神東礦區(qū)煤炭開(kāi)采的地下水運(yùn)移規(guī)律研究

神東礦區(qū)煤炭開(kāi)采的地下水運(yùn)移規(guī)律研究

0神東礦區(qū)煤炭開(kāi)采的現(xiàn)狀及問(wèn)題煤炭是中國(guó)的主要能源，占中國(guó)一次能源生產(chǎn)消費(fèi)的65%左右。在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭作為主要能源的地位將不會(huì)改變。西部是我國(guó)煤炭的主產(chǎn)區(qū),根據(jù)中國(guó)工程院課題研究成果,西部能源“金三角”(晉陜蒙寧甘)已成為我國(guó)煤炭主要開(kāi)發(fā)區(qū)域,其探明煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量約占全國(guó)的2/3,其核心區(qū)(寧東、鄂爾多斯和榆林)煤炭?jī)?chǔ)量占全國(guó)的27%,2011年該區(qū)域煤炭產(chǎn)量9.35億t,規(guī)劃到2015年產(chǎn)量達(dá)到12億t,2020年達(dá)到15億t,將成為我國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地。我國(guó)屬于嚴(yán)重缺水國(guó)家,人均水資源占有量約占世界人均的1/4。據(jù)統(tǒng)計(jì),能源“金三角”水資源總量約為1212億m3,僅占全國(guó)的3.9%,年均降雨量約400mm,而蒸發(fā)量達(dá)2000mm,生態(tài)環(huán)境本底脆弱;其核心區(qū)(寧東、鄂爾多斯、榆林)水資源僅占全國(guó)的0.37%,屬重度缺水區(qū)。煤炭開(kāi)采的地下水保護(hù)與利用是我國(guó)西部煤炭開(kāi)發(fā)利用的核心問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì),西部礦區(qū)開(kāi)采1t煤炭要消耗水資源約2t,2010年我國(guó)礦井水流失總量約49.6億t。神東礦區(qū)大規(guī)模高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)采對(duì)區(qū)域地下水位產(chǎn)生影響,地表河流和泉眼基本干涸嚴(yán)重,地下水位也呈下降趨勢(shì),水資源短缺制約礦區(qū)的科學(xué)發(fā)展。煤炭開(kāi)采形成導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通地下含水層,影響了區(qū)域地下水平衡?；诖?不同學(xué)者對(duì)該區(qū)域煤炭開(kāi)采“三帶”(冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)開(kāi)展了大量研究工作,提出了不同的計(jì)算模型和方法。針對(duì)水資源保護(hù)利用,提出了多項(xiàng)保水開(kāi)采技術(shù)與方法,如隔水關(guān)鍵層保護(hù)、區(qū)域保水區(qū)域劃分、充填開(kāi)采、房柱式保水開(kāi)采和限高開(kāi)采等[14,15,16,17,18,19,20,21,22],取得了較好的應(yīng)用效果。研究表明,神東礦區(qū)煤層埋藏淺,開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶必然導(dǎo)通含水層,隔水層難以保護(hù),以往保水開(kāi)采方法,如限高開(kāi)采和房柱式保水開(kāi)采造成棄采,浪費(fèi)資源;充填開(kāi)采效率低,不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求等,在工程實(shí)踐中難以有效實(shí)施。為此,在借鑒以往研究基礎(chǔ)上,在神華集團(tuán)神東礦區(qū)開(kāi)展了多項(xiàng)水資源保護(hù)技術(shù)課題,通過(guò)物探和鉆探觀(guān)測(cè)、物理數(shù)值模擬等手段,掌握了煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響規(guī)律,研發(fā)了以煤礦地下水庫(kù)為核心的地下水資源保護(hù)利用技術(shù),利用煤炭開(kāi)采形成的采空區(qū)巖體空隙儲(chǔ)水,實(shí)現(xiàn)礦井水的井下儲(chǔ)存利用,并為井下和地面提供用水,實(shí)現(xiàn)了煤炭開(kāi)采與水資源保護(hù)協(xié)調(diào),保障了礦區(qū)的可持續(xù)開(kāi)發(fā)。1神東礦區(qū)地下水概況神東礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地,地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)與毛烏素沙漠的過(guò)渡區(qū),經(jīng)近20a的開(kāi)發(fā)建設(shè),目前建成了13個(gè)千萬(wàn)噸礦井為主體的世界唯一2億t級(jí)現(xiàn)代化礦區(qū)。隨著礦區(qū)的不斷開(kāi)發(fā),用水量逐年遞增,其生活用水量已從2003年的不到800萬(wàn)m3/a上升到2012年的近1600萬(wàn)m3/a,增加約1倍,如圖1所示。而該地區(qū)水資源匱乏,降雨量少,蒸發(fā)量大,煤炭高強(qiáng)度開(kāi)采不可避免地對(duì)地表水流河系和地下水造成影響,地面水源地水流量下降,地下水位逐年下降,供水日趨緊張。因此水資源短缺已成為制約礦區(qū)開(kāi)發(fā)的瓶頸。神東礦區(qū)具有淺埋深、薄基巖和中厚煤層特征,構(gòu)造簡(jiǎn)單,開(kāi)采條件較好,其中心區(qū)礦區(qū)煤層平均埋深100~200m,保德礦首采煤層埋深約300m,神東礦區(qū)典型礦井地下水分布情況如圖2所示。研究表明,神東礦區(qū)地下水可以分為近地表土壤水、第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。其中,近地表土壤水對(duì)地表生態(tài)影響較大,主要通過(guò)大氣補(bǔ)給維持平衡;第四系松散層孔隙水是傳統(tǒng)保水開(kāi)采研究的主要對(duì)象,富水性強(qiáng),同樣也是依靠大氣補(bǔ)給;基巖裂隙水具有富水性較弱,多層分布和總厚度大的特征,利用難度大。神東礦區(qū)煤層厚度一般為5m以上,根據(jù)相關(guān)研究,導(dǎo)水裂隙帶高度一般為采高的20~30倍,其導(dǎo)水裂隙帶高度一般為100m以上,必然導(dǎo)通第四系松散層孔隙含水層,地下水通過(guò)裂隙進(jìn)入采煤工作面區(qū)域形成礦井水。而傳統(tǒng)保水開(kāi)采方法,如充填開(kāi)采難以滿(mǎn)足采煤生產(chǎn)效率;限高開(kāi)采損傷大量煤炭資源;保水區(qū)域劃分難以實(shí)施等,因此必須將傳統(tǒng)的保護(hù)地下水位理念轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｗo(hù)地下水量的保水理念,既能保證較高的煤炭采出率,又能實(shí)現(xiàn)水資源的保護(hù)利用。2煤炭開(kāi)采對(duì)地下水運(yùn)移的影響規(guī)律針對(duì)傳統(tǒng)保水方法在神東礦區(qū)難以有效實(shí)施難題,神華集團(tuán)通過(guò)開(kāi)展課題研究,首次利用物探技術(shù)、水文觀(guān)測(cè)孔觀(guān)測(cè)和物理模型試驗(yàn)等方法,對(duì)大規(guī)模高強(qiáng)度的現(xiàn)代煤炭開(kāi)采條件下的3類(lèi)水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,建立了四維高精度多屬性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),集成了電法和地質(zhì)雷達(dá)等地球物理勘探手段,利用神東礦區(qū)200余個(gè)水文觀(guān)測(cè)孔持續(xù)10余年觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),采用實(shí)驗(yàn)室物理模型和數(shù)值模擬試驗(yàn),對(duì)采前、采中、采后和采后趨穩(wěn)4個(gè)階段的地下水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,揭示了現(xiàn)代煤炭開(kāi)采對(duì)地下水運(yùn)移的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:1)通過(guò)200余個(gè)水文觀(guān)測(cè)孔數(shù)據(jù)分析,可知采后地下水位逐步穩(wěn)定,第四系松散含水層水量損失20%~30%后達(dá)到平衡,2007—2012年神東烏蘭木倫礦含水層厚度下降比例變化如圖3所示。2)目前神東礦區(qū)礦井涌水的主要來(lái)源為基巖裂隙水。3)煤炭開(kāi)采對(duì)地表土壤水影響體現(xiàn)為地表裂縫的影響。沉降區(qū)動(dòng)態(tài)裂縫對(duì)土壤含水量影響范圍50~75cm,周期17~19d;邊緣裂縫對(duì)土壤含水量影響范圍100~125cm,周期45~50d。表明煤炭開(kāi)采對(duì)地表土壤水影響程度在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間內(nèi),由于大氣補(bǔ)給自然恢復(fù),不會(huì)對(duì)地表生態(tài)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。3礦井涌水量及水庫(kù)建設(shè)現(xiàn)狀為保護(hù)和利用地下水資源,神東礦區(qū)在一系列研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)應(yīng)用超大工作面開(kāi)采技術(shù),優(yōu)化開(kāi)采工藝,最大限度減小煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響,以采空區(qū)為儲(chǔ)水空間,實(shí)施保安煤柱防滲加固和人工擋水壩工程,開(kāi)發(fā)了以超大工作面采空區(qū)為儲(chǔ)水空間的煤礦地下水庫(kù)技術(shù)。神東礦區(qū)通過(guò)應(yīng)用該技術(shù),累計(jì)建設(shè)了30余座煤礦地下水庫(kù),儲(chǔ)水量約2900萬(wàn)m3。同時(shí)為解決井下用水緊張,充分利用采空區(qū)自然凈化功能,實(shí)施了礦井水入庫(kù)前處理和出庫(kù)后的井下模塊化水處理,井下儲(chǔ)水經(jīng)過(guò)3級(jí)處理后能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求,節(jié)約了大量水資源,礦井水井下復(fù)用量約2000萬(wàn)m3/a。為解決礦區(qū)生活用水問(wèn)題,神東礦區(qū)95%以上的生活用水來(lái)自于煤礦地下水庫(kù),保證了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。大柳塔煤礦開(kāi)采自20世紀(jì)90年代以來(lái),涌水量一直保持400萬(wàn)m3/a,研究表明基巖裂隙水是涌水量的主要來(lái)源,為地下水庫(kù)建設(shè)提供了持續(xù)的水源保障,神東大柳塔煤礦1996—2012年涌水量變化曲線(xiàn)如圖4所示。在煤礦地下水庫(kù)成功運(yùn)行基礎(chǔ)上,攻克了井下同一煤層、不同煤層水體調(diào)度和地下水庫(kù)庫(kù)底壩體安全的技術(shù)難題,建設(shè)了大柳塔煤礦分布式地下水庫(kù)。目前該分布式地下水庫(kù)由1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)(在建)4座地下水庫(kù)組成,如圖5所示,其中,1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)地下水庫(kù)位于2-2煤層,4號(hào)地下水庫(kù)位于5-2煤層。1號(hào)地下水庫(kù)由2-2煤層四盤(pán)區(qū)工作面組成,2009年8月建成,距地表約93.6m,距平硐井口約3.6km,與2-2煤層2號(hào)地下水庫(kù)相鄰。目前水庫(kù)平均水深約8.6m,儲(chǔ)水量約為150萬(wàn)m3;2號(hào)地下水庫(kù)是在1998年的采空區(qū)儲(chǔ)水設(shè)施基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)技術(shù)提升和工程完善建成,位于2-2煤層老六盤(pán)區(qū),距地表約86.8m,距平硐井口約3.8km。水庫(kù)平均水深約4.7m,儲(chǔ)水量約15萬(wàn)m3;3號(hào)地下水庫(kù)位于2-2煤新六盤(pán)區(qū)采空區(qū),距地表約84.7m,距平硐井口約7.0km,于2010年建成投用,水庫(kù)平均水深約4m,儲(chǔ)水量約45萬(wàn)m3;4號(hào)地下水庫(kù)(在建)位于5-2煤層三盤(pán)區(qū)。大柳塔煤礦2-2煤層和5-2煤層間距約為155m,為實(shí)現(xiàn)不同水平之間的連通,構(gòu)成井下立體空間內(nèi)地下水庫(kù)庫(kù)間水體調(diào)運(yùn),分別建成2處不同煤層間導(dǎo)水通道。一是1號(hào)和2號(hào)水庫(kù)間的4個(gè)連接5-2煤層和2-2煤層的垂直鉆孔,分別為2個(gè)清水抽采利用管道(ue54f219mm)、礦井水回灌管道(ue54f219mm)和備用管道(ue54f219mm),日供應(yīng)5-2煤層生產(chǎn)用水量1920m3;二是3號(hào)水庫(kù)附近ue54f1.4m的鉆孔及配套管道設(shè)施,包括礦井水回灌管道(ue54f423mm)、清水抽采利用管道(ue54f423mm)、清水抽采利用管道(ue54f219mm)等,日回灌5-2煤層礦井水量約2880m3。同時(shí)還建設(shè)有若干水平連通管道、回灌設(shè)施和取水設(shè)施等,實(shí)現(xiàn)了不同地下水庫(kù)的連通。目前,大柳塔煤礦井涌水量約400m3/h,全部回灌到2-2煤層地下水庫(kù),實(shí)現(xiàn)了礦井水不外排。經(jīng)地下水庫(kù)矸石吸附過(guò)濾后供井下生產(chǎn)和地面生產(chǎn)生活使用,井下日均復(fù)用水量約6720m3,同時(shí)供應(yīng)地面生產(chǎn)生態(tài)用水。通過(guò)應(yīng)用該工程,大柳塔煤礦每年節(jié)約用水約250萬(wàn)t,節(jié)省購(gòu)水費(fèi)用3750萬(wàn)元,減少礦井水處理及外排等費(fèi)用1800萬(wàn)元。4煤礦地下水庫(kù)建設(shè)的實(shí)踐在保障煤炭高采出率條件下,實(shí)現(xiàn)地下水資源的保護(hù)利用,是西部生態(tài)脆弱區(qū)現(xiàn)代化礦區(qū)建設(shè)面臨的重大難題之一。神東礦區(qū)在一系列研究基礎(chǔ)上,采用現(xiàn)代科學(xué)研究方法和現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)等手段,首次揭示了現(xiàn)代煤炭開(kāi)采對(duì)地下水運(yùn)移的影響規(guī)律,即第四系松散層孔隙含水層水位在下降至20%~30%后達(dá)到平衡;基巖裂隙水是目前礦井涌水的主要來(lái)源,現(xiàn)代煤炭開(kāi)采對(duì)地表土壤水影響不大。運(yùn)用該規(guī)律,攻克了一系列技術(shù)難題,建設(shè)了若干煤礦地下水庫(kù),保護(hù)了地下水資源,同時(shí)通過(guò)利用自然凈化和人工輔助的水凈化措施,保障了井下生產(chǎn)用水;提供了礦區(qū)95%以上用水;進(jìn)一步攻克了同層和不同層庫(kù)間連通以及水庫(kù)安全難題,實(shí)現(xiàn)井下立體空間內(nèi)不同地下水庫(kù)的導(dǎo)通,建設(shè)了大柳塔世界首座煤礦分布式地下水庫(kù)工程,提升了地下儲(chǔ)水技術(shù)。煤礦地下水庫(kù)及分布式地下水庫(kù)技術(shù)的成功實(shí)施,將傳統(tǒng)的保水位理念轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｋ康谋Ｋ_(kāi)采理念,開(kāi)辟了新的保水開(kāi)采技術(shù)思路,將為我國(guó)西部地區(qū)特別是能源“金三角”煤炭現(xiàn)代開(kāi)采水資源保護(hù)利用提供借鑒參考。引用格式:曹志國(guó),何瑞敏,王興峰.地下水受煤炭開(kāi)采的影響及其儲(chǔ)存利用技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),20