范立民,馬雄德,冀瑞君

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院,陜西西安 710065;2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,陜西西安 710054;3.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710054;4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

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西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實(shí)踐進(jìn)展

范立民1,2,馬雄德3,冀瑞君4

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院,陜西西安 710065;2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,陜西西安 710054;3.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710054;4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

摘 要:“保水采煤”是應(yīng)鄂爾多斯盆地北部侏羅紀(jì)煤田獨(dú)特的礦床地質(zhì)條件而提出,經(jīng)過(guò)多年研究和探索,在基礎(chǔ)研究、工程實(shí)踐等領(lǐng)域取得了大量成果?？偨Y(jié)了不同階段保水采煤研究的最新進(jìn)展和存在的科學(xué)問(wèn)題。基礎(chǔ)研究階段,查明了煤層與含(隔)水層空間關(guān)系、煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型,劃分了保水采煤地質(zhì)條件分區(qū),編繪了基于地下水位保護(hù)的采煤方法規(guī)劃圖,提出了開(kāi)采區(qū)域評(píng)價(jià)方法和采煤方法等實(shí)現(xiàn)“保水采煤”的途徑。在工程實(shí)踐階段,以生態(tài)水位保護(hù)為原則,開(kāi)展了基于含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的充填開(kāi)采、窄條帶開(kāi)采、限高(分層)開(kāi)采、短壁機(jī)械化開(kāi)采法、快速推進(jìn)法等“因地制宜”的保水采煤工程實(shí)踐,開(kāi)展了基于巖溶承壓含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的底板注漿加固保水采煤工程實(shí)踐;以水資源保護(hù)、利用為原則,開(kāi)展了基于地下水轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存、采空區(qū)儲(chǔ)水的保水采煤工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞:生態(tài)脆弱礦區(qū);保水采煤;研究進(jìn)展;生態(tài)水位;三圖預(yù)測(cè)法

責(zé)任編輯:韓晉平

范立民,馬雄德,冀瑞君.西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實(shí)踐進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1711-1717.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0223

Fan Limin,Ma Xiongde,Ji Ruijun.Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1711-1717.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0223

Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area

FAN Li-min1,2,MA Xiong-de3,JI Rui-jun4

(1.Shaanxi Geological Survey,Xi’an 710065,China;2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring,Xi’an 710054,China;3.College of Environmental Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710054,China;4.State Key Laboratory of Coal Resources & Safe Mining,China University of Mining & Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:It is the unique geological environment conditions in northern Ordos Basin Jurassic coalfield that the issue “water-preserved coal mining”is presented.After years of research,there have been some significant progresses in basic research and engineering practice.This paper summarized the latest achievements in the research of water-preserved coal mining.In the basic research phase:identified spatial distribution relation between coal bed with aquifers and impermeable layer;established the structure type of coal bed roof;divided the coal mining area into different partitions to protect aquifer;and specified the mining methods in different regions to protect groundwater.In the engineering practice phase:five kinds of aquifer-structure-preserved mining methods be employed to protect roof aquifer structure, including cut-and-fill mining,strip mining,slice mining,short-wall continuous mechanical mining and fast marching mining;reinforced bottom plate by grouting to protect Karst confined water in Weibei mining area;and transferred swallet into mined-out area to improve the utilization.

Key words:the ecological fragile mining area;water-preserved mining;recent progress of engineering practices;ecological groundwater table;three maps prediction

1990-04-20和1990-12-28,陜北侏羅紀(jì)煤田瓷窯灣煤礦發(fā)生兩次巷道冒落、突水潰沙災(zāi)害,導(dǎo)致附近的順溝渠水庫(kù)干涸。在災(zāi)后水文地質(zhì)補(bǔ)充勘查和成因分析后,范立民于1992年提出了“保水采煤”的觀點(diǎn)和建議[1-2],即在我國(guó)西部缺水礦區(qū),應(yīng)該通過(guò)合理布局和科學(xué)開(kāi)采,使煤炭開(kāi)采、水資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境安全協(xié)調(diào)發(fā)展。國(guó)外在預(yù)防頂板突水時(shí)一般采用主動(dòng)防護(hù)法(疏干含水層)和堵水截留法(帷幕注漿)[3],沒(méi)有可供我國(guó)西部“保水采煤”借鑒的經(jīng)驗(yàn)。20多年來(lái),基于保水采煤目標(biāo),中國(guó)研究者在榆神府礦區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)工程地質(zhì)領(lǐng)域做了大量工作,奠定了“保水采煤”研究的地質(zhì)基礎(chǔ)[1-2,4-9]。地質(zhì)、礦業(yè)工程科學(xué)家就安全高效、“保水”、經(jīng)濟(jì)的采煤技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和工程實(shí)踐,開(kāi)展了以充填、窄條帶、限高、短壁機(jī)械化和長(zhǎng)壁快速推進(jìn)(局部限高)為主的保水采煤工程實(shí)踐,基本實(shí)現(xiàn)了煤炭開(kāi)采和水資源保護(hù)并舉的目標(biāo)。2004年以來(lái),水文水資源、生態(tài)環(huán)境的理論和方法應(yīng)用于保水采煤領(lǐng)域,保水采煤思想得到了豐富和發(fā)展,初步形成了以生態(tài)水位保護(hù)為核心的保水采煤技術(shù)體系[7-9]。隨著我國(guó)西部煤炭產(chǎn)量的不斷提升,新疆、青海、甘肅華亭-陜西彬長(zhǎng)、寧東等生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)煤炭科學(xué)開(kāi)采是亟待解決的難題[10-11],及時(shí)總結(jié)基于榆神府礦區(qū)形成的“保水采煤”研究進(jìn)展,可有效促進(jìn)中國(guó)西部地區(qū)煤炭的科學(xué)開(kāi)采。

1 保水采煤地質(zhì)基礎(chǔ)研究

1.1 水文地質(zhì)工程地質(zhì)基礎(chǔ)研究

陜北侏羅系煤田含可采煤層2~12層(一般3~5層),單層厚度3~5 m,最大12.49 m[4],地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,易于開(kāi)采,當(dāng)前開(kāi)采的區(qū)域煤層埋藏較淺,一般100~300 m。薩拉烏蘇組(Q3s)、燒變巖兩個(gè)含水層是區(qū)內(nèi)僅有的具備供水意義的含水層,位于煤層之上,開(kāi)采會(huì)不可避免地破壞上述含水層的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu),必須實(shí)行保水開(kāi)采(保水采煤)。

水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件研究是保水采煤的基礎(chǔ)。范立民[12]在系統(tǒng)研究薩拉烏蘇組含水層、巖土隔水層、燒變巖含水層和煤層的賦存分布特征基礎(chǔ)上,將榆神府礦區(qū)水文地質(zhì)條件分為4類,即孤立局部富水小型含水盆地(神東礦區(qū)大柳塔—石圪臺(tái)一帶)、無(wú)土層隔水層大型含水盆地(榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)東部和二期規(guī)劃區(qū))、含水層和巖土隔水層穩(wěn)定發(fā)育的含水盆地(榆神礦區(qū)一、三、四期規(guī)劃區(qū))和薩拉烏蘇-燒變巖含水盆地(窟野河、禿尾河沿岸地區(qū))。李文平等[5]劃分了5種工程地質(zhì)類型,即砂土基型、砂基型、土基型、基巖型和燒變巖型(砂指薩拉烏蘇組及風(fēng)積沙,土、基指黏土與基巖隔水層),并指出砂土基型和燒變巖型覆巖條件下有保水采煤的必要性。以上研究基本圈定了有水礦區(qū)和無(wú)水礦區(qū),并指出在無(wú)水礦區(qū)鼓勵(lì)機(jī)械化高強(qiáng)度開(kāi)采,可先行開(kāi)采,而有水礦區(qū)必須實(shí)行保水開(kāi)采。

針對(duì)我國(guó)賦煤區(qū),彭蘇萍等[13]研究了煤炭資源、水資源的分布特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)類型,提出了煤礦區(qū)水資源保護(hù)、科學(xué)利用和合理配置的戰(zhàn)略路徑。

1.2 地質(zhì)條件分區(qū)預(yù)測(cè)

1.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

有水礦區(qū)是否需要采取保水采煤措施,取決于采煤引起的導(dǎo)水裂隙帶是否波及到目標(biāo)含水層中。導(dǎo)水裂隙帶的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、鉆孔實(shí)測(cè)、模擬等方法,經(jīng)驗(yàn)公式是基于20世紀(jì)80年代前的采礦技術(shù)總結(jié)的,不適合目前高強(qiáng)度開(kāi)采條件。因此,一些研究者采用鉆探探測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)和關(guān)鍵層理論研究確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及裂隙演變規(guī)律[14-17],修訂了經(jīng)驗(yàn)參數(shù),為保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)提供了技術(shù)依據(jù)。

1.2.2 “三圖”預(yù)測(cè)法

2003年9月,王雙明、范立民對(duì)榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)進(jìn)行了保水采煤分區(qū)研究[18],編繪了薩拉烏蘇組含水層等厚線圖(確定保水采煤的保護(hù)含水層)、2-2煤層頂板隔水層厚度等值線圖和2-2煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等值線圖。據(jù)此“三圖”,結(jié)合覆巖物理力學(xué)性質(zhì)及采煤方法,判定煤層開(kāi)采對(duì)薩拉烏蘇組含水層的影響程度,稱為保水采煤的“三圖預(yù)測(cè)法”,這為保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)提供了可行的方法[7-9]。據(jù)此,根據(jù)采煤對(duì)薩拉烏蘇組地下水影響程度,將榆神府礦區(qū)劃分為4個(gè)分區(qū),即貧水開(kāi)采區(qū)、保水限定開(kāi)采區(qū)、可控保水開(kāi)采區(qū)和自然保水開(kāi)采區(qū)[9]。

榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)規(guī)劃環(huán)評(píng)前,陜西省地質(zhì)調(diào)查院開(kāi)展了采煤對(duì)水資源影響的評(píng)價(jià)[19]。根據(jù)綜合預(yù)測(cè),榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)2-2煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度平均為采高的26.5倍。據(jù)三圖預(yù)測(cè)法,將該區(qū)采煤對(duì)水資源影響程度分為輕微影響區(qū)、一般影響區(qū)和嚴(yán)重影響區(qū)。

按照預(yù)測(cè)結(jié)論,嚴(yán)重影響區(qū)不僅會(huì)誘發(fā)突水潰沙礦井災(zāi)害,還使水體、濕地面積持續(xù)萎縮,地下水位下降幅度較大[20-21],為此,國(guó)家發(fā)改委修改了榆神礦區(qū)三期開(kāi)發(fā)規(guī)劃,現(xiàn)階段只批準(zhǔn)建設(shè)位于輕微影響區(qū)的小保當(dāng)一號(hào)煤礦,待取得保水采煤技術(shù)參數(shù)后,再研究其他井田是否開(kāi)發(fā)以及開(kāi)發(fā)方案,已投產(chǎn)的隆德煤礦要采用保水采煤技術(shù)。

2 基于含水層保護(hù)的保水采煤實(shí)踐

含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的關(guān)鍵是巖層控制[22],即控制采煤產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶不與含水層導(dǎo)通,從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)水位保護(hù)。在開(kāi)采煤層頂板水和底板水保護(hù)兩種不同條件下,所采取的保水開(kāi)采方法亦會(huì)有不同。

2.1 頂板含水層保水采煤工程實(shí)踐

對(duì)于煤層上部含水層實(shí)施保水開(kāi)采,其核心就是采取合理的采煤方法和工藝保證含水層結(jié)構(gòu)不被破壞,或者有一定的損壞,但不至于引起地下水位大幅度下降。根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件,在陜北、內(nèi)蒙古東勝地區(qū)(即鄂爾多斯盆地西北部地區(qū))需要保護(hù)的含水層為薩拉烏蘇組含水層和燒變巖含水層[1-2,7]。在工程實(shí)踐中,基于不同的地質(zhì)條件和開(kāi)采條件,形成了充填保水采煤、窄條帶保水采煤、分層(限高)保水采煤、短壁機(jī)械化保水采煤及長(zhǎng)壁機(jī)械化快速推進(jìn)保水采煤等保水采煤方法。

2.1.1 充填式保水采煤進(jìn)展

充填式控頂方法對(duì)地表環(huán)境保護(hù)和煤礦安全十分有利,在巷柱式開(kāi)采法和長(zhǎng)壁式開(kāi)采法中均有應(yīng)用[23],并形成了充填采煤一體化系統(tǒng)、裝備以及工藝,為巖層控制與含水層保護(hù)提供了技術(shù)途徑。2003年范立民提出利用風(fēng)積沙充填采空區(qū)的保水采煤技術(shù)方案[24],盡管沒(méi)有付諸實(shí)施,但這是最早基于保水采煤目標(biāo)提出利用風(fēng)積沙為骨料充填采空區(qū)的保水采煤技術(shù)方案。

由于榆陽(yáng)煤礦與榆林新的城市規(guī)劃重疊,為了保證城市規(guī)劃的實(shí)施,榆陽(yáng)煤礦開(kāi)采過(guò)程中必須保護(hù)好薩拉烏蘇組含水層和地質(zhì)環(huán)境,為此,推行了充填開(kāi)采。

榆陽(yáng)煤礦以風(fēng)積沙為骨料的膏體充填材料,實(shí)現(xiàn)了保水采煤。該方法主要是由風(fēng)積沙、水泥、粉煤灰、專用輔料及水按一定配比混合而成,其中水占35%以下(似膏體)。2301連采工作面充填50條支巷,充填5.2萬(wàn)m3,充填體強(qiáng)度28 d時(shí)達(dá)到5.30 MPa。充填率50%~70%,地面下沉量減少了50%以上[25]。

神東礦區(qū)部分煤礦也開(kāi)展了局部充填或局部限高保水開(kāi)采工程實(shí)踐,一般在工作面開(kāi)切眼附近適當(dāng)降低采高或部分充填,在終采線附近也采用同樣措施,實(shí)現(xiàn)保水采煤目標(biāo)[26]。

充填保水開(kāi)采是實(shí)現(xiàn)保水采煤的重要途徑,但成本較高。榆陽(yáng)煤礦的充填成本超過(guò)了100元/ t,這給該技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難。

2.1.2 窄條帶保水采煤進(jìn)展

“窄條帶”采煤方法的主要技術(shù)特征是:礦井的開(kāi)采系統(tǒng)仍按照長(zhǎng)壁開(kāi)采系統(tǒng)布置,在原設(shè)計(jì)的回采工作面,平行于原開(kāi)切眼劃分若干個(gè)開(kāi)采條帶;每個(gè)開(kāi)采條帶開(kāi)采時(shí),先開(kāi)通由區(qū)段運(yùn)輸平巷到區(qū)段回風(fēng)平巷的開(kāi)掘工作面,形成較為規(guī)范的全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng);后采用后退擴(kuò)巷回采?！罢瓧l帶”采煤方法是針對(duì)榆神礦區(qū)地方煤礦開(kāi)采區(qū)采礦權(quán)邊界不規(guī)則而提出的一種保水采煤方法。

通過(guò)對(duì)榆卜界等礦井“保水采煤”設(shè)計(jì)研究,確定了“窄條帶”開(kāi)采技術(shù)參數(shù)確定的原則和方法:①確保煤層上覆富含水層不受破壞的原則上,計(jì)算開(kāi)采條帶的最大寬度;②保證煤柱長(zhǎng)期穩(wěn)定性原則基礎(chǔ)上,計(jì)算條帶煤柱的最小尺寸;③提出條帶開(kāi)采方案,通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行“圍巖-煤柱群”整體力學(xué)模型計(jì)算。

邵小平等[27]采用相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)“采12留8”條帶開(kāi)采中8 m條帶煤柱及煤柱削減至6 m及4 m后的煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比模擬研究。研究結(jié)果表明,條帶工作面條帶煤柱及邊界大煤柱構(gòu)成承擔(dān)覆巖荷載的整體結(jié)構(gòu),條帶煤柱是主體;條帶煤柱尺寸減小首先造成采空區(qū)域中部煤柱產(chǎn)生塑性變形,其承受的荷載向其他煤柱轉(zhuǎn)移;4 m條帶煤柱造成采空區(qū)中部局部條帶煤柱首先失穩(wěn),進(jìn)而導(dǎo)致覆巖的瞬間大范圍垮落。8 m條帶煤柱可保證煤柱長(zhǎng)期的穩(wěn)定性,達(dá)到保水開(kāi)采的目的。

目前,榆神礦區(qū)10余處地方煤礦采用“采12留8”的保水采煤方法,與原房柱式采煤方法比較,煤炭資源采出率提高20%以上,單井產(chǎn)量可提高到100~300萬(wàn)t。

窄條帶保水采煤技術(shù)由于煤炭采出率低,只是一種限于特定地質(zhì)條件下的開(kāi)采法,未來(lái)如何回收留滯的“條帶煤”以及采空區(qū)安全隱患防范是一個(gè)重大難題。

2.1.3 分層(限高)保水采煤進(jìn)展

榆神府礦區(qū)2-2煤層厚度大于10 m的可采范圍較廣,厚煤層開(kāi)采主要有放頂法和分層開(kāi)采兩種方法。放頂法盡管生產(chǎn)效率高,但覆巖破壞嚴(yán)重,壓力顯現(xiàn)劇烈。實(shí)踐表明,減小初次開(kāi)采厚度,增大重復(fù)開(kāi)采厚度,可以有效降低導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度,降低生產(chǎn)成本。

分層開(kāi)采可以有效降低導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。合理設(shè)計(jì)初采厚度,重復(fù)分層開(kāi)采可以避免一次采全高破壞上覆含水層隔水層的隔水性。王悅[28]研究了放頂開(kāi)采和分層開(kāi)采條件下榆樹(shù)灣煤礦保水采煤的可行性,認(rèn)為分層開(kāi)采可以實(shí)現(xiàn)榆樹(shù)灣煤礦保水開(kāi)采。

榆樹(shù)灣煤礦延安組含煤5層,其中2-2煤層是最上部可采煤層,煤層厚度11 m。薩拉烏蘇組含水層厚14.20~15.85 m,黃土及紅土層隔水層厚83.75~95.80 m,煤層上覆基巖厚115~160 m(其中直羅組裂隙含水層厚度82.9~20.7 m,基巖頂面風(fēng)化含水層厚23.64~11.60 m,延安組弱或極弱含水層厚77.39~94.73 m)。

不同采高產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度不同,造成的薩拉烏蘇組地下水漏失程度也有差異。若上分層采用一次采全厚(≥7 m)全部垮落法管理頂板時(shí), 45%以上區(qū)域的薩拉烏蘇組地下水將漏失,上分層采高5 m左右可以實(shí)現(xiàn)大部分區(qū)域的保水開(kāi)采[28]。因此,榆樹(shù)灣煤礦設(shè)計(jì)上分層采高5.50 m,目前已完成5個(gè)綜采工作面的回采,正在開(kāi)采第6個(gè)工作面,采空區(qū)只發(fā)現(xiàn)了2條獨(dú)立下行裂縫[7],鉆孔探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育到薩拉烏蘇組含水層,實(shí)現(xiàn)了保水采煤目標(biāo)。

限高(分層)保水采煤技術(shù)在榆神府礦區(qū)無(wú)疑是一種適宜的新技術(shù),但上分層開(kāi)采后,下分層何時(shí)回采以及回采對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的影響,將是面臨的科學(xué)技術(shù)難題。

2.1.4 短壁機(jī)械化保水采煤進(jìn)展

短壁連采技術(shù)始創(chuàng)于美國(guó),于1979年開(kāi)始從美國(guó)引進(jìn),經(jīng)多年發(fā)展形成適于用我國(guó)地質(zhì)特征的高效的短壁機(jī)械化連續(xù)開(kāi)采技術(shù)和方法[29]。短壁式開(kāi)采技術(shù)具有采、掘合一,機(jī)動(dòng)靈活,適應(yīng)性較廣等優(yōu)點(diǎn),特別適合于“三下”開(kāi)采,不規(guī)則區(qū)域開(kāi)采及殘煤區(qū)回收煤柱等。2003年神東煤炭集團(tuán)公司應(yīng)用短壁開(kāi)采工藝促進(jìn)了礦井的規(guī)?；a(chǎn),2010年劉玉德等在神府礦區(qū)蘇家壕煤礦,借助實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論計(jì)算與數(shù)值模擬,建立了淺埋煤層短壁開(kāi)采分類體系,針對(duì)性進(jìn)行了短壁機(jī)械化采煤布置,成功解決了薄基巖條件下短壁機(jī)械化保水采煤?jiǎn)栴}[29]。

2.1.5 長(zhǎng)壁機(jī)械化快速推進(jìn)保水采煤進(jìn)展

馬立強(qiáng)等[30-31]針對(duì)神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦薄基巖淺埋藏易發(fā)生切落的32201工作面和具有雙關(guān)鍵層的32202工作面,通過(guò)加快推進(jìn)速度,在保水開(kāi)采重點(diǎn)區(qū)域限制采高或局部充填,選擇合理的支護(hù)阻力3項(xiàng)措施,盡量保證頂板完整性,避免在動(dòng)壓力作用下導(dǎo)水裂隙帶的充分發(fā)育導(dǎo)通含水層,造成含水層水短時(shí)間大量涌入工作面。

采取措施后,32201和32202工作面從數(shù)值模擬到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,松散層水位變化較小,僅在工作面兩側(cè)順槽水位下降大于地面下沉值,基本實(shí)現(xiàn)了保水采煤目標(biāo)。

2.2 底板承壓含水層保水采煤進(jìn)展

保水采煤不僅要保護(hù)頂板含水層,也要保護(hù)底板含水層[32-33],近年來(lái),陜西澄合礦區(qū)董家河煤礦以保水采煤理論為基礎(chǔ),以防突水為目標(biāo),開(kāi)展了以底板注漿加固為主要內(nèi)容的承壓含水層保護(hù)采煤工程實(shí)踐,既保證了煤礦安全,也保護(hù)了煤層底板巖溶水含水層結(jié)構(gòu)的完整性。

2.2.1 受保護(hù)的巖溶承壓含水層

渭北巖溶水主要賦存于中下奧陶統(tǒng)馬家溝組(O1 m),溶蝕裂隙為本區(qū)含水巖溶類型,分布規(guī)律受地質(zhì)構(gòu)造控制,含水層區(qū)域性地下水位標(biāo)高373~375 m,水質(zhì)較好,礦化度0.6~0.8 g/ L,通過(guò)泉群排泄,是渭北地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水和黃河濕地維系的重要水源。

但奧陶系石灰?guī)r頂面距10號(hào)煤層底板間距一般10 m,距5號(hào)煤層底板間距一般27 m左右。開(kāi)采10號(hào)煤層時(shí),煤層底板巖柱不足以抵抗奧陶系承壓水壓力時(shí),下伏含水層將構(gòu)成礦井直接充水含水層發(fā)生底板突水。開(kāi)采5號(hào)煤層時(shí),對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成危害的是5號(hào)煤層底板承壓含水層,即K2、奧灰?guī)r含水層,而K2含水層本身富水性弱,但是當(dāng)其與下伏富水性強(qiáng)的奧灰含水層導(dǎo)通時(shí),涌水量會(huì)迅速增大,突水危險(xiǎn)性較高。

2.2.2 煤層底板注漿加固保水采煤進(jìn)展

5號(hào)煤直接底板有粉砂巖和石英砂巖兩類,其中粉砂巖類包括砂質(zhì)泥巖及泥巖,抗壓強(qiáng)度23.9~35.7 MPa,抗拉強(qiáng)度1 MPa。10號(hào)煤層直接底板為粉砂巖或炭質(zhì)泥巖,一般具可塑性,遇水易膨脹。注漿堵水是直接改善底板突水途徑,保證不發(fā)生底板突水和含水層結(jié)構(gòu)完整性。

在5號(hào)煤層底板實(shí)施全段注漿,綜合考慮治理成本,選用黏土漿液,當(dāng)單孔的黏土漿液注漿量達(dá)到一定程度時(shí),可調(diào)整使用黏土-水泥漿、純水泥漿或雙液漿液注漿。利用黏土、水泥漿的黏塑性及凝結(jié)強(qiáng)度填充裂隙并加固提高底板強(qiáng)度。澄合礦區(qū)董家河煤礦建設(shè)了我國(guó)最大的煤礦底板注漿系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè),自動(dòng)化監(jiān)控。

通過(guò)直流電法探測(cè)注漿后的底板含水性,注漿效果良好,未發(fā)生以底板巖溶水含水層為突水水源的煤礦突水,實(shí)現(xiàn)了巖溶承壓含水層的保水采煤目標(biāo)。

渭北巖溶水是該區(qū)工農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)需水的重要水源,而5號(hào)煤層開(kāi)采已經(jīng)受到底板承壓水的威脅,深部的10,11號(hào)煤層開(kāi)采的危險(xiǎn)性更大。由于開(kāi)采成本高,煤礦虧損嚴(yán)重,建議老礦井逐步退出,不再新建煤礦,確保巖溶含水層保護(hù),但關(guān)閉老礦井將面臨一系列經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問(wèn)題,必須合理解決。

3 地下水轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存保水采煤工程實(shí)踐

1995年范立民等在大柳塔煤礦20601工作面疏降水工程時(shí)[34],從第四系含水層、井下水倉(cāng)抽取的混合水(屬于雙溝泉域薩拉烏蘇組地下水),就近排至到母河溝泉域的地表補(bǔ)給區(qū)。經(jīng)檢測(cè),經(jīng)過(guò)砂層過(guò)濾凈化后母河溝泉礦化度、總硬度、pH值、COD、BOD、油類等指標(biāo)變化很小[35],仍然符合當(dāng)?shù)厮|(zhì)一般規(guī)律。這為缺水礦區(qū)地下水(礦井水)轉(zhuǎn)移利用探索了一種新途徑。

受燒變巖含水層形成的啟發(fā)[36-37],范立民等提出了地下水轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存的設(shè)想。燒變巖巖體結(jié)構(gòu)體致密但裂隙發(fā)育,有利于地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移,在構(gòu)造有利部位形成強(qiáng)富水區(qū)。采空區(qū)頂板圍巖冒落后,也形成了一個(gè)類似于燒變巖的裂隙發(fā)育區(qū),在地下水補(bǔ)給來(lái)源豐富的情況下,就可以形成強(qiáng)富水區(qū),隨著時(shí)間推移,這樣的富水區(qū)有害物質(zhì)被排空,水質(zhì)會(huì)逐漸好轉(zhuǎn),形成“地下水庫(kù)”。

大柳塔煤礦是神東礦區(qū)建成的第1個(gè)高產(chǎn)高效煤礦,1996-01-06投產(chǎn),到2012年底其中的1-2,2-2煤層開(kāi)采完畢,目前開(kāi)采5-2煤層,上部1-2,2-2煤層采空區(qū)面積5 396.7萬(wàn)m2,這些采空區(qū)具有與燒變巖一樣的碎裂結(jié)構(gòu),具備建設(shè)地下水庫(kù)的條件,而且上覆沙層的補(bǔ)給條件較好,周圍是未采動(dòng)的完整巖體(隔水邊界),形成了良好的地下水資源遷移儲(chǔ)存空間,人工改造后可形成地下水庫(kù)[36]。當(dāng)?shù)叵滤畠?chǔ)存占滿采空區(qū)空間后,會(huì)沿著構(gòu)造薄弱部位(如原來(lái)的地形低洼地帶)溢出,形成泉。神華集團(tuán)在大柳塔、石圪臺(tái)等礦井建成32處地下水庫(kù),實(shí)現(xiàn)了礦井水利用[38]。

轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存是地下水的一種利用方式,礦井水得到了充分利用,地下水庫(kù)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)控制合理的生態(tài)水位埋深,以免對(duì)植被發(fā)育、地下水循環(huán)途徑和地質(zhì)環(huán)境造成影響[39-41]。

4 結(jié) 論

(1)保水采煤從理論研究走向了工程實(shí)踐,開(kāi)展了保水采煤地質(zhì)基礎(chǔ)研究,劃分了煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型和保水采煤地質(zhì)條件分區(qū),提出了生態(tài)水位保護(hù)采煤理念,編制了基于保水采煤的采煤方法規(guī)劃圖,并推廣應(yīng)用。

(2)我國(guó)西部部分煤礦開(kāi)展了保水采煤工程實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度采煤條件下煤層頂、底板含水層結(jié)構(gòu)的保護(hù),促進(jìn)了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)。開(kāi)發(fā)低成本、適用性廣的保水采煤方法是煤炭科技界面臨的新課題。

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作者簡(jiǎn)介:范立民(1965—),男,山西曲沃人,教授級(jí)高級(jí)工程師。Tel:029-87851129,E-mail:498518851@ qq.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展研究計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB227901);陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011TG-01)

收稿日期:2015-02-12

中圖分類號(hào):TD823.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2015)08-1711-07