銅川污水處理
Ⅰ 銅川礦區地質環境保護規劃
煤炭是我國重要的基礎能源和原料，在國民經濟中具有重要的戰略地位。改革開放以來，煤炭工業取得了長足發展，煤炭產量持續增長，生產技術水平逐步提高，煤礦安全生產條件有所改善，對國民經濟和社會發展發揮了重要的作用。但是隨著煤炭資源的開發又出現了一系列的地質環境問題，如大氣污染、土地壓占、水資源破壞、地面塌陷等，影響到煤炭資源的開發和當地人民的生活。我們需要借鑒國內外先進的煤炭生產及環境治理經驗，來減少或避免再出現上述的地質環境問題，同時對已經造成的地質環境問題進行治理，做到煤炭資源開發與環境的協調發展。
一、國內外煤礦區環境保護
1.從開採到利用綜合考慮，統籌規劃
從煤炭開採到利用的整個過程中，每一個環節對環境都會產生巨大的影響。這就要求從各個環節考慮，統籌規劃，宏觀調控，政府應根據各類情況在政策與稅收等方面加以支持，使煤炭企業得以健康發展。從生產方面來講，推行煤礦綠色開采，就是從廣義的資源角度上認識和對待煤、瓦斯、煤矸石、水等一切可以利用的資源，基本出發點就是防止或盡可能減輕開採煤炭對環境和其他資源的不良影響，目標是取得最佳的經濟效益和社會效益。
2.綠色開采技術和潔凈煤技術
針對煤炭開采過程中出現的水土地資源破壞、瓦斯、地面塌陷、地裂縫、煤矸石等問題，實施綠色開采技術和潔凈煤技術。綠色開采技術，主要包括保水採煤技術、煤與瓦斯共采技術、煤層巷道支擴技術與減少矸石排放技術、煤炭地下液化技術等，利用先進的生產技術最大限度地減輕或消除煤炭開采對環境造成的損害。潔凈煤技術(CCT)是指煤炭開發和利用過程中旨在減少污染和提高效率的煤炭生產、煤炭加工、燃燒、轉化和污染控制等新技術的總稱。潔凈煤技術的應用可以大幅度提高煤炭利用效率，減少污染物排放量，並可將煤炭高效地轉化為液體、氣體燃料，保障能源安全。
煤炭地下液化技術:煤炭液化技術是將固體的煤炭轉化為液體燃料、化工原料和產品的先進潔凈煤技術。採用煤炭液化技術在地下將煤炭直接液化，減少煤炭在運輸和利用中對環境造成的影響。
煤層配采:我國煤礦大部分是多煤層開采，各煤層煤質不同，在確定煤層的開采方法與開采順序時，改變單一煤層開采，盡可能對各煤層進行合理協調配采。減少礦井煤炭灰分和有害氣體的含量，使硫化物含量低於國家要求的標准。煤層配采可減少地表沉陷強度。
煤矸石充填與改革巷道布置:在井下設立矸石分選系統，利用矸石充填技術，矸石不出井，利用煤矸石進行巷旁充填與采空區充填，既少開了巷道，又提高了巷道支護強度，減少矸石運至地面後對環境造成的污染。轉變思想觀念，加強巷道布置改革力度，盡量多開煤層巷道，少開掘矸石巷道。利用矸石充填技術，還可以減少和預防地面沉降及地表塌陷的產生。
煤層氣開采:銅川礦區的焦坪礦區煤層含有大量的瓦斯，積極進行煤層氣開采技術研究，提高瓦斯抽放效果，為社會提供潔凈能源，既保證了煤礦的安全生產，又提高了礦區的經濟效益。
推廣房柱式與條帶式開采:在礦山淺部煤層採用房柱式與條帶式採煤法，同時對其他煤層進行間歇式開采和煤種配采，可有效地防止地表沉陷。
修改煤炭技術政策和規范，轉變思想，限制對環境會造成嚴重污染煤層的開采強度，淺地表煤層限量開采，待以後技術成熟後再進行開采。
利用先進的煤炭深加工技術:目前水煤漿技術已通過工業性試驗，國家應重視並加大推廣水煤漿技術的力度，減小大型企業因直接利用原煤對環境造成的污染。積極開展煤變油的試驗研究，既緩解石油緊缺的局面，又加強了環境保護工作。
粉煤灰處理技術:火電廠燃燒後的粉煤灰加入一定量的方解石等化學物質，使燃燒後的粉煤灰直接作為水泥骨料，或應用到其他行業中，使粉煤灰得到綜合利用。
充分利用礦井水資源:有些煤礦排出的礦井水經過簡單的沉澱處理後，即可澆灌農田，可緩解我國北方乾旱的局面。對礦井水進行深層次的處理後，完全可以達到生產和生活用水標准。
二、銅川礦區的地質環境保護規劃
(一)地質環境保護規劃的原則
總體採取防治結合的原則。「防」主要是針對在未來煤炭開采中盡可能地減少環境問題的產生，實施綠色礦山戰略;「治」是針對已經產生的環境問題和隨著煤炭的開采而出現的問題進行規劃和治理。對未來可能產生的地質環境問題以「防」為主，以「治」為輔;對已經產生的地質環境問題以「治」為主，以「防」為輔，防止環境的進一步惡化。當務之急，對以前因煤炭資源的開發和利用而產生的各種地質環境問題進行調查、規劃和治理，以改善礦區的地質環境。
1.結合銅川的環境保護規劃，實施銅川礦區的地質環境保護規劃
針對銅川環境問題眾多和煤炭資源面臨枯竭的形勢，銅川已經進行了產業結構、環境保護的規劃。銅川礦區的地質環境保護規劃要符合銅川市的統一規劃。一個城市的發展和產業轉型都需要統一的規劃，不能各自為政。企業與城市之間要互相配合，協調發展。
2.實施綠色礦山戰略
正如朱訓在「關於礦業城市可持續發展戰略的思考與建議」報告中提出的那樣:「樹立環境也是生產力的新觀念，保護好礦業城市的生態環境。」針對煤炭資源的開發，要綜合考慮，統籌規劃。從煤炭的開採到利用的每一個環節都要考慮，統籌兼顧。在煤炭資源開發的同時，要盡量減少對水資源、土地、大氣等環境和其他資源造成的損害，同時盡可能地實現瓦斯、煤矸石、水資源等的綜合利用，以獲得最大的經濟效益和社會效益。
(二)地質環境保護具體規劃
1.水資源的保護規劃
(1)礦井水資源化
銅川區和焦坪區各礦井，均要充分發揮污水處理廠的作用，進行不同程度的污水處理，使之滿足不同的需要，實現污水資源化，同時也可以緩解各個礦區供水緊張的局面。
銅川區礦井屬於缺水礦井，除了金華山礦礦井涌水量較大，部分外排至龐河外，其餘4個礦井的礦井水大部分又復用於井下，基本未外排。但是銅川區的東坡礦、鴨口礦和徐家溝礦未設立污水處理廠，礦井水只排到地表經簡單沉澱後大部分又復用於地下。因此，銅川區的3個沒有污水處理設施的生產礦井都需要建立污水處理廠，根據處理後的水的用途，進行不同的處理方式，外排水必須處理到達標排放。
焦坪區的3個礦井屬於富水礦井，陳家山礦和玉華礦建有污水處理廠，經過處理後，部分井下復用，部分外排。下石節礦的礦井水排到地表，經沉澱處理後大部分又用於井下灑水降塵、灌漿、滅火等，冬季時水還不夠礦井使用。因此，下石節礦也要建立污水處理廠，即使外排水量很小，也要進行處理，達標後排放。焦坪區一方面面臨水源地受到破壞，供水緊張的局面，同時又外排大量的礦坑水，沒有真正實現礦井水資源化。因此，焦坪區應加強污水處理力度，重新規劃礦井水的利用方式，真正實現礦井水的循環利用和礦井水資源化。
玉華礦的洗煤廠採用洗水閉路循環技術，洗煤用水來自礦坑排水，而且煤泥在廠內回收，洗水全部復用。
(2)保水採煤
保水採煤是目前煤炭開采方面提倡的先進的綠色開采技術，通過改進開采方法、頂板管理辦法等措施，使裂隙導水帶的發育高度涉及不到上覆主要含水層，避免含水層中的水沿采動裂隙帶滲漏進巷道，既破壞水資源，又增加排水量。研究地面塌陷與開采方式、采高、頂板管理辦法等之間的關系，盡可能地減少地面塌陷的產生和裂隙帶的發育高度，以避免大氣降水、地表水和含水層中的水沿地面塌陷直接進入巷道。銅川礦務局已經委託中國礦業大學(北京)進行了焦坪礦區放采岩層與地表移動規律研究，並於2004年12月提交了研究報告。該報告揭示了水平煤層分段開采岩層移動的初始垮落、垮落擴展、移動穩定的發展過程以及岩層移動和岩層垮落帶擴展的傳播方式。報告研究結論認為:工作面間煤柱大於60m時，煤柱對采動覆岩有很好的支撐作用，地表沉降可得到有效控制，煤柱寬度小於20m時，支撐范圍太小，多工作面將形成較充分的開采狀態，地表下沉率顯著增大;工作面開采寬度超過165m時，地表下沉率將有明顯增加。這些研究結果為改進開采方式，減少地面塌陷等提供了科學依據。
焦坪區的礦井水的來源為大氣降水沿風化裂隙和構造裂隙補給、第四系覆蓋層滲漏補給、地表水沿導水斷裂帶補給、地表水和大氣降水沿塌陷直接進入井下、含水層中的水沿裂隙導水帶(裂隙帶貫通上部含水層)補給、老窯積水補給及井下工業用水的匯聚。銅川區礦井水主要來源於大氣降水的補給、老窯積水補給和井下工業用水的匯聚。
從採煤設計入手，采礦專家應與水文地質專家相互結合，優化出最佳的頂板管理辦法，其目標是經濟合理，技術可行，找到保護水資源環境與保證煤炭回採率的最佳結合點。銅川北區的採煤和頂板管理方法目前全部為放頂煤全陷，以前有的工作面採用的是長壁分層全陷。銅川區的採煤方法全部為長壁全陷(包括以前和現在)。這種採煤方法和頂板管理方法，非常不利於地下水資源的保護。礦井應與科研院所聯合研究，設計新的採掘方案，探尋水資源保護與煤炭開採的優化方案(圖5-20)。
圖5-20 銅川礦區水環境保護規劃圖
2.煤矸石的治理和應用規劃
銅川市區(三里洞礦、桃園礦、王家河礦、史家河礦)煤矸石作為火山灰質硅酸鹽水泥的原料、水泥的混合材料、混凝土摻合料、混凝土集料和混凝土砌塊加以應用。因為這些矸石山位於市區或緊臨市區，影響較大，而且礦井已經關閉(僅桃園礦存在部分殘采)。銅川東區(王石凹礦、史家河礦、李家塔礦、金華山礦、徐家溝礦、鴨口礦、東坡礦)的煤矸石作為水泥的混合材料、建築材料、混凝土砌塊加以應用。焦坪區的煤矸石可以用作生產免燒磚和煤矸石發電，由於焦坪區礦井的服務年限較長，且每年煤矸石的產生量較多，因此規劃一煤矸石電廠。交通不便地區的煤矸石可進行覆土復墾，或進行無土復墾。銅川礦區2006年煤炭產量為967萬t，產生煤矸石108.9萬t，綜合利用量是15萬t，處置量是16.6萬t，堆存量為60.5萬t，年煤矸石的利用率僅為15.5%。銅川礦區現有煤矸石山16座，累計矸石堆存量約為2410萬t，而整個銅川的煤矸石堆存量約為4200萬t。煤矸石作為水泥原料、混凝土砌塊、摻合料、混凝土集料、混凝土砌塊、水泥的混合材料等的應用，每個生產單位的年利用量在幾萬噸至幾十萬噸之間，而煤矸石的堆存量和新產生量又較大，因此，在銅川市區和銅川東區應鼓勵多種方法的應用。具體的各個礦井的煤矸石應用規劃見圖5-21。
圖5-21 銅川礦區煤矸石資源化規劃圖
對現存煤矸石的治理措施:對於目前正在自燃的煤矸石進行滅火，可以採用黃土等惰性物質覆蓋燃燒區的覆蓋法、向燃燒區噴灑石灰乳或其他滅火漿液灌澆法以及將滅火材料製成漿液用機械注入矸石堆內部，通過「降溫」和「隔氧」來滅火，從而消滅自燃和減少污染。對於堆放於各個溝谷中的煤矸石要進行覆土或是綠化，防止揚塵的產生。要在溝谷的底端修築防禦設施、排水設施，防止煤矸石的滑坍。對於煤矸石淋濾液要進行收集處理，防止造成土壤、地表水體和地下水的污染。
對於新排出的煤矸石，改變以往從山頂直接向下傾倒的方法。應實行分層堆放，層層壓實，上覆黃土，邊緣注漿等措施，防止煤矸石發生自燃和滑坡。當煤矸石的堆放厚度達到8～10m時，用機械把煤矸石推平壓實，然後在其上方覆蓋0.6～0.8m厚的黃土，再推平壓實，然後方可在其上覆蓋另一層的煤矸石。依此類推，實行層層壓實，並上覆黃土，上一層比下一層向後退8m，整體呈梯田型。當矸石山飽和後，在最上層覆蓋1.0～1.2m厚的黃土，並進行綠化。在層與層之間形成的梯形邊坡上要採用打鑽注漿的方式進行封閉隔氧。同時還要修建疏排水工程，防止煤矸石山發生滑坡。
3.地面塌陷的地裂縫的規劃治理
銅川礦區地面塌陷和地裂縫現象普遍，對人民的生活和生產影響極大。銅川礦區的地面塌陷和地裂縫的規劃治理按穩定區、正在發育區和未來可能發生區3類進行。
(1)穩定區的規劃治理
對於地面塌陷已經穩定的地區，實行土地復墾，結合銅川市的總體規劃，綜合利用。其中銅川市區的穩定塌陷區按照銅川市區的發展規劃，進行城市建設、土地復墾和生態重建;其他地方的塌陷穩定區應以生態修復為主(居民區除外)，因地制宜地對礦山地質環境進行恢復治理，保持健康的生態環境即可。
(2)正在發育區的規劃治理
對於地面塌陷和地裂縫正在發育的地區，要加強觀測，密切注意地面塌陷和地裂縫的發育、變化情況，發現問題，及時處理，把危害降低到最小。同時應加強這方面的科學研究，掌握采空區地面塌陷和地裂縫的發育規律，為防止災害的發生和治理災害提供科學依據(圖5-22)。
圖5-22 銅川礦區地面塌陷治理規劃圖
(3)未來可能發生區的規劃治理
在目前的情況下，銅川礦區的采空區全部存在地面塌陷和地裂縫問題。如何防止在未來的采空區再次出現同樣的問題，是我們必須要考慮並逐步解決的問題。目前銅川礦區的開采方法為長壁全陷和放頂煤全陷，根據銅川礦區的地層結構，這種採煤方法必然會導致采空區地面塌陷和地裂縫的產生。這就需要研究采空區的沉陷規律，結合礦區的地層結構，改進開采方法和頂板管理方法，最大限度地減少地面塌陷和地裂縫的產生。
4.焦坪礦區瓦斯利用規劃
在焦坪區規劃一個瓦斯發電廠和一座瓦斯儲備站。焦坪區礦井全部為高瓦斯礦井，據初步測算:北區煤層瓦斯的湧出量每分鍾在150～180m3之間，按每立方米發3度電計算，每年可發電2.8億度，相當於14萬t優質煤炭發的電，可產生直接經濟效益2200萬元。這樣既節約了資源，提高了資源的利用率，又避免了瓦斯排入大氣中造成大氣污染，可謂一舉兩得。瓦斯還是一種清潔能源，在焦坪區建立一個瓦斯儲備站，可與銅川市的天然氣並網，可以供居民生活燃氣，還可以減少使用煤炭造成的環境污染。已在下石節礦建了一座瓦斯發電站，少量的瓦斯得到利用。
瓦斯發電投資小、回收快，一般3年左右即可收回全部投資。瓦斯發電成本低(與燃煤發電相比)，因為瓦斯一般是作為廢氣排放的，瓦斯發電既節約了能源，又減少了對環境的污染。瓦斯發電技術成熟，設備完備，與礦井實際情況相結合即可實現。瓦斯發電站結構簡單，易於安裝。瓦斯發電耗氣量大，耗氣穩定，有利於開展CDM項目，獲得減排資金的支持。瓦斯發電設備可在熱電聯產、備用電力和調峰等方面應用，前景廣闊。
Ⅱ 我是銅川一家自來水廠的，二氧化氯發生器用什麼
二氧化氯作為目前國際上公認的最新一代的廣譜、高效、安全的消毒、殺菌、保鮮劑已得到廣泛的應用.我國二氧化氯有國家標准GB/T20783-2006《穩定性二氧化氯溶》,主要用於生活飲用水、工業用水、廢水和污水處理.也可用於醫療衛生行業、公共環境、食品加工、畜牧與水產養殖、種植業等領域的殺菌、滅藻、消毒及保鮮[1]；衛生部GB2760-2006《食品添加劑使用衛生標准》也將二氧化氯列入食品添加劑中作防腐劑中,其標准HG3669-2000《食品添加劑 穩定態二氧化氯溶液》,適用范圍果蔬保鮮、魚類加工,同時也將二氧化氯列為食品加工助劑[2].雖然二氧化氯有相關國家標准規定,但二氧化氯在使用過程中還是出現各種問題.1、 二氧化氯的檢測方法二氧化氯含量的測定原理是在酸化條件下,試樣釋放出具有氧化性的二氧化氯,二氧化氯與還原性物質發生氧化還原反應,產生易顯色物或有色物質,然後用標准溶液滴定或比色法確定二氧化氯含量.然而由於種種原因,不同的標准或行業二氧化氯含量測定要求還是有或大或小的區別,HG3669-2000《食品添加劑 穩定態二氧化氯溶液》中測定的是「有效二氧化氯含量」,需要特定裝置,試劑用碘化鉀、硫酸、鹽酸等,而該標准又按國標要求2001年強制執行；GB/T20783-2006《穩定性二氧化氯溶》中測定的是「二氧化氯含量」,所用試劑為碘化鉀、硫酸、丙二酸等,即所謂「丙二酸碘量法」,然而「穩定性二氧化氯溶液」作為消毒劑申報國家衛生部批件時,檢測的方法是按《消毒技術規范》（2002版）中的「五步碘量法」, 其結果是有較大差別的,而穩定性二氧化氯溶液在銷售時又必須附衛生部產品批件,這很容易產生誤解；再有,二氧化氯產品用於涉水批件時,省級疾控檢測中心多採用的是GB/T5750.11-2006《生活飲用水標准檢驗方法消毒劑指標》中比色法,同一產品其檢測結果也與上述不同.還有,農業部獸葯典二氧化氯產品檢測只需簡單的碘化鉀、鹽酸等,即所謂「普通碘量法」.這樣同一種產品,有5種「標准」檢測方法,有5種不同含量.即使在衛生消毒一個方面,同一產品,其批件、證件、標准中二氧化氯含量不同,但其又相互支持,而在銷售時又必須同時提供,這在市場銷售和使用過程中會帶來諸多問題.至少,作為消毒二氧化氯檢測方法在同一領域應該一致.各行業和部委在盡可能的情況下,所有的二氧化氯產品檢測方法都應該相同,形成所謂標准化.目前市場上有多種二氧化氯含量測試紙,但沒有測試相對較准確的試紙,所謂進口二氧化氯測試紙,也只能對某一特定產品如「穩定態二氧化氯」有一定測試功能,對其他同一濃度不同種類產品如固體或液體二氧化氯消毒劑的濃度測定,確有很大區別；即是同一產品不同人員測試有時也會有較大的不同,這都是在實際應用中遇到的麻煩問題.2、 穩定性二氧化氯溶液和亞氯酸鈉溶液的區別穩定性二氧化氯溶液(簡稱為穩定液)是運用穩定化技術將二氧化氯氣體（純度＞98%）穩定在無機穩定劑溶液中,並且通過活化技術又能將ClO2重新釋放出來的水溶液,二氧化氯含量≥2%；亞氯酸鈉溶液是用工業氫氧化鈉和過氧化氫溶液吸收二氧化氯發生器產生的二氧化氯氣體生成的水溶液[3],按照HG3250-2001《工業亞氯酸鈉》規定液體產品中亞氯酸鈉含量≤50%.穩定液與亞氯酸鈉溶液生產原理基本相同,穩定液中的二氧化氯（ClO2）是以亞氯酸鹽（MClO2）的形式存在,而亞氯酸鈉溶液的主要成分也是以亞氯酸鹽（MClO2）形式存在,只是亞氯酸鈉溶液含雜質較多,從這一點講亞氯酸溶液與穩定液並無本質區別,也正是這一點容易造成穩定液市場的混亂[4].有些不良商家用固體亞氯酸鈉加水溶解成溶液,澄清,加入一定的穩定劑、緩沖劑調節PH值等,生產的所謂「穩定液」,這種亞氯酸鈉溶液式的「穩定液」與真正的穩定液在產品外觀和使用過程中現象時一般使用者是沒有能力鑒別的,這造成消毒殺菌效果的偏差,消費者甚至認為不如氯系消毒劑,並且在價格上對穩定液也有一定的擾亂,進而對真正的二氧化氯產生懷疑和誤解.穩定液與亞氯酸鈉溶液區別其實是別較多的,賀啟環教授在《穩定性二氧化氯溶液與亞氯酸鈉溶液的評估指標研究》一文中,有較詳細說明,但是對使用者來說沒有相應規范的檢測方法,而穩定液國標中產品中指標只是簡單加入丙二酸碘量法檢測二氧化氯含量,其它的非二氧化氯成分如Cl2,ClO－,ClO2－,ClO3－,O2和雜質如氯化鈉,氫氧化鈉,碳酸鈉,硫酸鈉,硝酸鈉等沒有指標控制或控制不嚴格,建議標准明確控制各種指標,加以區別穩定液與亞氯酸鈉溶液的不同,幫助使用單位鑒別真偽,存真去劣,並促進二氧化氯市場的繁榮.3、 二氧化氯的活化問題二氧化氯在食品加工中作防腐劑和食品加工助劑時,根據HG3669-2000《食品添加劑 穩定態二氧化氯溶液》規定活化劑必須是食品添加劑鹽酸（簡稱鹽酸）,然而標准並沒有規定一定量的穩定態二氧化氯溶液與多大濃度、多少比例的的鹽酸活化,活化多長時間,活化順序等,並且其它相關標准和規定也沒有說明,只有所謂的「一般認為」的比例.而這些因素與活化產生二氧化氯多少有很大的區別,這就給使用者帶來很大的自主空間,當然也會出現各種活化濃度,比例,時間和順序等,產生各種問題.然在實際使用過程中,大部分用以10：1比例的檸檬酸作為活化劑使用,而標准起草者姚錦娟在《食品添加劑 穩定態二氧化氯溶液化工行業標准簡介》一文中「使用時必須用食品添加劑鹽酸作為活化劑,而不允許使用其他的活化劑」 [5].這絕對是非規范的,但實際是存在的,穩定性二氧化氯溶液使用時也存在類似問題.國家相關部門應明示使用規范,預防問題產生,加大監督力度.在食品行業中,二氧化氯穩定液使用時大多用檸檬酸做活化劑,然經大量試驗驗證,使用檸檬酸等弱酸作活化劑一般僅能活化60%或更低的二氧化氯,即使延長活化時間,也難達到100%,也就是穩定液中所有ClO2不能以有效態二氧化氯全部轉化出來,其餘的以MClO2 、MClO、MClO3等形式存在使用液中,故各企業在使用時的參考濃度中,有多少是有效二氧化氯濃度,又有多少是ClO2－、ClO－、ClO3－等濃度,這也造成理論上一定濃度的二氧化氯能殺滅某中細菌或病毒,而實際使用中要配製大的多的二氧化氯濃度殺菌,理論與實際嚴重不符,容易產生錯誤認識. 4.二氧化氯使用時產生附帶物問題二氧化氯在消毒時,有時會產生一些對作用物體本身有一定影響的副產物,這主要分兩個方面,一個是二氧化氯產品活化的時同時產生MClO2 、MClO、MClO3等鹽類；另一個是二氧化氯產品配方中所加入的活化劑、鈍化劑、填充劑、發泡劑、粘合劑和潤滑劑等成分,以及加入這些成分在使用過程中反應生產的產物和重金屬等是否影響的被作用物體質量,這在食品行業消毒殺菌和涉水方面尤為重要,例如：有的二氧化氯產品為提高活化度和增加總有效氯含量,配方中加入二氯異氰尿酸（鈉）,2009年6月國家相關部門規定非緊急情況下禁止使用.這都是應非常注意的問題.
Ⅲ 銅川礦區地質環境保護規劃及關鍵技術研究
根據銅川礦區煤炭開發引起的地質環境的變化，從水資源保護、地面塌陷和地裂縫的治理、矸石山的治理、煤矸石資源化及煤礦瓦斯利用的角度，探討了銅川礦區地質環境保護技術方案。
一、現有的地質環境保護技術方案
1.礦井水處理
銅川礦區現有的8對生產礦井中，僅有4對礦井有污水處理設施，處理後的礦井水一部分用於井下灑水降塵，一部分排放到河流。沒有污水處理的4個礦井的礦井水排到地面，經簡單沉澱處理後，大部分用於井下生產，其餘部分排放。
2.地面塌陷和地裂縫
銅川礦區的采空區全部存在地面塌陷和地裂縫的問題，這些問題的產生給人民的生產和生活帶來了困難。為了了解採煤沉陷的規律，制定合理的防治和治理措施，銅川礦務局委託遼寧工程技術大學和采礦損害和控制中心進行了銅川礦區地面沉陷規律的研究，編制了「陝西省銅川礦區採煤沉陷情況報告」。報告中分析了地面沉陷的原因及地表移動規律，為防治地面沉陷提供了理論依據。對礦區中的地面沉陷和地裂縫進行了調查、觀測，對出現的地裂縫進行了及時回填。
銅川礦區現生產礦井「三下」壓煤十分嚴重(表5-6)，占保有地質儲量的21.8%，以鴨口礦最為嚴重，佔32.8%。「三下」壓煤中，建築物下壓煤所佔比例最大，為總壓煤量的89.8%，而建築物下壓煤中又以村莊下壓煤為主，占其總量的74.1%。在目前的情況下，分布於各井田未采區的村莊不可能實施搬遷，嚴重影響礦井生產接續和開采效益。為了合理規劃開采，提高煤炭資源的回收率和煤礦開采效益，將開采造成的影響降到最低，實現資源開發與環境保護協調發展。為此，銅川礦務局聯合西安科技大學進行了「銅川礦區開采沉陷規律及水源地破壞研究」。報告總結了銅川礦區建築物下不動遷試采工作面和大采深、小采高、小工作面的地表移動變形特徵，從理論和實驗兩方面論證了其機理和可行性，同時，提出了在不同地質、開采條件下的工作面安全開采尺寸。
表5-6 礦區現生產礦井儲量及「三下」壓煤情況表單位:萬t
3.煤矸石的治理和利用
銅川礦區的煤矸石主要以堆存的方式存在於各個溝谷之中，大部分未做任何處理，少部分進行了填埋處理。隨著資源的日益緊張，煤矸石資源化已經成了綠色礦山的必然選擇。銅川礦務局從20世紀70年代就開始了進行煤矸石利用的探索。據有關資料記載，1978年王家河礦在沸騰爐中使用煤矸石;20世紀80年代，曾建設了三里洞內燃矸石磚廠，但現在這兩個礦井已經破產關閉。
現在，銅川礦務局下設有奧博公司水泥廠，每年用煤矸石作為原料燒制水泥，年利用煤矸石量為1.52萬t。銅川礦務局每年還作為燃料出售部分黑矸，年利用量約為3.5萬t。2006年建立了石節礦免燒磚廠，2007年3月建成並投入試生產，年利用煤矸石1.8萬t。銅川礦區的矸石山大都處於自燃中或是已經自燃過，自燃過後產生的紅矸出售給水泥廠，作為水泥的添加料。
雖然經過了上述各個途徑的煤矸石綜合利用，但是利用量與產生量相比，微不足道。2006年銅川礦區煤炭產量為967萬t，產生煤矸石108.9萬t。加大煤矸石的利用量，實現煤矸石的資源化仍是十分艱巨的任務。
二、銅川礦區地質環境保護關鍵技術方案
1.水資源保護的技術方案
銅川礦區水資源保護技術包括兩個方面:一是礦井水的循環利用;一是保護煤炭開采區水資源少受破壞。
銅川區的礦井缺水問題突出，礦井水以酸性水為主。由於酸性礦井水的處理費用較高，而礦井的井下生產用水質量要求較低。當前對酸性礦井水的處理方法以化學中和法最為有效，因而，銅川區的礦井水以中和法為基礎，結合各個礦井的具體情況，可採用直接投入法、膨脹過濾法和滾筒處理法。直接投入法是在酸性礦井水中直接加入石灰粉或石灰乳等鹼性中和劑;膨脹過濾法是利用石灰石等固體中和劑，採用升流式膨脹濾池中和酸性礦井水;滾筒處理法是將石灰石等固體中和劑置於處理機滾筒內，使之在不斷滾動、碰撞和磨碎過程中達到中和的目的。
圖5-16 洗水閉路循環工藝流程
焦坪區的礦井水都是處理達標後排放，這里不再贅述。玉華礦洗煤廠採用洗水閉路循環技術，防止煤泥水排至廠外造成危害。選煤廠的洗水主要包括壓濾機濾液水、高效濃縮機溢流水和煤泥沉澱池溢流水3部分，通過實施煤泥廠內回收，洗水閉路循環技術，達到洗水平衡、洗水全部復用的目標。下面是某礦的洗水閉路循環工藝流程(圖5-16)。
煤炭開采對地表水資源的影響，主要是煤炭開采引起的地下水位的下降，泉水乾涸，致使部分河流斷流。煤炭開采中不達標的礦井水排放，引起地表水體的污染。煤矸石等礦井廢棄物隨意堆放，不採取處理措施，也會引起地表水的污染。因此，對地表水資源保護的主要問題就是對礦井水和煤矸石的治理，消除污染。
煤炭開采對地下水資源的影響主要為含水層、隔水層破壞，致使地下水的補給來源和徑流途徑發生變化，造成區域地下水位下降，甚至降低到隔水層。因此，對地下水資源的保護的技術方案就是要保護含水層和隔水層免遭破壞。這就要求改進採掘方式、頂板管理辦法，防止和減少塌陷的產生，導水裂隙帶的發育不要觸及上覆含水層。如何防止地面塌陷的產生及裂隙帶的發育高度問題，我國已經做了很多這方面的工作，為銅川礦區的各個礦井提供了依據。但是，每個礦的具體條件各不相同，銅川礦務局各礦井的水文地質條件也各不相同，具體的保護技術方案還要結合各個礦井的水文地質條件和採煤方法來確定。因此，為了盡可能地使地下水資源免受破壞，還需要產學研相結合，尋找地下水資源保護和煤炭回採率的最佳結合點。
2.地面塌陷和地裂縫災害治理的技術方案
銅川礦區地面塌陷和地裂縫災害的治理技術方案也包括兩個方面:一是對已經產生地塌陷、地裂縫的治理技術方案;一是為了減少未來地面塌陷和地裂縫的產生的技術方案。
對於銅川市區的沉陷區，復墾後還是以工業用地為主，主要把沉陷區充填即可，因此，可以採用充填復墾。充填復墾可以利用礦區附近的煤矸石、粉煤灰、露天礦剝離廢物等充填採煤塌陷地。
對於銅川市區以外的其他地方的沉陷區復墾以生態復墾、生物復墾為主。生態復墾是將土地復墾工程技術與生態工程技術結合起來，綜合運用生物學、生態學、經濟學、環境科學、農業科學、系統工程的理論，運用生態系統的物種共生和物質循環再生等原理，結合系統工程方法，針對破壞土地所設計的多層次利用的工藝技術。其目的在於促進各生產要素的優化配置，實現物質、能量的多級分層利用，不斷提高其循環轉換效率和土地生產力，獲得較好的經濟、生態和社會綜合效益，走可持續發展的道路。它包括各種土地復墾工程技術的優選，農業立體種植、養殖、食物鏈結構、農林牧副漁業一體化等生態工程技術的選擇，常常通過平面設計、食物鏈設計和復墾工程設計來實現。生物復墾技術是新興的土地復墾技術，是當前國內外研究熱點。生物復墾是根據復墾區土地利用方向，採取包括肥化土壤、微生物培肥等在內的生物方法，改變土壤新耕作層養分狀況和土壤結構，增加蓄水、保水、保肥能力，創造適合農作物正常生長發育的環境，維護礦區生態平衡的技術體系。比如綠肥法，是改良復墾土壤、增加有機質和氮磷鉀等多種營養成分的最有效方法。綠肥多為豆科植物，一般含有15%～25%的有機質和0.3%～0.6%的氮素，其生產力旺盛，在自然條件較差、較貧瘠的土地上都能很好的生長，根系發達，能吸收深層土壤的養分，綠肥腐爛後還有膠結和團聚土粒的作用，從而改善土壤的理化特性。其施用方法是在工程復墾地種植綠肥作物，待其成熟後壓青翻入土壤，可採取單種、間種、套種等種植方式。對於地面塌陷區存在的地裂縫要及時回填，防止土壤養分和水分的流失。
防止地面塌陷和地裂縫的產生的技術就是改進採掘方法和頂板管理辦法。我國在這方面已經做了很多的工作，銅川礦務局也做了很多的工作，力求減少地面塌陷的地裂縫的產生。20世紀90年代初，銅川礦務局根據已設7個觀測站的實測最大下沉值，應用最小二乘法原理求得的回歸預測經驗公式，可以比較准確地預計一般開采工作面采後地表最大下沉值，在相似地質、開采條件下可以繼續使用。銅川礦務局曾經聯合遼寧工程大學和西安科技大學進行了「陝西省銅川礦區採煤沉陷情況報告」和「銅川礦區開采沉陷規律及水源地破壞研究」，對銅川礦區採煤沉陷的規律和主要影響因素進行模擬分析，並給出了研究結論。主要研究結論有:①銅川礦區地表下沉系數影響程度的排序為擾動程度系數—覆岩綜合硬度—表土層厚度—工作面傾向長度—采厚。其中，擾動程度系數、工作面傾向長度、采厚與地表下沉系數正相關，覆岩綜合硬度與地表下沉系數負相關。②采深是影響地表動態變形的主要因素，當采深較小時，開采影響傳播到地表較快，地表下沉變化連續性差，最大下沉速度快，活躍期短，累計下沉量反而更大，地表移動總時間縮短;而當采深大時，地表移動啟動較慢，下沉曲線平緩連續，下沉速度小，且變化也小，活躍期短或無活躍期。③開采速度與開采厚度對地表下沉速度及持續時間有重要影響。開采速度與厚度越大，最大下沉速度越大，活躍期越短而累計下沉量越大，移動總時間相應縮短。④黃土層厚度是影響地表動態移動規律的重要因素。隨著土岩比的增加，地表下沉速度有增大的趨勢，移動持續時間縮短。即土層越厚，活躍期內地表的移動變形會越激烈，由移動變形而產生的地表裂縫也將越多、越大。
3.煤矸石利用的技術方案
(1)黑矸和紅矸作為水泥混合材料
銅川礦區的煤矸石山大部分存在自燃現象，甚至有的矸石山已經自燃了幾十年，燃燒過的煤矸石變成了紅矸，目前對於紅矸的利用，一般情況下是作為水泥的混合材料，銅川礦區的部分紅矸已出售給水泥廠作為配料使用。
生產不同種類的水泥，用作水泥混合材料的煤矸石要求是炭質泥岩和泥岩、砂岩、石灰岩(CaO含量>70%)，通常選用煅燒煤矸石或是煤矸石自燃，煅燒煤矸石或自燃煤矸石含有活性二氧化硅和氧化鋁，可以作為活性火山灰質混合材料使用。銅川礦區的煤矸石屬於火山灰沉積蝕變而成的質量較高的矸石，其特點是化學成分穩定，硅鋁含量較高的粘土類礦物，其化學成分見表5-7。
表5-7 銅川礦區煤矸石化學成分(wB/%)
用煤矸石作混合材料生產火山灰水泥的生產工藝流程與生產普通水泥的工藝流程基本相同，其生產流程見圖5-17。
圖5-17 煤矸石作水泥混合材料的工藝流程
(2)生產硅酸鹽水泥
以煤矸石作為原料生產水泥，主要是根據煤矸石和粘土的化學成分相近，可代替粘土提供硅鋁質原料，而且煤矸石能釋放一定的熱量，可節省部分燃料。煤矸石代替黃土配料特別易燒，主要是因為煤矸石中含有多種微量元素，如硫、氟、鈦、釩、硼、鍶、鋇等，具有礦化作用，同時煤矸石含有熱能，進入預熱器後能加速物料的預分解，使產量大幅度增長，操作時各級預熱器筒溫度相應降低，不用投資就能達到8級預熱器的效果。
根據陝西華峰建材公司生產火山灰質硅酸鹽水泥中的經驗，用煤矸石替代黃土作為原料生長硅酸鹽水泥，具有眾多的優點。煤矸石配料、摻加混合材料後的水泥早期、後期強度降低幅度小。相比混合材料摻量提高15%以上，減少孰料用量15%，增加紅矸用量15%。孰料價格為180元/t，紅矸價格按20元/t計，火山灰質硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的差價為10元/t，計算可知每噸水泥的成本降低14元，年產8.5萬t水泥，節約119萬元。
利用煤矸石代替黃土作為水泥配料，能提高回轉窯、水泥磨的台時產量和水泥質量，具有良好的經濟效益和社會效益。
(3)煤矸石作混凝土摻合料
自燃煤矸石或燃燒煤矸石作為混凝土摻合料使用有3個方面的優勢。一是能降低水泥用量，從而降低能源消耗;二是能大量利用煤矸石，降低對環境的污染;三是能改善水泥混凝土的性能，增加水泥混凝土的抗碳化和抗硫酸鹽侵蝕等能力，提高混凝土製品質量和工程質量。這是實現煤矸石資源化、無害化處理的一個重要途徑。
自燃煤矸石或燒煤矸石具有火山灰活性，活性二氧化硅和氧化鋁能與水泥水化過程中析出的氫氧化鈣發生緩慢的「二次反應」，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，與水泥漿硬化體堅固地結合起來，提高混凝土的抗摻性和耐久性。粉狀煤矸石在混凝土中具有超出火山灰活性的特殊物理功能，如增加漿體的體積功能、填充漿體孔隙功能等，使煤矸石混凝土物理化學作用達到動態平衡，起到了使混凝土性能改善和質量提高的作用。
(4)煤矸石作混凝土集料
煤矸石中含有大量的硅鋁物質，其中的可燃物質和菱鐵礦在焙燒過程中析出氣體並膨脹，因此，煤矸石是生產輕骨料的理想原料。煤矸石輕骨料一般是由含碳量不高的碳質岩類、泥質岩類煤矸石經破碎、粉磨、成球、燒脹、篩分而成，也可以將煤矸石直接破碎到一定比例直接焙燒而成。利用煤矸石製造的輕骨料，是具有良好保溫性能的新型輕質建築材料。
(5)白矸作為水泥混合材料和建築材料
銅川礦區煤炭生產中產生的白矸，其主要成分為石灰岩和砂岩。砂岩經過加工可以作為建築材料，也可以作為井下充填材料利用。石灰岩經過加工也可以作為建築材料使用，同時也可以作為生產水泥或生石灰的原材料加以利用。
(6)煤矸石免燒磚
傳統的燒結磚工藝對環境造成二次污染，而且對煤矸石有較強的選擇性。採用煤矸石做原料生成免燒磚，原料選用重點是燒磚困難或不能燒磚的含鐵、硫、鈣、鎂等較高的煤矸石。利用煤矸石制免燒磚，避免了傳統制磚工藝造成的二次污染，同時顯著提高了煤矸石原料的適應性，是今後煤矸石制磚的重要方向。
免燒是以自燃煤矸石或燃燒煤矸石為主要原料，用水泥、石及外加劑等與之配合，經攪拌、半干法壓製成型、自然養護製成的一種砌築材料，其主要工藝流程見圖5-18。
(7)煤矸石混凝土砌塊
以自燃或人工煅燒煤矸石為骨料，水泥等為膠結材料，加入少量外加劑，加水攪拌並經成型、自然養護而成的實心或空心砌塊稱為煤矸石混凝土砌塊。煤矸石混凝土砌塊性能穩定，具有質輕、高強、工藝簡單、成本低、利廢率高、使用效果好的優點，是一種很有發展前途的新型牆體材料。煤矸石混凝土砌塊生產工藝簡單易行，其工藝流程如圖5-19所示。
煤矸石混凝土砌塊的原材料包括集料、膠結料和外加劑。集料為自燃的煤矸石或燒煤矸石，符合JC/T541—94《自燃煤矸石輕集料》的要求即可。膠結料包括水泥、粉煤灰、自燃可燒煤矸石粉等。外加劑為石膏、生石灰等。
(8)煤矸石發電技術
含碳量高的煤矸石(含碳量≥20%，熱值在6270～12550kJ/kg)可以直接作為流化床鍋爐的燃料用來發電。用煤矸石燃燒產能發電工藝簡單:首先，將煤矸石和劣質煤的混合物破碎，粉磨至粒徑小於8mm;然後，由皮帶機送入鍋爐內在循環流化床上進行燃燒，流化床燃燒是靠從床底送進的高壓氣流使煤矸石粉粒在爐床上「沸騰」運動，形成一定高度的流化狀態;最後，燃燒產生的煙塵經除塵器後送入煙道，燃燒產生的灰渣經水冷後泵入灰場。
圖5-18免燒磚工藝流程
圖5-19煤矸石砌塊生產工藝流程圖
4.瓦斯發電技術
瓦斯發電是以瓦斯氣為能源、將瓦斯氣中蘊含的熱能轉化為電能的能量轉換過程。目前實用的瓦斯發電方式主要有燃氣發動機、燃氣輪機和汽輪發電機3種方式。下石節礦於2005年5月建立了3000kWh的瓦斯自備電廠。
5.煤與瓦斯共采技術煤層的采動會引起其周圍岩層產生「卸壓增透」效應，即引起周圍岩層地應力封閉的破壞(地應力降低—卸壓、孔隙與裂縫增生張開)、層間岩層封閉的破壞(上覆煤岩層垮落、破裂、下沉;下伏煤岩層破裂、上鼓)以及地質構造封閉的破壞(封閉的地質構造因采動而開放、鬆弛)，三者綜合導致圍岩及其煤層的透氣性系數大幅度增加，為卸壓瓦斯高產高效抽采創造前提條件。
從卸壓瓦斯流動通道觀點看，采動破壞的造縫作用在采空區上方垂向方向上形成「三帶」:垮落帶(形成貫通采場的空洞與裂縫網路通道)、斷裂帶(形成層向與垂向裂縫網路通道)和彎曲下沉帶(形成層內層向裂縫網路通道)。從卸壓瓦斯流動觀點看，岩層的垮落、自然充填的支撐和壓實等作用，在采空區上方的橫向方向上也產生「三帶」:初始卸壓增透增流帶、卸壓充分高透高流帶和地壓恢復減透減流帶，這橫向的「三帶」在垂向的「斷裂帶」和「彎曲下沉帶」內都存在。
煤層卸壓時采動形成的煤(岩)體變形、破裂和裂隙伸張將大幅度地提高煤(岩)體瓦斯運移的透氣性，產生「卸壓增透增流」效應，形成瓦斯「解吸—擴散—滲流」活化流動的條件。因處在不同區域內的煤岩裂隙分布不同，瓦斯的解吸及流動條件不同，採用合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系統，可實現瓦斯資源的安全、高效開采。瓦斯資源的開采減少了卸壓煤層的瓦斯含量，消除了卸壓煤層煤與瓦斯突出危險性，減少了瓦斯向工作面風流中的湧出量，從而為卸壓煤層的安全高效開采創造了必要的條件。
以上只是煤與瓦斯共采技術的理論知識，具體的煤礦的地質條件和煤層情況各異，理論還要與實際相結合，進行產學研相結合，探討焦坪區煤與瓦斯共采技術。煤礦瓦斯治理國家工程研究中心、淮南礦業集團、中國礦業大學、安徽建築工程學院、安徽理工大學等單位產學研相結合，在淮南礦區進行合作攻關，系統地提出留巷鑽孔法煤與瓦斯共采新方法，根據煤層群賦存條件，首采關鍵卸壓層，沿采空區邊緣沿空留巷實施無煤柱連續開采，在留巷內布置上、下向高、低位鑽孔，抽采頂底板卸壓瓦斯和采空區富集瓦斯的煤層瓦斯開采技術，並通過創新快速構建沿空留巷巷旁充填牆體技術，實現與綜采工作面同步推進的煤與瓦斯高效共採的開采方法。創新了「沿空留巷圍岩結構穩定性控制」、「巷旁充填材料研製與快速留巷充填工藝系統集成創新」和「留巷鑽孔瓦斯抽采」等3項留巷鑽孔煤與瓦斯共采技術。焦坪區可以參照淮南礦區的經驗，結合焦坪礦區的地質條件、煤層特徵和瓦斯特徵及下石並進行科學研究，探討適合的煤與瓦斯共采技術。
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