潜水和承压水以及烧变岩孔洞裂隙潜水三类。 新生界松散层孔隙潜水 a 第四系河谷冲积层潜水 较大河谷断续分布内迭和上迭类型阶地及漫滩。堆积物主要为泥砂、 中粗砂砾石。厚度般4 1 2 米，最厚2 2 0 8 米。水位埋深1 1 0 米，含水层 岩性为中粗沙及砾石层，富水性中等到弱，水质为h c 0 3 一c a 或c a ，n a 型， 奎望堡三查兰三堡堡圭兰竺堡三! 三 矿化度0 2 5 0 3 5 9 i n 。 b 第四系上更新统萨拉乌苏组潜水 该组为冲积湖积形成，呈条带状、片状分布在古洼地和沟系，厚般 l o 一3 0 米，最厚可达1 0 0 米以上。岩性为粉细砂、中粗砂，局部底部含砾石， 结构疏松，降水极易入渗。水位埋深o 3 0 米，含水层厚1 0 一2 0 米，最厚4 0 米，为弱- 中等富水性，水质为h c 0 3 c a 或c a ，m g 型，矿化度o 1 6 0 3 0 9 , l 。 c 。第四系下更新统三门组沙砾层潜水 全组厚o 一4 5 7 米，上部局部为浅红色土，厚度0 3 5 4 8 米。含水层为 下部的砂砾石层。该不整合于基岩之 二，厚度o 一2 7 4 8 米，平均厚1 1 7 7 米， 含水层o 1 0 2 74 8 米，平均8 2 4 米。富水性受细小颗粒充填的密实程度和 粒度的级配情况限制，一般砂砾分选性稍好，砂泥质含量较低时富水性中 等强。其水质为h c o j c a 型，矿化度小于o 3 0 l 。 坤生代碎屑岩类裂隙潜水及承压水 a 。侏罗系中统直罗组裂隙潜水一承压水 厚4 5 1 7 1 3 7 5 4 米，岩石易风化，裂隙较发育。含水层为灰白色、灰 绿色中糯粒长石砂岩，厚l o 一3 0 米，富水性弱，水质为h c o 、一c a 或c a ， m g 型，矿化度0 , 2 1 0 3 7 9 l 。 b 侏罗系中下统延安组裂隙承压水 岩性以浅灰白色中粗粒砂岩为主，次为纲砂岩、粉砂岩和泥岩，富水 性极弱。浅埋煤层，煤层顶板含水性水柱高度一般1 6 1 6 3 1 3 9 米，煤层埋 藏较深区水柱高度可达6 9 5 6 1 2 7 8 8 米。延安组裂隙承压水水质由上而下 逐渐变差，浅部为h c 0 3 一c a 或c a ，n a 型，至深部变为c i n a 型，矿化度 由o 2 变为1 4 5 0 i 。 烧变岩孔洞裂隙潜水 矿区内有大面积分布的煤层自燃区，区内有烧变程度及厚度不等的烧 1 0 太原理工大学工程硕士学位论文 变岩，孔洞裂隙发育，强发育段位于下部，厚3 1 0 米，当烧变岩底板具备 倾斜或凹形储水构造，且有松散层潜水补给时，形富水区。富水性局部强一 极强，大多数弱或透水不含水，水质优良，为h c 0 3 c a 型，矿化度小于 o 2 5 l 。 因此，矿区内上覆含水层主要为不整合于基岩面之上的第四系下更新 统三门组沙砾层，部分地区以烧变岩孔洞裂隙潜水为主，其它含水层富水 性较弱，对矿井充水不具有重要意义。水质主要为h c 0 3 一c a 型，矿化度小 于0 3 0 9 l 。 ( 2 ) 基岩面起伏特征 由于矿区煤层上覆含水岩层主要为不整合于基岩之上的第四系下更新 统三门组砂砾层，基岩面或古地形的特征控制着地下水的富集区和流动， 影响基岩风化带的含水性及采空区矿井水的涌水量。 矿井水文地质剖面图表明基岩面的一般起伏特征为风化岩层较薄处基 岩面低沣，而厚则基岩面起伏较高。 ( 3 ) 矿井充水因素 矿井充水水源 矿区内煤系基岩含水岩组含水微弱，第四系松散层孔隙潜水、烧变岩 裂隙潜水及地表水体是矿井的主要充水水源。大气降水通过入渗补充地下、 地表水构成间接充水水源。 矿井充水通道 矿区内1 五煤和2 2 煤上覆基岩厚度大部分小于煤层开采后形成的导水 裂隙带发育高度，局部甚至小于冒落带高度，因此这两带是沟通各种充水 水源进入矿井的主要通道( 表2 1 ) 。 太原理工大学工程硕士学位论文 表2 一l 煤层上覆基岩厚度及导水裂隙带、冒落带高度 矿井充水强度分析 矿区内矿井充水强度取决于砂砾层含水层的富水性、渗透性、降水汇 水面积、煤层。 ：覆基岩厚度及目裂沟通砂砾层潜水程度，并受大气降水特 征和黄土隔水层的明显影响。 分析表明，基岩厚度薄弱区，黄土层厚度也薄，同时还是砂砾层潜水 寓水区，大气降水汇聚区，反之基岩厚，上覆松散层富水性办弱，黄土层 【i j ；l 厚，不利于大气降水汇聚( 图2 一1 ) 。 总之，矿区由于煤层浅埋深、溥基岩、上覆厚松散层的特征，充水水 源主要为第四系砂砾层含水层，其基本充水模式如图2 2 所示。 图2 1 砂砾含水层、黄土及煤系基岩厚度关系剖面图 太原理工大学工程硕士学位论文 ；+ ? ? 1 ，? 一y i l v l ，； 兰鬈；囊蠢器泌弼誓 l ” 5一 图2 2 矿区浅埋煤层矿井充水模式图 ( 4 ) 矿区地下水水化学特征 根据矿区煤层上覆含水层的含水性及矿井充水因素的分析，矿井水主 要来源于第四系砂砾含水层和人气降水，而其它含水层的贡献较小，不构 成矿井水的主要来源，因此对矿井水的水化学特征影响较小，矿井水的水 化学特征主要取决于第四系砂砾含水层的水化学特征和在采空区发生的各 种物理化学作用。 矿区地下水为大气降水渗入成因型，降水为富含氧和二氧化碳的重碳 酸水，具有较强的溶蚀能力，降水渗入砂层后，主要溶蚀砂层中的碳酸赫 类矿物。在渗入基岩裂隙时，因c a 2 + 吸附于岩石裂隙面的能力强，水中的 c a 2 + 置换岩石的n a + ，使地下水中的n a + 增多，同时有脱碳酸作用，析出碳 酸钙。同时由于基岩裂隙水的流动性差，长期溶解岩石，使水中溶解盐类 含量明显增高，故矿化度增高。地下水的水化学特征见表2 2 。p h 值表 明矿区水以中性和弱碱性为主。 奎星堡三查兰三堡堡主兰堡垒苎 表2 - - 2 地下水的水化学特征 k + n a + m e d 升 c a ”m g 升 m 9 2 + r a g y 一 c 1 n a g 升 s 0 4 。m e 2 升 h c 0 3 一m g 升 总硬度( 德国度) 永久硬度( 德国 度) 侵蚀性c 0 2 m g 升 0 6 8 9 4 6 1 69 2 0 p h7 2 8 - 7 8 9 7 4 0 11 6 6 7 7 82 8 样品数量1 l 1 1 4 2 ) 采窄区积水、集水：l 程设计 采空区集水是采空区过滤净化矿井水的前提，采空区集水区域必须在 矿井设计阶段加于考虑，结合矿井水文地质条件、开采地质条件和采空区 储水条件选择合适的采空区集水区。 ( 1 ) 采空区积水、集水区域选择原则 矿井首采区作为矿井水的集水区； 集水区必须具有合适的储水构造和条件； 集水区内充填物具有净化水的能力； 集水区不会对矿井生产构成突水威胁； 其它采空区矿井水能进入集水区。 现以大柳塔2 。2 煤采空区积水、集水工程为实例，说明集水工程的设计 原则。 ( 2 ) 大柳塔矿井采空区积水、集水工程 4 酊卯鸺，引 弧吼弧眦啪惕叭嘶 皿孓皿玲玎l_ 6 8 6 点点r 1懈懈嘲舶|器懈m “孓“ 1 6 7 一一一一一一。一一一一一。 孤弘z 4邙i 引船om皓 坝彤m m 帅粥州啦一一一一一一 l 强& ： 弱7 太棘理工大学工程硕士学位论文 大柳塔矿现开采2 矗煤层，首采工作面1 2 6 0 1 工作面1 9 9 6 年设计、施 工准备，1 9 9 7 年开始回采，由于具有良好的储水构造和储水条件，采空 区作为2 0 煤层采空区矿井水的集水区域。 1 2 6 0 1 工作面煤层底板标高1 1 3 0 1 1 4 0 之间，为矿井低洼区域，重要 的是有两条落差为5 3 m ，倾向相反的正断层斜切通过工作面，形成地新式 构造组合，有利于矿井水的储存。煤层直接底板为砂质泥岩，厚3 6 m ，蒙 脱石含量较高，易泥化，含有一定量的高岭石，下伏岩层粉砂岩，厚9 米。 因此，煤层底板及其下伏岩层构成了良好的隔水层，虽然两条断层为正断 层，但是由于煤层底板及其下伏岩层良好的隔水性，且煤层底板易泥化， 充填断层面，因此，断层的导水性极差。这些构成了1 2 6 0 1 工作面采空区 作为储集矿井水的理想条件。 山于1 2 6 0 1 工作面较其它工作面底板标高低，其它采空区水将通过渗 流汇聚在设讨的采空区集水区，为矿井水的进一步利用奠定基础。对1 2 6 0 1 采空区集水区进行防水密闭，一是防治采空区透水事故的发生，_ 足保证 采空区集水不泄漏。刘集水区的水资源采用1 0 寸水管自流至2 0 6 0 1 水仓， 部分作为井下用水，其余通过1 0 寸水管自流至地面与地面管网联结，一 部分水真接输入洗煤厂、热电厂作为工业用水，另一部进入污水处理厂， 经进一步净化处理达到饮用水标准后进入生活小区供水系统。 ( 3 ) 采空区充填物特征及过滤净化技术 采空区充填物特征取决于煤层上覆岩层及其冒落特征，大棚j 塔矿 1 2 6 0 1 工作面2 。2 煤层顶底板及其上覆岩层见图2 3 。矿井其它工作面以及 矿区其它矿井上覆岩层基本类似，无明显差异。2 七煤层冒落带高度为 6 2 8 1 5 9 8 米，因此采空区充填物主要为1 。煤层底板及其下伏岩层，为砂 质泥岩、粉砂岩、细砂岩和中砂岩组成，另外采空区残煤也构成充填物。 矿井水采空区过滤净化技术的开发及净化效果取决于矿井水的水化学及采 奎星型三查堂三塑堡主兰壁堡主 空区充填物特征，是二者相互作用的结果。 屡序挂捩翠袭m岩毪 l6 s 风积沙，含水屡 p v “ 松 21 7 ，o教 藉土层，瓣永屡 崧 3 渊 1 4 ，0 瓤沙砾瑟，含水瑟 4 s o 秒岩风化层 基 s 3 0 4 5岩 耪砂岩层含i - 2 媒线 痿 s5 o 褴砂岩渺爱泥岩 7 4 。32 - 2 j ；屡 82 2移凌混岩 囝2 - - 3 走柳塔矿井1 2 6 0 1 工作面2 “：煤层上覆岩层柱状图 ( 1 ) 采空区充填物特征 采空区充填物i i # l 隙率特征 采空区充填物主要以煤层顶板及少量残煤组成，大柳塔矿井2 2 煤层及 其上覆岩层和底板的孔隙率见表5 2 3 。表5 j 3 表明煤层及岩层的孔隙率 为5 9 3 3 1 4 7 8 。煤层的孔隙率最高，平均为1 4 7 8 ，钙质中粒砂岩最低， 平均为5 9 3 3 。泥岩、粉砂质泥岩、钙质细粒砂岩、钙质中粒砂岩的孔隙 率小于1 0 ，其余岩层的孔隙率均大于1 0 。这表明粒度较细、级配较好 以及胶结较好的岩石其孔隙率较低。因此，总体上来说，采空区充填物的 孔隙率较高，对水中悬浮物和有害离子具有一定的吸附作用。 太原理工大学工程硕士学位论文 表2 3 大柳塔2 。煤层顶底板及其上覆岩层岩石的容重和孔隙率 采空区充填物的级配特征分析 根据岩层的岩石力学特征可以分析采空区充填物的级配状况。矿区内 采空区充填物来源于下面两个岩组。 a 粉砂岩、泥岩及互层岩组：由粉砂岩、泥岩泥质粉砂岩、砂质泥岩 等组成。多 现在煤层的直接顶底板。岩石含有较高的粘土矿物和有机质， 以发育较多的水平层理、节理裂隙和滑面等结构面为特征。侵水或长时问 暴露字气后，岩石多沿层理方向离析形成薄片，软化系数小于0 5 ，表现出 水稳定性差。因此，该岩组形成的充填物粒度较绌，在水的作用下易泥化， 形成充填在充填物间的物质，使颗粒间空隙变小。 b ，砂岩岩组：以中粒和细粒砂岩为主，局部为粗粒砂岩，多形成煤层 的老顶。岩石出石英、长石、云母、暗色矿物等组成。原生结构面一般有 平行层理、块状层理、槽状层理、大型板状层理，单层厚度大；构造结构 面主要为节理。软化系数平均0 5 2 5 ，水稳定性较好。形成的充填物粒度较 大。 因此，岩石的特征和力学性质表明采空区充填物粒度级配较好，加之 泥岩易泥化，充填粒间空隙，使空隙较小，有利于矿井水中悬浮物的净化。 1 7 奎堕望三查堂三矍堡主兰垡笙_ 史 泥岩中粘土矿物及煤的物质组成 a 粘土矿物的组成及性质 煤层顶底板泥岩中含有一定量的粘土矿物，差热曲线1 2 0 。c 左右的深 谷，1 7 4 。c 左右的复谷以及6 9 0 。c 左右的浅谷均表明粘土矿物的基本矿物成 分为钙基蒙脱石，同时还有伊利石、高岭石、石英等矿物( 图2 4 ) 。 x _ 一射线衍射曲线( 图2 5 ) 上，d ( 0 0 1 ) 面网间距为1 5 5 0 埃左右，d ( 0 0 4 ) 而网间距在3 5 6 3 5 8 埃之间，此二峰均为钙基蒙脱石的晶胞特征，说明粘 土矿物以钙基蒙脱石为主。一些样品的x 一射线衍射曲线表明存在伊利石 一蒙脱石混层现象，且为无序混层。曲线上7 1 0 ，4 4 7 ，2 2 5 埃左右的强峰表 明粘土矿物中除蒙脱石外还含有高岭石、伊利石、石英、长石等矿物。 、 5 5 。一、 ”5 。 。、i 鬲- j15 4 f 彩= = 乒僦 5 5 0 。 、一、 ” 6 9 0 、i 孟- “8 5 图2 4 粘土矿物的差热曲线 粘土矿物的矿物组成见表2 4 ，蒙脱石在粘土矿物中占绝大部分，其 次为高岭石和伊利石。 各样品的化学成分相当接近( 表2 5 ) ，与蒙脱石的理论化学成相比 较，s i 0 2 含量略低，a 1 2 0 3 含量略高，这是由于含高岭石的原因。c a o 远 高于n a 2 0 ，硅铝比均在4 以上，表明主要矿物为钙基蒙脱石。k 2 0 含量在 1 1 5 2 1 7 之间，说明粘土矿物中含有长石、伊利石等富钾矿物。这些结果 18 奎堕型三人堂三矍堡主堂垡堡苎 与矿物鉴定是一致的。 表2 - 4 表明粘土矿物的吸兰量平均为6 8 0 5 ，因此粘土矿物的吸附能 力较强。粘土矿物的阳离子交换性见表2 - 6 。表2 - 6 表明粘土矿物所吸附的 可交换性阳离子主要为c a 2 + ，其碱性系数在0 0 6 0 2 2 之间，钠钙比在 0 ，j 3 o 2 1 之间。 以：跫爿l 处少一一一j ，。几段型i x 苯疋翼一一一。 一八f f c ：一一l 一，一一二哭一一一。 图2 5 粘土矿物的x 一射线衍射曲线 表2 4 粘土矿物的矿物组成 样品蒙脱石高岭石伊利石石英长石方解石 吸兰量 号( )( ) ( )( )( )( )m m d l o o g 一一 j 1 5 4 9 035 28 0 ，0 0 丁15 6 j 18 l j 1 8 2 儿8 4 j 1 8 5 7 4 7 9 7 0 8 0 6 9 1 0 1 0 1 0 5 1 0 8 5 8 6 1 2 6 7 0 6 7 3 5 0 5 8 1 4 7 4 5 2 5 5 1 1 平 7 787 3 3 71 82 3 6 8 0 5 9 m 太原理工大学工程硕上学位论文 表2 6 粘土矿物的阳离子交换性 j 1 5 4 儿5 6 儿8 1 儿8 2 j 1 8 4 j 1 8 5 5 4 - 8 5 4 7 8 2 5 51 3 4 2 9 8 4 80 2 4 0 4 1 8 1 5 54 9 5 9 3 4 4 0 5 2 7 3 7 5 1 5 9 2 1 0 1 3 6 10 7 1 4 3 13 3 3 7 5 0 3 58 8 3 2 6 2 3 3 6 2 3 5 3 4 2 9 3 5 76 l 43 5 1 52 2 4 3 5 5 9 8 5 9 8 0 2 2 0 1 9 01 5 015 o 1 6 o 0 6 02 1 o 1 5 0 1 8 0 1 3 0 1 5 01 3 平均4 8 2 05 5 0 14 83 4 0 57 2 50 1 70 1 6 煤的物质组成 煤的物质组成在很大程度上决定矿井水的p h 值和化学成分，一般矿井 2 0 太原理工大学工程硕士学位论文 水的形成经历两个阶段，第一阶段为产酸作用，即采矿活动使原来的还原 环境改变为氧化环境，易氧化矿物如黄铁矿与水作用，发生氧化产生酸性 离子及金属离子。如黄铁矿氧化产生硫酸根及铁离子，同时使p h 值降低： 2 f e s 2 + 2 h 2 0 + 7 0 2 = 2 f e 2 + + 4 s 0 4 士+ 4 h +( 2 1 ) 1 2 f e s 0 4 十6 h 2 0 + 3 0 2 = 8 f e j + + 1 2 s 0 4 + 4 f e ( o h ) 3( 2 2 ) 2 f e 3 + + 3 s 0 4 2 一+ 6 h 2 0 = 2 f e ( o h ) j + 6 i f + 3 s 0 4 2 ( 2 3 ) 煤中的黄铁矿是煤矿产生酸性矿井水的主要物质。 第二阶段为中和作用阶段，即矿井下的方解石和白云石等与水中的酸 作用，使矿井水的钙镁离子增加，同时使p h 值升高，其主要化学反应如下： c a c o s + 2 1 4 + = c a 。+ + h 2 0 + c 0 2 例( 2 , 4 ) m g c a ( c o j ) 2 + 4 1 1 + = m g 。+ + c a 2 + + 2 h 2 0 + 2 c 0 2 ( g ) ( 2 ，5 ) 矿区主要开采煤层的硫含量小于1 ，以硫化物硫和有机硫为主。矿区 主要丌采煤层的显微组成见表2 7 。 表2 7 矿区主要开采煤层的显微组成( ，体积) i 煤层 有机显微组分无村显微组分 b 粘氧硫碳 镜质半镜惰质 冗 有机其 r ? i 。， 质土化化酸 组质组组总量 它 组类物物盐 1 2 r 4 23424 4 83 49 4 72 1o 23 o0 4 8 7 1 23 5 85 ，o5 5 o1 o9 6 91 20 1o ，5 1 2o 105 1 2 2 。25 8 63 33 4 ，91 69 8 4050 1o 2o 805 0 9 4 25 42154 151 19 8 30 8o 2 0 705 0 2 4 34 6 21 64 4 95 39 8o1 3o 2 0 50 5 2 8 5 23 7 24 55 1 _ 31 29 431 0o 1 o41 03205 6 1 表2 7 表明煤中有机质总量大于9 4 ，硫化物( 黄铁矿) 含量低，以 粘土类及碳酸盐类矿物为主，因此煤中黄铁矿对矿井水的形成不起重要作 2 1 奎璺些三奎堂三堡婴主兰垡堡苎 用，矿井水的酸性较小，以中性弱碱性为主。 ( 2 ) 矿井水采空区过滤净化技术的原理与方法 矿井充水条件分析表明矿区矿井充水水源主要来自第四系砂砾岩层潜 水和大气降水，水质以h c 0 3 一c a 型为主，矿化度较低。加之采空区充填物 中硫化物含量低，碳酸盐类含量较高，因此矿井水形成过程的酸形成不明 显，不可能导致矿井水的化学性状与地下水有大的差别，其主要差别在于 悬浮物含量较高，基岩裂隙潜水的涌入将导致一部分离子如氯、钠等增高。 前述的矿井水化学性质和地质、水文地质条件、采空区充填物的特征等表 明矿井水采空区过滤净化技术涉及过滤、沉淀、吸附与离子交换、自生矿 物生成作用等物理化学过程。现分述如下： 矿井水采空区过滤的过程与阶段 第四系砂砾岩层滞水自导水裂隙带经冒落带涌入采空区再汇聚到集水 区经历了两个过滤阶段。 第阶段：为充填r 导水裂隙带和冒落带的砂砾过滤阶段，其基本模 式见圈5 4 。由于第四系砂砾层为矿区矿井直接充水水源，砂砾层粕粒含量 甚微，砂石占绝对优势，颗粒级配良好( 表2 8 ) ，颗粒排列较为紧密， 当煤层回采顶板冒落至基岩面时，砂砾将会充填在其中，形成天然的过滤 层，使地下水携带的悬浮物总量大为减少，因而矿井水水质较好 表5 2 8 砂砾层粒度特征 太蟓理工大学工程硕士学位论文 第二阶段：发生在矿井水自采空区汇聚集水区的过程，采空区充填物 对矿井水的过滤作用。前面的分析表明，由于采空区充填物级配较好，煤 层顶底板易泥化充填在颗粒的空隙间，使充填物间空隙较小，对矿井水中 悬浮物起过滤作用。同时由于煤层顶底板含有一定量的粘土矿物对细菌也 产生过滤作用。 过滤作用主要发生在颗粒粒间空隙，因此颗粒粒间空隙的大小及其分 稚是决定过滤效果好坏的主要因素。水在粒间的运动为渗流。 沉淀作用 沉淀作用是去除矿井水悬浮物的重要环节，根据矿井充水条件和采空 区地质条件，沉淀作用也可分为两个阶段。 第一阶段：发生在矿井水自采空区渗流至集水区的过程中，沉淀作用 发生在采空区。由于矿井涌水量较小，煤层底板倾角小于4 度，加之充填 物问空隙较小，因此矿井水在充填物中的运动为渗流作用。由于水力坡度 小，同时又有采空区充填物的存在，函此矿井水在采空区的运动特别缓慢， 沉淀与过滤作用同时发生，使进入集水区的悬浮物大为较少： 篇二阶段：发生在集水区。在集水区由于水基本处在静止状态，因此 沉淀作用是发生存集水区的主要作用之一，也是去除悬浮物的最后阶段。 吸附与离子交换作用 吸附与离子交换作用主要发生在采空区和流入集水区的过程中，是清 除矿井水中有害离子和细小颗粒的主要途径。由于采空区充填物中砂岩、 粉砂岩中孔隙率为5 - 1 3 之间，这些物质对矿井水中的一些有害离子和细 小颗粒将产生一定的吸附作用。更为重要的是由于煤层顶底板含有一定量 的粘土矿物，且主要是以蒙脱石为主，具有较强的吸附和阳离子交换作用。 由于矿井水的p h 值为中性一弱碱性，故粘土矿物的表面为负电，因此粘土 矿物将吸附正离子。同时，由于蒙脱石为钙基蒙脱石，矿井水中一些正离 查堕墨三查兰三堡堡主堂垡堡壅 子，如钠、钾离子将交换其中的钙离子，使矿井水中钙离子增高。 自生矿物生成作用 由于矿井水主要来自第四系含水层，水中含有较多的溶解性二氧化碳， 形成碳酸氢根，碳酸氢根将与矿井水中的钙、镁离子作用形成碳酸氢钙、 碳酸镁、碳酸钙等。因此，虽然由于离子交换作用使矿井水中的钙离子增 高，但由于溶解性二氧化碳的存在，将发生自生矿物生成作用，使矿井水 中钙离子大i n 度减少。 ( 3 ) 过滤净化效果及矿井水的利用 山于在采空区、集水区发生过滤、沉淀、吸附与离子交换作用、自生 矿物生成作用等物理化学过程，矿井水中悬浮物、钙离子及其它有害离子 大幅度减少，可以直接作为工业用水，经进一步净化后可作为饮用水并入 水刚。采空1 曩过滤净化后的水质特征如表2 9 所示。 矿 p 水采空区过滤净化技术效果分析 表2 - - 9 表明伊井水中除硫酸根离子比松散层地下水含量i a j j , i 、，其它离 子均与松散层地f 水可比，呈中性一弱碱性，色度低，无臭和味。无肉眼i j 见悬浮物，细菌总数少，可直接作为 _ 业用水，处理后可作为饮用水。 表2 9 还表明煤巾黄铁矿发生了氧化作用，因此导致硫酸根离子含量 增加。但是，由于煤中黄铁矿含量低，黄铁矿的氧化作用不能导致矿井水 发生质的变化。虽然发生其它阳离子与钙基蒙脱石中钙离子的交换作用， 但是由于矿井水中含有溶赆性二氧化碳，钙离子与其发生化学反应，生成 碳酸钙等，因此矿井水中钙离予含量并没有提高多少。从表2 9 的结果可 以看出，前述的过滤、沉淀、吸附与离子交换、自生矿物生成作用等均存 在于矿井水采空区过滤净化过程中。1 7 7 i 此，采空区过滤净化技术的开发是 在对矿井水文地质条件、采空区地质条件、采空区充填物的物质组成、结 构特征等具有深刻认识的基础上，分析采空区过滤净化过程中可能的物理 太原理工大学工程硕士学位论文 化学作用及其效应的前提下进行的。在开发过程中必须深入了解可能的污 染过程与净化过程及其效应，才能有的放矢。 表5 2 9 净化后矿井水的水化学特征及其与松散层水、基岩水的比较 分析项目 篓塑耄 ! 基岩水净化后矿井水+ 散层潜水 量石水。尹化席4 f 开水8 k + n a + m g 升 1 8 4 ，3 93 32 0 0 1 - 4 2 5 9 6 c a ”r a g y + 3 52 7 5 69 13 , 4 4 7 5 5 3 1 4 4 4 9 m 9 2 + r a g 升8 , 2 6 1 4 5 8 2 4 3 2 3 ，8 18 9 9 n h 。+ o 0 3 c r 6 +术检出 c 1 - n a g 升4 ，0 2 0 040 5 5 5 ，o63 8 s 0 4 。i n 升 o 一2 4 01 4 0 1 0 0 01 0 0 0 0 h c 0 3 一n 1 升 1 5 9 8 2 4 9 5 61 6 5 9 7 2 6 84 755 8 6 ( 毫克当= 晕：升) n o ， o 0 0 3 总? i 耍度( 德国度) 7 4 0 9 0 85 3 8 - 1 1 1 0 1 4 8 1 3 ( 碳酸钙计) 永久硬度( 德国度