徐智敏，高 尚，崔思源，孫亞軍，陳忠勝，吳江峰

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.徐礦集團公司，江蘇 徐州 221006)

哈密煤田生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤的水文地質(zhì)基礎(chǔ)與實踐

徐智敏1，高 尚1，崔思源1，孫亞軍1，陳忠勝2，吳江峰2

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.徐礦集團公司，江蘇 徐州 221006)

由于我國西部礦區(qū)降雨稀少、蒸發(fā)強烈，形成了該區(qū)干旱缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱的基本特征。以位于吐哈盆地的哈密煤田大南湖礦區(qū)為研究區(qū)，開展該生態(tài)脆弱區(qū)水資源保護性采煤(即“保水采煤”)的水文地質(zhì)基礎(chǔ)研究，以及頂板水害防治與保水采煤相結(jié)合的可行性探索。在系統(tǒng)評價研究區(qū)主要煤層頂板含隔水層結(jié)構(gòu)、隔水保護層的穩(wěn)定性以及受保含水層開發(fā)潛力的基礎(chǔ)上，以大南湖五號井1801首采工作面為例，開展了研究區(qū)頂板水害防治與保水采煤相結(jié)合的實踐，提出了礦區(qū)高礦化度受保含水層水開發(fā)利用的初步方案，通過該工作面的成功試采初步取得了吐哈盆地生態(tài)脆弱區(qū)水資源保護性采煤的實踐經(jīng)驗。提出并實踐了吐哈盆地典型生態(tài)脆弱區(qū)頂板水害防治與保水采煤相結(jié)合工程，為指導作為新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭資源的綠色開采具有一定的理論及實際參考。

哈密煤田；生態(tài)脆弱區(qū)；保水采煤；水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)；礦井水處理利用

近年來，隨著我國煤炭開采重心的逐步西移，西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量所占全國總產(chǎn)量的比重也逐年上升。據(jù)不完全統(tǒng)計，2015年，西部各省份煤炭產(chǎn)量已超過20億t，約占全國總產(chǎn)量的60%?？傮w上，我國西部礦區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，因此，西部煤炭資源的高強度開發(fā)面臨著嚴峻考驗，與東部礦區(qū)水害嚴重、以防治水為主不同，西部礦區(qū)干旱缺水，應(yīng)以保水采煤為主、保護生態(tài)環(huán)境為重點。

另據(jù)統(tǒng)計，我國目前西部地區(qū)已探明的煤炭資源達10 628億t，約占全國已探明儲量的81%。而位于西部地區(qū)的新疆煤炭資源最為豐富，位居全國前列，煤炭資源預測遠景儲量約2.19萬億t，占全國40%以上。目前，新疆正規(guī)劃建成四大煤炭基地，其中位于吐哈盆地的哈密煤炭基地確定為能源開發(fā)的重點[1]。位于哈密煤炭基地的大南湖礦區(qū)目前已探明煤炭資源儲量達744億t，其中在建礦井13座，千萬噸級的礦井就達6座。與哈密煤炭基地煤炭資源豐富、開發(fā)潛力巨大不相適應(yīng)的是，該區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱、地表極度干旱缺水、降雨稀少、蒸發(fā)強烈。由于礦區(qū)地下水具有礦化度高的特點，目前，礦區(qū)生產(chǎn)、坑口電廠及生活用水主要靠長距離的遠程供水系統(tǒng)供給。由于遠程供水成本高達8～9元/t，給礦區(qū)煤電企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟負擔?？梢?，從礦區(qū)煤炭資源可持續(xù)開發(fā)與綠色開采的長遠出發(fā)，通過保水采煤在保護礦區(qū)惟一地下水資源的基礎(chǔ)上，研究頂板水害防治與保水采煤相結(jié)合的實踐，以及開展經(jīng)濟可行的處理利用研究勢在必行。

早在20世紀70年代，美國日益擴大的煤炭生產(chǎn)規(guī)模與水環(huán)境之間的矛盾日益尖銳，并關(guān)注黃石河流域煤炭資源開采與水資源消耗之間的矛盾，開始研究工業(yè)、農(nóng)業(yè)及其他行業(yè)間水資源的競爭問題。在20世紀70年代末，美國西部就把節(jié)水、保水作為影響其煤炭資源開發(fā)的核心問題展開研究[2-4]。在國內(nèi)，20世紀90年代初，錢鳴高院士提出了綠色開采的概念，保水采煤成為了綠色開采的有機組成部分[5]。自1992年范立民提出保水采煤的觀點[6]以來，國內(nèi)研究學者基于保水采煤目標[7-14]，在神東礦區(qū)、榆神府礦區(qū)做了大量的基礎(chǔ)工作，奠定了保水采煤的理論基礎(chǔ)。理論與實踐表明，保水采煤需要在一定的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下開展，其基礎(chǔ)研究涉及礦井水文地質(zhì)及水害防治等領(lǐng)域，包括煤層與含(隔)水層空間關(guān)系、煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型[15-17]。可見，特定的含隔水結(jié)構(gòu)是保水采煤的前提，決定了保水采煤的成功與否。目前，國內(nèi)學者關(guān)于保水采煤的基礎(chǔ)研究及實踐主要集中于陜北淺埋煤層，隨著近年來我國煤炭開采重心的西移，以新疆哈密煤炭基地為代表的生態(tài)脆弱地區(qū)煤炭資源的綠色開采亦成為亟待解決的研究課題[18]。

本文圍繞哈密煤炭基地極度干旱缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱、高強度煤炭開采對淺部地下水資源造成嚴重影響并制約當?shù)貒窠?jīng)濟發(fā)展這一核心問題，重點選取大南湖礦區(qū)為研究對象，研究該礦區(qū)是否具備保水采煤的基礎(chǔ)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，以礦區(qū)地質(zhì)勘探資料為基礎(chǔ)，結(jié)合野外抽水試驗、水文觀測和室內(nèi)測試等方法，從含水層的富水性、隔水層穩(wěn)定性展布和煤層頂板組合類型等方面對18煤頂板的含隔水層結(jié)構(gòu)進行全面和系統(tǒng)研究，分析評價該區(qū)保水采煤的可行性與煤礦開采的安全性，并以此提出安全采煤的具體方案，開展頂板水害防治及保水采煤實踐，同時對水資源的利用方案進行初步探討。本文的研究成果可為指導作為新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭資源的綠色開采奠定基礎(chǔ)，并具有一定的理論及實際意義。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)背景條件

本文選取的研究區(qū)-大南湖礦區(qū)位于吐哈盆地東部，屬天山-興安嶺地層區(qū)，北天山、中天山地層分區(qū)。包括吐魯番、覺羅塔格及卡瓦布拉克地層小區(qū)。宏觀上為天山東段南麓形成的大面積沖洪積平原，接受天山融雪水的地下補給。大南湖礦區(qū)所處的吐哈盆地是中新生代山間坳陷盆地，四面環(huán)山，盆地與周邊山系為不同的水文地質(zhì)體系，研究區(qū)水文地質(zhì)條件如圖1所示。大南湖坳陷屬干涸的山間盆地，區(qū)內(nèi)氣候極度干燥，地勢較高，無地表徑流及水體。區(qū)內(nèi)平均年降雨量為50.78 mm，全年降水天數(shù)不足25 d，平均蒸發(fā)量缺高達1 110.05 mm，大南湖五號井所處南湖凹陷內(nèi)年蒸發(fā)量更達3 064.3 mm，區(qū)域內(nèi)深層地下水主要依靠天山融雪水深滲透補給。

圖1 吐哈盆地水文地質(zhì)略圖[19]

大南湖礦區(qū)內(nèi)煤系主要含水層為侏羅系弱膠結(jié)、高孔隙度地層，由于區(qū)內(nèi)為干涸的山間盆地，在礦區(qū)各礦勘探及建設(shè)階段，基本探明局域內(nèi)內(nèi)深層地下含水層水量豐富，礦井涌水量最大達3 000 m3/h以上，揭露最大煤系充水含水層單位涌水量甚至達到17 L/(s·m)，滲透系數(shù)超過10 m/d。另經(jīng)水質(zhì)分析，研究區(qū)地下水礦化度達15 000 mg/L以上，可利用程度較差。一方面，大南湖礦區(qū)地下含水層水量豐富，對礦區(qū)煤炭資源開采造成重大影響；另一方面，大南湖礦區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，地表嚴重干旱缺水，礦區(qū)內(nèi)工業(yè)及生活用水需要經(jīng)管道長距離運輸至此，成本很高。在各種矛盾的集中下，針對該生態(tài)脆弱區(qū)周圍約100 km范圍內(nèi)惟一可能和潛在的水資源(礦區(qū)高礦化度地下水)，結(jié)合目前較為成熟的高礦化度水處理技術(shù)及其技術(shù)經(jīng)濟可行性，在大南湖礦區(qū)開展煤層頂板水害防治與保水采煤相結(jié)合，以及受保地下水的開發(fā)利用等方面的研究便成為勢在必行的工作。

2 研究區(qū)煤系的含隔水層結(jié)構(gòu)

煤層開采后裂隙的發(fā)育是否會波及到上覆含水層是保水采煤研究的關(guān)鍵性問題，這與通常開展的頂板水害防治工作的核心相同。因此，煤系含隔水結(jié)構(gòu)便成為保水采煤研究的重點，特定的含隔水結(jié)層結(jié)構(gòu)能保證地下水不會隨各類導水裂隙進入礦井，從而保護含水層中的水資源。而對于不同的含隔水結(jié)構(gòu)對保水采煤的影響，繆協(xié)興等[16]對神東礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)分析后分區(qū)，并將有隔水層區(qū)分為5種結(jié)構(gòu)類型，其中多層隔水層結(jié)構(gòu)及高位隔水層結(jié)構(gòu)最有利于的保護含水層并實現(xiàn)保水采煤，而低位隔水層結(jié)構(gòu)及隔水層側(cè)切結(jié)構(gòu)則需要采取特定措施保護含水層后才能達到保水采煤的效果。因此，研究分析礦區(qū)含隔水層結(jié)構(gòu)，劃分隔水層結(jié)構(gòu)分區(qū)，是保水采煤的前提，在此前提下，進一步研究隔水層的穩(wěn)定性從而制定保水采煤的方案。

根據(jù)勘探資料，井田內(nèi)含煤地層自上而下可劃分為3個含水層組，各含水層段水文地質(zhì)特征分述見表1。

表1 含水層(段)劃分

Table 1 Chart of aquifer (section) division

地層代號含水層(段)編號含(隔)水層(段)名稱含水層厚度/m滲透系數(shù)/(m·d-1)Q3-4Ⅰ第四系透水不含水層0.2～5.03.4—J2x3Ⅱ侏羅系中統(tǒng)西山窯組上段弱含水層30.3～80.260.60.18Ⅲ-1侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段上部強含水層上段(簡稱“III-1上段含水層”)25.20～30.8928.994.33侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段上部強含水層下段(簡稱“III-1下段含水層”)22.00J2x2Ⅲ-2侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段中部弱含水層18.32～25.4721.90.06Ⅲ-3侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段下部弱含水層26.5～128.565.6—

其中，18煤頂板直接充水含水層為III-1含水層，該含水層組為砂巖、砂礫巖含水層段，由粉、細砂巖或中砂巖含礫石、泥巖及煤層等組成，為18煤直接充水含水層，也為本文研究的主要含水層段。針對III-1含水層進行的抽水試驗結(jié)果表明，III-1含水層滲透系數(shù)(K)為4.33 m/d，單位涌水量(q)為1.18 L/(s·m)，表明井田范圍內(nèi)III-1含水層滲透性較強，為強富水性含水層。但通過對井田的水文地質(zhì)邊界條件進行分析研究得出，井田四周均為隔水邊界，因此井田范圍內(nèi)III-1含水層相對獨立，以靜儲量為主。III-1含水層的介質(zhì)特征研究表明，該地層具有高孔隙度、古湖相沉積的特征，表明該區(qū)域內(nèi)III-1含水層的靜儲量非常巨大。18煤與III-1含水層的垂向距離平均為18 m，在煤層開采后導水裂縫帶必定會波及III-1含水層，在形成礦井大量涌水的同時，對該區(qū)域極其脆弱的生態(tài)環(huán)境亦將進一步造成影響。

通過對礦井勘探階段的鉆孔資料進行分析研究，同時礦井建設(shè)階段對III-1含水層不斷揭露的資料進行分析，井田內(nèi)III-1含水層被分割為兩段含水層，垂向上的邊界為16煤及附近泥巖段，該泥巖段厚度約27.94 m(圖2)，兩段含水層之間沒有水力聯(lián)系，可從幾個方面得到驗證：

圖2 16煤附近隔水段結(jié)構(gòu)示意

(1)根據(jù)大量鉆孔資料分析，16煤附近泥巖段隔水層平均厚度為27.94 m，巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤為主，有較好的隔水性；

(2)根據(jù)井上下分別揭露的16煤上下III-1含水層上下段的水位具有較大差異，井下放水孔終孔位置在16煤以下，揭露III-1下段含水層水位標高為360 m，而地面疏降孔終孔位置在16煤以上，揭露III-1上段含水層的水位標高為432 m，兩者相差72 m；

(3)井下疏降工程實施過程中，井下放水孔內(nèi)水位降至300 m左右，而地面水文孔內(nèi)靜水位未發(fā)生變化，上下水位差達到130 m。

綜上，研究區(qū)16煤上、下兩段含水層(即III-1上下段含水層)之間不存在水力聯(lián)系，且實際施工過程中上下兩段含水層的富水性也存在較大差異。在井筒施工階段，在16煤以上井筒最大涌水量達113 m3/h，但在井筒通過16煤后，井筒的涌水量明顯減小，井筒掘進工作面涌水量約為36 m3/h?？梢?，總體上III-1上段含水層較III-1下段含水層富水性更強，二者之間不存在水力聯(lián)系。

3 研究區(qū)保水采煤的可行性

前已述及，保水采煤的核心與傳統(tǒng)的頂板水害防治研究的基礎(chǔ)問題相同，保護頂板特定目標含水層與防止其涌入工作面研究的水文地質(zhì)基礎(chǔ)一致。因此，針對研究區(qū)生態(tài)脆弱區(qū)的特點，論證其開展保水采煤的可行性需從該區(qū)含隔水層結(jié)構(gòu)、隔水層穩(wěn)定性、采動覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律等方面進行分析。其中，特定的含隔水層結(jié)構(gòu)是前提，覆巖導水裂縫的發(fā)育規(guī)律決定了隔水層的穩(wěn)定性，而判別隔水層的穩(wěn)定性是保水采煤的基礎(chǔ)[16]，亦是頂板水害防治成功與否的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，進一步評價受保含水層的開發(fā)潛力，分析其經(jīng)濟合理性。進而總體上評估在該區(qū)實施保水采煤的可行性。

3.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)的含隔水層結(jié)構(gòu)在前文已說明，III-1含水層經(jīng)16煤隔水段分割為兩段含水層，其中III-1上段含水層富水性強為研究的受保含水層。根據(jù)鉆孔資料分析，18煤距離該含水層底板的距離平均為79.48 m。16煤隔水段作為該區(qū)保水采煤的隔水關(guān)鍵層，巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤為主，裂隙不發(fā)育，具有較好的隔水性。根據(jù)鉆孔資料，16煤隔水段全區(qū)穩(wěn)定，平均厚度約27.94 m，18煤距離隔水段底板距離平均為51.54 m，具體見表2。

表2 18煤頂板主要隔水層厚度統(tǒng)計

Table 2 Thickness of aquiclude in the roof of No.18 coal

鉆孔號16煤隔水段厚度/m18煤至16煤隔水段底板距離/m18煤到16煤距離/m18煤至III-1上段含水段底板距離/m34-1-413.2644.1352.7757.3934-1-620.3557.8466.7478.1935-1-520.2056.9151.4177.1135-1-623.8047.3454.7971.1435-1-728.5751.7163.7580.28350624.8558.7458.7483.58350717.8057.5058.4575.30351022.3051.6658.7973.96平均27.9451.5457.5279.48

根據(jù)上述的分析，16煤隔水段不僅可在煤層開采中成為頂板防治水的隔水關(guān)鍵層，而且可作為保水采煤的重要保護層。可見，研究區(qū)主采18煤層頂板16煤隔水段具有一定的厚度，且具有較好的隔水性，以下將重點評價在18煤采動條件下16煤隔水段作為隔水保護層的穩(wěn)定性。

3.2 隔水保護層的穩(wěn)定性

要實現(xiàn)18煤頂板III-1上段含水層的有效保護，其采動形成的導水裂縫帶發(fā)育高度是決定其能否可行的關(guān)鍵。由于缺乏西部侏羅系軟巖地層下采動覆巖破壞的相關(guān)研究成果，通過調(diào)研借鑒了相同地層下導水裂縫帶的實測數(shù)據(jù)，利用類比法估算本區(qū)域內(nèi)導水裂縫帶的發(fā)育高度。

通過調(diào)研，目前國內(nèi)針對侏羅-白堊系煤層開采條件下導水裂縫帶高度實測包括位于新疆地區(qū)的神新礦、沙積海礦，陜北榆林地區(qū)的小紀汗礦和黑龍江的東榮二礦等。各礦區(qū)導水裂縫帶高度實測所得的裂采比見表3。其中神新礦為本研究區(qū)西部鄰近礦井，其余礦井所研究的煤層均屬侏羅系或白堊系。通過統(tǒng)計同地層、同地區(qū)及鄰近礦通過實測獲得的裂采比，類比估算本礦區(qū)的導水裂縫帶發(fā)育高度，具有一定的合理性和可靠性。

表3 典型礦區(qū)實測裂采比統(tǒng)計

Table 3 Ratio of the height of the fractured zone to the mining height in some mining areas

調(diào)研礦區(qū)含煤地層裂采比神新礦侏羅系13.5～14.0沙積海礦侏羅系11.3～13.5小紀汗礦侏羅-白堊系10.00東榮二礦侏羅-白堊系12.75～15.70

通過類比相似礦井的導水裂縫帶高度實測資料，并結(jié)合規(guī)程中的經(jīng)驗公式，估算本礦區(qū)導水裂縫帶發(fā)育高度，煤層最大采厚取3 m，計算結(jié)果見表4。

表4 研究區(qū)導水裂縫帶高度預測

Table 4 Prediction for the height of the water flowing fractured zone in the research area

計算依據(jù)裂采比采厚/m導水裂縫帶高度/m規(guī)程公式軟弱25中硬45神新礦實測裂采比13.5～14.0340.5～42.0沙積海礦實測裂采比11.3～13.533.9～40.5小紀汗礦實測裂采比1030東榮二礦實測裂采比12.75～15.738.25～47.1

由表4可知，在采厚為3 m 的情況下，導水裂縫帶發(fā)育高度最高為47.1 m，根據(jù)與本礦條件最接近的神新礦實測數(shù)據(jù)得出，導水裂縫帶高度為42 m。而18煤距離16煤隔水段的距離平距為51.64 m，且16煤隔水段的平均厚度達27.94 m，因此，煤層采動條件下導水裂縫帶發(fā)育不會波及到16煤以上的III-1上段含水層。

根據(jù)前期成果[16]，本研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可劃分為低位隔水層結(jié)構(gòu)，具備保水采煤的基礎(chǔ)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件。但由于隔水層厚度有限，必須通過采取有效措施控制采動形成的導水裂縫帶高度，從而達到保護目標含水層的目的。一方面，導水裂縫帶高度評價結(jié)果表明，采動形成的導水裂縫帶不會波及到16煤隔水段，從而可實現(xiàn)頂板III-1上段含水層水害的有效防治；另一方面，由于16煤隔水層可得到有效保護，從而亦實現(xiàn)了III-1上段含水層水資源的保護，最終達到頂板水害防治與水資源保護的雙重目的。

綜上，16 煤隔水段在煤層采動后，不僅可以作為隔水關(guān)鍵層保障礦井的安全，還可作為該礦實現(xiàn)保水采煤的重要保護層，保護該區(qū)珍貴的地下水資源。

3.3 受保含水層的開發(fā)潛力

根據(jù)上述分析，井田內(nèi)III-1上段含水層在煤層采動后不會被導水裂縫帶所波及，該含水層的地下水資源不會潰入井下形成水害，同時亦不會進入井巷被污染，或外排浪費。

根據(jù)該含水層已有巖樣的壓汞測驗，區(qū)內(nèi)侏羅系巖層的孔隙度高達18.2%，初步估算井田范圍內(nèi)III-1上段含水層具有靜儲量達4.39億m3。雖然該地下水礦化度高達15 000 mg/L以上，但針對該地區(qū)極度干旱、缺水的生態(tài)環(huán)境，以及該地下水作為該生態(tài)脆弱區(qū)周圍約100 km范圍內(nèi)惟一可能水資源的現(xiàn)狀，并結(jié)合目前較為成熟的高礦化度水處理技術(shù)及其技術(shù)經(jīng)濟可行性，如此豐富的地下水仍具有水資源屬性及巨大的開發(fā)利用潛力。

據(jù)調(diào)研，由于南湖凹陷內(nèi)無地表水體，各生產(chǎn)建設(shè)礦井、煤電一體化項目及配套生活設(shè)施所需的生產(chǎn)、生活及工業(yè)用水依靠管道長距離輸送，成本高達8～9元/t。可見，將研究區(qū)豐富的地下水進行開發(fā)利用，可大大降低用水成本。同時，研究區(qū)各有關(guān)煤電企業(yè)目前也正在研究該區(qū)高礦化度地下水的開發(fā)利用與處理方案。因此，研究該區(qū)高礦化度地下水的開發(fā)利用具有極大的經(jīng)濟和社會效益。

綜上，在研究區(qū)進行保水采煤具有可行性，在降低頂板水害威脅的同時，豐富的地下水資源可有效得到保護，同時也保護了研究區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，對地下水資源進行開發(fā)利用也具有較高的經(jīng)濟和社會效益。

4 研究區(qū)保水采煤實踐

前已述及，研究區(qū)具備保水采煤的基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件，但該區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬低位隔水層結(jié)構(gòu)，由于隔水層厚度有限，必須通過采取有效措施在控制采動形成的導水裂縫帶高度的基礎(chǔ)上，達到保護隔水關(guān)鍵層的目的，實現(xiàn)上覆III-1上段含水層的有效保護與頂板水害的有效防治。

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大南湖五號井11081工作面18煤厚0.81～5.44 m，該煤層至16煤隔水段的距離平均為51.54 m。通過裂采比計算，煤層最大采厚3 m的情況下導水裂縫帶不會波及III-1上段含水層。因此，在礦井開采過程中需要嚴格限制采厚，控制導水裂縫帶的發(fā)育，從而達到頂板水害防治與保護III-1上段含水層的雙重目的。

在上述方案的基礎(chǔ)上，開展了研究區(qū)大南湖五號井111801工作面的保水采煤實踐，該工作面從2016-09-03開始回采，在采取上述控制措施的基礎(chǔ)上，對工作面推進過程中的涌水量、III-1上、下段含水層的水位進行了實時監(jiān)測。監(jiān)測的目的一方面是為了驗證保水采煤的實踐效果，另一方面是為了監(jiān)控含水層水位的動態(tài)變化情況，為礦井防災做服務(wù)。

目前，首采工作面已順利推進約54 m，煤層頂板在推進15 m時初次垮落，工作面涌水量歷時曲線如圖3所示，III-1上、下段含水層的水位變化曲線如圖4所示。

圖3 工作面涌水量歷時曲線

圖4 III-1含水層水位變化曲線

由圖3可知，至9月底，隨著工作面的推進，在前期III-1下段得到有效疏放的情況下，工作面涌水量基本維持在相對可控的范圍之內(nèi)。圖3還顯示，在9月15日工作面涌水量略有增大是由于初次垮落后工作面進水斷面加大，但在隨后基本又趨于穩(wěn)定，工作面涌水量未發(fā)生突變，表明并未有新的水源加入。同時結(jié)合III-1上、下段含水層水位均未發(fā)生明顯變化，兩者水位仍相差75 m，表明在工作面推進過程中，在嚴格控制工作面3 m采厚的條件下，采動形成的導水裂縫帶并未波及到III-1上段含水層，從而實現(xiàn)了18煤的安全回采，同時亦可實現(xiàn)對III-1上段含水層中地下水資源的有效保護。

5 研究區(qū)地下水資源開發(fā)利用初探

上述研究及實踐成果表明，研究區(qū)開展保水采煤是可行的，并且通過實踐初步得到驗證，在有效防止III-1上段含水層中豐富地下水進入礦井造成重大災害的同時，該含水層中地下水也得到了有效保護。這對研究區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境將起到非常積極的作用，在此基礎(chǔ)上，本文進一步分析討論將III-1上段地下水資源進行處理、開發(fā)利用，促進礦區(qū)煤炭資源的綠色開采和生態(tài)環(huán)境的有效改善。

5.1 礦井外排水利用方案

在大南湖五號井的礦井建井階段，曾對III-1上段含水層進行了預疏降處理，在首采面保水采煤實踐中，亦對頂板III-1下段含水層進行了預疏放。在上述疏降工程實施過程中，將地下水通過管路外排至礦區(qū)以外，經(jīng)過兩年多的排水，在干旱的戈壁灘內(nèi)累計排放地下水達1 000萬m3，并形成了面積約為3 km3的地表水體，如圖5所示。

圖5 礦區(qū)排水基地現(xiàn)狀

總體上，由于本地區(qū)地表已嚴重荒漠化，礦井疏排水所形成的地面生態(tài)意義還無法完全體現(xiàn)，但目前，該排水基地地表水體內(nèi)已有部分水草生長，并且有水鳥生存，表明礦井未受污染的外排水在一定程度上改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，對研究區(qū)小氣候亦將起到一定的調(diào)節(jié)作用。

但該地區(qū)地下水具有高礦化度的特征，礦化度達15 000 mg/L以上，可利用程度差，地下水資源需要經(jīng)過處理才可利用。

5.2 地下水開發(fā)利用方案

前已述及，針對大南湖五號井地下水資源量巨大的特點，可以對地下水進行處理，作為其他水源，以增加經(jīng)濟效益。目前礦井生產(chǎn)、生活用水為遠程輸水，成本8～9元/t，成本巨大。在上述評價的基礎(chǔ)上，若將地下水進行水質(zhì)處理，作為工業(yè)用水或生活用水水源，將大幅減少遠程輸水的高成本消耗，從而提高經(jīng)濟效益。

目前，大南湖五號井設(shè)計采用坑口發(fā)電方式，直接將產(chǎn)煤發(fā)電東送。由于井口有熱電廠，因此有豐富的剩余熱能，可為水質(zhì)處理減少成本，而且處理出來的水可提供電廠發(fā)電使用，增加經(jīng)濟效益。

根據(jù)研究區(qū)各有關(guān)煤電企業(yè)對高礦化度地下水開發(fā)利用的需求，筆者對于高礦化度水的處理方案進行了初步調(diào)研，主要有以下幾種方法：

(1)電子絮凝技術(shù)

此種處理方法主要包括電子絮凝—殺菌—超濾反滲透。電子絮凝去除水中的部分鈣離子，防治結(jié)垢，利用電磁波處理，增強過濾性，消除細菌。最后采用超濾進行提純處理，滿足水質(zhì)需要。但此技術(shù)對于本礦區(qū)以Na+為主要水質(zhì)特征的情況，是否能達到預期的絮凝效果有較大存疑。

(2)藥劑處理

這種處理方法主要采用藥物軟化—過濾—反滲透進行處理，對于高硬度、低堿度的原水，采用石灰—純堿軟化處理，然后在軟水中加入絮凝劑，濾除顆粒懸浮物及膠體雜質(zhì)，后采用反滲透裝置進行脫鹽。但此技術(shù)仍然是較適用于鈣鎂離子為主的水質(zhì)特征，與本礦區(qū)水質(zhì)特征不符，且濾處后的雜質(zhì)易造成2次污染。

(3)膜蒸餾技術(shù)

此技術(shù)的核心是利用選擇性滲透膜和蒸餾方法，從高礦化水中直接分離出淡水，所有礦物質(zhì)被留在殘液中，適用于各種離子成分的水質(zhì)處理。

此技術(shù)不僅可以提純出純凈水，而且可以把殘液中的離子濃度提高到足夠高，然后可以非常經(jīng)濟地利用電化學的方法提煉回收其中的物質(zhì)；然后這個電化學處理后的低濃度廢液可以再加入膜蒸餾，重復循環(huán)。不僅可以增加另外的收入，而且基本上可以達到零排放，對環(huán)境幾乎沒有任何影響和破壞。

如果沒有任何熱源，噸水處理成本約1.1美元，如果有熱源的話，成本僅為0.2～0.3美元。由于在井口附近有坑口電廠，有大量的熱源可以利用，因此，膜蒸餾技術(shù)的處理成本1.3～2.0元，比目前遠距離輸水可節(jié)省5～7元的成本。

對比發(fā)現(xiàn)，電子絮凝技術(shù)初期投入較大、運行成本較低；藥劑處理初期投入少、運行成本高太高、出水率不高；而膜蒸餾技術(shù)初期投入和運行成本較低，且處理系統(tǒng)目前已根據(jù)需求在加拿大已經(jīng)模塊化，極大地降低了前期對處理系統(tǒng)的巨大投入，并且還可對處理殘液中礦物質(zhì)進行進一步提純利用，另創(chuàng)經(jīng)濟效益。可見，膜蒸餾方法，具有較高的經(jīng)濟合理性。

目前，針對上述各高礦化度地下水的處理利用方案正處在調(diào)研、論證階段。該項目實施后，將在很大程度上改善礦區(qū)用水緊張、用水成本大等問題，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

6 結(jié) 論

(1)針對吐哈盆地典型生態(tài)脆弱區(qū)-大南湖礦區(qū)降雨稀少、蒸發(fā)強烈等特征，結(jié)合礦區(qū)內(nèi)III-1上段含水層巨大靜儲量的特點，嘗試開展了該區(qū)保水采煤的水文地質(zhì)基礎(chǔ)研究，并將水害防治與保水采煤相結(jié)合進行了初步實踐驗證，在此基礎(chǔ)上提出了礦區(qū)惟一具有開發(fā)潛力的高礦化度地下水的處理方案，初步取得了吐哈盆地生態(tài)脆弱區(qū)水資源保護性采煤的實踐經(jīng)驗。

(2)針對研究區(qū)的水文地質(zhì)資料，確定了主采煤層頂板的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型；根據(jù)調(diào)研其他礦井實測資料，利用類比法確定了研究區(qū)煤層開采后導裂帶高度與采厚的比值(即裂采比)，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)頂板含隔水層結(jié)構(gòu)，確定了受保含水層的層位及保護方案。

(3)結(jié)合大南湖礦區(qū)的實際條件，提出并實踐了吐哈盆地典型生態(tài)脆弱區(qū)的保水采煤工程，為指導作為新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭資源的綠色開采具有一定的理論及實際指導意義。

7 討 論

(1)煤層采動后形成的導水裂縫帶發(fā)育高度是頂板水害防治及保水采煤能否成功實施的重要基礎(chǔ)。目前，針對西部弱膠結(jié)軟巖地層導水裂縫帶的發(fā)育規(guī)律尚無成熟的研究成果，對導裂帶的實測也不足，僅借鑒了鄰近及相似地質(zhì)條件礦井的實測數(shù)據(jù)。因此，該礦區(qū)在保水采煤實施過程中還需對導裂帶進行實測，在逐步積累經(jīng)驗的同時加強對西部弱膠結(jié)地層條件下導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的研究。

(2)研究區(qū)高礦化度地下水的保護、開發(fā)與處理利用具有重要的供水及生態(tài)意義。研究區(qū)地表極度干旱，周邊近100 km范圍無任何水資源可直接利用，在各種矛盾的集中下，礦區(qū)高礦化度地下水成為惟一可能的潛在水資源。針對企業(yè)需要，并通過調(diào)研，在目前較為成熟的高礦化度水處理技術(shù)條件下將具有技術(shù)經(jīng)濟可行性，同時還具有巨大的開發(fā)利用潛力和一定的生態(tài)意義。因此，在大南湖礦區(qū)開展煤層頂板水害防治與保水采煤相結(jié)合以及受保高礦化度地下水的開發(fā)利用等方面的深入研究將成為礦區(qū)今后可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

(3)同時，受保含水層的開發(fā)利用與該含水層的水質(zhì)、賦存條件等關(guān)系十分密切。目前，針對西部弱膠結(jié)地層的水文地質(zhì)基礎(chǔ)研究還有待深入，需要進一步加大對該類含水介質(zhì)特征、區(qū)域地下水補徑排條件、循環(huán)條件的基礎(chǔ)研究，在全面、系統(tǒng)的獲取區(qū)域地下水賦存、運移環(huán)境以及動力場特征等之后，對于受保含水層的有效開發(fā)利用，并實現(xiàn)礦區(qū)綠色開采等將具有重要意義。

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Hydro-geological basic and practice for water-preserved mining in ecologically vulnerable area：A case study in Hami coalfield

XU Zhi-min1,GAO Shang1,CUI Si-yuan1,SUN Ya-jun1,CHEN Zhong-sheng2,WU Jiang-feng2

(1.SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China；2.XuzhouCoalMiningGroup,Xuzhou221006,China)

The ecological environment is relatively weak due to the low precipitation and high evaporation.The study area is the Dananhu mining area of Hami coal field,which is located in the Turpan-Hami basin.For the ecologically vulnerable area,the authors studied the hydro-geological conditions for water-preserved mining and its feasibility.The structure of aquiclude in the roof of major coal seam has been systematically assessed.Furthermore,the authors investigated the development characteristics of the height of the water flowing fractured zone,and studied the development potential of aquifer under protection.Then,the practical application for water-preserved mining had successfully conducted at the 1801 working face of Dananhu No.5 Coalmine as a case study.This study proposed a preliminary program for the development and utilization of protecting high salinity aquifer water,gaining experience for water-preserved mining in the ecologically vulnerable area of the Turpan-Hami Basin.This paper first put forward and practiced the roof water disaster control and water-preserved mining combining engineering in the typical ecological fragile area of Tuha Basin,providing theoretical and practical references for safely exploit the coal resources in Turpan-Hami coal field,which is one of the four major coal bases in Xinjiang Province.

Hami coalfield;the ecological fragile area;water-preserved mining;hydro-geological structure;mine water treatment and utilization

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5042

2016-10-13

2016-11-21責任編輯:許書閣

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2013CB227901)；國家自然科學基金資助項目(41502282)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目

徐智敏(1981—)，男，四川簡陽人，副教授，碩士生導師，博士。E-mail：xuzhimin@cumt.edu.cn

TD823;P641

A

0253-9993(2017)01-0080-08

徐智敏，高尚，崔思源，等.哈密煤田生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤的水文地質(zhì)基礎(chǔ)與實踐[J].煤炭學報,2017,42(1):80-87.

Xu Zhimin,Gao Shang,Cui Siyuan,et al.Hydro-geological basic and practice for water-preserved mining in ecologically vulnerable area：A case study in Hami coalfield[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):80-87.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5042