王 宇,王大鵬,霍丙杰

(1.神華集團神東煤炭集團保德煤礦,山西保德,036603;2.山西晉神河曲煤炭開發(fā)公司磁窯溝煤礦,山西河曲,036500;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

煤礦區(qū)保水開采技術(shù)實踐

王 宇1,3,王大鵬2,3,霍丙杰3

(1.神華集團神東煤炭集團保德煤礦,山西保德,036603;2.山西晉神河曲煤炭開發(fā)公司磁窯溝煤礦,山西河曲,036500;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

為了保護水資源,從工作面的布置、煤巖柱的留設(shè)及采煤方法的變革等方面,提出了保水開采的技術(shù)途徑。榆神府礦區(qū)保水開采的生產(chǎn)實踐表明,留設(shè)防水煤柱保證了松散層地下水不向礦井發(fā)生大量滲漏,建立集中供水水源地的技術(shù)方案,減少沙層水含水層向礦坑的垂直入滲量,保水效果較好。

保水開采;采煤方法;應(yīng)用實踐;地下水

Practice of M in ing withoutDestroyingWater Resource

我國西北地區(qū)煤炭資源豐富,煤層厚、埋藏淺,人為的疏干排水和采動形成的導(dǎo)水裂隙造成煤系含水層的自然疏干和第四系含水層的流失,破壞了地下水資源,使原本脆弱的西部環(huán)境問題更加突出。因此,在采煤前查明礦區(qū)水資源分布范圍和狀態(tài),掌握含水層、隔水層厚度等水文地質(zhì)資料,合理選擇采礦工藝,有效控制覆巖破壞,進(jìn)行保水采煤或盡可能的減少對水資源的破壞,是煤礦區(qū)保水開采的重要研究內(nèi)容[1]。

保水開采的目標(biāo)是在防治采場突水的同時,對水資源進(jìn)行有意識的保護,使煤炭開采對礦區(qū)水文環(huán)境的擾動量小于區(qū)域水文環(huán)境容量。研究在開采后上覆巖層的破斷規(guī)律和地下水漏斗的形成機理,以及各種地質(zhì)條件下開采期間巖層活動與地下水滲漏的關(guān)系,從采礦方法、地面注漿等方面采取措施,實現(xiàn)礦井水資源的保護和綜合利用。

1 煤炭開采對地下水的影響分析

1.1 煤炭開采對地下水水位的影響

(1)開采對淺、中層地下水的影響 淺、中層地下水是工業(yè)用水和生活用水的主要水源,由于采煤的影響,導(dǎo)致煤系地層及上覆松散巖層中垂向裂縫增多、增大,煤系地層中的水以及松散巖層地層中的水均快速地向下滲透,形成了區(qū)域性地下水位降落漏斗,淺、中層地下水逐年被疏干,煤礦周圍村莊的水井也因無水而報廢,造成了村民的吃水問題[2]。

(2)對深層地下水的影響 煤礦在開采過程中,為維持采礦的正常進(jìn)行及采煤工作面的橫向和縱向的發(fā)展,必須將工作面周圍的水或潛在的水排出。隨開采深度的加大,深層各含水層水被截留,轉(zhuǎn)化為礦坑水排出,礦井排水量逐年增加,導(dǎo)致深層地下水位逐年下降,所形成的地下水降落漏斗范圍和幅度也越來越大。深層地下水位一再下降,很難在短時期內(nèi)得到恢復(fù)。

1.2 煤炭開采對地下水水質(zhì)的影響

礦井疏排地下水是煤礦對地下水系統(tǒng)的一項最基本操作,操作后果主要有 2個方面：一方面是當(dāng)有害地下水排到地面后,即構(gòu)成污染源,可導(dǎo)致地表水體、淺層土壤、地下水含水層等其他環(huán)境因素的次生污染;另一方面煤礦疏排水改變了地下水系統(tǒng)的自然物理與化學(xué)格局,并對地下水系統(tǒng) (包括地下水的儲存量和水質(zhì)流場的介質(zhì)等)產(chǎn)生反作用。2種作用都引起礦區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化,并又反過來對礦區(qū)開發(fā)建設(shè)帶來不利影響。

隨著煤礦疏排水的延續(xù),地下水環(huán)境發(fā)生演化,水 -巖作用以及所處化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化,地下水化學(xué)環(huán)境平衡遭到破壞,氧化作用加劇,巖石淋蝕作用加強,生物作用也明顯,致使地下水化學(xué)成分發(fā)生變化[3]。如水中含有較多的有機 (褐煤)和無機 (粉砂)懸浮固體物質(zhì),pH值很低,隨著礦坑水的排放總礦化度不斷增加,某些組分的濃度也增大,引起地下水礦化度增大、有害成分增多等。環(huán)境演化的結(jié)果,致使煤礦地下水資源枯竭及水體環(huán)境污染,不僅供水系統(tǒng)大量報廢,還導(dǎo)致了巖溶地面塌陷的連鎖反應(yīng)。

2 保水開采技術(shù)途徑

2.1 合理選擇開采區(qū)域

(1)對于不存在含水層或煤層埋藏適中,有含水層但其底部有厚度較大隔水層的地區(qū)。該區(qū)域煤層開采的垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育不到含水層底部,不至于破壞含水層結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)保水開采。

(2)有含水層隔水層分布,但隔水層的厚度有限,煤層開采后需采取一定的措施,才可以保護地下水不受破壞的地區(qū)。需要研究煤層采動覆巖破壞規(guī)律和地下水位下降與沙漠地區(qū)植被生存條件的關(guān)系等。應(yīng)采取有效保水開采措施后方可進(jìn)行開采,如神東礦區(qū)禿尾河沿岸的一些井田。

(3)對于煤層埋藏淺、又富含水,煤層開采會造成地下水全部滲漏的地區(qū)。一旦開采,礦井突水可以通過提前疏降水工程保證,但不能保證地下水含水結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境的破壞,在沒有徹底解決地下水滲漏問題之前,暫緩開發(fā)。如神府東勝煤田烏蘭木倫河上游的一些井田。已經(jīng)開采的礦井,應(yīng)該采取保水開采措施。

2.2 留設(shè)防水煤巖柱

目前在松散含水層等水體下采煤,一般根據(jù)開采區(qū)域巖煤地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、煤 (巖)柱兩側(cè)的開采狀況及采礦技術(shù)條件等因素,采取留設(shè)防水 (砂)煤 (巖)柱的方法進(jìn)行開采。

首先以鉆孔沖洗液法為主,結(jié)合其他方法研究確定導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。通?在工作面上方地表沿煤層走向和傾向布置觀測線,施工數(shù)個水文鉆孔和巖移觀測孔,根據(jù)鉆孔中水位變化、沖洗液消耗量大小及巖芯破碎程度等綜合分析,確定深埋近露頭煤層開采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度和分布形態(tài)。

其次,厚松散層下近風(fēng)化帶保水開采的 GIS研究,可用于保水條件下的安全煤柱留設(shè)設(shè)計。該研究建立了 GIS數(shù)據(jù)庫和圖形庫,通過 GIS多因素擬合建立了近風(fēng)化帶覆巖采動破壞 “兩帶”高度的預(yù)計模型,提出了開采上限的 GIS決策模式[4-5]。

2.3 應(yīng)用保水采煤方法

(1)減小導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊拈_采方法 保水開采可應(yīng)用國內(nèi)外“三下”采煤技術(shù)與特殊開采方法,使煤層頂板巖層破壞減小,導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р徊八w。減小斷裂帶高度的采煤方法有：充填開采、條帶開采、分層開采、協(xié)調(diào)開采、限厚開采及覆巖離層注漿等。

(2)以底板加固為主導(dǎo)的保水開采技術(shù) 對于底部賦存巖溶水或承壓水體的煤層,近年來以底板加固為主導(dǎo)技術(shù)的保水開采技術(shù)取得了長足進(jìn)展。工作面底板加固是對底板隔水層薄弱帶進(jìn)行注漿強化處理,既降低底板地層滲透性,又提高底板地層抗壓性,起到了封堵和加固作用。

(3)淺埋煤層長壁工作面保水開采方法 中國礦業(yè)大學(xué)張東升等提出一種淺埋煤層長壁工作面保水開采方法,適用于淺埋煤層的水資源保護。

根據(jù)煤層地質(zhì)測量數(shù)據(jù)確定開采工作面,采用長度在 200m以上的長壁工作面;工作面采用8000kN以上高強度的液壓支架支撐;選用合適的配套設(shè)備,保證工作面日推進(jìn)速度在 15m以上;在開切眼區(qū)域附近 10～50m范圍內(nèi)局部充填或局部降低采高,以減少采動覆巖貫通裂縫,使基巖不發(fā)生整體錯動式破壞;并在基本頂初次來壓區(qū)域附近 10～50m范圍內(nèi),局部降低采高或在其對應(yīng)地表影響范圍內(nèi)局部注漿以減小覆巖的運移空間,使覆巖形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),增強采動覆巖阻水作用。

3 榆神府礦區(qū)保水開采實踐

3.1 礦區(qū)概況及水資源破壞情況

榆神府礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單,地層平緩向西傾斜。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組,煤層多屬中厚、厚煤層。榆神府礦區(qū)由地表到煤層底板包括以下地層：第四系的風(fēng)積沙、馬蘭組、薩拉烏蘇組、離石組、三門組、第三系上新統(tǒng)三趾馬組、白堊系洛河組、侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組。榆神府礦區(qū)內(nèi)對保水開采有意義的主要含水層為砂層 (薩拉烏蘇和風(fēng)積沙)和燒變巖水[6]。

據(jù)神木縣水利局提供的資料,母河溝泉域是一個完整的第四系地下水流含水盆地,薩拉烏蘇組是該泉域唯一的含水巖層,泉域匯水面積 14.25km2,接受大氣降水的入滲補給,自然下滲。礦區(qū)開發(fā)初期,一直以母河溝泉域地下水為礦區(qū)的供水水源。1996年后,該泉域地下水含水層不斷下降,1997年已經(jīng)下降至基巖附近,表明薩拉烏蘇組地下水已被基本疏干,母河溝泉流量也不斷減少,主泉口已斷流,2002年 4月測得流量僅 1680m3/d,衰減達(dá)70%以上,無法再提供水源。地下水環(huán)境,細(xì)菌學(xué)指標(biāo)超標(biāo),且呈現(xiàn)出懸浮物和有機物污染特點。

3.2 保水開采工程技術(shù)措施及保水效果

(1)合理留設(shè)防水安全煤柱 淺埋型近水平煤層“三下”采煤,合理確定防水煤巖柱高度,控制垮落帶發(fā)育在含水層以下,對盡可能減少壓煤,又能保住薩拉烏蘇組水,實現(xiàn)保水開采是關(guān)鍵。根據(jù)保水開采類型分區(qū),對大保當(dāng)區(qū)為保水開采。采用拉斷處理的彈塑性非線性有限元法計算三帶發(fā)育高度,計算系數(shù)采用 Hock-Brow原則,確定了巖體強度,取代巖塊強度,冒落物的力學(xué)參數(shù)采用了大尺寸有側(cè)限加壓試驗確定,結(jié)合基巖強風(fēng)化帶工程地質(zhì)特征和三軸伺服測試結(jié)果,表明采動后位于整體移動帶第四系離石黃土和第三系紅土亦能夠起到良好的隔水作用,確定了大保當(dāng)?shù)V區(qū)垂直方向保水安全煤巖柱留設(shè)高度。留設(shè)防水煤柱保證了松散層地下水不向礦井發(fā)生大量滲漏。

(2)建立淺排集中供水水源地 該項工作既充分利用薩拉烏蘇組含水層水資源作為礦區(qū)供水,又起到保護生態(tài)環(huán)境的作用。通過在燒變巖帶建立水源地,使大量砂層水通過水平方向流向燒變巖區(qū),可有效地減少下滲量。燒變巖不屬于煤炭開發(fā)區(qū),比較穩(wěn)定,且儲水能力大,水量極為豐富。燒變巖地下水是由沙層水補給的,在燒變巖帶建立水源地,其實質(zhì)是利用燒變巖貯水空間抽取沙層水,通過水源地大流量抽水造成大范圍降落漏斗,使水量大部分流向燒變巖,減少沙層水含水層向礦坑垂直入滲量,并由此可解放一部分保水煤柱,達(dá)到最大限度地開發(fā)煤炭資源。

(3)保水開采的采煤方法劃分體系 含水地層能否實現(xiàn)保水開采,取決于采空區(qū)上覆巖土層的工程地質(zhì)性質(zhì)、地層組合結(jié)構(gòu)以及采礦方法,這些因素決定了采空區(qū)上覆巖土層中導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育情況[7]。各地層的厚度不一,因此,各煤礦的保水開采條件也不相同。如果采空區(qū)上覆巖層中的導(dǎo)水?dāng)嗔褞]有發(fā)育到含水層,就可以實現(xiàn)保水開采,否則含水層中的水會通過導(dǎo)水?dāng)嗔褞Я魇?不能實現(xiàn)保水開采。通過相似模擬試驗和數(shù)值模擬研究不同地質(zhì)條件下,采用不同開采方法時采空區(qū)上覆基巖的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度來確定適宜的保水開采方法。

由現(xiàn)場開采實踐和相似模擬試驗,嘗試建立榆神府礦區(qū)保水開采的采煤方法劃分體系并提出相應(yīng)的保水開采方法。

按照圖 1進(jìn)行保水開采的采煤方法區(qū)劃：非保水開采區(qū)即基巖上覆土層中無含水地層,包括趙家梁礦、朱概塔礦和石窯店礦;長壁開采區(qū),包括永樂礦、十八墩礦、金雞灘礦、補連塔礦和大保當(dāng)?shù)V部分礦區(qū)等;間歇開采區(qū),包括大柳塔礦部分礦區(qū)、上灣礦、烏蘭木倫礦、大保當(dāng)?shù)V部分礦區(qū)和三一礦等;充填開采或房柱式開采區(qū),包括大柳塔礦部分礦區(qū)、石圪臺礦部分開采區(qū)、郭家梁礦、大榘一礦、三一礦和討老烏素礦等;分層開采區(qū),包括榆神礦等。

圖1 神府礦區(qū)保水開采采煤方法劃分體系

4 結(jié)論

(1)煤炭開采對地下水的水位和水質(zhì)均有較大影響。開采形成了區(qū)域性地下水位降落漏斗,隨開采深度的加大,降落漏斗范圍和幅度也越來越大;開采導(dǎo)致地下水化學(xué)環(huán)境平衡遭到破壞,引起地下水礦化度增大、有害成分增多。

(2)保水開采技術(shù)途徑主要有：合理選擇開采區(qū)域、留設(shè)防水煤巖柱及應(yīng)用保水采煤方法。

(3)榆神府礦區(qū)保水開采實踐表明,保水效果明顯,留設(shè)防水煤柱保證了松散層地下水不向礦井發(fā)生大量滲漏,建立集中供水水源地的技術(shù)方案,減少沙層水含水層向礦坑垂直入滲量。

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TD802

B

1006-6225(2010)01-0044-03

2009-09-14

王 宇 (1981-),男,黑龍江拜泉人,助理工程師,主要從事采煤方法及礦山壓力控制方面的研究。

施紅霞]

開采與設(shè)計