西部生态脆弱矿区保水采煤实践进展

　第40卷第8期煤　　炭　　学　　报Vol.40　No.8　　2015年8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.　2015　范立民,马雄德,冀瑞君.西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J].煤炭学报,2015,40(8):1711-1717.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.0223FanLimin,MaXiongde,JiRuijun.Progressinengineeringpracticeofwater-preservedcoalmininginwesterneco-environmentfrangiblear-ea[J].JournalofChinaCoalSociety,2015,40(8):1711-1717.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.0223西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展范立民1,2,马雄德3,冀瑞君4(1.陕西省地质调查院,陕西西安　710065;2.陕西省地质环境监测总站,陕西西安　710054;3.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安　710054;4.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京　100083)摘　要:“保水采煤”是应鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田独特的矿床地质条件而提出,经过多年研究和探索,在基础研究、工程实践等领域取得了大量成果。总结了不同阶段保水采煤研究的最新进展和存在的科学问题。基础研究阶段,查明了煤层与含(隔)水层空间关系、煤层覆岩结构类型,划分了保水采煤地质条件分区,编绘了基于地下水位保护的采煤方法规划图,提出了开采区域评价方法和采煤方法等实现“保水采煤”的途径。在工程实践阶段,以生态水位保护为原则,开展了基于含水层结构保护的充填开采、窄条带开采、限高(分层)开采、短壁机械化开采法、快速推进法等“因地制宜”的保水采煤工程实践,开展了基于岩溶承压含水层结构保护的底板注浆加固保水采煤工程实践;以水资源保护、利用为原则,开展了基于地下水转移储存、采空区储水的保水采煤工程实践。关键词:生态脆弱矿区;保水采煤;研究进展;生态水位;三图预测法中图分类号:TD823．2　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2015)08-1711-07收稿日期:2015-02-12　　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:[phone],E-mail:[e-mail]practiceofwater-preservedcoalmininginwesterneco-environmentfrangibleareaFANLi-min1,2,MAXiong-de3,JIRui-jun4(1.ShaanxiGeologicalSurvey,Xi’an　710065,China;2.ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Xi’an　710054,China;3.CollegeofEnviron-mentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an　710054,China;4.StateKeyLaboratoryofCoalResources&SafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing　100083,China)Abstract:ItistheuniquegeologicalenvironmentconditionsinnorthernOrdosBasinJurassiccoalfieldthattheissue“water-preservedcoalmining”ispresented.Afteryearsofresearch,therehavebeensomesignificantprogressesinbasicresearchandengineeringpractice.Thispapersummarizedthelatestachievementsintheresearchofwater-pre-servedcoalmining.Inthebasicresearchphase:identifiedspatialdistributionrelationbetweencoalbedwithaquifersandimpermeablelayer;establishedthestructuretypeofcoalbedroof;dividedthecoalminingareaintodifferentparti-tionstoprotectaquifer;andspecifiedtheminingmethodsindifferentregionstoprotectgroundwater.Intheengineeringpracticephase:fivekindsofaquifer-structure-preservedminingmethodsbeemployedtoprotectroofaquiferstructure,includingcut-and-fillmining,stripmining,slicemining,short-wallcontinuousmechanicalminingandfastmarchingmining;reinforcedbottomplatebygroutingtoprotectKarstconfinedwaterinWeibeiminingarea;andtransferredswalletintomined-outareatoimprovetheutilization.煤　　炭　　学　　报2015年第40卷Keywords:theecologicalfragileminingarea;water-preservedmining;recentprogressofengineeringpractices;eco-logicalgroundwatertable;threemapsprediction　　1990-04-20和1990-04-28,陕北侏罗纪煤田瓷窑湾煤矿发生两次巷道冒落、突水溃沙灾害,导致附近的顺沟渠水库干涸。在灾后水文地质补充勘查和成因分析后,范立民于1992年提出了“保水采煤”的观点和建议[1-2],即在我国西部缺水矿区,应该通过合理布局和科学开采,使煤炭开采、水资源保护与生态环境安全协调发展。国外在预防顶板突水时一般采用主动防护法(疏干含水层)和堵水截留法(帷幕注浆)[3],没有可供我国西部“保水采煤”借鉴的经验。20多年来,基于保水采煤目标,中国研究者在榆神府矿区基础地质、水文地质工程地质领域做了大量工作,奠定了“保水采煤”研究的地质基础[1-2,4-9]。地质、矿业工程科学家就安全高效、“保水”、经济的采煤技术进行了大量的研究和工程实践,开展了以充填、窄条带、限高、短壁机械化和长壁快速推进(局部限高)为主的保水采煤工程实践,基本实现了煤炭开采和水资源保护并举的目标。2004年以来,水文水资源、生态环境的理论和方法应用于保水采煤领域,保水采煤思想得到了丰富和发展,初步形成了以生态水位保护为核心的保水采煤技术体系[7-9]。随着我国西部煤炭产量的不断提升,新疆、青海、甘肃华亭-陕西彬长、宁东等生态环境脆弱区煤炭科学开采是亟待解决的难题[10-11],及时总结基于榆神府矿区形成的“保水采煤”研究进展,可有效促进中国西部地区煤炭的科学开采。1　保水采煤地质基础研究1．1　水文地质工程地质基础研究陕北侏罗系煤田含可采煤层2~12层(一般3~5层),单层厚度3~5m,最大12．49m[4],地质构造简单,易于开采,当前开采的区域煤层埋藏较浅,一般100~300m。萨拉乌苏组(Q3s)、烧变岩两个含水层是区内仅有的具备供水意义的含水层,位于煤层之上,开采会不可避免地破坏上述含水层的储水结构,必须实行保水开采(保水采煤)。水文地质工程地质条件研究是保水采煤的基础。范立民[12]在系统研究萨拉乌苏组含水层、岩土隔水层、烧变岩含水层和煤层的赋存分布特征基础上,将榆神府矿区水文地质条件分为4类,即孤立局部富水小型含水盆地(神东矿区大柳塔—石圪台一带)、无土层隔水层大型含水盆地(榆神矿区一期规划区东部和二期规划区)、含水层和岩土隔水层稳定发育的含水盆地(榆神矿区一、三、四期规划区)和萨拉乌苏-烧变岩含水盆地(窟野河、秃尾河沿岸地区)。李文平等[5]划分了5种工程地质类型,即砂土基型、砂基型、土基型、基岩型和烧变岩型(砂指萨拉乌苏组及风积沙,土、基指黏土与基岩隔水层),并指出砂土基型和烧变岩型覆岩条件下有保水采煤的必要性。以上研究基本圈定了有水矿区和无水矿区,并指出在无水矿区鼓励机械化高强度开采,可先行开采,而有水矿区必须实行保水开采。针对我国赋煤区,彭苏萍等[13]研究了煤炭资源、水资源的分布特点及结构类型,提出了煤矿区水资源保护、科学利用和合理配置的战略路径。1．2　地质条件分区预测1．2．1　经验公式法有水矿区是否需要采取保水采煤措施,取决于采煤引起的导水裂隙带是否波及到目标含水层中。导水裂隙带的研究方法主要有经验公式计算、钻孔实测、模拟等方法,经验公式是基于20世纪80年代前的采矿技术总结的,不适合目前高强度开采条件。因此,一些研究者采用钻探探测、模拟实验和关键层理论研究确定导水裂隙带发育高度及裂隙演变规律[14-17],修订了经验参数,为保水采煤地质条件分区提供了技术依据。1．2．2　“三图”预测法2003年9月,王双明、范立民对榆神矿区一期规划区进行了保水采煤分区研究[18],编绘了萨拉乌苏组含水层等厚线图(确定保水采煤的保护含水层)、2-2煤层顶板隔水层厚度等值线图和2-2煤层开采导水裂隙带发育高度等值线图。据此“三图”,结合覆岩物理力学性质及采煤方法,判定煤层开采对萨拉乌苏组含水层的影响程度,称为保水采煤的“三图预测法”,这为保水采煤地质条件分区提供了可行的方法[7-9]。据此,根据采煤对萨拉乌苏组地下水影响程度,将榆神府矿区划分为4个分区,即贫水开采区、保水限定开采区、可控保水开采区和自然保水开采区[9]。榆神矿区三期规划区规划环评前,陕西省地质调查院开展了采煤对水资源影响的评价[19]。根据综合预测,榆神矿区三期规划区2-2煤层开采的导水裂隙带发育高度平均为采高的26．5倍。据三图预测法,将该区采煤对水资源影响程度分为轻微影响区、一般影响区和严重影响区。2171第8期范立民等:西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展按照预测结论,严重影响区不仅会诱发突水溃沙矿井灾害,还使水体、湿地面积持续萎缩,地下水位下降幅度较大[20-21],为此,国家发改委修改了榆神矿区三期开发规划,现阶段只批准建设位于轻微影响区的小保当一号煤矿,待取得保水采煤技术参数后,再研究其他井田是否开发以及开发方案,已投产的隆德煤矿要采用保水采煤技术。2　基于含水层保护的保水采煤实践含水层结构保护的关键是岩层控制[22],即控制采煤产生的导水裂隙带不与含水层导通,从而实现生态水位保护。在开采煤层顶板水和底板水保护两种不同条件下,所采取的保水开采方法亦会有不同。2．1　顶板含水层保水采煤工程实践对于煤层上部含水层实施保水开采,其核心就是采取合理的采煤方法和工艺保证含水层结构不被破坏,或者有一定的损坏,但不至于引起地下水位大幅度下降。根据矿床水文地质条件,在陕北、内蒙古东胜地区(即鄂尔多斯盆地西北部地区)需要保护的含水层为萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层[1-2,7]。在工程实践中,基于不同的地质条件和开采条件,形成了充填保水采