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前言 煤矿开采多为地下作业， 在井巷开拓和煤层的回采过程中， 不可避免地要 接近、 揭露或波及破坏某些含水层 （体） 。只要这些工程的作业场所处于含水 层 （体） 的水位以下， 水体就会因失去原有的平衡， 在重力作用下， 以各种形式 向井巷或采场涌出。这既可以是一般性的滴淋水， 也可以是突破性的大量涌 出， 形成水害。这主要决定于作业场所所处的地质构造部位， 含水层的富水 性、 可能的补给水量和水压， 以及工程对各含水层的揭露、 贯穿或波及破坏程 度。因此， 煤矿生产建设的整个过程， 都存在着与地下水的斗争， 矿井的生存 与发展， 都与这一斗争息息相关。 水害是煤矿的五大自然灾害之一。水害的严重程度， 受多方面因素影响， 如矿井水文地质条件， 矿井开拓、 开采对地下水源平衡条件的破坏等。这些因 素， 一般都是可以认识和预见的， 因此防治水工作的任务就是 （） 研究制定合理的开拓、 开采方案， 最大限度地限制或减少其对各层地 下水原有平衡条件的破坏； （“） 采取针对性的技术措施， 改造、 限制主要水患因素； （） 建立合理的矿井综合防水体系， 提高矿井的抗灾变能力。 新中建立 多年来， 随着煤炭工业的迅猛发展， 我国煤矿的防治水工作 也在不断地探索前进。在学习和引进国外有关技术的同时， 根据自身的条件 和特点进行了研究和试验， 已初步形成一套有中国特色的矿井防治水理论、 对 策、 方法、 手段和有关的管理制度。认真总结这些宝贵的经验教训， 必将对我 国煤炭工业的进一步发展起到重要的作用。 总结我国煤矿防治水的多年实践， 其基本经验是 （） 要首先查明条件、 认识客观， 这是做好矿井防治水工作的基础。如何 又快、 又好地查明条件， 在方法上主要是物探、 化探、 钻探相结合， 井上、 下结 合， 有针对性地进行立体综合勘探。其中， 物探应先行， 以发现问题和进行宏 观控制。不过， 众多的物探方法中要选择得当。坑道钻探主要是有重点地验 证物探成果， 控制和揭露具体矛盾， 因此必须有针对性地进行。井上、 下长期 水动态观测及必要的疏放水、 联通试验， 是查明水文地质众多因素的关键。 （“） 要全面规划， 把防治水与矿井的长远发展、 采掘安排等作为一个整体 来考虑， 进行统筹安排。保证防治水工作的人、 财、 物得以落实， 也是避免 “头 痛医头， 脚痛医脚” ， 消除生产与防治水协调不好， 避免互相牵扯的根本途径。 （） 要实行规范化科学化管理， 严格报批制度和各项规章制度。消除 “漏 洞” 和失误， 保障安全生产。 （“） 要坚持以预防为主， 防治结合， 有针对性地探查。这既可保障安全生 产， 又可做到有的放矢， 达到省时、 省力、 省钱的效果。 （） 水源是根本， 地层、 地质构造是条件， 水压是关键， 采掘引起的重新平 衡是起因， 水动态变化既是突水的前奏， 也反映其结果。五者的关系不能颠 倒、 混淆， 这是正确分析， 预报水情， 防止重大突水事故的经济和有效技术途 径。 （） 坚持生产与科研相结合。生产建设中遇到的防治水问题， 既是生产问 题， 也带有很强的科学研究性质， 应是现场与实验室相结合， 理论与实践相结 合。抓住了问题， 就要深入研究， 得出结论， 不仅解决眼前问题， 也要为今后防 治水工作提供依据。 （） 在实践中既要执行规程， 又要创造条件积极进行各项试验、 探索。 煤矿防治水工作， 是一项多学科的系统工程， 它涉及面很广， 与煤矿生产、 建设的关系非常密切。在过去的 /1/ 型，局部为 360 /A型， 矿化度 ,6 7 A. B。 ）中奥陶统灰岩（简称“奥灰” ） “奥灰”为峰峰煤田煤系地层基底，厚 6。根据岩性分为三组八段， 各段富水性差异很大。其中二、四、五、七段为强含水段，其余为弱含水 ’,第四章煤矿矿井水文地质勘探 峰峰矿务局高俊起李云鹤 图 “ 五矿主要煤层及含水层柱状图 段。五矿井田内， “奥灰， ，含水层水位在 ）均为全矿区地下水中之最低值分布区。 “ 八矿地下热水的循环深度及年龄 ）地下热水的循环深度 据八矿地下热水富含 /6.这一特点，我们采用 /6.温标计算相应的热 储温度。该地热温标的理论依据是 /6.的溶解度随温度不同而急剧变化， 温度升高，1 云英石、玉髓和石英被溶解，适用于中性到微酸性热水系统。 计算公式如下 “ ’ A3“/6. “ 式中 热储温度（8） ； “/6. 可溶二氧化硅含量（ “ 4 “ A 4 “ 0B （C） 式中“ 底板岩体平均容重； 采深； 工作面斜长； 岩体单轴抗压强度； * 岩体抗拉强度； 岩体内摩擦角； 最大应力集中系数。 （“）承压水导高带的确定。 承压水原始导高带的确定采用现场探测方法，如钻孔统计法和物探方法 等，其中钻孔统计法是一种简便易行的方法。在有较多钻孔资料的情况下， 可获得导高带分布的整体图像；在缺少钻孔资料的情况下，可采用井下物探 （电法、地质雷达）探测底板含水性，从而确定原始导高。研究表明，原始 导高的发育一般有如下规律 剖面形态为高低不平的参差状，其发育与构造断裂密切相关。在断层 带和陷落柱附近常形成异常导高带；在无构造影响地段，导高带很低或基本 不存在。 原始导高与岩性有关。一般在脆性岩层中的发育比在塑性岩层中好， 砂岩比泥岩发育好。蒙脱石泥岩中一般不发育原始导高，这与泥岩遇水膨胀 裂隙密闭有关。 承压水在采动矿压作用下可以再进一步导升，导升的高度可以通过钻 35第二篇矿井突水预测技术 探、物探、超声波法进行探测。具体操作程序是在采前探出原始导高，在采 动过程中及采后重复探测观察，比较前后探测结果可以确定承压水再导升高 度。承压水的再导升与底板隔水层厚度及其力学性质、工作面斜长、顶板控 制方式及含水层水头压力等因素有关。理论分析表明，采动引起的承压水再 导升高度与若干因素存在如下关系 “ “ “ （ 67 下与其他应用软件相联接，这就使得突水预测预报应用 程序具有广泛的发掘潜力。本书所采用的地理信息系统软件是 2346789，其 优点之一是适合于单机应用。 一、突水概率指数的概念 以往在研究底板突水机理时，对各种突水因素在底板突水中所起的作用 仅仅有一个定性概念，诸如“主要因素” 、 “次要因素” 、 “诱发因素”等等， 缺乏定量描述，这就使得突水的预测预报难以走向定量化。突水概率指数法 预测底板突水是突水预测预报的一种定量化方法。 其方法为在研究突水机理的基础上，找出底板突水的影响因素，通过 分析研究区域的突水资料，确定各种影响因素在导致突水事件发生中所占的 权重，再通过一种数学模式求出总的突水权重系数，即所谓的突水概率指 数。 突水概率指数与突水系数是两个截然不同的概念。突水系数是一个简单 的预测方法，因其忽略了许多突水因素，甚至是重要或主要因素而使预测不 准确，这已被大量的事实所证实。突水概率指数则是较全面地考虑了突水的 影响因素，并且确定了各种因素在突水中所起到作用的大小（即权重） ，因 此预测预报准确率较高。 “第三章底板突水机理与防治预测方法 二、底板突水预测预报流程 突水概率指数法预测预报底板突水需结合 “ 的基本功能。首先要将 各个突水因素编制成对应的专题图，再根据突水资料的分析，确定不同区 域、不同地段或不同点各种因素在突水中所占权重，然后再将各种因素的权 重专题图进行配准复合，形成一个复合信息储层，在此基础上构造突水概率 指数的数学模型，通过拟合、调整、建立突水概率指数等值线图，从而对未 开采区域进行预测，整个流程如图 8 , 2，简称 /01）技术，在阐明焦作东部矿区喀斯特水害条件的基础上， 利用图形与图像形式表现同煤矿底板喀斯特水突出有关的各种地质、水文地 质和开采条件等因素与突水之间的有机联系，通过计算机快速运算处理，建 立一个能反映较多因素综合作用的底板喀斯特水突出模式和接近实际的突水 危险性分区，以便于煤矿生产部门的有关领导和工程师们能对其作出正确的 判断。本文主要介绍在焦作东部矿区应用 /01 预测煤层底板喀斯特水突出 ’第二篇矿井突水预测技术 中国矿业大学郑世书孙亚军张大顺季景贤 的内容、方法、步骤和初步成果。 二、焦作东部矿区喀斯特水害概况 焦作东部矿区系指焦作市以东的九里山、演马、韩王、冯营、中马和小 马等六个主要煤矿，面积约 “，主要开采山西统大煤，个别矿井同时开 采太原统二煤。东部六矿历史上曾发生有记录可查的突水 ） .、’、. 、 ’灰岩水位明显拉开，堵水前 .灰岩水位 1*’，* 灰岩水位 ’44/（. 孔） 。且 .灰岩孔 . 个，.灰岩孔 1 个，*灰岩孔 ’ 个，。 “0“第二章煤矿矿井水处理技术 表 “ 姚桥煤矿矿井水反渗透脱盐处理结果 水温 （） 68 7;786 9888579 77578775858; 988978979 7757858;8 9887879 7755788;8 9887879 77557 78; /5（/ ） ，可使淡水生产率维持在较高水平。 用反渗透法淡化苦咸水的工厂在国外已较普遍。例如，日本鹿岛钢厂， 采用反渗透脱盐技术处理含盐量约 777 /3 4，同时还受有机物、微生物、 藻类污染的苦咸水，经杀菌、聚合氯化铝混凝剂混凝沉淀处理，双层过滤器 和精密过滤器过滤等预处理后，进入三级反渗透脱盐处理，淡水含盐量下降 至 967 /3 4，日产水量达 5 77 /5，水的回收率小于 ;90，脱盐率高于 0，完成了苦咸水的淡化。 总之，利用反渗透脱盐技术将煤矿苦咸水淡化成生活用水在技术上是可 行的，该工艺具有结构紧凑，脱盐率、脱硬率和淡水生产率、淡水回收率高 等优点。但是，在反渗透运行过程中，除了对原水进行严格预处理外，还要 求控制进水1第二章煤矿矿井水处理技术 二、煤矿酸性矿井水的成因及水质特征 （一）煤矿酸性矿井水的成因 在煤层的形成过程中，由于受到还原的作用，使煤层及其围岩中含有硫 铁矿（“）等还原态的硫化物。煤炭的开采破坏了煤层原有的还原环境， 提供了氧化这些还原态硫化物所必须的氧。地下水的渗出并与残留煤、顶、 底板的接触，促使煤层或者顶底板中的还原态硫化物氧化成硫酸，使矿井水 呈酸性。其主要过程如下。 * 、 1 2）的混合和稀释作用，使其酸度降低。 值提高，引起 的中和； （“）驱赶溶解于矿井水中的 2“； （）去除 ./、78 和金属硫酸盐，包括金属离子和硫酸根。 三、煤矿酸性矿井水的处理方法 目前，国内煤矿酸性矿井水处理方法主要是中和法。中和剂是各种碱性 物质，其中苛性钠和纯碱价格太高，现已不用，一般是采用石灰石或石灰作 中和剂进行中和处理。这里主要介绍酸性水的中和处理，此外对近些年新兴 起的生物化学处理法和湿地生态工程处理法作一简要的叙述。 （一）石灰石中和法 , 原理 以石灰石为中和剂的处理工艺有石灰石滚筒中和法和升流式过滤中和法 两种。其原理均是采用石灰石作中和剂与酸性水中硫酸进行中和反应，产生 微溶 23;，反应式为 232 “; 23; “2 “ 2“ 由于滤料处于不断滚动和摩擦状态，不断产生新的反应表面，使反应能 够连续进行。 “, 石灰石中和滚筒法 、（.0） “与过剩的石灰石粘杂在一起，常造成竖流式沉 淀池的排泥管堵塞，另外，这种渣无利用价值，处理困难。为了保持滚筒有 22第五篇煤矿矿井水及废水治理技术 效尺寸和避免出水口被 “、第五篇煤矿矿井水及废水治理技术 酸性矿井水中 “ 被自然氧化为 “ 的过程常用下式表示 ,- ，主要原因是584’;第二章煤矿矿井水处理技术 图 “ 硫酸钙在不同温度下的溶解度 石灰是一种来源方便，价格便宜的碱性物质，在煤矿酸性水中和处理 中，常采用石灰为中和剂，进行中和处理。 原理 石灰主要化学成分为 等一些有害的金属离子转化成稳定 618第五篇煤矿矿井水及废水治理技术 图 “ 石灰中和酸性水的工艺流程 的溶度积很小的氢氧化物沉淀并被去除。 一枣庄矿务局朱子埠煤矿酸性水处理实例 （）概况 枣庄矿务局朱子埠煤矿是 9878、郭亚鸣等人通过研究发现，生化处理法在常 温条件下对二价铁具有很高的氧化率。在二价铁含量不高于 ABC D 时， 其氧化率可达 5E；当二价铁含量增加到 4 ABC D 时，仍能维持在 FGE 以上，而酸性矿井水含铁量一般不会超过 5ABC D。这种生化处理后出水， 再用石灰石中和处理，上清液已不含铁，可以回用。因此，生化处理法充分 地发挥了石灰石中和法处理成本低、操作运行管理方便等优点，改进了其对 二价铁去除率低的缺点。 （2）生化处理法的第二个优点是二价铁氧化细菌无需添加任何营养液， 只以亚铁作为其生命的能源。在二价铁氧化为三价铁的过程中，氧化亚铁硫 杆菌从中获得了能量，这种能量是由于 1,2 3氧化成 1,4 3时，电子通过生物 氧化呼吸链中的电子转移系统（HI）而产生 8J。5 A 的 1,IK氧化可 产生大约 44 LL 的能量。氧化亚铁硫杆菌等利用这些能量固定空气中的 二氧化碳进一步合成细胞的蛋白质、核酸、碳水化合物等有机物，并使其自 身繁殖。 （4）生化处理法的第三个优点是处理后的沉淀物可以综合利用，用于制 取铁红、聚合硫酸铁（JI） 。含铁酸性矿井水经生物氧化后，1,2 3氧化成 1,4 3，该 1,4 3具有活性，与 KM N 反应生成 1,（KM） 4赤褐色沉淀，该沉淀 是生产铁红、聚合硫酸铁的宝贵原料。这不仅解决了常规石灰乳中和处理法 由于反应不完全而产生大量淤泥造成的二次污染，而且为煤矿企业的多种经 营开辟一条新的路子。 （）1O, 76、9P, 等人研究表明，利用生物转盘工艺来实现煤矿 酸性矿井水生化法处理是可靠的，并于 5FQR 年在日本建成二座处理站。 789; 研究发现，在生物转盘工艺中，1,2 3氧化速率属于一级反应，即与 1,2 3浓度一次方成正比，与转盘的转速也有关系，随着转盘转速提高， 1,2 3氧化速度增大。当水温为 5 S T时，UM 值在 56G S 26R 范围内， 1,2 3氧化速率不受UM 值大小影响。 26 生物化学处理法存在的问题 生化处理法作为酸性矿井水的一种处理方法，虽然有许多优点，但目前 QF第五篇煤矿矿井水及废水治理技术 在国内没有得到实际应用，均处于实验室的研究水平。主要原因是该方法存 在一些难以解决的问题，如生化处理法速度比物化方法要慢得多，因此，反 应器的体积就相应增大，投资增加。此外，由于煤矿酸性矿井水成分复杂， 常含有一些对微生物具有抑制作用的重金属；如 “， 等，从而造成利用 该方法处理酸性矿井水的困难。 综上所述，生化处理法作为含铁酸性矿井水的一种处理方法，目前受到 各国研究者的广泛关注。从理论上讲，该法能适应多种不同条件下的含铁酸 性矿井水的处理，如不同的温度、A 等人研究表明，湿地生态工程处理酸性矿井水可分为 好氧和厌氧过程二个步骤。好氧过程是指湿地通过吸附（主要是离子交换） 、 消耗（植物摄取） 、简易过滤等作用来实现去除酸性水中的金属。不同种类 的植物去除金属的机理和效率不一样。如水藓物种表面积大，是一种十分有 效的离子交换介质；而香蒲的表面积虽然不大，但是它对酸性水处理效率比 其他植物更高。主要原因是香蒲能有效地聚集铁和锰。;A 实验表明， 香蒲根茎组织中的 2。这些塌陷区随着 时间的推移逐步形成自然的湿地生态系统。受酸性水危害的煤矿，可对这样 的湿地进行人工改造和设计。改造主要工作是对现有湿地充填或浅挖以及有 选择地种植一些对酸性水处理效果好的植物（如香蒲等） 。设计主要工作是 设计进水流量，包括要求湿地接纳最大进水量时，不产生淹没湿地现象和防 止快速径流的冲刷。依国外实际运行的经验，要求控制进水流量在 8 8 A B.3，湿地水位为 C8 ;88BB，超过 ;C8 BB 时，湿地除锰效率降低。唐 述虞等研究结果表明，湿地生态工程对 D E、F’ E、G3 E、H3 E 、GI E 等金属离子和 “ 具有较高的去除率。当这些离子进水浓度分别为 “ C 888 BIA 、D EJ; BIA 、F’ EKL BIA 、G3 E;KC BIA 、H3 E;KK BIA 、GI E;J8 BIA 时，对应的去除率分别为 K89， JK9，KLL9，CL89，KJ9，L9，当进水M4 值为 C CK，停 留时间为 C ;8 7 时，出水M4 值可达 L;K J8J，完全符合国家一级排放 标准。显然湿地生态工程处理酸性水在技术和客观上均是可行的。 湿地生态工程处理法存在的问题 虽然湿地生态工程处理系统处理煤矿酸性矿井水在客观上和技术上均被 证明是可行的，但在工程上实现这种工艺仍存在很大的差距。主要表现在下 列几个问题上 （;）湿地生态工程要求进水理想的M4 值高于 8，当低于 8 时
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