哈密煤田生态脆弱区保水采煤的水文地质基础与实践

徐智敏，高 尚，崔思源，孙亚军，陈忠胜，吴江峰

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.徐矿集团公司，江苏 徐州 221006)

哈密煤田生态脆弱区保水采煤的水文地质基础与实践

徐智敏1，高 尚1，崔思源1，孙亚军1，陈忠胜2，吴江峰2

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.徐矿集团公司，江苏 徐州 221006)

由于我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈，形成了该区干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以位于吐哈盆地的哈密煤田大南湖矿区为研究区，开展该生态脆弱区水资源保护性采煤(即“保水采煤”)的水文地质基础研究，以及顶板水害防治与保水采煤相结合的可行性探索。在系统评价研究区主要煤层顶板含隔水层结构、隔水保护层的稳定性以及受保含水层开发潜力的基础上，以大南湖五号井1801首采工作面为例，开展了研究区顶板水害防治与保水采煤相结合的实践，提出了矿区高矿化度受保含水层水开发利用的初步方案，通过该工作面的成功试采初步取得了吐哈盆地生态脆弱区水资源保护性采煤的实践经验。提出并实践了吐哈盆地典型生态脆弱区顶板水害防治与保水采煤相结合工程，为指导作为新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭资源的绿色开采具有一定的理论及实际参考。

哈密煤田；生态脆弱区；保水采煤；水文地质结构；矿井水处理利用

近年来，随着我国煤炭开采重心的逐步西移，西部地区煤炭产量所占全国总产量的比重也逐年上升。据不完全统计，2015年，西部各省份煤炭产量已超过20亿t，约占全国总产量的60%。总体上，我国西部矿区属干旱半干旱地区，生态环境较为脆弱，因此，西部煤炭资源的高强度开发面临着严峻考验，与东部矿区水害严重、以防治水为主不同，西部矿区干旱缺水，应以保水采煤为主、保护生态环境为重点。

另据统计，我国目前西部地区已探明的煤炭资源达10 628亿t，约占全国已探明储量的81%。而位于西部地区的新疆煤炭资源最为丰富，位居全国前列，煤炭资源预测远景储量约2.19万亿t，占全国40%以上。目前，新疆正规划建成四大煤炭基地，其中位于吐哈盆地的哈密煤炭基地确定为能源开发的重点[1]。位于哈密煤炭基地的大南湖矿区目前已探明煤炭资源储量达744亿t，其中在建矿井13座，千万吨级的矿井就达6座。与哈密煤炭基地煤炭资源丰富、开发潜力巨大不相适应的是，该区生态环境极其脆弱、地表极度干旱缺水、降雨稀少、蒸发强烈。由于矿区地下水具有矿化度高的特点，目前，矿区生产、坑口电厂及生活用水主要靠长距离的远程供水系统供给。由于远程供水成本高达8～9元/t，给矿区煤电企业带来了巨大经济负担。可见，从矿区煤炭资源可持续开发与绿色开采的长远出发，通过保水采煤在保护矿区惟一地下水资源的基础上，研究顶板水害防治与保水采煤相结合的实践，以及开展经济可行的处理利用研究势在必行。

早在20世纪70年代，美国日益扩大的煤炭生产规模与水环境之间的矛盾日益尖锐，并关注黄石河流域煤炭资源开采与水资源消耗之间的矛盾，开始研究工业、农业及其他行业间水资源的竞争问题。在20世纪70年代末，美国西部就把节水、保水作为影响其煤炭资源开发的核心问题展开研究[2-4]。在国内，20世纪90年代初，钱鸣高院士提出了绿色开采的概念，保水采煤成为了绿色开采的有机组成部分[5]。自1992年范立民提出保水采煤的观点[6]以来，国内研究学者基于保水采煤目标[7-14]，在神东矿区、榆神府矿区做了大量的基础工作，奠定了保水采煤的理论基础。理论与实践表明，保水采煤需要在一定的地质和水文地质条件下开展，其基础研究涉及矿井水文地质及水害防治等领域，包括煤层与含(隔)水层空间关系、煤层覆岩结构类型[15-17]。可见，特定的含隔水结构是保水采煤的前提，决定了保水采煤的成功与否。目前，国内学者关于保水采煤的基础研究及实践主要集中于陕北浅埋煤层，随着近年来我国煤炭开采重心的西移，以新疆哈密煤炭基地为代表的生态脆弱地区煤炭资源的绿色开采亦成为亟待解决的研究课题[18]。

本文围绕哈密煤炭基地极度干旱缺水、生态环境脆弱、高强度煤炭开采对浅部地下水资源造成严重影响并制约当地国民经济发展这一核心问题，重点选取大南湖矿区为研究对象，研究该矿区是否具备保水采煤的基础水文地质结构条件，以矿区地质勘探资料为基础，结合野外抽水试验、水文观测和室内测试等方法，从含水层的富水性、隔水层稳定性展布和煤层顶板组合类型等方面对18煤顶板的含隔水层结构进行全面和系统研究，分析评价该区保水采煤的可行性与煤矿开采的安全性，并以此提出安全采煤的具体方案，开展顶板水害防治及保水采煤实践，同时对水资源的利用方案进行初步探讨。本文的研究成果可为指导作为新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭资源的绿色开采奠定基础，并具有一定的理论及实际意义。

1 研究区水文地质背景条件

本文选取的研究区-大南湖矿区位于吐哈盆地东部，属天山-兴安岭地层区，北天山、中天山地层分区。包括吐鲁番、觉罗塔格及卡瓦布拉克地层小区。宏观上为天山东段南麓形成的大面积冲洪积平原，接受天山融雪水的地下补给。大南湖矿区所处的吐哈盆地是中新生代山间坳陷盆地，四面环山，盆地与周边山系为不同的水文地质体系，研究区水文地质条件如图1所示。大南湖坳陷属干涸的山间盆地，区内气候极度干燥，地势较高，无地表径流及水体。区内平均年降雨量为50.78 mm，全年降水天数不足25 d，平均蒸发量缺高达1 110.05 mm，大南湖五号井所处南湖凹陷内年蒸发量更达3 064.3 mm，区域内深层地下水主要依靠天山融雪水深渗透补给。

图1 吐哈盆地水文地质略图[19]

大南湖矿区内煤系主要含水层为侏罗系弱胶结、高孔隙度地层，由于区内为干涸的山间盆地，在矿区各矿勘探及建设阶段，基本探明局域内内深层地下含水层水量丰富，矿井涌水量最大达3 000 m3/h以上，揭露最大煤系充水含水层单位涌水量甚至达到17 L/(s·m)，渗透系数超过10 m/d。另经水质分析，研究区地下水矿化度达15 000 mg/L以上，可利用程度较差。一方面，大南湖矿区地下含水层水量丰富，对矿区煤炭资源开采造成重大影响；另一方面，大南湖矿区生态环境极其脆弱，地表严重干旱缺水，矿区内工业及生活用水需要经管道长距离运输至此，成本很高。在各种矛盾的集中下，针对该生态脆弱区周围约100 km范围内惟一可能和潜在的水资源(矿区高矿化度地下水)，结合目前较为成熟的高矿化度水处理技术及其技术经济可行性，在大南湖矿区开展煤层顶板水害防治与保水采煤相结合，以及受保地下水的开发利用等方面的研究便成为势在必行的工作。

2 研究区煤系的含隔水层结构

煤层开采后裂隙的发育是否会波及到上覆含水层是保水采煤研究的关键性问题，这与通常开展的顶板水害防治工作的核心相同。因此，煤系含隔水结构便成为保水采煤研究的重点，特定的含隔水结层结构能保证地下水不会随各类导水裂隙进入矿井，从而保护含水层中的水资源。而对于不同的含隔水结构对保水采煤的影响，缪协兴等[16]对神东矿区的水文地质结构进行了系统分析后分区，并将有隔水层区分为5种结构类型，其中多层隔水层结构及高位隔水层结构最有利于的保护含水层并实现保水采煤，而低位隔水层结构及隔水层侧切结构则需要采取特定措施保护含水层后才能达到保水采煤的效果。因此，研究分析矿区含隔水层结构，划分隔水层结构分区，是保水采煤的前提，在此前提下，进一步研究隔水层的稳定性从而制定保水采煤的方案。

根据勘探资料，井田内含煤地层自上而下可划分为3个含水层组，各含水层段水文地质特征分述见表1。

表1 含水层(段)划分

Table 1 Chart of aquifer (section) division

地层代号含水层(段)编号含(隔)水层(段)名称含水层厚度/m渗透系数/(m·d-1)Q3-4Ⅰ第四系透水不含水层0.2～5.03.4—J2x3Ⅱ侏罗系中统西山窑组上段弱含水层30.3～80.260.60.18Ⅲ-1侏罗系中统西山窑组中段上部强含水层上段(简称“III-1上段含水层”)25.20～30.8928.994.33侏罗系中统西山窑组中段上部强含水层下段(简称“III-1下段含水层”)22.00J2x2Ⅲ-2侏罗系中统西山窑组中段中部弱含水层18.32～25.4721.90.06Ⅲ-3侏罗系中统西山窑组中段下部弱含水层26.5～128.565.6—

其中，18煤顶板直接充水含水层为III-1含水层，该含水层组为砂岩、砂砾岩含水层段，由粉、细砂岩或中砂岩含砾石、泥岩及煤层等组成，为18煤直接充水含水层，也为本文研究的主要含水层段。针对III-1含水层进行的抽水试验结果表明，III-1含水层渗透系数(K)为4.33 m/d，单位涌水量(q)为1.18 L/(s·m)，表明井田范围内III-1含水层渗透性较强，为强富水性含水层。但通过对井田的水文地质边界条件进行分析研究得出，井田四周均为隔水边界，因此井田范围内III-1含水层相对独立，以静储量为主。III-1含水层的介质特征研究表明，该地层具有高孔隙度、古湖相沉积的特征，表明该区域内III-1含水层的静储量非常巨大。18煤与III-1含水层的垂向距离平均为18 m，在煤层开采后导水裂缝带必定会波及III-1含水层，在形成矿井大量涌水的同时，对该区域极其脆弱的生态环境亦将进一步造成影响。

通过对矿井勘探阶段的钻孔资料进行分析研究，同时矿井建设阶段对III-1含水层不断揭露的资料进行分析，井田内III-1含水层被分割为两段含水层，垂向上的边界为16煤及附近泥岩段，该泥岩段厚度约27.94 m(图2)，两段含水层之间没有水力联系，可从几个方面得到验证：

图2 16煤附近隔水段结构示意

(1)根据大量钻孔资料分析，16煤附近泥岩段隔水层平均厚度为27.94 m，岩性以砂质泥岩、泥岩及煤为主，有较好的隔水性；

(2)根据井上下分别揭露的16煤上下III-1含水层上下段的水位具有较大差异，井下放水孔终孔位置在16煤以下，揭露III-1下段含水层水位标高为360 m，而地面疏降孔终孔位置在16煤以上，揭露III-1上段含水层的水位标高为432 m，两者相差72 m；

(3)井下疏降工程实施过程中，井下放水孔内水位降至300 m左右，而地面水文孔内静水位未发生变化，上下水位差达到130 m。

综上，研究区16煤上、下两段含水层(即III-1上下段含水层)之间不存在水力联系，且实际施工过程中上下两段含水层的富水性也存在较大差异。在井筒施工阶段，在16煤以上井筒最大涌水量达113 m3/h，但在井筒通过16煤后，井筒的涌水量明显减小，井筒掘进工作面涌水量约为36 m3/h。可见，总体上III-1上段含水层较III-1下段含水层富水性更强，二者之间不存在水力联系。

3 研究区保水采煤的可行性

前已述及，保水采煤的核心与传统的顶板水害防治研究的基础问题相同，保护顶板特定目标含水层与防止其涌入工作面研究的水文地质基础一致。因此，针对研究区生态脆弱区的特点，论证其开展保水采煤的可行性需从该区含隔水层结构、隔水层稳定性、采动覆岩裂隙发育规律等方面进行分析。其中，特定的含隔水层结构是前提，覆岩导水裂缝的发育规律决定了隔水层的稳定性，而判别隔水层的稳定性是保水采煤的基础[16]，亦是顶板水害防治成功与否的关键。在此基础上，进一步评价受保含水层的开发潜力，分析其经济合理性。进而总体上评估在该区实施保水采煤的可行性。

3.1 水文地质结构特征

研究区的含隔水层结构在前文已说明，III-1含水层经16煤隔水段分割为两段含水层，其中III-1上段含水层富水性强为研究的受保含水层。根据钻孔资料分析，18煤距离该含水层底板的距离平均为79.48 m。16煤隔水段作为该区保水采煤的隔水关键层，岩性以砂质泥岩、泥岩及煤为主，裂隙不发育，具有较好的隔水性。根据钻孔资料，16煤隔水段全区稳定，平均厚度约27.94 m，18煤距离隔水段底板距离平均为51.54 m，具体见表2。

表2 18煤顶板主要隔水层厚度统计

Table 2 Thickness of aquiclude in the roof of No.18 coal

钻孔号16煤隔水段厚度/m18煤至16煤隔水段底板距离/m18煤到16煤距离/m18煤至III-1上段含水段底板距离/m34-1-413.2644.1352.7757.3934-1-620.3557.8466.7478.1935-1-520.2056.9151.4177.1135-1-623.8047.3454.7971.1435-1-728.5751.7163.7580.28350624.8558.7458.7483.58350717.8057.5058.4575.30351022.3051.6658.7973.96平均27.9451.5457.5279.48

根据上述的分析，16煤隔水段不仅可在煤层开采中成为顶板防治水的隔水关键层，而且可作为保水采煤的重要保护层。可见，研究区主采18煤层顶板16煤隔水段具有一定的厚度，且具有较好的隔水性，以下将重点评价在18煤采动条件下16煤隔水段作为隔水保护层的稳定性。

3.2 隔水保护层的稳定性

要实现18煤顶板III-1上段含水层的有效保护，其采动形成的导水裂缝带发育高度是决定其能否可行的关键。由于缺乏西部侏罗系软岩地层下采动覆岩破坏的相关研究成果，通过调研借鉴了相同地层下导水裂缝带的实测数据，利用类比法估算本区域内导水裂缝带的发育高度。

通过调研，目前国内针对侏罗-白垩系煤层开采条件下导水裂缝带高度实测包括位于新疆地区的神新矿、沙积海矿，陕北榆林地区的小纪汗矿和黑龙江的东荣二矿等。各矿区导水裂缝带高度实测所得的裂采比见表3。其中神新矿为本研究区西部邻近矿井，其余矿井所研究的煤层均属侏罗系或白垩系。通过统计同地层、同地区及邻近矿通过实测获得的裂采比，类比估算本矿区的导水裂缝带发育高度，具有一定的合理性和可靠性。

表3 典型矿区实测裂采比统计

Table 3 Ratio of the height of the fractured zone to the mining height in some mining areas

调研矿区含煤地层裂采比神新矿侏罗系13.5～14.0沙积海矿侏罗系11.3～13.5小纪汗矿侏罗-白垩系10.00东荣二矿侏罗-白垩系12.75～15.70

通过类比相似矿井的导水裂缝带高度实测资料，并结合规程中的经验公式，估算本矿区导水裂缝带发育高度，煤层最大采厚取3 m，计算结果见表4。

表4 研究区导水裂缝带高度预测

Table 4 Prediction for the height of the water flowing fractured zone in the research area

计算依据裂采比采厚/m导水裂缝带高度/m规程公式软弱25中硬45神新矿实测裂采比13.5～14.0340.5～42.0沙积海矿实测裂采比11.3～13.533.9～40.5小纪汗矿实测裂采比1030东荣二矿实测裂采比12.75～15.738.25～47.1

由表4可知，在采厚为3 m 的情况下，导水裂缝带发育高度最高为47.1 m，根据与本矿条件最接近的神新矿实测数据得出，导水裂缝带高度为42 m。而18煤距离16煤隔水段的距离平距为51.64 m，且16煤隔水段的平均厚度达27.94 m，因此，煤层采动条件下导水裂缝带发育不会波及到16煤以上的III-1上段含水层。

根据前期成果[16]，本研究区水文地质结构可划分为低位隔水层结构，具备保水采煤的基础水文地质结构条件。但由于隔水层厚度有限，必须通过采取有效措施控制采动形成的导水裂缝带高度，从而达到保护目标含水层的目的。一方面，导水裂缝带高度评价结果表明，采动形成的导水裂缝带不会波及到16煤隔水段，从而可实现顶板III-1上段含水层水害的有效防治；另一方面，由于16煤隔水层可得到有效保护，从而亦实现了III-1上段含水层水资源的保护，最终达到顶板水害防治与水资源保护的双重目的。

综上，16 煤隔水段在煤层采动后，不仅可以作为隔水关键层保障矿井的安全，还可作为该矿实现保水采煤的重要保护层，保护该区珍贵的地下水资源。

3.3 受保含水层的开发潜力

根据上述分析，井田内III-1上段含水层在煤层采动后不会被导水裂缝带所波及，该含水层的地下水资源不会溃入井下形成水害，同时亦不会进入井巷被污染，或外排浪费。

根据该含水层已有岩样的压汞测验，区内侏罗系岩层的孔隙度高达18.2%，初步估算井田范围内III-1上段含水层具有静储量达4.39亿m3。虽然该地下水矿化度高达15 000 mg/L以上，但针对该地区极度干旱、缺水的生态环境，以及该地下水作为该生态脆弱区周围约100 km范围内惟一可能水资源的现状，并结合目前较为成熟的高矿化度水处理技术及其技术经济可行性，如此丰富的地下水仍具有水资源属性及巨大的开发利用潜力。

据调研，由于南湖凹陷内无地表水体，各生产建设矿井、煤电一体化项目及配套生活设施所需的生产、生活及工业用水依靠管道长距离输送，成本高达8～9元/t。可见，将研究区丰富的地下水进行开发利用，可大大降低用水成本。同时，研究区各有关煤电企业目前也正在研究该区高矿化度地下水的开发利用与处理方案。因此，研究该区高矿化度地下水的开发利用具有极大的经济和社会效益。

综上，在研究区进行保水采煤具有可行性，在降低顶板水害威胁的同时，丰富的地下水资源可有效得到保护，同时也保护了研究区脆弱的生态环境，对地下水资源进行开发利用也具有较高的经济和社会效益。

4 研究区保水采煤实践

前已述及，研究区具备保水采煤的基础水文地质条件，但该区水文地质结构属低位隔水层结构，由于隔水层厚度有限，必须通过采取有效措施在控制采动形成的导水裂缝带高度的基础上，达到保护隔水关键层的目的，实现上覆III-1上段含水层的有效保护与顶板水害的有效防治。

根据钻孔数据统计，大南湖五号井11081工作面18煤厚0.81～5.44 m，该煤层至16煤隔水段的距离平均为51.54 m。通过裂采比计算，煤层最大采厚3 m的情况下导水裂缝带不会波及III-1上段含水层。因此，在矿井开采过程中需要严格限制采厚，控制导水裂缝带的发育，从而达到顶板水害防治与保护III-1上段含水层的双重目的。

在上述方案的基础上，开展了研究区大南湖五号井111801工作面的保水采煤实践，该工作面从2016-09-03开始回采，在采取上述控制措施的基础上，对工作面推进过程中的涌水量、III-1上、下段含水层的水位进行了实时监测。监测的目的一方面是为了验证保水采煤的实践效果，另一方面是为了监控含水层水位的动态变化情况，为矿井防灾做服务。

目前，首采工作面已顺利推进约54 m，煤层顶板在推进15 m时初次垮落，工作面涌水量历时曲线如图3所示，III-1上、下段含水层的水位变化曲线如图4所示。

图3 工作面涌水量历时曲线

图4 III-1含水层水位变化曲线

由图3可知，至9月底，随着工作面的推进，在前期III-1下段得到有效疏放的情况下，工作面涌水量基本维持在相对可控的范围之内。图3还显示，在9月15日工作面涌水量略有增大是由于初次垮落后工作面进水断面加大，但在随后基本又趋于稳定，工作面涌水量未发生突变，表明并未有新的水源加入。同时结合III-1上、下段含水层水位均未发生明显变化，两者水位仍相差75 m，表明在工作面推进过程中，在严格控制工作面3 m采厚的条件下，采动形成的导水裂缝带并未波及到III-1上段含水层，从而实现了18煤的安全回采，同时亦可实现对III-1上段含水层中地下水资源的有效保护。

5 研究区地下水资源开发利用初探

上述研究及实践成果表明，研究区开展保水采煤是可行的，并且通过实践初步得到验证，在有效防止III-1上段含水层中丰富地下水进入矿井造成重大灾害的同时，该含水层中地下水也得到了有效保护。这对研究区脆弱的生态环境将起到非常积极的作用，在此基础上，本文进一步分析讨论将III-1上段地下水资源进行处理、开发利用，促进矿区煤炭资源的绿色开采和生态环境的有效改善。

5.1 矿井外排水利用方案

在大南湖五号井的矿井建井阶段，曾对III-1上段含水层进行了预疏降处理，在首采面保水采煤实践中，亦对顶板III-1下段含水层进行了预疏放。在上述疏降工程实施过程中，将地下水通过管路外排至矿区以外，经过两年多的排水，在干旱的戈壁滩内累计排放地下水达1 000万m3，并形成了面积约为3 km3的地表水体，如图5所示。

图5 矿区排水基地现状

总体上，由于本地区地表已严重荒漠化，矿井疏排水所形成的地面生态意义还无法完全体现，但目前，该排水基地地表水体内已有部分水草生长，并且有水鸟生存，表明矿井未受污染的外排水在一定程度上改善了区域生态环境，对研究区小气候亦将起到一定的调节作用。

但该地区地下水具有高矿化度的特征，矿化度达15 000 mg/L以上，可利用程度差，地下水资源需要经过处理才可利用。

5.2 地下水开发利用方案

前已述及，针对大南湖五号井地下水资源量巨大的特点，可以对地下水进行处理，作为其他水源，以增加经济效益。目前矿井生产、生活用水为远程输水，成本8～9元/t，成本巨大。在上述评价的基础上，若将地下水进行水质处理，作为工业用水或生活用水水源，将大幅减少远程输水的高成本消耗，从而提高经济效益。

目前，大南湖五号井设计采用坑口发电方式，直接将产煤发电东送。由于井口有热电厂，因此有丰富的剩余热能，可为水质处理减少成本，而且处理出来的水可提供电厂发电使用，增加经济效益。

根据研究区各有关煤电企业对高矿化度地下水开发利用的需求，笔者对于高矿化度水的处理方案进行了初步调研，主要有以下几种方法：

(1)电子絮凝技术

此种处理方法主要包括电子絮凝—杀菌—超滤反渗透。电子絮凝去除水中的部分钙离子，防治结垢，利用电磁波处理，增强过滤性，消除细菌。最后采用超滤进行提纯处理，满足水质需要。但此技术对于本矿区以Na+为主要水质特征的情况，是否能达到预期的絮凝效果有较大存疑。

(2)药剂处理

这种处理方法主要采用药物软化—过滤—反渗透进行处理，对于高硬度、低碱度的原水，采用石灰—纯碱软化处理，然后在软水中加入絮凝剂，滤除颗粒悬浮物及胶体杂质，后采用反渗透装置进行脱盐。但此技术仍然是较适用于钙镁离子为主的水质特征，与本矿区水质特征不符，且滤处后的杂质易造成2次污染。

(3)膜蒸馏技术

此技术的核心是利用选择性渗透膜和蒸馏方法，从高矿化水中直接分离出淡水，所有矿物质被留在残液中，适用于各种离子成分的水质处理。

此技术不仅可以提纯出纯净水，而且可以把残液中的离子浓度提高到足够高，然后可以非常经济地利用电化学的方法提炼回收其中的物质；然后这个电化学处理后的低浓度废液可以再加入膜蒸馏，重复循环。不仅可以增加另外的收入，而且基本上可以达到零排放，对环境几乎没有任何影响和破坏。

如果没有任何热源，吨水处理成本约1.1美元，如果有热源的话，成本仅为0.2～0.3美元。由于在井口附近有坑口电厂，有大量的热源可以利用，因此，膜蒸馏技术的处理成本1.3～2.0元，比目前远距离输水可节省5～7元的成本。

对比发现，电子絮凝技术初期投入较大、运行成本较低；药剂处理初期投入少、运行成本高太高、出水率不高；而膜蒸馏技术初期投入和运行成本较低，且处理系统目前已根据需求在加拿大已经模块化，极大地降低了前期对处理系统的巨大投入，并且还可对处理残液中矿物质进行进一步提纯利用，另创经济效益。可见，膜蒸馏方法，具有较高的经济合理性。

目前，针对上述各高矿化度地下水的处理利用方案正处在调研、论证阶段。该项目实施后，将在很大程度上改善矿区用水紧张、用水成本大等问题，并产生巨大的经济效益。

6 结 论

(1)针对吐哈盆地典型生态脆弱区-大南湖矿区降雨稀少、蒸发强烈等特征，结合矿区内III-1上段含水层巨大静储量的特点，尝试开展了该区保水采煤的水文地质基础研究，并将水害防治与保水采煤相结合进行了初步实践验证，在此基础上提出了矿区惟一具有开发潜力的高矿化度地下水的处理方案，初步取得了吐哈盆地生态脆弱区水资源保护性采煤的实践经验。

(2)针对研究区的水文地质资料，确定了主采煤层顶板的水文地质结构类型；根据调研其他矿井实测资料，利用类比法确定了研究区煤层开采后导裂带高度与采厚的比值(即裂采比)，以此为基础，结合研究区顶板含隔水层结构，确定了受保含水层的层位及保护方案。

(3)结合大南湖矿区的实际条件，提出并实践了吐哈盆地典型生态脆弱区的保水采煤工程，为指导作为新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭资源的绿色开采具有一定的理论及实际指导意义。

7 讨 论

(1)煤层采动后形成的导水裂缝带发育高度是顶板水害防治及保水采煤能否成功实施的重要基础。目前，针对西部弱胶结软岩地层导水裂缝带的发育规律尚无成熟的研究成果，对导裂带的实测也不足，仅借鉴了邻近及相似地质条件矿井的实测数据。因此，该矿区在保水采煤实施过程中还需对导裂带进行实测，在逐步积累经验的同时加强对西部弱胶结地层条件下导水裂缝带发育规律的研究。

(2)研究区高矿化度地下水的保护、开发与处理利用具有重要的供水及生态意义。研究区地表极度干旱，周边近100 km范围无任何水资源可直接利用，在各种矛盾的集中下，矿区高矿化度地下水成为惟一可能的潜在水资源。针对企业需要，并通过调研，在目前较为成熟的高矿化度水处理技术条件下将具有技术经济可行性，同时还具有巨大的开发利用潜力和一定的生态意义。因此，在大南湖矿区开展煤层顶板水害防治与保水采煤相结合以及受保高矿化度地下水的开发利用等方面的深入研究将成为矿区今后可持续发展的重要保障。

(3)同时，受保含水层的开发利用与该含水层的水质、赋存条件等关系十分密切。目前，针对西部弱胶结地层的水文地质基础研究还有待深入，需要进一步加大对该类含水介质特征、区域地下水补径排条件、循环条件的基础研究，在全面、系统的获取区域地下水赋存、运移环境以及动力场特征等之后，对于受保含水层的有效开发利用，并实现矿区绿色开采等将具有重要意义。

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Hydro-geological basic and practice for water-preserved mining in ecologically vulnerable area：A case study in Hami coalfield

XU Zhi-min1,GAO Shang1,CUI Si-yuan1,SUN Ya-jun1,CHEN Zhong-sheng2,WU Jiang-feng2

(1.SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China；2.XuzhouCoalMiningGroup,Xuzhou221006,China)

The ecological environment is relatively weak due to the low precipitation and high evaporation.The study area is the Dananhu mining area of Hami coal field,which is located in the Turpan-Hami basin.For the ecologically vulnerable area,the authors studied the hydro-geological conditions for water-preserved mining and its feasibility.The structure of aquiclude in the roof of major coal seam has been systematically assessed.Furthermore,the authors investigated the development characteristics of the height of the water flowing fractured zone,and studied the development potential of aquifer under protection.Then,the practical application for water-preserved mining had successfully conducted at the 1801 working face of Dananhu No.5 Coalmine as a case study.This study proposed a preliminary program for the development and utilization of protecting high salinity aquifer water,gaining experience for water-preserved mining in the ecologically vulnerable area of the Turpan-Hami Basin.This paper first put forward and practiced the roof water disaster control and water-preserved mining combining engineering in the typical ecological fragile area of Tuha Basin,providing theoretical and practical references for safely exploit the coal resources in Turpan-Hami coal field,which is one of the four major coal bases in Xinjiang Province.

Hami coalfield;the ecological fragile area;water-preserved mining;hydro-geological structure;mine water treatment and utilization

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5042

2016-10-13

2016-11-21责任编辑:许书阁

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB227901)；国家自然科学基金资助项目(41502282)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

徐智敏(1981—)，男，四川简阳人，副教授，硕士生导师，博士。E-mail：xuzhimin@cumt.edu.cn

TD823;P641

A

0253-9993(2017)01-0080-08

徐智敏，高尚，崔思源，等.哈密煤田生态脆弱区保水采煤的水文地质基础与实践[J].煤炭学报,2017,42(1):80-87.

Xu Zhimin,Gao Shang,Cui Siyuan,et al.Hydro-geological basic and practice for water-preserved mining in ecologically vulnerable area：A case study in Hami coalfield[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):80-87.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5042