李根生，曾 強(qiáng)，楊 潔，何學(xué)敏，沈 莉

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046)

近年來，我國進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，不斷提高非化石能源消費(fèi)在能源消費(fèi)中的占比，發(fā)展綠色清潔能源產(chǎn)業(yè)。2017年，全國累計(jì)生產(chǎn)原煤35.23億t，同比增長3.3%，占世界總產(chǎn)量的45.6%，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的60.4%[1]。未來很長一段時(shí)間，煤炭作為我國能源消費(fèi)的主體能源地位不變。

我國西部地區(qū)已探明煤炭資源儲(chǔ)量10 628億t，約占我國已探明儲(chǔ)量的81%，而新疆地區(qū)煤炭資源最為豐富，2 000 m以淺預(yù)測煤炭資源量2.19萬億t，約占全國2 000 m以淺預(yù)測煤炭資源量的40%以上[2]。新疆準(zhǔn)東礦區(qū)預(yù)測煤炭資源儲(chǔ)量4 580億t，占新疆儲(chǔ)量的20.9%、全國儲(chǔ)量的8.2%，其中已探明儲(chǔ)量2 149億t[3]。其作為我國已發(fā)現(xiàn)最大整裝煤田，是我國第十四個(gè)大型煤炭基地。但該區(qū)域氣候干旱、降水量稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、水資源匱乏、地表植被稀疏、水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱，加之該區(qū)域煤層賦存面積廣、單層厚度大、開采強(qiáng)度大、擾動(dòng)范圍廣，因此該區(qū)域煤層開采勢必造成區(qū)域地下水位下降，改變區(qū)域地下水流向，形成區(qū)域地下水降落漏斗，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境，對區(qū)域及鄰近綠洲生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[4-5]。從礦區(qū)煤炭資源綠色保水開采和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，亟需先行開展區(qū)域水文地質(zhì)基礎(chǔ)研究，因地制宜開發(fā)區(qū)域保水采煤技術(shù)。

針對保水采煤的水文地質(zhì)基礎(chǔ)及水資源開發(fā)利用，錢鳴高等[6]首次提出綠色保水采煤概念；范立民[7]系統(tǒng)開展了西部生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤研究；王雙明等[8]研究了生態(tài)脆弱區(qū)含隔水層特征及保水采煤分區(qū)；武強(qiáng)等[9]系統(tǒng)研究了“煤-水”雙資源型礦井開采技術(shù)方法與工程應(yīng)用；黃慶享[10]針對淺埋煤層研究了保水采煤隔水層穩(wěn)定性；李文平等[11]研究了近淺埋煤層開采隔水層及潛水層變化；馬立強(qiáng)等[12]提出了“采充并行式”充填保水采煤方法；白海波等[13]研究了隔水關(guān)鍵層在保水采煤中的作用；馬雄德等[14]基于植被地下水關(guān)系研究了保水采煤；張東升等[15]研究了西北礦區(qū)保水采煤內(nèi)涵及其展望；顧大釗[16]提出了采空區(qū)地下水庫建設(shè)理論框架及技術(shù)體系；袁亮等[17]科學(xué)思考了關(guān)閉及廢棄煤礦礦井水資源開發(fā)利用。以上學(xué)者關(guān)于保水采煤已形成一套理論及實(shí)踐體系，但隨著我國煤炭產(chǎn)能重心逐步西移，以準(zhǔn)東煤炭基地為代表的生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源綠色保水開采理論及實(shí)踐體系亟待建立。

本文以準(zhǔn)東生態(tài)脆弱區(qū)煤炭基地為背景，選取準(zhǔn)東大井礦區(qū)為典型對象，基于區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研、理論研究，分析礦區(qū)煤層賦存特征、含隔水層結(jié)構(gòu)特征，估算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，分析該區(qū)域頂板隔水層穩(wěn)定性，探討保水采煤可行性，嘗試提出適用于該礦區(qū)高礦化度礦井水資源開發(fā)和綜合利用方式，對準(zhǔn)東生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源綠色保水開采具有一定指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)東礦區(qū)位于新疆昌吉州境內(nèi)，準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，東至木壘縣，西至阜康市，南至東天山山脈，北至卡拉麥里山及阿爾泰山，東西長約200 km，礦區(qū)面積約15 334 km2[4]，地勢總體呈南北高、中部低，區(qū)內(nèi)北部以沙漠、戈壁地為主，南部以農(nóng)田、林地、草地為主，以及山前洪沖積扇小面積荒地，地理位置如圖1所示。準(zhǔn)東二號(hào)礦井位于準(zhǔn)東礦區(qū)的中北部，東西長12 km，南北寬12.3～13 km，面積152.42 km2，設(shè)計(jì)產(chǎn)能30 Mt/a[18]。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area

準(zhǔn)東礦區(qū)大地構(gòu)造單元屬于準(zhǔn)噶爾地塊東北緣卡拉麥里山前拗陷。拗陷北界與東準(zhǔn)噶爾地槽褶皺系卡拉麥里冒地槽褶皺帶毗連，東南部是奇臺(tái)隆起，沿克拉麥里南麓呈北西西向展布。礦區(qū)地層區(qū)劃屬北疆-興安地層大區(qū)，北疆地層區(qū)，南準(zhǔn)噶爾-北天山地層分區(qū)，位于大井凹陷構(gòu)造單元(Ⅳ級構(gòu)造單元)中，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂，屬于構(gòu)造簡單地區(qū)。區(qū)內(nèi)出露地層有古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系，新生界第三系、第四系。

2 礦區(qū)煤巖賦存與水文地質(zhì)

2.1 煤巖賦存特征

區(qū)內(nèi)主采B1煤層均賦存于中侏羅統(tǒng)西山窯組，煤層厚度為43.74～64.83 m，平均厚度為53.31 m，西部煤層較厚，厚度達(dá)60～70 m，煤層厚度從東北和南部向中、西部呈加厚趨勢變化，先期開采煤層厚度為50～60 m。煤層傾角為1～3°，局部為4～6°，煤層水平垂深為747～476 m，煤層埋深由東南至西北逐漸加深，煤層屬穩(wěn)定深埋巨厚煤層。主采B1煤層頂板多為細(xì)砂巖、泥巖、粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板多為高炭泥巖、炭質(zhì)泥巖、含碳泥巖及細(xì)砂巖，鉆孔柱狀及其在礦井平面水文地質(zhì)圖位置見圖2。

圖2 礦井平面水文地質(zhì)圖及鉆孔柱狀Fig.2 The plane map of hydrogeological ofmine and borehole columnar

2.2 水文地質(zhì)

井田地勢北高南低，地下水平均埋深約40 m，未見地下水天然露頭，地表主要由第四系透水不含水層組成，石樹溝群裂隙孔隙弱含水層呈南北帶狀分布，見圖2。區(qū)內(nèi)無常年性地表水流，年平均降水量106 mm，年蒸發(fā)量1 202～2 382 mm，5～8月偶有雷陣雨，冬季積雪量少，地下水補(bǔ)給主要來自上游大氣降水或冰雪融水補(bǔ)給，地下水沿水力坡度順勢向下游或向深部運(yùn)移是地下水的排泄方式之一，未來礦井疏干排水亦將是地下水排泄的方式。高礦化度礦井水一般是指含鹽量大于1 000 mg/L。根據(jù)礦井抽水試驗(yàn)時(shí)采集地層水樣分析成果[19]，地下水化學(xué)特征見表1。

由表1可知，井田地下水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na、Cl-Na，pH值為7.4～9.2，溶解性總固體在1 570.6～9 681.6 mg/L，水質(zhì)較差，為微咸水～咸水，屬高礦化度礦井水，可利用程度差。

據(jù)礦井地質(zhì)資料[19]，當(dāng)鉆孔進(jìn)入中-粗砂巖、礫巖段時(shí)，鉆孔漏水、漏漿或孔內(nèi)水位升高，說明此類巖石孔隙率較大，裂隙較發(fā)育且不易閉合，透水、含水性較好，劃分為含水段，而將粉砂巖、泥巖等細(xì)顆粒巖石劃分為相對隔水段，將地層自上而下劃分為5個(gè)含隔水段，各含隔水段水文地質(zhì)特征分述見表2。

表1 地下水化學(xué)特征Table 1 Chemical characteristics of groundwater

表2 含隔水段特征Table 2 Characteristics of water-resistant strata

由礦井地質(zhì)資料可知[19]，含水層Ⅲ及含水層Ⅳ均為煤層直接充水含水層，其滲透系數(shù)分別為0.0062～0.0125 m/d、0.00304～0.00467 m/d，單位涌水量分別為0.0056～0.0081 L/(s·m)、0.00312～0.00529 L/(s·m)，其中含水層Ⅲ巖性多為泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖，含水層Ⅳ巖性為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、中砂巖、細(xì)砂巖，含一層巨厚煤層B1煤層。含水層Ⅱ?yàn)槊簩娱g接充水含水層，其底部為厚-巨厚層狀砂礫巖。

區(qū)內(nèi)白堊系下統(tǒng)吐谷魯群弱含水層(Ⅱ)、侏羅系中-上統(tǒng)石樹溝群弱含水段(Ⅲ)、侏羅系中統(tǒng)西山窯組弱含水層(Ⅳ)均為層間承壓水，當(dāng)隔水頂板或頂板巖性變化或構(gòu)造變動(dòng)，并使其連通時(shí)，三者之間產(chǎn)生相應(yīng)的水力聯(lián)系。

主采B1煤層屬深埋巨厚煤層，采煤對含隔水層的破壞勢必造成頂板水滲入井下，產(chǎn)生大量礦井水，本次采用大井法計(jì)算預(yù)測礦井涌水量達(dá)2 050 m3/d，安全采煤需采取疏干排水措施將礦地下水通過管路外排至礦區(qū)以外，未經(jīng)處理的高礦化度礦井水若用于礦區(qū)綠化或排至地表勢必造成地下潛水位升高、土壤鹽漬化，影響植物生長甚至枯萎。

3 保水采煤可行性分析

3.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征分析

根據(jù)礦井鉆孔柱狀圖，以鉆孔巖芯完整和破碎程度劃分煤層頂板各巖層含隔水性，煤層頂板含隔水性劃分結(jié)果見表3。

由表3可知，煤層頂板含水層與隔水層具有互層特征，其中距離煤層98 m處含厚度為62 m的粉砂泥巖互層隔水層，其可作為頂板關(guān)鍵隔水層。距離煤層54 m處含厚度為45 m的泥巖含水層，其可作為頂板關(guān)鍵含水層。因此，為保護(hù)45 m厚的泥巖含水層，需分析采場導(dǎo)水裂隙帶是否對厚度為15 m的細(xì)砂巖隔水層產(chǎn)生完全破壞，另外為保護(hù)關(guān)鍵含水層，需分析采場導(dǎo)水裂隙帶是否對厚度為62 m 的粉砂泥巖互層隔水層產(chǎn)生完全破壞。

表3 煤層頂板含隔水層Table 3 Water-resistant strata of coal seam roof

3.2 隔水保護(hù)層穩(wěn)定性分析

保水采煤核心是保護(hù)頂板特定目標(biāo)含水層，防止采動(dòng)導(dǎo)水裂隙與特定含水層貫通。工程中常采用規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式及類比法估算本區(qū)域內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶是否發(fā)育至含水層。

基于礦井頂板巖層力學(xué)性質(zhì)和實(shí)測裂采比及規(guī)程中軟弱與中硬條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)公式，并考慮地質(zhì)條件、煤層賦存特征及礦井生產(chǎn)規(guī)模，分別估算本礦區(qū)大采高分層開采(分層采高7 m)和放頂煤分層開采(分層采高14 m)條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度預(yù)測Table 4 Prediction height of water-conducting fractures

由表4可知，采厚為7 m時(shí)，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍為79.1～190.5 m；當(dāng)采厚為14 m時(shí)，頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍為158.2～334.5 m?；趨^(qū)域相似礦井沙積海礦實(shí)測數(shù)據(jù)，大采高分層開采和放頂煤分層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測分別為94.5 m、189 m，若采用大采高分層開采方式，則頂板導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至頂板厚達(dá)54 m的含水層2，其下3層隔水層穩(wěn)定性已破壞，將對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。若礦井采用放頂煤分層開采方式，則頂板導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至頂板隔水層4，其下4層含隔水層穩(wěn)定性已破壞，即導(dǎo)水裂隙帶將與含水層3貫通，將對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。若根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測估算度，則導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高將更高，對頂板隔水層的穩(wěn)定性破壞更嚴(yán)重。根據(jù)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度預(yù)測結(jié)果可知采用大采高分層開采對頂板含隔水層穩(wěn)定性破壞程度小于放頂煤分層開采。

3.3 受保護(hù)層開發(fā)潛力分析

B1煤層均賦存于Ⅳ含水層內(nèi)，礦井煤層采后Ⅱ含水層、Ⅲ含水層和Ⅳ含水層地下水將通過巖石裂隙和構(gòu)造裂隙下滲至礦坑內(nèi)成為礦井水。第Ⅳ弱含水層下部地下水因承受較大靜水壓力，在煤層底板遭到破壞時(shí)，亦可通過越流補(bǔ)給方式進(jìn)入礦坑。

根據(jù)上述分析，礦井巨厚煤層采后導(dǎo)水裂隙帶勢必波及頂板含水層，造成含水層水體涌入井下，為保證礦井安全采煤必將采取疏干排水措施。又因該區(qū)域巨厚煤層全區(qū)發(fā)育，開采范圍廣，地下煤層開采過程中勢必排出大量礦井水，但區(qū)域地下水屬高礦化度水，可利用率低，若將礦井水排入地表勢必對區(qū)域脆弱生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。因此，基于區(qū)域可用水資源匱乏、礦井水資源量豐富及用水現(xiàn)狀，開展礦區(qū)礦井水開發(fā)利用方案研究，可一定程度緩解區(qū)域用水現(xiàn)狀，保護(hù)當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境，具有極好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和生態(tài)效益。

綜上所述，基于頂板含隔水層結(jié)構(gòu)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及實(shí)測裂采比預(yù)測估算導(dǎo)水裂隙帶均已發(fā)育至多層含隔水層，隔水層穩(wěn)定性遭到破壞，將產(chǎn)生大量礦井水，為實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)需采取有效措施，并控制采場頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，使得該區(qū)域具有保水采煤的水文地質(zhì)可行性。

4 礦井水資源開發(fā)利用對策

礦井水是煤炭資源開采過程的“副產(chǎn)品”，礦區(qū)高礦化度地下水資源開發(fā)與利用具有重要的供水及生態(tài)意義。本文根據(jù)礦井地下水化學(xué)特征、園區(qū)企業(yè)類型及用水現(xiàn)狀，進(jìn)一步分析提出了區(qū)域礦井水開發(fā)利用方式。

4.1 礦井水開發(fā)

準(zhǔn)東礦區(qū)現(xiàn)為煤電基地，憑借豐富的剩余熱能和充足的電能，可用于礦井水質(zhì)處理，降低水質(zhì)處理成本。根據(jù)礦井地下水高礦化度特點(diǎn)，以及區(qū)域用水需求，提出以下幾種高礦化度地下水處理方式。

1) 蒸餾法：蒸餾法以消耗熱能為代價(jià)，其是對高礦化度礦井水進(jìn)行熱力脫鹽淡化處理的有效手段;以煤電廠廢熱為能源的電-淡水聯(lián)產(chǎn)工藝，將發(fā)電產(chǎn)生的余熱作為蒸餾法淡化礦井水的熱源，加熱淡化苦咸水，此法的產(chǎn)水成本較低。

2) 電滲析法：借助園區(qū)發(fā)電企業(yè)電力優(yōu)勢，且作為我國礦井水深度處理最常用的處理工藝，其工藝技術(shù)較成熟、設(shè)備簡單、對預(yù)處理和管理要求低，但電滲析不能去除水中的有機(jī)物和細(xì)菌，設(shè)備運(yùn)行能耗大，使其在淡化礦井水工程中受到限制。

3) 反滲透法：該工藝具有適用范圍廣、工藝簡單、脫鹽率高、水回收率高、運(yùn)行穩(wěn)定、無污染、操作管理方便、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年隨著膜技術(shù)的發(fā)展，反滲透處理裝置的一次性投資大幅下降，使得其在礦井水深度處理方面得到了廣泛應(yīng)用。

4.2 礦井水利用

根據(jù)礦井高礦化度礦井水特點(diǎn)，并結(jié)合高礦化度礦井水預(yù)處理(混凝沉淀)和脫鹽處理(反滲透等)工藝出水水質(zhì)情況和礦井及區(qū)域用水需求和環(huán)境特點(diǎn)等，總結(jié)并提出了該礦區(qū)礦井水綜合利用方式，見圖3。

圖3 礦井水綜合利用Fig.3 Comprehensive utilization of mine water

由圖3可知，礦井水預(yù)處理后可用于洗煤廠洗煤用水、廠區(qū)和道路降塵用水、地面車輛沖洗用水、井下生產(chǎn)用水，如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)降塵等、井下防滅火和注漿封堵用水等對水質(zhì)要求不高的方面，當(dāng)水量供大于求時(shí)可補(bǔ)充地下水，或?qū)⒉煽諈^(qū)作為地下水庫，減少蒸發(fā)；礦井水脫鹽凈水處理后水質(zhì)已達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)可用于礦區(qū)冬季鍋爐用水、礦區(qū)綠化及生態(tài)修復(fù)用水、礦區(qū)生活用水、礦區(qū)消防用水、火電冷卻生產(chǎn)用水和礦區(qū)建筑施工用水等對水質(zhì)要求較高的方面；剩余含鹽分較高的礦井水可排至防滲性能較好的水池，借助礦區(qū)高蒸發(fā)特點(diǎn)自然結(jié)晶，結(jié)晶物應(yīng)交由有處置能力的單位妥善處理，防止造成地下水質(zhì)二次污染。

目前，針對該區(qū)域高礦化度礦井水處理方式正處于前期分析階段，但依靠目前較成熟的高礦化度水處理技術(shù)具有可行性，且對處理后的礦井水進(jìn)行綜合利用，一方面可為當(dāng)?shù)靥峁┕I(yè)用水和生活用水，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，另一方面可保護(hù)地下水資源及區(qū)域環(huán)境，具有生態(tài)效益。

5 結(jié) 語

煤炭開采活動(dòng)對覆巖含水層造成破壞和擾動(dòng)，進(jìn)而對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響。基于常規(guī)和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法估算了大井礦區(qū)巨厚煤層大采高分層開采和放頂煤分層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，分別為126.8～190.5 m、232.9～334.5 m和79.1～98.0 m、158.2～196.0 m，導(dǎo)水裂隙帶可發(fā)育至覆巖含、隔水層。從保水采煤角度出發(fā)，應(yīng)減少分層采高，優(yōu)先采用大采高分層開采。

準(zhǔn)東礦區(qū)巨厚煤層開采空間尺度大、開采強(qiáng)度高及擾動(dòng)范圍廣，該區(qū)域煤層開采勢必造成區(qū)域地下水位下降，改變區(qū)域地下水流向，形成區(qū)域地下水降落漏斗，破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境，采煤產(chǎn)生的高礦化度礦井水量較大，但高礦化度高，不能直接利用，直接外排會(huì)污染地表土壤，造成土壤鹽漬化，對礦區(qū)環(huán)境造成破壞，有必要開展礦井水的資源化利用。根據(jù)礦區(qū)用水現(xiàn)狀、企業(yè)類型及地下水質(zhì)，初步提出該礦區(qū)高礦化度礦井水可采用蒸餾、電滲析及反滲透等水處理工藝，經(jīng)處理后的礦井水，根據(jù)水質(zhì)情況可分別作為礦區(qū)生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水，蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)物需經(jīng)特殊處置，防止造成地下水質(zhì)二次污染。