神府榆礦區(qū)礦井排水量現(xiàn)狀分析及遠期預測

趙耀東，張朝逢，楊 建，李 瑾

(1. 陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054)

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神府榆礦區(qū)礦井排水量現(xiàn)狀分析及遠期預測

趙耀東1，張朝逢1，楊 建2,3，李 瑾2,3

(1. 陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054)

摸清神府榆礦區(qū)現(xiàn)階段和未來的礦井排水量，利用煤炭產(chǎn)量、礦井生產(chǎn)能力、富水系數(shù)等數(shù)據(jù)進行研究，結果表明：隨著研究區(qū)煤炭開發(fā)強度逐漸增大，原煤產(chǎn)量從2001年的1 616萬 t增長到2014年的36 200萬 t，煤炭大型現(xiàn)代化礦井年產(chǎn)量均在500萬 t以上，其中活雞兔礦達到2 067.47萬t/a。神府礦區(qū)礦井排水量46.00～1 218.00 m3/h，平均富水系數(shù)0.231 0 m3/t；榆神礦區(qū)礦井排水量139.11～3 698.00 m3/h，平均富水系數(shù)1.167 4 m3/t；榆橫礦區(qū)礦井排水量360.80～1 357.00 m3/h，平均富水系數(shù)1.959 3 m3/t；從神府→榆神→榆橫，采煤過程中富水系數(shù)逐漸增大，且同一礦區(qū)的不同煤礦之間，富水系數(shù)差異也較大。結合煤炭產(chǎn)量和礦井排水量，計算得到神木、榆陽和橫山的礦井水水量分別為0.938 0×108m3/a、0.715 7×108m3/a、0.086 1×108m3/a，神府榆礦區(qū)礦井總排水量為1.739 8×108m3/a，遠期礦井排水量可達3.067～3.55×108m3/a。對神府榆礦區(qū)現(xiàn)階段和遠期礦井排水量開展研究，可以為榆林市合理開發(fā)利用礦井水資源提供依據(jù)，實現(xiàn)煤炭開發(fā)與水資源保護相協(xié)調。

神府榆礦區(qū)；大型礦井；煤炭產(chǎn)量；礦井排水量；富水系數(shù)

陜北地區(qū)所在的鄂爾多斯盆地，發(fā)育于中晚三疊世至早白堊世的中生代大型克拉通內盆地[1]，是我國最大的聚煤盆地。陜北地區(qū)包括神府、榆神和榆橫三個礦區(qū)(簡稱神府榆礦區(qū))[2][3]，含煤地層主要位于侏羅系中下統(tǒng)延安組，具有煤質優(yōu)良、儲量巨大、構造簡單等特點[4]，是我國正在建設的重要能源基地。鄂爾多斯盆地是由多種不同類型巖石上下疊置構成的構造沉積盆地，也是由多個含水層系統(tǒng)上下疊置構成的巨型地下水盆地，賦存相對豐富的地下水資源[5]。但是，煤炭開采過程中引起的頂板覆巖破壞，導致上覆含水層水進入井下，為了保證煤礦安全生產(chǎn)，必須大量排放礦井水；而且神府榆礦區(qū)地處干旱半干旱的黃土高原和毛烏素沙漠過渡地帶[6]，屬于水資源短缺和生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)[7]，礦區(qū)供水主要靠抽取地下水資源和礦井水綜合利用[8]。研究神府榆礦區(qū)大型礦井的礦井排水特征，是進一步分析煤炭開采對地下水資源影響的重要基礎工作，從而為榆林地區(qū)合理利用礦井水資源提供科學依據(jù)，實現(xiàn)煤炭開發(fā)與水資源保護利用的相互協(xié)調。

1 研究區(qū)概況

神府榆礦區(qū)地處我國西北內陸干旱地區(qū)，屬于毛烏素沙漠與黃土高原過渡地帶(圖1)，面積約11 500 km2，全區(qū)總的地勢是西北高，東南低，一般海拔在800～1 400 m之間。根據(jù)地貌形態(tài)的相似性和成因的一致性原則，從西北向東南依次分布著湖群高平原區(qū)、風沙草灘區(qū)、蓋沙丘陵區(qū)以及河谷區(qū)[9]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地向斜的東翼北部，是一個向西緩傾的單斜構造，斷裂和褶皺構造不發(fā)育，地面廣覆現(xiàn)代風積砂及第四紀黃土，其下為分布較廣且厚度較大的薩拉烏蘇組以及零星分布的新近紀泥巖，沿陜蒙邊界下伏白堊紀砂巖及泥巖，侏羅系為一套以內陸湖盆相為主的碎屑巖，隱伏于白堊系、新近系和第四系之下，或出露于深切河谷之中，侏羅系延安組為煤系地層[10]。

研究區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸型季風氣候，降水量小，且時空分布不均勻，冬春季干旱少雨、多風沙，夏季多雨。根據(jù)1961～2014年同步期系列分析計算多年平均降水量為392.41 mm，其中，多年降水量最大的是神木縣(窟野河流域)，其值達415.06 mm，最小的是榆陽區(qū)(定邊內流區(qū))，為366.74 mm。

2 煤炭資源開采歷史

本地區(qū)煤炭開發(fā)從上個世紀80年代的神府煤田開始，已有30多年的歷史，特別是上世紀90年代以來，榆林煤炭資源開發(fā)的速度不斷加快、規(guī)模迅速擴大。原煤產(chǎn)量從2001年的1 616萬 t增長到2014年的36 200萬 t(圖2)。鑒于大型煤礦多采用長壁垮落式開采方法，易造成地下水水位下降和生態(tài)環(huán)境惡化；而中小型煤礦一般都采用房柱式、巷柱式、甚至硐式等落后的采煤方法，對煤層上覆巖層的破壞較小，一般不會使含水層破壞和潛水水位下降。因此，本研究主要調研了研究區(qū)內大型煤礦的煤炭生產(chǎn)量，詳見表1。

(1)神府礦區(qū)：石圪臺、哈拉溝、大柳塔、活雞兔等大型現(xiàn)代化礦井，年產(chǎn)量均在1 000萬 t以上，其中活雞兔礦達到2 067.47萬 t/a。(2)榆神礦區(qū)：作為新開發(fā)的礦區(qū)，已開采的大型礦井主要有錦界、涼水井、杭來灣等，年產(chǎn)量在500～2 000萬 t/a，其中錦界煤礦2014年產(chǎn)量為1 925.81萬 t。(3)榆橫礦區(qū)：該礦區(qū)目前只有一個正在開采的大型礦井，即小紀汗煤礦，2014年產(chǎn)量約為500萬 t。

圖2 榆林市歷年煤炭產(chǎn)量(2000年～2014年)

編號礦井地質儲量(Mt/a)產(chǎn)量(Mt/a)礦井排水量(m3/h)富水系數(shù)礦區(qū)1石圪臺817.5911.971712180.8912神府2哈拉溝970.5916.16283530.1913神府3大柳塔1466.9617.83824480.2200神府4活雞兔1601.5120.67474130.1750神府5孫家岔850.654.0000800.1752神府6檸條塔2760.2620.15006600.2869神府7張家峁1431.429.98882000.1754神府8紅柳林1964.5315.00002400.1402神府9榆家梁1001.6017.99691510.0735神府10三道溝2814.9910.6721460.0378神府11榆樹灣1890.688.00005940.6504榆神12錦界1813.7019.258136981.6821榆神13金雞灘2486.604.0000139.110.3047榆神14杭來灣1264.998.2700——————榆神15涼水井760.074.53003380.6536榆神16薛廟灘234.741.6660——————榆神17麻黃梁195.273.3253——————榆神18小紀汗2561.305.00007001.2264榆橫19榆陽892.482.000013575.9437榆橫20巴彥高勒913.23.8100360.80.8296呼吉爾特

注：*榆陽礦產(chǎn)量為2010年數(shù)據(jù)

3 大型礦井排水現(xiàn)狀分析

針對大型現(xiàn)代化礦井在生產(chǎn)階段煤炭產(chǎn)量和礦井排水量的調研(表1)，并根據(jù)礦井富水系數(shù)公式：

Kp=Q/P

式中：Kp為礦井富水系數(shù)；Q為某一時期(通常為1年)內礦井(或采區(qū))排水量；P為同一時期的煤炭開采量。

計算了各礦井的富水系數(shù)，得到如下規(guī)律：(1)神府礦區(qū)：10座煤礦的礦井排水量為46.00～1 218.00 m3/h，富水系數(shù)為0.0378～0.891 2 m3/t，平均富水系數(shù)為0.231 0 m3/t；(2)榆神礦區(qū)：據(jù)已收集的榆樹灣、錦界、涼水井、金雞灘資料，其礦井排水量為139.11～3 698.00 m3/h，富水系數(shù)為0.304 7～1.682 1 m3/t，平均富水系數(shù)為1.167 4 m3/t；(3)榆橫礦區(qū)：目前只有一個大型煤礦(小紀汗)，結合已關閉的榆陽礦，以及呼吉爾特礦區(qū)的巴彥高勒礦，計算得到該區(qū)域礦井排水量為360.80～1 357.00 m3/h，富水系數(shù)為0.829 6～5.943 7 m3/t，平均富水系數(shù)為1.959 3 m3/t。總體上，從神府→榆神→榆橫，采煤過程中富水系數(shù)逐漸增大，且同一礦區(qū)的不同煤礦之間，富水系數(shù)差異也較大。

4 研究區(qū)礦井排水量現(xiàn)狀評價

4.1 水量評價方法

本次研究根據(jù)煤礦的分布情況，按照煤田分區(qū)進行評價和統(tǒng)計，包括神府礦區(qū)、榆神礦區(qū)和榆橫礦區(qū)。水量主要是根據(jù)現(xiàn)場調查結果為基準，并結合所處區(qū)域的水文地質條件進行評價。

根據(jù)榆林市神府榆礦區(qū)煤礦分布特征并結合水資源配置要求，評價以各礦區(qū)為計算單元。評價主要依據(jù)本次現(xiàn)場調研的數(shù)據(jù)為基礎，煤炭的產(chǎn)量按照設計產(chǎn)量開采為前提，利用產(chǎn)量類比法進行計算評價。

式中：r均為礦井水總排放率，即生產(chǎn)每噸煤所排出的水量；W總為研究區(qū)礦井水總排放量；M總為研究區(qū)煤礦的總產(chǎn)量；W1為被調查煤礦礦井水排放量；M1為被調查煤礦的產(chǎn)量；M2為區(qū)內未被調查煤礦的產(chǎn)量。

4.2 水量評價結果分析

根據(jù)調查結果，神府榆地區(qū)被調查的18座大型煤礦2014年礦井排水量為0.998 8×108m3，其中神府礦區(qū)10個煤礦0.333 7×108m3，榆神礦區(qū)4個煤礦0.417 8×108m3，榆橫礦區(qū)(包括巴彥高勒和納林河二號礦)4個煤礦0.247 4×108m3。結合神木、榆陽、橫山三個縣(區(qū))2014年煤炭產(chǎn)量，可初步研究得到這三個縣(區(qū))煤礦開采產(chǎn)生的礦井排水量，具體情況分述如下：

(1)神木縣現(xiàn)有煤礦128座，其中國有(中央和省屬)生產(chǎn)煤礦14座，國有基建煤礦2座，地方生產(chǎn)煤礦41座，地方整合在建煤礦70座，地方新建煤礦1座。2014年神木縣煤炭產(chǎn)量為2.25億 t，其中縣屬煤礦產(chǎn)量達到6 500萬 t以上。

綜合神府礦區(qū)和榆神礦區(qū)煤炭產(chǎn)量和礦井水水量，得到該地區(qū)的平均富水系數(shù)為0.416 9 m3/t，由此計算出神木縣礦井排水量為2.25×108×0.416 9=0.938 0×108m3/a。

(2)榆陽區(qū)現(xiàn)有煤礦28座，其中國有生產(chǎn)煤礦1座(榆陽礦，已關閉)，國有基建煤礦3座，地方生產(chǎn)煤礦11座，地方整合在建煤礦6座，地方新建煤礦7座。2014年榆陽區(qū)煤炭產(chǎn)量為6 093萬 t。利用榆神礦區(qū)4座煤礦和榆橫礦區(qū)的小紀汗礦，可計算得到榆陽區(qū)煤礦開采富水系數(shù)為1.174 6 m3/t，由此計算出榆陽區(qū)礦井排水量為0.609 3×108×1.174 6=0.715 7×108m3/a。

(3)橫山縣現(xiàn)有煤礦25座，其中國有基建煤礦2座，地方生產(chǎn)煤礦9座，地方整合在建煤礦13座，地方新建煤礦1座。2014年煤炭產(chǎn)量為816萬 t。榆橫礦區(qū)煤礦開采的平均富水系數(shù)為1.959 3 m3/t，由此計算出榆陽區(qū)礦井排水量為0.081 6×108×1.959 3=0.159 9×108m3。該礦井水水量與實際情況相差較大，主要原因是榆陽礦，鑒于該礦屬于淺埋型礦井，且已經(jīng)關閉，而目前在建的或生產(chǎn)的大型礦井，均為深埋型煤礦，因此選擇小紀汗和巴彥高勒礦井為對象，其平均富水系數(shù)1.054 8 m3/t，可計算得到橫山縣礦井排水量為0.081 6×108×1.054 8=0.086 1×108m3/a。

綜合神木、榆陽和橫山這三個縣(區(qū))的礦井排水現(xiàn)狀(以2014年作為基準年)，計算得到神府榆地區(qū)礦井排水量為(0.938 0+0.715 7+0.086 1)×108=1.739 8×108m3/a。

4.3 研究區(qū)礦井排水量預測

神府礦區(qū)、榆神礦區(qū)、榆橫礦區(qū)規(guī)劃的生產(chǎn)能力分別為245.10～262.10 Mt/a、97.75～124.75 Mt/a、85.00～94.00 Mt/a，合計產(chǎn)能427.85～480.85 Mt/a；未來各礦區(qū)按照生產(chǎn)能力達產(chǎn)后，神府榆地區(qū)煤炭產(chǎn)量在現(xiàn)狀基礎上，還有一定增加。根據(jù)各礦區(qū)的礦井富水系數(shù)，分別計算得到遠期礦井排水量分別為1.02～1.09×108m3、1.15～1.47×108m3、0.90～0.99×108m3，合計礦井排水量為3.067～3.55×108m3(表2)，即隨著陜北煤炭的持續(xù)高強度開發(fā)，礦井排水量還將有較大增加(1.739 8×108m3/a→3.067～3.55×108m3/a)。我國每年因煤炭開采破壞地下水約80億 t，而利用率僅25%左右，損失的礦井水資源相當于我國每年工業(yè)和生活缺水量的60%；而且神府榆礦區(qū)氣候干旱，蒸發(fā)量是降雨量的6倍左右，外排的礦井水很快蒸發(fā)損失。如何實現(xiàn)煤炭開發(fā)與水資源保護相協(xié)調，是未來陜北地區(qū)煤炭資源可持續(xù)開發(fā)的關鍵問題。

表2 神府榆礦區(qū)遠期煤炭產(chǎn)能及礦井排水量表

5 結語

(1)近十幾年，研究區(qū)煤炭資源開發(fā)速度不斷加快，規(guī)模迅速擴大，原煤產(chǎn)量從2001年的1 616萬 t增長到2014年的36 200萬 t，煤炭大型現(xiàn)代化礦井年產(chǎn)量均在500萬 t以上，神府礦區(qū)在三個礦區(qū)的煤炭開發(fā)強度最高，其中活雞兔礦達到2 067.47萬 t/a。

(2)神府礦區(qū)礦井排水量46.00～1218.00 m3/h，平均富水系數(shù)0.231 0 m3/t；榆神礦區(qū)礦井排水量139.11～3 698.00 m3/h，平均富水系數(shù)1.167 4m3/t；榆橫礦區(qū)礦井排水量360.80～1 357.00 m3/h，平均富水系數(shù)1.959 3 m3/t；總體上，從神府→榆神→榆橫，采煤過程中富水系數(shù)逐漸增大，且同一礦區(qū)的不同煤礦之間，富水系數(shù)差異也較大。

3)結合煤炭產(chǎn)量和礦井排水量，計算得到神木、榆陽和橫山的礦井水水量分別為0.938 0×108m3/a、0.715 7×108m3/a、0.086 1×108m3/a，神府榆礦區(qū)現(xiàn)狀礦井總排水量為1.739 8×108m3/a；根據(jù)神府榆礦區(qū)煤礦生產(chǎn)能力，計算得到遠期礦井排水量為3.067～3.55×108m3/a，實現(xiàn)煤炭開發(fā)與水資源保護相協(xié)調，是未來陜北地區(qū)煤炭資源可持續(xù)開發(fā)的關鍵問題。

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Present situation and long term analysis of mine drainage in Shenfuyu mining area

ZHAO yao-dong1，ZHANG Zhao-feng1，YANG Jian2,3，LI Jin2，3

(1.Shaanxi province groundwater management monitoring Bureau, Xi’an 710003, Shaanxi；2.CCTEG Xi’an Research Institute, Xi’an 710054, Shaanxi；3.Shaanxi Key Laboratory of Preventing and Controlling Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710054, Shaanxi)

In order to clarify the present and future mine drainage in Shenfuyu mining area, some data (e.g., the coal output, mine production capacity and water yield property) were used to carry out the study. The results show that the raw coal output increased from 16.16 million tons in 2001 to 362 million tons in 2014 due to the coal mining intensity increasing in the study area. The annual output of large modern coal mine was more than 5 million tons, and the maximum output was 20.674 7 million tons/years in Huojitu mine. The mine drainage in Shenfu mining area wss 46.00～1 218.00 m3/h and the average water yield property was 0.231 0 m3/t. The mine drainage in Yushen mining area is 139.11～3 698.00 m3/h and the averge water yield property is 1.167 4 m3/t; The mine drainage in Yuheng mining area is 360.80～1 357.00 m3/h and the averge water yield property is 1.959 3 m3/t; From Shenfu to Yushen, and then to Yuheng, the water yield property increased gradually in the coal mining process and the water yield property difference is quite big among different coal mine of the same mining area. Combined with the coal output and mine drainage, we caculate that the mine water quantity in Shenmu、Yuyang and Hengshan are 0.938 0×108m3/a、0.715 7×108m3/a、0.086 1×108m3/a respectively, total mine drainage in Shenfuyu mining area is 1.739 8×108m3/a and the long-term mine drainage can reach 3.067/3.55×108m3/a. We carry out the research about the present and long-term mine drainage in Shenfuyu mining area, which can provide the basis for reasonable exploitation and utilization of mine water resources in Yulin and improve coordination between the implementation of coal mining and protection of water resources.

Shenfuyu mining area；Large coal mine；coal output；Mine drainage and water yield property

2016-08-14

趙耀東(1961-)，男，陜西乾縣人，教授級高工，主要從事地下水資源開發(fā)利用研究保護管理等工作。

P641.4

A

1004-1184(2016)06-0087-03