新近系含水層下厚煤層綜放安全綠色開采及水資源清潔利用

郭文兵,白二虎,張 璞,侯建軍,張要展,李 萌

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部 共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003;3.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司,河南 鄭州 451100;4.河南省煤科院檢測技術(shù)有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源與環(huán)境之間的矛盾日益凸顯，我國能源賦存條件決定了煤炭是短期內(nèi)不可替代的穩(wěn)定主體能源，始終在能源結(jié)構(gòu)中保持著基礎(chǔ)性地位[1]。然而，長期的煤炭開采對(duì)覆巖與地表及生態(tài)環(huán)境造成了極大擾動(dòng)，誘發(fā)了地表沉陷[2]、耕地與建筑物損毀[3]、地下水位下降[4]、植被退化與生態(tài)破壞[5]及環(huán)境污染[6-7]等一系列問題，嚴(yán)重影響礦區(qū)乃至社會(huì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。由于替代能源尚不能滿足日益增長的巨大能源需求，因此，煤炭走高效、清潔、綠色開發(fā)利用的道路是煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境矛盾的日益突出，謝和平等[8]提出了近零生態(tài)損害的科學(xué)開采、近零排放的清潔低碳利用、礦井建設(shè)與地下空間一體化利用、深部原位流態(tài)化開采四大領(lǐng)域的全產(chǎn)業(yè)鏈煤炭技術(shù)革命路線，形成了未來30 a煤炭革命的戰(zhàn)略藍(lán)圖。武強(qiáng)等[9]制定了打造我國主體能源升級(jí)版的戰(zhàn)略思路，提出了我國在實(shí)現(xiàn)主體能源升級(jí)過程中面臨的關(guān)鍵科技難題及其解決對(duì)策。袁亮[10]提出了煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)構(gòu)想，并指出了相應(yīng)的關(guān)鍵科學(xué)問題和主要研究方向。由于水資源是能源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)矛盾的關(guān)鍵，錢鳴高等[11]對(duì)采動(dòng)影響下覆巖裂隙演化與地下水和地表沉陷等環(huán)境問題進(jìn)行了闡述。馬雄德等[12]闡明了生態(tài)脆弱礦區(qū)植被與地下水關(guān)系及其對(duì)煤層開采的約束作用。顧大釗[13]研發(fā)了保障神東礦區(qū)水資源供應(yīng)的煤礦地下水庫技術(shù)。畢銀麗等[14]研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量越靠近裂縫處下降越快、鹽隨水行的變化規(guī)律。范立民[15]基于保水采煤技術(shù)取得的成果，提出了目前保水開采領(lǐng)域中煤炭開采與含水層保護(hù)的5個(gè)科學(xué)難題。結(jié)合煤炭革命理念，煤炭的清潔化與低碳化利用是煤炭科技發(fā)展的方向，孫旭東等[16]明確了我國潔凈煤技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)與路徑，并以此提出了相應(yīng)的政策建議。張玉卓[17]闡釋了中國清潔能源發(fā)展的戰(zhàn)略思路、實(shí)施路徑及重點(diǎn)，并提出了保障中國清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的具體對(duì)策。吳剛等[18]指出煤炭與其他清潔化石能源、可再生能源的協(xié)同開發(fā)是未來中國能源發(fā)展的必由之路。因此，煤炭綠色發(fā)展不僅要研究采動(dòng)影響下地表沉陷控制與治理技術(shù)，還應(yīng)升級(jí)煤炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)，從而減小資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)煤礦綠色可持續(xù)發(fā)展及清潔能源的高效利用。

筆者基于安全綠色開采與可持續(xù)發(fā)展理念，分析了新近系含水層下采煤的安全性，提出了將覆巖水轉(zhuǎn)化為礦井水的井上、井下聯(lián)合貫通疏放水技術(shù)，研究了采動(dòng)影響下地表動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，闡明了厚煤層綜放開采地表沉陷演化規(guī)律及角量參數(shù)，并以清潔能源綜合利用理念建立了礦井供熱方式的全壽命周期成本模型，合理確定了礦井熱源供應(yīng)方式，不僅保障了覆巖含水層下工作面安全開采，而且實(shí)現(xiàn)了覆巖含水層水資源的清潔利用與礦井的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 地質(zhì)概況

河南省新鄭煤電有限公司位于鄭州礦區(qū)，隸屬于新鄭市。井田范圍內(nèi)大部分區(qū)域的地表地勢平坦，地層屬于華北平原分區(qū)之嵩箕小區(qū)，缺失奧陶系上統(tǒng)、志留系泥盆系及石炭系下統(tǒng)。礦井開采煤層為二疊系山西組的二1煤，傾角為4°～9°，采用走向長壁采煤法。11采區(qū)的煤層平均厚約為6.54 m，平均采深為313 m，結(jié)合礦井地質(zhì)采礦條件，煤層厚度變化情況和基巖厚度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即煤層厚度大的區(qū)域基巖薄。11206工作面為礦井11采區(qū)的首采面，工作面尺寸為2 165 m×170 m，覆巖巖性為中硬偏軟弱巖層，其中，第四系上部主要為大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育的次生黃土，底部為強(qiáng)富水含水層，平均厚度約120 m。12采區(qū)東翼煤層厚為1.38～16.10 m，平均為5.86 m，開采深度平均為247 m，該區(qū)域地質(zhì)采礦條件與11采區(qū)基本類似。12采區(qū)東翼的巖層及其厚度分布如圖1所示。

圖1 12采區(qū)地層及厚度Fig.1 Stratum and their thickness in No.12 mining area

2 新近系含水層下厚煤層安全綠色開采

結(jié)合礦井水文地質(zhì)特征及前期開采經(jīng)驗(yàn)，對(duì)二1煤層開采造成直接影響的是新近系含水層，基于鉆孔抽水試驗(yàn)分析，新近系含水層為局部中等富水的弱富水含水層，無水源補(bǔ)給且基本為靜儲(chǔ)量?；?2采區(qū)地質(zhì)采礦條件與鉆孔勘探線，煤層厚度由北東翼的16.1 m逐漸降至西南翼的1.38 m，而基巖厚度分布與煤層厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即基巖厚度由北東翼向西南翼逐漸增大。12211工作面是12采區(qū)東翼的首采工作面，煤層傾角為3°～6°，其中新近系(厚143.9 m)與第四系(厚44.1 m)組成的松散層平均厚度188 m。為保障工作面在新近系含水層下安全開采，針對(duì)該采區(qū)以覆巖破壞高度為依據(jù)進(jìn)行開采安全性區(qū)域劃分，進(jìn)而研究新近系含水層下煤層安全開采技術(shù)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[19-20]可得出工作面開采引起的導(dǎo)水裂縫帶高度平均約為58.4 m。由于該采區(qū)煤層厚度變化較大，在煤層最大厚度處的導(dǎo)水裂縫帶高度約為90.3 m。結(jié)合12采區(qū)東翼的鉆孔勘探線，將采區(qū)內(nèi)的松散層以含水特征從上至下劃分為4段：第Ⅰ段強(qiáng)富水組、第Ⅱ段弱富水組、第Ⅲ段隔水層組與第Ⅳ段弱富水組，其中后3段屬于新近系，如圖2所示。考慮到綜放開采可能會(huì)波及新近系含水層而威脅工作面安全生產(chǎn)，需采取相應(yīng)措施保障工作面的安全開采。

圖2 研究區(qū)松散層含(隔)水層組對(duì)比剖面Fig.2 Section of unconsolidated aquifer group in study area

為分析新近系含水層靜水儲(chǔ)量，結(jié)合12采區(qū)東翼鉆孔柱狀圖，以不同巖性(礫石、中砂、細(xì)砂)的含水層厚度為基礎(chǔ)，根據(jù)各巖層的給水度參數(shù)(圖3)，采用相鄰等高線分塊法(式1)計(jì)算各塊段面積及相應(yīng)含水層厚度，從而得到含水層靜儲(chǔ)量，見表1。

表1 采動(dòng)破壞含水層的靜儲(chǔ)量Table 1 Static reserves of aquifer damaged by mining

圖3 不同巖性的給水度Fig.3 Water yield of rock strata with different lithology

Vq=∑(μj∑Sjdj)

(1)

式中：Vq為含水層靜儲(chǔ)量，m3；μj為不同類型含水層給水度；j為巖性數(shù)量；Sj為分塊段含水層面積，m2；dj為分塊段巖層厚度，m。

以距12211工作面較近的3個(gè)鉆孔抽水試驗(yàn)(表2)為基礎(chǔ)，采用大井法預(yù)計(jì)各鉆孔的涌水量，如式(2)：

(2)

式中：Q為預(yù)計(jì)涌水量，m3/h；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；H為潛水含水層厚度或承壓水隔水底板到承壓水位的距離，m；M為承壓含水層厚度，m；S′為水位降深，m；h為含水層隔水底板到井壁外動(dòng)水位距離，m；η為承壓轉(zhuǎn)無壓時(shí)疏放水通道的形狀系數(shù)；a、b為矩形邊長。

結(jié)合表2與式(2)得到采區(qū)內(nèi)3個(gè)鉆孔涌水量分別為146.47、332.61、162.09 m3/h，平均為213.72 m3/h，驗(yàn)證了該區(qū)域含水層富水性的差異和平面上分布的不均勻性。針對(duì)12211工作面而言，結(jié)合礦井鄰近采區(qū)地表移動(dòng)角量參數(shù)，以73°的基巖移動(dòng)角和45°的松散層移動(dòng)角劃定煤層開采后新近系含水層的破壞范圍，根據(jù)各含水層給水度和體積分區(qū)得到破壞范圍內(nèi)的靜水儲(chǔ)量為8.38萬～12.13萬m3。

表2 工作面附近鉆孔抽水試驗(yàn)Table 2 Borehole pumping test near working face

結(jié)合12采區(qū)東翼鉆孔柱狀圖，分別以相應(yīng)煤厚計(jì)算對(duì)應(yīng)的導(dǎo)水裂縫帶高度，結(jié)合各類安全煤巖柱留設(shè)方法與基巖厚度，對(duì)研究區(qū)劃分了防塌區(qū)、防砂區(qū)、防水區(qū)及安全開采區(qū)，如圖4所示。

由于二1煤開采將波及新近系第Ⅳ段弱富水組，也可能會(huì)波及該段局部中等富水區(qū)域，但在新近系與第四系底部強(qiáng)含水層間依然存在充足的穩(wěn)定隔水層，二者間不會(huì)發(fā)生水力聯(lián)系。由圖4知，在研究區(qū)內(nèi)留設(shè)防水煤巖柱后，剩余區(qū)域不足以布置安全開采工作面。考慮到礦井水溫度常年保持在25 ℃ 以上，結(jié)合礦井目前正常涌水量(1 400 m3/h)，為提高煤炭資源采出率及實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，基于主動(dòng)預(yù)防與清潔能源綜合利用理念，提出了將覆巖水轉(zhuǎn)為清潔能源的井上、井下聯(lián)合貫通疏放水余熱利用技術(shù)(圖5)。

圖4 研究區(qū)安全開采區(qū)域劃分Fig.4 Division of safe mining area in study area

圖5 井上、井下聯(lián)合貫通疏放水技術(shù)Fig.5 Up and down well combined drainage technology

結(jié)合煤層開采安全分區(qū)特征，為保障工作面開采不受含水層的影響，基于覆巖破壞高度內(nèi)含水層累計(jì)厚度，在12211工作面地表附近厚煤區(qū)精準(zhǔn)施工4個(gè)垂直疏降鉆孔，將新近系松散含水層水通過鉆孔疏放至煤層底板，并在煤巷或低位巷施工近水平鉆孔對(duì)接地面垂直鉆孔底部，形成L型頂板水疏放系統(tǒng)，從而保障工作面安全開采。

針對(duì)疏放鉆孔而言，以12211工作面疏1孔為例，該孔孔深245.8 m，初始鉆孔涌水量約為40 m3/h，累計(jì)放沙10 m3。工作面回采期間，在工作面兩巷共施工57個(gè)頂板新近系探查鉆孔，其中僅1孔最大涌水量為1.5 m3/h，其余鉆孔均無水，主要由于礫石層易產(chǎn)生塌孔所致。疏放水10 d后涌水量穩(wěn)定在16 m3/h，此時(shí)，新近系疏放水總量約為11.58萬m3，結(jié)合疏水鉆孔水位及水量變化情況，認(rèn)為該工作面新近系含水層靜水儲(chǔ)量已疏干，實(shí)際疏放水量與預(yù)測靜水儲(chǔ)量基本相符。由于受到含水層徑流影響，工作面最終疏水總量約為32.46萬m3，在工作面回采過程中均未出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象。此外，該技術(shù)成功應(yīng)用于鄰近工作面開采中，各工作面疏放水總量如圖6所示。

圖6 各工作面疏放水量分布Fig.6 Distribution of drainage water in working face

由圖6可知，疏水總量與覆巖破壞采動(dòng)程度有關(guān)，且隨開采面積增大而逐漸降低，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是由于含水層徑流等因素影響，導(dǎo)致工作面疏放水措施減少了鄰近工作面的放水量。同時(shí)，也驗(yàn)證了井上、井下聯(lián)合貫通疏放水技術(shù)的有效性?；贚型頂板水疏放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了12采區(qū)3個(gè)工作面松散含水層下壓煤安全開采，解放了薄基巖松散含水層下壓煤資源5.99 Mt，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全開采。

3 厚煤層綜放開采地表沉陷特征

為更好指導(dǎo)礦井厚煤層綜放安全開采，通過建立地表移動(dòng)觀測站，分析研究了厚煤層綜放開采地表移動(dòng)特征。結(jié)合工作面上方平坦地勢的農(nóng)田，在地表布設(shè)3條測線，其中1條長度為590 m的走向線(A線)，2條長度為710 m的傾向線(B、C線)，共埋設(shè)92個(gè)測點(diǎn)，相鄰測點(diǎn)的間距均為25 m，如圖7所示。

圖7 地表觀測線與工作面關(guān)系Fig.7 Relationship between observation line and working face

通過采用RTK與三維激光掃描技術(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測可知，工作面走向方向上地表動(dòng)態(tài)下沉曲線、沉陷區(qū)的數(shù)字高程模型如圖8所示?；诂F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了厚煤層綜放開采條件下地表角量參數(shù)見表3。

表3 厚煤層開采地表移動(dòng)角量參數(shù)Table 3 Surface movement angle parameter of thick coal mining

由圖8可知，在煤層開采過程中，工作面前方地表出現(xiàn)了地表裂縫、臺(tái)階、塌陷坑等非連續(xù)破壞，且隨工作面推進(jìn)而前移，形成了裂縫間距與周期來壓步距基本一致的超前裂縫群，裂縫最大寬度達(dá)50 cm，主要由于黃土層在拉伸作用下加速垂直裂隙的發(fā)育所致。在裂縫群中出現(xiàn)了與地表傾斜方向相反的反向臺(tái)階裂縫，主要由工作面推進(jìn)速度不均勻、煤層厚度不穩(wěn)定及黃土層厚度較大等因素引起。由此可知，厚煤層綜放開采具有地表移動(dòng)劇烈、地表下沉速度大、非連續(xù)變形破壞嚴(yán)重、裂縫角偏大等特點(diǎn)，符合對(duì)覆巖及地表破壞較為嚴(yán)重的高強(qiáng)度開采范疇[21]。結(jié)合地表下沉曲線，以45°的松散層移動(dòng)角為基礎(chǔ)，計(jì)算得到工作面開采的基巖移動(dòng)角約為73°，為礦井后期工作面開采的影響范圍計(jì)算提供參考依據(jù)。

圖8 采動(dòng)影響下地表動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征Fig.8 Characteristics of surface dynamic response

與此同時(shí)，結(jié)合厚煤層綜放開采的地表響應(yīng)特征及綠色礦山建設(shè)理念，根據(jù)礦區(qū)地形地貌和原有耕地特點(diǎn)，將耕地以坡度進(jìn)行分區(qū)復(fù)墾?；陂_采沉陷區(qū)地表響應(yīng)特征，以超前影響角、超前裂縫角與最大下沉速度滯后角分別對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)地表沉陷坡度采用相應(yīng)的復(fù)墾方法，如在地表破壞嚴(yán)重區(qū)域，采用土壤剖面修復(fù)措施構(gòu)造適宜植被生長的土壤剖面層次、介質(zhì)和物理環(huán)境；在坡度較緩區(qū)域內(nèi)就地充填裂縫、平整土地。由于采動(dòng)影響下地表移動(dòng)變形具有長期性，以工程復(fù)墾與生態(tài)復(fù)墾相結(jié)合的原則，在土地采用工程復(fù)墾的同時(shí)，針對(duì)采煤沉陷區(qū)采取了一系列生物化學(xué)措施(如土壤改良與培肥措施、植被管護(hù)措施及生物改良措施等)，不僅提高了采煤沉陷區(qū)土地生產(chǎn)力，增強(qiáng)了土地抵御自然災(zāi)害能力，而且有效改善了井田范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境(圖9)，實(shí)現(xiàn)了綠色礦山建設(shè)與礦區(qū)生態(tài)保護(hù)。

圖9 開采沉陷區(qū)土地復(fù)墾類型Fig.9 Land reclamation type in mining subsidence area

此外，結(jié)合新近系含水層下厚煤層綜放安全開采的疏放水技術(shù)，考慮到疏放的地下水資源較大，為充分利用礦井水與空壓機(jī)余熱，需研究以清潔能源為礦井供熱方式的綜合利用技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)礦井綠色低碳生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。

4 覆巖含水層水資源清潔利用

在雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)下，為減少煤炭生產(chǎn)過程中的碳排放，結(jié)合目前礦井水余熱、空壓機(jī)余熱等清潔能源，需對(duì)礦井當(dāng)前的“燃煤鍋爐+燃?xì)忮仩t”供熱方式進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)能源清潔管理及礦井綠色發(fā)展。

通過借鑒全壽命周期理論[22]，對(duì)燃?xì)忮仩t、空壓機(jī)余熱利用和水源熱泵3種能源設(shè)備的全壽命周期成本進(jìn)行分析研究，從而確定合理的供熱方式。針對(duì)供熱設(shè)備而言，全壽命周期成本是指設(shè)備從購買至廢棄過程中(有效使用期間)發(fā)生的所有相關(guān)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的總和，考慮到資金的時(shí)間價(jià)值，對(duì)整個(gè)壽命周期內(nèi)的費(fèi)用統(tǒng)一折算成初投資現(xiàn)值或等值年費(fèi)用，建立全壽命周期成本模型：

(3)

(4)

式中：LCC為全壽命周期成本，萬元；FR為資本回收系數(shù)；CI為一次性建設(shè)成本，萬元；C0，t為年運(yùn)行成本，萬元；CD為廢棄成本，萬元；S為殘值，萬元；It為t年度的通貨膨脹率；n為系統(tǒng)壽命周期，a；i為折現(xiàn)率。

由于熱源供應(yīng)設(shè)備的成本主要包括建設(shè)成本和運(yùn)行成本，因殘值屬于固定資產(chǎn)，且通貨膨脹率未知，該處不予考慮，并假設(shè)設(shè)備運(yùn)行期間的價(jià)格及成本不變，可將模型等價(jià)為式(5)：

(5)

目前擁有能滿足礦井供暖供熱需求的2臺(tái)10 t燃?xì)忮仩t、3臺(tái)空壓機(jī)設(shè)備，由于空壓機(jī)余熱僅產(chǎn)生42.7%的職工洗浴用水，剩余部分還需購置2套水源熱泵，以滿足職工洗浴及辦公需求。結(jié)合實(shí)際情況，余熱利用系統(tǒng)與設(shè)備購買后在合同期內(nèi)運(yùn)行時(shí)無需承擔(dān)任何費(fèi)用，到期后無償交由礦方，費(fèi)用主要包括合同費(fèi)及后期運(yùn)行維修費(fèi)，因此針對(duì)燃?xì)忮仩t、空壓機(jī)余熱+水源熱泵2種方案進(jìn)行投資概算。

通過類比法、實(shí)地調(diào)研確定了系統(tǒng)設(shè)備壽命周期為20 a，根據(jù)目前工程通用取值，取折現(xiàn)率(管理酬金)為6.5%，廢棄成本率5%[23]，分別對(duì)燃?xì)忮仩t、余熱利用系統(tǒng)方案在滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)負(fù)荷下的全壽命周期成本進(jìn)行分析可知：① 燃?xì)忮仩t：一次性建成成本為0，年運(yùn)行成本為2 264.88萬元；② 余熱利用系統(tǒng)：一次性建成成本為1 239.96萬元，年運(yùn)行成本為569.28萬元。

結(jié)合式(3)可知：燃?xì)忮仩t的LCC約為24 955.60萬元，清潔能源余熱利用系統(tǒng)的約為7 529.81萬元，比燃?xì)忮仩t的年平均成本節(jié)約了69.8%。通過對(duì)比分析，清潔能源綜合利用具有一次投資大、運(yùn)行成本少、高效節(jié)能、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

綜上可知，礦井通過應(yīng)用以礦井水余熱、空壓機(jī)余熱為熱源的供熱方式，保障了礦區(qū)熱水不間斷供應(yīng)及井上、井下工作溫度的良好控制，實(shí)現(xiàn)了礦井綠色低碳生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

1)研究了新近系含水層下煤層開采的覆巖破壞程度，對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)煤層開采的安全性進(jìn)行了區(qū)域劃分，并基于主動(dòng)預(yù)防與綠色開采理念，提出了將頂板水轉(zhuǎn)變礦井水的井上、井下聯(lián)合貫通疏放水技術(shù)，解放了薄基巖松散含水層下壓煤資源5.99 Mt，實(shí)現(xiàn)了新近系含水層下工作面的安全開采。

2)分析了厚煤層綜放開采具有地表移動(dòng)劇烈、地表下沉速度大、非連續(xù)變形破壞嚴(yán)重、裂縫角偏大等特征，獲得了地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形角量參數(shù)，并以工程復(fù)墾與生態(tài)復(fù)墾相結(jié)合的原則，對(duì)開采沉陷區(qū)實(shí)施了土地復(fù)墾措施，不僅提高了土地質(zhì)量，而且有效改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，加快了綠色礦山建設(shè)進(jìn)程。

3)對(duì)新近系含水層疏放水資源進(jìn)行了清潔利用。建立了水資源礦井供熱方式的全壽命周期成本模型，從綠色礦山建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展角度確定了合理的水資源及余熱清潔利用方式，實(shí)現(xiàn)了新近系含水層水資源的清潔利用。