侯恩科，車曉陽，馮 潔,2，段中會，高利軍，李 軍

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 現(xiàn)代煤炭開采技術(shù)研究所，陜西 西安 710065; 3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021; 4.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300;5.陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719316)

榆神府礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源匱乏，近年來由于煤炭資源的大規(guī)模開采，區(qū)域內(nèi)的水資源環(huán)境問題愈發(fā)突出。針對榆神府礦區(qū)的水環(huán)境問題，范立民等于1992年提出了“保水采煤”的研究思路[1]，并于1995年首次采用“保水采煤”一詞[2]。錢鳴高、繆協(xié)興等[3-5]針對我國目前礦井生產(chǎn)中普遍存在的問題，建立了完善的綠色開采概念和技術(shù)體系，并將“保水采煤”作為主要的研究內(nèi)容之一?！氨Ｋ擅骸笨茖W(xué)問題包含“保水”與“采煤”兩大主要內(nèi)容，其核心思想是通過賦存條件探查與采煤方法探究，達到水資源保護利用與煤炭資源開采協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。水文地質(zhì)條件分區(qū)和煤層賦存分區(qū)是保水采煤的關(guān)鍵[6]，而煤炭資源開采等因素正是榆神府礦區(qū)水體濕地面積變小的主要原因[7]。針對榆神府礦區(qū)的煤層賦存地質(zhì)特征，李文平、葉貴鈞等[8-9]對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與采后變化進行了預(yù)測，提出了保水采煤分區(qū)以及保水采煤的工程技術(shù)措施。王雙明等[10]研究了煤水賦存空間組合關(guān)系和保水開采條件分區(qū)，建立了保水采煤技術(shù)體系。在采煤技術(shù)方面，逐漸形成了“充填式”開采[11]、“采充并行式”開采[12]、“窄條帶式”開采及“分層限高”開采等多種保水開采的技術(shù)方法，這些方法的提出對于進一步完善保水采煤技術(shù)體系，具有十分重要的作用。武強[13]、白海波[14]等總結(jié)了保水采煤與礦井水資源利用現(xiàn)狀，指出了我國保水采煤面臨的新問題及保水采煤研究趨勢及將來的重點研究方向。

近年來，煤炭資源綠色開采受到政府與社會越來越多的關(guān)注，在我國廣大的西部礦區(qū)，由于水資源短缺等問題，煤炭綠色開采首先要解決的便是如何有效地保護當(dāng)?shù)厮Y源，煤炭科技工作者在這方面也做了大量的工作[15]，但以往的工作重點多在于如何實現(xiàn)“保水”，而對于煤礦生產(chǎn)過程中的礦井水綜合利用類型以及基于保水采煤途徑的分類分區(qū)涉及較少，本文擬以榆神府礦區(qū)為例，在研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對單個礦井的水資源保護與利用方式方法進行討論。

1 研究區(qū)概況

榆神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部的伊陜斜坡之上，毛烏素沙漠與黃土溝壑區(qū)的接壤地帶，是國家重點建設(shè)的陜北大型煤炭基地的重要組成部分，包括榆神和神府(神府礦區(qū)包括神北和新民礦區(qū))兩大礦區(qū)(圖1)，礦區(qū)面積8 369.1 km2，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，地層平緩，為一向西傾斜的單斜構(gòu)造。研究區(qū)年降雨量小于500 mm，屬于干旱半干旱氣候區(qū)，荒漠-半荒漠生態(tài)系統(tǒng)。區(qū)內(nèi)主要水體包括有窟野河、禿尾河、榆溪河及紅堿淖等。

圖1 研究區(qū)基本情況Fig.1 Distribution of the study area

區(qū)內(nèi)揭露地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、下白堊統(tǒng)洛河組(K1l)、新近系保德組(N2b)和第四系的三門組(Q1s)、離石組(Q2l)、薩拉烏蘇組(Q3s)、馬蘭組(Q3m)及地表風(fēng)積沙(Q4eol)(圖2)。其中薩拉烏蘇組以及侏羅系煤層上覆基巖經(jīng)風(fēng)化或燒變形成的風(fēng)化基巖與燒變巖是榆神府礦區(qū)內(nèi)的主要含水層。

圖2 研究區(qū)綜合地質(zhì)柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column in Yushenfu Coal Mine Area

區(qū)內(nèi)侏羅系地層含煤12層，可采煤層3～7層，一般厚3～5 m，最大厚度12.49 m，2-2煤為區(qū)內(nèi)煤系上部主要可采煤層，目前開采區(qū)域煤層埋藏深度一般在50～300 m。根據(jù)區(qū)內(nèi)個別礦井的“三帶探查孔”資料顯示，主采煤層裂采比一般不小于24，部分區(qū)域甚至達到了30以上。對于埋藏深度較淺的煤層，覆巖導(dǎo)水裂隙帶一般能夠?qū)ㄖ辽细菜缮⒑畬?，甚至?dǎo)通至地表，造成松散含水層及地表水滲漏，地下水位下降，破壞區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。

2 主要含水層特征及其富水性

2.1 薩拉烏蘇組含水層

(1)沉積環(huán)境

薩拉烏蘇組地層是一套沉積于廬山—大理間冰期的連續(xù)河湖相沉積物，先期為湖相沉積，后為河流相沉積，是華北晚更新世標(biāo)準(zhǔn)地層之一[16]。第四紀(jì)晚期，地層沉降，在低洼地區(qū)形成了眾多星羅棋布的小湖泊，河流攜帶上游泥沙在湖泊內(nèi)沉積，隨著泥沙沉積，地勢趨于平坦，小湖泊形成了統(tǒng)一的大湖泊并逐漸消失，沉積作用減弱，后期隨著氣候變化，沉積作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鞒练e并逐漸消失。沉積時期的古地貌特征及沉積條件使得薩拉烏蘇組地層在垂向和平面上呈現(xiàn)出明顯的不均一性，在平面上連續(xù)性較差，分布厚度不均。

(2)分布規(guī)律

薩拉烏蘇組地層在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，與其下離石組隔水層呈不整合接觸，分布形態(tài)受當(dāng)時古地形控制，在區(qū)內(nèi)的平面分布形態(tài)整體呈西南厚東北薄的特點(圖3)，厚度變化范圍較大，在0～160 m，主要分布于榆溪河與禿尾河流域，在烏蘭木倫河上游哈拉溝井田一帶有零星分布，局部出露地表。該層為區(qū)內(nèi)的主要含水層之一。

(3)富水性特征

薩拉烏蘇組地層為河湖相沉積物，湖相沉積物主要細砂和粉細砂為主，河流相沉積物主要以中粒砂和粗砂為主，底部分布有分選性中等的礫石層，上部一般為風(fēng)積沙層所覆蓋。一般為潛水含水層，水位埋深在10 m以內(nèi)，不同地區(qū)富水性差異較大，富水性強弱與厚度分布呈明顯的相關(guān)關(guān)系，整體呈西南強，東北

圖3 薩拉烏蘇組含水層厚度等值線Fig.3 Isopach map of Salawusu formation aquifer

弱的特點。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗結(jié)果顯示(表1)，強富水區(qū)鉆孔平均單位涌水量為2.64 L/(s·m)，滲透系數(shù)7.43 m/d，中等富水區(qū)平均單位涌水量為0.34 L/(s·m)，滲透系數(shù)2.68 m/d，弱富水區(qū)平均單位涌水量為0.04 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.87 m/d。

2.2 燒變巖含水體

(1)形成及分布規(guī)律

燒變巖含水層是榆神府礦區(qū)重要的生態(tài)水源之一[15,17]，其分布規(guī)律受煤層埋藏條件和地形地貌影響，區(qū)域上受地層傾角的影響，局部上受地表溝谷侵蝕的影響。伊陜斜坡為一向西緩傾的單斜構(gòu)造，東北部地層抬升，煤層埋藏深度相對較淺，容易受到地表溝谷剝蝕形成燒變巖。歷史時期煤層受到剝蝕作用影響與外部空氣接觸，發(fā)生自燃，上覆巖層受到高溫作用形成燒變巖，燒變程度在垂向上由自燃煤層向上逐漸減弱，在平面上沿煤層剝蝕邊界向內(nèi)逐漸減弱。在研究區(qū)內(nèi)主要沿禿尾河、窟野河及其上游的烏蘭木倫呈明顯的條帶狀分布，在悖牛川沿岸零星分布(圖4)。

圖4 燒變巖分布Fig.4 Distribution of burnt rock

(2)富水性特征

燒變巖儲水性能不僅與其原巖巖性有關(guān)，也與其燒變程度有關(guān)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)及燒變強弱程度可將其分為類熔巖、燒結(jié)巖和烘烤巖3類[18]，類熔巖與燒結(jié)巖中一般發(fā)育有大量的孔隙和裂隙，易于儲水。原巖燒變程度越強，巖層中的孔裂隙就越發(fā)育，其儲水能力也就越強，反之則越弱。影響燒變巖富水性的另一個重要因素是巖層的補給條件，因其孔裂隙發(fā)育，連通性較好，補給來源充分，在研究區(qū)內(nèi)容易形成強富水區(qū)。但部分出露位置高的地段，多不含水。

2.3 風(fēng)化基巖含水層

形成于早白堊世至上新世之間的侏羅系風(fēng)化基巖含水層是影響區(qū)內(nèi)礦井涌(突)水的一個重要因素[19]，其富水程度主要受巖性和風(fēng)化程度影響。

風(fēng)化基巖在區(qū)內(nèi)廣泛分布，厚度一般在20 m左右，巖性主要以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖為主。風(fēng)化程度受當(dāng)時的古地形影響，按照風(fēng)化程度可以分為強風(fēng)化、中等風(fēng)化與弱風(fēng)化3類，風(fēng)化基巖含水層儲水空間主要以風(fēng)化裂隙為主，輔以原巖原生孔隙，具有良好的滲透性和儲水條件。區(qū)內(nèi)風(fēng)化基巖富水性差異較大[9,19]，據(jù)勘探在錦界煤礦、檸條塔煤礦南翼等部位，風(fēng)化基巖富水性較好，礦井涌水量較大。2011年檸條塔礦南翼S1210工作面頂板初次垮落時，突水量高達1 200 m3/h，至今仍有400 m3/h 的涌水量，事后分析原因主要是由于導(dǎo)水裂隙溝通上覆風(fēng)化基巖含水層所致。因此，風(fēng)化基巖含水層是區(qū)內(nèi)部分礦井的主要充水水源。

3 保水采煤途徑

煤炭資源在開采時會破壞采區(qū)煤層覆巖結(jié)構(gòu)，造成相應(yīng)地區(qū)的地下水漏失和地下水位下降，破壞區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境[20]。榆神府礦區(qū)各主要含水層在平面分布上具有明顯的不均一性，受含水層分布特征及富水性影響，不同區(qū)域的礦井涌水量差異較大(表2)。

表2 部分礦井正常涌水量統(tǒng)計Table 2 Statistics of natural volume in coal mines

目前大部分學(xué)者對于“保水采煤”的研究重點都側(cè)重于如何有效地保護煤層上覆含水層，使其在煤層開采過程中盡量不受擾動。范立民等[21-22]總結(jié)了“保水采煤”的研究現(xiàn)狀，提出目前“保水采煤”的研究內(nèi)容主要包括地質(zhì)條件、巖層移動控制、隔水層改良以及充填開采等保水采煤技術(shù)，并提出了相應(yīng)的保水采煤規(guī)劃方案，目的是為保護煤層上覆含水層與區(qū)內(nèi)地表徑流流量穩(wěn)定。但就現(xiàn)階段榆神府礦區(qū)的開采實際而言，開采擾動難免波及到上覆含水層水，造成上覆含水層水資源的破壞。同時，按規(guī)劃需要進行保水采煤的部分生產(chǎn)礦井，在實際生產(chǎn)中也并未嚴(yán)格按照“保水采煤”的技術(shù)要求進行開采，也會對上覆含水層造成破壞。因此，筆者認為從保護生態(tài)、節(jié)約資源的角度出發(fā)，“保水采煤”不僅包括如何“保水”，還應(yīng)當(dāng)包括如何“用水”，這里的“用水”指的是如何有效地利用已經(jīng)被破壞并且涌入到井下的礦井水。對礦井水的有效利用，不僅能夠提高水資源的利用效率，同時也能夠減小由于礦井水的不合理排放造成的水資源浪費及水環(huán)境污染。

所以，筆者認為“保水采煤”不僅要通過各項技術(shù)措施減小煤層開采擾動對上覆含水層造成的影響，同時也要對已經(jīng)受開采影響并涌入井下的礦井水進行合理的規(guī)劃利用，從而達到更好的保護水資源的目的。

在前人“保水開采分區(qū)”等[10]研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)含水層富水性特征、煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征以及區(qū)內(nèi)現(xiàn)有部分礦井涌水量特征和待采區(qū)礦井可能的涌水特征，將榆神府礦區(qū)煤礦需要保護和利用的水資源與礦井水劃分為水量貧乏型、水量較豐富型、水量豐富型以及地表水體型共4種類型(表3)，并提出了相應(yīng)“保水采煤”方案措施(圖5)。

表3 水資源保護與礦井水利用類型Table 3 Classification of water preserving and mine water utilization

圖5 保水采煤途徑示意Fig.5 Schematic diagram of water-retaining mining approach

3.1 水量貧乏型

該類型主要分布于研究區(qū)的東北部與西南部，包含3種不同的類型:① 首采煤層埋藏深度淺，上覆基巖層厚度薄，含水層富水性弱，基本無薩拉烏蘇組、燒變巖等強富水含水層分布(圖6(Ⅰ1類));② 是首采煤層埋藏深度較淺，上覆基巖層較薄，含水層富水性較弱，局部分布有薩拉烏蘇及燒變巖含水層(圖6(Ⅰ2類));③ 是首采煤層埋藏深度大，上覆基巖層厚，含水層富水性強，全區(qū)分布有較厚的薩拉烏蘇組含水層(圖6(Ⅰ3類))。前2種類型(Ⅰ1,Ⅰ2類)煤層開采后可導(dǎo)通至上覆含水層乃至地表，但由于煤層上覆含水層富水性弱，礦井正常涌水量一般不大;第3種類型(Ⅰ3類)由于首采煤層埋藏深度大，上覆基巖厚度一般大于200 m，巖層結(jié)構(gòu)完整，隔水層發(fā)育，煤層采后的導(dǎo)水裂隙難以溝通上覆的薩拉烏蘇組強含水層，礦井正常涌水量也不大。因此，將這3種類型統(tǒng)一概括為水量貧乏型，該類型礦井正常涌水不會對礦井安全生產(chǎn)造成威脅，涌水量一般小于300 m3/h。對于這類礦井的水資源處理主要以循環(huán)利用為主，利用采空區(qū)修建地下水庫進行水資源的存儲和物理凈化，再次凈化達標(biāo)后可用于礦井的生產(chǎn)生活用水。韓家灣煤礦、安山煤礦等屬于此種類型。

圖6 保水采煤類型分區(qū)Fig.6 Zoning map of water-preserved mining types

3.2 水量較豐富型

該類型主要分布于研究區(qū)中部，呈條帶狀分布，分布有薩拉烏蘇組或燒變巖含水層，含水層厚度相對較薄、富水性中等，煤層埋藏較淺，根據(jù)其首采煤層上覆基巖厚度分為2個不同的等級類型(圖6(Ⅱ1,Ⅱ2類))，Ⅱ1類型首采煤層上覆基巖厚度一般小于100 m，Ⅱ2類型首采煤層上覆基巖厚度一般大于100 m，小于200 m。煤層采后礦井正常涌水量較大，但不嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，涌水量一般大于300 m3/h，小于1 200 m3/h。對于這類礦井的水資源處理主要以循環(huán)利用、發(fā)展大棚農(nóng)業(yè)、地表生態(tài)修復(fù)利用為主。礦井涌水一部分可利用采空區(qū)地下水庫進行存儲凈化，用途同上;其余部分排至地表，凈化達標(biāo)后可用于農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)濕地建設(shè)。杭來灣、涼水井等煤礦屬于此種類型。

3.3 水量豐富型

該類型也主要分布于研究區(qū)中部，分布有薩拉烏蘇組及燒變巖含水層，含水層厚度局部較厚、富水性強。同樣根據(jù)其首采煤層上覆基巖厚度分為2個不同的等級類型(圖6(Ⅲ1,Ⅲ2類))，Ⅲ1類型首采煤層上覆基巖厚度一般小于100 m，Ⅲ2類型首采煤層上覆基巖厚度一般大于100 m、小于200 m。礦井涌水量大，且在一定程度上會影響到礦井的正常生產(chǎn)，涌水量一般大于1 200 m3/h。對于這類礦井在煤層開采時建議采用“條帶填充”或“分層限高”的采煤方式進行開采，① 能夠有效地減小開采擾動對上覆巖層的影響，保護薩拉烏蘇組等主要含水層水資源，② 能夠減小礦井正常涌水量，保證礦井安全生產(chǎn)。由于礦井涌水量大，對礦井水的處理利用已不適宜修建采空區(qū)地下水庫，可在未采區(qū)修筑水庫或人工湖，也可在已結(jié)束開采3 a以上，巖層垮落密實、變形穩(wěn)定、地表低洼的區(qū)域，進行人工防滲處理，修建地表人工湖或水庫，保護水資源。為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和環(huán)保提供保障。錦界煤礦屬于此種類型。

3.4 地表水體型

該類型主要分布于紅堿淖及其周邊區(qū)域(圖6(Ⅳ類))，區(qū)內(nèi)有較大的地表淡水湖泊，同時分布有厚度較大且富水性強的薩拉烏蘇組含水層。該區(qū)域是研究區(qū)內(nèi)幾條主要河流的補給來源，可滿足周邊居民生活供水。對于該類地區(qū)主要以水資源的保護與利用為主，不建議規(guī)劃煤炭礦井。地表水體型地區(qū)還需要特別強調(diào)水污染問題，對于該地區(qū)的保護既要“保水量”也要“保水質(zhì)”。

4 討 論

“保水采煤”的核心思想在于尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開采技術(shù)[21]?！氨Ｋ擅骸钡难芯恳饬x在于，實現(xiàn)煤炭資源開采與生態(tài)環(huán)境保護的共贏。進行礦井規(guī)劃和“保水采煤”方案設(shè)計時，既要考慮人類活動對于自然環(huán)境的影響，也要強調(diào)通過人為主動干預(yù)來改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)，使能源開采區(qū)逐步向生態(tài)環(huán)境友好區(qū)轉(zhuǎn)變，在資源開采的同時，能夠利用礦產(chǎn)資源產(chǎn)生的經(jīng)濟效益來反哺當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。有朝一日，當(dāng)煤炭資源開采殆盡之時，不是給當(dāng)?shù)剡z留一個滿目瘡痍的非宜居環(huán)境，而是在帶走大量能源資源的同時，也為當(dāng)?shù)貛砩鷳B(tài)環(huán)境的改善。

筆者認為“保水采煤”的基本措施包括:保護淺部含水層以及完善礦井水資源利用模式。充填開采、限高開采等措施意在避免或減小開采擾動對含水層儲水性能的影響，人為的將礦井水進行存儲凈化、工業(yè)利用、農(nóng)業(yè)灌溉、濕地建設(shè)、人工湖泊等措施，則可有效提高水資源利用率，完善水資源利用模式。

把生態(tài)環(huán)境改善與將來的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型相結(jié)合，在經(jīng)歷了目前這種以能源開采為基礎(chǔ)的掠奪式經(jīng)濟發(fā)展，考慮下一個發(fā)展周期中陜北能源基地在全國經(jīng)濟與人文社會中所要扮演的角色，一方面要靠生態(tài)環(huán)境的自我修復(fù)，一方面要人為干預(yù)，把陜北的生態(tài)環(huán)境提高到煤炭資源開采之前更高的水平。把人為干預(yù)條件下環(huán)境的自身修復(fù)納入到保水采煤的研究當(dāng)中，比如區(qū)域煤炭資源在開采結(jié)束3 a之后，隨著礦區(qū)的塌陷密實，動態(tài)裂縫會自發(fā)閉合，巖層的導(dǎo)水性能減弱，水量的損失速率減小，地下水位會得到部分恢復(fù)，能夠完成一定的自我修復(fù)，在開采規(guī)劃和方案設(shè)計時，也應(yīng)考量。生態(tài)環(huán)境在一定的影響范圍內(nèi)，具有一定的自我修復(fù)能力，但是當(dāng)人類活動對于環(huán)境破壞超過環(huán)境的自我修復(fù)閾值時，生態(tài)環(huán)境就失去了自我修復(fù)的能力?！氨Ｋ擅骸钡闹攸c在于滿足能源開采經(jīng)濟利益最大化的同時，保證生態(tài)環(huán)境不發(fā)生質(zhì)的破壞。

5 結(jié) 論

(1)薩拉烏蘇組地層在垂向和平面上呈現(xiàn)明顯的分布不均，富水性與分布特征在區(qū)內(nèi)呈明顯的西南強、東北弱的特點。

(2)受到伊陜斜坡抬升影響，燒變巖在東北部沿溝谷切割部位呈條帶狀分布，富水性受補給來源影響，除陡坡出露地段，普遍富水性較好。

(3)根據(jù)區(qū)域含水層富水特征與礦井涌水量大小等條件，將榆神府礦區(qū)煤礦需要保護和利用的水資源與礦井水劃分為水量貧乏型、較豐富型、豐富型及地表水體型4類，并對不同類型進行了分區(qū)，提出了礦井水資源利用與保護的具體措施。

(4)將“保水”與“用水”相結(jié)合，使“保水采煤”由原有的保護煤層上覆含水層穩(wěn)定擴展至了保護含水層穩(wěn)定與礦井水資源合理開發(fā)利用兩個方面。

(5)建議將“保水采煤”科學(xué)研究所關(guān)注的生態(tài)問題與礦區(qū)未來發(fā)展階段的經(jīng)濟建設(shè)相結(jié)合，利用目前的煤炭經(jīng)濟效益 “反哺”當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)建設(shè)和農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，既要保護“綠色環(huán)境”發(fā)展，也要促進“綠色經(jīng)濟”發(fā)展。