范立民

(1.礦山地質(zhì)災害成災機理與防控重點實驗室，西安 710054； 2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054)

2018年3月28日《中國國土資源報》以“我國首張煤礦地下水監(jiān)測網(wǎng)在陜西開建”為題[1]，披露了我省煤礦地下水監(jiān)測網(wǎng)建設的信息，標志著我國大型煤炭基地地下水監(jiān)測網(wǎng)建設序幕的拉開。

大型煤炭基地地下水監(jiān)測工程是基于保水采煤需求而提出的。1992年作者在神木北部礦區(qū)開展煤田水文地質(zhì)勘查時，發(fā)現(xiàn)煤礦巷道掘進過程中突水潰沙事故導致的地下水位下降及引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題[2-3]，提出了保水采煤問題。經(jīng)過長期研究，初步建立了保水采煤的技術(shù)體系，推廣應用也取得了較好的效果；初步實現(xiàn)了煤炭開采與環(huán)境保護的統(tǒng)一[4-9]，促進了煤炭的科學開采[10]。然而，近年來的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高強度采煤對部分地區(qū)的地下水擾動依然強烈，甚至造成了部分泉眼干涸斷流，河流成為季節(jié)河，影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境維系和改善[11-14]，為此，2013年以來，作者就煤礦區(qū)地下水監(jiān)測問題進行了闡述[15-16]，認為在大型煤炭基地建設地下水監(jiān)測網(wǎng)刻不容緩。

通過多年努力，借助生態(tài)文明建設的東風，2018年我省擬在陜西境內(nèi)的神東、陜北、黃隴三個大型煤炭基地首先建立煤礦區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)，225個地下水監(jiān)測井主要部署在174處年產(chǎn)45萬t以上的大中型煤礦，同時，對原有地下水監(jiān)測點進行技術(shù)改造，初步形成控制地下水流暢變化的監(jiān)測網(wǎng)，為保水采煤提供科學依據(jù)。

1 大型煤炭基地地下水監(jiān)測工程建設的必要性

2014年國家核準建設國家地下水監(jiān)測工程，在全國陸地范圍內(nèi)建設地下水監(jiān)測點20 401個，有效監(jiān)控面積350×104km2[17-18]，各地可結(jié)合實際，建立區(qū)域性或?qū)I(yè)性的地下水監(jiān)測網(wǎng)，作為國家地下水監(jiān)測工程的補充和完善。大型煤炭基地煤炭開采對地下水擾動顯著，建設大型煤炭基地地下水監(jiān)測網(wǎng)，不僅符合國家地下水監(jiān)測需求，也是礦區(qū)生態(tài)文明建設的客觀需求。

1.1 地下水是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的主控因素

在我國西北地區(qū)賦存豐富的煤炭資源，其中新疆、陜西、寧夏、內(nèi)蒙古西部及甘肅省境內(nèi)蘊藏著全國70%的煤炭資源，在全國14個大型煤炭基地中，西北地區(qū)有神東、陜北、黃隴、寧東、新疆等五個，2017年區(qū)內(nèi)原煤產(chǎn)量約占全國的73%，成為我國最重要的原煤產(chǎn)地。然而，西北地區(qū)水資源貧乏，水資源量僅占全國的4%，水成為制約西北經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素，尤其是煤礦區(qū)，多數(shù)煤礦地處沙漠戈壁、黃土高原地區(qū)，水資源尤其短缺。以陜西榆神府礦區(qū)為例，具有供水價值的水資源賦存于淺表層的薩拉烏蘇組、燒變巖中，下伏為厚煤層，煤層頂板隔水層厚度只有100 m以內(nèi)，高強度采煤造成頂板冒落，地下水位下降后，地表植被受到顯著影響。長期的監(jiān)測表明，榆神府礦區(qū)地表優(yōu)勢植被沙柳、沙蒿、旱柳、小葉楊等對地下水的依賴性較強，在地下水位埋深小于5 m時最適合其生長發(fā)育，大于15 m后，這些種群呈現(xiàn)衰退甚至枯萎、死亡[6，9]，其中沙柳可以吸收的最深地下水是215 cm[20-21]，水位埋深大于215 cm后，沙柳就無法依賴地下水生存。這些研究表明，在西北干旱半干旱地區(qū)，水資源對生態(tài)環(huán)境具有顯著的控制作用，保護水資源，就是保護生態(tài)環(huán)境。

1.2 高強度煤炭開采對地下水擾動強烈

西北是我國綠色煤炭資源的主要賦存區(qū)域[22-24]，20世紀80年代中后期以來，國家煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移，形成了以鄂爾多斯盆地為核心的煤炭開發(fā)區(qū)，盆地內(nèi)原煤產(chǎn)量占全國的1/3之多，高強度、長時間的煤炭開采，對上覆含水層結(jié)構(gòu)損傷嚴重，尤其是淺埋煤層賦存區(qū)，煤炭開采的冒落帶發(fā)育到含水層底部，部分區(qū)域切穿整個含水層，導致含水層地下水的滲漏，水位下降，井泉干涸[11-14，25-26]，部分區(qū)域水位下降已經(jīng)超過15 m，水位下降到第四系含水層以下(圖1)。據(jù)調(diào)查，1994年榆神府礦區(qū)有各類泉水2 580處，總流量4 997.059 7 L/s。2015年僅存376處，總流量996.392 L/s[25]，泉水干涸，水位下降，導致窟野河上游的一些支流徹底干涸斷流，使窟野河成為季節(jié)河。區(qū)域性地下水位下降，必然對流域生態(tài)產(chǎn)生較大的負面影響。因此，必須合理布局煤礦開采區(qū)域，推廣保水采煤技術(shù)，要么控制地下水生態(tài)水位，要么在采空區(qū)建設地下水庫，收集、儲存并利用地下水，修復地表生態(tài)[27]，二者必選其一。無論采用什么方式保護、利用地下水，實施地下水監(jiān)測都是一項基礎性工作。

1.3 地下水監(jiān)控是煤礦區(qū)生態(tài)文明建設的基礎

西北煤礦區(qū)水資源貧乏，保護水資源就是保護生態(tài)環(huán)境。水資源保護的核心就是在采煤過程中控制地下水位下降，為了控制地下水動態(tài)變化，防止高強度采煤對區(qū)域性地下水位產(chǎn)生嚴重影響，就應該掌握煤炭開采區(qū)域、采煤方法及開采區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，在煤礦開采影響范圍內(nèi)，建立地下水監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控地下水流暢的變化規(guī)律，一旦出現(xiàn)區(qū)域性異常水位變化，就要分析原因，制定對策。為此，筆者2013年提出了包括煤礦地下水監(jiān)測在內(nèi)的加強地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測建議[15]，2017年形成了系統(tǒng)的建設煤礦區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)的思路和方法[16]，并與有關(guān)部門進行了匯報溝通，取得一致意見。目前，我國第一張煤礦地下水監(jiān)測網(wǎng)建設已經(jīng)展開，并將于今年建成運營[1]，通過不斷優(yōu)化，形成較為完善的煤礦地下水監(jiān)測網(wǎng)。

煤礦地下水監(jiān)測網(wǎng)建成后，將統(tǒng)一接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行研判分析，尋找采煤對地下水受采動影響擾動強烈的區(qū)域，并采取相應的措施，防控區(qū)域性地下水位下降和生態(tài)惡化，促進生態(tài)文明建設。

2 大型煤炭基地地下水監(jiān)測工程建設條件

建國以來，尤其是改革開發(fā)以來，我國煤田地質(zhì)、煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘查取得重大突破，已經(jīng)具備建設煤礦地下水監(jiān)測工程的條件：

圖1 近20 a來某跟蹤研究區(qū)地下水水位變化幅度Figure 1 Groundwater level variation range of a tracking research area in recent 20 years

一是建成了14個大型煤炭基地，其中西北地區(qū)建設有神東、陜北、黃隴、新疆等大型煤炭基地，這些煤炭基地均以詳實的煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)勘查成果為基礎建設，查明了煤礦區(qū)煤層、含(隔)水層及其空間組合特征，查明了主要含水層對煤礦生產(chǎn)的影響，為煤礦區(qū)地下水監(jiān)測區(qū)域的選擇奠定了基礎；

二是積累了豐富的煤炭開發(fā)水害防控資料和技術(shù)，形成了具有中國特色的煤礦防治水技術(shù)，同時，對于干旱半干旱地區(qū)煤礦開發(fā)，提出了保水采煤思路和方法，研發(fā)了保水采煤技術(shù)并推廣應用，跟蹤了20年來薩拉烏蘇組地下水動態(tài)，發(fā)現(xiàn)了西部煤礦區(qū)高強度開采對地下水影響程度，跟蹤調(diào)查結(jié)果表明，實施地下水監(jiān)測刻不容緩；

三是煤礦企業(yè)具有礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的法定義務，依據(jù)國土資源部《礦山地質(zhì)環(huán)境保護規(guī)定》，礦山企業(yè)必須開展礦山地質(zhì)環(huán)境保護工作，這一工作就包括地下水在內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作，各礦山企業(yè)為此均編制了《礦山地質(zhì)環(huán)境保護與土地復墾方案》，作為礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復治理、地下水等地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的依據(jù)予以實施；

四是地下水監(jiān)測技術(shù)成熟，監(jiān)測井施工技術(shù)[28]、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)日益成熟[29-32]，并可以借鑒國家地下水監(jiān)測工程技術(shù)，進一步完善礦山地下水監(jiān)測信息傳輸與分析，建設大型煤炭基地的地下水監(jiān)測網(wǎng)不存在技術(shù)障礙。

因此，大型煤炭基地地下水監(jiān)測網(wǎng)建設的條件已經(jīng)成熟。

3 大型煤炭基地地下水監(jiān)測層位的選擇

煤礦區(qū)地下水監(jiān)測主要監(jiān)測具有供水意義和生態(tài)價值的含水層。我們針對神東、陜北、黃隴大型煤炭基地地質(zhì)環(huán)境條件，選擇監(jiān)測的主要含水層包括薩拉烏蘇組含水層、燒變巖含水層[33-34]、黃土含水層、洛河組含水層以及奧陶系巖溶含水層。

薩拉烏蘇組含水層，主要分布于榆神府礦區(qū)，含水層厚度0～175 m，一般20～30 m，厚度變化大，是榆神府礦區(qū)的主要供水含水層和生態(tài)用水含水層，其地下水位埋深，不僅維系泉及河流的穩(wěn)定水流，也是維系毛烏素沙漠表生植被生長發(fā)育的重要物質(zhì)基礎[6,19-21]，其水位埋深1.50～5 m是最佳狀態(tài)，這一埋深也是毛烏素沙漠植被良好發(fā)育的最佳埋深。煤炭開采必須控制薩拉烏蘇組水位埋深，采用保水采煤技術(shù)，控制水位埋深，才能保護沙漠植被和生態(tài)環(huán)境。因此，必須對薩拉烏蘇組含水層實施有效監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)水位下降幅度大的區(qū)域，并采取切實可行的措施，促進水位穩(wěn)定。

燒變巖含水層，主要分布于窟野河、禿尾河沿岸的一種特殊含水層，地下水賦存于燒變巖中，燒變巖的裂隙、空隙十分發(fā)育，具有地下水儲存的良好空間和徑流通道，在構(gòu)造有利部位，形成富水性極強的含水層，如窟野河支流考考烏素溝南岸檸條塔一帶，燒變巖含水層抽水試驗水位降低0.10 m，涌水量達到8.867 L/s，滲透系數(shù)高達1 400 m/d以上。由于燒變巖含水層均發(fā)布于溝谷沿岸，而這一地帶正是20世紀90年代以來煤炭開采強度最大的地帶，以至于造成了93.58%的燒變巖泉水消失，81.06%的流量損失[34]，因此，必須加強對燒變巖含水層的監(jiān)測監(jiān)控，確保這一重要含水層的穩(wěn)定。

黃土含水層，分布于黃土塬區(qū)的裂隙含水層，富水性不均，一般中等到弱。但在黃土高原地區(qū)，它是區(qū)內(nèi)居民的主要生活用水，在神東礦區(qū)、新民礦區(qū)、彬長礦區(qū)等地，煤炭開采產(chǎn)生的導水裂隙帶，局部可能導通黃土含水層，造成含水層地下水滲漏，需要予以監(jiān)測監(jiān)控，保護黃土含水層，保護黃土高原生態(tài)環(huán)境，保障居民用水安全。

洛河組含水層，分布于榆神礦區(qū)西部、榆橫礦區(qū)、彬長礦區(qū)的重要含水層，含水層厚度巨大，富水性強，補給來源豐富，徑流通暢，以下降泉形式排泄，是渭河、洛河的重要補給來源，也是區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民用水的主要水源，煤炭開采一旦損毀含水層結(jié)構(gòu)，就可能造成區(qū)域性地下水位下降，對整個大區(qū)域用水安全、生態(tài)需水生產(chǎn)嚴重影響。因此，也是我省煤礦區(qū)地下水監(jiān)測的重要含水層。

奧陶系巖溶含水層，主要分布于渭北韓城、澄合、蒲白礦區(qū)的承壓含水層，20世紀80年代之前，具有統(tǒng)一的+380 m標高的水位，是渭北工農(nóng)業(yè)用水的主要水源，30多年來，由于巖溶水開采量較大以及各種復雜因素影響，水位下降到+370～+360 m，水位下降幅度達到10～20 m，局部下降可能更大。奧陶系含水層位于煤層以下，煤層開采底板損傷厚度大約10～20 m，在煤層與含水層距離小于20m的區(qū)域，極有可能造成含水層的損傷，導致煤礦突水及含水層破壞、水位下降[35-36]，必須重點進行監(jiān)測監(jiān)控，所有渭北煤礦區(qū)地下水監(jiān)測井，都應該將此含水層作為監(jiān)測對象予以監(jiān)測。

其他含水層，對于煤礦區(qū)分布的具有供水意義和生態(tài)價值的含水層，也要一并考慮監(jiān)測，如榆神府礦區(qū)局部分布的直羅組含水層等。

4 大型煤炭基地地下水監(jiān)測工程實施

我國西北地區(qū)是煤炭主產(chǎn)區(qū)，也是財政困難地區(qū)，為了減輕財政負擔，保障工程順利實施，最大限度促進《礦山地質(zhì)環(huán)境保護與土地復墾方案》的落實，2013年以來作者就提出采取政府指導、企業(yè)主導的方式建設大型煤炭基地地下水監(jiān)測網(wǎng)[15-16]，具體做法就是由省國土資源廳負責，委托省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站以大型煤炭基地為單元，編制礦山地下水監(jiān)測方案，明確監(jiān)測井的分布、監(jiān)測層位、施工技術(shù)要求等信息，由煤礦企業(yè)利用礦山地質(zhì)環(huán)境保護與土地復墾基金建設地下水監(jiān)測點，建成后移交省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，納入省級地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)(陜西省已建成)，統(tǒng)一負責數(shù)據(jù)接收、研判和分析利用，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出礦山地下水保護措施。

2017年我們提出了陜西省大型煤炭基地地下水監(jiān)測方案，經(jīng)過多次討論，2018年2月陜西省國土資源廳分別下發(fā)了《關(guān)于切實做好地下水監(jiān)測工作的通知》(陜國土資環(huán)發(fā)[2018]6號)和《關(guān)于做好煤礦地下水監(jiān)測工作的通知》(陜國土資環(huán)發(fā)[2018]7號)，部署了煤礦地下水監(jiān)測工作，將地下水監(jiān)測網(wǎng)建設納入各級國土資源部門的年度考核任務。日前，監(jiān)測技術(shù)方案已經(jīng)通過專家論證，將于近日開工建設，2018年6月底前完成首期225口監(jiān)測井施工，開始實施地下水監(jiān)測，為保水采煤技術(shù)推廣應用和礦區(qū)生態(tài)文明建設提供科學數(shù)據(jù)。

大型煤炭基地地下水監(jiān)測井的施工按照水文地質(zhì)抽水試驗鉆孔的要求實施[28]，但要保持長期使用，對于洛河組、巖溶水等基巖含水層為主要監(jiān)測層位的監(jiān)測井，井底應該穿過主要含水層20 m或稍長，薩拉烏蘇組、黃土含水層等第四系松散巖類含水層為監(jiān)測層位的監(jiān)測井，終孔深度應該穿過含水層底界30～50 m(當下部為隔水層時)，確保沉淀物不至于將監(jiān)測含水層埋沒。

5 結(jié)論

1)我國西北地區(qū)煤炭資源豐富，全國73%的煤炭資源分布于西北地區(qū)，但水資源貧乏，水資源對生態(tài)環(huán)境的控制作用明顯，大規(guī)模煤炭開發(fā)必須做好水資源的保護和科學利用，實現(xiàn)保水采煤目標，建設綠色礦山。

2)長期高強度煤炭開發(fā)對部分區(qū)域地下水產(chǎn)生了較強烈的擾動，造成了部分區(qū)域地下水位下降和井泉干涸，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了影響，保水采煤技術(shù)推廣應用從一定程度上遏制了對含水層結(jié)構(gòu)的損傷，促進了生態(tài)水位保護。

3)建立涵蓋大型煤炭基地開發(fā)、開采范圍的地下水監(jiān)測網(wǎng)，實時監(jiān)控地下水動態(tài)變化，并分析研判高強度采煤對地下水的擾動規(guī)律，制定保水采煤技術(shù)措施，是西北煤礦區(qū)科學開采、綠色開采的必然選擇。

4)以陜西省為例，闡述了大型煤炭基地地下水監(jiān)測網(wǎng)建設技術(shù)方案，實施建設了我國第一張礦山地下水監(jiān)測網(wǎng)。

致謝：陜西大型煤炭基地地下水監(jiān)測網(wǎng)建設得到了錢鳴高院士、王雙明院士的鼓勵和支持，得到了陜西省國土資源廳的大力支持，我站孫魁、李成、仵撥云、陳建平、陶福平、高帥、杜江麗、鄭苗苗等同志參加了技術(shù)方案制定，靳德武、段中會、朱樺教授和王雁林博士提出了寶貴意見，在此一并表示衷心感謝。

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