1.礦井水利用現狀
礦井排水來源於孔隙水、砂巖裂隙水和灰巖巖溶水，其中巖溶水占75%。巖溶水是焦作市城市供水的重要水源。巖溶水的合理開發、利用和保護關系到居民的供水安全。在全球水資源短缺的背景下，礦井水的循環利用是非常必要的。焦作礦區礦井水年排放量為654.38+5億m3，目前利用量約為3700萬m3/a，占整個礦區總排水量的23%。其余的排入周圍的河流，白白流失。礦井水的利用途徑為:焦作市環境用水量360萬m3/a，煤礦生產用水量約340萬m3/a，煤礦周邊農田灌溉利用3000萬m3/a..根據焦作市用水規劃，2030年需水量為4.72億m3，供水量僅為7000萬m3，水資源缺口為401億m3。因此，礦井水資源化利用是解決焦作市水資源短缺的便捷途徑。
焦作礦區生產的礦井水水質符合含有壹般懸浮物的礦井水特征。懸浮物SS通常小於400mg/L，COD通常小於70 mg/L，毒理和放射性指標完全滿足飲用水要求。從低附加值礦井水利用的角度來看，礦井水經過初步沈澱後基本可以滿足農業灌溉用水的要求；從高附加值的礦井水利用來看，礦井水經過“混凝+沈澱+過濾”後完全可以滿足工業(主要是電廠)用水的要求；經過“消毒”等深度處理後，處理後的礦井水也能達到飲用水的水質要求。中國在礦井水處理方面有成熟的技術和經驗。焦作礦區排水量大，水量穩定，水質簡單，易於處理，礦井水資源化利用是可行的。
2.礦井水資源利用的途徑
目前，我國礦井水資源利用的主要途徑有:①淡水和汙水分流到井下，淡水經簡單處理後直接使用；②農業灌溉；(3)礦井水凈化處理後使用；(4)礦井水回灌。其中模式① ~ ③應用廣泛，模式④僅限於特定條件。
華北石炭二疊紀巖溶煤田煤層底板巖溶水是礦井水的重要來源。巖溶水從稀疏的鉆孔和排水巷道中湧出或流入礦井時，不在采煤巷道或采空區中長距離流動，不與其他礦井水混合，水質保持天然，可直接用作生產和生活用水。煤礦可以將直接從含水層流出的未受汙染的地下水與從采空區或工作面流出的受汙染的礦井水分開，將清水排到地面進行簡單處理利用。
華北石炭二疊紀巖溶煤田的煤礦湧水量比較大，水質比較單壹。大部分屬於含壹般懸浮物的礦井水，懸浮物濃度通常為300mg/L，為煤礦周邊農田灌溉提供水源條件。20世紀七八十年代，焦作礦區利用礦井水灌溉農田近65438+萬畝，取得了良好的社會效益。
從空間上看，礦井水凈化處理工程主要分為地面處理工程和井下處理工程兩大類。前者是井下各地產生的礦井水通過巷道匯集到礦井中央水倉，混合後的礦井水由中央泵房提升到地面，在地面建凈化站進行處理，達標後輸送到各個水務部門使用；後者是礦井水進入中央水池之前，先經過井下凈化站處理，達標後再進入中央水池，中央泵房再將清水輸送到各個水務部門使用。
3.礦井水處理技術
(1)礦井水的地面處理
目前，對於含有壹般懸浮物的礦井水，地面處理工程的工藝相對成熟簡單，基本遵循“混凝-沈澱-過濾-消毒”的工藝，出水能夠滿足飲用水水質要求。常用的構築物有:調節池、澄清池、無閥重力雙層濾池、汙泥濃縮池和氯化消毒車間。該方法關鍵問題如下:
1)混凝劑的選擇和復配，降低混凝劑成本，提高出水水質。聚合氯化鋁(PAC)+聚丙烯酰胺(PAM-)是常用的藥物組合。PAC適用於處理濁水，PAM-分子量大，助凝性能優異，兩者聯合處理效果遠優於單獨使用。
2)集澄清和過濾於壹體的凈化器。澄清池集混合絮凝和沈澱於壹體，減少了構築物數量，因此應用廣泛；壹些廠礦開發的集澄清池和過濾池於壹體的高效礦井水凈化設備，已在中小型礦井水處理廠得到廣泛應用。
(2)礦井水的地下處理
地下處理工程有多種形式。主要形式也有兩種:壹種是在每個沒有巷道的礦井突水出口處建立簡易的井下處理站，處理後再運送到各個水務部門。另壹種是礦井水通過巷道進入中央水倉前增加凈化處理站，中央水倉成為清水倉，解決了中央水倉定期清理的問題，中央泵房再將處理後的清水輸送到各水工段。如兗州東灘煤礦開發的“格柵-砂礫-混合-旋流反應、斜管沈澱-混凝-過濾吸附、汙泥壓濾”井下處理工程，而徐州泉臺煤礦的中央水倉是混凝反應的主要設備。礦井水經過預處理後，從中央泵房提升至地面凈化站進行二次處理。
4.焦作礦區礦井水處理工藝設計
焦作礦區礦井排水量大，應采用地基處理工程進行統壹處理。達到相應的水質標準後，要輸送到各個水務部門。焦作礦區礦井水除濁度、懸浮物和大腸桿菌外，其他指標均符合飲用水標準，且處理工藝較為簡單。根據焦作礦區礦井水的水質、水量及處理後的目的，處理工藝可分為基礎處理段和深度處理段。經過基礎處理段處理後，礦井水應滿足工業用水要求；經過深度處理後，礦井水應達到飲用水水質要求。
基本處理部分去除的主要汙染物包括懸浮固體、有機物和油。懸浮物主要是煤粉和巖粉，此外還有少量古生物殘留物和煤層中的細菌。處理工藝流程見圖10-13。
圖10-13礦井水地基處理段工藝流程
深度處理段去除的汙染物主要是真菌和微量有機物，處理流程如圖10-14所示。
圖10-14礦井水深度處理段工藝流程
根據焦作礦區礦井水質水量特點，PAC的工程用量為10 ~ 15 mg/L，PAM-的工程用量為0.2 ~ 0.25 mg/L..采用“微絮凝-過濾”工藝時，PAC工程投加量改為5 ~ 7 mg/L，2006年6月165438+10月取陽陽瑪礦礦井水，投加工業藥劑聚合氯化鋁(PAC)15mg/L和聚丙烯酰胺(PAM-)0.2mg/L。采用實驗室模擬工程設計工藝:“混凝-砂濾-活性炭過濾”，各工段處理效果見表65438。
表10-12實驗室模擬工藝對陽陽瑪煤礦礦井水處理的影響
二、加強煤礦水害綜合防治，減少礦井水排放量。
1.巖溶突水是煤礦安全生產的壹大隱患。
焦作礦區受水威脅的煤炭資源儲量約為601.326萬噸，目前僅解放4685萬噸，約55447.6萬噸儲量的92.2%待解放(表10-13)。特別是石炭系太原組15號煤(儲量9462萬t)和12號煤(儲量27909萬t)，由於煤層底板高壓巖溶水威脅嚴重，無法正常開采。礦井排水不僅造成大量水資源浪費，還造成企業每年支付大量排水費。焦作煤業集團公司2003年有8對生產礦井(表10-14)，共排水282m3/min，共排水費8000萬元，噸煤排水電費20 ~ 30元。
表10-13焦作礦區受巖溶承壓水威脅儲量和已解放儲量:萬t。
表10-14焦作礦區2003年生產礦井排水經濟技術指標統計表
2.巖溶承壓水突水風險評估
焦作礦區石炭-二疊系* *含11 ~ 14層，總厚9 ~ 14m，其中可采煤層3層，包括二疊系山西組1煤(大煤)，石炭系太原組15煤(二煤)，石炭系太原組12煤。二、1煤為穩定煤層，全區可采，壹般厚6m，是各礦井的主要煤層。A 5煤層距第二1煤層6 ~ 80m，壹般厚1 ~ 1.5m。礦區西部壹般可采，東部有1 ~ 2層矸石，部分可采。1、2號煤之間的距離為85 ~ 1煤，壹般厚度為1.5 ~ 2.0m，壹般可采。石炭系太原組15號煤和12號煤統稱為下組煤，煤層底板靠近灰巖和奧陶系灰巖強含水層。煤層底板巖溶承壓水突水威脅下組煤的開采。只有馬村礦、中馬村礦、朱村礦在開采15號煤，12號煤在開采。
九裏山泉區“特殊水脆弱性”礦井突水十分突出，主要原因如下:
1)奧陶系巖溶含水層最下部煤(三煤)厚度較薄，壹般為10 ~ 20m(圖10-15)。
2)煤系地層中發育多層碳酸鹽巖夾層，它們直接分布在各頂板上，特別是“石灰粉煤灰”和“石灰粉煤灰”(圖10-15)。這些層間碳酸鹽巖含水層水不僅是礦井突水的補給源，而且由於其發育穩定、分布廣泛，往往成為溝通下伏奧陶系含水層的導水層。
3)礦區位於太行山前，處於東線向東北的轉折處。東西向和北東向構造斷裂交替發育，特別是壹些大型斷裂構造成為巖溶地下水徑流的良好通道。同時，巨大的斷層距離使下伏巖溶含水層與煤層及其煤系地層中的碳酸鹽夾層對接，為巖溶水湧入礦井提供了條件。
4)煤層壹般由北向南向東傾斜，多在區域巖溶水水位以下。南部煤層巖溶水帶的水壓頭有幾百米以上，高壓下的底鼓突水成為巨大隱患。
煤層底板承壓水突水風險評估方法有:斯列薩列夫公式法、突水系數法、多源地質信息復合疊加法、脆弱性指數法、五圖雙系數法等。突水系數法公式簡單，易於應用。自20世紀60年代提出以來，已成為評價和預測煤礦底板突水的重要方法。突水系數是指煤層底板單位厚度隔水層所能承受的靜水壓力，表達式為
中國北方巖溶地下水的環境問題與保護
圖10-15焦作礦區地層柱狀圖
式中:t為突水系數(MPa/m)；p為底部隔水層所承受的水壓力(MPa)；m為底部隔水層的厚度(m)。
壹般來說，突水系數越大，底板突水風險越高。臨界突水系數是指單位隔水層厚度所能承受的最大水壓或極限水壓。當突水系數超過臨界突水系數時，底板有突水危險；當突水系數小於臨界突水系數時，基本不存在底板突水的危險。臨界突水系數受水文地質條件、礦井充水條件、開采條件和開采方法的影響，不同礦區或同壹礦區的不同礦井往往具有不同的臨界突水系統值。因此，許多礦區或礦井通過總結歷史實際突水資料，建立了適合自己礦區的臨界突水系統值(表10-15)。根據國內實際資料，受損區塊的臨界突水系數為0.06MPa/m，正常區塊的臨界突水系數為0.1 MPa/m..
表10-15中國部分礦區臨界突水系統數值
焦作礦區主要生產礦井煤層底板八灰巖溶突水系統數值見表10-16。各礦井突水系數超過臨界突水系數。在帶壓開采二-1煤時，八灰水的突水危險性很大。
表10-16焦作礦區二號煤1底板八灰突水系數
1-5煤底板直接充水含水層為二灰(L2)，1-5煤與二灰之間的隔水層厚20m，1-2煤底板直接充水含水層為奧陶系灰巖，隔水層厚10~20m ~ 20m。石灰粉煤灰和奧陶系粉煤灰水力聯系密切，水位相同，可視為壹個含水層組。根據目前奧灰水位75m、20m、10m和各井田煤層最高標高，得出5號煤和12號煤的最小突水系數，如表10-17所示。可見1號5煤和1號2煤的開采，底板灰和奧陶系突水都是非常危險的。
表10-17焦作礦區太原組最小突水系數
利用突水系統號對礦區“2號煤(1號煤)”的巖溶突水危險性進行初步評價。根據突水系數，評價分為以下ⅳ級:
ⅰ級，無巖溶突水危險區，“2號煤(1號5號煤)”在巖溶地下水位以上，不存在下伏巖溶含水層突水的危險。
ⅱ級，輕度突水的巖溶水危險區，下組煤在巖溶地下水位以下，突水系數在0 ~ 0.06 MPa/m之間的區域..
ⅲ級，巖溶水中等突水危險區，突水系數在0.06 ~ 0.1 MPa/m之間，該區域突水系數接近煤炭部制定的《礦井水文地質規程》突水危險區臨界值。
ⅳ級，嚴重巖溶突水危險區，突水系數> 0.1 MPa/m
根據上述計算標準，泉域下煤層巖溶突水危險性評價結果如圖10-16所示。
從圖10-16可以看出，煤礦巖溶突水風險由西北向東南增大，與地層埋深和巖溶地下水流向壹致。ⅰ、ⅱ級區主要分布在系統西北部山區、朱村斷裂和鳳凰山山底以北地區。ⅲ級帶平行分布在李莊斷層和九裏山斷層的煤系地層上翹段。ⅳ級區分布在巖溶水系統的東南部。
系統中每個區域的分布區域如下:
無巖溶突水危險區(壹級)面積90km2。
輕度巖溶突水危險區(二級)面積23km2。
巖溶水中度突水危險區(ⅲ級)面積為18km2。
嚴重巖溶突水危險區(ⅳ級)面積326平方公裏。
3.關於礦區水害防治的建議
1)ⅱ、ⅲ、ⅳ級地區不適宜開采“三煤”。
2)沿區域斷層留壹定厚度的保安煤柱，厚度不小於300米。這些斷層包括鳳凰山斷層、九裏山斷層、方莊斷層、馬坊斷層、雨荷斷層等。沿壹般斷層的保安煤柱厚度不小於50m。
3)在ⅲ、ⅳ級地區采煤時，要對開采過程中可能出現的未探斷層和巖溶陷落柱給予足夠的重視，實行“有疑問時，先探後掘”的原則，防止突水事故的發生。
4)對於ⅲ、ⅳ級地區的煤炭開采，在充分摸清礦區水文地質條件的基礎上，針對巖溶突水問題，可以因地制宜地采用煤礦石炭系灰巖隱伏露頭註漿截流工程、突水點地面鉆孔註漿封堵工程、礦井翼(區)隔離技術和強制排水技術的應用， 煤層底板含水層的排水降壓工程及註漿改造，工作面煤層底板註漿加固及含水層改造技術等。
第三，減少固體廢物的儲存和利用
煤矸石的利用主要有三種方式。壹是利用煤矸石生產無煤燒結磚。具體方式是采用成熟的制磚技術，將煤矸石粉碎後添加20%的粉煤灰，利用原煤矸石中的粘土礦物和殘余熱值，燒結成煤矸石磚。焦作已建成煤矸石磚廠5家，隧道窯生產線14條。2005年生產煤矸石磚6543.8+0.2億塊，銷售收入6543.8+0.43萬元，年消耗煤矸石30萬噸。二是利用煤矸石發電。目前已建成4座煤矸石電廠，綜合利用鍋爐8臺，總裝機容量194MW。2005年煤矸石發電量654.38+0.25億kW·h，銷售收入2.5億元，煤炭洗選加工產生的煤矸石年消耗量70多萬噸。第三，塌陷區充填煤矸石，每年消耗10000 t以上。煤矸石山
圖10-16九裏山泉域下祖煤礦巖溶水系統突水風險評估區劃圖。
在其周圍修建集水溝和沈澱池，收集矸石山山坡上的雨水，降水雨水用於矸石運輸道路和矸石山灑水，減少粉塵，改善礦區地面環境。煤矸石堆應覆土防滲，並種植樹木或花卉