陜北煤炭大規(guī)模開采含隔水層結(jié)構(gòu)變異及水資源動態(tài)研究

何明偉（神華神東榆家梁煤礦，陜西榆林　719000）

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陜北煤炭大規(guī)模開采含隔水層結(jié)構(gòu)變異及水資源動態(tài)研究

何明偉
（神華神東榆家梁煤礦，陜西榆林719000）

【摘 要】由于我國西北地區(qū)的煤炭資源儲量豐富，埋藏淺厚度又大，所以我國煤炭資源開采逐漸向西北地區(qū)靠攏，但是西北地區(qū)處于干旱-半干旱地區(qū)，這就突顯出煤炭開采和水資源保護(hù)之間矛盾點(diǎn)，通過對含隔水層結(jié)構(gòu)變異的分析以及對水資源動態(tài)的研究，從而可以平衡下煤炭開采和水資源保護(hù)之間的問題。

【關(guān)鍵詞】含隔水層結(jié)構(gòu)水位波動采空區(qū)儲水

1　引言

對于在陜北煤炭大規(guī)模開采的同時要保護(hù)好水資源這一問題，它涉及到很多方面，通過對關(guān)鍵隔水土層采動滲透性的變化特征對采動隔水層結(jié)構(gòu)變異進(jìn)行分類，根據(jù)水資源動態(tài)研究來分析水資源被動區(qū)潛水位和水資源漏失區(qū)采空區(qū)儲水動態(tài)演化的分析來進(jìn)行預(yù)測，并檢驗(yàn)在陜北干旱地區(qū)進(jìn)行的采空區(qū)儲水是否可行。本文針對位于陜西省榆林市神木縣東北部的榆家梁煤礦進(jìn)行簡單分析，榆家梁煤礦地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)溝形支離破碎，梁峁蜿延分布，沙丘屢見不鮮，沖溝極為發(fā)育，第四系堆積不厚，地形相對高差100m左右，由于自然地理因素的控制，植被稀少水土流失十分嚴(yán)重。

2　關(guān)鍵隔水土層采動變異特征分析

隔水粘性土層的采動隔水性變異特征是決定于陜北煤炭大規(guī)模開采含水結(jié)構(gòu)的變異的主要原因，煤層在開采前，通過對變水頭實(shí)驗(yàn)曲線的分析顯示離石黃土和保德紅土在天然狀態(tài)下是相對隔水層。通過對原位雙環(huán)注水試驗(yàn)測定的分析結(jié)果看，天然狀態(tài)下的兩層黏土裂隙不發(fā)育，并且固結(jié)壓力對粘性土層的滲透性有控制作用。粘性土在圍壓不變，軸向加載的過程中，加載壓力路徑有利于“保水采煤”，但與上訴過程相反的狀態(tài)下，加載壓力路徑就不利于“保水采煤”，在煤層開采后，粘性土中的裂隙主要取決于粘性土裂隙開度和綜合應(yīng)力狀態(tài)，由于兩層粘性土受不同應(yīng)力路徑的作用，滲透性變異也存在著一定的差異性。

3　水資源動態(tài)研究分析

3.1水資源被動區(qū)潛水位動態(tài)演化分析

榆家梁井田延安組含煤九層，其中有對比意義的有5層，即3-1、4-2、4-3、4-4、5-2煤層。從榆家梁井田可采煤層開采實(shí)踐表明，當(dāng)進(jìn)行煤層回采時，并沒有大量潛水涌進(jìn)礦井，但是在采空區(qū)上方，潛水位仍然有所下降，造成一些泉眼干涸和一些河溝斷流，潛水對于陜北來說非常重要，這要造成的水源流失將對陜北生態(tài)環(huán)境造成巨大損失。水資源被動區(qū)潛水位動態(tài)演化分析可以采用三種方式，即水資源被動區(qū)潛水位動態(tài)演化物理模擬分析、恢復(fù)泰斯模型分析和現(xiàn)場實(shí)測分析。在這里簡單以水資源被動區(qū)潛水位動態(tài)演化物理模擬進(jìn)行分析。模型砂層潛水位的動態(tài)變化可以分為兩個過程，即煤層回采過程中潛水位動態(tài)變化和停采后潛水位恢復(fù)特征。

（1）煤層回采過程中潛水位動態(tài)變化特征。隨著工作面的推進(jìn)，隨著工作面的推進(jìn)，每次來壓時，砂層潛水位都發(fā)生了周期性的下調(diào)，并且每次水位降到最低點(diǎn)時均在回采區(qū)域的中心位置，但在工作面開切眼和收割線的附近，水位降深最小，有的甚至接近0米。（2）停采后潛水位恢復(fù)特征。當(dāng)煤層停采后，再次對砂層潛水位進(jìn)行觀測，在煤層停采后，首先在開始的一段時間內(nèi)潛水位恢復(fù)的挺快，但在后期開始變慢，直到最后水位恢復(fù)到停采時的水位。

伴隨著煤層的回采，將產(chǎn)生粘性土層下沉盆地，當(dāng)含水層的底板邊界發(fā)生了不均勻的連續(xù)沉降時，潛水位將會隨著礦山的壓力而發(fā)生周期性的下降，在停采后，周圍的潛水通過側(cè)向補(bǔ)給，之前的初期水位恢復(fù)的會比較快，之后速度就會減慢下來，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作面的潛水位恢復(fù)百分之九十五需要實(shí)際的300天。另外伴隨著煤層的回采，基巖中的亞關(guān)鍵層依次彎曲，最終導(dǎo)致破斷，但是隔水層隨著基巖的運(yùn)動而保持了其穩(wěn)定性，并最終形成下沉盆地，同時由于水沙混合體具有較強(qiáng)的流動性和補(bǔ)給性，所以隨著時間的推移，離層將會呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，這樣就使得粘性土層的下沉盆地將會進(jìn)一步的發(fā)育。在排泄部分區(qū)域，造成了泉眼溝壑?jǐn)嗔?、采空區(qū)附近的農(nóng)業(yè)短期減產(chǎn)還有一些河溝斷流，但是土地沙漠化有所緩解，針對這些問題，可以采取一些措施進(jìn)行防治，比如在開采時采用綜合長壁的開采方式，控制一下總開采煤炭的強(qiáng)度，采用合理的間隔式回采順序，工作面的布置要合理，水資源進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度并且加強(qiáng)生態(tài)灌溉。

3.2水資源漏失區(qū)采空區(qū)儲水動態(tài)演化分析

根據(jù)榆家梁煤礦水文地質(zhì)類型分類報(bào)告分析得出礦井目前正常涌水量172m3/h，統(tǒng)計(jì)礦井歷年涌水量資料，最大涌水量180m3/ h，最小涌水量150m3/h，歷年來正常涌水量均小于180m3/h，而西北干旱半干旱缺水礦區(qū)各方面需水量巨大，如研究區(qū)范圍內(nèi)煤炭大規(guī)模開采的初期階段對水資源的需求量需要530萬立一年，歷年來榆家梁煤礦礦井生產(chǎn)和生活供水水源有臨時水源，店塔滲渠水源和礦井采空復(fù)用水三個水源。

陜北煤炭大規(guī)模的開發(fā)使大量的地表水和地下水進(jìn)入礦區(qū)，雖然一部分的礦井水排出礦井外，但仍有一部分的礦井水滯留在采空區(qū)，這就給水資源的循環(huán)造成一定的困難，礦井水的充分利用是陜北地區(qū)水系統(tǒng)正均衡的關(guān)鍵，所以就要考慮下采空區(qū)儲水的開發(fā)利用，通過對各種地質(zhì)條件下采空區(qū)的儲水?dāng)?shù)值進(jìn)行分析，采空區(qū)的儲水值在垂向和平面上有著滲透各向異性，通過原位測試，工作面裂隙帶的儲水量是冒落帶出水量的0.71倍，在不同地質(zhì)條件下的采空區(qū)，這兩者之間的比值也有所不同，從采空區(qū)供水儲水的模式中得出，工作面的儲水水質(zhì)優(yōu)良、水量比較豐富并且水位埋深比較淺，所以這種情況下的儲水能夠解決生態(tài)保護(hù)所需要的水量，在一定程度上可以緩解下煤炭開采和水資源保護(hù)之間的矛盾。

4　煤炭開采水資源影響分區(qū)及保水技術(shù)措施

根據(jù)榆家梁煤礦水文地質(zhì)情況分析來看，煤炭開采水資源影響分區(qū)第四系風(fēng)成砂及沖積層孔隙潛水含水層、第四系黃土層及沖、湖積層孔隙水含水層、第四系黃土層裂隙孔洞潛水含水層、第三系紅土隔水層、白堊系下統(tǒng)洛河組裂隙孔隙潛水含水層、 侏羅系中統(tǒng)安定組裂隙含水層 及直羅組裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙含水層、侏羅系下統(tǒng)富縣組裂隙含水層，其中第四系風(fēng)成砂及沖積層孔隙潛水含水層， 前者主要分布在窟野河中游至神木沿長城以北地區(qū)及梁峁頂部低洼處，厚度不一，多組成固定或固定型砂丘，透水性好而含水微弱，僅在洼地中含水，局部形成湖沼、海子。后者為河谷地帶，透水性好補(bǔ)給源多，其富水性受地貌和巖性控制。

在榆家梁煤礦首采煤層開采時，沒有發(fā)現(xiàn)水資源干凹型，所以水資源的影響分區(qū)主要分為水資源不漏失區(qū)、輕微漏失區(qū)、一般漏失區(qū)和嚴(yán)重漏失區(qū)。導(dǎo)水裂隙帶沒有發(fā)育到隔水土層的是水資源不漏失區(qū)，當(dāng)水資源導(dǎo)水裂隙帶完全貫穿隔水土層并使其失去隔水性的是水資源嚴(yán)重漏失區(qū)，水資源輕微漏失區(qū)和水資源一般漏失區(qū)還沒有得到具體的數(shù)值結(jié)果。為了在進(jìn)行大規(guī)模煤炭開采的同時要注意水資源的合理利用，這就需要我們采取一定的措施，從而達(dá)到“保水采煤”的效果，從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)結(jié)果來看，主要的保水措施有5條，即留設(shè)防水煤巖柱、含水層轉(zhuǎn)移存儲、采空區(qū)儲水的利用、礦井排水資源化、合理的開采工藝。最基本的防治水措施就是留設(shè)防水煤巖柱，以保證地表水系嚴(yán)重漏失區(qū)和一般漏失區(qū)與采空區(qū)不存在聯(lián)系，來阻止井下水的大量涌出和地表水系斷流。含水層轉(zhuǎn)移存儲技術(shù)措施主要是對煤炭可能疏干的含水層靜儲量值有一定的作用，主要分布在砂層潛水或局部火燒巖富水區(qū)。采空區(qū)儲水的利用這種保護(hù)措施主要是使礦區(qū)可利用的水資源趨于正均衡，利用采空區(qū)的儲水進(jìn)行地面生態(tài)保護(hù)灌溉用水。煤炭回采面積的增加使礦井排水日益增大，把這些水資源合理利用也是“保水采煤”的一種措施。除了以上四種保水措施，還有一種是在煤炭開采的期間選用合理的開采工藝，在嚴(yán)重漏失區(qū)和一般漏失區(qū)，采區(qū)合理的開采工藝可以使導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度得到控制，從而避免大量的水資源進(jìn)入采空區(qū)。

5　結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，煤炭的需求量也逐漸加大，陜北地區(qū)的煤炭儲量雖然豐富，但與之存在的矛盾點(diǎn)是水資源也比較匱乏，所以在煤炭開采和水資源的利用上要實(shí)現(xiàn)平衡，通過對陜北煤炭大規(guī)模開采含隔水層結(jié)構(gòu)變異及水資源動態(tài)研究的簡單分析，希望可以為這兩者之間的矛盾提供一些有些有利的價值。

參考文獻(xiàn)：

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