基于生态水位保护的陕北煤炭开采条件分区.pdf

问问题题探探讨讨与与综综述述 基于生态水位保护的陕北煤炭 开采条件分区 王双明1， 2， 范立民3， 黄庆享2 ， 申 涛3 1. 陕西省煤炭工业局， 陕西 西安 710001; 2. 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054; 3. 陕西省煤炭地质测量技术中心， 陕西 西安 710001 摘要 以保护生态水位为目标， 总结出煤与地下水赋存的类型， 分析了自然条件下以保护地下水 位为目标的开采地质条件分区， 划分出自然保水开采区、 可控保水开采区、 保水限采区和无水开采区 4 种类型; 提出各分区适宜的采煤方法， 编制了我国第一幅区域性采煤方法规划图， 以及对应保水开采 分区的长壁综 开 采区、 长壁限定综 开 采区和长壁限高开采区。 关键词 生态水位; 保水开采分区; 生态脆弱矿区 中图分类号 TD82; P641. 8文献标志码 A 文章编号 1008 －4495 2010 03 －0081 －03 收稿日期 2009 －10 －13 基金项目 国家自然科学基金项目 50574074 ; 教育部新 世纪优秀人才支持计划项目 NCET －04 －0971 ; 陕西省自然 科学基金项目 98D02 ; 陕西省软科学计划项目 2008KR58 作者简介 王双明王双明 1955 ， 男， 陕西岐山人， 教授级高级 工程师， 博导， 从事煤矿地质、 矿山环境地质及煤炭行业管理 技术工作。 陕北能源化工基地建设神东、 陕北两个大型煤 炭基地， 该区煤炭采掘业处于快速发展时期， 但由于 煤层埋藏浅， 采动对地表损害明显［ 1］。20 年的采煤 实践， 出现了地下水位下降， 泉水、 湖淖干涸， 河川基 流量衰减乃至断流， 流域生态变异和表生生态环境 恶化等一系列严重的环境问题。调查发现， 地下水 位埋深是影响矿区表生生态环境的主控因素， 地下 水位埋深 1. 5 ～3 m 最适合沙漠植被发育， 为最佳生 态水位［ 2］， 采煤造成的水位下降超过 5 m 时， 表生生 态受到严重影响。目前， 采空区水位下降幅度达到 8 ～12 m， 主要是由于 2 －2 煤开采引起。保水位开 采［ 3］是矿区长期面临的一个重大课题， 研究控制地 下水位下降的保水开采技术方法， 保护矿山地质环 境［ 4］， 是科学采矿、 建设绿色矿区的重要任务［ 5 －6］。 研究范围包括神北矿区、 新民区和榆神矿区， 面 积约 7 700 km2。 1煤与水赋存的空间组合关系 研究区煤水关系总的特点是煤水共生， 水在上、 煤在下， 煤、 水 含水层 之间的厚度间隔变化大， 神 北矿区瓷窑湾煤矿仅间隔 3. 14 m， 榆神矿区深部超 过 400 m， 大部分区域为 50 ～150 m。煤与含水层之 间的红土隔水层主要分布在榆神矿区， 神北矿区局 部分布， 新民区缺失。煤层顶板基岩厚度与含水层 厚度呈负相关关系， 基岩变薄区往往含水层厚度大、 富水性强; 基岩增厚区往往是地下水分水岭， 含水层 厚度小、 富水性弱。地层倾向与煤层坡向相反， 基岩 总体变薄的矿区浅部， 也是地下水的主要排泄区。 依据含水层、 隔水层厚度及平面分布特点， 可分成以 下 4 种类型 1含水层为孤立分布的小型含水盆地， 主要位 于神北矿区， 潜水面高于侵蚀基准面时， 以泉水形式 排泄， 盆地底界面距煤层的地层厚度一般小于50 m， 属于局部富水的区域。 2含水层大面积分布， 煤层与含水层之间无单 一的土层隔水层， 煤层上覆复合隔水岩组厚度一般 为 30 ～120 m， 主要分布于榆神矿区东部。 3含水层、 土层隔水层均大面积分布， 厚度变 化均较大， 土层隔水层厚度 20 ～170 m， 一般厚 20 ～ 40 m， 煤层上覆复合隔水岩组厚度一般为 120 ～ 480 m， 主要分布于榆神矿区。 4萨拉乌苏组与烧变岩复合含水层， 主要分布 在沟谷沿岸， 烧变岩含水层上与萨拉乌苏组、 下与煤 层直接接触。 研究区内煤水关系复杂， 煤层开采对含水层的 影响差异较大。孤立小型含水盆地型一旦破坏， 则 18 2010 年 6 月 矿业安全与环保第 37 卷第 3 期 整个盆地在短期内迅速疏干; 大面积含水区， 在无单 一土层隔水层的情况下， 采煤将导致地下水位的区 域性下降， 进而影响河川径流量， 导致流域生态变异 和恶化; 含水层、 土层隔水层均为大面积时， 采煤不 会导致地下水位明显下降， 但会引起地表变形; 烧变 岩含水体附近采煤， 会造成烧变岩和补给区水位下 降， 必须留设一定宽度的防水煤柱。 2基于保护生态水位的煤炭开采条件分区 2. 1分区依据 1水位控制目标 保水开采， 采的是煤， 保的是 地下水。由于陕北生态脆弱矿区地表生态系统对地 下水位具有很强的依赖性， 地下水位埋深小于1. 5 m 为盐渍化水位埋深， 1. 5 ～3 m 为最佳生态地下水位 埋深， 3 ～ 5 m 为乔灌木承受地下水位埋深， 5 ～ 8 m 为警戒地下水位埋深， 8 ～ 15 m 为乔木衰败地下水 位埋深， 大于 15 m 为乔木枯梢地下水位埋深［ 2］。风 沙滩地区最适宜的地下水位埋深为 1. 5 ～5 m， 这是 该区调控地下水位、 确定地下水资源开采方式及评 价煤炭保水开采条件的基本依据。因此， 陕北保水 采煤就是保水位 生态水位， 控制 保护 目标是 采煤后地下水位埋深 1. 5 ～5 m， 埋深浅于此的 ， “鼓 励” 加大采煤力度或取水力度， 适当降低水位。 2影响采煤冒裂带发育高度的因素 保水开采 的分区指标主要考察采煤引起的冒裂带发育高度及 其与所保护含水层的空间关系， 即冒裂带是否沟通 含水层。主要考虑指标包括含 隔 水层特征 隔水 关键层的分布、 厚度、 采动稳定性等 ［ 7］、 煤层及其赋 存特征、 煤层覆岩物理力学性质、 采动覆岩移动破坏 规律等。根据现场观测及室内模拟试验、 采煤实践 成果， 保水开采分区的主要依据是萨拉乌苏组及其 水文地质条件、 隔水层特征及隔水性、 煤层覆岩厚度 及采动破坏规律［ 8］、 煤层厚度及埋深等。 3划分依据 根据开采厚度和隔水岩组及含 隔 水层的空间关系划分。对于隔水岩组与采厚比 大于 33 ～35 倍的区域， 采煤产生的裂隙带不会沟通 含水层， 可以规划为自然保水开采区; 对于隔水岩组 与采厚比小于 18 倍的区域， 采煤产生的裂隙带将发 育到含水层， 疏干地下水， 必须采用特殊开采方式才 能实现保水， 称为保水限采区; 隔水岩组厚度介于 18 ～35 倍采厚之间的大部分区域， 采取一定的措 施， 限制裂隙带发育高度， 即通过限高开采和协调开 采方式， 实现保水开采， 称为可控保水区， 该区域是 扩大保水开采的主要区域。 2. 2分区结果 根据实验研究与分析， 围绕控制地下水位的目 标， 将生态脆弱区的煤炭开采技术条件划分为自然 保水开采区、 可控保水开采区、 广义保水开采区 生 态可恢复型， 水煤共采型 和保水限采区等 4 种类 型， 见图 1。 图 1保水开采条件分区 自然保水开采区 通过科学评价， 采用一次采全 厚的长壁开采方法， 水体和地表生态不会受到破坏 的区域。 可控保水开采区 通过长壁限高开采 包括限高 分层开采 ， 调整开采程序 包括上行开采 ， 水体隔 离转移技术， 充填开采技术， 保护性条带开采技术 等， 可以控制实现水体和地表生态不会受到破坏的 区域。把水体和煤炭作为共存共采的资源， 在长壁 开采煤炭的同时， 科学地开采和利用水资源 水煤共 采型 。或者在水资源相对丰富的区域， 开采造成的 损害相对较弱， 开采后短期采用生态恢复技术， 生态 环境和含水体能够得到恢复。 保水限采区 特殊开采区 在现阶段开采技术 不能达到保护水资源和生态环境的区域， 基于煤水 关系的重要性， 可以限制开采， 即不允许开采或者不 允许建设新矿井。 3采煤方法选择 针对不同的开采条件分区， 选择合适的采煤方 法， 实现对萨拉乌苏组地下水的最小扰动， 是保水位 的目标。根据上述开采条件分区， 将陕北侏罗纪煤 田大致划分为四大块、 三种区域性采煤方法， 见图2。 1长壁综采区。分 2 种情况， 一是第四系萨拉 乌苏组不含水区， 主要分布于片沙覆盖的黄土沟壑 区， 如新民矿区、 榆神矿区东缘等， 区内萨拉乌苏组 厚度很小， 分布不连续， 地下水极贫乏， 地表黄土沟 壑发育， 煤层埋藏深度较浅， 一般 100 m 以浅， 采后 28 2010 年 6 月 矿业安全与环保第 37 卷第 3 期 图 2区域性采煤方法划分示意图 引起地面塌陷和整体下沉， 经过简单的充填、 整平 后， 就可恢复表生生态; 二是煤层埋藏深度大、 萨拉 乌苏组富水但采动导水断裂带发育不到含水层底部 的区域， 分布于榆神矿区深部 榆溪河流域上游 ， 特 点是煤层厚度大， 一般大于 4 m， 埋藏深度大于等于 400 m， 煤层顶板基岩厚度大于等于 200 m， 萨拉乌 苏组底部普遍分布三趾马红土隔水层， 且厚度大于 20 m， 具有良好的隔水性［ 8］。该区域采煤， 可以保证 采煤、 保水、 表生生态保护并举， 是应该鼓励开采的 区域， 建议加快煤水综合勘查和矿区总体规划步伐， 减轻矿区浅部开发规模过大的压力。 2特殊综 开 采区。主要分布于神木北部矿 区， 地貌类型为风沙区， 萨拉乌苏组普遍分布， 但第 四系萨拉乌苏组含水盆地范围小， 一般数平方公里 到数十平方公里， 黄土零星出露于分水岭地带， 如大 柳塔井田中部即出露黄土， 其以东是悖牛川流域， 以 西是乌兰木伦河流域， 分布有双沟、 哈拉沟、 五当沟 等泉域。该区域多数煤矿建成， 煤层埋深小于 200 m， 上覆基岩厚度小于 100 m， 含水层不连续， 呈 孤立分布的小型盆地状采煤产生的导水断裂带发育 到含水层底部甚至地表， 疏干萨拉乌苏组地下水， 引 起表生生态恶化。因此， 该区域采煤宜用充填式开 采， 避免顶板塌陷和地下水漏失。 3长壁限高开采区。榆神矿区煤层厚度大， 2 －2煤层厚度 3 ～12. 49 m， 一期规划区的大保当、 曹 家滩、 金鸡滩、 榆树湾井田， 煤厚大于等于 8 m， 经过 模拟实验［ 9］， 大采高 一次开采高度 5 m 及以上 或 分层连续开采， 均难以保证导水断裂带不发育到含 水层中， 只有限高开采， 方可保证地下水位的基本稳 定和表生生态环境不受到严重破坏或影响。对于厚 度小于 5 m 的井田， 可以一次采全高; 大于 5 m 的必 须分层开采， 第一分层必须采上分层、 采高不能大于 5 m， 第二分层在覆岩稳定前不得开采。 4结语 陕北能源化工基地为我国最大的煤炭生产地， 生态环境脆弱， 控制生态环境［ 10］， 保持合理的生态 水位条件下采煤， 是生态脆弱矿区煤炭资源开发的 新思路［ 11 －12］， 也是煤炭基地持续健康发展的前提和 保证。要实现保水位采煤， 一是要查明地质环境条 件， 科学划分基于保水的开采条件分区; 二是选择合 理的开采区域， 根据各区地质特征， 制定采煤方法规 划， 确定合适的采煤方法; 三是调整采煤方法， 控制 水位下降， 使采煤引起的水位下降幅度不得超越合 理生态水位。榆神府矿区采煤后要保证地下水位埋 深 3 ～5 m， 建立以保护生态水位为最终目标的科学 采矿技术体系［ 12］， 才能实现陕北侏罗纪煤田采煤与 保护环境的协调发展［ 13］。 参考文献 ［ 1］黄庆享. 神府浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义［ J］ . 岩石力学与工程学报， 2002， 21 8 1174 －1177. ［ 2］杨泽元， 王文科， 黄金廷， 等. 陕北风沙滩地区生态安全 地下水位埋深研究［ J］ . 西北农林科技大学学报 自然科 学版， 2006， 34 8 67 －74. ［ 3］范立民. 陕北地区采煤造成的地下水渗漏及对策［ J］ . 矿 业安全与环保， 2007， 34 5 62 －64 . ［ 4］汤中立， 李小虎， 焦建刚， 等. 矿山地质环境问题及防治 对策［ J］ . 地球科学与环境学报， 2005， 27 2 1 －4. ［ 5］钱鸣高， 许家林， 缪协兴. 煤矿绿色开采技术［ J］ . 中国 矿业大学学报， 2003， 33 4 5 －10. ［ 6］钱鸣高， 缪协兴， 许家林， 等. 论科学采矿［ J］ . 采矿与安 全工程学报， 2008， 25 1 1 －10. ［ 7］缪协兴， 陈荣华， 白海波. 保水开采隔水关键层的基本概 念及力学分析［ J］ . 煤炭学报， 2007， 32 6 561 －564. ［ 8］张杰， 马岳谭. 浅埋煤层保水开采的研究进展［ J］ . 矿业 安全与环保， 2009， 36 4 26 －28， 31. ［ 9］彭苏萍， 赵建庆. 中国西部煤矿区生态环境控制及改善 研究［ C］ / /西部大开发 科教先行与可持续发展 中 国科协 2000 年学术年会文集， 2000. ［ 10］师本强， 侯忠杰. 榆神府矿区保水采煤的实验与数值模 拟研究［ J］ . 矿业安全与环保， 2005， 32 5 11 －13， 83. ［ 11］王双明. 生态脆弱矿区大型煤炭基地建设的新思路 ［ J］ . 科学中国人， 2009 12 . ［ 12］王双明. 榆神矿区煤水地质条件及保水开采思路［ J］ . 西安科技大学学报， 2009， 29 6 . ［ 13］余学义， 李邦邦. 陕北侏罗纪煤田矿区生态保护与可持 续发展途径探讨［ J］ . 矿业安全与环保， 2008， 35 4 57 －59， 62. 责任编辑 吕晋英 38 2010 年 6 月 矿业安全与环保第 37 卷第 3 期