準東大井礦區(qū)保水采煤開發(fā)利用研究

李根生，曾 強，楊 潔，何學敏，沈 莉

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

近年來，我國進行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，不斷提高非化石能源消費在能源消費中的占比，發(fā)展綠色清潔能源產(chǎn)業(yè)。2017年，全國累計生產(chǎn)原煤35.23億t，同比增長3.3%，占世界總產(chǎn)量的45.6%，煤炭消費量占能源消費總量的60.4%[1]。未來很長一段時間，煤炭作為我國能源消費的主體能源地位不變。

我國西部地區(qū)已探明煤炭資源儲量10 628億t，約占我國已探明儲量的81%，而新疆地區(qū)煤炭資源最為豐富，2 000 m以淺預(yù)測煤炭資源量2.19萬億t，約占全國2 000 m以淺預(yù)測煤炭資源量的40%以上[2]。新疆準東礦區(qū)預(yù)測煤炭資源儲量4 580億t，占新疆儲量的20.9%、全國儲量的8.2%，其中已探明儲量2 149億t[3]。其作為我國已發(fā)現(xiàn)最大整裝煤田，是我國第十四個大型煤炭基地。但該區(qū)域氣候干旱、降水量稀少、蒸發(fā)強烈、水資源匱乏、地表植被稀疏、水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱，加之該區(qū)域煤層賦存面積廣、單層厚度大、開采強度大、擾動范圍廣，因此該區(qū)域煤層開采勢必造成區(qū)域地下水位下降，改變區(qū)域地下水流向，形成區(qū)域地下水降落漏斗，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境，對區(qū)域及鄰近綠洲生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生深遠影響[4-5]。從礦區(qū)煤炭資源綠色保水開采和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，亟需先行開展區(qū)域水文地質(zhì)基礎(chǔ)研究，因地制宜開發(fā)區(qū)域保水采煤技術(shù)。

針對保水采煤的水文地質(zhì)基礎(chǔ)及水資源開發(fā)利用，錢鳴高等[6]首次提出綠色保水采煤概念；范立民[7]系統(tǒng)開展了西部生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤研究；王雙明等[8]研究了生態(tài)脆弱區(qū)含隔水層特征及保水采煤分區(qū)；武強等[9]系統(tǒng)研究了“煤-水”雙資源型礦井開采技術(shù)方法與工程應(yīng)用；黃慶享[10]針對淺埋煤層研究了保水采煤隔水層穩(wěn)定性；李文平等[11]研究了近淺埋煤層開采隔水層及潛水層變化；馬立強等[12]提出了“采充并行式”充填保水采煤方法；白海波等[13]研究了隔水關(guān)鍵層在保水采煤中的作用；馬雄德等[14]基于植被地下水關(guān)系研究了保水采煤；張東升等[15]研究了西北礦區(qū)保水采煤內(nèi)涵及其展望；顧大釗[16]提出了采空區(qū)地下水庫建設(shè)理論框架及技術(shù)體系；袁亮等[17]科學思考了關(guān)閉及廢棄煤礦礦井水資源開發(fā)利用。以上學者關(guān)于保水采煤已形成一套理論及實踐體系，但隨著我國煤炭產(chǎn)能重心逐步西移，以準東煤炭基地為代表的生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源綠色保水開采理論及實踐體系亟待建立。

本文以準東生態(tài)脆弱區(qū)煤炭基地為背景，選取準東大井礦區(qū)為典型對象，基于區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研、理論研究，分析礦區(qū)煤層賦存特征、含隔水層結(jié)構(gòu)特征，估算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，分析該區(qū)域頂板隔水層穩(wěn)定性，探討保水采煤可行性，嘗試提出適用于該礦區(qū)高礦化度礦井水資源開發(fā)和綜合利用方式，對準東生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源綠色保水開采具有一定指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

準東礦區(qū)位于新疆昌吉州境內(nèi)，準噶爾盆地東南緣，東至木壘縣，西至阜康市，南至東天山山脈，北至卡拉麥里山及阿爾泰山，東西長約200 km，礦區(qū)面積約15 334 km2[4]，地勢總體呈南北高、中部低，區(qū)內(nèi)北部以沙漠、戈壁地為主，南部以農(nóng)田、林地、草地為主，以及山前洪沖積扇小面積荒地，地理位置如圖1所示。準東二號礦井位于準東礦區(qū)的中北部，東西長12 km，南北寬12.3～13 km，面積152.42 km2，設(shè)計產(chǎn)能30 Mt/a[18]。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area

準東礦區(qū)大地構(gòu)造單元屬于準噶爾地塊東北緣卡拉麥里山前拗陷。拗陷北界與東準噶爾地槽褶皺系卡拉麥里冒地槽褶皺帶毗連，東南部是奇臺隆起，沿克拉麥里南麓呈北西西向展布。礦區(qū)地層區(qū)劃屬北疆-興安地層大區(qū)，北疆地層區(qū)，南準噶爾-北天山地層分區(qū)，位于大井凹陷構(gòu)造單元(Ⅳ級構(gòu)造單元)中，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂，屬于構(gòu)造簡單地區(qū)。區(qū)內(nèi)出露地層有古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系，新生界第三系、第四系。

2 礦區(qū)煤巖賦存與水文地質(zhì)

2.1 煤巖賦存特征

區(qū)內(nèi)主采B1煤層均賦存于中侏羅統(tǒng)西山窯組，煤層厚度為43.74～64.83 m，平均厚度為53.31 m，西部煤層較厚，厚度達60～70 m，煤層厚度從東北和南部向中、西部呈加厚趨勢變化，先期開采煤層厚度為50～60 m。煤層傾角為1～3°，局部為4～6°，煤層水平垂深為747～476 m，煤層埋深由東南至西北逐漸加深，煤層屬穩(wěn)定深埋巨厚煤層。主采B1煤層頂板多為細砂巖、泥巖、粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板多為高炭泥巖、炭質(zhì)泥巖、含碳泥巖及細砂巖，鉆孔柱狀及其在礦井平面水文地質(zhì)圖位置見圖2。

圖2 礦井平面水文地質(zhì)圖及鉆孔柱狀Fig.2 The plane map of hydrogeological ofmine and borehole columnar

2.2 水文地質(zhì)

井田地勢北高南低，地下水平均埋深約40 m，未見地下水天然露頭，地表主要由第四系透水不含水層組成，石樹溝群裂隙孔隙弱含水層呈南北帶狀分布，見圖2。區(qū)內(nèi)無常年性地表水流，年平均降水量106 mm，年蒸發(fā)量1 202～2 382 mm，5～8月偶有雷陣雨，冬季積雪量少，地下水補給主要來自上游大氣降水或冰雪融水補給，地下水沿水力坡度順勢向下游或向深部運移是地下水的排泄方式之一，未來礦井疏干排水亦將是地下水排泄的方式。高礦化度礦井水一般是指含鹽量大于1 000 mg/L。根據(jù)礦井抽水試驗時采集地層水樣分析成果[19]，地下水化學特征見表1。

由表1可知，井田地下水化學類型為SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na、Cl-Na，pH值為7.4～9.2，溶解性總固體在1 570.6～9 681.6 mg/L，水質(zhì)較差，為微咸水～咸水，屬高礦化度礦井水，可利用程度差。

據(jù)礦井地質(zhì)資料[19]，當鉆孔進入中-粗砂巖、礫巖段時，鉆孔漏水、漏漿或孔內(nèi)水位升高，說明此類巖石孔隙率較大，裂隙較發(fā)育且不易閉合，透水、含水性較好，劃分為含水段，而將粉砂巖、泥巖等細顆粒巖石劃分為相對隔水段，將地層自上而下劃分為5個含隔水段，各含隔水段水文地質(zhì)特征分述見表2。

表1 地下水化學特征Table 1 Chemical characteristics of groundwater

表2 含隔水段特征Table 2 Characteristics of water-resistant strata

由礦井地質(zhì)資料可知[19]，含水層Ⅲ及含水層Ⅳ均為煤層直接充水含水層，其滲透系數(shù)分別為0.0062～0.0125 m/d、0.00304～0.00467 m/d，單位涌水量分別為0.0056～0.0081 L/(s·m)、0.00312～0.00529 L/(s·m)，其中含水層Ⅲ巖性多為泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖、中砂巖，含水層Ⅳ巖性為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、中砂巖、細砂巖，含一層巨厚煤層B1煤層。含水層Ⅱ為煤層間接充水含水層，其底部為厚-巨厚層狀砂礫巖。

區(qū)內(nèi)白堊系下統(tǒng)吐谷魯群弱含水層(Ⅱ)、侏羅系中-上統(tǒng)石樹溝群弱含水段(Ⅲ)、侏羅系中統(tǒng)西山窯組弱含水層(Ⅳ)均為層間承壓水，當隔水頂板或頂板巖性變化或構(gòu)造變動，并使其連通時，三者之間產(chǎn)生相應(yīng)的水力聯(lián)系。

主采B1煤層屬深埋巨厚煤層，采煤對含隔水層的破壞勢必造成頂板水滲入井下，產(chǎn)生大量礦井水，本次采用大井法計算預(yù)測礦井涌水量達2 050 m3/d，安全采煤需采取疏干排水措施將礦地下水通過管路外排至礦區(qū)以外，未經(jīng)處理的高礦化度礦井水若用于礦區(qū)綠化或排至地表勢必造成地下潛水位升高、土壤鹽漬化，影響植物生長甚至枯萎。

3 保水采煤可行性分析

3.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)礦井鉆孔柱狀圖，以鉆孔巖芯完整和破碎程度劃分煤層頂板各巖層含隔水性，煤層頂板含隔水性劃分結(jié)果見表3。

由表3可知，煤層頂板含水層與隔水層具有互層特征，其中距離煤層98 m處含厚度為62 m的粉砂泥巖互層隔水層，其可作為頂板關(guān)鍵隔水層。距離煤層54 m處含厚度為45 m的泥巖含水層，其可作為頂板關(guān)鍵含水層。因此，為保護45 m厚的泥巖含水層，需分析采場導(dǎo)水裂隙帶是否對厚度為15 m的細砂巖隔水層產(chǎn)生完全破壞，另外為保護關(guān)鍵含水層，需分析采場導(dǎo)水裂隙帶是否對厚度為62 m 的粉砂泥巖互層隔水層產(chǎn)生完全破壞。

表3 煤層頂板含隔水層Table 3 Water-resistant strata of coal seam roof

3.2 隔水保護層穩(wěn)定性分析

保水采煤核心是保護頂板特定目標含水層，防止采動導(dǎo)水裂隙與特定含水層貫通。工程中常采用規(guī)程經(jīng)驗公式及類比法估算本區(qū)域內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶是否發(fā)育至含水層。

基于礦井頂板巖層力學性質(zhì)和實測裂采比及規(guī)程中軟弱與中硬條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式，并考慮地質(zhì)條件、煤層賦存特征及礦井生產(chǎn)規(guī)模，分別估算本礦區(qū)大采高分層開采(分層采高7 m)和放頂煤分層開采(分層采高14 m)條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，計算結(jié)果見表4。

表4 導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度預(yù)測Table 4 Prediction height of water-conducting fractures

由表4可知，采厚為7 m時，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍為79.1～190.5 m；當采厚為14 m時，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍為158.2～334.5 m?；趨^(qū)域相似礦井沙積海礦實測數(shù)據(jù)，大采高分層開采和放頂煤分層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測分別為94.5 m、189 m，若采用大采高分層開采方式，則頂板導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至頂板厚達54 m的含水層2，其下3層隔水層穩(wěn)定性已破壞，將對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。若礦井采用放頂煤分層開采方式，則頂板導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至頂板隔水層4，其下4層含隔水層穩(wěn)定性已破壞，即導(dǎo)水裂隙帶將與含水層3貫通，將對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅。若根據(jù)經(jīng)驗公式預(yù)測估算度，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高將更高，對頂板隔水層的穩(wěn)定性破壞更嚴重。根據(jù)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度預(yù)測結(jié)果可知采用大采高分層開采對頂板含隔水層穩(wěn)定性破壞程度小于放頂煤分層開采。

3.3 受保護層開發(fā)潛力分析

B1煤層均賦存于Ⅳ含水層內(nèi)，礦井煤層采后Ⅱ含水層、Ⅲ含水層和Ⅳ含水層地下水將通過巖石裂隙和構(gòu)造裂隙下滲至礦坑內(nèi)成為礦井水。第Ⅳ弱含水層下部地下水因承受較大靜水壓力，在煤層底板遭到破壞時，亦可通過越流補給方式進入礦坑。

根據(jù)上述分析，礦井巨厚煤層采后導(dǎo)水裂隙帶勢必波及頂板含水層，造成含水層水體涌入井下，為保證礦井安全采煤必將采取疏干排水措施。又因該區(qū)域巨厚煤層全區(qū)發(fā)育，開采范圍廣，地下煤層開采過程中勢必排出大量礦井水，但區(qū)域地下水屬高礦化度水，可利用率低，若將礦井水排入地表勢必對區(qū)域脆弱生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。因此，基于區(qū)域可用水資源匱乏、礦井水資源量豐富及用水現(xiàn)狀，開展礦區(qū)礦井水開發(fā)利用方案研究，可一定程度緩解區(qū)域用水現(xiàn)狀，保護當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境，具有極好的經(jīng)濟社會效益和生態(tài)效益。

綜上所述，基于頂板含隔水層結(jié)構(gòu)，并根據(jù)經(jīng)驗公式及實測裂采比預(yù)測估算導(dǎo)水裂隙帶均已發(fā)育至多層含隔水層，隔水層穩(wěn)定性遭到破壞，將產(chǎn)生大量礦井水，為實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)需采取有效措施，并控制采場頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，使得該區(qū)域具有保水采煤的水文地質(zhì)可行性。

4 礦井水資源開發(fā)利用對策

礦井水是煤炭資源開采過程的“副產(chǎn)品”，礦區(qū)高礦化度地下水資源開發(fā)與利用具有重要的供水及生態(tài)意義。本文根據(jù)礦井地下水化學特征、園區(qū)企業(yè)類型及用水現(xiàn)狀，進一步分析提出了區(qū)域礦井水開發(fā)利用方式。

4.1 礦井水開發(fā)

準東礦區(qū)現(xiàn)為煤電基地，憑借豐富的剩余熱能和充足的電能，可用于礦井水質(zhì)處理，降低水質(zhì)處理成本。根據(jù)礦井地下水高礦化度特點，以及區(qū)域用水需求，提出以下幾種高礦化度地下水處理方式。

1) 蒸餾法：蒸餾法以消耗熱能為代價，其是對高礦化度礦井水進行熱力脫鹽淡化處理的有效手段;以煤電廠廢熱為能源的電-淡水聯(lián)產(chǎn)工藝，將發(fā)電產(chǎn)生的余熱作為蒸餾法淡化礦井水的熱源，加熱淡化苦咸水，此法的產(chǎn)水成本較低。

2) 電滲析法：借助園區(qū)發(fā)電企業(yè)電力優(yōu)勢，且作為我國礦井水深度處理最常用的處理工藝，其工藝技術(shù)較成熟、設(shè)備簡單、對預(yù)處理和管理要求低，但電滲析不能去除水中的有機物和細菌，設(shè)備運行能耗大，使其在淡化礦井水工程中受到限制。

3) 反滲透法：該工藝具有適用范圍廣、工藝簡單、脫鹽率高、水回收率高、運行穩(wěn)定、無污染、操作管理方便、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，近幾年隨著膜技術(shù)的發(fā)展，反滲透處理裝置的一次性投資大幅下降，使得其在礦井水深度處理方面得到了廣泛應(yīng)用。

4.2 礦井水利用

根據(jù)礦井高礦化度礦井水特點，并結(jié)合高礦化度礦井水預(yù)處理(混凝沉淀)和脫鹽處理(反滲透等)工藝出水水質(zhì)情況和礦井及區(qū)域用水需求和環(huán)境特點等，總結(jié)并提出了該礦區(qū)礦井水綜合利用方式，見圖3。

圖3 礦井水綜合利用Fig.3 Comprehensive utilization of mine water

由圖3可知，礦井水預(yù)處理后可用于洗煤廠洗煤用水、廠區(qū)和道路降塵用水、地面車輛沖洗用水、井下生產(chǎn)用水，如采煤機、掘進機降塵等、井下防滅火和注漿封堵用水等對水質(zhì)要求不高的方面，當水量供大于求時可補充地下水，或?qū)⒉煽諈^(qū)作為地下水庫，減少蒸發(fā)；礦井水脫鹽凈水處理后水質(zhì)已達到飲用標準可用于礦區(qū)冬季鍋爐用水、礦區(qū)綠化及生態(tài)修復(fù)用水、礦區(qū)生活用水、礦區(qū)消防用水、火電冷卻生產(chǎn)用水和礦區(qū)建筑施工用水等對水質(zhì)要求較高的方面；剩余含鹽分較高的礦井水可排至防滲性能較好的水池，借助礦區(qū)高蒸發(fā)特點自然結(jié)晶，結(jié)晶物應(yīng)交由有處置能力的單位妥善處理，防止造成地下水質(zhì)二次污染。

目前，針對該區(qū)域高礦化度礦井水處理方式正處于前期分析階段，但依靠目前較成熟的高礦化度水處理技術(shù)具有可行性，且對處理后的礦井水進行綜合利用，一方面可為當?shù)靥峁┕I(yè)用水和生活用水，創(chuàng)造經(jīng)濟效益，另一方面可保護地下水資源及區(qū)域環(huán)境，具有生態(tài)效益。

5 結(jié) 語

煤炭開采活動對覆巖含水層造成破壞和擾動，進而對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響?；诔Ｒ?guī)和經(jīng)驗計算方法估算了大井礦區(qū)巨厚煤層大采高分層開采和放頂煤分層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，分別為126.8～190.5 m、232.9～334.5 m和79.1～98.0 m、158.2～196.0 m，導(dǎo)水裂隙帶可發(fā)育至覆巖含、隔水層。從保水采煤角度出發(fā)，應(yīng)減少分層采高，優(yōu)先采用大采高分層開采。

準東礦區(qū)巨厚煤層開采空間尺度大、開采強度高及擾動范圍廣，該區(qū)域煤層開采勢必造成區(qū)域地下水位下降，改變區(qū)域地下水流向，形成區(qū)域地下水降落漏斗，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境，采煤產(chǎn)生的高礦化度礦井水量較大，但高礦化度高，不能直接利用，直接外排會污染地表土壤，造成土壤鹽漬化，對礦區(qū)環(huán)境造成破壞，有必要開展礦井水的資源化利用。根據(jù)礦區(qū)用水現(xiàn)狀、企業(yè)類型及地下水質(zhì)，初步提出該礦區(qū)高礦化度礦井水可采用蒸餾、電滲析及反滲透等水處理工藝，經(jīng)處理后的礦井水，根據(jù)水質(zhì)情況可分別作為礦區(qū)生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水，蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)物需經(jīng)特殊處置，防止造成地下水質(zhì)二次污染。