潞安矿区煤水共采技术研究

第28卷第2期岩石力学与工程学报Vol.28No.22009年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.，2009收稿日期：2008–12–26；修回日期：2009–01–04基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400，2006CB202210)；国家自然科学基金重点项目(50634050)；国家自然科学基金资助项目(50674087，50874103)作者简介：白海波(1960–)，男，博士，1982年毕业于南京大学水文地质与工程地质专业，现为教授级高级工程师，主要从事矿井水防治、水资源保护和利用理论与技术等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]潞安矿区煤水共采技术研究白海波1，茅献彪1，2，姚邦华2，唐军华3(1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008；2.中国矿业大学理学院，江苏徐州221008；3.山西潞安集团技术处，山西长治046204)摘要：为了水资源的可持续利用和煤矿安全开采，基于绿色开采理念和采动岩体渗流理论，提出区别于疏干开采和排供结合的煤与水共采的观点。以潞安矿区为基地，分析地下水系统特点，发现并利用了奥陶系顶部隔水层，成功实施矿井水资源化利用和煤与水共采。研究结果表明：煤与水共采既适度开发地下水、维持泉组流量处于动态平衡状态，又经济安全地开采了浅部大量受水威胁的煤炭资源。奥陶系顶部隔水层是不需大幅度降低底板奥灰水位就能实现煤水共采的前提和保障，不仅解放了3#煤，而且解放了占矿区总储量1/3的下组煤；煤与煤系地层水共采和矿井水的净化利用为保持矿区乃至整个盆地地下水资源的采补基本平衡做出了重要贡献。煤与水共采是以保水、保安及环境保护为前提的2种资源的合理开采。关键词：采矿工程；奥陶系；隔水层；水环境；绿色开采中图分类号：TD31文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)02–0395–08RESEARCHONSIMULTANEOUSEXPLOITATIONOFCOALANDGROUNDWATERINLU′ANCOALFIELDBAIHaibo1，MAOXianbiao1，2，YAOBanghua2，TANGJunhua3(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；2.SchoolofSciences，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；3.DepartmentofTechnology，ShanxiLu′anGroup，Changzhi，Shanxi046204，China)Abstract：Basedontheconceptofgreenmininganddynamicsoffluidinrockmassaffectedbymining，theviewpointofsimultaneousexploitationforcoalandwatertocontinuouslyutilizewaterresourcesaswellassafelyminingisputforward，whichisdifferentfromthetraditionalminingmethods，suchasdrainingwaterbeforeminingandcombinationofdrainageandapplicationforotherpurpose.Atthesametime，takingtheLu′ancoalfieldascasestudytoanalyzethecharacteristicsofgroundwatersystem，mininggroundwaterissuccessfullyutilizedandsimultaneousexploitationofcoalandgroundwaterbyusingthewater-resistingcapabilityofOrdoviciantopisimplemented.Theresultsindicate：(1)thesimultaneousexploitationofcoalandgroundwatercannotonlyproperlyexploitgroundwatertomaintainthedynamicalbalancestateofspringgroupflow，butalsomakeitpossibletominingagreatdealofcoalresourcesinshallowparteconomicallyandsafely，whichisthreatenbyOrdovicianwater；(2)thediscoveryandutilizationofaquifugesinOrdoviciantoparethepreconditionandguaranteetocarryoutsimultaneousexploitationofcoalandgroundwaterwithoutreducingthewaterlevelofOrdoviciangroundwater•396•岩石力学与工程学报2009年underfloor，whichwillreleasenotonlythecoalseamNo.3butalsothelowercoalseamswhichaccountforonethirdoftotalreserveintheminearea；and(3)simultaneousexploitationandutilityofcoalandgroundwaterhaveplayedamajorpartinkeepingthebasicexploitation-rechargebalanceofgroundwaterintheminingareaandeveninthewholebasin.Overall，theobjectiveofthesimultaneousexploitationofcoalandgroundwateristoexploitthistwokindsofresourcesproperlywithoutdestroyingwaterandenvironmentanddecreasingsafety.Keywords：miningengineering；Ordovician；aquifuge；waterenvironment；greenmining1引言全国91个国有重点煤矿区中，75%的矿区缺水，44%的矿区严重缺水[1～4]。即使在现有生产经营条件下水资源还能满足的矿区，随着煤矿企业拓展和延伸产业链，规划和新建的与煤相关的后续产业(如电力、炼焦和煤制油等)需水量大的项目以及当地工农业的发展和人民生活水平的提高，水资源的可利用量也将很难满足需要。水资源已经成为制约企业和当地经济社会发展的关键要素，尤其在北方，人均生活用水量不足0.6m3/d，只有正常用水指标的1/2[4]。在煤炭开采过程中，无论是矿井的正常涌水，还是以防治矿井水害为目的进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，都会不同程度地影响或破坏含水层[5～9]，我国每年排出矿井水达42.0×108t，利用率只有22%[4]。不仅造成地下水资源的极大浪费，而且还污染水环境。煤矿开采对待水的态度和处理方式虽然已经从单纯防治水正向排供结合的阶段过渡。但前提都是把水当成害，在治理水害的前提下有限度的利用水资源[2，10]。还没有在开采煤炭的全过程中(从设计到生产)对水资源进行有意识的全面的保护和利用。在许多矿区常常呈现一边是水量不足，水环境污染的“水荒”，一边又是突水、淹井、大量的矿井水排入水环境的相互矛盾局面。本文在绿色开采思想的指导下，把水和煤炭看成同等重要的资源，甚至于比煤炭更重要的资源，基于地下水系统分析和采动岩体渗流理论[11～14]，以潞安等矿区为试验基地，研究煤与水共采的思路和相应的技术手段。2煤与水共采技术原理及思路所谓“煤与水共采”就是在绿色开采思想的指导下，从水既是宝贵的战略性资源又是构成环境的重要要素这一基点出发协调煤炭开采与水资源保护性开采问题，达到煤炭开采防水害与水资源合理保护、高效利用的和谐统一。要求在充分研究煤层顶底板附近地下水系统及富水规律的基础上，在矿区规划、矿井设计和生产中，充分发挥地下水系统天然自保和抗灾能力，辅以人工改性强化，以实现水资源保护和矿井防灾。生产和生活用水优先取用采矿将要扰动的水资源，将分散的矿井水集中，根据水质不同运用不同的净化方法处理后，用于井上下生产和生活或达标排入水环境；与矿井防治水害有机结合，对重要程度不同的水体或水体的不同部位实施分级保护和开采。在地面，利用取水设施优先抽取煤层顶底板对煤炭生产有威胁的水体；在井下，利用采掘系统，兼顾煤炭生产与采水，实行超前采水，也在一定范围内降低其水头，使矿井在特定深度内无压或带低压采煤，随着隔水层隔水功能的恢复，可适当回升水位，实现煤与水两种资源协调共采。这样，既保煤炭生产安全，又能获得清洁的水资源和保护水环境。图1为煤与水共采技术路线。图1煤与水共采技术路线Fig.1Sketchofsimultaneousexploitationofcoalandgroundwater煤与水共采的基础研究地下水系统结构隔水关键层地下水信息系统采矿破坏程度区域规划需水资源保护性限煤与水共采技术水动态模拟技术布井规划技术水井成井技术水动态控制技术矿井水净化技术岩层改性技术第28卷第2期白海波，等.潞安矿区煤水共采技术研究•397•3煤与奥灰水共采技术3.1煤与奥灰水共采条件分析(1)“地高水低、逆倾向流和地层倾角平缓”利于煤炭资源的解放潞安矿区位于山西高原东南部的长治盆地中，地势比太行山东侧高出约900m，因此，河流穿越太行山时，坡降较大，下切强烈。虽然受基底古老坚硬变质岩系的制约，但是位于太行山西麓的长治盆地的侵蚀基准面仍然较低，辛安泉群在浊漳河床出露的高程约为+600m，与地面相差了300～500m。矿区O2及煤系地层含水层的地下水位埋深超过200m，低于新生界松散层底板，形成了松散层和基岩水位相脱离的“双重水位”和“地高水低”的天然现状[15，16]，矿区为向西倾的单斜，矿区浅部煤层大面积处于奥陶系石灰岩岩溶水位之上(见图2)。煤层厚度大，3#煤为6m，15#煤为2.7m，倾角平缓，一般为5°～7°，只要将奥陶系水位降低较小的幅度，就可以解放大量的煤炭资源。图2潞安矿区地下水动力系统剖面示意图Fig.2SchematicdiagramofgroundwaterdynamicsystemsectioninLu′ancoalfield(2)奥陶系顶部隔水层有利于水位调节钻探野外鉴定和镜下鉴定结果表明本矿区中奥陶统顶部隔水层由2段构成：其一，顶界面向下厚约20m，岩性以粗粉晶～细砂晶石灰岩为主，方解石含量99%～100%，晶粒大小0.01～0.2mm，粗粉晶～细砂晶结构，颗粒紧密接触，晶间溶蚀孔隙和微缝合线(隙宽约0.1mm)较发育，为古风化壳岩溶，多为后期沉积充填(黏土、方解石和黄铁矿)。其二，再往下厚65～150m，以含生屑砂屑泥晶灰岩为主，方解石含量95%～100%，泥晶结构为主，其次是含生屑砂屑粉晶结构与细砂晶结构，晶粒大小0.005～0.200mm，生屑0.1～3.0mm，砂屑0.05～0.50mm，微缝合线、微裂隙、溶孔、溶缝(昀大隙宽1～3mm)发育，多为亮晶方解石及少量泥质及黏土矿物充填，局部选择性溶蚀，但被亮晶方解石充填。经压汞试验等微孔隙结构分析上述2段有效孔隙体积0.0042～0.