第42卷第1期 2017年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETY煤 炭 学 报Vol.42 No.1 Jan. 2017 范立民.保水采煤的科学内涵[J].煤炭学报,2017,42(1):27-35.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.5066
cnki.jccs.2017.5066FanLimin.Scientificconnotationofwater-preservedmining[J].JournalofChinaCoalSociety,2017,42(1):27-35.doi:10.13225/j.
保水采煤的科学内涵
范 立 民
(陕西省地质环境监测总站,陕西西安 710054)
摘 要:为保护干旱半干旱矿区含水层及生态系统,通过阐述榆神矿区矿床地质、开采条件、岩层移
动特征等,从系统论角度提出了保水采煤的概念和科学内涵,并构建了保水采煤研究基本框架。认
为保水采煤适用于干旱半干旱缺水矿区,目标是保护含水层结构和河流基流量基本稳定;主要研究
地质条件、岩层移动控制技术、水与生态约束条件和保水采煤关键技术;技术途径包括控制岩层移
动抑制导水裂隙带发育、隔水层再造和注浆改造隔水层等。低成本充填技术和沙漠区地下水位相
对变浅后的环境效应是保水采煤研究面临的挑战。保水采煤研究是我国干旱半干旱矿区煤炭开采
与水资源保护的理论基础和依据。
关键词:保水采煤;科学内涵;岩层控制;生态脆弱矿区
中图分类号:TD823 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2017)01-0027-09
Scientificconnotationofwater-preservedmining
(ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Xi’an 710054,China)FANLi-minAbstract:Aimtofindmethodsforaquifersandecologyprotectioninaridandsemi-aridmines,thepaperputforththeconceptandthescientificconnotationofwater-preservedmining,andestablisheditsbasicframefromsystematicalthe-orybasedoncoalgeology,miningconditionsandstratamovementcharacteristicsintheYushenminearea.Water-pre-
baseflowofrivers.Itsmajorresearchcontentsincludegeologicalandhydrogeologicalconditions,rockmovementcon-bygrouting,arewidelyadoptedinwater-preservedmining.Challengesfacingarefillingathighcostandnegativeenvi-ronmentaleffectsofshallowerburieddepthsofwatertableindesertsduetolandsubsidence.Studiesonwater-pre-mines.Keywords:water-preservedmining;scientificconnotation;rockstratumcontrol;ecologicallyfragilemine
我国西部煤矿区水环境问题是目前研究的热点领域,针对这一热点和全国煤炭开采的普遍问题,钱
鸣高建立了绿色开采技术体系[1-2],促进了煤炭工业健康发展。彭苏萍等研究了我国煤炭资源与水资源的区域性特征,提出了基于可持续发展的煤炭开发路
径[3]。武强等从矿井水防控与资源化利用角度,提servedcoalminingappliestoinaridandsemi-aridcoalminingareas.Itsobjectiveistoprotectaquiferstructuresandtroltechnology,constraintconditionsbothwaterandecology,andkeyminingtechnique.Threebasicways,whicharetorefrainfromwaterflowingfracturesbycontrollingstratamovement,toreconstructaquicludesandremodelaquicludesservedcoalminingaretheorybaseandevidenceforcoalminingandwaterresourceprotectioninaridandsemi-arid
收稿日期:2016-10-14 修回日期:2016-11-18 责任编辑:韩晋平 基金项目:国家重点基础发展研究计划(973)资助项目(2013CB227901);陕西省科学技术推广计划资助项目(2011TG-01) 作者简介:范立民(1965—),男,山西曲沃人,教授级高级工程师。Tel:029-87851129,E-mail:498518851@qq．com
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出了减轻含水层结构破坏的“开采技术”[4-5]。谢克昌等[6]研究了能源金三角发展战略,提出了基于水资源承载力的煤炭产能阈限。谢和平等[7]提出了我国煤炭的科学开采和科学产能问题及技术路径。顾大钊[8]研究了神东矿区水资源保护与利用。这些研究从理论和技术上支撑了煤炭的科学开发,促进了西部矿区水环境问题的科学解决。
针对鄂尔多斯盆地北部开发初期出现的水环境问题,1992年范立民、韩树青等提出了保水采煤思路大型机械化开采,在以往煤层开采过程中多次造成煤层上覆基岩全厚切落或导水裂隙破坏含水层底板结构失稳,使具有供水意义的含水层失去储水功能,破坏水资源平衡,保水采煤技术应用而生,其主要目的是为了在采煤过程中保护富水性较强的具有供水意义和生态价值的含水层结构稳定,促进煤矿区水资源供需平衡而采用的矿区规划、矿井设计和采煤的理论与方法。
基于上述,以经济和社会效益最大化为目标,认和方法[9]展了保水采煤基础研究,并在随后多年的煤田水文地质勘探中。1995年首次使用“保水采,开煤”一词,并识别了保水采煤地质条件分类分区指标,基于榆神府区高强度采煤中的水资源保护进行了卓有成效的研究[10]条件和保水开采分区,王双明等划分了保水开采地质,建立了基于生态水位保护的保水开采技术体系[11]岩“上行裂隙”和“下行裂隙。黄庆享发现了浅埋煤层采动覆”及隔水层其弥合性,提出了隔水关键层的稳定性判据,建立了保水开采的岩层控制理论。缪协兴等,为控制含水层结构稳定提供了理论基础[12-14][15]、白海波等[16]分析了神东矿区水文地质结构,提出了保水采煤在神东矿区开展了工程实践,指出了保水采煤的研究方向。马立强[17]研究了浅埋煤层保水开采技术工艺。马雄德等[18]基于煤层底板注浆加固工程,实现了渭北岩溶水含水层结构保护。常金源等多位青年学者探讨了保水采煤思路和方法-,分析了厚煤层保水采煤的最大采高等问题[1922]。张东升等[23]分析了新疆地区保水采煤问题。针对浅埋煤层充填开采问题,张吉雄[24]等[25]提出了充填采煤技术方法,开展了工程实践、刘建功,实现了含水层保护。以上研究为西北地区煤炭科学开采提供了理论基础和技术方法,在部分矿区实现了保水采煤目标获得成功20多年来。
,在总结研究成果时不同学者从不同侧面阐,保水采煤研究成果丰硕,工程实践屡
释了保水采煤的基本概念,但始终不统一,其科学内涵和外延也不清晰。笔者通过梳理“保水采煤”提出的历史背景及拟解决的科学问题等,定义提出了保水采煤的概念及科学内涵,以期完善保水采煤理论与技术体系,促进西部矿区的生态文明建设。
1 保水采煤的概念
在年降水量400mm左右的鄂尔多斯盆地北部富煤、缺水地区,水资源量有限,时空分布不均,地下水是维系区内工农业发展、人畜用水和生态环境的物质基础。由于煤层浅埋,埋藏条件优越,适合
为保水采煤是指:在干旱半干旱地区煤层开采过程中,通过控制岩层移动维持具有供水意义和生态价值含水层(岩组)结构稳定或水位变化在合理范围内,寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术。
由此可知,保水采煤着眼于西部干旱半干旱地区具有供水意义和生态价值的含水层,除此之外的各类含水层均不在保水采煤研究的范畴之中;保水采煤实现途径是以岩层控制理论和技术为基础而研发具有抑制导水裂隙发育的采煤技术;保水采煤实现对象为含水层结构和水位埋深,要求含水层结构稳定,或短暂失稳后造成的水位下降在一定时间后能恢复至不影响其供水能力的范围;保水采煤实现结果为优化煤炭资源开采和水资源供需平衡之间的矛盾,达到资源开发与水环境保护协调统一 水层 鄂尔多斯盆地北部第四系萨拉乌苏组。
、侏罗系烧变岩(J(Q3s)含、盆地西部及西南缘洛河组含水层均是2y)含水层[26]和盆地南部奥陶系岩溶含水层保水采煤的保护对象。在干旱半干旱其他矿区,以河水-地下水关系为基础,对维持河流基流有重要贡献的含水层,以植被地下水关系为基础,对维系地表植被演替具有明显控制作用的含水层,及以水资源供需关系为基础被确定为供水水源的地表水库及深部含水层保护属于保水采煤研究的外延,也应纳入保水采煤研究体系之内。
2 保水采煤的研究内容及关键技术
保水采煤的科学内涵包括保水采煤的适用条件、研究内容、研究方法、关键技术,以及基于矿区水资源2．保护目标和保护技术的采煤技术和工艺1 保水采煤的适用条件
(图1)。
沙地的富煤区提出的①适用于干旱缺水区,对于我国西北干旱,保水采煤是针对毛乌素
、半干旱地区的煤矿都适用。对于东部地区具有生态价值的含水层赋存区,如邯郸、邢台矿区,也具有一定的适应性;②适用于强含水层发育地区,有中、强富水性含
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水层的煤矿区,这些含水层包括萨拉乌苏组、烧变岩、洛河组含水层以及奥陶系岩溶含水层,是西北地区工农业供水的主要水源,也是维系生态系统的物质基础,含水层存在的生态意义重大,采煤必须保护含水层;③适用于采煤对含水层有影响的浅埋煤层区,这些含水层与煤层发育的空间距离近,煤层与含水层之间的隔水层厚度小,煤层埋藏浅,煤层开采对含水层
结构影响大;④通过规划或技术措施,可以避免或减缓采煤对含水层结构影响的矿区。
神东矿区的部分煤矿,煤层埋藏深度100m左右,采煤产生的导水裂隙带或垮落带发育到地表,无法保护浅部含水层结构稳定,只能采用煤水共采的地下水库技术科学利用水资源,与提倡含水层结构保护的“保水采煤”内涵有所不同
。
2．2 保水采煤的研究内容
Fig．1 Researchframeworkofwater-prservedmining
图1 保水采煤研究基本框架
2．2．1 地质条件探查与识别
(1)含水层水文地质参数研究
古地理环境、含水层厚度、岩性特征等因素控制,在区域上变异性较大,这对含水层水文地质参数的影响十分显著。因此必须通过野外实测和室内分析相结合,突破传统方法在参数识别和反演中的不足,在积累大量原始数据的基础上,客观、真实地分析含水层水文地质参数的空间变异,对提高保水采煤效果起到事半
水文地质参数是反映含水层或透水层水文地质
性能的指标,如渗透系数、导水系数、给水度、释水系数、越流系数等。由于地下水赋存条件受现代地貌、
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(2)隔水层及其隔水性能研究2017年第42卷功倍的效果。煤层与含(隔)水层空间组合关系是研究保水采
煤的基础,在确定了受保护含水层水文地质条件、隔水层工程地质条件和煤层赋存条件后,其组合关系为科学规划、保水开采提供基础依据。就榆神府矿区而言,煤层与含(隔)水层空间关系是“含水层在上、煤层在下,隔水岩组厚度变化大”,隔水关键层分布不均一(图
2)。隔水层特性的研究,主要集中在隔水层的工程地质条件,包括分布、厚度、物理力学性质、隔水性、采动条件下的隔水稳定性等[14,27]。黄土、红土隔水层及隔水性能是榆神府矿区研究的重点。(3)煤层与含(隔)水层空间关系研究
Fig．2 SpatialrelationshipbetweencoalandaquiferinYushenfuMine图2 榆神府矿区煤层与含(隔)水层空间关系
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(4)地质条件分类分区
水裂隙带发育位置和发育程度,通过井下电视直观观测裂隙带发育位置和发育强度,通过地球物理测井间接判断岩石裂隙发育程度等,最终综合确定导水裂隙带发育的高度。
各个矿区都应该根据具体的地质条件,分析导水裂隙的受控因素,通过统计分析或理论分析后建立适于本地区的导水裂隙带发育高度预测方法和模型。
(3)隔水层稳定性
研究表明,隔水层发生位移集中在工作面后方约
通过提高地质、水文地质条件的认识,便可在宏
观上把握保水采煤的重点区域,圈定有水矿区和无水矿区,并能明确指出有效隔水层空间分布,在无水矿区鼓励机械化高强度开采,可先行开采,有水矿区必须实行保水开采,合理划定了保水采煤研究靶区。如王双明等研究了煤水地质条件,划分了保水开采分区[11],李文平等基于保水采煤目标,划分了岩土体组合的5种类型,即基岩型、砂基型、砂土基型、土基型和烧变岩型,并指出砂土基型和烧变岩型有保水采煤2．的必要性[28]2．2 。
(1)隔水层稳定性控制
岩层控制是浅埋煤层面临的重大难题岩层移动控制
,根据浅埋1,煤层定义,一般认为是埋深不到150m,基载比小于有动载大和台阶下沉特征顶板体现单一关键层台阶岩梁结构,覆岩垮落具有,工作面来压具“两带”特征,“两带”直接与含水层沟通,导致地下水渗漏和水位下降(图3)。在此基础上,黄庆享建立了浅埋煤层岩层控制理论和技术。
,为西部浅埋煤层保水开采奠定了理论基础[12-14]图3 单一关键层台阶下沉地下水渗漏机理Fig．3 Groundwater(据黄庆享level,2014,change有修改mechanism)
(2)keylagerbreak
when
导水裂隙带是保水采煤的关键参数导水裂隙带
,是采煤是否引起含水层地下水渗漏的决定性因素,导水裂隙带的影响因素较多,不仅与岩石物理力学性质有关,还与煤炭开采参数、推进速度等因素有关。研究方法主要有经验公式法、模拟实验法、探测法等。其中经验公式多是20世纪80年代针对小采高、小采煤工作面总结的,与目前的开采技术不适应。模拟实验包括数值模拟和物理模拟“,无论何种模拟方法,多以参数调整、差试验。探测法是针对开采工作面”为条件开展的,因此,结果也存在一定的误,在采空区进行探测,实测导水裂隙带的发育高度,结果符合实际。目前探测法主要有钻孔探测和地面物探,其中钻孔探测通过实测岩石RQD值、冲洗液漏失量等间接方法判断导
50控制m,处因此提高隔水层稳定性的途径之一就是控制基,隔水层稳定性在很大程度上受基岩运动的岩关键层的运动。另一方面,在下沉量一定的条件下,通过合理控制顶板的运动,增加沉降区的宽度,即可减缓导水裂隙的发生和发展,增加隔水层稳定性。
在导水裂隙高度一定的条件下,第四系黄土层和新近系红土层的隔水性能及其与厚度之间的关系目前尚未探明,普遍采用40m黄土层和20m红土层作2．为有效隔水层2．3 水与生态约束条件
,仍需要进一步研究探索。
干旱半干旱地区降水稀少,生态环境脆弱,煤矿开采必须在技术经济环境之间进行多目标优化,其中水资源尤其是地下水资源和生态环境承载力是不可或缺的约束条件 (1)。水资源约束是指以煤矿建设运营为主的经济发
水资源约束
展必须以水资源承载力为基点,优化和合理布局,使水资源系统处于健康良性循环之中。水资源约束主
要研究采矿活动对水文地质条件的影响规律,分析水文地质参数、边界条件等对采矿活动的敏感性与时空变异性,构建基于干旱与环境生态脆弱区水循环理论、环境生态与水质多重约束和风险分析的地下水资源评价模型,评价采矿活动对地下水资源组成和可利用资源量的影响,提出地下水保护、开发利用及调控的方法(2)。
地下水位变化会通过调节包气带土壤含水率进生态约束
一步影响表生植被的生长,因此生态约束的本质要回归到地下水位的问题上。当地下水与植被关系密切时,地下水位变化改变包气带含水率影响植被生长发育,因此煤矿开采中的生态约束研究必须探索地下水与植被关系以及地下水位变化阈值。生态约束条件的研究可归结为植被与地下水关系研究、地下水位变3化阈值研究及采区地下水位变化后生态效应预测等
下水关系研究可以通过样方调查探讨植物类型与潜个方面,根据研究尺度、研究方法的不同,植被与地
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水埋深关系、植物根系与潜水埋深关系、植物长势与潜水埋深关系,也可以通过遥感影像提取植被指数,2．2．4 保水采煤技术方法探讨植被指数与潜水埋深关系。
保水采煤技术方法的研究旨在抑制导水裂隙带的发育程度,保证隔水层或地下水位的稳定。采煤技术方法选择,主要是调整采煤工作面规格(工作面大小及采高)和工程措施实现岩层控制,抑制导水裂隙带发育高度和底板破坏深度。目前采用的主要方法经导致毛乌素沙漠东缘大量泉的衰减和干涸,原规划的张家峁井田内,1990年有102处泉,2006年只有15处未干涸,其余都干涸了。调查发现,窟野河上游约50%以上的小支流干涸断流。诸多小泉、小支流的干涸,导致窟野河从2000年开始衰减,2002年干涸,目前一直处于断流状态。因此,保水采煤区应控制区内泉、溪流的基本稳定,维系河流生态系统健康。
在西北地区,实现了含水层结构的稳定和泉流量是控制采高、采煤工作面尺寸和推进速度,实现保水采煤目标。充填开采、限高开采、窄条带开采、局部填充开采等是较为有效的保水采煤技术方法,类似的研究应不断持续下去。
由于在一些地区煤层底板承压水系统的排泄区对维系区域生态环境良性发展起到关键作用,此时需要将防止煤层底板突水与保水开采相结合,不能一味地通过疏排水降低水头压力,而是通过研究底板承压水补排关系后,注浆改造底板导水裂隙,达到保水采煤效果,实现安全开采、含水层保护和区域生态环境2．维系的协调统一3 保水采煤的保护目标。
2．3．1 含水层结构及地下水位稳定
含水层结构的稳定是保持地下水位稳定的前提条件,合理的地下水位埋深是生态环境良性循环的基础,在沙漠地区,水位埋深大,植被发育状况差,研究表明,沙漠区植被发育状况与地下水位埋深有着直接的关系,水位埋深小于1．50m盐渍化,大于15m各类沙生植被无法生长发育[11]进一步揭示了沙漠地区典型植被与地下水位的关系,近期我们的观测研究,,地下水对沙柳蒸腾的贡献值随着地下水位埋深的增100%加而减;地下水埋深少,当地下215水位cm埋深15cm时,贡献率为
下水浅埋区,地下水是沙柳蒸腾的主要水源时,贡献率为0%,。潜水埋在地深超过215cm后地下水不再对沙柳生长提供水源,这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。而浅埋煤层的高强度开采将直接导致地下水位下降和循环路径改变[29]护为原则,以控制地下水位合理埋深为目标,因此,保水采煤区应以含水层结构保,维系和2．改善煤炭开采区3．2 泉及河流基流量稳定(流域)的生态系统。
泉是河流的源头,黄河中游18%的补给来源于窟野河、秃尾河、孤山川等流域,稳定的基流是保持河流生态健康的基础[30]开采区,其水源多源于萨拉乌苏组含水层,这些流域也是煤炭高强度,近期我们的调查发现,榆神府区20a来的高强度开采,已2．的稳定4 保水采煤的关键技术
,就保护了生态环境,维系了生态系统。
2．4．1 导水裂隙带发育高度抑制技术
导水裂隙带(包括隔水岩组上行裂隙和下行裂隙)高度抑制是实现含水层保护的途径,采用合适的采煤方法是控制导水裂隙带高度的手段,如果能有效降低煤炭开采引起的岩层扰动范围,有效实现浅埋煤层岩层控制,把导水裂隙带发育高度限制在受保护目标含水层(萨拉乌苏或烧变岩)的底界(+保护层)之下,就能实现保水采煤。榆神府矿区导水裂隙带探测结果表明,在一般条件下,裂高釆厚比为20~26。在煤层埋深较大的榆神矿区中深部,理论上不存在保水采煤问题。而覆岩隔水层厚度小于导水裂隙带发育高度赋煤区,就面临着保水采煤难题。导水裂隙带发育高度与工作面宽度、采煤方法及煤层埋深等多种因素相关,通常采用的方法有分布区①,限高或分层开采技术:
是以减小煤层釆高而实现降低导水裂隙带发,针对榆神矿区厚煤层
育高度的保水采煤技术,如榆树湾煤矿[21]工作面宽度,抑制导水裂隙带的充分发育。;②如榆阳区减小地方煤矿开采区,通过留煤柱的方法,采用“窄条带保水采煤技术”,实现保水开采;③条带充填开采,充填釆空区,减小釆空空间,降低裂隙带发育高度,如榆阳煤矿;④加快工作面推进速度,减少导水裂隙带高度,神东矿区部分煤矿采用这类技术实现保水采煤目标;⑤无煤柱开采,消除区段煤柱导致的非均匀沉降,减小采动裂隙。采用110和N00工法,减小覆岩应力集中,降低裂隙带发育高度。
近年来,上述多种采煤方法都进行了工程实践,抑制了导水裂隙带高度,取得成效,但与煤炭资源的2．高回收率4．2 关键隔水层再造与含水层再造技术、低成本条件下的含水层保护,还有差距。
关键隔水层隔水稳定性是控制地下水渗漏、实现保水采煤的关键。关于实现关键隔水层的隔水稳定性方面,部分煤矿开展了实践与探索。如,基于黏土和黄土的性质,开展裂隙的弥合性研究[14],为分层限
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高大采高保水开采提供了理论依据;对关键隔水层上离层空间的注浆改造,使近水平的离层“裂隙”弥合;在关键隔水层位置再造一个弱透水、可保持地下水系统正常循环的人造隔水层,既能隔离上部萨拉乌苏组地下水的大量渗漏,保护含水层结构和生态水位,又能保证下部各含水层一定能力的补给来源。当然,这一技术只是设想,并没有付诸实施。部分煤矿开展了顶板隔水层裂隙空间的注浆改造,保持隔水层的隔水稳定性,起到了一定的作用,如神东矿区石圪台煤矿含水层结构稳定性调查评价:含水层结构的破坏,表现为采煤引起的导水裂隙带、垮落带发育含水层中。为此,笔者在榆树湾、金鸡滩等10余处煤矿施工了30多个探测孔,利用钻孔岩芯RQD值、岩芯裂隙发育状况、测井曲线判别、井下电视观测、冲洗液消耗量等手段,综合判断导水裂隙带发育位置,探测结果表明,推广保水采煤的榆树湾、金鸡滩、榆阳煤矿等导水裂隙带发育高度一般是采高的24~27倍,未发育到含水层底部,实现了含水层结构稳定。
对离层空间进行注浆改造,效果良好。
含水层再造是2006年提出的新概念和技术[31]是基于烧变岩含水层的启发,通过对采空区碎裂岩体,
进行物理隔离或改造,形成新的含水结构,成为新的2．含水层4．3 ,底板破坏深度或强度减缓技术目前已经演化为地下水库技术。
渭北澄合矿区岩溶水含水层是该区工农业用水的重要来源,也是黄河湿地的水源,其生态价值和经济价值异常重要。但煤矿开采,将破坏其含水层结构,如不采取措施,可能会造成煤矿底板突水事故,降低奥陶系含水层水头,影响矿区及附近区域生态环境。监测表明,该区5号煤层开采底板破坏深度通常是10~15m,在构造薄弱地带,破坏深度可能还会增加,为此,以董家河煤矿为代表的矿山企业,采用注浆加固底板薄弱带,减少底板隔水层损害,实现了煤矿[18,31]2．安全和岩溶含水层保护5 保水采煤的工程实践及效果评价。
2．5．1 保水采煤的工程实践
防治水的研究重点是地下水(含水层)对采煤的影响及防控技术,属于被动保水采煤,目标是防治水,结果是实现了安全、含水层结构保护共赢。如淮河河堤下采煤、渭北岩溶水含水层上带压开采等。保水采煤的研究重点是采煤对含水层结构的影响及防控技术,属于主动保水采煤,是基于含水层保护而采取的采煤技术变革,如榆树湾、金鸡滩、杭来湾煤矿的限高开采,榆林地方煤矿开采区改造房柱式采煤技术,设计了采12留8的窄条带保水采煤技术,提高了采出率,也保护了水资源。神东矿区大柳塔煤矿等区域,最浅部的煤层埋深100m左右,无法实现含水层结构保护,采用了地下水转移、储存的方式,实现了煤-水2．共采5．2 。
保水采煤的效果评价
保水采煤的目标是含水层结构稳定性、地下水位稳定性和泉(河流)流量稳定性,因此保水采煤效果评价也应该对这3个方面进行,并主要对推广保水采煤技术的矿井开展。地下水位埋深调查评价:2014年笔者对榆树湾、榆阳等6个煤矿采空区的地下水位埋深进行了探测,共实施探测钻孔16个,其中15个钻孔是在采前原水文地质钻孔同一位置施工,收集了采前潜水水位埋深、标高数据,1个钻孔是利用潜水水位等值线进行比较分析。探测方法是采用工程钻机进行取心钻井,探测到地下水位后进行不少于24h的水位观测,结果表明,水位变幅为-2．76~+3．89m,水位埋深变浅的多数是地面沉降引起的埋深相对变浅。基本实现了地下水位的稳定性。另外,小纪汗煤矿与笔者确定的自然保水开采区条件类似[11]观测钻孔水位监测表明,水位埋深变化幅度微弱,采煤工作面上部的。由于地质环境条件的复杂性,煤矿开采布局的不合理性及各种利益的纠缠,20世纪90年代初期认识的局限性,部分区域高强度采煤对地下水位的影响显著[43]泉及河流基流量调查评价:2014—2015年笔者
。
对榆神府矿区开展了采前、采后的水文地质条件调查,收集、整理了1995年时区内泉、井的分布及流量、水位埋深及水源地分布、地表水体分布及面积等采前水文地质资料。2015年实地核查了所有泉的流量、井的水位和水源地运行状况,发现高强度采煤区泉的数量大幅度减少,流量也衰减,地表水水体面积萎缩,河流水面也相应缩小,部分区段出现荒漠化[44-46]3 保水采煤面临的挑战
。
目前,煤炭行业的现状,是困难,也是机遇,在经济结构调整时期,调整、优化西部矿区煤炭开发布局,淘汰保水采煤“不合适开采区域”的煤矿,加强“合适开采区域”内煤矿建设,是煤炭工业战略布局的难得机遇。技术(1)但同时,也面临一些技术挑战:
、充填材料和工艺研发低成本、高资源采出率的充填保水采煤,仍然是保水采煤采矿技术领域面临的难题(2)浅埋煤层岩层控制技术是含水层结构稳定
;
的基础,导水裂隙带抑制是保水采煤的关键技术参数,抑制导水裂隙带发育,控制煤层顶、底板岩层稳
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定,是实现隔水层隔水稳定性的前提,因此,浅埋煤层岩层控制技术尽管已经取得重要进展,仍然有许多难题等待攻关;
(3)榆神矿区等煤层埋深较大的区域,由于采煤
[5] 武强,安永会,刘文岗,等.神府东胜矿区水土环境问题及其调
控技术[J].煤田地质与勘探,2005,35(3):54-58.
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沉陷而产生的潜水位埋深变浅以及由此引发的地质生态环境问题,也是保水采煤研究需要解决的难题。
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XieHeping,WangJinhua,ShenBaohong,etal.Newideaof4 结 论
区煤层开采过程中,通过控制岩层移动维持具有供水(1)保水采煤的概念可表述为在干旱半干旱地
意义和生态价值含水层结构稳定或水位变化在合理范围内,寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术究,隔水层及其采动条件下隔水性的研究(2)保水采煤研究内容包括受保护含水层的研。
,煤层与含水层、隔水层组合关系的研究,采动导水裂隙带、
底板破坏深度发育的影响因素及抑制技术研究,导水裂隙带高度确定方法研究,浅埋煤层岩层控制技术等。
获得了成功(3)保水采煤工程实践在西北干旱半干旱地区
,但局部高强度采煤仍然造成了潜水水位的下降和井、泉干涸,影响了河流流域基流量稳定。榆神矿区西部煤层埋藏深度大的区域,煤炭开采产生的地面沉降可能会引起潜水位“上升”,由此引发的地质生态环境问题以及研发低成本、高资源回收率的保水采煤技术和工艺,仍然是西北生态脆弱矿区保水采煤面临的重大难题。
致谢:彭苏萍院士、武强院士、黄庆享教授审阅了本文并提出了宝贵意见,研究工作得到了王双明教授的指导,撰写过程中与马立强教授、李涛博士及冀瑞君工程师进行了讨论,在此一并表示衷心感谢!参考文献(References):
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