徐州煤礦采空區(qū)地下水庫建庫可行性研究

姜 素，黃敬軍，徐智敏，孫亞軍，劉 欽，張 麗，崔龍玉，

(1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，江蘇 南京 210018；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

地下水庫是以巖土體空隙為儲水空間，在人工干預(yù)作用下形成的具有較強(qiáng)調(diào)蓄能力的水利工程，它是地下水人工補(bǔ)給、水資源地下儲存與人工開采為統(tǒng)一體的系統(tǒng)工程[1]。地下水庫最早起源于日本，1972年為了有效地利用流入大海的地下水，提出了在櫪木縣那須野原地下建防滲墻來儲蓄地下水的設(shè)想，即建設(shè)地下水庫。我國在1975年興建了第一個地下水庫——南宮地下水庫，此后，為了解決北方地區(qū)的干旱和海水入侵問題，陸續(xù)修建了新疆烏拉泊洼地和柴窩堡盆地、石家莊滹沱河、陜西秦嶺山前、山東八里沙河和黃水河等地下水庫，為干旱區(qū)水資源的合理開發(fā)利用提供新的思路。地下水庫相對于地表水庫具有安全性高、投資少、不占地、無淤積等優(yōu)點，故地下水庫作為“環(huán)保型水資源開發(fā)工程”越來越受到廣泛的關(guān)注，成為國內(nèi)外研究的熱點之一[2]。

煤礦開采形成的導(dǎo)水裂隙帶成為地下水的良好徑流通道，采空區(qū)破斷垮落巖體間的自由空間及采礦巷道構(gòu)成地下水儲存場所，因此礦井采空區(qū)成為區(qū)域地下水的匯集中心。采空區(qū)積水長期被視為水害，絕大部分封存地下或外排損失，針對此問題，顧大釗院士突破原有“堵截法”保水理念，提出了“導(dǎo)儲用”為核心的地下水保護(hù)利用方法，即利用煤炭開采形成的采空區(qū)巖體空隙儲孔，將安全煤柱用人工壩體連接形成水庫壩體，同時建設(shè)礦井水入庫設(shè)施和取水設(shè)施，充分利用采空區(qū)巖體對礦井水的自然凈化作用，建設(shè)煤礦采空區(qū)地下水庫工程[3]。該技術(shù)已在神東礦區(qū)及神華西部礦區(qū)全面推廣應(yīng)用，建成的32座煤礦地下水庫儲水量達(dá)3 100×104m3[4]，并在大柳塔礦建成了首座煤礦分布式地下水庫，解決了礦井的供排水、污水處理、水災(zāi)防治、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排問題，使礦井水資源得到安全高效利用[5]。

徐州是全國嚴(yán)重缺水的城市之一，水資源短缺已嚴(yán)重制約社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤炭資源開發(fā)形成140 km2的采空區(qū)下賦存的礦井水卻未能有效利用。因此，如何利用礦井水資源，構(gòu)建采空區(qū)地下水庫，是徐州市水資源綜合利用亟待解決的重要研究課題。本文以徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)為例，從水資源屬性角度出發(fā)，對采空區(qū)地下水庫建設(shè)可行性進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地質(zhì)及采空區(qū)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造及煤系地層

徐州市位于中國東部新華夏系第二個隆起帶的西側(cè)與秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造帶的交會處，屬于徐蚌褶皺束，地層屬華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐宿地層小區(qū)?；诪樘沤缱冑|(zhì)巖(未出露)，上元古界僅見青白口系、震旦系，為一套碎屑巖沉積，以后相繼沉積寒武系、奧陶系，以碳酸鹽巖為主，下部夾碎屑巖。經(jīng)加里東運動，地殼上升，缺失奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)沉積。受海西運動的影響，地殼下降、發(fā)生海侵，經(jīng)歷了海洋—濱?！箨懙淖冞w，形成了石炭系中-上統(tǒng)的碎屑巖、煤層及灰?guī)r互層和二疊系碎屑巖夾煤層。

徐州最主要的構(gòu)造為徐宿弧形構(gòu)造，表現(xiàn)為復(fù)式背斜與復(fù)式向斜的平行相間呈隔檔式發(fā)育，復(fù)式背斜核部主要由新元古界組成，復(fù)式向斜核部則多由二疊系組成。其中，賈汪、閘河、九里山向斜是含煤區(qū)，構(gòu)成規(guī)劃區(qū)的賈汪、九里(含馬坡)、閘河和利國等4個煤田，含煤地層為二疊系中統(tǒng)下石盒子組、山西組與上石炭統(tǒng)太原組[6]。下石盒子組含煤地層為一套內(nèi)陸河、湖相碎屑沉積，厚約180～220 m，含3～5層煤，第1、2、3層煤可采；山西組含煤地層為海相逐漸向陸相過渡的碎屑沉積，厚60～120 m，含2～6層煤，第7、8、9、10層煤可采；太原組含煤地層為海陸交互相碳酸巖鹽及含煤碎屑沉積，厚140～190 m，含8～12層煤，第17、18、20、21層煤可采。

1.2 水文地質(zhì)條件

徐州煤礦大部分煤層埋深超過200 m，具有埋藏變化大(50～1 000 m)、松散覆蓋層薄(40～90 m)的特征，按地下水賦存的介質(zhì)條件，自上而下可分為孔隙水、裂隙水、巖溶水。孔隙水賦存于第四系全新統(tǒng)粉砂、粉土及上更新統(tǒng)砂層中，屬潛水-弱承壓水，富水性差，除賈汪煤田北部因第四系薄，與下伏基巖裂隙水無隔水層外，其它煤田均與裂隙水無水力聯(lián)系，其補(bǔ)給來源為大氣降水的垂向補(bǔ)給及地表水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。裂隙水賦存于二疊系石盒子組、山西組地層中，含水巖性由頁巖、砂質(zhì)頁巖、粉砂巖及石英砂巖組成，裂隙不發(fā)育，富水性差。巖溶水賦存于石炭系太原組和奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖地層中，為煤層底板含水層。石炭系太原組巖溶水是煤礦區(qū)主要含水層，含水巖性由頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂巖和薄層灰?guī)r組成，含水層與隔水層相間成層。含水的13層薄層灰?guī)r為互不連通的單一含水層(構(gòu)造帶和采空區(qū)除外)，富水性一般，但局部層位局部區(qū)段富水性好，是煤礦突水含水層之一；馬家溝組巖溶水是徐州地區(qū)主要供水水源層位，與含煤地層構(gòu)成“水煤共存”的巖溶水系統(tǒng)，具有“煤在樓上，水在樓下”的結(jié)構(gòu)特點[7]，含水巖性由白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r組成，富水性強(qiáng)，雖不是礦區(qū)含水層，但常通過導(dǎo)水構(gòu)造與太原組巖溶水溝通，導(dǎo)致奧陶系灰?guī)r突水，嚴(yán)重威脅礦井的安全。

1.3 徐州煤礦采空區(qū)概況

徐州煤礦開采至今已有130多年，20世紀(jì)80年代后期全民采礦，鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤窯超過200多家，但國有統(tǒng)配煤礦僅20多家，至2016年底已全部關(guān)閉，累計采煤4.71×108t。徐州煤礦開采形成140 km2的采空區(qū)，其中，東部賈汪煤田采空區(qū)面積最大，達(dá)77.2 km2；西部九里(含馬坡)煤田采空區(qū)面積次之，為52.3 km2；南部閘河煤田和北部利國煤田采空區(qū)面積較小，分別為7.8 km2和2.4 km2。按采空區(qū)埋藏深度分為淺層采空區(qū)(<50 m)、中深層采空區(qū)(50～200 m)和深層采空區(qū)(≥200 m)，面積分別為87.26 km2、40.31 km2和11.68 km2(圖1)。

2 采空區(qū)地下水庫建庫條件分析

建庫條件是指地下水庫的建設(shè)所需要具備的最基本的條件，即足夠大的地下儲水空間、充足的補(bǔ)給水源和水質(zhì)保障[8]。對于采空區(qū)地下水庫而言，儲水空間指采空區(qū)破碎巖體的空隙量，補(bǔ)給水源指通過巖體空隙進(jìn)入采空區(qū)的水量，其水質(zhì)必須符合地下水飲用標(biāo)準(zhǔn)。此外，作為采空區(qū)地下水庫還要考慮水庫運行安全和周邊巖溶水水源地的影響，即采水不引起采空塌陷“活化”和不造成巖溶水水源地資源衰減。

圖1 徐州城市規(guī)劃區(qū)煤礦采空區(qū)分布圖[6]Fig.1 Distribution map of the coal mine goaf in the Xuzhou urban planning area

2.1 采空區(qū)地下水庫儲水空間

采空區(qū)地下水庫主要是利用采空區(qū)破斷垮落巖體間的自由空隙進(jìn)行儲水，水庫庫容即是采空區(qū)范圍內(nèi)垮落巖體的自由空隙總量[9]，采空區(qū)的空間大小決定了地下水庫庫容。根據(jù)徐州城市規(guī)劃區(qū)各礦井資料，采用容積法計算采空區(qū)儲水量，公式如下：

W=KMS/cosα

式中：W——采空區(qū)儲水量/m3；

M——采空區(qū)煤層平均采高/m，依據(jù)礦井各開采煤層計算平均采高或煤厚；

S——采空區(qū)面積/m2，依據(jù)礦井分煤層采掘工程平面圖圈定的水平投影面積；

α——煤層平均傾角/(°)，據(jù)礦井開采煤層計算；

K——充水系數(shù)，與采煤方法、煤層傾角、頂?shù)装鍘r性及采后間隔時間等有關(guān)，《煤礦安全手冊》(1992年)給出的取值范圍0.25～0.50，本文取最小值0.25。

經(jīng)估算，規(guī)劃區(qū)14個礦井采空區(qū)總體積為3.032 8×108m3，儲水總量7 583×104m3(表1)。按采空區(qū)儲水量劃分3個等級，大于1 000×104m3為儲水能力大，介于500×104～1 000×104m3之間的為儲水能力中等，小于500×104m3為儲水能力小。顯然，龐莊和韓橋礦采空區(qū)的儲水能力大。

表1 徐州城市規(guī)劃區(qū)煤礦采空區(qū)體積及儲水量Table 1 Volume and water storage of the coal mine goaf in the Xuzhou urban planning area

2.2 采空區(qū)地下水庫水質(zhì)保障

采空區(qū)水質(zhì)是構(gòu)建地下水庫的重要因素，出庫水質(zhì)應(yīng)基本滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)過凈化、過濾等水質(zhì)處理技術(shù)后達(dá)標(biāo)。采空區(qū)水質(zhì)一是通過采礦期間礦井的外排水水質(zhì)判別，二是通過礦井水水樣測試數(shù)據(jù)判別。

據(jù)相關(guān)資料[10]，2000年徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)各煤礦外排礦井水可分為3類，新河、垞城、義安和臥牛山礦為潔凈礦井水(I類水)，水質(zhì)指標(biāo)基本符合國家標(biāo)準(zhǔn)；權(quán)臺、旗山、大黃山、龐莊和夾河礦為含懸浮物等常規(guī)污染因子較高的礦井水(II類水)，除懸浮物超標(biāo)外，其他指標(biāo)基本符合要求；韓橋和張集礦為高礦化度、高硬度的礦井水(III類水)(表2)。其中，新河礦井下所有涌水點動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，40項監(jiān)測指標(biāo)完全符合飲用I類水標(biāo)準(zhǔn)。自1998年起，就以“排供結(jié)合”方式，通過井巷工程等將符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的礦井水引流、收集、封閉、單獨排至地面，在地面進(jìn)行消毒，然后直接進(jìn)入城市供水管網(wǎng)，日供水5×104m3，為缺水的徐州提供了一個水源可靠、水量充沛、水質(zhì)優(yōu)良的供水基地，滿足了35萬人的生活飲用。

2015—2016年部分礦井水采樣分析表明，臥牛山、新河、旗山、義安、權(quán)臺和夾河礦的礦井水水質(zhì)相對較好，為HCO3—Na或HCO3—Na·Ca型水，溶解性總固體1～2 g/L；垞城、張集礦礦井水水質(zhì)較差，為Cl·SO4—Na·Ca型水，溶解性總固體2～5 g/L；韓橋礦礦井水水質(zhì)極差，為SO4—Mg·Na·Ca型水，溶解性總固體近10 g/L(表3)。由此表明，礦井關(guān)閉對礦井水水質(zhì)影響較小。

表2 徐州城市規(guī)劃區(qū)礦井水2000年監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of mine water in the Xuzhou urban planning area in 2000

表3 徐州城市規(guī)劃區(qū)部分礦井水水質(zhì)分析Table 3 Partial mine water quality analysis in the Xuzhou urban planning area

2.3 采空區(qū)地下水庫調(diào)儲能力

采空區(qū)地下水庫的調(diào)儲能力是地下水庫應(yīng)急供水的資源保障。雖然礦井水非奧陶系巖溶水，為石炭系、二疊煤系地層的裂隙水和巖溶水，但煤系地層地下水的疏干，造成礦井水和奧陶系巖溶水之間的水動力平衡破壞，“三帶”中巖體破裂產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶溝通了礦井水與奧陶系巖溶水的聯(lián)系，表現(xiàn)出礦井水并非單一煤系水，為混合水或典型的奧陶系巖溶水。據(jù)徐州城市供水勘察和地下水資源調(diào)查評價成果，區(qū)內(nèi)1984年礦井疏干排水量36.45×104m3/d，疏干奧陶系巖溶水9.76×104m3/d，占26.8%；1999年礦井疏干排水量25.40×104m3/d，疏干奧陶系巖溶水12.55×104m3/d，占49.4%，顯然，隨著煤礦開采的加深，奧陶系巖溶水的疏排比例增大。據(jù)統(tǒng)計，規(guī)劃區(qū)內(nèi)14個煤礦生產(chǎn)過程中地下水排泄總量為36.79×108m3，其中奧陶系巖溶水14.22×108m3，占38.7%(表4)。

采礦期間礦井涌水量大，說明礦井水補(bǔ)給水源充足，據(jù)14個煤礦礦井生產(chǎn)時期歷年平均涌水量統(tǒng)計，韓橋、新河、大黃山、權(quán)臺和臥牛山礦歷年平均涌水量大于500 m3/h，調(diào)儲能力大；青山泉、義安、張集和夾河礦介于100～500 m3/h，調(diào)儲能力中等；其它礦小于100 m3/h，調(diào)儲能力小。

煤礦生產(chǎn)排水形成以礦區(qū)為中心的疏干降落漏斗，關(guān)閉礦井后疏干含水層和巷道被地下水回灌充填，導(dǎo)致相鄰礦井或采區(qū)礦井水連通，地下水位迅速回升。青山泉—韓橋礦關(guān)閉礦井區(qū)域地下水流場演化模擬表明，關(guān)閉1 a內(nèi)水位上漲較快(1.14 m/a)，1～3 a水位回升速度明顯減慢(0.165 m/a)，3～10 a水位回升速度更小(0.039 m/a)，礦區(qū)地下水流系統(tǒng)得到恢復(fù)[11]。

綜上所述，結(jié)合采空區(qū)水庫所處位置，以“水質(zhì)優(yōu)先，先近后遠(yuǎn)”原則，判別規(guī)劃區(qū)內(nèi)14個礦井中新河、臥牛山、大黃山、韓橋、龐莊、權(quán)臺和青山泉礦等7個礦井具備建立采空區(qū)地下水庫的條件。其中新河礦、臥牛山礦、大黃山礦庫容雖小，但因水質(zhì)基本滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，且調(diào)儲能力大，水源能及時得到補(bǔ)給，同時上述三礦臨近城區(qū)(距離小于10 km)，采空區(qū)地下水庫可利用等級為I級；青山泉、權(quán)臺、韓橋、龐莊礦庫容雖大，但水質(zhì)相對較差，地下水庫可利用等級為II級；其它采空區(qū)地下水庫可利用等級為III級(表5)。

3 采空區(qū)地下水庫運行安全分析

表4 徐州城市規(guī)劃區(qū)煤礦涌水量及消耗量Table 4 Inflow and consumption of coal mine water the in Xuzhou urban planning area

表5 采空區(qū)地下水庫優(yōu)先利用等級Table 5 Grading standards in priority utilization of groundwater reservoir in the coal mining goaf

煤礦采空區(qū)地下水庫壩體主要由保安煤柱和隔水巖層組成。正常情況下煤柱起到隔水作用，但采礦活動使煤柱中的裂隙擴(kuò)大，地下水通過裂隙進(jìn)入煤柱，地下水對殘留煤柱的浸泡、溶蝕作用破壞覆巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，采空區(qū)出現(xiàn)巖體孔隙、裂隙和空洞的再壓密，并伴隨巖塊的轉(zhuǎn)動和蠕變等“活化”現(xiàn)象[12]。因此，采空區(qū)地下水庫的穩(wěn)定性是構(gòu)建地下水庫的關(guān)鍵。

采空區(qū)地下水庫壩體的主要結(jié)構(gòu)為安全煤柱，儲水對煤柱壩體產(chǎn)生侵蝕，影響壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[13]。為此，選取龐莊礦7煤和9煤的15塊煤樣，用井下-370 m礦井水浸泡，分5組進(jìn)行物理力學(xué)強(qiáng)度測試。第一組煤柱未經(jīng)浸泡、第二組浸泡7 d、第三組浸泡15 d、第四組浸泡21 d，第五組浸泡41 d。劈裂法試驗測試結(jié)果表明，煤樣浸泡后7煤的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和9煤的抗壓強(qiáng)度在浸泡初期強(qiáng)度下降幅度大，3周后煤樣的強(qiáng)度減少程度較小，基本處于穩(wěn)定(圖2)。

圖2 煤樣浸泡抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測試曲線Fig.2 Tests curve of tensile strength and compressive strength of the immersed coal samples

縱觀城市規(guī)劃區(qū)建庫條件庫I、II級的采空區(qū)地下水庫，關(guān)閉時間多在2008年前，僅龐莊礦(2013年關(guān)閉)和權(quán)臺(2015年關(guān)閉)時間較短，但至今也在2 a以上，保安煤柱經(jīng)礦井水2 a的浸泡，強(qiáng)度早已穩(wěn)定。2007—2010年及2012—2015年InSAR監(jiān)測資料表明，關(guān)閉2 a以上礦山的最大地表形變速率在5 mm/a以內(nèi)，基本趨于穩(wěn)定(表6)。因此，上述采空區(qū)作為地下庫，庫體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，不會引發(fā)采空區(qū)“活化”。

表6 徐州城市規(guī)劃區(qū)煤礦采空區(qū)地表變形InSAR監(jiān)測Table 6 InSAR monitoring results of coal mine in the the Xuzhou urban planning area

4 結(jié)論及建議

(1)徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)地下水庫是以采空區(qū)破斷垮落巖體間的自由空間及巷道為儲水空間，據(jù)估算儲水總量可達(dá)7 583×104m3；采礦期間礦井的外排水和礦井水水樣測試數(shù)據(jù)表明，除韓橋和張集礦外，礦井水都滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)；安全煤柱劈裂法試驗測試和INSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采空區(qū)作為地下水庫庫體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，徐州城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)具備修建地下水庫的基本條件。

(2)徐州城市規(guī)劃區(qū)14個煤礦中新河、臥牛山、大黃山、韓橋、龐莊、權(quán)臺和青山泉礦等7個礦井具備建立采空區(qū)地下水庫的條件，其中，新河、臥牛山、大黃山等3個I級采空區(qū)地下水庫儲水量超1 000×104m3；韓橋、龐莊、權(quán)臺和青山泉礦等4個II級采空區(qū)地下水庫儲水量近4 000×104m3。

(3)本文從采空區(qū)儲水空間、補(bǔ)給水源、水質(zhì)條件等方面進(jìn)行研究。但采礦時砌筑水閘墻形成的阻水帷幕是由混凝土澆筑而成且長期受高壓酸性水侵蝕，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗?jié)B性能可能降低[14]，擋水失效可使酸性礦井水與優(yōu)質(zhì)礦井水混合，影響采空區(qū)地下水庫的運行；同時，礦井中遺棄的生活垃圾等污染物對礦井水的污染機(jī)理、礦井水在水位回彈過程中與圍巖及其保安煤柱之間的水巖作用機(jī)理及其水動力與水質(zhì)演化效應(yīng)、礦井水再利用可能誘發(fā)的環(huán)境問題及其防控技術(shù)等科學(xué)問題[15]亟待研究。礦井關(guān)閉后原有的疏排礦井水的設(shè)施都已廢棄，如何利用未封閉的井筒或大口徑鉆孔抽取礦井水，其經(jīng)濟(jì)合理性也是今后研究的方向。