典型高強(qiáng)度開采礦區(qū)保水采煤關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

孫亞軍，張夢飛，高 尚，徐智敏，邵飛燕，姜 素

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

典型高強(qiáng)度開采礦區(qū)保水采煤關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐

孫亞軍，張夢飛，高 尚，徐智敏，邵飛燕，姜 素

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

神東礦區(qū)是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地和典型的高強(qiáng)度開采礦區(qū)，同時也是我國典型的干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，礦區(qū)高強(qiáng)度煤炭生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展是該區(qū)的重要研究課題。針對神東礦區(qū)干旱半干旱地區(qū)水資源貧乏、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)，通過研究礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型等，提出了礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)和保水采煤分區(qū)；以此為基礎(chǔ)，針對不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，提出了神東礦區(qū)的保水采煤的基本原則，以及礦區(qū)重要水源地、厚基巖含水層、燒變巖含水層、水資源轉(zhuǎn)移存貯、礦井水資源化利用等保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)；最后，結(jié)合典型礦井，開展了上述關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)場工程實(shí)踐，并取得了良好的應(yīng)用效果。

神東礦區(qū)；保水采煤；水源地保護(hù)；燒變巖；轉(zhuǎn)移存儲；礦井水資源化

據(jù)悉，近年來頒布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃 (2014—2020年)》確定將重點(diǎn)建設(shè)晉北、晉中、晉東、神東、陜北、黃隴、寧東、魯西、兩淮、云貴、冀中、河南、內(nèi)蒙古東部、新疆等14個億噸級大型煤炭基地。其中，西部地區(qū)是中國的煤炭主產(chǎn)區(qū)，約占全國煤炭產(chǎn)量的70%，但該區(qū)水資源十分匱乏，水資源占有量僅為全國的3.9%[1]。面對西部煤田這種富煤缺水的現(xiàn)狀，范立民等[2]早在20世紀(jì)90年代初便提出了“保水采煤”的觀點(diǎn)，即通過控制開采范圍及選擇合適的采煤方法來達(dá)到保護(hù)水資源的目的。另外，從能源戰(zhàn)略來講，保水采煤亦屬于綠色開采[3]的重要范疇，其中包含對水資源的保護(hù)、合理利用以及對礦井水害的有效防治等。

神東礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地毛烏素沙漠的過度地帶，屬干旱半干旱區(qū)。區(qū)域蒸發(fā)強(qiáng)烈、干旱少雨，水資源較為短缺且生態(tài)環(huán)境比較脆弱。神東礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，以風(fēng)積沙漠為主，水土流失嚴(yán)重，地表徑流量小，地下水主要含水層為薩拉烏蘇組含水層和燒變巖含水層。同時神東礦區(qū)是我國首個億噸煤炭生產(chǎn)基地，高強(qiáng)度開采對水資源需求較大，且在開采過程中會破壞薩拉烏蘇組含水層，進(jìn)一步破壞水資源[4]。可見，結(jié)合神東礦區(qū)干旱半干旱區(qū)生態(tài)極其脆弱的現(xiàn)狀，在上述高強(qiáng)度開采條件下，保水采煤勢在必行。

近年來，針對陜北淺埋地層保水采煤問題研究成果豐碩，范立民等對該區(qū)煤田開發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行了深入研究，提出了保水采煤的技術(shù)措施[1-2]?？妳f(xié)興等[5]通過陜北突水案例，從水文地質(zhì)、巖相古地理等角度分析神東礦區(qū)煤礦水害類型及水文地質(zhì)特征，并在此基礎(chǔ)上，建立了保水采煤的隔水關(guān)鍵層模型[6-7]。韓冬梅等[8]通過群孔抽水試驗(yàn)對西部地區(qū)燒變巖水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了研究，初步獲取了燒變巖區(qū)富水性規(guī)律。同時，針對神東礦區(qū)缺水問題，部分學(xué)者對神東礦井水開發(fā)利用潛力[9]、礦區(qū)水資源的可持續(xù)利用問題[10]等進(jìn)行了研究。另外，針對神東礦區(qū)特殊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，鄭琳等[11]還對含水層中水資源的轉(zhuǎn)移存儲方案進(jìn)行了初步探討。

中國礦業(yè)大學(xué)自20世紀(jì)90年代初，針對保水采煤的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)等亦開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究，并在兩個國家“973計(jì)劃”項(xiàng)目的支持下，對神東礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型與保水采煤分區(qū)，采動覆巖裂隙演化、貫通、滲流規(guī)律與隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性等方面開展了諸多深入的研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前期研究成果，筆者將重點(diǎn)以神東礦區(qū)為例，針對該區(qū)干旱半干旱的自然地理特征，以不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為依據(jù)，提出礦區(qū)重要水源地、厚基巖含水層、燒變巖含水層、水資源轉(zhuǎn)移存儲以及礦井水資源化利用等保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合典型礦井開展上述關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)場工程實(shí)踐，總結(jié)神東礦區(qū)保水采煤的基本模式。

1 神東礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 神東礦區(qū)地質(zhì)條件

神東礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地毛烏素沙漠的過渡地帶，區(qū)域發(fā)育地層受鄂爾多斯盆地成因的影響。鄂爾多斯盆地為中生代大型內(nèi)陸盆地，發(fā)育時限為中晚三疊世—早白堊世，疊加于早中三疊世不同時代的大華北克拉通盆地之上。該地區(qū)除上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)缺失外，顯生宙地層發(fā)育較為齊全。整個盆地白堊紀(jì)地層分布廣泛，全系陸相沉積。大部分地區(qū)被第四系松散風(fēng)積沙覆蓋，基巖露頭很少，只在部分溝谷中零星分布。神東礦區(qū)大地構(gòu)造屬于華北地臺鄂爾多斯臺向斜，東勝隆起的東南部。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，屬近水平煤層，總體以單斜構(gòu)造為主，發(fā)育寬緩波狀褶曲，地層傾角平緩，一般為3°～5°，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，只有小落差的斷層。

神東礦區(qū)地形總體上西北高東南低，海拔一般1 100～1 850 m，其地貌形態(tài)中部為黃土梁峁丘陵區(qū)，溝壑縱橫，地形支離破碎，南部和北部為風(fēng)沙地，沙丘連綿，地形波狀起伏，礦區(qū)水文地質(zhì)條件各地差異甚大，風(fēng)沙區(qū)有許多大泉出露，梁茆區(qū)泉水少，水量小，烏蘭木倫河，禿尾河，考考烏素溝等均起源于薩拉烏蘇組泉水。礦區(qū)東部黃丘區(qū)地形破碎，但基巖裂隙發(fā)育，有利于地下水儲存，礦區(qū)西部的風(fēng)積沙區(qū)，表層風(fēng)積沙不含水，但透水性極強(qiáng)，對地下水的補(bǔ)給非常有利。根據(jù)地勘資料，該礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于簡單類型。礦區(qū)內(nèi)主要含水層包括孔隙潛水含水層、碎屑巖類孔隙-裂隙含水層和燒變巖孔隙裂隙含水層。其中第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組含水層和燒變巖含水層組資源量相對豐富，是當(dāng)?shù)鼐用衽c工農(nóng)業(yè)用水的主要水源。但兩含水層均位于淺部主采煤層附近，薩拉烏蘇組覆蓋在主采煤層上部，與下部可采煤層間距僅30～50 m。在煤炭開采過程中，由于采動導(dǎo)水裂隙的影響，一方面會在一定程度上破壞上覆含水層，使含水層水位下降，甚至被全部疏干;另一方面地表水體或地下水沿采動裂隙進(jìn)入礦井后，又產(chǎn)生礦井水害，對礦井生產(chǎn)安全造成不良影響。

1.2 神東礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)

煤礦開采過程中，由于煤炭采出后采空區(qū)的形成，煤層上覆巖層中形成導(dǎo)水裂縫帶，當(dāng)含水層與煤層的距離小于導(dǎo)水裂縫帶高度時，將導(dǎo)通上覆含水層，使煤層覆巖含水層中地下水流入礦井而形成礦井涌水。因此，要進(jìn)行保水采煤，首先必須確定是否有水可保，即查明煤層頂板含水層的賦存狀況，另外，則需確定何處具備保水開采的條件。

通過對神東礦區(qū)含水層和隔水層的分布、地下水賦存特征、主要富水區(qū)與主采煤層的關(guān)系等研究，提出了神東礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分區(qū)?？傮w上劃分為弱富(無)水區(qū)和富水區(qū)。進(jìn)一步將富水區(qū)分為泉域水源地區(qū)、燒變巖富水區(qū)、厚基巖區(qū)和薄基巖區(qū)，相關(guān)成果已在前期成果中發(fā)表[12]，此處僅簡要述之，各分區(qū)的簡要介紹如下：

(1) 弱富(無)水區(qū)：此類型區(qū)域由于無水可保或地下水資源無開采利用價值，無保水意義，可實(shí)行直接開采。

(2) 泉域水源地區(qū)：泉域水源地區(qū)通常具有良好的賦存及儲存地下水的構(gòu)造及介質(zhì)，富水性強(qiáng)。因此，水源地是進(jìn)行保水的首要目標(biāo)，要采取適當(dāng)?shù)谋Ｋ胧?/p>

(3) 燒變巖富水區(qū)：作為西部地區(qū)典型的富水或相對富水的燒變巖含水層，雖然分布面積不大，但在神東礦區(qū)富水性較強(qiáng)、循環(huán)條件好、水量豐富。因此，需要采取一定的措施保護(hù)。

(4) 厚基巖區(qū)：即煤層上覆基巖較厚(>70 m)的地區(qū)，根據(jù)覆巖巖性及隔水層特征的不同，采取的保水采煤方法也不同。

(5) 薄基巖區(qū)：基巖厚度小于70 m的區(qū)域稱為薄基巖區(qū)，在這類地區(qū)進(jìn)行煤層開采，導(dǎo)水裂縫帶可直接到達(dá)地表，提出“轉(zhuǎn)移存儲”的技術(shù)思路實(shí)現(xiàn)保水采煤。

2 神東礦區(qū)保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)神東礦區(qū)干旱半干旱的地貌特征以及覆巖結(jié)構(gòu)具有淺埋深、薄基巖、厚風(fēng)積沙的特點(diǎn)，在前期研究獲取神東礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，在神東礦區(qū)開展保水采煤，首先必須采用科學(xué)合理的技術(shù)方法，在煤炭開采過程中最大限度地保護(hù)區(qū)內(nèi)任何可利用的水資源；同時，保水采煤并非在任何條件下都不影響、破壞含水層，而是以保護(hù)水資源的可利用性為基本原則。

根據(jù)上述原則，結(jié)合神東礦區(qū)各類具有開發(fā)利用潛力的水資源(包括地表水體、各類地下水及礦井水等)分布及埋藏條件，筆者重點(diǎn)研究重要水源地保護(hù)、覆巖上層含水層保護(hù)、燒變巖水保護(hù)、含水層轉(zhuǎn)移存儲、礦井水資源化等保水開采關(guān)鍵技術(shù)，以形成神東礦區(qū)特有的保水采煤基本模式。

2.1 神東礦區(qū)重要水源地的保護(hù)

神東礦區(qū)的水源地屬于鄂爾多斯盆地北部地區(qū)的水質(zhì)良好(Ⅱ類)的第四系薩拉烏蘇組孔隙水。由于這種類型的水源地分布于地表淺部，在煤礦開采過程中極易受到采動影響而導(dǎo)致水源地破壞，淺部含水層中的地下水以礦井涌水的形式轉(zhuǎn)入井下，甚至造成含水層局部被疏干，從而對礦區(qū)供水產(chǎn)生重要影響。對神東地區(qū)具有重要供水意義的現(xiàn)有地下水水源地，如哈拉溝，考考賴溝、公捏兒蓋溝和小柳塔等水源地，可通過留設(shè)保水煤柱等保水措施，即使損失一些可采煤炭資源，也必須進(jìn)行保護(hù)，否則將對區(qū)域供水造成重大影響。

目前上述具有重要供水意義的水源地影響的井田包括石圪臺井田，巴圖塔井田、前石畔井田、大柳塔井田，見表1。其中巴圖塔井田范圍內(nèi)有3個重要水源地——考考賴溝、公捏兒蓋溝和小柳塔水源地，因此，該井田可認(rèn)為是泉域水源地的保水類型。上述水源地，如哈拉溝、考考賴溝和柳根溝，因?yàn)楹恿鞯南虑凶饔茫瑴瞎染嚯x主采煤層較近，煤層上覆基巖厚度較薄，河流在導(dǎo)水裂縫帶的影響范圍之內(nèi)。因此，受到影響的4個井田均需要在井田內(nèi)水源地保護(hù)區(qū)留設(shè)防水煤柱。

表1 受水源地影響的井田

Table 1 Mines affected by water

受水源地保護(hù)區(qū)影響的井田涉及泉域水源地石圪臺井田小柳塔水源地巴圖塔井田考考賴溝、公捏兒蓋溝和小柳塔水源地前石畔井田哈拉溝水源地大柳塔井田哈拉溝水源地、小柳塔水源地

2.2 厚基巖上覆含水層保水技術(shù)

神東礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分區(qū)，將礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分為煤層上覆巖層有水區(qū)和無水區(qū)兩個大類。在基巖中的有水區(qū)，以70 m的保水煤巖柱高度為臨界值，將有水區(qū)分成厚基巖區(qū)和薄基巖區(qū)。由于部分礦井基巖厚度大，上覆含水層不易導(dǎo)通導(dǎo)水裂縫帶，因此針對厚基巖區(qū)可采取主動性措施保護(hù)開采過程中不破壞上覆含水層，保水開采對于厚基巖上覆含水層來說可以有效保護(hù)區(qū)域內(nèi)寶貴的地下水資源及含水層結(jié)構(gòu)不受到破壞。

根據(jù)不同地區(qū)覆巖巖性特征及主要隔水關(guān)鍵層賦存條件的差異，將厚基巖區(qū)隔水層結(jié)構(gòu)劃分為3種類型，不同的類型其適用的保水采煤方法也不同。

(1)雙隔水層厚基巖結(jié)構(gòu)

雙隔水層厚基巖結(jié)構(gòu)是指在煤層上覆地層中具有相對穩(wěn)定的隔水層1和隔水層2，其中，隔水層1為位于直羅組中上部泥質(zhì)粉砂巖層，該層泥質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構(gòu)，隔水層2主要是位于直羅組底部粉砂質(zhì)泥巖層，成分以泥質(zhì)礦物為主，兩層主要隔水層在礦區(qū)厚基巖區(qū)范圍內(nèi)相對較穩(wěn)定發(fā)育。它們距煤層的垂直距離分別為H1和H2。在一定采高條件下形成的導(dǎo)水裂縫帶高度為Hmax，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 雙隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)示意

通過圖1可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂縫帶高度Hmax與H1,H2存在3種關(guān)系：

①Hmax

②H2

③H1

(2)上覆單隔水層結(jié)構(gòu)

上覆單隔水層指煤層上覆地層中只有具有相對穩(wěn)定的隔水層H1，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上位隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)示意

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂縫帶高度Hmax與H1存在兩種關(guān)系：

①H1

②H1>Hmax。導(dǎo)水裂縫帶未穿過含水層下面穩(wěn)定的隔水層。當(dāng)基巖厚度大于70 m，且在距煤層70 m以上有一穩(wěn)定隔水層時，將有助于保水實(shí)施。

(3)上覆隔水層缺失結(jié)構(gòu)

煤層上覆含水層的富水性較弱時，即便上覆基巖中沒有隔水層，而基巖厚度相對較小的地區(qū)則可采用注漿加固技術(shù)對上覆基巖進(jìn)行注漿加固，以增強(qiáng)其阻水抗水壓的能力，保證導(dǎo)水裂縫帶與含水層有足夠厚度和強(qiáng)度的保護(hù)層存在，以抑制水資源的流失；但是厚度足夠大時，可采用分層間歇式開采，或采用充填、房柱式開采方法來降低冒裂帶的發(fā)育高度，實(shí)現(xiàn)保水開采，當(dāng)厚度不足、含水層富水性強(qiáng)時，不具備水資源保護(hù)性開采的條件，其結(jié)構(gòu)模式如圖3所示。

圖3 隔水關(guān)鍵層缺失結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)神東礦區(qū)厚基巖特征，巴圖塔、補(bǔ)連塔等礦上覆軟巖厚度平均10 m左右，部分地區(qū)需要進(jìn)行充填開采；而在石圪臺、哈拉溝等礦，偶見薄層泥質(zhì)巖，部分地區(qū)缺失，在局部區(qū)域必須采用限制煤層開采厚度，改變工作面尺寸等方法，以有效地控制導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度。

2.3 淺部燒變巖保水技術(shù)

燒變巖是由煤層燃燒產(chǎn)生的高溫使頂?shù)装鍘r石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦化成分物理性質(zhì)、化學(xué)成份都發(fā)生較大的變化，而變質(zhì)為新的巖石[13]。在我國西部許多缺水礦區(qū)，燒變巖是該區(qū)重要的富水或相對富水類型之一。神東礦區(qū)內(nèi)的燒變巖含水層雖然分布面積不大，但富水性極強(qiáng)，循環(huán)條件好、儲存有豐富的水資源，且水質(zhì)好。通過采取適當(dāng)?shù)谋Ｋ擅杭夹g(shù)，充分保護(hù)燒變巖中的寶貴的地下水，并能有效的開發(fā)利用，對神東礦區(qū)將具有重要意義。

由于燒變巖只賦存于淺部露頭附近，水平側(cè)向分布范圍相對較小，因而可能通過留設(shè)側(cè)向保水煤柱的方法對燒變巖含水層進(jìn)行保護(hù)。保水煤柱的形式類似于礦井防治水的防水煤柱，但其留設(shè)的意義更注重于保水而非防水。

針對神東礦區(qū)燒變巖含水層保水煤柱的留設(shè)，取決于燒變巖含水層的地下水在區(qū)域地下水流動系統(tǒng)中的所處的位置：

(1)當(dāng)燒變巖含水層處于區(qū)域地下水系統(tǒng)的排泄位置(如烏蘭木倫河沿岸)，燒變巖含水層中的潛水排泄到烏蘭木倫河，此類型燒變巖含水層大多為強(qiáng)透水弱含水層。這類燒變巖提供了地下水徑流的場所，燒變巖內(nèi)部富水性較弱，因此，留設(shè)保水煤柱時，不用考慮燒變巖地下水的補(bǔ)給源，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》進(jìn)行保水煤柱的留設(shè)。

(2)當(dāng)燒變巖含水層所處位置低洼，其傾向與地形坡向相反，易形成良好的儲水構(gòu)造，上面存在第四系松散層覆蓋，補(bǔ)給條件良好時，則燒變巖含水層的富水性較好，往往成為當(dāng)?shù)氐呐R時水源地。對于燒變巖含水層的保護(hù)，需考慮礦井安全開采的需要，同時考慮保護(hù)含水層的補(bǔ)給條件，在常規(guī)的保護(hù)煤柱的留設(shè)范圍基礎(chǔ)上將需要擴(kuò)大。

神東礦區(qū)燒變巖含水層主要涉及的礦井有石圪臺礦、烏蘭木倫礦、哈拉溝煤礦、大柳塔礦。其中石圪臺礦燒變巖區(qū)富水性較弱，分布零星但礦區(qū)大部分處于開采失水的危險中；烏蘭木倫礦燒變巖區(qū)分布于溝谷地段兩側(cè)。以束會川兩岸最多，有的被第四系掩埋，有的直接出露，局部地區(qū)甚至形成地下河；哈拉溝煤礦燒變巖區(qū)位于井田西部烏蘭木倫河?xùn)|部兩岸及東部七概溝兩岸，在地形坡向與地層傾向相反地段或燒變巖底板位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下時，易形成富水區(qū)；大柳塔礦1-2煤燒變巖主要分布在哈拉構(gòu)、母河溝、王渠、五當(dāng)溝的溝邊地帶，呈曲折連片，2-2煤燒變巖分布與斯令渠、活朱態(tài)溝、雙溝、王渠、五當(dāng)溝、三不拉溝的溝頭和溝邊，局部為強(qiáng)—極強(qiáng)富水區(qū)，富水地區(qū)具重要保水意義。

2.4 上覆含水層預(yù)疏放轉(zhuǎn)移存貯技術(shù)

地下儲水空間可以利用地下含水層的調(diào)蓄功能,豐蓄旱用、穩(wěn)定地下水位、縮小地下水降落漏斗、控制地面沉降[14]。神東礦區(qū)水資源貧乏，集中高強(qiáng)度開采，采空區(qū)大量裂隙的存在，為地下水的存儲和徑流創(chuàng)造了良好條件，溝通或加強(qiáng)了與上覆含水層的水力聯(lián)系，并成為這些含水層水進(jìn)入礦井采空區(qū)的通道，裂隙以及頂板冒落巖塊間的孔隙，成為儲存地下水的巨大空間。轉(zhuǎn)移存貯正是地下儲水空間在缺水礦區(qū)實(shí)施水資源保護(hù)性開采的關(guān)鍵體現(xiàn)。

綜合礦井的生產(chǎn)資料及實(shí)際調(diào)查，神東礦區(qū)主要生產(chǎn)礦井的采空區(qū)面積見表2。由表2可以看出，神東礦區(qū)主要井田采空區(qū)面積分布廣泛，為轉(zhuǎn)移存貯提供了巨大地下空間。

表2 神東礦區(qū)主要井田采空區(qū)投影面積

Table 2 Projection area of main mine goaf in Shendong mining area

礦名采空區(qū)水平投影面積/萬m2面積百分比/%大柳塔礦5396.741.3活雞兔井1094.98.4補(bǔ)連塔礦2977.022.8上灣礦2115.516.2石圪臺礦486.93.7哈拉溝礦436.23.3烏蘭木倫礦555.64.3合計(jì)13062.8100

采空區(qū)轉(zhuǎn)移存貯時，為保證存貯的水資源不會流失，實(shí)現(xiàn)保水的目的，必須在采空區(qū)周圍進(jìn)行帷幕注漿或修筑水閘墻，阻止其與外界含水層發(fā)生水力聯(lián)系。但是，轉(zhuǎn)移至采空區(qū)時，地下水很可能會受采空區(qū)影響而被污染，所以存貯的采空區(qū)水源在使用前必須進(jìn)行相應(yīng)處理，確保水資源水質(zhì)滿足一定標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，采空區(qū)轉(zhuǎn)移存貯工程需要施工大量的抽水孔對受到開采影響的含水層進(jìn)行疏干，另外鋪設(shè)一定的排水管路轉(zhuǎn)移水資源，修建注水孔轉(zhuǎn)移水資源，工程投資較大，耗費(fèi)時間較長，經(jīng)濟(jì)與技術(shù)手段可行性較差，故對采空區(qū)的轉(zhuǎn)移存貯僅僅討論其自然條件下的存水能力，以及把采空區(qū)作為地下水庫，設(shè)計(jì)相應(yīng)的蓄排水方案。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，神東礦區(qū)可以進(jìn)行下覆含水層轉(zhuǎn)移存貯的礦井有哈拉溝井田、補(bǔ)連塔井田、石圪臺井田、大柳塔井田、巴圖塔井田。其中哈拉溝井田擬選擇2-2煤層底板至3-1煤頂板含水巖段作為轉(zhuǎn)移存貯的目的含水層；補(bǔ)連塔井田2-2中煤至3號煤承壓裂隙含水巖組厚度為21.11 m，可以考慮作為含水層的轉(zhuǎn)移存貯空間；石圪臺井田選取2-2煤,3-1煤含水巖段，擬作為轉(zhuǎn)移存貯的目標(biāo)含水層；大柳塔井田選取中下侏羅統(tǒng)裂隙承壓水含水層作為轉(zhuǎn)移存貯空間；巴圖塔井田選取2-2煤下部C段含水層擬作為上部含水層的轉(zhuǎn)移貯存空間。

2.5 礦井水資源化與恢復(fù)利用技術(shù)

在神東礦區(qū)高強(qiáng)度煤炭開采條件下，礦井水的產(chǎn)生及礦區(qū)總體缺水的現(xiàn)狀構(gòu)成了一對基本矛盾。為了盡可能地提高水資源的利用率，從礦井水處理、排供結(jié)合等方面，研究相應(yīng)礦井水資源化技術(shù)，該技術(shù)亦是神東礦區(qū)保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)之一。

礦井水資源化的方法很多，針對不同的礦井水質(zhì)特點(diǎn)可采用混凝、吸附、過濾、沉淀、消毒、除鹽、軟化等方法回收利用礦井水[15]。而礦井水的處理工藝技術(shù)，決定于礦井水的性質(zhì)和處理后的用途。根據(jù)研究區(qū)水質(zhì)特點(diǎn)及用水要求，礦井水處理主要針對于含懸浮物礦井水的處理。含懸浮物礦井水的處理一般采用混凝、沉淀、過濾、消毒的工藝進(jìn)行處理。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，確定了含懸浮物礦井水處理方法，流程如圖4所示。

圖4 礦井水處理的一般工藝流程

根據(jù)礦井水質(zhì)和采空區(qū)充填物的礦物與物理特征，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，經(jīng)過綜合分析，可以利用采空區(qū)來凈化礦井水。礦井水采空區(qū)處理是礦井水處理的一種較新工藝。煤層采過后，留下的空間即采空區(qū)。因壓力變化造成上部巖體下移、垮落、破碎、填充下部空間，這就使采空區(qū)內(nèi)填充了大量的碎石；采空區(qū)內(nèi)巖石粒度大小不均勻，具有一定的空隙度，具備了滲透、過濾礦井水的天然條件；含懸浮物礦井水流經(jīng)采空區(qū)，經(jīng)沉淀、吸附、攔截等一系列過程被去除。采空區(qū)處理礦井水要因地制宜，滿足本采區(qū)、本地區(qū)用水要求，配合地表礦井水處理的前期工作，根據(jù)采空區(qū)的實(shí)際地形、地質(zhì)條件和處理后礦井水的用途，確定主要去除的指標(biāo)，達(dá)到凈化礦井水的目的。其工藝流程如圖5所示。

圖5 工藝流程

目前，神東礦區(qū)大柳塔煤礦、活雞兔煤礦和榆家梁煤礦等先后進(jìn)行了礦井水井下處理工藝的應(yīng)用，取得了較好的處理效果。同時，礦區(qū)主要井田都具有較大的采空區(qū)，這為采空區(qū)水處理提供了空間前提。

3 神東礦區(qū)保水采煤實(shí)踐

3.1 重要水源地保護(hù)區(qū)保水采煤實(shí)踐

以巴圖塔井田內(nèi)公捏爾蓋溝水源地為例，該水源地地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給，地下水由四周分水嶺向公捏爾蓋溝徑流，下游水力坡度平均為0.6%，地下水均以泉和泉形群式排泄。按照其水源地補(bǔ)給條件、匯水面積和分水嶺的位置，劃分水源地的保護(hù)區(qū)域。

同時，根據(jù)地下水動力學(xué)計(jì)算水源地抽水影響半徑R。計(jì)算公式為

式中，R為抽水井的影響半徑，m；s為抽水井中水位降深，m；H為水源地含水層的厚度，m；K為含水層的滲透系數(shù)，m/d。

根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田巴圖塔井田勘探地質(zhì)報告》，水源地附近第四系孔隙潛水含水層平均厚度為20.22 m，平均滲透系數(shù)為8.67 m/d。礦區(qū)煤層傾角較平緩，煤層底板近水平，因此水位降深采用含水層厚度值22 m，根據(jù)公式計(jì)算影響半徑R為589.6 m。影響半徑計(jì)算數(shù)值與水質(zhì)保護(hù)的劃分半徑基本相一致。為了與分水嶺比較，同時計(jì)算了影響半徑0.8倍、1.5倍的數(shù)值和壓煤量，見表3，4。

表3 公捏爾蓋溝影響半徑計(jì)算數(shù)值

Table 3 Results of influence radius in Nieergai ditch water source protection area

倍數(shù)0.6～0.81.01.2～1.5影響半徑/m353.76～471.68589.60707.52～884.40

表4 公涅爾蓋溝水源地保護(hù)區(qū)面積與壓煤量對比

Table 4 Nieergai ditch water source protection area and coal quantity comparison

影響半徑倍數(shù)0.81.01.5保護(hù)區(qū)面積/km219.328.249.6估算壓煤量/萬t112196290

水源地保護(hù)區(qū)劃分的主要依據(jù)有：壓煤總量可接受，經(jīng)濟(jì)上可行；合理保護(hù)水資源。根據(jù)表3,4的數(shù)據(jù)，按照1.5倍影響半徑所劃分的保護(hù)區(qū)區(qū)域大增加煤炭儲量，同時，也將超越水資源存儲量，使得保水采煤的意義得不償失。在0.8倍影響半徑的保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，水源地的補(bǔ)給源地受到影響。綜和技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的考慮，采用1倍的影響半徑作為研究區(qū)的劃分水源地的保護(hù)區(qū)域。

3.2 厚基巖保水開采技術(shù)實(shí)踐

厚基巖保水采煤技術(shù)主要有改變開采方式，改變工作面尺寸，分層間歇式開采，或采用充填、房柱式開采，頂板注漿等來降低冒裂帶的發(fā)育高度，保護(hù)上覆含水層安全。以巴圖塔井田為例，進(jìn)行黃土充填保水開采技術(shù)，并擬合得出兩井田充填厚度,見表5。

表5 神東礦區(qū)可采及充填厚度控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

Table 5 Recoverable and filling thickness control point statistics in Shendong Mining area

礦別孔號坐標(biāo)xy采厚/m可采厚度/m充填厚度/m建議充填厚度/mZK15064372341.3437429297.054.023.720.30ZK25344370763.1137423526.563.742.111.63ZK29154371846.0337423270.313.612.051.56ZK29334372137.0537423609.714.021.322.70ZK31064375450.2937426773.883.521.142.38巴圖塔井田ZK35144374286.4137423808.213.712.261.451.49ZK39064376972.6337425487.803.421.002.42ZK47074377227.5137422716.861.771.440.33ZK55094376179.5737418316.553.050.972.08ZK55144378112.7337420596.820.830.730.10ZK15064372341.3437429297.054.023.720.30

采空區(qū)的黃土充填依靠黃土充填刮板輸送機(jī)來自動完成：充填時黃土充填刮板輸送機(jī)的上刮板向下運(yùn)輸充填黃土；下刮板向上推平漏土孔下堆積的黃土，并使黃土充填密實(shí)、均勻。黃土充填過程可分為“自由落體”階段、“自充自壓”階段、“充分壓實(shí)”階段[12]。

黃土充填工藝是在采煤工作面割完兩刀煤后進(jìn)行，其工藝過程如下：

① 每班按照正規(guī)循環(huán)割兩刀煤，然后停止割煤，移直黃土充填刮板輸送機(jī)的機(jī)頭與機(jī)尾。檢查充填系統(tǒng)的完好情況，準(zhǔn)備充填工作。

② 首先起動工作面黃土充填刮板輸送機(jī)，然后依次起動軌道巷可縮橋式中間驅(qū)動膠帶輸送機(jī)等設(shè)備，進(jìn)行采空區(qū)黃土充填。

③ 充填時采用黃土充填刮板輸送機(jī)機(jī)頭向機(jī)尾方向依次充填，也即先打開黃土充填刮板輸送機(jī)機(jī)頭的第1個插板進(jìn)行“自由落體”充填階段、“自充自壓”階段，待此段黃土輸送機(jī)升至離支架尾梁200 mm時，關(guān)閉第1個插板，打開第2個插板，重復(fù)上述工作，待所有插板全部完成上述兩個階段后，再同時打開黃土充填刮板輸送機(jī)的全部插板，進(jìn)行“充分壓實(shí)”階段的工作。

采用上述黃土充填開采的保水開采技術(shù)措施，可有效抑制采動形成的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，從而實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源的保護(hù)。

3.3 燒變巖保水開采實(shí)踐

神東礦區(qū)燒變巖主要分布在烏蘭木倫河沿岸，面積約485 km2(包括露頭和埋藏?zé)儙r)。神東礦區(qū)石圪臺、烏蘭木倫、哈拉溝和大柳塔等井田內(nèi)都分布。燒變巖含水層滲透性非常好，滲透系數(shù)一般不大于100 m/d，最大可達(dá)1 631.30 m/d。

燒變巖含水帶水資源的保護(hù)主要通過留設(shè)保水煤柱實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)關(guān)鍵主要是考慮燒變巖帶地下水的補(bǔ)徑排條件，確定合理的保水煤柱尺寸。根據(jù)神東礦區(qū)燒變巖水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在確定含水層降落漏斗影響半徑的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)大煤柱范圍，以保護(hù)燒變巖的補(bǔ)給條件，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 強(qiáng)富水性燒變巖保水煤柱結(jié)構(gòu)示意

燒變巖保水煤柱的留設(shè)尺寸按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，a為煤柱距燒變巖含水層的水平距離，m；A為安全系數(shù)，一般取2～5；L為工作面跨度(寬或高取其最大值)，m；P為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗張強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)式(2)，計(jì)算結(jié)果見表6。通過留設(shè)側(cè)向保水煤柱，實(shí)現(xiàn)了燒變巖水的有效保護(hù)。

3.4 礦井水資源轉(zhuǎn)移存貯技術(shù)實(shí)踐

在薄基巖區(qū)賦存區(qū)，當(dāng)煤礦開采不可避免對上覆含水層的破壞時，可以通過研究含水層轉(zhuǎn)移存貯的可行性、適用條件及其保水效果，形成相應(yīng)的技術(shù)理論體系，不失為神東礦區(qū)，乃至其他開采條件類似的礦區(qū)探索出了一條新的保水之路。

表6 保水煤柱留設(shè)計(jì)算

Table 6 Calculation results of coal pillar for water-protection

AL/mP/MPaKp/MPaa/m影響半徑/m擴(kuò)大的保水煤柱/m22000.051.56012022000.101.59020015022000.201.5120180

以補(bǔ)連塔礦作為燒變巖上覆含水層轉(zhuǎn)移存貯的實(shí)例，擬考慮將第四系松散層中的潛水和處理后的礦井水轉(zhuǎn)移到2-2煤層與3煤之間的承壓含水層中，從而達(dá)到水資源保護(hù)性開采的目的。

(1)補(bǔ)連塔礦轉(zhuǎn)移存貯條件分析

目標(biāo)含水層：裂隙承壓含水層共分為6層，在2-2煤與3煤之間的第3承壓含水層，巖性為中粗砂礫，厚度平均為20 m，為地下水的轉(zhuǎn)移提供了良好的存儲空間；

邊界條件：東北部邊界是烏蘭木倫河的一級階地，階面微傾于河床，主要由中細(xì)砂、粉細(xì)砂組成，河水滲透補(bǔ)給該承壓含水層，為補(bǔ)給邊界。西南部邊界為相對隔水邊界。上、下邊界由該承壓含水層頂板、底板主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，厚度大于4 m，其存在使承壓含水層間的水力聯(lián)系非常微弱，為隔水邊界；

水位差：被轉(zhuǎn)含水層水位高于目標(biāo)含水層水位，水頭差為30～110 m，可以實(shí)現(xiàn)兩個含水層之間的自流轉(zhuǎn)移；

目標(biāo)含水層蓄水能力計(jì)算：最大蓄水能力為1.287×107m3，最小蓄水能力為5.15×106m3，最大調(diào)蓄能力為7.72×106m3。

(2)補(bǔ)連塔礦轉(zhuǎn)移存貯工程布置

轉(zhuǎn)移存貯工程布置包括疏放孔、觀測孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程平面布置。

回灌孔的結(jié)構(gòu)包括孔深、孔徑(開孔和終孔)、井徑直徑及其連接方式等，共布置6個回灌孔，分布在山麓地帶，編號為HG1～HG6。結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。

觀測孔的孔徑和回灌孔的相同，其結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示。特別之處在于：第四系含水層的濾水管直徑取273 mm；不需要填充濾料，套管通向地表，可以完全將兩個目標(biāo)含水層分隔。

3.5 礦井水資源化的應(yīng)用

采空區(qū)礦井水處理機(jī)理：利用采空區(qū)處理礦井水，主要利用了采空區(qū)孔隙、裂隙介質(zhì)，根據(jù)實(shí)際或人為施加的地形條件，在礦井水的運(yùn)移過程中，主要通過自身所含顆粒物的沉淀、介質(zhì)的過濾、吸附等作用，從而達(dá)到凈化礦井水的目的。目前，神東礦區(qū)普遍實(shí)施了采空區(qū)存貯和水資源化的應(yīng)用，以大柳塔為例說明該項(xiàng)技術(shù)和應(yīng)用。

大柳塔礦現(xiàn)開采2-2煤層，12601工作面由于具有良好的儲水構(gòu)造和儲水條件，選擇其采空區(qū)作為2-2煤層采空區(qū)礦井水的集水區(qū)域，并對12601采空區(qū)集水區(qū)進(jìn)行了防水密閉，一是防止采空區(qū)透水事故的發(fā)生，二是保證采空區(qū)集水不泄漏。12601工作面煤層底板標(biāo)高1 130～1 140 m，為礦井低洼區(qū)域。煤層直接底板為砂質(zhì)泥巖，厚316 m，蒙脫石含量較高，易泥化，含有一定的高嶺石，基本底巖層為粉砂巖，厚9 m。因此，煤層底板及其下伏巖層構(gòu)成了良好的隔水層，構(gòu)成了12601工作面采空區(qū)作為儲集礦井水的理想條件。

大柳塔煤礦礦井水經(jīng)過采空區(qū)凈化處理后，處理效果較好，其水質(zhì)完全可以滿足工業(yè)和綠化用水要求，可以直接作為工業(yè)用水，經(jīng)進(jìn)一步凈化后可作為飲用水并入水網(wǎng)。

4 實(shí)施效果

結(jié)合上述保水采煤關(guān)鍵技術(shù)在神東礦區(qū)巴圖塔、大柳塔、補(bǔ)連塔、哈拉溝、石圪臺、烏蘭木倫等礦開展的保水采煤實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了對各礦水資源的有效保護(hù)。同時，也對保障當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活起到了重要作用。具體的實(shí)施效果如下：

(1)應(yīng)用保水開采技術(shù)有效地保護(hù)了水資源，通過劃分重要水源地保護(hù)區(qū)保護(hù)，主要含水層地下水位明顯恢復(fù)，采前采后水位差僅1～6 m。保護(hù)了神東礦區(qū)地下水資源1.688×107m3。

(2)應(yīng)用厚基巖區(qū)工作面調(diào)整保水開采技術(shù)新增了煤炭產(chǎn)量，加大工作面尺寸、加快推進(jìn)速度、減少防止突水壓煤等技術(shù)，神東礦區(qū)累計(jì)新增煤炭產(chǎn)量4 468萬t。

(3)應(yīng)用礦井水資源化技術(shù)恢復(fù)利用了礦井水資源，應(yīng)用采空區(qū)轉(zhuǎn)移貯存和礦井水資源化處理及恢復(fù)利用技術(shù)，累計(jì)利用了礦井水4.2×107m3，同時減少了礦井水排污。

(4)通過水資源保護(hù)改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境在神東等礦區(qū)實(shí)施了保水開采技術(shù)后，主要含水層水位有了明顯恢復(fù)，不僅有效地保護(hù)了水資源，同時也極大地改善了地表植被生存條件，改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，取得了顯著的環(huán)境效益。

5 結(jié) 論

(1)總結(jié)提出了神東礦區(qū)保水采煤的基本原則，即在研究區(qū)分不同水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先必須采用科學(xué)合理的技術(shù)方法，在煤炭開采過程中最大限度地保護(hù)區(qū)內(nèi)任何可利用的水資源；同時，保水采煤并非在任何條件下都不影響、破壞含水層，而是以保護(hù)水資源的可利用性為基本原則。

(2)針對研究區(qū)內(nèi)厚度>70 m的厚基巖區(qū)，提出了以開采過程中控制采厚不破壞含水層為基礎(chǔ)的保水采煤技術(shù)，并分別依據(jù)上覆隔水層發(fā)育及埋藏條件提出了上覆雙隔水層結(jié)構(gòu)、單隔水層結(jié)構(gòu)以及隔水層缺失結(jié)構(gòu)等多種保水模式。

(3)根據(jù)神東礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和開采條件，論文在前期研究成果的基礎(chǔ)上，提出了5種保水開采模式及其關(guān)鍵技術(shù)，即：重要水源地保護(hù)技術(shù)、厚基巖區(qū)保水開采技術(shù)、燒變巖區(qū)保水技術(shù)、薄基巖區(qū)預(yù)疏放水資源轉(zhuǎn)移存貯技術(shù)和礦井水資源化技術(shù)。

(4)結(jié)合典型礦井，開展了上述關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)場工程實(shí)踐，并取得了良好的應(yīng)用效果。論文的研究成果對于指導(dǎo)神東礦區(qū)，以及我國整個西部干旱半干礦區(qū)水資源保護(hù)性開采具有一定的理論及實(shí)踐意義。

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Water-preserved mining technology and practice in typical high intensity mining area of China

SUN Ya-jun,ZHANG Meng-fei,GAO Shang,XU Zhi-min，SHAO Fei-yan,JIANG Su

(CollegeofResourcesandEarthSciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116，China)

Shendong mining area is a China’s important coal production base and a typical high intensity mining field，which is also a typical fragile ecological environment of arid and semi-arid areas.The coordinated development of coal production and ecological environment in high intensity mining area is an important research topic in the area.Aiming at the lack of water resource in arid and semi-arid,fragile ecological environment in Shendong mining area,this paper puts forward the partition of hydrogeological structure and the water-preserved mining by studying the structure characteristics of hydrological geology,coal strata structure type,etc.On this basis,according to different hydrogeological structure types,it puts forward the key technologies of water-preserved mining such as coal mining important water source area in mining area,thick bedrock aquifer,burning rocks aquifer and thin bedrock aquifer and the use of mine water resources.Finally,combining with the typical mine,it applies the key technologies into engineering practice and achieves a good application effect.

Shendong mining area;water-preserved mining;water source area protection;burnt rock;water transfer & storage ;reclamation of mine water

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5043

2016-07-02

2017-12-20責(zé)任編輯:韓晉平

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB227901);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41502282);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

孫亞軍(1963—)，男，安徽渦陽人,教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail：syj@cumt.edu.cn

TD823

A

0253-9993(2017)01-0056-10

孫亞軍，張夢飛，高尚,等.典型高強(qiáng)度開采礦區(qū)保水采煤關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):56-65.

Sun Yajun,Zhang Mengfei,Gao Shang,et al.Water-preserved mining technology and practice in typical high intensity mining area of China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):56-65.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5043