煤礦區(qū)保水開(kāi)采技術(shù)實(shí)踐

王 宇,王大鵬,霍丙杰

(1.神華集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)保德煤礦,山西保德,036603;2.山西晉神河曲煤炭開(kāi)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(kāi)采技術(shù)實(shí)踐

王 宇1,3,王大鵬2,3,霍丙杰3

(1.神華集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)保德煤礦,山西保德,036603;2.山西晉神河曲煤炭開(kāi)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(hù)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(kāi)采的技術(shù)途徑。榆神府礦區(qū)保水開(kāi)采的生產(chǎn)實(shí)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(kāi)采;采煤方法;應(yīng)用實(shí)踐;地下水

Practice of M in ing withoutDestroyingWater Resource

我國(guó)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(dòng)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(wèn)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(duì)水資源的破壞,是煤礦區(qū)保水開(kāi)采的重要研究?jī)?nèi)容[1]。

保水開(kāi)采的目標(biāo)是在防治采場(chǎng)突水的同時(shí),對(duì)水資源進(jìn)行有意識(shí)的保護(hù),使煤炭開(kāi)采對(duì)礦區(qū)水文環(huán)境的擾動(dòng)量小于區(qū)域水文環(huán)境容量。研究在開(kāi)采后上覆巖層的破斷規(guī)律和地下水漏斗的形成機(jī)理,以及各種地質(zhì)條件下開(kāi)采期間巖層活動(dòng)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(shí)現(xiàn)礦井水資源的保護(hù)和綜合利用。

1 煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響分析

1.1 煤炭開(kāi)采對(duì)地下水水位的影響

(1)開(kāi)采對(duì)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(wú)水而報(bào)廢,造成了村民的吃水問(wèn)題[2]。

(2)對(duì)深層地下水的影響 煤礦在開(kāi)采過(guò)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(kāi)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(lái)越大。深層地下水位一再下降,很難在短時(shí)期內(nèi)得到恢復(fù)。

1.2 煤炭開(kāi)采對(duì)地下水水質(zhì)的影響

礦井疏排地下水是煤礦對(duì)地下水系統(tǒng)的一項(xiàng)最基本操作,操作后果主要有 2個(gè)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(duì)地下水系統(tǒng) (包括地下水的儲(chǔ)存量和水質(zhì)流場(chǎng)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(guò)來(lái)對(duì)礦區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)帶來(lái)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(qiáng),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(jī) (褐煤)和無(wú)機(jī) (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(bào)廢,還導(dǎo)致了巖溶地面塌陷的連鎖反應(yīng)。

2 保水開(kāi)采技術(shù)途徑

2.1 合理選擇開(kāi)采區(qū)域

(1)對(duì)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(kāi)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(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采。

(2)有含水層隔水層分布,但隔水層的厚度有限,煤層開(kāi)采后需采取一定的措施,才可以保護(hù)地下水不受破壞的地區(qū)。需要研究煤層采動(dòng)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(kāi)采措施后方可進(jìn)行開(kāi)采,如神東礦區(qū)禿尾河沿岸的一些井田。

(3)對(duì)于煤層埋藏淺、又富含水,煤層開(kāi)采會(huì)造成地下水全部滲漏的地區(qū)。一旦開(kāi)采,礦井突水可以通過(guò)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(méi)有徹底解決地下水滲漏問(wèn)題之前,暫緩開(kāi)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(kāi)采的礦井,應(yīng)該采取保水開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(cè)線,施工數(shù)個(gè)水文鉆孔和巖移觀測(cè)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(kāi)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(kāi)采的 GIS研究,可用于保水條件下的安全煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)。該研究建立了 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形庫(kù),通過(guò) GIS多因素?cái)M合建立了近風(fēng)化帶覆巖采動(dòng)破壞 “兩帶”高度的預(yù)計(jì)模型,提出了開(kāi)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_(kāi)采方法 保水開(kāi)采可應(yīng)用國(guó)內(nèi)外“三下”采煤技術(shù)與特殊開(kāi)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(kāi)采、條帶開(kāi)采、分層開(kāi)采、協(xié)調(diào)開(kāi)采、限厚開(kāi)采及覆巖離層注漿等。

(2)以底板加固為主導(dǎo)的保水開(kāi)采技術(shù) 對(duì)于底部賦存巖溶水或承壓水體的煤層,近年來(lái)以底板加固為主導(dǎo)技術(shù)的保水開(kāi)采技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。工作面底板加固是對(duì)底板隔水層薄弱帶進(jìn)行注漿強(qiáng)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(zhǎng)壁工作面保水開(kāi)采方法 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)張東升等提出一種淺埋煤層長(zhǎng)壁工作面保水開(kāi)采方法,適用于淺埋煤層的水資源保護(hù)。

根據(jù)煤層地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)確定開(kāi)采工作面,采用長(zhǎng)度在 200m以上的長(zhǎng)壁工作面;工作面采用8000kN以上高強(qiáng)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(kāi)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(dòng)覆巖貫通裂縫,使基巖不發(fā)生整體錯(cuò)動(dòng)式破壞;并在基本頂初次來(lái)壓區(qū)域附近 10～50m范圍內(nèi),局部降低采高或在其對(duì)應(yīng)地表影響范圍內(nèi)局部注漿以減小覆巖的運(yùn)移空間,使覆巖形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),增強(qiáng)采動(dòng)覆巖阻水作用。

3 榆神府礦區(qū)保水開(kāi)采實(shí)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(jiǎn)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(duì)保水開(kāi)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(gè)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(bǔ)給,自然下滲。礦區(qū)開(kāi)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(cè)得流量?jī)H 1680m3/d,衰減達(dá)70%以上,無(wú)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(jī)物污染特點(diǎn)。

3.2 保水開(kāi)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(duì)盡可能減少壓煤,又能保住薩拉烏蘇組水,實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采是關(guān)鍵。根據(jù)保水開(kāi)采類型分區(qū),對(duì)大保當(dāng)區(qū)為保水開(kāi)采。采用拉斷處理的彈塑性非線性有限元法計(jì)算三帶發(fā)育高度,計(jì)算系數(shù)采用 Hock-Brow原則,確定了巖體強(qiáng)度,取代巖塊強(qiáng)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(yàn)確定,結(jié)合基巖強(qiáng)風(fēng)化帶工程地質(zhì)特征和三軸伺服測(cè)試結(jié)果,表明采動(dòng)后位于整體移動(dòng)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(xiàng)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(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。通過(guò)在燒變巖帶建立水源地,使大量砂層水通過(guò)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(kāi)發(fā)區(qū),比較穩(wěn)定,且儲(chǔ)水能力大,水量極為豐富。燒變巖地下水是由沙層水補(bǔ)給的,在燒變巖帶建立水源地,其實(shí)質(zhì)是利用燒變巖貯水空間抽取沙層水,通過(guò)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(kāi)發(fā)煤炭資源。

(3)保水開(kāi)采的采煤方法劃分體系 含水地層能否實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)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(kāi)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](méi)有發(fā)育到含水層,就可以實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采,否則含水層中的水會(huì)通過(guò)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Я魇?不能實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采。通過(guò)相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究不同地質(zhì)條件下,采用不同開(kāi)采方法時(shí)采空區(qū)上覆基巖的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度來(lái)確定適宜的保水開(kāi)采方法。

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

按照?qǐng)D 1進(jìn)行保水開(kāi)采的采煤方法區(qū)劃：非保水開(kāi)采區(qū)即基巖上覆土層中無(wú)含水地層,包括趙家梁礦、朱概塔礦和石窯店礦;長(zhǎng)壁開(kāi)采區(qū),包括永樂(lè)礦、十八墩礦、金雞灘礦、補(bǔ)連塔礦和大保當(dāng)?shù)V部分礦區(qū)等;間歇開(kāi)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(kāi)采或房柱式開(kāi)采區(qū),包括大柳塔礦部分礦區(qū)、石圪臺(tái)礦部分開(kāi)采區(qū)、郭家梁礦、大榘一礦、三一礦和討老烏素礦等;分層開(kāi)采區(qū),包括榆神礦等。

圖1 神府礦區(qū)保水開(kāi)采采煤方法劃分體系

4 結(jié)論

(1)煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的水位和水質(zhì)均有較大影響。開(kāi)采形成了區(qū)域性地下水位降落漏斗,隨開(kāi)采深度的加大,降落漏斗范圍和幅度也越來(lái)越大;開(kāi)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(kāi)采技術(shù)途徑主要有：合理選擇開(kāi)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(kāi)采實(shí)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。

[1]錢鳴高,許家林,繆協(xié)興 .煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(4)：333-347.

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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(kāi)采與設(shè)計(jì)