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第30卷第1期 2013年2月 新疆大学学报自然科学版 Journal of Xinjiang UniversityNatural Science Edition Vol.30, No.1 Feb., 2013 新疆伊犁矿区保水开采内涵及其应用研究展望∗ 张东升1,2， 刘洪林1†， 范钢伟2 1. 新疆大学 地质与矿业工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830047； 2. 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏徐州221116 摘要 新疆伊犁地区煤炭资源与水资源丰富， 已成为全国七大煤化工基地之一， 伊犁矿区是新疆五大煤炭生 产基地中唯一的 “绿洲” 矿区， 煤炭资源保水开采问题是伊犁地区经济发展面临的首要难题． 基于保水开采内涵 和国内外相关研究现状的介绍， 阐明了伊犁矿区开展保水开采的重大意义和应用前景， 重点论述了以伊犁矿区为 基地开展保水开采应用研究的目标、 关键技术、 主要内容及特色与创新． 经过3～5年的工程实践， 可创立绿洲矿 区 “保水开采” 新模式， 为新疆生态脆弱矿区乃至全国类似条件矿区保水开采技术的成功开发提供理论指导和技 术支持． 关键词保水开采； 生态脆弱； “绿洲” 矿区； 隔水层 中图分类号TD823文献标识码A文章编号 1000-2839201301-0013-06 Prospects for the Connotation and Application Research of Aquifer-protection Mining on Yili Mining Area of Xinjiang ZHANG Dong-shen1,2, LIU Hong-lin1, FAN Gang-wei2 1. Institute of Geology and Mines Engineering, Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang 830047, China； 2. School of Mines Engineering, China University of Mining ecological fragile;oasis mining area; aquifuge 0引 言 我国的经济与社会发展仍然十分依赖煤炭作为主体能源， 煤炭在我国一次能源消耗中的比例一直保 持在70左右， 占据支配地位， 以煤炭为主的能源结构50年内不会改变[1]． 近年来， 我国煤炭资源开发的 重心已由东部转移至西部， 西部煤田多为厚煤层、 煤质优良且构造简单， 开采技术条件优越， 在我国能源 发展中具有重要的战略意义． 由于我国煤炭需求一直稳步增长， 造成煤炭资源的大规模高强度开采， 易导 ∗收稿日期2012-11-25 基金项目国家自然科学基金51264035； 自治区高校科研计划项目XJEDU2012S09； 新疆大学校院联合基金项 目XY110142资助． 作者简介 张东升1967-， 男， 博士， 教授、 博导， 国家政府特殊津贴获得者， 教育部 “新世纪优秀人才” ， 新疆大学天山 学者特聘教授； 主要从事矿山压力与岩层控制及保水开采方面的教学与科研工作． †通讯作者 刘洪林1984-， 男， 硕士， 讲师， 研究方向为巷道支护与保水开采． 14新疆大学学报自然科学版2013年 致地表沉陷、 矸石堆放、 水土流失， 甚至诱发山体滑坡或泥石流等灾害， 严重损害了矿区生态环境． 尤其 对于西部矿区， 因煤层埋藏较浅， 井下开采对地面环境影响更为敏感和剧烈， 采动裂隙易沟通至地表， 极 易造成浅表水流失进而导致地表植被死亡， 沙漠化加重， 使本就脆弱的生态环境遭到毁灭性破坏． 煤炭开 采引起的环境损害问题已经成为社会关注的焦点， 煤炭资源生态环境保护性开采已成为国家可持续发展 战略要求以及 国家中长期科技发展纲要 重点领域的优先主题， 急需在我国西部干旱半干旱地区开展保 水开采研究． 1保水开采的内涵 作者及其课题组经过近10年的理论与实践研究，深化了对保水开采内涵的理解． 在保水开采设计和 实施过程中，可以允许隔水层在采动过程中暂时受到破坏，只要采动覆岩导水通道在采后能闭合，能形 成稳定的隔水层， 地下水水位仍可以恢复． 因此， 保水开采可以简化为保护隔水层， 且其保护可以分为采 前、 采中和采后几个时间段． 保水开采的定义应分为三个层次 ①含水层未受到采动破坏； ②含水层受到 采动影响水位下降后， 能在较快时间内恢复； ③即使不能恢复如初， 但仍不影响其正常供水能力， 至少能 满足生态系统对潜水的需求． 我们认为， 保水开采就是在采动影响下， 含水层的含水结构没有破坏； 或虽有一定的损坏， 造成部分 水流失， 但一定时间后仍可恢复， 流失量应保证最低含水位不影响地表植物的生长， 并保证水质没有受到 污染， 从而选择合理采煤方法和工艺参数的开采技术． 当然， 对我国采煤现状而言， 只有在开发西部干旱 或半干旱区浅埋煤层的同时， 防止该区唯一潜水资源或地表水资源的流失， 才可谓保水开采． 2新疆伊犁矿区开展保水开采的意义 新疆煤炭资源极其丰富， 其预测储量2.19万亿吨， 占全国预测储量40以上， 居全国首位， 且成矿条 件优越、 资源分布集中、 煤层厚度大， 非常适合建设特大型矿井， 是我国21世纪十分重要的能源基地接替 区和战略能源储备区． 新疆现有伊犁、 准东、 吐哈、 库拜四大整装煤田， 除伊犁为沙漠边缘唯一的绿洲矿 区外， 其余皆为干旱矿区． 新疆资源优势转换战略的实施， 首先就面临超大规模的开采与极脆弱生态环境 保护的矛盾． 新疆伊犁地区煤炭资源丰富， 其预计储量超过6 000亿吨， 占新疆煤炭预测储量的27.4， 煤层赋存特 征是埋藏浅（最浅埋深在200 m左右） 、煤层厚（煤层纯煤总厚66.98 m，其中单层最厚煤层达到29.01 m） 、 煤质好、 煤种齐全； 同时， 伊犁地区水资源也相当丰富， 是新疆生态环境最好的地区之一， 风景优美， 素 有 “塞外江南” 、“中亚湿岛” 之称． 伊犁的煤炭资源和水资源的优势， 为地区经济和社会发展提供了可靠 保障， 已成为我国七大煤化工基地之一， 但如果不能很好地解决大规模开采和水资源保护的矛盾， 地表水 和地下水过量流失， 极易引起一系列问题（1）导致绿洲荒漠化； （2）制约煤化工（含煤制气、 煤制油、 煤 焦化等）这类用水量巨大的项目建设和发展； （3）引起周边邻国因水资源和环境问题而产生的国际纷争． 因此，在新疆伊犁矿区开展保水开采技术开发与应用研究，可防止和尽可能减轻煤炭资源大规模开 采对水资源的破坏， 可主动实现地表和地下水资源的保护， 尝试为类似条件矿区开发创立一种新的 “保水 开采” 模式， 并探索新疆生态环境脆弱矿区煤炭资源开采与生态环境保护相协调的新理论与方法． 同时， 也将创新采矿工程学科特厚煤层开采方法及岩层控制的理论知识体系， 对采矿工程学科发展也具有较大 的理论价值和重要的推动作用． 3国内外研究现状及发展动态分析 3.1保水开采机理 3.1.1国外研究现状 国外学者并未明确提出 “保水开采” 的概念， 但是国外学者针对长壁开采对地表水和地下水的影响机 理进行了大量的研究， 为保水开采机理的研究提供了借鉴． 研究成果主要体现在以下三个方面 ①水资源不会遭到破坏． 主要机理为 存在合适的隔水岩层组（Constrained Strata） ， 对上覆岩层具 有控制作用， 并且采动之后依然具有隔水能力， 阻断了上覆含水层与采空区的水力联系[2∼4]． 为进一步研 第1期张东升， 等 新疆伊犁矿区保水开采内涵及其应用研究展望15 究中间隔水岩组在采动前后其隔水性能的变化， 以著名学者C. J. Booth为代表的国外学者通过现场实测 得出了长壁开采对上覆岩层水力参数的影响规律[2,5,6]． ②造成水位下降． 主要机理有（a）当中间隔水层组难以阻断含水层或水源与采空区的水力联系时， 导水裂隙使之与采空区贯通， 造成水位下降和水资源流失[2]； （b）由于采动造成覆岩孔隙率的增加使水位 下降[7]； （c）采动后将在采空区上方形成水势低洼区， 由于含水层的水力联系， 周围未开采区的水位由于 向水势低洼区的迁移而形成初次下降， 直至工作面推过下降到最低水平[2,8]； （d）中间隔水层采动裂隙的 发育可以引起上层滞水或上位含水层流向下位含水层或排泄区[9,10]； （e）由于渗透系数的增加引起水力梯 度减小或者过流量将增加， 从而导致水位下降[13]． ③水位恢复． 主要机理 在开采沉陷区内， 水位的最初部分恢复是由于原先的拉伸区演变为压缩区， 裂隙闭合， 挤出部分裂隙中的水； 另外， 由于采后孔隙率增加造成的水势降低是暂时的、 不稳定的， 当水 回流至水势低的地方时， 水位将得到部分恢复[8,11]． 3.1.2国内研究现状 我国自范立民等学者在20世纪90年代提出 “保水开采” 概念以来[12∼14]， 针对保水开采机理进行了大 量的研究及工程实践， 取得了一定的成果， 主要体现在以下几个方面 ①基于 “三带” 发育的原理． 该机理认为， 当含水层或水体位于弯曲下沉带或者以上时， 采动影响就 难以破坏含水层， 保水开采就可以实现． 代表性的专家有西安科技大学侯忠杰、 师本强、 张杰等[15,16]． ②基于结构关键层理论． 该机理认为，覆岩中存在的结构关键层对上覆岩层导水裂隙的发育及演化 起控制作用， 基于关键层确定导水裂隙带的最大高度， 是实现保水开采的关键． 代表性的专家有西安科技 大学赵兵朝、 余学义等[17]． ③隔水层稳定性控制原理． 该机理认为， 隔水层稳定性是保水开采研究的关键． 代表性的专家有陕西 煤田地质局的范立民、 蒋泽泉等和西安科技大学黄庆享教授等[18,19]． ④隔水关键层原理． 中国矿业大学缪协兴教授带领的课题组（2007）首次提出了隔水关键层的概念[20]． 提出隔水关键层多为复合岩层所组成，并建立了隔水关键层模型，认为保水开采的目标就是对隔水关键 层完整性的保护[20,21]． ⑤多控制层综合作用原理． 该机理是作者及其课题组基于神东矿区保水开采实践经验提出的，认为 覆岩上位含水层底部第一隔水层、 覆岩中位阻隔岩层组以及下位煤层基本顶的相互作用， 共同控制着采 动裂隙的扩展与分布、 层间与层内导水裂隙与通道的发育深度与广度， 只有从开采的角度， 对采煤方法和 工艺参数如煤层开采厚度、 工作面推进速度等进行优选， 才能实现保水开采效果的有效控制[22∼25]． 3.2保水开采技术分类 基于上述保水开采机理，我国学者开展了保水开采技术的工业性试验研究，不同的地质条件和煤层 赋存条件应采用不同的保水开采技术已成为共识， 并在保水开采条件分类方面取得了一些成果． 陕西煤田地质局范立民（2004）根据陕北侏罗纪煤田榆神府矿区工程地质条件， 将矿区分为三个开采 区域 第一类地区， 急需保水区； 第二类地区， 不存在保水问题； 第三类地区， 煤层埋藏深度一般400 m以 深， 煤层的开采影响不到萨拉乌苏组含水层， 可以实现保水采煤的目的． 指出了可应用于实现保水采煤的 主要技术为 留设防水安全煤岩柱、 条带开采及充填开采[25]． 中国煤田地质总局叶贵钧、 张莱、 李文平等（2000）将浅埋煤层按地层结构分为五个区域 砂土基型、 砂基型、 土基型、 基岩型和烧变岩型； 按保水采煤分为三个大区 保水采煤区、 采煤失水区和采煤无水区． 提出了在保水采煤区留设防水安全煤柱的保水采煤法， 并确定了防水安全煤柱留设计算方法[27,28]． 西安科技大学师本强、侯忠杰教授等（2005）通过对陕北榆神府矿区与保水采煤有关地质因素的研 究， 结合采空区上覆岩层移动规律， 提出了矿区保水采煤的采煤方法划分体系． 对矿区进行了保水采煤的 采煤方法区划， 对不同区划提出相应的保水开采方法[16]． 中国矿业大学缪协兴教授带领的课题组（2009）结合神东矿区具体地质采矿条件， 将浅层含水区域分 为4种水文地质结构类型（泉域水源地区、 烧变岩富水区、 无隔水层区和有隔水层区） ， 又把有隔水层区结 构细分为5种隔水层结构， 进而提出了5种保水采煤分区（多层隔水层结构、 高位隔水层结构、 低位隔水层 16新疆大学学报自然科学版2013年 结构、 隔水层侧切结构和隔水层缺失结构）[29]． 作者带领课题组（2005）针对神东矿区三类典型煤层赋存条件[34]， 根据基岩厚度、 含水层富水性、 最 大采高、 工作面最大推进速度的不同， 将神东矿区保水开采技术适用条件分为7类， 可选出适宜的采煤方 法及是否需采用局部处理措施， 并对工作面最大采高和最大推进速度提出了量化要求， 很好地指导了3个 综采工作面保水开采的成功实践[29,30]． 3.3发展动态分析 纵观现有的研究成果， 国内外学者对保水开采机理的认识趋于一致， 认为覆岩中存在 “阻隔岩层” 是 关键,只是对 “阻隔岩层” 的作用效应存在不同的认识． 对采动裂隙起控制作用的 “阻隔岩层” 是单纯的一 层隔水层， 还是多层岩层组成的复合层， 还是多层控制层的综合， 不同矿区有不同的理解， 仍有进一步深 入研究的必要． 对保水开采条件分类研究成果而言， 主要是根据不同保水开采目标和不同应用范围， 所采 用的分类指标不同； 分类指标不宜过多， 确定的类别也不宜过细， 否则不利于保水开采推广应用的指导． 因此， 不同矿区如何选用适宜的分类指标,也具有进一步研究的空间． 今后， 在保水开采机理与分类这一研究领域上,有两大拓展方向一是现有研究成果主要是基于陕蒙地 区的神府-东胜煤田的浅埋煤层， 其它类似条件矿区的应用研究成果较少， 新疆煤田的相关研究和具体应 用更属空白； 二是在二次采动影响下， 尤其是煤层群或特厚煤层开采条件下， 需对单一煤层一次采动的保 水开采机理进行重新认识， 保水开采的适用条件也需重新确定． 因此， 开展 “新疆绿洲矿区特厚煤层保水 开采机理与分类”研究，是一项开拓性的工作，研究成果将为新疆生态环境脆弱矿区保水开采技术的实 施， 提供理论基础和技术指导． 4伊犁矿区保水开采应用研究展望 4.1应用研究的主要目标 基于新疆伊犁矿区地质条件与煤层赋存条件,掌握采动覆岩的变形、 破断及运动规律以及采动裂隙时 空动态演化特征， 建立关键层运动的结构力学模型， 分析采动覆岩导水裂隙场与关键层（硬岩层） 、 隔水 层（软岩层）结构耦合关系， 揭示开采参数对采动覆岩层间缝隙与层内裂隙发育的控制机理， 提出绿洲矿 区长壁工作面采动覆岩导水裂隙控制技术，探索特厚煤层分层二次保水开采的机理，确定出绿洲矿区保 水开采适用条件分类指标，构建绿洲矿区水资源保护的特厚煤层开采技术体系，为新疆生态脆弱矿区乃 至我国西部类似条件矿区的保水开采技术开发与应用提供理论支持与借鉴． 4.2设定的主要研究内容 （1）绿洲矿区覆岩组成与力学结构特征分析 基于新疆伊犁矿区地质条件与煤层赋存条件,分析表土层、 含水层、 隔水层软弱岩层及关键层坚硬 岩层的空间形态及赋存特征； 基于关键层理论， 判断覆岩中是否存在主、 亚关键层或复合关键层或关键 层复合效应， 确定关键层的力学结构特征． （2）绿洲矿区覆岩移动与裂隙扩展、 分布规律 采用物理模拟和数值计算等手段， 分析采动覆岩的变形、 破断及运动规律， 以及由此产生的采动裂隙 扩展及其时空分布特征； 掌握表土层、 隔水层及关键层对采动裂隙演变的控制作用， 为关键层结构力学模 型的建立提供边界条件支持． （3）关键层结构运动对水体运移与导水裂隙的控制 建立关键层结构力学模型（矿压模型） ， 分析关键层运动全过程与软弱隔水岩层的耦合关系， 揭示覆 岩中 “阻隔岩层组” 及其对导水裂隙的控制机理， 确定出长壁工作面保水防溃的关键区域． （4）开采参数对覆岩采动裂隙时空动态演化的控制机理 系统分析工作面推进方向、 倾斜长度、 推进速度、 采高以及局部充填等采矿技术参数对采动覆岩层间 缝隙与层内裂隙扩展、 闭合的影响规律， 系统总结绿洲矿区的保水开采机理及其有效控制措施． （5）保水开采适用条件分类指标及保水开采技术体系构建 基于保水开采机理的的敏感性分析，确定绿洲矿区适宜的保水开采适用条件分类指标，由此构建绿 第1期张东升， 等 新疆伊犁矿区保水开采内涵及其应用研究展望17 洲矿区特厚煤层保水开采的技术体系． 4.3拟解决的关键科学问题 （1）采动覆岩关键层与隔水层的结构耦合效应及其对导水裂隙的控制机理； （2）开采参数的变化对采动覆岩层间缝隙与层内裂隙扩展的影响关系； （3）绿洲矿区保水开采技术适用条件分类指标体系的建立． 4.4研究的特色与创新之处 本研究的最大特色就是在我国绿洲矿区开展保水开采机理研究， 是新疆生态脆弱矿区保水开采技术 开发成功的理论基础， 研究成果将充实我国保水开采理论． 主要创新 （1）将覆岩上位隔水层运移、 中位关键层复合效应及下位基本顶活动三者统一起来， 进行采动裂隙 时空动态演变规律的研究； （2）首次探索特厚煤层分层二次采动保水开采机理的研究， 并对比分析一次采动保水开采机理的异 同． 5结束语 新疆矿产资源非常丰富，新疆资源优势转换战略的实施，必须首先解决超大规模的开采与极脆弱生 态环境保护的矛盾． 新疆伊犁 “绿洲” 矿区开展保水开采创新研究， 对实现新疆矿产资源高效安全开采与 生态环境保护相协调， 具有引领和示范作用． 基于伊犁矿区的地质条件和煤层赋存条件， 综合采用现场调 研、 理论分析物理模拟、 数值计算和工业性试验等方法， 将覆岩上位隔水层运移、 中位 “阻隔岩层” 效应 和下位基本顶活动统一起来，可望在保水开采机理及其适用条件分类方面率先取得原创性成果． 并以此 为基础， 推动保水开采技术与装备水平的提升． 参考文献 [1]崔民选.中国能源发展报告[M].北京社会科学文献出版社,2008. 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