師 修 昌

(1.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) BIM技術(shù)與智慧建造河南省工程實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450046;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 北京 100083)

0 引 言

神華神東煤炭集團(tuán)的大柳塔煤礦是最早開(kāi)始探索興建煤礦地下水庫(kù)的，其坐落于黃土高原地帶和毛烏素沙地邊緣的干旱半干旱地帶，常年干旱少雨，年均降水量低于400 mm，但蒸發(fā)量卻達(dá)到2 500 mm左右。區(qū)內(nèi)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活具有供水意義的含水層主要是第四系薩拉烏蘇組含水層。然而，由于該區(qū)煤層埋藏淺、煤層厚度大、上覆基巖薄，一次采全高開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶必然會(huì)導(dǎo)通含水層，造成地下水滲漏流失，煤炭開(kāi)發(fā)與水資源保護(hù)之間的矛盾日益突出[1-3]。針對(duì)這一情況，神華集團(tuán)曾采用傳統(tǒng)的以“堵截”地下水滲漏為主要特征的被動(dòng)保水開(kāi)采技術(shù)，如應(yīng)用充填開(kāi)采、短壁開(kāi)采等技術(shù)來(lái)限制覆巖破壞高度，從而避免含水層結(jié)構(gòu)破壞，但這些技術(shù)具有開(kāi)采效率低和煤炭采出率低等問(wèn)題，無(wú)法從根本上解決問(wèn)題[4-5]。水資源匱乏是影響西部煤炭開(kāi)采和保障生態(tài)安全的主導(dǎo)因素，如何能在煤炭開(kāi)采的過(guò)程中有效保護(hù)水資源，是我國(guó)西部煤炭開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的重大技術(shù)問(wèn)題。

大柳塔煤礦的工程技術(shù)人員通過(guò)監(jiān)測(cè)和研究，總結(jié)出了在煤礦井田范圍內(nèi)，地下水會(huì)向開(kāi)采區(qū)域(采空區(qū))匯集的規(guī)律[6]。根據(jù)推算，每萬(wàn)噸煤炭產(chǎn)生1 000～1 600 m3的空隙空間，這些空間為儲(chǔ)存礦井水提供了條件，是礦井水的儲(chǔ)存的理想場(chǎng)所。1998年，陳蘇社等開(kāi)展了煤礦采空區(qū)儲(chǔ)水試驗(yàn)工程，嘗試在大柳塔煤礦地下100多米處的2號(hào)煤層選擇一處采空區(qū)建設(shè)首個(gè)單采空區(qū)儲(chǔ)水設(shè)施，水容量為5萬(wàn)m3，證實(shí)煤礦井下采空區(qū)儲(chǔ)水是可行的[7]。到2007年采空區(qū)儲(chǔ)水方案已基本成熟完善，神東大部分礦井均利用采空區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)水復(fù)用?；诓煽諈^(qū)垮落空間特征，借鑒傳統(tǒng)地下水庫(kù)建設(shè)的思路[8-9]，顧大釗針對(duì)我國(guó)西部礦區(qū)煤炭開(kāi)采水資源外排蒸發(fā)損失現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)的“堵截”為主要特征的保水開(kāi)采技術(shù)在西部地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)的情況，提出了利用采空區(qū)垮落帶建設(shè)煤礦地下水庫(kù)實(shí)現(xiàn)礦井水井下儲(chǔ)用的新理念，開(kāi)辟了適合西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)利用新途徑。截至2015年底，神東礦區(qū)已建成煤礦地下水庫(kù)35座，儲(chǔ)水總量約為3 100萬(wàn)m3，實(shí)現(xiàn)了煤炭資源安全高效開(kāi)采與水資源保護(hù)利用的和諧共贏。

近年來(lái)，已有不少學(xué)者開(kāi)展了煤礦地下水庫(kù)理論與技術(shù)體系的研究，取得了豐碩的成果。筆者在充分總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦地下水庫(kù)的相關(guān)理論與技術(shù)研究進(jìn)展、以及有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題進(jìn)行綜述和展望，以期為煤礦地下水庫(kù)保護(hù)利用地下水提供參考。

1 煤礦地下水庫(kù)的儲(chǔ)水原理

煤礦地下水庫(kù)是針對(duì)西部生態(tài)脆弱區(qū)煤層埋藏淺、厚度大、保水開(kāi)采地質(zhì)條件較差等特點(diǎn)，傳統(tǒng)保水開(kāi)采技術(shù)難以有效保護(hù)地下水的背景下提出的，是以“導(dǎo)儲(chǔ)用”為核心，突破了原有“堵截法” 保水理念，實(shí)現(xiàn)了由“被動(dòng)保水”向“主動(dòng)保水”的轉(zhuǎn)變。

煤礦地下水庫(kù)的概念是利用煤炭開(kāi)采形成的采空區(qū)垮落巖體空隙，將安全煤柱用人工壩體連接形成水庫(kù)壩體，同時(shí)建設(shè)礦井水入庫(kù)設(shè)施和取水設(shè)施，對(duì)礦井水進(jìn)行分時(shí)分地儲(chǔ)存及分質(zhì)分期利用(圖1)[10]。它包含3層意思：①煤礦地下水庫(kù)位于煤層開(kāi)采形成的采空空間中，儲(chǔ)水空間由采空區(qū)垮落巖體間的自由空隙組成；②強(qiáng)調(diào)煤礦地下水庫(kù)具有人為控制壩體安全和調(diào)控利用水資源的作用；③強(qiáng)調(diào)煤礦地下水庫(kù)具有分布性，不同開(kāi)采水平的地下水庫(kù)可以進(jìn)行連通。

圖1 煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水示意 [10]Fig.1 Schematic diagram of water storage in coal mine underground reservoir[10]

2 煤礦地下水庫(kù)六大關(guān)鍵技術(shù)

煤礦地下水庫(kù)涵蓋規(guī)劃與設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行與監(jiān)控的技術(shù)體系，包括水源預(yù)測(cè)、水庫(kù)選址、庫(kù)容設(shè)計(jì)、壩體構(gòu)建、安全運(yùn)行和水質(zhì)保障等六大關(guān)鍵技術(shù)。本節(jié)主要介紹煤礦地下水庫(kù)六大關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

2.1 水源預(yù)測(cè)

西部缺水礦區(qū)煤炭高強(qiáng)度開(kāi)采引起覆巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，含水層水體以層間水平徑流向垂向徑流為主的新水循環(huán)模式轉(zhuǎn)變，使得大部分頂板砂巖弱含水層及第四系潛水含水層地下水滲流至煤礦采空區(qū)，導(dǎo)致區(qū)域地下水賦存、補(bǔ)給、循環(huán)模式發(fā)生改變。儲(chǔ)水預(yù)測(cè)是建設(shè)煤礦地下水庫(kù)的首要工作，包括水的來(lái)源、水的滲流路徑和水資源量3個(gè)部分。

1)水的來(lái)源。對(duì)于西部淺埋深薄基巖煤層，高強(qiáng)度開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶極易導(dǎo)通第四系松散含水層和基巖含水層，必然產(chǎn)生大量礦井水，因此，水源主要為第四系孔隙水和基巖裂隙地下水。神東礦區(qū)約200余個(gè)鉆孔的長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果表明，隨著煤層開(kāi)采，第四系含水層水位逐漸下降，但下降20%～30%后會(huì)趨于穩(wěn)定，第四系孔隙水只是礦井水的初期來(lái)源。以大柳塔礦為例，涌水量長(zhǎng)期穩(wěn)定在400 m3/h，基巖裂隙水長(zhǎng)期滲流井下,是礦井水長(zhǎng)期穩(wěn)定的來(lái)源[11]。除了地下水之外，地下水庫(kù)補(bǔ)給水量還包含大氣降水、地表水。

2)水的滲流路徑。含水層滲流導(dǎo)致采場(chǎng)區(qū)域地下水流場(chǎng)重新分布，形成以導(dǎo)水裂隙帶為滲流中心、采空區(qū)為地下水匯聚地的地下水漏斗[12]。由采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈特征可知，地下水滲流路徑主要分布在工作面煤壁、開(kāi)切眼及兩巷附近的覆巖裂隙[13]。

3)水資源量。煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水量必須滿足水資源的“使用-補(bǔ)給”的平衡關(guān)系，即儲(chǔ)水量能滿足礦井各方面的用水需求。煤層開(kāi)采后的涌水量由靜儲(chǔ)量和動(dòng)儲(chǔ)量組成，靜儲(chǔ)量為頂板垮落帶內(nèi)巖石的孔隙水和裂隙水，其大小由儲(chǔ)水系數(shù)、給水度、垮落帶空間和水位降深等來(lái)決定。動(dòng)儲(chǔ)量是垮落帶、斷裂帶內(nèi)水頭降低，導(dǎo)致周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)含水層的水向采空區(qū)流動(dòng)形成的側(cè)向補(bǔ)給[14]。

2.2 煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容

煤礦地下水庫(kù)主要利用采空區(qū)垮落巖體間空隙進(jìn)行儲(chǔ)存礦井水，采空區(qū)儲(chǔ)水范圍內(nèi)垮落巖體的空隙總量就是水庫(kù)的庫(kù)容?？紤]采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律的影響因素，水庫(kù)庫(kù)容與工作面開(kāi)采尺寸、開(kāi)采方法，覆巖力學(xué)性質(zhì)及垮落巖體塊度、堆積形態(tài)、碎脹性、有效應(yīng)力等密切相關(guān)。其中，采空區(qū)垮落巖體空隙率與碎脹性是確定庫(kù)容的關(guān)鍵參數(shù)[15]。煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容采用儲(chǔ)水系數(shù)來(lái)表征采空區(qū)的儲(chǔ)水能力，將儲(chǔ)水系數(shù)定義為單位體積采空區(qū)的儲(chǔ)水量。

大柳塔煤礦活雞兔井采空區(qū)積水的探放水試驗(yàn)結(jié)果表明，采空區(qū)平均儲(chǔ)水系數(shù)為0.158，與物理模擬試驗(yàn)結(jié)果一致，為庫(kù)容設(shè)計(jì)提供了工程數(shù)據(jù)支持[16]。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容問(wèn)題，開(kāi)展了研究。采礦地質(zhì)資料不足的情況下可以借鑒《煤礦防治水規(guī)定釋義》中老空區(qū)積水量的估算公式初步獲得煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容[17]；顧大釗[10]基于儲(chǔ)水系數(shù)的概念，提出了不同儲(chǔ)水水位高度時(shí)的煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算模型。鞠金峰等[18]將覆巖垮落帶空間形態(tài)模型視為由關(guān)鍵層破斷下沉的類(lèi)拋物曲線與邊界煤巖體和底板包絡(luò)的空間，計(jì)算了覆巖垮落帶自由空隙量，根據(jù)覆巖垮裂帶內(nèi)儲(chǔ)水水位變化，建立了3種水位條件下的儲(chǔ)水容量的數(shù)學(xué)模型，成功指導(dǎo)了李家壕煤礦地下水庫(kù)工程實(shí)踐。汪北方等[19]選用Menger海綿分形模型建立了采空區(qū)垮落巖體空隙結(jié)構(gòu)模型，基于垮落巖體空隙率和殘余碎脹系數(shù)公式，建立了采空區(qū)垮落巖體空隙儲(chǔ)水量的計(jì)算模型。筆者[16]建立了采空區(qū)垮落帶、斷裂帶范圍內(nèi)不同高度破裂巖體的空隙率模型，概化了采空區(qū)垮落帶空間模型，提出了不同頂板巖性條件下煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算模型。龐義輝等[20]認(rèn)為煤礦地下水庫(kù)的主要儲(chǔ)水空間為垮落帶與塊體鉸接帶，分析了垮落帶、塊體鉸接帶和底板巖層分界巖層的垂直位移軌跡曲線，利用各分界巖層垂直位移量的差值計(jì)算頂板巖層斷裂后的體積增量，即得出煤礦地下水庫(kù)的有效儲(chǔ)水空間。姜琳婧等[21]開(kāi)發(fā)了基于GIS與CAD的煤礦地下水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)容的快速精確計(jì)算。相關(guān)的庫(kù)容計(jì)算模型見(jiàn)表1。

續(xù)表

2.3 煤礦地下水庫(kù)選址

地下水庫(kù)位置的選擇應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件要求，須考慮一系列因素?？傮w而言，煤礦(分布式)地下水庫(kù)選址時(shí)要遵循三原則：即煤層底板不漏水、采空區(qū)域可聚水、開(kāi)采規(guī)劃好調(diào)水。按照地質(zhì)和水文標(biāo)準(zhǔn)以及巖體工程方面劃分界限，確定選址區(qū)，其要求包括：煤層底板具有相應(yīng)厚度和一定黏土礦物的泥巖、弱的或隱伏的斷裂結(jié)構(gòu)、沒(méi)有或很少巖相和構(gòu)造各向異性和較小的巖體滲透性等方面[22]。煤礦地下水庫(kù)選址基本要求如下：

1)在巖性和工程力學(xué)特性上，要求煤、巖柱力學(xué)性能較好、其穩(wěn)定性較高；而那些易于軟化、變形破壞的煤體及膨脹性和塑性巖體，則不利于煤、巖柱穩(wěn)定，煤柱壩體穩(wěn)定性差。同時(shí)要求采空區(qū)底板及周邊圍巖體為隔水或極弱透水層，且達(dá)到一定的厚度。這些巖層能避免地下水庫(kù)水滲入更深地層中。如果所選不透水巖層厚度達(dá)不到規(guī)定厚度，就需要進(jìn)行修補(bǔ)。同時(shí)也應(yīng)盡量避免埋深過(guò)大，造成深部高地應(yīng)力作用和增加施工困難等。

2)在地質(zhì)構(gòu)造上，應(yīng)選擇斷裂少且規(guī)模較小及巖體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的地區(qū)。區(qū)域性斷層破碎帶及裂隙密集的軟弱帶，不利于壩體穩(wěn)定和易于造成煤礦地下水庫(kù)庫(kù)水滲漏，應(yīng)盡量避開(kāi)。當(dāng)煤礦地下水庫(kù)位于褶曲巖層中時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)地下水庫(kù)位于向斜核部。雖然向斜軸部地應(yīng)力相對(duì)較高、巖體擠壓破碎，但該部位煤巖層滲透性差，有利于地下水富集和儲(chǔ)存。

3)煤層頂板巖石水理性方面，煤礦地下水庫(kù)建設(shè)位置的煤層頂板巖石耐崩解性要求較好，膨脹性較差。否則，當(dāng)頂板垮落后形成的破碎巖石遇水膨脹、崩解，極易膨脹堵塞裂隙導(dǎo)儲(chǔ)通道，不僅容易大大降低水庫(kù)庫(kù)容，同時(shí)也非常不利于庫(kù)間的調(diào)水和用水。

4)在補(bǔ)給水源上，只有在有充足水源分布的地區(qū)，煤層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通水源后，才能源源不斷滲流進(jìn)入采空區(qū)，才能形成可以利用的采空區(qū)儲(chǔ)水，匯入采空區(qū)的水量取決于含水層富水程度。

5)在水源補(bǔ)給通道上，煤層開(kāi)采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶為采空區(qū)儲(chǔ)水的補(bǔ)給通道，只有在采深較淺，基巖和土層隔水層厚度小、通道與水源溝通或基本溝通時(shí)，水才會(huì)匯入采空區(qū)。

6)在地勢(shì)方面，對(duì)于煤礦井下地勢(shì)相對(duì)較低的地方，周?chē)叵滤畷?huì)自然流向于此，成為地下水富集區(qū)。因此，煤層底板標(biāo)高較低的區(qū)域，煤層開(kāi)采后首先形成煤礦地下水庫(kù)，以利于通過(guò)自然滲流快速形成儲(chǔ)水空間。

7)在采動(dòng)影響方面，在后續(xù)開(kāi)采下部和鄰近煤層時(shí)，對(duì)已建地下水庫(kù)采動(dòng)影響盡可能小。

根據(jù)以上7條選址要求，以大柳塔礦首座地下水庫(kù)選址為例，該礦2-2煤層地下水庫(kù)規(guī)劃由3座地下水庫(kù)組成，在首采工作面選擇時(shí)，選取地勢(shì)較低、構(gòu)造簡(jiǎn)單、水體調(diào)運(yùn)便利的老六盤(pán)區(qū)(7個(gè)工作面)作為首座地下水庫(kù)庫(kù)址。李全生等[23]提出了基于導(dǎo)水裂隙帶高度的地下水庫(kù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，選定了李家壕煤礦建設(shè)地下水庫(kù)的適宜區(qū)域；龐義輝等[24]分析了補(bǔ)連塔煤礦8.0 m大采高工作面的涌水量、儲(chǔ)水空間及導(dǎo)水裂隙帶高度，指出利用8.0 m大采高形成的采空區(qū)建設(shè)煤礦地下水庫(kù)的可行性。孟召平等[25]根據(jù)煤層底板巖性和結(jié)構(gòu)特征，將大柳塔煤礦2-2煤地下水庫(kù)場(chǎng)地條件劃分為好、較好、中等和差4種類(lèi)型(圖2)。煤礦地下水庫(kù)選址合理與否是保水能否成功的先決條件，基于影響選址的地質(zhì)因素、開(kāi)采因素和生態(tài)環(huán)境因素，構(gòu)建出煤礦地下水庫(kù)選址綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和模型是亟需解決的難題之一。

圖2 2-2煤層地下水庫(kù)場(chǎng)地選址評(píng)價(jià)Fig.2 Site selection evaluation map of No. 2-2 coal seam groundwater reservoir at Daliuta Coal Mine

2.4 儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

2.4.1 儲(chǔ)水的壩體結(jié)構(gòu)

煤礦地下水庫(kù)壩體是開(kāi)采設(shè)計(jì)留設(shè)的開(kāi)采邊界保安煤柱、防水煤柱及人工壩體的混合體(圖3)，形成了地下水庫(kù)周邊的結(jié)構(gòu)，起到承重、阻水和防滲的作用。煤礦地下水庫(kù)壩體具有非連續(xù)、變斷面、非均質(zhì)等特性，相對(duì)于地面水庫(kù)壩體來(lái)說(shuō)受力十分復(fù)雜，主要受到采動(dòng)礦壓、水壓、覆巖壓力、采空區(qū)垮落巖體側(cè)向壓力、地震和礦震等眾多非線性力的聯(lián)合作用。

圖3 煤礦地下水庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)Fig.3 Dam structure of coal mine groundwater reservoir

針對(duì)安全煤柱穩(wěn)定性，很多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，分析了采礦與地質(zhì)條件(采動(dòng)應(yīng)力分布、靜水壓力、頂?shù)装鍘r性、采高、開(kāi)采深度)等對(duì)煤柱的影響，提出了一系列煤柱屈服區(qū)寬度的理論計(jì)算公式[26-28]，對(duì)煤礦安全煤柱留設(shè)具有指導(dǎo)意義。

煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水浸泡作用對(duì)煤柱壩體強(qiáng)度具有一定軟化作用，且隨著浸水時(shí)間的增加煤柱單向抗壓及抗拉強(qiáng)度均有所下降，從而現(xiàn)場(chǎng)煤柱壩體容易遭到破壞[29]。為了比較重力壩體、地下水庫(kù)煤柱壩體和無(wú)覆巖煤柱壩體3種工況下煤柱壩體的抗震性，顏永國(guó)澆筑了這3種工況的物理模型，試驗(yàn)結(jié)果表明水平煤層地下水庫(kù)煤柱壩體的抗震性最好，無(wú)覆巖的煤柱壩體抗震性次之，重力壩體抗震性最差[30]。姚強(qiáng)嶺等[31]運(yùn)用彈塑性力學(xué)理論建立了考慮覆巖壓力、水壓力以及水的弱化作用下煤柱壩體寬度計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)煤層采厚對(duì)煤柱壩體寬度的影響最大。

人工壩體多以混凝土壩為主，其穩(wěn)定性的研究多集中在水工結(jié)構(gòu)工程中[32-33]，在采礦工程領(lǐng)域研究比較少。針對(duì)人工壩體穩(wěn)定性問(wèn)題，白東堯等[34]構(gòu)建了人工壩體簡(jiǎn)化模型，得到了關(guān)于壩體的應(yīng)力函數(shù)表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)人工壩體外表面底邊中點(diǎn)處在地下水庫(kù)水壓作用下最易發(fā)生失穩(wěn)破壞，依據(jù)所建模型計(jì)算得出李家壕煤礦地下水庫(kù)人工壩體的極限水頭值為17.8 m。顧大釗等[35]通過(guò)構(gòu)建煤礦地下水庫(kù)相似材料模型平臺(tái)，研究了6～10度地震波荷載烈度下煤柱壩體動(dòng)力響應(yīng)，指出隨著地震波荷載烈度增加，壩體頂部的最大加速度與壩體最大剪切應(yīng)變逐漸增大，認(rèn)為煤礦地下水庫(kù)壩體較地面水庫(kù)壩體具有更好的抗震安全性。姚強(qiáng)嶺等[36]以大柳塔煤礦地下水庫(kù)人工壩體所使用的C30混凝土試樣為例，研究了人工壩體在吸水-失水、采動(dòng)及礦震等循環(huán)作用下強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載作用影響下混凝土試樣強(qiáng)度下降最大為16.73%；而后對(duì)試樣繼續(xù)進(jìn)行飽水，其強(qiáng)度最大下降幅度達(dá)45%。另外，人工壩體的結(jié)構(gòu)形式對(duì)其抗震安全性有較大的影響，同等條件下，拱形人工壩體的抗震安全性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于平板式人工壩體[37]。

人工壩體與煤柱壩體的連接是保證水庫(kù)安全性的關(guān)鍵。目前使用最多的一種是“T”形結(jié)構(gòu)，即在兩個(gè)煤柱之間嵌入人工壩體，壩墻內(nèi)布置有工字鋼、錨桿等，再用混凝土澆筑，壩墻外有“T”形墻體支撐。人工壩體墻體厚度及其嵌入圍巖的深度是連接成功與否的關(guān)鍵參數(shù)，相關(guān)學(xué)者提出了這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算模型，根據(jù)模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，計(jì)算出了神東礦區(qū)煤礦地下水庫(kù)人工壩體厚度為1 m左右，嵌入圍巖深度為0.3～0.5 m。此外，如果水庫(kù)壩體在各種力的作用下產(chǎn)生裂隙，還需采用注漿加固的方法實(shí)施壩體強(qiáng)度強(qiáng)化工程。

2.4.2 儲(chǔ)水的圍巖結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)水的圍巖體結(jié)構(gòu)包括水庫(kù)底板和垮落空間側(cè)方巖體。煤礦地下水庫(kù)底板滲流是其安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題，文志杰等[38]研制了用以模擬煤礦地下水庫(kù)底板滲流的物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了滲流演化規(guī)律，為預(yù)防水庫(kù)底板滲流失穩(wěn)提供了一種試驗(yàn)途徑和方法。梁冰等[39]認(rèn)為煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素包括地質(zhì)因素、儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)特征和其他人為因素，并基于AHP理論建立了儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)體系。

以大柳塔煤礦J60號(hào)鉆孔區(qū)域地層結(jié)構(gòu)為地質(zhì)原型建立相似材料模型(圖4)，試驗(yàn)結(jié)果表明，2-2煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，5-2煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通了2-2煤采空區(qū)，2-2煤采空區(qū)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。大柳塔煤礦52306工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果表明[40]，5-2煤層7 m大采高層開(kāi)采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為137.32 m，5-2煤層導(dǎo)水裂隙帶與2-2煤層底板采動(dòng)裂隙貫通，層間巖層全部遭到破壞。由此可見(jiàn)，下部煤層開(kāi)采會(huì)威脅上層煤地下水庫(kù)安全，采前必須對(duì)上層煤水庫(kù)下采煤的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。上層煤水庫(kù)下采煤的安全性需要滿足一定的條件，如圖5所示：①當(dāng)上煤層地下水庫(kù)側(cè)下方煤層開(kāi)采時(shí)，地下水庫(kù)壩體產(chǎn)生的拉伸變形小于其能承受的允許變形值，應(yīng)留設(shè)足夠的水平安全距離；②當(dāng)上煤層地下水庫(kù)正下方煤層開(kāi)采時(shí)，應(yīng)保證層間關(guān)鍵層穩(wěn)定。

圖4 大柳塔煤礦主采煤層開(kāi)采覆巖破壞分布Fig. 4 Overburden failure diagram of main coal seam at Daliuta Coal Mine

目前，在儲(chǔ)水的圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面研究還較少，需要在煤礦地下水庫(kù)底板滲流演化、下層煤開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙對(duì)上煤層水庫(kù)的影響以及礦(地)震對(duì)儲(chǔ)水圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響等方面加強(qiáng)研究。

2.5 安全運(yùn)行

煤礦地下水庫(kù)安全運(yùn)行包括壩體安全監(jiān)測(cè)、庫(kù)內(nèi)水位水壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)和特殊工況下水庫(kù)應(yīng)急保障三大技術(shù)，對(duì)人工壩體的應(yīng)力應(yīng)變、水壓和水位、清水抽采量、礦井水回灌量、水質(zhì)等進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)[41]。壩體安全監(jiān)測(cè)主要指壩體變形及其應(yīng)力應(yīng)變演化監(jiān)測(cè)，變形監(jiān)測(cè)的目是對(duì)擋水壩體與圍巖相對(duì)位移、特別是接觸縫的位移進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器采用振弦式基巖變位計(jì)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)的目是對(duì)擋水壩體的應(yīng)力應(yīng)變和覆巖壓力進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器采用振弦式應(yīng)變計(jì)。特殊工況下水庫(kù)應(yīng)急保障三大技術(shù)包括防潰壩技術(shù)、防滲漏技術(shù)和防淤技術(shù)，通過(guò)在煤柱壩體內(nèi)布置應(yīng)力應(yīng)變傳感器和滲流壓力器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體應(yīng)力變化和滲漏量，一旦超過(guò)預(yù)警值，監(jiān)控中心便可調(diào)整水庫(kù)中的水體或通過(guò)庫(kù)間水體調(diào)運(yùn)技術(shù)將該水庫(kù)調(diào)至穩(wěn)定狀態(tài)，并對(duì)滲漏嚴(yán)重部位實(shí)施防滲工程。

1—煤礦地下水庫(kù)；2—采空區(qū)；3—煤柱壩體；4—巖層斷裂線；5—巖層移動(dòng)線；β—巖層移動(dòng)角；H—中間巖層厚度；h—儲(chǔ)水高度；D—水平安全距離圖5 上層煤地下水庫(kù)與下煤層工作面布置Fig.5 Layout of upper coal underground reservoir and lower coal seam working face

基于影響地下水庫(kù)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素，曹志國(guó)等[42]應(yīng)用軟件工程設(shè)計(jì)方法建立了煤礦地下水庫(kù)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架，系統(tǒng)模塊包括數(shù)據(jù)管理部分、地下水庫(kù)可視化部分、安全預(yù)警模塊、安全應(yīng)急控制模塊和系統(tǒng)管理5個(gè)部分，并成功布置在了大柳塔煤礦目前運(yùn)行的2-2煤層的3座地下水庫(kù)，對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，取得了良好的效果。煤礦分布式地下水庫(kù)是通過(guò)管道將多個(gè)地下水庫(kù)相互連接起來(lái)從而相互連通，可以實(shí)現(xiàn)水庫(kù)間水量聯(lián)合調(diào)度，劉曉麗等[43]分析了地下庫(kù)容-水位之間的關(guān)系，進(jìn)行了分布式地下水庫(kù)水資源的優(yōu)化調(diào)度，確保了水庫(kù)儲(chǔ)水量的合理規(guī)劃和儲(chǔ)水安全。

2.6 水質(zhì)保障

煤礦地下水庫(kù)水-巖作用下礦井水凈化機(jī)理是水質(zhì)保障中的關(guān)鍵，采空區(qū)內(nèi)堆積著具有裂隙、空隙屬性的垮落巖體，與礦井水的水巖作用包括水解作用、吸附作用，可溶礦物的溶解作用。在長(zhǎng)期水-巖作用下，煤礦地下水庫(kù)巖體與礦井水產(chǎn)生物理化學(xué)作用，對(duì)礦井水中COD、懸浮物等沉淀、過(guò)濾和吸附發(fā)揮著重要作用[44]。針對(duì)西部礦區(qū)排出的礦井水中有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮(硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮或氨氮)含量較高的問(wèn)題，張慶等[45]通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展了礦井水中有機(jī)氮及“三氮”在地下水庫(kù)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究。于妍等[46]利用三維熒光光譜技術(shù)分析了地下水庫(kù)礦井水中溶解性有機(jī)物的變化特征。張凱等[47]通過(guò)水-巖相互作用模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了大柳塔煤礦地下水庫(kù)發(fā)生的主要水-巖相互作用為陽(yáng)離子交換反應(yīng)，黃鐵礦氧化、以及方解石、白云石以及硅酸鹽礦物的溶解。這些研究成果從機(jī)理上揭示了水巖作用，解釋了煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)存后水質(zhì)得到凈化及Na+增多和Ca2+減少的離子變化規(guī)律。

神華集團(tuán)研發(fā)了煤礦地下水庫(kù)“三位一體”的水質(zhì)保障技術(shù)，即入庫(kù)前沉淀池過(guò)濾→庫(kù)內(nèi)巖體自然凈化→井下礦井水專(zhuān)門(mén)處理。大柳塔煤礦2號(hào)地下水庫(kù)礦井水應(yīng)用該技術(shù)后，懸浮物、總硬度、溶解性有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)含量大幅度降低，其水質(zhì)完全可以滿足工業(yè)和綠化用水要求，實(shí)現(xiàn)了礦井水高效資源化利用。

3 煤礦地下水庫(kù)水資源的利用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦開(kāi)采每年產(chǎn)生的礦井水約80億t，而利用率僅為25%，每年造成的礦井水損失量約60億t。礦井水長(zhǎng)期被視為水害，排到地表上不僅污染環(huán)境，而且很少被利用。如今，煤礦地下水庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地下水資源的保護(hù)性利用，經(jīng)過(guò)水庫(kù)的自然過(guò)濾凈化后的清水按照分質(zhì)分期利用的原則，主要供井下生產(chǎn)和地面生產(chǎn)、生態(tài)和生活利用。

1)主要采用自流供水方式供礦井井下生產(chǎn)利用。例如，大柳塔煤礦2-2煤分布式地下水庫(kù)凈化后的清水，通過(guò)聯(lián)通管道，利用自然水壓向5-2煤掘進(jìn)工作面生產(chǎn)和噴霧降塵供水；利用加壓泵向5-2煤層大采高綜采工作面開(kāi)采供水。

2)主要采用泵排供水方式供地面生產(chǎn)、生態(tài)和生活利用。地下水庫(kù)存儲(chǔ)的水資源，向周邊的電廠、工業(yè)區(qū)、生態(tài)修復(fù)區(qū)和生活區(qū)等地供水，由“耗水大戶”變成了“供水大戶”，成了當(dāng)?shù)刂匾墓┧?。例如，大柳塔煤礦洗煤廠、熱電廠、橡膠壩及露天開(kāi)采等部分用水由地下水庫(kù)供給。哈拉溝煤礦沉陷區(qū)綜合治理工程治理面積為3.8 km2，規(guī)劃灌溉能力為每天9 000 m3，所有這些灌溉用水全部是通過(guò)地下管網(wǎng)，從煤礦的地下水庫(kù)抽上來(lái)的。地下水庫(kù)自然過(guò)濾凈化后的清水再經(jīng)水深度處理廠處理后向大柳塔礦生活小區(qū)生活管網(wǎng)供水。

抽水蓄能電站是目前最可靠、最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能裝置，德國(guó)魯爾區(qū)Prosper-Haniel煤礦創(chuàng)造性的將原礦地址改造為綜合性的抽水蓄能電站[48]。從水資源-能源耦合系統(tǒng)的協(xié)同開(kāi)發(fā)考慮，構(gòu)建煤礦地下水庫(kù)礦井水循環(huán)利用與抽水蓄能發(fā)電一體化技術(shù)，為煤礦地下水庫(kù)水資源的開(kāi)發(fā)利用和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的方向和思路[49]。神東礦區(qū)某礦地下水庫(kù)進(jìn)行了抽水蓄能調(diào)峰系統(tǒng)整體布置設(shè)計(jì)，達(dá)到了調(diào)蓄水資源、礦井水循環(huán)利用、抽蓄水力發(fā)電等多重目標(biāo)[50]。

4 煤礦地下水庫(kù)工程實(shí)踐及應(yīng)用

神東礦區(qū)大柳塔煤礦主采1-2煤、2-2煤和5-2煤，一水平2-2煤和二水平5-2煤，層間距為155 m，目前2-2煤已經(jīng)采完，正在開(kāi)采5-2煤。目前在2-2煤層四盤(pán)區(qū)、老六盤(pán)區(qū)和新六盤(pán)區(qū)建設(shè)了3座地下水庫(kù)，在5-2煤正在建設(shè)4號(hào)地下水庫(kù)。上下層煤的地下水庫(kù)通過(guò)供排水管道系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同層及不同層地下水庫(kù)的相互連通，清水通過(guò)管道自流供下層煤生產(chǎn)使用，兩層煤的污水通過(guò)6個(gè)注水點(diǎn)全部回灌到2-2煤采空區(qū)，循環(huán)利用。大柳塔煤礦分布式地下水庫(kù)由一水平2-2煤三座地下水庫(kù)、二水平5-2煤2個(gè)水利用硐室、6個(gè)污水回灌點(diǎn)和相關(guān)水循環(huán)泵管組成，實(shí)現(xiàn)了層間距為 155 m 的2個(gè)水平的互聯(lián)互通，形成了一個(gè)龐大的具有立體空間網(wǎng)絡(luò)的煤礦地下水庫(kù)工程系統(tǒng)[51]。

目前地下水庫(kù)污水日回灌量約9 790 m3，經(jīng)地下水庫(kù)矸石沉淀過(guò)濾吸附凈化后供井下生產(chǎn)和地面生產(chǎn)生態(tài)和生活使用，井下清水日均復(fù)用水量約7 770 m3，地面日均使用水量約4 500 m3，地下水庫(kù)總儲(chǔ)水量約710.5萬(wàn)m3。通過(guò)建設(shè)煤礦分布式地下水庫(kù)工程，大柳塔礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了礦井水不外排，保護(hù)了寶貴的地下水資源，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前，神華集團(tuán)在寧東、新疆、烏海等所屬西部礦區(qū)建成、在建和規(guī)劃了50多座地下水庫(kù)，地下水庫(kù)技術(shù)也在中西部晉陜蒙寧甘地區(qū)的13個(gè)千萬(wàn)噸礦井成功應(yīng)用。自然資源部也已將煤礦地下水庫(kù)技術(shù)作為保水先進(jìn)技術(shù)在全國(guó)推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論與展望

煤礦地下水庫(kù)對(duì)于我國(guó)西部煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。由于煤礦地下水庫(kù)建設(shè)涉及多眾多學(xué)科及其交叉前沿理論，可見(jiàn)其復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性之巨大，系統(tǒng)的煤礦地下水庫(kù)建設(shè)研究才剛剛起步。根據(jù)近年來(lái)開(kāi)展煤礦地下水庫(kù)建設(shè)研究進(jìn)展，結(jié)合神東礦區(qū)大柳塔等煤礦地下水庫(kù)建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步提出下一步應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注及開(kāi)展的主要研究方向。

1)煤礦地下水庫(kù)建設(shè)的核心是將地表及地下水轉(zhuǎn)移到井下采空區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)存，這會(huì)導(dǎo)致地下水系統(tǒng)變化；但局部區(qū)域水資源過(guò)度轉(zhuǎn)移，會(huì)造成潛水水位下降，引發(fā)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。因此，煤礦地下水庫(kù)匯集地下水的過(guò)程及其對(duì)區(qū)域地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律，亟需結(jié)合地質(zhì)和開(kāi)采條件進(jìn)行深入研究，這對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

2)煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是保水成功的關(guān)鍵，一旦發(fā)生潰壩、庫(kù)底滲漏，將嚴(yán)重威脅著煤礦安全開(kāi)采。因此，煤柱壩體應(yīng)力-滲流耦合特性及承載穩(wěn)定性，水庫(kù)壩體和庫(kù)底的防滲方法，多煤層開(kāi)采不同層位地下水庫(kù)安全距離計(jì)算方法等關(guān)乎地下水庫(kù)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)理論都亟需開(kāi)展系統(tǒng)的研究。

3)煤礦地下水庫(kù)建設(shè)理念最早是針對(duì)西北缺水礦區(qū)水資源保護(hù)提出的，取得了良好的應(yīng)用效果。對(duì)于我國(guó)東部大水礦區(qū)和東部草原區(qū)露天煤礦，尤其是“煤-水”雙資源型礦井，可以借鑒西北缺水礦區(qū)利用煤礦采空區(qū)建設(shè)地下水庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)，以解決煤炭資源安全綠色開(kāi)采、水資源供給、生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。例如，徐州市對(duì)城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)儲(chǔ)水空間、礦井水水質(zhì)保障、調(diào)儲(chǔ)能力以及采空區(qū)儲(chǔ)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析表明，規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)具備建設(shè)地下水庫(kù)的可行性，可為徐州城市應(yīng)急供水提供新水源。