准东大井矿区保水采煤开发利用研究

李根生，曾 强，杨 洁，何学敏，沈 莉

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)

近年来，我国进行能源结构调整，不断提高非化石能源消费在能源消费中的占比，发展绿色清洁能源产业。2017年，全国累计生产原煤35.23亿t，同比增长3.3%，占世界总产量的45.6%，煤炭消费量占能源消费总量的60.4%[1]。未来很长一段时间，煤炭作为我国能源消费的主体能源地位不变。

我国西部地区已探明煤炭资源储量10 628亿t，约占我国已探明储量的81%，而新疆地区煤炭资源最为丰富，2 000 m以浅预测煤炭资源量2.19万亿t，约占全国2 000 m以浅预测煤炭资源量的40%以上[2]。新疆准东矿区预测煤炭资源储量4 580亿t，占新疆储量的20.9%、全国储量的8.2%，其中已探明储量2 149亿t[3]。其作为我国已发现最大整装煤田，是我国第十四个大型煤炭基地。但该区域气候干旱、降水量稀少、蒸发强烈、水资源匮乏、地表植被稀疏、水土流失严重、生态环境脆弱，加之该区域煤层赋存面积广、单层厚度大、开采强度大、扰动范围广，因此该区域煤层开采势必造成区域地下水位下降，改变区域地下水流向，形成区域地下水降落漏斗，破坏区域生态环境，对区域及邻近绿洲生态环境将产生深远影响[4-5]。从矿区煤炭资源绿色保水开采和区域可持续发展角度出发，亟需先行开展区域水文地质基础研究，因地制宜开发区域保水采煤技术。

针对保水采煤的水文地质基础及水资源开发利用，钱鸣高等[6]首次提出绿色保水采煤概念；范立民[7]系统开展了西部生态脆弱区保水采煤研究；王双明等[8]研究了生态脆弱区含隔水层特征及保水采煤分区；武强等[9]系统研究了“煤-水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用；黄庆享[10]针对浅埋煤层研究了保水采煤隔水层稳定性；李文平等[11]研究了近浅埋煤层开采隔水层及潜水层变化；马立强等[12]提出了“采充并行式”充填保水采煤方法；白海波等[13]研究了隔水关键层在保水采煤中的作用；马雄德等[14]基于植被地下水关系研究了保水采煤；张东升等[15]研究了西北矿区保水采煤内涵及其展望；顾大钊[16]提出了采空区地下水库建设理论框架及技术体系；袁亮等[17]科学思考了关闭及废弃煤矿矿井水资源开发利用。以上学者关于保水采煤已形成一套理论及实践体系，但随着我国煤炭产能重心逐步西移，以准东煤炭基地为代表的生态脆弱区煤炭资源绿色保水开采理论及实践体系亟待建立。

本文以准东生态脆弱区煤炭基地为背景，选取准东大井矿区为典型对象，基于区域地质数据，结合现场调研、理论研究，分析矿区煤层赋存特征、含隔水层结构特征，估算导水裂隙带发育高度，分析该区域顶板隔水层稳定性，探讨保水采煤可行性，尝试提出适用于该矿区高矿化度矿井水资源开发和综合利用方式，对准东生态脆弱区煤炭资源绿色保水开采具有一定指导意义。

1 研究区概况

准东矿区位于新疆昌吉州境内，准噶尔盆地东南缘，东至木垒县，西至阜康市，南至东天山山脉，北至卡拉麦里山及阿尔泰山，东西长约200 km，矿区面积约15 334 km2[4]，地势总体呈南北高、中部低，区内北部以沙漠、戈壁地为主，南部以农田、林地、草地为主，以及山前洪冲积扇小面积荒地，地理位置如图1所示。准东二号矿井位于准东矿区的中北部，东西长12 km，南北宽12.3～13 km，面积152.42 km2，设计产能30 Mt/a[18]。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of study area

准东矿区大地构造单元属于准噶尔地块东北缘卡拉麦里山前拗陷。拗陷北界与东准噶尔地槽褶皱系卡拉麦里冒地槽褶皱带毗连，东南部是奇台隆起，沿克拉麦里南麓呈北西西向展布。矿区地层区划属北疆-兴安地层大区，北疆地层区，南准噶尔-北天山地层分区，位于大井凹陷构造单元(Ⅳ级构造单元)中，井田内未发现断裂，属于构造简单地区。区内出露地层有古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系，新生界第三系、第四系。

2 矿区煤岩赋存与水文地质

2.1 煤岩赋存特征

区内主采B1煤层均赋存于中侏罗统西山窑组，煤层厚度为43.74～64.83 m，平均厚度为53.31 m，西部煤层较厚，厚度达60～70 m，煤层厚度从东北和南部向中、西部呈加厚趋势变化，先期开采煤层厚度为50～60 m。煤层倾角为1～3°，局部为4～6°，煤层水平垂深为747～476 m，煤层埋深由东南至西北逐渐加深，煤层属稳定深埋巨厚煤层。主采B1煤层顶板多为细砂岩、泥岩、粗砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，底板多为高炭泥岩、炭质泥岩、含碳泥岩及细砂岩，钻孔柱状及其在矿井平面水文地质图位置见图2。

图2 矿井平面水文地质图及钻孔柱状Fig.2 The plane map of hydrogeological ofmine and borehole columnar

2.2 水文地质

井田地势北高南低，地下水平均埋深约40 m，未见地下水天然露头，地表主要由第四系透水不含水层组成，石树沟群裂隙孔隙弱含水层呈南北带状分布，见图2。区内无常年性地表水流，年平均降水量106 mm，年蒸发量1 202～2 382 mm，5～8月偶有雷阵雨，冬季积雪量少，地下水补给主要来自上游大气降水或冰雪融水补给，地下水沿水力坡度顺势向下游或向深部运移是地下水的排泄方式之一，未来矿井疏干排水亦将是地下水排泄的方式。高矿化度矿井水一般是指含盐量大于1 000 mg/L。根据矿井抽水试验时采集地层水样分析成果[19]，地下水化学特征见表1。

由表1可知，井田地下水化学类型为SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na、Cl-Na，pH值为7.4～9.2，溶解性总固体在1 570.6～9 681.6 mg/L，水质较差，为微咸水～咸水，属高矿化度矿井水，可利用程度差。

据矿井地质资料[19]，当钻孔进入中-粗砂岩、砾岩段时，钻孔漏水、漏浆或孔内水位升高，说明此类岩石孔隙率较大，裂隙较发育且不易闭合，透水、含水性较好，划分为含水段，而将粉砂岩、泥岩等细颗粒岩石划分为相对隔水段，将地层自上而下划分为5个含隔水段，各含隔水段水文地质特征分述见表2。

表1 地下水化学特征Table 1 Chemical characteristics of groundwater

表2 含隔水段特征Table 2 Characteristics of water-resistant strata

由矿井地质资料可知[19]，含水层Ⅲ及含水层Ⅳ均为煤层直接充水含水层，其渗透系数分别为0.0062～0.0125 m/d、0.00304～0.00467 m/d，单位涌水量分别为0.0056～0.0081 L/(s·m)、0.00312～0.00529 L/(s·m)，其中含水层Ⅲ岩性多为泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩、中砂岩，含水层Ⅳ岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、中砂岩、细砂岩，含一层巨厚煤层B1煤层。含水层Ⅱ为煤层间接充水含水层，其底部为厚-巨厚层状砂砾岩。

区内白垩系下统吐谷鲁群弱含水层(Ⅱ)、侏罗系中-上统石树沟群弱含水段(Ⅲ)、侏罗系中统西山窑组弱含水层(Ⅳ)均为层间承压水，当隔水顶板或顶板岩性变化或构造变动，并使其连通时，三者之间产生相应的水力联系。

主采B1煤层属深埋巨厚煤层，采煤对含隔水层的破坏势必造成顶板水渗入井下，产生大量矿井水，本次采用大井法计算预测矿井涌水量达2 050 m3/d，安全采煤需采取疏干排水措施将矿地下水通过管路外排至矿区以外，未经处理的高矿化度矿井水若用于矿区绿化或排至地表势必造成地下潜水位升高、土壤盐渍化，影响植物生长甚至枯萎。

3 保水采煤可行性分析

3.1 水文地质结构特征分析

根据矿井钻孔柱状图，以钻孔岩芯完整和破碎程度划分煤层顶板各岩层含隔水性，煤层顶板含隔水性划分结果见表3。

由表3可知，煤层顶板含水层与隔水层具有互层特征，其中距离煤层98 m处含厚度为62 m的粉砂泥岩互层隔水层，其可作为顶板关键隔水层。距离煤层54 m处含厚度为45 m的泥岩含水层，其可作为顶板关键含水层。因此，为保护45 m厚的泥岩含水层，需分析采场导水裂隙带是否对厚度为15 m的细砂岩隔水层产生完全破坏，另外为保护关键含水层，需分析采场导水裂隙带是否对厚度为62 m 的粉砂泥岩互层隔水层产生完全破坏。

表3 煤层顶板含隔水层Table 3 Water-resistant strata of coal seam roof

3.2 隔水保护层稳定性分析

保水采煤核心是保护顶板特定目标含水层，防止采动导水裂隙与特定含水层贯通。工程中常采用规程经验公式及类比法估算本区域内导水裂隙带是否发育至含水层。

基于矿井顶板岩层力学性质和实测裂采比及规程中软弱与中硬条件下导水裂隙带发育高度经验公式，并考虑地质条件、煤层赋存特征及矿井生产规模，分别估算本矿区大采高分层开采(分层采高7 m)和放顶煤分层开采(分层采高14 m)条件下导水裂隙带发育高度，计算结果见表4。

表4 导水裂隙发育高度预测Table 4 Prediction height of water-conducting fractures

由表4可知，采厚为7 m时，顶板导水裂隙带发育高度范围为79.1～190.5 m；当采厚为14 m时，顶板导水裂隙带发育高度范围为158.2～334.5 m。基于区域相似矿井沙积海矿实测数据，大采高分层开采和放顶煤分层开采导水裂隙带发育高度预测分别为94.5 m、189 m，若采用大采高分层开采方式，则顶板导水裂隙带将发育至顶板厚达54 m的含水层2，其下3层隔水层稳定性已破坏，将对矿井安全生产构成威胁。若矿井采用放顶煤分层开采方式，则顶板导水裂隙带将发育至顶板隔水层4，其下4层含隔水层稳定性已破坏，即导水裂隙带将与含水层3贯通，将对矿井安全生产构成严重威胁。若根据经验公式预测估算度，则导水裂隙带发育高将更高，对顶板隔水层的稳定性破坏更严重。根据导水裂隙发育高度预测结果可知采用大采高分层开采对顶板含隔水层稳定性破坏程度小于放顶煤分层开采。

3.3 受保护层开发潜力分析

B1煤层均赋存于Ⅳ含水层内，矿井煤层采后Ⅱ含水层、Ⅲ含水层和Ⅳ含水层地下水将通过岩石裂隙和构造裂隙下渗至矿坑内成为矿井水。第Ⅳ弱含水层下部地下水因承受较大静水压力，在煤层底板遭到破坏时，亦可通过越流补给方式进入矿坑。

根据上述分析，矿井巨厚煤层采后导水裂隙带势必波及顶板含水层，造成含水层水体涌入井下，为保证矿井安全采煤必将采取疏干排水措施。又因该区域巨厚煤层全区发育，开采范围广，地下煤层开采过程中势必排出大量矿井水，但区域地下水属高矿化度水，可利用率低，若将矿井水排入地表势必对区域脆弱生态环境构成威胁。因此，基于区域可用水资源匮乏、矿井水资源量丰富及用水现状，开展矿区矿井水开发利用方案研究，可一定程度缓解区域用水现状，保护当地脆弱的生态环境，具有极好的经济社会效益和生态效益。

综上所述，基于顶板含隔水层结构，并根据经验公式及实测裂采比预测估算导水裂隙带均已发育至多层含隔水层，隔水层稳定性遭到破坏，将产生大量矿井水，为实现矿井安全生产需采取有效措施，并控制采场顶板导水裂隙带发育高度，使得该区域具有保水采煤的水文地质可行性。

4 矿井水资源开发利用对策

矿井水是煤炭资源开采过程的“副产品”，矿区高矿化度地下水资源开发与利用具有重要的供水及生态意义。本文根据矿井地下水化学特征、园区企业类型及用水现状，进一步分析提出了区域矿井水开发利用方式。

4.1 矿井水开发

准东矿区现为煤电基地，凭借丰富的剩余热能和充足的电能，可用于矿井水质处理，降低水质处理成本。根据矿井地下水高矿化度特点，以及区域用水需求，提出以下几种高矿化度地下水处理方式。

1) 蒸馏法：蒸馏法以消耗热能为代价，其是对高矿化度矿井水进行热力脱盐淡化处理的有效手段;以煤电厂废热为能源的电-淡水联产工艺，将发电产生的余热作为蒸馏法淡化矿井水的热源，加热淡化苦咸水，此法的产水成本较低。

2) 电渗析法：借助园区发电企业电力优势，且作为我国矿井水深度处理最常用的处理工艺，其工艺技术较成熟、设备简单、对预处理和管理要求低，但电渗析不能去除水中的有机物和细菌，设备运行能耗大，使其在淡化矿井水工程中受到限制。

3) 反渗透法：该工艺具有适用范围广、工艺简单、脱盐率高、水回收率高、运行稳定、无污染、操作管理方便、出水水质好等优点，近几年随着膜技术的发展，反渗透处理装置的一次性投资大幅下降，使得其在矿井水深度处理方面得到了广泛应用。

4.2 矿井水利用

根据矿井高矿化度矿井水特点，并结合高矿化度矿井水预处理(混凝沉淀)和脱盐处理(反渗透等)工艺出水水质情况和矿井及区域用水需求和环境特点等，总结并提出了该矿区矿井水综合利用方式，见图3。

图3 矿井水综合利用Fig.3 Comprehensive utilization of mine water

由图3可知，矿井水预处理后可用于洗煤厂洗煤用水、厂区和道路降尘用水、地面车辆冲洗用水、井下生产用水，如采煤机、掘进机降尘等、井下防灭火和注浆封堵用水等对水质要求不高的方面，当水量供大于求时可补充地下水，或将采空区作为地下水库，减少蒸发；矿井水脱盐净水处理后水质已达到饮用标准可用于矿区冬季锅炉用水、矿区绿化及生态修复用水、矿区生活用水、矿区消防用水、火电冷却生产用水和矿区建筑施工用水等对水质要求较高的方面；剩余含盐分较高的矿井水可排至防渗性能较好的水池，借助矿区高蒸发特点自然结晶，结晶物应交由有处置能力的单位妥善处理，防止造成地下水质二次污染。

目前，针对该区域高矿化度矿井水处理方式正处于前期分析阶段，但依靠目前较成熟的高矿化度水处理技术具有可行性，且对处理后的矿井水进行综合利用，一方面可为当地提供工业用水和生活用水，创造经济效益，另一方面可保护地下水资源及区域环境，具有生态效益。

5 结 语

煤炭开采活动对覆岩含水层造成破坏和扰动，进而对矿区生态环境造成影响。基于常规和经验计算方法估算了大井矿区巨厚煤层大采高分层开采和放顶煤分层开采导水裂隙带发育高度，分别为126.8～190.5 m、232.9～334.5 m和79.1～98.0 m、158.2～196.0 m，导水裂隙带可发育至覆岩含、隔水层。从保水采煤角度出发，应减少分层采高，优先采用大采高分层开采。

准东矿区巨厚煤层开采空间尺度大、开采强度高及扰动范围广，该区域煤层开采势必造成区域地下水位下降，改变区域地下水流向，形成区域地下水降落漏斗，破坏区域生态环境，采煤产生的高矿化度矿井水量较大，但高矿化度高，不能直接利用，直接外排会污染地表土壤，造成土壤盐渍化，对矿区环境造成破坏，有必要开展矿井水的资源化利用。根据矿区用水现状、企业类型及地下水质，初步提出该矿区高矿化度矿井水可采用蒸馏、电渗析及反渗透等水处理工艺，经处理后的矿井水，根据水质情况可分别作为矿区生产、生活及生态用水，蒸发结晶产物需经特殊处置，防止造成地下水质二次污染。