徐州煤矿采空区地下水库建库可行性研究

姜 素，黄敬军，徐智敏，孙亚军，刘 钦，张 丽，崔龙玉，

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院)，江苏 南京 210018；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

地下水库是以岩土体空隙为储水空间，在人工干预作用下形成的具有较强调蓄能力的水利工程，它是地下水人工补给、水资源地下储存与人工开采为统一体的系统工程[1]。地下水库最早起源于日本，1972年为了有效地利用流入大海的地下水，提出了在枥木县那须野原地下建防渗墙来储蓄地下水的设想，即建设地下水库。我国在1975年兴建了第一个地下水库——南宫地下水库，此后，为了解决北方地区的干旱和海水入侵问题，陆续修建了新疆乌拉泊洼地和柴窝堡盆地、石家庄滹沱河、陕西秦岭山前、山东八里沙河和黄水河等地下水库，为干旱区水资源的合理开发利用提供新的思路。地下水库相对于地表水库具有安全性高、投资少、不占地、无淤积等优点，故地下水库作为“环保型水资源开发工程”越来越受到广泛的关注，成为国内外研究的热点之一[2]。

煤矿开采形成的导水裂隙带成为地下水的良好径流通道，采空区破断垮落岩体间的自由空间及采矿巷道构成地下水储存场所，因此矿井采空区成为区域地下水的汇集中心。采空区积水长期被视为水害，绝大部分封存地下或外排损失，针对此问题，顾大钊院士突破原有“堵截法”保水理念，提出了“导储用”为核心的地下水保护利用方法，即利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储孔，将安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体，同时建设矿井水入库设施和取水设施，充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用，建设煤矿采空区地下水库工程[3]。该技术已在神东矿区及神华西部矿区全面推广应用，建成的32座煤矿地下水库储水量达3 100×104m3[4]，并在大柳塔矿建成了首座煤矿分布式地下水库，解决了矿井的供排水、污水处理、水灾防治、环境保护和节能减排问题，使矿井水资源得到安全高效利用[5]。

徐州是全国严重缺水的城市之一，水资源短缺已严重制约社会经济的发展，但城市规划区内煤炭资源开发形成140 km2的采空区下赋存的矿井水却未能有效利用。因此，如何利用矿井水资源，构建采空区地下水库，是徐州市水资源综合利用亟待解决的重要研究课题。本文以徐州城市规划区内煤矿采空区为例，从水资源属性角度出发，对采空区地下水库建设可行性进行探讨。

1 区域地质及采空区概况

1.1 地质构造及煤系地层

徐州市位于中国东部新华夏系第二个隆起带的西侧与秦岭—昆仑纬向构造带的交会处，属于徐蚌褶皱束，地层属华北地层区鲁西分区徐宿地层小区。基底为太古界变质岩(未出露)，上元古界仅见青白口系、震旦系，为一套碎屑岩沉积，以后相继沉积寒武系、奥陶系，以碳酸盐岩为主，下部夹碎屑岩。经加里东运动，地壳上升，缺失奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统沉积。受海西运动的影响，地壳下降、发生海侵，经历了海洋—滨海—大陆的变迁，形成了石炭系中-上统的碎屑岩、煤层及灰岩互层和二叠系碎屑岩夹煤层。

徐州最主要的构造为徐宿弧形构造，表现为复式背斜与复式向斜的平行相间呈隔档式发育，复式背斜核部主要由新元古界组成，复式向斜核部则多由二叠系组成。其中，贾汪、闸河、九里山向斜是含煤区，构成规划区的贾汪、九里(含马坡)、闸河和利国等4个煤田，含煤地层为二叠系中统下石盒子组、山西组与上石炭统太原组[6]。下石盒子组含煤地层为一套内陆河、湖相碎屑沉积，厚约180～220 m，含3～5层煤，第1、2、3层煤可采；山西组含煤地层为海相逐渐向陆相过渡的碎屑沉积，厚60～120 m，含2～6层煤，第7、8、9、10层煤可采；太原组含煤地层为海陆交互相碳酸岩盐及含煤碎屑沉积，厚140～190 m，含8～12层煤，第17、18、20、21层煤可采。

1.2 水文地质条件

徐州煤矿大部分煤层埋深超过200 m，具有埋藏变化大(50～1 000 m)、松散覆盖层薄(40～90 m)的特征，按地下水赋存的介质条件，自上而下可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水。孔隙水赋存于第四系全新统粉砂、粉土及上更新统砂层中，属潜水-弱承压水，富水性差，除贾汪煤田北部因第四系薄，与下伏基岩裂隙水无隔水层外，其它煤田均与裂隙水无水力联系，其补给来源为大气降水的垂向补给及地表水的侧向径流补给。裂隙水赋存于二叠系石盒子组、山西组地层中，含水岩性由页岩、砂质页岩、粉砂岩及石英砂岩组成，裂隙不发育，富水性差。岩溶水赋存于石炭系太原组和奥陶系马家沟组碳酸盐岩地层中，为煤层底板含水层。石炭系太原组岩溶水是煤矿区主要含水层，含水岩性由页岩、砂质页岩、砂岩和薄层灰岩组成，含水层与隔水层相间成层。含水的13层薄层灰岩为互不连通的单一含水层(构造带和采空区除外)，富水性一般，但局部层位局部区段富水性好，是煤矿突水含水层之一；马家沟组岩溶水是徐州地区主要供水水源层位，与含煤地层构成“水煤共存”的岩溶水系统，具有“煤在楼上，水在楼下”的结构特点[7]，含水岩性由白云岩、灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩组成，富水性强，虽不是矿区含水层，但常通过导水构造与太原组岩溶水沟通，导致奥陶系灰岩突水，严重威胁矿井的安全。

1.3 徐州煤矿采空区概况

徐州煤矿开采至今已有130多年，20世纪80年代后期全民采矿，乡镇小煤窑超过200多家，但国有统配煤矿仅20多家，至2016年底已全部关闭，累计采煤4.71×108t。徐州煤矿开采形成140 km2的采空区，其中，东部贾汪煤田采空区面积最大，达77.2 km2；西部九里(含马坡)煤田采空区面积次之，为52.3 km2；南部闸河煤田和北部利国煤田采空区面积较小，分别为7.8 km2和2.4 km2。按采空区埋藏深度分为浅层采空区(<50 m)、中深层采空区(50～200 m)和深层采空区(≥200 m)，面积分别为87.26 km2、40.31 km2和11.68 km2(图1)。

2 采空区地下水库建库条件分析

建库条件是指地下水库的建设所需要具备的最基本的条件，即足够大的地下储水空间、充足的补给水源和水质保障[8]。对于采空区地下水库而言，储水空间指采空区破碎岩体的空隙量，补给水源指通过岩体空隙进入采空区的水量，其水质必须符合地下水饮用标准。此外，作为采空区地下水库还要考虑水库运行安全和周边岩溶水水源地的影响，即采水不引起采空塌陷“活化”和不造成岩溶水水源地资源衰减。

图1 徐州城市规划区煤矿采空区分布图[6]Fig.1 Distribution map of the coal mine goaf in the Xuzhou urban planning area

2.1 采空区地下水库储水空间

采空区地下水库主要是利用采空区破断垮落岩体间的自由空隙进行储水，水库库容即是采空区范围内垮落岩体的自由空隙总量[9]，采空区的空间大小决定了地下水库库容。根据徐州城市规划区各矿井资料，采用容积法计算采空区储水量，公式如下：

W=KMS/cosα

式中：W——采空区储水量/m3；

M——采空区煤层平均采高/m，依据矿井各开采煤层计算平均采高或煤厚；

S——采空区面积/m2，依据矿井分煤层采掘工程平面图圈定的水平投影面积；

α——煤层平均倾角/(°)，据矿井开采煤层计算；

K——充水系数，与采煤方法、煤层倾角、顶底板岩性及采后间隔时间等有关，《煤矿安全手册》(1992年)给出的取值范围0.25～0.50，本文取最小值0.25。

经估算，规划区14个矿井采空区总体积为3.032 8×108m3，储水总量7 583×104m3(表1)。按采空区储水量划分3个等级，大于1 000×104m3为储水能力大，介于500×104～1 000×104m3之间的为储水能力中等，小于500×104m3为储水能力小。显然，庞庄和韩桥矿采空区的储水能力大。

表1 徐州城市规划区煤矿采空区体积及储水量Table 1 Volume and water storage of the coal mine goaf in the Xuzhou urban planning area

2.2 采空区地下水库水质保障

采空区水质是构建地下水库的重要因素，出库水质应基本满足饮用水标准或经过净化、过滤等水质处理技术后达标。采空区水质一是通过采矿期间矿井的外排水水质判别，二是通过矿井水水样测试数据判别。

据相关资料[10]，2000年徐州城市规划区内各煤矿外排矿井水可分为3类，新河、垞城、义安和卧牛山矿为洁净矿井水(I类水)，水质指标基本符合国家标准；权台、旗山、大黄山、庞庄和夹河矿为含悬浮物等常规污染因子较高的矿井水(II类水)，除悬浮物超标外，其他指标基本符合要求；韩桥和张集矿为高矿化度、高硬度的矿井水(III类水)(表2)。其中，新河矿井下所有涌水点动态监测数据表明，40项监测指标完全符合饮用I类水标准。自1998年起，就以“排供结合”方式，通过井巷工程等将符合饮用水标准的矿井水引流、收集、封闭、单独排至地面，在地面进行消毒，然后直接进入城市供水管网，日供水5×104m3，为缺水的徐州提供了一个水源可靠、水量充沛、水质优良的供水基地，满足了35万人的生活饮用。

2015—2016年部分矿井水采样分析表明，卧牛山、新河、旗山、义安、权台和夹河矿的矿井水水质相对较好，为HCO3—Na或HCO3—Na·Ca型水，溶解性总固体1～2 g/L；垞城、张集矿矿井水水质较差，为Cl·SO4—Na·Ca型水，溶解性总固体2～5 g/L；韩桥矿矿井水水质极差，为SO4—Mg·Na·Ca型水，溶解性总固体近10 g/L(表3)。由此表明，矿井关闭对矿井水水质影响较小。

表2 徐州城市规划区矿井水2000年监测数据Table 2 Monitoring data of mine water in the Xuzhou urban planning area in 2000

表3 徐州城市规划区部分矿井水水质分析Table 3 Partial mine water quality analysis in the Xuzhou urban planning area

2.3 采空区地下水库调储能力

采空区地下水库的调储能力是地下水库应急供水的资源保障。虽然矿井水非奥陶系岩溶水，为石炭系、二叠煤系地层的裂隙水和岩溶水，但煤系地层地下水的疏干，造成矿井水和奥陶系岩溶水之间的水动力平衡破坏，“三带”中岩体破裂产生的导水裂隙带沟通了矿井水与奥陶系岩溶水的联系，表现出矿井水并非单一煤系水，为混合水或典型的奥陶系岩溶水。据徐州城市供水勘察和地下水资源调查评价成果，区内1984年矿井疏干排水量36.45×104m3/d，疏干奥陶系岩溶水9.76×104m3/d，占26.8%；1999年矿井疏干排水量25.40×104m3/d，疏干奥陶系岩溶水12.55×104m3/d，占49.4%，显然，随着煤矿开采的加深，奥陶系岩溶水的疏排比例增大。据统计，规划区内14个煤矿生产过程中地下水排泄总量为36.79×108m3，其中奥陶系岩溶水14.22×108m3，占38.7%(表4)。

采矿期间矿井涌水量大，说明矿井水补给水源充足，据14个煤矿矿井生产时期历年平均涌水量统计，韩桥、新河、大黄山、权台和卧牛山矿历年平均涌水量大于500 m3/h，调储能力大；青山泉、义安、张集和夹河矿介于100～500 m3/h，调储能力中等；其它矿小于100 m3/h，调储能力小。

煤矿生产排水形成以矿区为中心的疏干降落漏斗，关闭矿井后疏干含水层和巷道被地下水回灌充填，导致相邻矿井或采区矿井水连通，地下水位迅速回升。青山泉—韩桥矿关闭矿井区域地下水流场演化模拟表明，关闭1 a内水位上涨较快(1.14 m/a)，1～3 a水位回升速度明显减慢(0.165 m/a)，3～10 a水位回升速度更小(0.039 m/a)，矿区地下水流系统得到恢复[11]。

综上所述，结合采空区水库所处位置，以“水质优先，先近后远”原则，判别规划区内14个矿井中新河、卧牛山、大黄山、韩桥、庞庄、权台和青山泉矿等7个矿井具备建立采空区地下水库的条件。其中新河矿、卧牛山矿、大黄山矿库容虽小，但因水质基本满足饮用水标准，且调储能力大，水源能及时得到补给，同时上述三矿临近城区(距离小于10 km)，采空区地下水库可利用等级为I级；青山泉、权台、韩桥、庞庄矿库容虽大，但水质相对较差，地下水库可利用等级为II级；其它采空区地下水库可利用等级为III级(表5)。

3 采空区地下水库运行安全分析

表4 徐州城市规划区煤矿涌水量及消耗量Table 4 Inflow and consumption of coal mine water the in Xuzhou urban planning area

表5 采空区地下水库优先利用等级Table 5 Grading standards in priority utilization of groundwater reservoir in the coal mining goaf

煤矿采空区地下水库坝体主要由保安煤柱和隔水岩层组成。正常情况下煤柱起到隔水作用，但采矿活动使煤柱中的裂隙扩大，地下水通过裂隙进入煤柱，地下水对残留煤柱的浸泡、溶蚀作用破坏覆岩原有的应力平衡状态，采空区出现岩体孔隙、裂隙和空洞的再压密，并伴随岩块的转动和蠕变等“活化”现象[12]。因此，采空区地下水库的稳定性是构建地下水库的关键。

采空区地下水库坝体的主要结构为安全煤柱，储水对煤柱坝体产生侵蚀，影响坝体结构强度[13]。为此，选取庞庄矿7煤和9煤的15块煤样，用井下-370 m矿井水浸泡，分5组进行物理力学强度测试。第一组煤柱未经浸泡、第二组浸泡7 d、第三组浸泡15 d、第四组浸泡21 d，第五组浸泡41 d。劈裂法试验测试结果表明，煤样浸泡后7煤的抗拉强度、抗压强度和9煤的抗压强度在浸泡初期强度下降幅度大，3周后煤样的强度减少程度较小，基本处于稳定(图2)。

图2 煤样浸泡抗拉强度和抗压强度测试曲线Fig.2 Tests curve of tensile strength and compressive strength of the immersed coal samples

纵观城市规划区建库条件库I、II级的采空区地下水库，关闭时间多在2008年前，仅庞庄矿(2013年关闭)和权台(2015年关闭)时间较短，但至今也在2 a以上，保安煤柱经矿井水2 a的浸泡，强度早已稳定。2007—2010年及2012—2015年InSAR监测资料表明，关闭2 a以上矿山的最大地表形变速率在5 mm/a以内，基本趋于稳定(表6)。因此，上述采空区作为地下库，库体结构趋于稳定，不会引发采空区“活化”。

表6 徐州城市规划区煤矿采空区地表变形InSAR监测Table 6 InSAR monitoring results of coal mine in the the Xuzhou urban planning area

4 结论及建议

(1)徐州城市规划区采空区地下水库是以采空区破断垮落岩体间的自由空间及巷道为储水空间，据估算储水总量可达7 583×104m3；采矿期间矿井的外排水和矿井水水样测试数据表明，除韩桥和张集矿外，矿井水都满足饮用水标准；安全煤柱劈裂法试验测试和INSAR监测数据表明，采空区作为地下水库库体结构稳定。因此，徐州城市规划区采空区具备修建地下水库的基本条件。

(2)徐州城市规划区14个煤矿中新河、卧牛山、大黄山、韩桥、庞庄、权台和青山泉矿等7个矿井具备建立采空区地下水库的条件，其中，新河、卧牛山、大黄山等3个I级采空区地下水库储水量超1 000×104m3；韩桥、庞庄、权台和青山泉矿等4个II级采空区地下水库储水量近4 000×104m3。

(3)本文从采空区储水空间、补给水源、水质条件等方面进行研究。但采矿时砌筑水闸墙形成的阻水帷幕是由混凝土浇筑而成且长期受高压酸性水侵蚀，其结构强度和抗渗性能可能降低[14]，挡水失效可使酸性矿井水与优质矿井水混合，影响采空区地下水库的运行；同时，矿井中遗弃的生活垃圾等污染物对矿井水的污染机理、矿井水在水位回弹过程中与围岩及其保安煤柱之间的水岩作用机理及其水动力与水质演化效应、矿井水再利用可能诱发的环境问题及其防控技术等科学问题[15]亟待研究。矿井关闭后原有的疏排矿井水的设施都已废弃，如何利用未封闭的井筒或大口径钻孔抽取矿井水，其经济合理性也是今后研究的方向。