陕北煤炭大规模开采含隔水层结构变异及水资源动态研究

2016-12-01何明伟神华神东榆家梁煤矿陕西榆林719000

中国科技纵横 2016年10期

何明伟（神华神东榆家梁煤矿，陕西榆林　719000）

何明伟
（神华神东榆家梁煤矿，陕西榆林719000）

【摘要】由于我国西北地区的煤炭资源储量丰富，埋藏浅厚度又大，所以我国煤炭资源开采逐渐向西北地区靠拢，但是西北地区处于干旱-半干旱地区，这就突显出煤炭开采和水资源保护之间矛盾点，通过对含隔水层结构变异的分析以及对水资源动态的研究，从而可以平衡下煤炭开采和水资源保护之间的问题。

【关键词】含隔水层结构水位波动采空区储水

1　引言

对于在陕北煤炭大规模开采的同时要保护好水资源这一问题，它涉及到很多方面，通过对关键隔水土层采动渗透性的变化特征对采动隔水层结构变异进行分类，根据水资源动态研究来分析水资源被动区潜水位和水资源漏失区采空区储水动态演化的分析来进行预测，并检验在陕北干旱地区进行的采空区储水是否可行。本文针对位于陕西省榆林市神木县东北部的榆家梁煤矿进行简单分析，榆家梁煤矿地貌单元属黄土丘陵沟壑区，区内沟形支离破碎，梁峁蜿延分布，沙丘屡见不鲜，冲沟极为发育，第四系堆积不厚，地形相对高差100m左右，由于自然地理因素的控制，植被稀少水土流失十分严重。

2　关键隔水土层采动变异特征分析

隔水粘性土层的采动隔水性变异特征是决定于陕北煤炭大规模开采含水结构的变异的主要原因，煤层在开采前，通过对变水头实验曲线的分析显示离石黄土和保德红土在天然状态下是相对隔水层。通过对原位双环注水试验测定的分析结果看，天然状态下的两层黏土裂隙不发育，并且固结压力对粘性土层的渗透性有控制作用。粘性土在围压不变，轴向加载的过程中，加载压力路径有利于“保水采煤”，但与上诉过程相反的状态下，加载压力路径就不利于“保水采煤”，在煤层开采后，粘性土中的裂隙主要取决于粘性土裂隙开度和综合应力状态，由于两层粘性土受不同应力路径的作用，渗透性变异也存在着一定的差异性。

3　水资源动态研究分析

3.1水资源被动区潜水位动态演化分析

榆家梁井田延安组含煤九层，其中有对比意义的有5层，即3-1、4-2、4-3、4-4、5-2煤层。从榆家梁井田可采煤层开采实践表明，当进行煤层回采时，并没有大量潜水涌进矿井，但是在采空区上方，潜水位仍然有所下降，造成一些泉眼干涸和一些河沟断流，潜水对于陕北来说非常重要，这要造成的水源流失将对陕北生态环境造成巨大损失。水资源被动区潜水位动态演化分析可以采用三种方式，即水资源被动区潜水位动态演化物理模拟分析、恢复泰斯模型分析和现场实测分析。在这里简单以水资源被动区潜水位动态演化物理模拟进行分析。模型砂层潜水位的动态变化可以分为两个过程，即煤层回采过程中潜水位动态变化和停采后潜水位恢复特征。

（1）煤层回采过程中潜水位动态变化特征。随着工作面的推进，随着工作面的推进，每次来压时，砂层潜水位都发生了周期性的下调，并且每次水位降到最低点时均在回采区域的中心位置，但在工作面开切眼和收割线的附近，水位降深最小，有的甚至接近0米。（2）停采后潜水位恢复特征。当煤层停采后，再次对砂层潜水位进行观测，在煤层停采后，首先在开始的一段时间内潜水位恢复的挺快，但在后期开始变慢，直到最后水位恢复到停采时的水位。

伴随着煤层的回采，将产生粘性土层下沉盆地，当含水层的底板边界发生了不均匀的连续沉降时，潜水位将会随着矿山的压力而发生周期性的下降，在停采后，周围的潜水通过侧向补给，之前的初期水位恢复的会比较快，之后速度就会减慢下来，通过实验模拟工作面的潜水位恢复百分之九十五需要实际的300天。另外伴随着煤层的回采，基岩中的亚关键层依次弯曲，最终导致破断，但是隔水层随着基岩的运动而保持了其稳定性，并最终形成下沉盆地，同时由于水沙混合体具有较强的流动性和补给性，所以随着时间的推移，离层将会呈现闭合状态，这样就使得粘性土层的下沉盆地将会进一步的发育。在排泄部分区域，造成了泉眼沟壑断流、采空区附近的农业短期减产还有一些河沟断流，但是土地沙漠化有所缓解，针对这些问题，可以采取一些措施进行防治，比如在开采时采用综合长壁的开采方式，控制一下总开采煤炭的强度，采用合理的间隔式回采顺序，工作面的布置要合理，水资源进行联合调度并且加强生态灌溉。

3.2水资源漏失区采空区储水动态演化分析

根据榆家梁煤矿水文地质类型分类报告分析得出矿井目前正常涌水量172m3/h，统计矿井历年涌水量资料，最大涌水量180m3/ h，最小涌水量150m3/h，历年来正常涌水量均小于180m3/h，而西北干旱半干旱缺水矿区各方面需水量巨大，如研究区范围内煤炭大规模开采的初期阶段对水资源的需求量需要530万立一年，历年来榆家梁煤矿矿井生产和生活供水水源有临时水源，店塔渗渠水源和矿井采空复用水三个水源。

陕北煤炭大规模的开发使大量的地表水和地下水进入矿区，虽然一部分的矿井水排出矿井外，但仍有一部分的矿井水滞留在采空区，这就给水资源的循环造成一定的困难，矿井水的充分利用是陕北地区水系统正均衡的关键，所以就要考虑下采空区储水的开发利用，通过对各种地质条件下采空区的储水数值进行分析，采空区的储水值在垂向和平面上有着渗透各向异性，通过原位测试，工作面裂隙带的储水量是冒落带出水量的0.71倍，在不同地质条件下的采空区，这两者之间的比值也有所不同，从采空区供水储水的模式中得出，工作面的储水水质优良、水量比较丰富并且水位埋深比较浅，所以这种情况下的储水能够解决生态保护所需要的水量，在一定程度上可以缓解下煤炭开采和水资源保护之间的矛盾。

4　煤炭开采水资源影响分区及保水技术措施

根据榆家梁煤矿水文地质情况分析来看，煤炭开采水资源影响分区第四系风成砂及冲积层孔隙潜水含水层、第四系黄土层及冲、湖积层孔隙水含水层、第四系黄土层裂隙孔洞潜水含水层、第三系红土隔水层、白垩系下统洛河组裂隙孔隙潜水含水层、侏罗系中统安定组裂隙含水层及直罗组裂隙含水层、侏罗系中统延安组裂隙含水层、侏罗系下统富县组裂隙含水层，其中第四系风成砂及冲积层孔隙潜水含水层，前者主要分布在窟野河中游至神木沿长城以北地区及梁峁顶部低洼处，厚度不一，多组成固定或固定型砂丘，透水性好而含水微弱，仅在洼地中含水，局部形成湖沼、海子。后者为河谷地带，透水性好补给源多，其富水性受地貌和岩性控制。

在榆家梁煤矿首采煤层开采时，没有发现水资源干凹型，所以水资源的影响分区主要分为水资源不漏失区、轻微漏失区、一般漏失区和严重漏失区。导水裂隙带没有发育到隔水土层的是水资源不漏失区，当水资源导水裂隙带完全贯穿隔水土层并使其失去隔水性的是水资源严重漏失区，水资源轻微漏失区和水资源一般漏失区还没有得到具体的数值结果。为了在进行大规模煤炭开采的同时要注意水资源的合理利用，这就需要我们采取一定的措施，从而达到“保水采煤”的效果，从实践经验和理论数据结果来看，主要的保水措施有5条，即留设防水煤岩柱、含水层转移存储、采空区储水的利用、矿井排水资源化、合理的开采工艺。最基本的防治水措施就是留设防水煤岩柱，以保证地表水系严重漏失区和一般漏失区与采空区不存在联系，来阻止井下水的大量涌出和地表水系断流。含水层转移存储技术措施主要是对煤炭可能疏干的含水层静储量值有一定的作用，主要分布在砂层潜水或局部火烧岩富水区。采空区储水的利用这种保护措施主要是使矿区可利用的水资源趋于正均衡，利用采空区的储水进行地面生态保护灌溉用水。煤炭回采面积的增加使矿井排水日益增大，把这些水资源合理利用也是“保水采煤”的一种措施。除了以上四种保水措施，还有一种是在煤炭开采的期间选用合理的开采工艺，在严重漏失区和一般漏失区，采区合理的开采工艺可以使导水裂隙带发育高度得到控制，从而避免大量的水资源进入采空区。