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西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展

2015-02-15范立民马雄德冀瑞君

煤炭学报 2015年8期
关键词:研究进展

范立民,马雄德,冀瑞君

(1.陕西省地质调查院,陕西西安 710065;2.陕西省地质环境监测总站,陕西西安 710054;3.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安710054;4.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)



西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展

范立民1,2,马雄德3,冀瑞君4

(1.陕西省地质调查院,陕西西安 710065;2.陕西省地质环境监测总站,陕西西安 710054;3.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安710054;4.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)

摘 要:“保水采煤”是应鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田独特的矿床地质条件而提出,经过多年研究和探索,在基础研究、工程实践等领域取得了大量成果。总结了不同阶段保水采煤研究的最新进展和存在的科学问题。基础研究阶段,查明了煤层与含(隔)水层空间关系、煤层覆岩结构类型,划分了保水采煤地质条件分区,编绘了基于地下水位保护的采煤方法规划图,提出了开采区域评价方法和采煤方法等实现“保水采煤”的途径。在工程实践阶段,以生态水位保护为原则,开展了基于含水层结构保护的充填开采、窄条带开采、限高(分层)开采、短壁机械化开采法、快速推进法等“因地制宜”的保水采煤工程实践,开展了基于岩溶承压含水层结构保护的底板注浆加固保水采煤工程实践;以水资源保护、利用为原则,开展了基于地下水转移储存、采空区储水的保水采煤工程实践。

关键词:生态脆弱矿区;保水采煤;研究进展;生态水位;三图预测法

责任编辑:韩晋平

范立民,马雄德,冀瑞君.西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J].煤炭学报,2015,40(8):1711-1717.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0223

Fan Limin,Ma Xiongde,Ji Ruijun.Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1711-1717.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0223

Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area

FAN Li-min1,2,MA Xiong-de3,JI Rui-jun4

(1.Shaanxi Geological Survey,Xi’an 710065,China;2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring,Xi’an 710054,China;3.College of Environmental Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710054,China;4.State Key Laboratory of Coal Resources & Safe Mining,China University of Mining & Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:It is the unique geological environment conditions in northern Ordos Basin Jurassic coalfield that the issue “water-preserved coal mining”is presented.After years of research,there have been some significant progresses in basic research and engineering practice.This paper summarized the latest achievements in the research of water-preserved coal mining.In the basic research phase:identified spatial distribution relation between coal bed with aquifers and impermeable layer;established the structure type of coal bed roof;divided the coal mining area into different partitions to protect aquifer;and specified the mining methods in different regions to protect groundwater.In the engineering practice phase:five kinds of aquifer-structure-preserved mining methods be employed to protect roof aquifer structure, including cut-and-fill mining,strip mining,slice mining,short-wall continuous mechanical mining and fast marching mining;reinforced bottom plate by grouting to protect Karst confined water in Weibei mining area;and transferred swallet into mined-out area to improve the utilization.

Key words:the ecological fragile mining area;water-preserved mining;recent progress of engineering practices;ecological groundwater table;three maps prediction

1990-04-20和1990-12-28,陕北侏罗纪煤田瓷窑湾煤矿发生两次巷道冒落、突水溃沙灾害,导致附近的顺沟渠水库干涸。在灾后水文地质补充勘查和成因分析后,范立民于1992年提出了“保水采煤”的观点和建议[1-2],即在我国西部缺水矿区,应该通过合理布局和科学开采,使煤炭开采、水资源保护与生态环境安全协调发展。国外在预防顶板突水时一般采用主动防护法(疏干含水层)和堵水截留法(帷幕注浆)[3],没有可供我国西部“保水采煤”借鉴的经验。20多年来,基于保水采煤目标,中国研究者在榆神府矿区基础地质、水文地质工程地质领域做了大量工作,奠定了“保水采煤”研究的地质基础[1-2,4-9]。地质、矿业工程科学家就安全高效、“保水”、经济的采煤技术进行了大量的研究和工程实践,开展了以充填、窄条带、限高、短壁机械化和长壁快速推进(局部限高)为主的保水采煤工程实践,基本实现了煤炭开采和水资源保护并举的目标。2004年以来,水文水资源、生态环境的理论和方法应用于保水采煤领域,保水采煤思想得到了丰富和发展,初步形成了以生态水位保护为核心的保水采煤技术体系[7-9]。随着我国西部煤炭产量的不断提升,新疆、青海、甘肃华亭-陕西彬长、宁东等生态环境脆弱区煤炭科学开采是亟待解决的难题[10-11],及时总结基于榆神府矿区形成的“保水采煤”研究进展,可有效促进中国西部地区煤炭的科学开采。

1 保水采煤地质基础研究

1.1 水文地质工程地质基础研究

陕北侏罗系煤田含可采煤层2~12层(一般3~5层),单层厚度3~5 m,最大12.49 m[4],地质构造简单,易于开采,当前开采的区域煤层埋藏较浅,一般100~300 m。萨拉乌苏组(Q3s)、烧变岩两个含水层是区内仅有的具备供水意义的含水层,位于煤层之上,开采会不可避免地破坏上述含水层的储水结构,必须实行保水开采(保水采煤)。

水文地质工程地质条件研究是保水采煤的基础。范立民[12]在系统研究萨拉乌苏组含水层、岩土隔水层、烧变岩含水层和煤层的赋存分布特征基础上,将榆神府矿区水文地质条件分为4类,即孤立局部富水小型含水盆地(神东矿区大柳塔—石圪台一带)、无土层隔水层大型含水盆地(榆神矿区一期规划区东部和二期规划区)、含水层和岩土隔水层稳定发育的含水盆地(榆神矿区一、三、四期规划区)和萨拉乌苏-烧变岩含水盆地(窟野河、秃尾河沿岸地区)。李文平等[5]划分了5种工程地质类型,即砂土基型、砂基型、土基型、基岩型和烧变岩型(砂指萨拉乌苏组及风积沙,土、基指黏土与基岩隔水层),并指出砂土基型和烧变岩型覆岩条件下有保水采煤的必要性。以上研究基本圈定了有水矿区和无水矿区,并指出在无水矿区鼓励机械化高强度开采,可先行开采,而有水矿区必须实行保水开采。

针对我国赋煤区,彭苏萍等[13]研究了煤炭资源、水资源的分布特点及结构类型,提出了煤矿区水资源保护、科学利用和合理配置的战略路径。

1.2 地质条件分区预测

1.2.1 经验公式法

有水矿区是否需要采取保水采煤措施,取决于采煤引起的导水裂隙带是否波及到目标含水层中。导水裂隙带的研究方法主要有经验公式计算、钻孔实测、模拟等方法,经验公式是基于20世纪80年代前的采矿技术总结的,不适合目前高强度开采条件。因此,一些研究者采用钻探探测、模拟实验和关键层理论研究确定导水裂隙带发育高度及裂隙演变规律[14-17],修订了经验参数,为保水采煤地质条件分区提供了技术依据。

1.2.2 “三图”预测法

2003年9月,王双明、范立民对榆神矿区一期规划区进行了保水采煤分区研究[18],编绘了萨拉乌苏组含水层等厚线图(确定保水采煤的保护含水层)、2-2煤层顶板隔水层厚度等值线图和2-2煤层开采导水裂隙带发育高度等值线图。据此“三图”,结合覆岩物理力学性质及采煤方法,判定煤层开采对萨拉乌苏组含水层的影响程度,称为保水采煤的“三图预测法”,这为保水采煤地质条件分区提供了可行的方法[7-9]。据此,根据采煤对萨拉乌苏组地下水影响程度,将榆神府矿区划分为4个分区,即贫水开采区、保水限定开采区、可控保水开采区和自然保水开采区[9]。

榆神矿区三期规划区规划环评前,陕西省地质调查院开展了采煤对水资源影响的评价[19]。根据综合预测,榆神矿区三期规划区2-2煤层开采的导水裂隙带发育高度平均为采高的26.5倍。据三图预测法,将该区采煤对水资源影响程度分为轻微影响区、一般影响区和严重影响区。

按照预测结论,严重影响区不仅会诱发突水溃沙矿井灾害,还使水体、湿地面积持续萎缩,地下水位下降幅度较大[20-21],为此,国家发改委修改了榆神矿区三期开发规划,现阶段只批准建设位于轻微影响区的小保当一号煤矿,待取得保水采煤技术参数后,再研究其他井田是否开发以及开发方案,已投产的隆德煤矿要采用保水采煤技术。

2 基于含水层保护的保水采煤实践

含水层结构保护的关键是岩层控制[22],即控制采煤产生的导水裂隙带不与含水层导通,从而实现生态水位保护。在开采煤层顶板水和底板水保护两种不同条件下,所采取的保水开采方法亦会有不同。

2.1 顶板含水层保水采煤工程实践

对于煤层上部含水层实施保水开采,其核心就是采取合理的采煤方法和工艺保证含水层结构不被破坏,或者有一定的损坏,但不至于引起地下水位大幅度下降。根据矿床水文地质条件,在陕北、内蒙古东胜地区(即鄂尔多斯盆地西北部地区)需要保护的含水层为萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层[1-2,7]。在工程实践中,基于不同的地质条件和开采条件,形成了充填保水采煤、窄条带保水采煤、分层(限高)保水采煤、短壁机械化保水采煤及长壁机械化快速推进保水采煤等保水采煤方法。

2.1.1 充填式保水采煤进展

充填式控顶方法对地表环境保护和煤矿安全十分有利,在巷柱式开采法和长壁式开采法中均有应用[23],并形成了充填采煤一体化系统、装备以及工艺,为岩层控制与含水层保护提供了技术途径。2003年范立民提出利用风积沙充填采空区的保水采煤技术方案[24],尽管没有付诸实施,但这是最早基于保水采煤目标提出利用风积沙为骨料充填采空区的保水采煤技术方案。

由于榆阳煤矿与榆林新的城市规划重叠,为了保证城市规划的实施,榆阳煤矿开采过程中必须保护好萨拉乌苏组含水层和地质环境,为此,推行了充填开采。

榆阳煤矿以风积沙为骨料的膏体充填材料,实现了保水采煤。该方法主要是由风积沙、水泥、粉煤灰、专用辅料及水按一定配比混合而成,其中水占35%以下(似膏体)。2301连采工作面充填50条支巷,充填5.2万m3,充填体强度28 d时达到5.30 MPa。充填率50%~70%,地面下沉量减少了50%以上[25]。

神东矿区部分煤矿也开展了局部充填或局部限高保水开采工程实践,一般在工作面开切眼附近适当降低采高或部分充填,在终采线附近也采用同样措施,实现保水采煤目标[26]。

充填保水开采是实现保水采煤的重要途径,但成本较高。榆阳煤矿的充填成本超过了100元/ t,这给该技术的推广应用带来了一定的困难。

2.1.2 窄条带保水采煤进展

“窄条带”采煤方法的主要技术特征是:矿井的开采系统仍按照长壁开采系统布置,在原设计的回采工作面,平行于原开切眼划分若干个开采条带;每个开采条带开采时,先开通由区段运输平巷到区段回风平巷的开掘工作面,形成较为规范的全负压通风系统;后采用后退扩巷回采。“窄条带”采煤方法是针对榆神矿区地方煤矿开采区采矿权边界不规则而提出的一种保水采煤方法。

通过对榆卜界等矿井“保水采煤”设计研究,确定了“窄条带”开采技术参数确定的原则和方法:①确保煤层上覆富含水层不受破坏的原则上,计算开采条带的最大宽度;②保证煤柱长期稳定性原则基础上,计算条带煤柱的最小尺寸;③提出条带开采方案,通过数值模拟试验进行“围岩-煤柱群”整体力学模型计算。

邵小平等[27]采用相似模拟实验对“采12留8”条带开采中8 m条带煤柱及煤柱削减至6 m及4 m后的煤柱稳定性进行了对比模拟研究。研究结果表明,条带工作面条带煤柱及边界大煤柱构成承担覆岩荷载的整体结构,条带煤柱是主体;条带煤柱尺寸减小首先造成采空区域中部煤柱产生塑性变形,其承受的荷载向其他煤柱转移;4 m条带煤柱造成采空区中部局部条带煤柱首先失稳,进而导致覆岩的瞬间大范围垮落。8 m条带煤柱可保证煤柱长期的稳定性,达到保水开采的目的。

目前,榆神矿区10余处地方煤矿采用“采12留8”的保水采煤方法,与原房柱式采煤方法比较,煤炭资源采出率提高20%以上,单井产量可提高到100~300万t。

窄条带保水采煤技术由于煤炭采出率低,只是一种限于特定地质条件下的开采法,未来如何回收留滞的“条带煤”以及采空区安全隐患防范是一个重大难题。

2.1.3 分层(限高)保水采煤进展

榆神府矿区2-2煤层厚度大于10 m的可采范围较广,厚煤层开采主要有放顶法和分层开采两种方法。放顶法尽管生产效率高,但覆岩破坏严重,压力显现剧烈。实践表明,减小初次开采厚度,增大重复开采厚度,可以有效降低导水裂隙带的发育高度,降低生产成本。

分层开采可以有效降低导水裂隙带的发育高度。合理设计初采厚度,重复分层开采可以避免一次采全高破坏上覆含水层隔水层的隔水性。王悦[28]研究了放顶开采和分层开采条件下榆树湾煤矿保水采煤的可行性,认为分层开采可以实现榆树湾煤矿保水开采。

榆树湾煤矿延安组含煤5层,其中2-2煤层是最上部可采煤层,煤层厚度11 m。萨拉乌苏组含水层厚14.20~15.85 m,黄土及红土层隔水层厚83.75~95.80 m,煤层上覆基岩厚115~160 m(其中直罗组裂隙含水层厚度82.9~20.7 m,基岩顶面风化含水层厚23.64~11.60 m,延安组弱或极弱含水层厚77.39~94.73 m)。

不同采高产生的导水裂隙带高度不同,造成的萨拉乌苏组地下水漏失程度也有差异。若上分层采用一次采全厚(≥7 m)全部垮落法管理顶板时, 45%以上区域的萨拉乌苏组地下水将漏失,上分层采高5 m左右可以实现大部分区域的保水开采[28]。因此,榆树湾煤矿设计上分层采高5.50 m,目前已完成5个综采工作面的回采,正在开采第6个工作面,采空区只发现了2条独立下行裂缝[7],钻孔探测导水裂隙带未发育到萨拉乌苏组含水层,实现了保水采煤目标。

限高(分层)保水采煤技术在榆神府矿区无疑是一种适宜的新技术,但上分层开采后,下分层何时回采以及回采对含水层结构的影响,将是面临的科学技术难题。

2.1.4 短壁机械化保水采煤进展

短壁连采技术始创于美国,于1979年开始从美国引进,经多年发展形成适于用我国地质特征的高效的短壁机械化连续开采技术和方法[29]。短壁式开采技术具有采、掘合一,机动灵活,适应性较广等优点,特别适合于“三下”开采,不规则区域开采及残煤区回收煤柱等。2003年神东煤炭集团公司应用短壁开采工艺促进了矿井的规模化生产,2010年刘玉德等在神府矿区苏家壕煤矿,借助实践经验、实验数据、理论计算与数值模拟,建立了浅埋煤层短壁开采分类体系,针对性进行了短壁机械化采煤布置,成功解决了薄基岩条件下短壁机械化保水采煤问题[29]。

2.1.5 长壁机械化快速推进保水采煤进展

马立强等[30-31]针对神东矿区补连塔煤矿薄基岩浅埋藏易发生切落的32201工作面和具有双关键层的32202工作面,通过加快推进速度,在保水开采重点区域限制采高或局部充填,选择合理的支护阻力3项措施,尽量保证顶板完整性,避免在动压力作用下导水裂隙带的充分发育导通含水层,造成含水层水短时间大量涌入工作面。

采取措施后,32201和32202工作面从数值模拟到现场实践证明,松散层水位变化较小,仅在工作面两侧顺槽水位下降大于地面下沉值,基本实现了保水采煤目标。

2.2 底板承压含水层保水采煤进展

保水采煤不仅要保护顶板含水层,也要保护底板含水层[32-33],近年来,陕西澄合矿区董家河煤矿以保水采煤理论为基础,以防突水为目标,开展了以底板注浆加固为主要内容的承压含水层保护采煤工程实践,既保证了煤矿安全,也保护了煤层底板岩溶水含水层结构的完整性。

2.2.1 受保护的岩溶承压含水层

渭北岩溶水主要赋存于中下奥陶统马家沟组(O1 m),溶蚀裂隙为本区含水岩溶类型,分布规律受地质构造控制,含水层区域性地下水位标高373~375 m,水质较好,矿化度0.6~0.8 g/ L,通过泉群排泄,是渭北地区工农业用水和黄河湿地维系的重要水源。

但奥陶系石灰岩顶面距10号煤层底板间距一般10 m,距5号煤层底板间距一般27 m左右。开采10号煤层时,煤层底板岩柱不足以抵抗奥陶系承压水压力时,下伏含水层将构成矿井直接充水含水层发生底板突水。开采5号煤层时,对矿井安全生产构成危害的是5号煤层底板承压含水层,即K2、奥灰岩含水层,而K2含水层本身富水性弱,但是当其与下伏富水性强的奥灰含水层导通时,涌水量会迅速增大,突水危险性较高。

2.2.2 煤层底板注浆加固保水采煤进展

5号煤直接底板有粉砂岩和石英砂岩两类,其中粉砂岩类包括砂质泥岩及泥岩,抗压强度23.9~35.7 MPa,抗拉强度1 MPa。10号煤层直接底板为粉砂岩或炭质泥岩,一般具可塑性,遇水易膨胀。注浆堵水是直接改善底板突水途径,保证不发生底板突水和含水层结构完整性。

在5号煤层底板实施全段注浆,综合考虑治理成本,选用黏土浆液,当单孔的黏土浆液注浆量达到一定程度时,可调整使用黏土-水泥浆、纯水泥浆或双液浆液注浆。利用黏土、水泥浆的黏塑性及凝结强度填充裂隙并加固提高底板强度。澄合矿区董家河煤矿建设了我国最大的煤矿底板注浆系统,实现了机械化作业,自动化监控。

通过直流电法探测注浆后的底板含水性,注浆效果良好,未发生以底板岩溶水含水层为突水水源的煤矿突水,实现了岩溶承压含水层的保水采煤目标。

渭北岩溶水是该区工农业用水、生态需水的重要水源,而5号煤层开采已经受到底板承压水的威胁,深部的10,11号煤层开采的危险性更大。由于开采成本高,煤矿亏损严重,建议老矿井逐步退出,不再新建煤矿,确保岩溶含水层保护,但关闭老矿井将面临一系列经济、社会问题,必须合理解决。

3 地下水转移储存保水采煤工程实践

1995年范立民等在大柳塔煤矿20601工作面疏降水工程时[34],从第四系含水层、井下水仓抽取的混合水(属于双沟泉域萨拉乌苏组地下水),就近排至到母河沟泉域的地表补给区。经检测,经过砂层过滤净化后母河沟泉矿化度、总硬度、pH值、COD、BOD、油类等指标变化很小[35],仍然符合当地水质一般规律。这为缺水矿区地下水(矿井水)转移利用探索了一种新途径。

受烧变岩含水层形成的启发[36-37],范立民等提出了地下水转移储存的设想。烧变岩岩体结构体致密但裂隙发育,有利于地下水的储存和运移,在构造有利部位形成强富水区。采空区顶板围岩冒落后,也形成了一个类似于烧变岩的裂隙发育区,在地下水补给来源丰富的情况下,就可以形成强富水区,随着时间推移,这样的富水区有害物质被排空,水质会逐渐好转,形成“地下水库”。

大柳塔煤矿是神东矿区建成的第1个高产高效煤矿,1996-01-06投产,到2012年底其中的1-2,2-2煤层开采完毕,目前开采5-2煤层,上部1-2,2-2煤层采空区面积5 396.7万m2,这些采空区具有与烧变岩一样的碎裂结构,具备建设地下水库的条件,而且上覆沙层的补给条件较好,周围是未采动的完整岩体(隔水边界),形成了良好的地下水资源迁移储存空间,人工改造后可形成地下水库[36]。当地下水储存占满采空区空间后,会沿着构造薄弱部位(如原来的地形低洼地带)溢出,形成泉。神华集团在大柳塔、石圪台等矿井建成32处地下水库,实现了矿井水利用[38]。

转移储存是地下水的一种利用方式,矿井水得到了充分利用,地下水库建设过程中应控制合理的生态水位埋深,以免对植被发育、地下水循环途径和地质环境造成影响[39-41]。

4 结 论

(1)保水采煤从理论研究走向了工程实践,开展了保水采煤地质基础研究,划分了煤层覆岩结构类型和保水采煤地质条件分区,提出了生态水位保护采煤理念,编制了基于保水采煤的采煤方法规划图,并推广应用。

(2)我国西部部分煤矿开展了保水采煤工程实践,实现了高强度采煤条件下煤层顶、底板含水层结构的保护,促进了矿区地质环境保护。开发低成本、适用性广的保水采煤方法是煤炭科技界面临的新课题。

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作者简介:范立民(1965—),男,山西曲沃人,教授级高级工程师。Tel:029-87851129,E-mail:498518851@ qq.com

基金项目:国家重点基础发展研究计划(973)资助项目(2013CB227901);陕西省科学技术推广计划资助项目(2011TG-01)

收稿日期:2015-02-12

中图分类号:TD823.2

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2015)08-1711-07

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