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综采工作面水资源化利用技术应用刘 健（太原煤气化龙泉能源发展有限公司，山西 太原 030300）摘要：为进一步研究 4301 工作面采动覆岩运移及裂隙演化规律，掌握工作面开采扰动对顶板含水层的影响情况。分析了工作面老空水水质特征，确定了龙泉煤矿矿井水资源化利用污水处理技术，提出了矿井水资源化利用工艺流程，形成了顶板水资源化利用技术体系。关键词：综采工作面；顶板水；水资源化；应用技术中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0018-04Application of Water Resources Utilization Technology in Fully Mechanized Mining FaceLIU Jian（030300，）Abstract:In order to further study the migration and fracture evolution of mining overburden in 4301 working face and master the influence ofmining disturbance on roof aquifer;This paper analyzes the water quality characteristics of the old goaf water in the working face,determinesthe sewage treatment technology for the utilization of mine water resources in Longquan Coal Mine,proposes the technological process for theutilization of mine water resources,and forms the technical system for the utilization of roof water resources.key words：fully mechanized mining face；roof water；water resources；applied technology1概述龙泉煤矿 4301 工作面为矿井三采区首采工作面，采用综放开采方法，底板标高为+525.2+630.5m，地面标高为+1 200.1+1 350 m，工作面走向长度为 1 127.895 m，可采长度为 721 m，倾向宽度为250 m，煤层平均厚度为 6.25 m，平均埋深为 600 m，机采高度为 3.5 m，放煤厚度为 2.75 m，采放比为 1:0.79，放煤步距为 0.8 m，日进尺为 4.8 m。4301 工作面基本顶为砂质泥岩，具有隔水性，厚度为 7.30 m；直接顶为 K4 砂岩，属承压裂隙含水层，厚度为 3.53 m；伪顶为砂质泥岩，厚度为 0.23 m。直接底为中砂岩，厚度为 0.45 m，基本底为细砂岩，厚度为 6.06 m。根据前期巷道掘进发现 4301 工作面顶板主要以 K4、K5 砂岩含水层裂隙水为主，采掘施工围岩产生裂隙带为主要流水通道，由于上覆裂隙水分布不均匀，工作面回采时造成涌水区域大，治理困难；工作面推进、放顶等施工过程中矿压显现明显，造成围岩裂隙范围扩大，加剧了顶板淋水现象，预计工作面回采过程中淋水量在 2428 m3/h。2采动覆岩运移及裂隙演化规律2.1采动覆岩破坏范围理论计算4301 试点工作面覆岩属于坚硬岩性，根据坚硬岩性导水裂隙带高度计算公式，对 4301 试点工作面顶板导水裂隙带发育高度进行预计。导水裂隙带高度计算公式：li=1001.2+2.08.9（为煤层厚度，li为导水裂隙带预计值，项为中误差。）试点工作面煤层厚度为 6.25 m，代入上式计算得到导水裂隙带发育高度预计值为li=74.69 m。预计顶板 K4、K5 砂岩含水层均在裂隙带发育范围内，开采会对顶板含水层产生影响。2.2采动覆岩破坏及裂隙发育特征模拟分析2.2.1模型建立4301 试点工作面地质条件，建立了工作面开采UDEC 数值计算模型，模型长度为 250 m，高度为137 m，如图 1 所示。图 14301 工作面工作面开采 UDEC 数值计算模型2.2.2工作面数值模拟结果分析1）塑性区分布特征：随着工作面推进，顶板破坏区范围不断扩大，顶板在采动应力作用下破坏整体形态呈倒梯形。工作面继续推进至 90 m 时，顶板受2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷18采动应力作用塑性破坏范围不断增大，顶板破坏高度增大到 75 m，工作面已达到充分采动，顶板破最大破坏高度不再增加，煤壁超前破坏距离为 20 m，如图 2 所示。（a）工作面推进 30 m（b）工作面推进 30 m（b）工作面推进 90 m（d）工作面推进 120 m图 2工作面推进过程中覆岩破坏情况根据图 2 可得在工作面推进过程中顶板裂隙发育高度不断增大，顶板经过多次的周期来压后，顶板破坏高度逐渐达到峰值 75 m 之后不再继续增加。由于数值模型建立的顶板是理想状态均匀分布的，故在模型中顶板破坏高度 75 m 发育至 K5 砂岩含水层便不再增加，K5 砂岩含水层在导水裂隙带范围内。但由于实际地质条件复杂，顶板破坏范围可能存在差异。2.3采动应力分布规律1）工作面推进过程中，在顶、底板垂直方向都被“拱形”卸压圈包围。随着工作面的继续推进，“拱形”卸压应力圈范围在垂直方向和水平方向上都逐渐扩大，但越往拱顶应力线密度越低，即卸压效果越差，且卸压范围在水平方向上也越来越小。2）当工作面推进至 90 m 时，应力集中区范围进一步增大，同样是集中在煤壁前方 24 m 位置处，同时后方采空区逐渐压实，出现应力恢复区。3）当工作面推进至 120 m 之后，应力集中圈缩小，煤壁前方应力集中区域范围不再随着工作面悬顶距的不断增加而增大。随着工作面的不断推进，煤层顶板的“拱形”卸压应力圈不断扩大，同时应力恢复区范围也不断增加。2.4覆岩垮落特性2.4.1模型设计根据龙泉煤矿 4301 试点工作面工程地质条件，在整个工作面范围内，针对底板内破碎带分布情况，铺设 2 种底板不同条件下相似模型，即底板有破碎带条件和底板无破碎带条件。根据煤层分布状况，沿走向剖面建立相似模型，依据近似准则，确定几何比为，密度比为，强度比为，时间比为。模型制作所使用的材料为石英砂、石灰、石膏和云母粉。所建模型规格为长宽高=3.0 m0.5 m2.4 m，模型上边界与地表间距为 440 m，对所建模型施加等同 440 m厚度岩体自重应力 52 kN。2.4.2顶板覆岩破坏特性4301 试点工作面推进速度为 4.8 m/d，依据实验相似比，在模型开挖时以每 3 h 推进 60 mm，模型两侧各留设 300 mm 煤柱，本次模型设计工作面推进1 900 mm。1）工作面推进至 20m 处时，工作面上覆 03.5m 范围内岩体产生横向裂隙，且随着初次来压步距逐渐增加裂隙区范围向工作面内逐渐扩大，同时伴随着岩体离层现象以及纵向裂隙。2）当工作面推进至 42 m 时，工作面顶板初次垮落，其第一层顶板垮落形态分别为长约 10、7、7、10、8 m 5 个块体，因此确定 4301 工作面顶板的初次垮落步距约为 42 m。此时顶板垮落高度约为 10 m，层间裂隙主要萌生于顶板上方 3 层岩石之间。并随推进距离增大，顶板离层裂隙宽度进一步增大，同时顶板纵向裂隙高度进一步发育，当纵向裂隙发育贯穿整层岩层时，则该层岩层在重力作用下从中部开始垮断，岩层两侧出现较宽纵向裂隙，此时裂隙发育高度为 20 m。3）当工作面推进至 60 m 时，上部顶板岩层之间的离层裂隙进一步加大，此时顶板并未在此发生垮落，当工作面继续推进至 66 m 时，顶板岩层发生失稳，逐渐向下垮落，并且在工作面右侧出现新的裂隙离层，长度由低到高逐渐增大，介于 612 m 之间，从而造成工作面采场产生压实区、张开裂隙区、离层裂隙区等三区。4）随着工作面继续推进，顶板裂隙向上发育，当工作面推进至 72 m 时，顶板再一次发生破断，采空区顶板位移量进一步增大，此时裂隙发育高度为 35m。当工作面继续推进，顶板发生多次周期性来压，顶板裂隙发育高度继续增加，采空区中部岩层离层裂隙被压实，模型开采完毕后，此时在开切眼和工作面前方裂隙较为发育，采空区中部压实区范围达到最大。3老空水水质特征分析3.1采动顶底板水质变化机理不同层位顶底板水溶解的矿物质的量是不同2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷19的，不同地层中矿物质的种类、成份、含量也不尽相同。4301 工作面开采顶板含水层影响预计达到 K5，K5 含水层至煤层之间有泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等岩性岩层。开采对底板含水层影响预计达到L3，L3 含水层至煤层之间有砂岩、砂质泥岩、灰岩。3.2老空水水质特征4301 试点工作面水质特征，为矿井水资源化利用技术的确定提供依据，在 4301 试点工作面泄水巷取水样送检，根据送检的试点工作面泄水巷水样化验结果，发现 4301 试点工作面老空水水质偏碱性，pH=7.672 8.566，矿 化 度 为 580.02 1 365.63mg/L，硬度为 18.8299.52 mg/L，矿化度和硬度均较高，水质类型为 HCO3 SO4-Ca Na。矿井涌水中悬浮物浓度 SS=1005 000 mg/L，平均悬浮物 500 mg/L；化学需氧量 CODcr=200600 mg/L。通过与砂岩水水源水质和灰岩水水源水质进行对比分析，认为4301 试点工作面老空水来源包括顶板砂岩水和底板灰岩水两部分。4矿井水资源化利用技术龙泉矿针对矿井涌水硬度、矿化度较高，同时水中含有悬浮物的水质特点，提出了对应的含悬浮物和高矿化度矿井水处理技术及利用系统设计。4.1矿井水资源化利用系统设计针对上述提出的矿井水资源化利用技术，结合龙泉煤矿实际情况，提出了龙泉煤矿矿井水资源化利用系统，如图 3 所示。工作面开采后，覆岩破坏产生导水通道，覆岩采动裂隙水沿导水通道进入采空区成为矿井水；矿井水提升至地面后经过水处理站资源化处理后，可用于矿井生产用水、选煤厂洗煤用水及尖山铁矿生产补水，实现顶板水资源化利用。其中，水处理站矿井水资源化利用工艺包括矿井水资源化利用、煤泥资源化利用及饮用水资源化利用三大部分。4.2矿井水用途龙泉煤矿矿井水中含煤泥、胶结物量大，悬浮物含量高，经矿井水处理系统设备处理后的矿井水用于道路洒水（约占 5%）、厂区绿化（约占 5%）、选煤厂补充用水（约占 25%）及井下消防洒水（约占 5%）等，剩余的矿井水经输水管道输送至太钢集团尖山铁矿，用于其生产用水（约占 60%）。4.3污水处理能力龙泉煤矿矿井水处理站原设计总处理水量为10 200 m3/d，平均每小时处理水量为 425 m3/h，根据环评要求设计处理能力是 500 m3/h，其中根据用户提供的水平衡表要求，生活饮用水用量为 56 m3/h，现定处理后水量为 60 m3/h。污水来源于龙泉煤矿井下排水，处理后一部分达到中水回用水要求，另一部分再深度处理达到生活饮用水标准。图 3矿井水资源化利用系统示意图4.4矿井水资源化利用工艺流程1）矿井水资源化利用：矿井水经地面管道进入预沉调节池内并加入 PAC，经过初步沉淀后的水源利用提升泵进入 GDH 型高效化学多功能净水器内并在净水器内添加以破乳剂、PAC、PAM 为主的混凝剂，净水器出水后进入中间水池，然后进入自动过滤器、清水池经消毒后作为生产用水。2）煤泥资源化利用部分：预沉调节池设置泵吸泥机，排出的泥和净水器沉淀池的排泥一起排入污泥池，经过污泥浓缩池浓缩，然后用泵提升至带式浓缩脱水一体机进行脱水，滤饼外运。3）饮用水资源化利用部分：矿井水处理工艺后的清水池，用提升泵提至多介质过滤器、活性碳过滤器，出水加阻垢剂后进入保安过滤器，由高压泵压入反渗透进行除盐、除病毒，出水进行消毒后可作为饮用水或用于洗澡、制作乳化液等。5结语1）经验公式计算结果表明，4301 试点工作面导水裂隙带发育高度为 74.69 m，顶板 K4、K5 砂岩含水层均在裂隙带发育范围内，工作面开采会对顶板含水层产生影响。2）基于等效采高计算结果表明，4 号煤层开采将（下转第 24 页）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷20（上接第 20 页）会造成顶板 K5 砂岩含水层破坏，在无构造、隐伏通道情况下不会造成 K6 砂岩含水层破坏。3）数值计算结果表明，4301 试点工作面顶板塑性破坏最大高度为 75 m，开采会对顶板 K5 砂岩含水层产生破坏，与经验公式计算结果基本一致。4）水质监测结果表明，4301 试点工作面老空水水质偏碱性，pH=79，矿化度为 580.021 365.63mg/L，硬度为 18.8299.52 mg/L，矿化度和硬度均较高，水质类型为 HCO3 SO4-Ca Na，水质监测结果为矿井水资源化利用工艺选择提供了基础依据。5）确定了龙泉煤矿矿井水资源化利用处理技术，提出了矿井水资源化利用系统工艺流程，主要包括矿井水资源化利用、煤泥资源化利用及饮用水资源化利用三大部分，矿井水经过水处理站资源化处理后，可用于矿井生产用水，选煤厂洗煤用水及尖山铁矿生产补水，实现了顶板水资源化利用。参考文献：1 马艳.综采面过富水区开采全周期水资源利用技术 J能源科技，2020（4）：12-16.2 李晓伟.大柳塔煤矿 5-2 煤五盘区水害防治及地下水资源利用的研究与实践 J.陕西煤炭.2018（S1）：49-53.3 王奋力.矿井水综合利用技术应用研究 J.能源与节能，2017（5）：134-135.4 李光华.高效旋流净化技术在矿井水处理中的应用与研究 J.冶金与材料.2020（3）：111-113，116.5 刘爽.煤矿矿井水处理技术及资源化综合利用 J.资源节约与环保，2022（8）：104-107.作者简介：刘健（1992-），男，山西省高平市人，2018 年毕业于山西大同大学采矿工程专业，本科，助理工程师，现就职于太原煤气化龙泉能源发展有限公司地测防治水部，从事防治水技术管理工作。（收稿日期：2023-1-10）4结论1）利用 FLAC3D数值模拟软件建立了沿空留巷数值模型，分析了工作面回采过程中应力演化特征，作用在充填体上的应力大于作用在实煤上的应力。工作面推进到 50 m 的过程中工作面附近的应力集中较大。当工作面推进距离超过 50 m 时，工作面后方实体煤和充填体的最大变形量不发生变化，但充填体变形量大于实体煤的变形量。2）针对沿空留巷巷道围岩应力和变形分布不均的情况，本文提出了“充填体+双排液压支柱+工字梁+高强度预应力锚索+高强度锚杆”的非对称支护技术，在充填体侧采用“高强度预应力锚索+高强度锚杆+金属网支护”的支护形式，在实体煤侧的采用“高强度锚杆+金属网”的支护形式，共同维护巷道围岩稳定性，有效地控制巷道围岩变形。参考文献：1 康红普，张晓，王东攀，等.无煤柱开采围岩控制技术及应用J.煤炭学报，2022，47（1）：16-44.DOI：10.13225/ki.jccs.yg21.1940.2 张农，韩昌良，阚甲广，等.沿空留巷围岩控制理论与实践J.煤 炭学 报，2014，39（8）：1635-1641.DOI：10.13225/ki.jccs.2014.9026.3 韩昌良，张农，阚甲广，等.沿空留巷“卸压-锚固”双重主动控制机理与应用 J 煤炭学报，2017，42（S2）：323-330.DOI：10.13225/ki.jccs.2017.0132.4 孟祥军.基于基本顶断裂位置的综放沿空掘巷煤帮支护技 术J.煤 炭 科 学 技 术，2020，48（1）：61-68.DOI：10.13199/ki.cst.2020.01.008.5 陈勇，柏建彪，朱涛垒，等.沿空留巷巷旁支护体作用机制及工程应用 J 岩土力学，2012，33（5）：1427-1432.DOI：10.16285/j.rsm.2012.05.024.作者简介：张毅（1986-），内蒙古自治区准格尔旗人，2011 年毕业于华北科技学院安全工程专业，现担任内蒙古汇能煤电集团安全管理人员，工程师，从事煤矿安全监管、生产技术等工作。（收稿日期：2023-6-1）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷24