『壹』 第二開采方案
第二開采方案為在第一開采方案中加上新規劃的9個開采井和6個回灌井（圖5-20），其中中新元古界熱儲層中有6個開采井（TC-04、TC-05、TC-06、TC-07、TC-08、TC-09）和5個回灌井（TG-02、TG-03、TG-04、TG-05,TG-06），奧陶系熱儲層中有3個開采井（TC-01、TC-02、TC-03）和1個回灌井（TG-01）。回灌方式有兩種，一種是同層「一采一灌」的對井，即在一個新開采井或原有開采井的鄰近施工一個回灌井，兩井的井口相距數十米，但井底的距離大於500m，用開采井開采出來的熱水經使用後或經熱交換器後再通過回灌井回灌到原來的熱儲層中。HX-32和TG-02、TC-04和TG-03、HX-25和TG-04、TC-05和TG-05以及TC-06和TG-06為五對同層「一采一灌」對井，開采井開采中新元古界熱儲層熱水，再通過回灌井回灌到相同的熱儲層中。另一種是異層「一采一灌」對井，用開采井開采中新元古界熱儲層熱水，經使用後或經熱交換器後，再通過鄰近的回灌井回灌到奧陶系熱儲層中，TC-03和TG-01就是這樣的對井。對這兩種回灌方式，曾在TG-04和TG-01井進行過回灌試驗，證實是可行的，其中TG-04井已投入使用，運行正常（李明朗等，1999）。在預測計算中，原有開采井仍按模擬計算期間的開采量開采，新的開采井的開采量，單個井為20萬m3/a，「一采一灌」對井中的開采井為25萬m3/a，回灌井的回灌水量為20萬m3/a，其中奧陶系熱儲層回灌井TG-01的回灌水溫為30℃，其餘回灌井的回灌水溫為40℃。上述開采井的開采量中80%在採暖期（11月～次年3月），20%在非採暖期（4～10月），而回灌水量則100%在採暖期。圖5-21、5-22給出了觀測井在未來5年內的壓力和溫度變化曲線。可以看出，觀測井的井底壓力也有輕微的下降，下降幅度5年內也不超過2個大氣壓。鑽井的溫度在逐漸下降（表5-2），5年內降低值不超過10℃，其中XQ-09、HX-09、HX-14井降低值較大，達10℃以上。
圖5-18（2）第一開采方案預測鑽井壓力變化曲線圖
橫坐標為時間（1998年9月～2003年8月）；縱坐標為壓力（大氣壓）
圖5-19（1）第一開采方案預測鑽井溫度變化曲線圖
橫坐標為時間（1998年9月～2003年8月）；縱坐標為溫度（℃）
圖5-19（2）第一開采方案預測鑽井溫度變化曲線圖
橫坐標為時間（1998年9月～2003年8月）；縱坐標為溫度（℃）
預測結果表明，按第一開采方案即現狀開采方案開采5年，觀測井的井底壓力只有輕微下降，而觀測井的井底溫度總體上呈下降趨勢，下降幅度稍大，一些鑽井達到10℃左右。第二開采方案雖然增加了新的開采井和回灌井，但開采5年的預測結果，與第一開采方案的結果差別不大。預測結果說明了以下問題：（1）熱水開采井的開采量不太大（大者4000m3/d，小者400m3/d，一般1000～1340m3/d），開采熱水對熱儲層的壓力場和溫度場的影響不十分明顯，但總體上使地熱系統的壓力和溫度逐漸降低（僅個別鑽井如HX-10井的溫度先略有回升後又緩慢下降）；（2）利用採暖期開采5個月和非採暖期（基本）停采7個月的周期性開采方式開采基岩地下熱水，有利於熱水的恢復，減緩熱水系統壓力和溫度的下降；（3）熱儲層的厚度大、分布范圍廣，也有利於減緩在目前開采條件下熱水系統的壓力和溫度的下降。
圖5-20第二開采方案規劃開采井位置圖
1—開采井；2—回灌井
總的來看，天津市基岩地下熱水資源是豐富的，但也是有限的。目前採用的采、停交替的開采方式和採取局部回灌冷水的措施是可行的、合理的。至於回灌冷水是否會引起其它環境問題，需要實際觀察。
圖5-21（1）第二開采方案預測鑽井壓力變化曲線圖
橫坐標為時間（1998年9月～2003年8月）；縱坐標為壓力（大氣壓）
圖5-21（2）第二開采方案預測鑽井壓力變化曲線圖
橫坐標為時間（1998年9月～2003年8月）；縱坐標為壓力（大氣壓）
圖5-22（1）第二開采方案預測鑽井溫度變化曲線圖
橫坐標為時間（1998年9月～2003年8月）；縱坐標為溫度（℃）
圖5-22（2）第二開采方案預測鑽井溫度變化曲線圖
橫坐標為時間（1998年9月～2003年8月）；縱坐標為溫度（℃）
『貳』 論證報告編寫的主要技術內容
1.前言
主要介紹項目背景及來源,擬開鑿地熱井的主要利用方向、需要的資源品質。如果是進行建築供暖,需要介紹該項目的建築面積、高度、建築結構維護體系,供暖系統末端配備設施(散熱方式)情況。
通過現場踏勘,資料收集分析研究,結合政府管理部門規定、規劃和建設方的需求,闡明地熱井的地理位置、地質構造位置、論證的依據、目的和地熱資源將來的利用模式等。
圖4-1 地熱單井系統工程主要工藝流程圖
2.地質構造特徵
主要分析論證區域基礎地質條件,如構造單元、斷裂特徵;地層岩性、底板埋深、厚度、物性特徵。
3.地溫場特徵
區域地溫場展布趨勢,與基底構造關系;蓋層平均地溫梯度取值;定向井則以井底所在位置確定地溫梯度值。
4.熱儲特徵
岩性特徵:主要礦物成分、結構、膠結類型、韻律變化;
物性特徵:孔隙度、滲透率、顆粒分析百分比、岩溶裂隙發育程度、泥質含量等;
流體特徵及產能:主要陰陽離子含量,水化學類型,TDS,pH及單位涌水量等。
5.開采現狀與熱儲動態特徵
不同地熱井的開采量,開采時間,回灌量及回灌溫度(欲作為目的層的重點分析,為動態預測和溫度場預測打基礎)。近3～5年水位埋深等值線變化情況(應註明年月)。
6.目的層選擇
根據前述不同熱儲層地熱地質特徵、開采現狀、資源動態特徵及管理部門的地熱管理政策,結合委託方利用方向要求,在技術經濟合理的前提下選擇目的層。
7.水量、水質、水溫預測
論證井水量和水質預測主要採用同構造單元、同熱儲層開采井水量、水質進行比擬確定。水量預測中除考慮不同井身結構外,還要考慮熱儲壓力變化下的出水量而不是周邊井成井初期的出水量。目前天津地區孔隙型儲層地熱井論證水量一般為下入Φ177.8mm濾水管長60～80m時的出水量;裂隙型地熱井一般為祼眼井徑Φ152mm、揭露儲層厚度500m時的出水量(利用單位降深涌水量能較好反映儲層出水能力)。井口水溫預測主要通過地溫梯度計算出熱儲層的溫度,再推算出井口溫度。井口溫度與儲層溫度相差情況(經驗值)見表4-1。
表4-1 地熱井井口溫度與儲層溫度差值統計表
8.回灌
以供暖利用為主的地熱尾水是很好的回灌水源。政府規定供暖尾水必須進行回灌,因此,回灌是開鑿地熱井論證很重要的一部分。論證階段回灌的可行性分析主要包括回灌量分析、水質影響分析、熱突破預測等。
回灌井布局要垂直主構造裂隙,選擇水動力場條件較好位置,比擬周圍已有采灌對井運行情況。同層時,采灌對井應選擇不同深度,儲層深的、物性參數好的作為回灌井。
回灌量主要採用比擬法確定,也可按規劃要求,反求井距確定。提出穩定回灌量的保證措施,如管理上嚴格按操作規程執行(井口保護、回灌操作方式、過濾、加壓),必要時回揚以及定期的洗井、酸化等恢復回灌能力措施。
回灌流體對地溫場的影響主要是利用概化後的地質模型和數學模型進行預測,主要參數要交代清楚。
9.風險分析
(1)工程風險
主要指地質因素引起的施工風險,包括鑽遇風化殼或碳酸鹽岩溶洞時突然漏漿;裂隙發育掉塊卡鑽;遇大段砂岩地層時,因泥漿失水造成泥皮過厚形成吸附黏鑽;油氣區開采,高壓地層井噴、燃燒風險;裸眼過長,井塌風險;中生界、變質岩地層鑽進困難,工期延長;石炭—二疊系灰岩與奧陶系灰岩鑒定失誤,提前下套管風險;目的層為奧陶系或寒武系時,因岩溶裂隙發育不均而出水量減小;新勘探區因構造、地層變化、儲層壓力異常、經驗不足等引發的工程風險。
(2)地質風險
當論證的目的層缺失、減薄或儲層發育較差難以成井時,產生了地質風險。因此,可行性論證要有第二個預備方案,並在施工過程中注意上部揭露儲層資料的積累。
10.結論與建議
主要包括以下內容:
1)設計井構造位置,鑽遇地層,目的層的選擇,對井布局,設計井深;
2)設計井井身結構選擇,水溫、水量、水質預測;
3)通過模型預測在區域開采條件下,設計對井運行一定年限內,溫度場、壓力場的變化;
4)鑿井費用預算依據,總造價及每延米價格;
5)主要風險提示及預案;
6)開發利用方面的建議。
『叄』 岩溶水資源合理開發利用和保護對策
一、礦井水資源化利用及途徑
1.礦井水利用現狀
礦井排水來源於孔隙水、砂岩裂隙水和灰岩岩溶水，其中岩溶水佔75%。岩溶水是焦作市城市供水的重要水源，合理開發利用和保護岩溶水關繫到居民供水安全。在全球化水資源越來越緊張的大背景下，將礦井排水進行資源化利用是非常有必要的。焦作礦區年排放礦井水量為1.5億m3，目前利用量約為3700萬m3/a，占整個礦區排水總量的23%，其餘被排入周邊河流，白白流失。礦井水利用途徑主要是：焦作市環境用水量為360萬m3/a，煤礦生產用水量為340萬m3/a左右，煤礦周邊農田灌溉利用量為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0.70億m3，水資源缺口4.01億m3。因此，對礦井排水進行資源化利用是解決焦作市不足的便利途徑。
焦作礦區產生的礦井水的水質符合含一般懸浮物礦井水的特徵。懸浮物SS通常小於400mg/L，COD通常小於70mg/L，毒理學和放射性指標完全符合飲用水要求。從低附加值的礦井水利用角度，礦井水經過初次沉池的沉澱，基本可滿足農業灌溉用水要求；從高附加值的礦井水利用角度，礦井水經過「混凝+沉澱+過濾」，完全能夠達到工業（主要是電廠）用水的要求；再經過「消毒」等深度處理，處理後的礦井水也可以達到生活飲用水的水質要求。我國礦井水處理已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，礦井水的資源化利用是可行的。
2.礦井水資源化利用的途徑
目前，國內礦井水資源化的方式主要有：①井下實行清水污水分流，清水經過簡單處理後直接利用；②農業灌溉；③礦井水凈化處理後利用；④礦井水回灌補源。其中方式①～③應用較為廣泛，方式④僅限於特定條件下。
華北石炭-二疊岩溶型煤田煤層底板岩溶水是礦井水的重要來源，發生岩溶水突水或從疏放鑽孔、泄水巷流入礦坑的岩溶水，未在採煤巷道或采空區長距離流動並且沒有與其他礦井水混合時，其水質保持天然水質，可以直接作為生產和生活用水。煤礦可將直接從含水層中流出並未受污染的地下水，與從采空區或工作面流出的被污染礦井水分開排放，將清水排至地面簡單處理後加以利用。
華北石炭-二疊岩溶型煤田各煤礦涌水量都較大，水質較簡單，多屬於含一般懸浮物的礦井水，懸浮物濃度通常為300mg/L，這為煤礦周邊農田灌溉提供了水源條件。焦作礦區在20世紀70～80年代，利用礦井水灌溉農田近10萬畝，取得較好的社會效益。
從空間角度，礦井水凈化處理工程主要分為兩類：地面處理工程和井下處理工程。前者是井下各處產生的礦井水經巷道匯集到礦井的中央水倉，由中央泵房將混合的礦井水提升至地面，在地面建凈化站處理，達標後再分別輸送到各用水部門使用；後者是在礦井水進入中央水倉前，經過井下凈化站處理，達標後進入中央水倉，中央泵房再將清水輸送到各用水部門使用。
3.礦井水處理工藝
（1）礦井水的地面處理
目前，對於含一般懸浮物礦井水，地面處理工程的工藝相對成熟單一，基本沿用「混凝—沉澱—過濾—消毒」的流程進行，出水可達到生活飲用水水質要求。常用的構築物有：調節池、澄清池、無閥重力雙層濾池、污泥濃縮池、加氯消毒車間。該工藝關鍵問題是：
1）混凝葯劑的選擇與復配，以降低葯劑費用，提高出水水質。聚合氯化鋁（PAC）+聚丙烯醯胺（PAM-）是常用的葯劑組合。PAC適宜處理含濁水質，PAM-分子量大，助凝性能優良，兩者組合處理效果遠遠優於單獨使用的效果。
2）集澄清和過濾作用一體的凈化器。澄清池集混合絮凝沉澱於一體，減少了構築物的數量，因而獲得廣泛的應用；部分廠礦開發的高效礦井水凈化設備集澄清池和過濾池於一體的一體化凈化器，已普遍用於中小規模礦井水處理廠。
（2）礦井水的井下處理
井下處理工程，形式多樣。主要形式亦有兩類：一類是在各礦井水湧出口，未經巷道就地建立簡易井下處理站，處理後輸送到各用水部門。另一類是礦井水在經過巷道進入中心水倉前增加凈化處理站，中心水倉變成清水倉，從而解決了定期清理中心水倉的難題，中心泵房再將處理後的清水輸送到各用水工作斷面。如兗州東灘煤礦開發的「格柵-沉砂-混合-漩流反應及斜管沉澱-混凝-過濾吸附以及污泥壓濾」工藝的井下處理工程，徐州權台煤礦則是將中心水倉改造成混凝反應的主要設備，對礦井水進行預處理後，再由中心泵房提升至地面凈化站進行二級處理。
4.焦作礦區礦井水處理工藝設計
焦作礦區礦井排水量大，宜採用地面處理工程統一處理，達到相應水質標准後，再輸送到各用水部門。焦作礦區礦井水除濁度、懸浮物、大腸桿菌超標外，其餘指標均符合飲用水標准，處理工藝相對簡單。根據焦作礦區礦井水的水質、水量和處理後的用途，處理工藝可分兩段：基礎處理工段和深度處理工段。經過基礎處理工段的處理，礦井水應能滿足工業用水要求；經深度處理工段的處理，礦井水應達到生活飲用水水質要求。
基礎處理工段去除的主要污染物包括：懸浮物、有機物和油類。懸浮物主要是煤粉和岩粉，此外還有少量的煤層中的古生物殘體、細菌等物。處理工藝流程見圖10-13。
圖10-13 礦井水基礎處理工段工藝流程
深度處理工段去除的污染物主要是菌類和微量有機物，處理工藝流程見圖10-14。
圖10-14 礦井水深度處理工段工藝流程
根據焦作礦區礦井水的水質水量特徵，PAC的工程投加量為10～15mg/L，PAM-的工程投加量為0.2～0.25mg/L。採用「微絮凝-過濾」工藝時，PAC的工程投加量改為5～7mg/L。2006年11月，取演馬礦礦井水，投加工業試劑聚合氯化鋁（PAC）15mg/L與聚丙烯醯胺（PAM-）0.2mg/L，採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10-12。
表10-12 實驗室模擬工藝處理演馬礦礦井水效果
二、加強煤礦水害綜合防治，減少礦井水的排放
1.岩溶水突水是煤礦安全生產的隱患
焦作礦區受水威脅煤礦資源儲量約60132.6萬t，目前僅解放儲量4685.0萬t，尚有92.2%約55447.6萬t的儲量等待解放（表10-13）。特別是石炭系太原組一5煤（儲量9462萬t）和一2煤（儲量27909萬t），因受煤層底板高承壓岩溶水的嚴重威脅，不能正常開采。礦井排水不僅造成大量水資源被浪費，而且企業每年要付出大量的排水費，2003年焦作煤業集團公司共有的8對生產礦井（表10-14），總排水量達282m3/min，總排水費用高達8000萬元，噸煤排水電費高達20～30元。
表10-13 焦作礦區受岩溶承壓水威脅的儲量及被解放的儲量 單位：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.岩溶承壓水突水危險性評價
焦作礦區石炭二疊系共含煤11～14層，總厚9～14m，其中可採煤層三層，包括二疊系山西組二1煤（大煤）、石炭系太原組一5煤（二煤）和石炭系太原組一2煤（三煤）。二1煤為穩定煤層，全區可采，一般厚6m，是各礦主採煤層。一5煤距二1煤6～80m，一般厚1～1.5m，礦區西部普遍可采，東部夾1～2層矸，部分可采。一2煤距二1煤85～105m，一般厚度1.5～2.0m，普遍可采。石炭系太原組一5煤和一2煤統稱下組煤，煤層底板距二灰和奧灰強含水層近，開採下組煤受煤層底板岩溶承壓水的突水威脅，礦區內僅馬村礦、中馬村礦和朱村礦開采一5煤，而一2煤沒有開采。
「特殊水量脆弱性」的礦坑突水在九里山泉域表現得非常突出，其原因主要有以下幾點：
1）最下層煤（三煤）距奧陶系岩溶含水層的厚度薄，一般為10～20m（圖10-15）。
2）煤系地層中發育數層碳酸鹽岩夾層，且直接分布在每層頂板，特別以「二灰」和「八灰」最為典型（圖10-15），這些夾層式碳酸鹽岩含水層水不僅是礦坑突水的補給源，而且由於其發育穩定、分布廣，往往又成為溝通下伏奧陶系含水層的導水層。
3）礦區位於太行山前且由東線向北東的轉折部位，東西及北東向構造斷裂交錯發育，特別是一些大型斷裂構造成為岩溶地下水徑流的良好通道，同時巨大的斷距使得下伏岩溶含水層與煤層及其煤系地層中碳酸鹽岩夾層對接，為岩溶水向礦井涌水提供了條件。
4）煤層總體由北向南東傾斜，多位於區域岩溶水位以下，南部地區煤層的岩溶水帶壓水頭在數百米以上，高壓狀態下的底鼓突水成為巨大隱患。
煤層底板承壓水突水危險評價方法有：斯列薩列夫公式法、突水系數法、多源地學信息復合疊加法、脆弱性指數法、五圖雙系數法等。突水系數法因公式簡單，便於應用，自20世紀60年代提出以來，至今一直是煤礦評價和預測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夠承受的靜水壓力，表達式為
中國北方岩溶地下水環境問題與保護
圖10-15 焦作礦區地層柱狀圖
式中：T為突水系數（MPa/m）；P為底板隔水層承受的水壓（MPa）；M為底板隔水層厚度（m）。
一般來說，突水系數越大，底板突水危險性越高。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，底板具有突水危險；當突水系數小於臨界突水系數時，底板基本無突水危險。臨界突水系數受礦區水文地質條件、礦井充水條件、開采條件和開采方法等因素的影響，不同礦區或同一礦區的不同礦井往往有不同的臨界突水系數值。因此，很多礦區或礦井通過對歷史實際突水資料的總結，建立了適用於本礦區的臨界突水系數值（表10-15）。就全國實際資料看，受構造破壞塊段臨界突水系數為0.06MPa/m，正常構造塊段臨界突水系數為0.1MPa/m。
表10-15 我國一些礦區臨界突水系數值
焦作礦區主要生產礦井當前採掘深度二1煤底板八灰岩溶水突水系數值見表10-16，各礦突水系數均超過臨界突水系數，各礦在帶壓開采二1煤時，八灰水突水危險很大。
表10-16 焦作礦區二1煤底板八灰突水系數
一5煤底板直接充水含水層是二灰（L2），一5煤和二灰間的隔水層厚度20m，一2煤底板直接充水含水層為奧灰，隔水層厚度10～20m。二灰和奧灰水力聯系密切，二者水位相同，可以視為一個含水層組。奧灰水位按當前75m、一5煤隔水層厚度按20m、一2煤隔水層厚度按10m，根據各井田煤層賦存最大標高，求得一5煤和一2煤的最小突水系數，如表10-17所示。由此可見，開采一5煤和一2煤，底板二灰和奧水突水危險很大。
表10-17 焦作礦區各井田太原組最低突水系數
下面將採用突水系數對礦區「二煤（一5煤）」岩溶突水的風險性進行初步評價。評價中按照突水系數大小分為以下Ⅳ級：
Ⅰ級，無岩溶水突水危害區，「二煤（一5煤）」處於岩溶地下水位以上，不存在下伏岩溶含水層突水的風險。
Ⅱ級，岩溶水輕度突水危害區，下組煤處於岩溶地下水位以下，突水系數介於0～0.06MPa/m之間的地區。
Ⅲ級，岩溶水中等突水危害區，突水系數介於0.06～0.1MPa/m之間的地區，這類區的突水系數已接近煤炭部制定的《礦井水文地質規程》中的突水危險區的臨界值0.6。
Ⅳ級，岩溶水嚴重突水危害區，值突水系數＞0.1MPa/m地區。
根據以上計算標准，得到泉域下組煤岩溶突水的風險性評價結果見圖10-16。
從圖10-16中可以看出，從北西向南東煤礦岩溶水突水的風險性增加，與地層埋深、岩溶地下水流向相一致。Ⅰ級、Ⅱ級區主要分布在系統西北部山區和朱村斷層及鳳凰山底層以北地區；Ⅲ級區呈條帶平行分布在李庄斷層與九里山斷層的煤系地層翹起段；Ⅳ級區分布在岩溶水系統的東南部。
系統內各區的分布面積分別為：
無岩溶水突水危害區（Ⅰ級）面積90km2。
岩溶水輕度突水危害區（Ⅱ級）面積23km2。
岩溶水中等突水危害區（Ⅲ級）面積18km2。
岩溶水嚴重突水危害區（Ⅳ級）面積326km2。
3.礦區水害防治的建議
1）Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級區不宜開采「三煤」。
2）沿區域性斷層留一定厚度的保安煤柱，厚度不小於300m。這些斷層包括鳳凰山斷層、九里山斷層、方庄斷層、馬坊斷層、峪河斷層等，沿一般斷層保安煤柱厚度不小於50m。
3）在Ⅲ級、Ⅳ級區採煤，對開采過程中可能出現的未探明斷層、岩溶陷落柱等應引起足夠重視，執行「有疑必探、先探後掘」的原則，防止突水事故的發生。
4）在Ⅲ級、Ⅳ級區採煤，在充分查明礦區水文地質條件基礎上，針對下伏岩溶水突水問題，可因地制宜地採用煤礦石炭系灰岩隱伏露頭注漿截流工程，對突水點的地面鑽孔注漿封堵突水點工程，礦井分翼（區）隔離技術和強排技術應用、疏水降壓工程與煤層底板含水層注漿改造，工作面煤層底板注漿加固和含水層改造技術等。
三、減少固體廢棄物堆存與利用
煤矸石的利用途徑主要有三種。一是用煤矸石生產無煤燒結磚。具體做法是，採用成熟的制磚技術，將煤矸石粉碎後添加20%的粉煤灰，利用原煤矸石中的黏土礦物和殘余的發熱量，燒結成煤矸石磚。焦作現已建成5座煤矸石磚廠，有14條隧道窯生產線。2005年生產煤矸磚1.2億塊，實現了銷售收入1437萬元，年消耗煤矸石30萬t。二是用煤矸石發電。現已建成四座煤矸石發電廠，綜合利用電站鍋爐8台，總裝機容量194MW。2005年矸石發電12.5億kW·h，實現銷售收入2.5億元，年消耗煤炭洗選加工所產生的煤矸石70餘萬t。三是用煤矸石充填塌陷區，每年消耗煤矸石1萬t以上。煤矸石堆放場
圖10-16 九里山泉域下組煤煤礦岩溶水系突水風險性評價分區圖
四周應修建集水溝和沉澱池，用於收集矸石山坡面的雨水，沉澱後的雨水用於運矸道路和矸石山的灑水降塵，改善礦區地面環境。對煤矸石堆要採取覆土防滲處理，並種植樹木或花草。
『肆』 地熱回灌技術的發展和現狀
1.國外地熱回灌技術發展概況
有關地熱回灌的研究及實際生產始於20世紀60年代末。在地熱資源豐富的日本,開采技術較成熟,通過回灌主要是解決棄水中有害物質含量過高等問題;而紐西蘭的布蘭德蘭茲地熱田「對井加壓封閉式回灌」則較好地解決了地熱發電後棄水所含的有害物質及余熱造成環境污染問題。
高溫地熱回灌最有代表性的實例是美國加州北部的Geysers地熱田。該地熱田有500多眼地熱井,建有世界上最大的地熱發電廠,總裝機容量超過2000MW。為了增加地熱蒸汽產量,從20世紀末開始架設用於回灌的輸水管線,將周圍幾個地區的棄水輸送至Geysers地熱田進行加壓回灌,在處理城鎮廢水的同時總計增產了100MW發電裝機容量。另外美國在利用地熱發電的地熱田(帶),採用多種方法回灌,保證發電廠正常運轉方面成績也較突出,如加利福尼亞州的一個地熱發電廠從80km外山區,落差700m引入中水回灌,保證了充足的地下高溫蒸汽發電。
法國則是低溫地熱回灌效果最顯著的國家。巴黎附近的Melunl』Almont早在1969年就建立了世界上第一個對井系統,將地下2000m深的、含鹽量較高的熱儲流體開采利用後通過另一眼同層深井回灌到熱儲中,1995年又開始嘗試二采一灌系統,至今已有70多對采灌井運行,並建立了相應的回灌數學模型,模擬回灌過程中溫度場的變化,具有一套完整的采-灌系統工藝和先進的回灌技術。
冰島Laugaland地熱田則在示蹤回灌技術方面經驗豐富。利用示蹤試驗方法定量研究采、灌井之間的水力聯系;對不同采、灌量條件所引起的開采井溫度變化進行定量模擬;結合熱流體化學成分、性質等動態特徵長期跟蹤監測資料,進行水化學質量平衡模擬計算,判斷開采井中回灌流體的回採率等。
據2008年度亞洲地熱資源直接利用國際研討會有關資料,目前德國在回灌工作中進行了以下方面廣泛的研究和試驗:①對含水層宏觀(斷裂影響、分布、垂向結構變化)、微觀(孔隙度、孔徑、顆粒排列)等特徵進行研究,如確定砂岩回灌儲層應具備有效孔隙度大於20%、滲透率大於0.5μm2、砂層厚度大於20m、0.063mm以下粒徑(泥砂和粉砂)的比率不能超過10%～12%、平均膠合率不超過8%～10%等特點;②對流體的化學組成(流體自身的性質、流體-流體的混合作用、流體-岩石的反應)、懸浮物、流體中所含氣體、井口流體的溫度、回灌溫度等進行測試,在詳細了解一系列參數後開始對回灌作出可靠的預測和試驗。德國回灌效果較好的代表性項目有 Waren,Neuruppin,Klaipeda,Neubrandenburg等,回灌量多在50m3/h左右,最大的可達到150m3/h。
從各國不同目的、不同方式的回灌實踐來看,地熱回灌到現階段已發展成一項較為成熟的實用技術。但是世界各地的回灌工作主要是在高溫裂隙型地熱田中進行,中低溫孔隙型熱儲中則普遍存在回灌量衰減等問題。
2.國內地熱回灌技術的發展和現狀
地熱回灌於20世紀70年代開始。伴隨著地熱資源規模化、商業化的開發利用,熱儲壓力下降過快和日益嚴重的環境熱污染問題突出表現出來。為此,逐步開始了深部對井和多井原水加壓、自然采灌或集中回灌,通過多年實踐,逐漸掌握了回灌工藝和回灌關鍵技術,並取得了較好的效果。1979年江西宜春溫湯熱田用河水在震旦系變質砂岩斷層交叉帶進行人工回灌,以抬高生產井的水位、增大水量、增高溫度。1986～1987年華北石油管理局水電廠在河北省任丘市新近系館陶組孔隙熱儲進行了單井回灌試驗,主要研究吸水指數變化規律及注水溫度對吸水指數的影響和解堵措施。北京地區為解決長期開采地熱流體引起的水位下降,於1980～1981年在東南城區地熱田26號基岩井用冷水進行了單井回灌試驗,研究回灌對抬高地熱田區域水位的作用,探索了不同回灌量對熱儲層的溫度效應。2001年在小湯山地熱田開始進行地熱回灌,2004年回灌井數增加到6個,回灌量達到102.7×104m3/a,占當年熱田開采量的36.5%,2006年回灌量達到132.27×104m3/a,占當年熱田開采量的56.6%。目前北京市地熱回灌總量超過150×104m3/a,通過控制開采量,增大回灌量,主要開采層霧迷山組熱儲層水位下降幅度近年逐漸減小,甚至在2005年還出現熱儲壓力回升現象,地熱回灌效果明顯。其他城市如杭州、西安、德州、福州、南昌等也陸續開展了相關回灌技術的開發和試驗研究工作。
天津地區對地熱資源回灌研究最早開始於20世紀80年代,經歷了以下幾個階段:①1982年天津地礦局為維持新近系明化鎮組熱儲水頭壓力就開始對井回灌、多井回灌數值模擬及回灌理論研究;②1990年天津地熱院、大港石油管理局和南開大學數學系在大港油田水電廠對新近系館陶組熱儲進行回灌試驗,通過試驗證明在中低溫孔隙型熱儲中進行回灌是可行的;③1995年以後開始基岩熱儲回灌研究,開展了示蹤試驗,成立了專門回灌研究部門,總結出了同層對井采灌、同層二采一灌、異層對井采灌、定向對井采灌等模式的實踐經驗,在回灌規劃布局、回灌井鑽井技術和成井工藝、回灌方式、地面防阻防堵配套工藝及處理設備、回灌系統地面工程建設、日常回灌運行規范性操作以及采灌前後水動力場、水化學場、溫度場跟蹤監測、示蹤試驗、數值模擬等方面,進行了深入研究,具有了成熟的回灌技術和理論成果。目前天津地熱回灌已經具有一定規模,回灌率以5～7個百分點逐年遞增,2008年度回灌量達到586×104m3,占當年地熱資源總開采量的22.5%。尤其是基岩熱儲層回灌效果較好,其中主要開采層霧迷山組2008年地熱回灌率為33.4%,而奧陶系熱儲層由於有異層采灌致使年度回灌量大於開采量, 2006年至2008年的回灌率分別為122.5%,147.9%,138.8%,在回灌井附近熱儲層水位埋深明顯高於其他區域,且水位年降幅呈逐年減小之勢。天津在改進和完善新技術回灌,新方法的開發運用方面成果非常突出,建立了一大批梯級利用,在保護中開發地熱資源的示範工程。
雖然全國各地均進行了大量的回灌探索和研究,地熱回灌的作用和意義也已得到了各界的認同和廣泛關注,但總的來說,地熱回灌在全國推廣程度還比較低,沒有從根本上解決孔隙型熱儲可持續回灌問題以及基岩熱儲回灌量不穩定、井管腐蝕等問題。尤其是孔隙型熱儲層,開展回灌研究最早,回灌試驗最多,地面凈化系統精度最高,但目前對回灌流體運移機理、灌量衰減處理措施仍然沒有明確的認識和解決辦法,未能實現持續的、生產性回灌。
根據天津、北京、陝西等城市地熱田開發經驗,回灌工作應該在地熱田大規模開采出現問題之前開展。從未來的發展趨勢看,回灌無論是保護環境,還是保持熱儲壓力,保證地熱資源可持續開發都將起到重要作用。
『伍』 傳統水文地質勘察在水源熱泵市場上的應用——以北京人民警察學院水源熱泵工程為例
王立發 江劍
（北京市地質工程勘察院）
摘要：水文地質勘察技術是地下水地源熱泵技術的核心，也是地下水地源熱泵項目能否成功運用於實踐的關鍵。本文通過介紹北京人民警察學院水源熱泵項目實例，對此做了論述。
引言
水源熱泵技術由成熟的暖通空調技術、熱泵機組技術和地質勘察技術組成。在我國，暖通空調技術和熱泵機組技術已經得到了長時間、廣泛的應用，已非常成熟。因此，水源熱泵技術能否成功應用的關鍵是地質勘察技術能否解決能源的提取與水資源的保護的問題。在推廣水源熱泵技術實踐過程中，由於各地區地質和水文地質條件的復雜性和多變性，岩（土）層的導熱性和水文地質參數差異巨大，在一個地區能成功應用的地下換熱系統，在另一地區往往並不適用。目前，由於一些水源熱泵工程承包方（主要為熱泵機組廠家、系統集成商和暖通空調安裝公司）不了解各地區地質、水文地質條件和回灌工藝，盲目承包水源熱泵系統工程，導致出現了許多不該出現的問題，如抽取的地下水回灌不下去或回灌量不足，不僅浪費了寶貴的地下水資源，還造成不良的生態、環境和經濟後果。本文以北京人民警察學院水源熱泵項目為例，詳細介紹了傳統水文地質勘察技術在水源熱泵市場上的應用。
1 項目簡介
北京人民警察學院位於昌平區南口鎮辛庄村北，太平庄西側。工程總建築面積約18萬m2。
校區共有20餘棟多層建築。行政教研樓5層，地下1層；禮堂3層，地下1層；其餘為2～4層建築。外牆材料為300mm厚加氣混凝土砌塊，傳熱系數為0.82W/（m2·K）。屋面保溫材料為60mm厚的聚苯板或金屬保溫板，傳熱系數為0.6～0.78W/（m2·K）。外窗鋁合金雙玻璃窗，傳熱系數為3.5W/（m2·K）。
2 熱泵技術方案選擇
工程設計方在綜合比較了各種傳統的供暖、製冷方案後，決定採取經濟、環保、節能的熱泵中央空調技術實現冬季供暖、夏季製冷和常年生活熱水。經設計方計算，採暖熱負荷為15153kW，空調冷負荷為16081kW。
北京市地質工程勘察院受北京人民警察學院籌備處委託，承擔了熱泵技術方案的地下換熱系統的勘察設計與施工。依據當地水文地質條件，擬採用地下水地源熱泵技術。
接受任務後，我院立即組織了地質及水文地質專家對現場進行了初步踏勘，並結合分析、整理前人工作的成果資料，初步查明：
（1）場區位於虎峪沖洪扇頂部，第四系地層以砂卵礫石層夾粉土、粘土層為主，埋深在40～90m之間，下伏薊縣系縣霧迷山組灰岩，場區地層岩性見表1。
表1 場區地層岩性表
（2）場區第四系含水層以砂卵礫石層為主，富水性不均一，單井出水量一般小於150m3/d。由於場區位於沖洪積扇頂部，地下水埋藏較深，場區內原有農業井地下水位埋深達到77.20m，砂卵礫石層大多處於疏干狀態。
（3）場區第四系地下水補給來源主要有：雨季洪水形成地表徑流入滲、大氣降水入滲和山區基岩地下水側向徑流。場區地下水消耗主要為側向徑流和人工開采。
（4）場區地下水動態明顯具有沖洪積扇頂部潛水動態特徵，雨季來臨前地下水處於最低水位，雨季水位迅速回升，水位變幅10～20m。
上述水文地質條件分析得出，在場區採用地埋管地源熱泵技術存在兩個主要問題：①初步測算，為了滿足系統最大負荷運行，按每孔深度100m，下入單U，PE管計算，需鑿孔4000個左右，由於場區地層主要為砂卵礫石層，施工小口徑孔（＜150mm）難度巨大，幾乎不可能完成，如果加大成孔口徑則成本大幅度上升；②如果按正方形布置4000個孔，需佔地超過10萬m2，場區無法滿足這個條件。由此得出：地埋管地源熱泵技術在場區存在兩個無法解決的技術障礙，不能採用。
3 水源熱泵地下水換熱系統勘察
通過初步的水文地質勘察論證，場區唯一能採用的熱泵技術方案只有地下水地源熱泵方案。經設計部門計算，系統按最大負荷運行時，總計需水量1170m3/h。
場區第四系含水層富水性不均一，受季節性影響較大，旱季時含水層已部分被疏干，不具有穩定的供水意義。至此，一般非地質勘察專業的水源熱泵工程承包方將放棄該項目，或盲目在第四系地層中鑿井取水，導致在旱季出現主機、外管線、室內中央空調系統已安裝就緒的情況下卻無水可取的局面，帶來巨大的經濟損失。因此，通過地質勘察技術能否找到足夠的地下水資源已成為北京人民警察學院水源熱泵供暖、製冷工程能否上馬的關鍵。
我院地質勘察專家在初勘時已發現場區下伏基岩為薊縣系霧迷山組白雲岩、白雲質灰岩。該地層為北京地區三大基岩岩溶地下水供水岩層之一（奧陶系灰岩、寒武系灰岩和薊縣系白雲岩），也是北京地區地熱資源主要開采目的層。因此確定勘察場區下伏薊縣系霧迷山組白雲岩、白雲質灰岩含水層為本次勘察工作的重點。
3.1 勘察工作任務、方法
勘察工作任務是：評估擬建場區基岩（薊縣系霧迷山組）含水層小時取水量1170m3的可行性；如果取水可行，進一步評估所取水量全部回灌的可行性；然後設計抽、灌井數量、分布、結構等。
我院在擬建場區地質及水文地質研究程度較高，本次勘察工作以搜集、整理和分析前人研究成果為主，並適當補充地下水位動態觀測。
3.2 勘察工作分級及工作區范圍
經設計部門計算，系統最大負荷運行時，需水量為1170m3/h，也就是高峰日需水量已達28080m3。按GB50027⁃2001《供水水文地質勘察規范》要求，符合中型水源地標准（1萬m3/d≤需水量＜5萬m3/d）。
場區附近地質構造復雜，斷裂發育，主要為北東向和北西向斷裂構造，在場區西南2.5～3km處分布有南口-孫河斷裂，場區西北2.5km處分布有南口山前斷裂及陽坊-西沙屯斷裂。場區下伏薊縣系霧迷山組含水層位於岩溶地下水補給區，埋藏較深，富水性不均一，屬水文地質條件中等的地區。
我院在該區已進行了一定的水文地質勘察工作，已有多份其它勘查目的的勘察成果報告供參考，據此，將場區勘察階段定為勘探。
3.3 勘察工作成果
通過一個月左右勘察，查明了場區下伏薊縣系霧迷山組含水層的岩性、埋藏分布特徵、富水性等，成果簡述如下。
（1）勘察工作目的層岩性特徵。薊縣系霧迷山組白雲岩、白雲質灰岩，主要分布於太平庄山前至平原地帶，隱伏於山前第四系沖洪積物之下，在場區呈NE—SW條帶狀分布。岩性主要為灰白色白雲岩、白雲質灰岩、燧石團塊白雲質灰岩及結晶白雲岩。
（2）勘察工作目的層水文地質特徵。場區下伏薊縣系霧迷山組岩石風化破碎嚴重，岩溶裂隙發育，特別是在斷裂構造帶附近岩溶裂隙尤其發育，表明該含水層富水性好、儲存量大、滲透性強、回灌能力強，是理想的供水水源目的層。據前人抽水試驗資料，該含水層涌水量可達150m3/h。近年來，由於地下水位持續下降，出水量應該有所降低。
（3）勘察工作目的含水層補、徑、排條件。場區下伏薊縣系霧迷山組含水層補給來源除少量大氣降水通過入滲補給第四系，再進一步滲透補給本層外，主要為北部裸露基岩山區接受大氣降水入滲補給後側向徑流補給。人工開采和向南側向徑流出本區是含水層主要排泄渠道。
（4）勘察工作目的層水化學特徵、水溫。據前人資料，場區下伏薊縣系霧迷山組含水層地下水水化學類型單一，屬
（5）勘察工作目的層地下水動態特徵。場區下伏薊縣系霧迷山組含水層地下水位埋深在80m左右，每年6、7月份水位最低，8、9月份水位最高，年均變幅在5m左右。
3.4 勘察成果綜合評估
薊縣系霧迷山組含水層岩溶裂隙發育，富水性好，滲透性強，單井涌水量可達150m3/h，並且其儲存量大，水質良好，施工8眼水井即可滿足水源熱泵項目的用水需求。
薊縣系霧迷山組含水層補給區位於北部山區，補給面積大，加之所取水量在提取能量後還要全部回灌入地下，因此取水量是完全有保證的。薊縣系霧迷山組含水層水質、水溫均符合水源熱泵項目要求，但由於水位埋深大，需多耗電能從井中抽水。
為盡量將抽取的地下水回灌入同一含水層中，還需施工8眼與抽水井完全相同結構的回灌井。因單井回灌量小於取水量，還需施工4座沉砂回灌輻射井，其原因是減少造價昂貴的基岩井數目，從水文地質角度講由於場區第四系地下水滲透補給薊縣系霧迷山組含水層地下水，因此地下水回灌入第四系地層中後，實際上也能滲透補給基岩水。
因此，只要抽、灌井分布、設計合理，場區隱伏薊縣系霧迷山組含水層完全可以滿足水源熱泵工程需水量的要求。
4 抽、灌井分布、設計、施工
4.1 抽、灌井分布
水源熱泵空調系統夏季製冷和冬季供暖運行時，必然會改變區域地下水原始流場。在抽水井周圍地下水等水位線呈「錐」狀，相反在回灌井周圍地下水等水位線呈「漏斗」狀。地下水溫度場也會隨著地下水流場的改變而改變。具體地說，隨著回灌水在含水層中的緩慢流動，回灌水的溫度會逐步與地下水常溫趨於一致，也就是回灌水在地下含水層中會有一個「溫度影響半徑」，其大小受到回灌量、回灌溫度與地下常溫的差值大小、含水層的滲透性和熱傳導率等因素控制。如果抽、灌井之間的距離小於「溫度影響半徑」，將發生「熱突破」現象，導致在夏季製冷期，抽水井處的溫度將升高，而在冬季供暖期，抽水井處的地下水溫度降低。結果導致水源熱泵空調系統的運行效率降低。因此，合理的抽、灌井間距是水源熱泵空調系統高效運行的重要因素。
開采井、回灌井的布設原則應是在充分了解當地水文地質條件的基礎上結合以下因素共同確定：①工程的開采（回灌）水量；②地下水開采時溫度和回灌溫度（能量提取大小）；③地下含水層的滲透性和空隙率；④地下含水層厚度、地下靜、動水位及地下水流場；⑤應盡量避免對地下水的自然狀態產生影響，不能產生相關的環境地質問題。
在綜合考慮了上述因素及地下水流向（由東北流向西南）後，8個供水井沿校區西、南邊界布置，井間距200～300m。8個回灌井布置在校區中部較大范圍內，使回水回灌至上游，以保證水源的充足、穩定。
4.2 抽、灌井設計
抽、灌井設計嚴格按GB50296—99《供水管井技術規范》要求進行。泵室段深度需綜合考慮抽水試驗成果資料、地下水位年變幅和近年來由於連續乾旱造成的地下水位持續下降的情況確定。
4.3 抽、灌井施工
抽、灌井施工嚴格按GB50296—99《供水管井技術規范》要求進行。2003年8月，我院施工完成了所有抽、灌井及沉砂輻射井。
5 項目運行情況
全部水源熱泵系統於2003年10月建成，同年底在冬季供暖中投入使用，到目前已正常運行了三個供暖/製冷季（含生活熱水）。監測表明：抽水井出水量、水位、水溫、水質等參數保持穩定，所有抽取的地下水全部回灌入地層中，區域地下水位未有明顯變化，也未產生任何相關的環境地質問題。
由於整個系統還採用變頻調速控制技術，根據熱泵機組流量、壓力的要求，潛水泵變頻運行，最大限度地實現了節水節電，因此整個系統經濟效益十分顯著，同時也帶來巨大的社會效益和環境效益，參觀團絡繹不絕，建設單位十分滿意。
6 結語
水文地質勘察技術是地下水地源熱泵技術的核心，也是地下水地源熱泵項目能否成功運用於實踐的關鍵，北京人民警察學院項目就是一個很好的實例。通過水文地質勘察工作，逐步否決採用①地埋管地源熱泵技術；②第四系地下水地源熱泵技術，同時創新性的提出採用基岩岩溶地下水作為冷熱源，是本項目能夠成功的基礎。
嚴格按照供水水文地質勘察規范要求，進行水源熱泵項目地下水換熱系統的勘察工作也是水源熱泵項目能否成功運用的重要因素。在本項目勘察過程中，從勘察的分級、范圍、階段到抽、灌井的設計和施工，我們均嚴格執行規范要求，所有抽、灌井成井質量都達到優級，這也是保證項目能夠成功的重要組成部分。
2006年1月1日實施的GB50366—2005《地源熱泵系統工程技術規范》，已將地下水換熱系統水文地質勘察列為強制性條款，這足以說明水文地質勘察在水源熱泵項目中的重要性，同時也證明傳統水文地質勘察在水源熱泵項目中是大有作為的。
參考文獻
［1］徐偉，郎四維.地源熱泵工程技術指南.北京：中國建築工業出版社，2001
［2］羅英.北京警察學院集中空調水源熱泵系統設