黄河中游大型煤炭基地地质环境监测思路和方法

2021-06-18范立民吴群英迟宝锁王宏科郭佐宁宁奎斌赵小峰田水豹陈建平仵拨云姬怡微郑苗苗杜江丽

煤炭学报 2021年5期

范立民，吴群英，彭捷，迟宝锁，孙魁，王宏科，郭佐宁，宁奎斌，刘水，李成，赵小峰，田水豹，李博，陈建平，高帅,2，仵拨云,2，姬怡微,2，郑苗苗,2，杜江丽

(1.陕西省地质调查院矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西西安 710054; 2.陕西省地质环境监测总站，陕西西安 710054; 3.陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西榆林 719000; 4.西安捷达测控有限公司，陕西西安 710054)

我国黄河流域分布有9个大型煤炭基地，原煤产量约占全国的70%[1]，其中位于鄂尔多斯盆地北部的神东、陕北煤炭基地地处黄河中游生态脆弱区，减轻煤炭开发中的生态环境损伤，无疑是这一区域的重要任务。近年来，我国学者针对西部煤矿区绿色开采、水资源保护与生态修复开展了大量卓有成效的工作，取得了重要进展[2-7]，初步建立了以水资源保护和利用为核心的煤炭绿色开采技术体系[8-13]，建立了陕西境内3个大型煤炭基地的地下水监测网[14]，促进了水资源与生态环境保护。

煤炭绿色开采，就是以先进的采煤技术最大限度减轻采煤的环境损伤，促进采煤与环境保护协调一致。而自然环境损伤的过程，需要建立监测系统，进行实时监测，根据监测数据，调整煤炭开采方式，淘汰对环境损伤大的采煤技术，推广对环境损伤小和无损伤的采煤技术。基于这一需求，在黄河中游高强度采煤区，建立包括多参数地质环境监测系统，实时监测、监控矿区地质环境，成为新时代大型煤炭基地健康发展的必然选择。然而，尽管各矿区都建立了不同参数的监测点，也形成了较为系统的地下水监测网[14]，但有关地质环境监测网的系统报道相对较少。

笔者以黄河中游陕北侏罗纪煤田(包含神东、陕北煤炭基地)为例，探讨高强度采煤条件下地质环境监测问题，以促进黄河中游煤炭基地绿色开发和持续发展。

1 地质环境监测指标的选择

黄河中游的神东、陕北煤炭基地近年来快速发展，形成了以综采为主的千万吨级煤矿集群，年生产能力接近5亿t，千万吨级别的矿井有大柳塔、石圪台、哈拉沟、锦界、榆家梁、柠条塔、红柳林、张家峁、小保当一号、金鸡滩、杭来湾、榆树湾等近20处煤矿，2020年原煤产量5.17亿t，占全国的13%以上，其健康发展和持续开发，对国家能源安全、生态安全具有重要意义。

1.1 黄河中游煤炭基地地质环境特征

地质环境有广义和狭义之分，广义上，地质环境是自然环境的一种，指由土壤圈、岩石圈和水圈组成的环境系统。在长期的地质历史演化过程中，土壤圈和岩石圈之间、岩石圈和水圈之间、土壤圈和水圈之间进行物质迁移和能量转换，组成了一个相对平衡的开放系统。人类和其他生物依赖地质环境生存发展，同时，人类和其他生物又不断改变着地质环境。本文所指地质环境是狭义上的，指煤矿区岩石圈(最下部一层可采煤层以上至地表)、水圈(地下水、地表水)、土壤圈组成的环境系统，其中岩石圈(煤)受到人为扰动(高强度开采)，影响到地表并波及水环境、生态环境，研究区地质环境的特点包括煤层及其赋存环境、水环境和生态环境等。

1.1.1煤层赋存的地质环境

研究区煤层赋存于侏罗系碎屑岩中，以往勘查资料证实，本区赋存5层主要可采煤层，即1-2，2-2，3-1，4-2和5-2煤层[15]，其中浅部的1-2,2-2及3-1煤层埋藏深度0～200 m，是目前的主要可采煤层，在窟野河、秃尾河沿岸有出露，各煤层之间的间距20～80 m，一般30～50 m，煤层厚度一般3～5 m，2-2煤层最大厚度可达13 m。煤层顶板为泥岩与砂岩互层组成的隔水岩组，部分地段砂岩厚度大，分布广泛时可形成弱富水的含水层，上覆是红土、黄土隔水层及萨拉乌苏组松散沙含水层，典型煤层～含(隔)水层组合有4种类型，即孤立小型含水盆地型煤水组合、较强含水层下无隔水层型煤水组合、含水层隔水层共生型煤水组合及烧变岩型煤水组合[6]。

1.1.2地下水环境

矿区水资源贫乏，主要含水层是萨拉乌苏组含水层、烧变岩含水层，西部分布有洛河组含水层，近期研究发现，直罗组含水层在煤炭基地大部分区域分布，厚度大，富水性中等—弱，但在榆神府矿区西部却是一些大水矿井形成的主要水源[16]。

萨拉乌苏组含水层分布广泛，与全新统风积沙形成一个含水层，含水层厚度一般10～50 m，最大175 m，在榆神矿区、神东矿区的部分地段形成强富水含水层，是矿井突水溃沙的主要水动力来源，也是窟野河流域、秃尾河沿岸煤矿突水的主要水源。

烧变岩含水层是地质历史时期煤层自燃，围岩受到烘烤形成的裂隙、孔洞发育的特殊类型岩石，在陕北侏罗纪煤田分布于沟谷沿岸，分布面积约1 085 km2，通过沙层接受大气降水补给，在沟谷西岸往往形成强富水区段，水质良好，矿化度小于0.5 g/L，是部分煤矿突水的主要水源。

洛河组含水层分布于陕蒙边界一带，厚度0～222 m，一般100 m，是区域上的主要含水层，目前尚未受煤矿开采扰动的影响。

直罗组含水层分布于活鸡兔—柠条塔—锦界—瑶镇一线以西和榆神矿区大部分地区，厚度30～50 m，富水性中等到弱，但由于分布面积大，补给充分，在煤田东南部边界一带形成排泄区，这一带煤层开采，该含水层受扰动强烈，往往成为矿井涌(突)水的主要水源，我国矿井涌水量最大的煤矿——锦界煤矿矿井涌水水源主要来自该含水层。

1.1.3地表水环境

本区黄河一级支流主要有窟野河、秃尾河和无定河(上游为榆溪河)，各河流支流发育，水源主要来自于萨拉乌苏组、烧变岩和侏罗系砂岩含水层，部分来自黄土弱含水层，各含水层以泉的形式排泄形成溪流，溪流汇集形成窟野河等一级支流，并最终汇入黄河。

1.1.4生态环境

区内生态环境脆弱，植被覆盖度低，植被对地下水的依赖性较强，典型植被有沙柳、沙蒿、旱柳、小叶杨、柠条等，长期监测表明，这些植被依赖的地下水位埋深一般1.5～5.0 m，水位埋深大于15 m时，植被基本无法再正常发育生长[17-18]，植被覆盖度较低。近年来，随着矿区生态环境恢复治理，植被覆盖度显著增加，如红柳林煤矿2016年植被覆盖度与2008年相比明显增大(图1)。

图1 红柳林煤矿2008，2016年植被发育的遥感监测Fig.1 Remote sensing monitoring map of vegetation development in hongliulin coal mine in 2008 and 2016

1.2 黄河中游采煤对地质环境的扰动及体现指标

黄河中游煤炭开采特点是大采高、大开采工作面，开采强度高，单位面积的原煤产量大，煤炭开采对地质环境的扰动强度大，主要体现在顶板损害强度大，导水裂隙带发育高度大，对主要含水层扰动强度大，造成了地下水位区域性下降，部分区域泉水干涸，植被枯萎或死亡。

1.2.1地下水位持续下降

煤田开发前，笔者所在的陕西省一八五煤田地质勘探队曾对全区进行了1∶50 000、1∶10 000煤田水文地质测绘，系统调查了区内潜水水位埋深和泉流量，发现潜水位埋深一般小于15 m，这也符合生态水位合理埋深的需求[3，19]，这一水位埋深，涵养了毛乌素沙地并不丰富的植被资源。20世纪八九十年代，煤田开发初期，出现了抽水试验大降深钻孔周边、突水溃沙矿井附近水位下降、植被枯萎死亡的现象[3，5]，该现象引起笔者关注并由此提出了大规模煤炭开发引起生态灾难的担忧，保水采煤理念也正是诞生于这一背景。2015年笔者团队对矿区潜水位埋深进行了重新调查，534个调查点编绘的潜水埋深等值线图发现，窟野河、秃尾河沿岸潜水位下降明显，下降幅度大于8 m的面积达到758.9 km2，占调查区总面积的7.3%，全部位于煤炭高强度开采区，其他73%的未采煤区潜水位未下降，可见煤炭开发对潜水位的扰动是显著的[20]。近期发现，金鸡滩煤矿等煤层埋深较大、第四系下部红土层厚度大的区域，煤炭开采后，由于地表沉陷导致潜水位埋深相对变小，局部形成了湿地、湖淖，也影响了沙漠植被发育。

1.2.2泉水断流和干涸

据20世纪90年代的调查数据，榆神府矿区8 971.5 km2范围内有记录的泉2 580处，总流量4 997.059 7 L/s，这些泉是黄河中游的主要补给源。2015年对其逐一进行了调查、测流，发现仅存376处有水，总流量996.392 L/s，其余均干涸[21]。

1.2.3河流流量锐减

浅埋煤层高强度开采对地表水系的扰动和影响，20 a前就引起了笔者及团队关注，并持续关注了20多年，如窟野河1998年曾是CCTV-1天气预报的洪峰预报点，但从2000年就出现了断流，以后断流时间不断延长，2002年断流天数达到220 d，2003—2005年断流天数均超过了150 d。窟野河上游是乌兰木伦河和悖牛川。乌兰木伦河水系有朱盖沟、庙沟、考考乌素沟等支沟，自西向东汇入乌兰木伦河;悖牛川水系有三不拉沟、乌兰色太沟、丁其沟等从西北向东处汇入悖牛川，大部分支沟出现了断流现象(图2)。例如，双沟是窟野河上游乌兰木伦河的一个支流，沟长5.6 km，多年平均泉流量7 344 m3/d。1993年开始对泉域范围内的地下煤层进行开采，1997年泉眼干枯，河沟间歇性断流，水浇地变为旱地。煤田开发前，枯水期神木县永兴沟流量为0.2 m3/s、黄羊城沟为0.1 m3/s、西沟为0.3 m3/s、王洛沟为0.15 m3/s，2015年夏季丰水期，调查组对几大主要支沟进行了流量测定，流量衰减显著(图3)[22-24]。

图2 煤炭开发前后水系变化示意(红色是2015年调查时的干涸水系)Fig.2 Schematic diagram of water system changes before and after coal development (red is the dry water system at the time of investigation in 2015)

图3 煤炭开发前、后部分沟谷流量变化Fig.3 Change of flow in some gullies before and after coal development

1.2.4水库干涸

窟野河上游的石圪台村，机械化开采2-2上煤，煤层厚度5 m，埋深约50 m，形成塌陷区，原水库坝顶于2014年2月开始塌陷，发育裂缝群，间隔5～6 m，走向150°～330°，长1～2 m，宽0.2～2.0 m，深1～2 m，水库于2009年开始漏水，2010年被迫弃用;水库下游耕地可见多条平行裂缝，走向150°～330°，宽约0.3 m，深1 m，原水流流向为270°，现已倒流;石圪台村7组居民家中屋顶及墙体均有不同程度开裂，出现时间为2012年11月。该煤矿目前仍在开采。现状稳定性差，预测趋势不稳定，威胁46户、136人、500亩(1 hm2=15亩)耕地、5 000 m公路，险情规模中型，高危险(图4，5)。

图4 石圪台煤矿地面塌陷示意Fig.4 Ground collapse diagram of shigetaicoal mine

1.2.5黄土沟壑、沙漠区地表损害严重

2015年榆神府矿区已形成采空区面积421.993 4 km2，引发地面塌陷101处，塌陷面积133.561 8 km2。据不完全统计，截至2015年，已造成48间房屋、1 943.2亩耕地、13 981.75亩林地、113 952.6亩草地、2 701 m公路受损(图6)和23 631.28亩(1 hm2=15亩)其他土地(图7)。范立民、侯恩科等[25-26]对区内采煤造成的地裂缝、地面沉降发育规律进行了调查和研究，揭示了其形成机理。

图5 地面塌陷导致柳根沟水库干涸Fig.5 Picture of liugengou reservoir drying up due to ground collapse

图6 煤矿地面塌陷损毁道路、草地、农田和房屋Fig.6 Pictures of road,grassland,farmland and houses damaged by coal mine ground collapse

图7 沙漠地区煤矿开采地面塌陷损毁植被Fig.7 Pictures of vegetation damaged by ground collapse caused by coal mining in desert area

1.3 黄河中游地质环境监测指标体系

鉴于黄河中游煤炭基地大规模煤炭开发对地质环境扰动情况，确定主要监测指标层为水文水资源、生态环境、地质灾害、岩层变形及其他因素等。

(1)水文水资源。主要监测矿区河流的流量、湖淖(水库)的水位及积水量、地下水水位与水温水质等。监测点位选择方面，要充分考虑采煤对其影响规律。河流监测在进入、流出矿区的地方各设置一个测流点。湖淖(水库)监测要设置一定数量的监测点，监测各点位的水位标高、积水深度等参数，便于计算积水量。地下水监测以能够控制地下水流场为原则进行布点，并对监测点定期采取水样，化验测试水质指标。

(2)生态环境。主要监测植被覆盖度、植被种群及生长态势，采用遥感监测、无人机定期监测结合的方法。一般每年监测2次，遥感监测实行全域覆盖(即监测煤炭基地全部范围)，无人机监测采用典型区段监测，解剖典型区段，找出植被生态环境发育演化特征。

(3)地质灾害。监测参数包括地面变形、地裂缝、地面塌陷、崩塌、滑坡等，采用在线监测，对采煤工作面上方及影响区部署监测仪器，实时监测地面变形、地裂缝、地面沉降的参数，对斜坡地段，部署斜坡变形仪，监测斜坡变形参数。对高陡边坡，可部署在线实时监测仪器，监测边坡的变形参数和坡后缘裂缝发育等。

(4)岩层变形。主要监测采空区覆岩裂隙发育形态及其对地下水、地表植被的损伤。

(5)其他要素监测。主要监测矿区道路、工业广场、排矸场等对土地资源的损毁等。

2 监测区域分级分区

2.1 开采扰动强度分级

根据煤炭开采对地质环境的扰动强度，将监测区域划分为强烈扰动区、一般扰动区、近期影响区(国家规划矿区(矿井))和无扰动区(含煤而未规划的区域)，其中扰动区是在建、生产的煤矿采矿权范围内，无扰动区是煤炭基地未开采区(表1)。

强烈扰动区，分布于生产矿井正在开采的工作面上方、矸石堆积区域、工业广场等区域，煤炭开采覆岩损伤最严重，地面变形强烈，地下水渗漏现象明显，对植被的损伤显著，对土地资源损毁严重，是重点监测和防控的区域。

一般扰动区，分布于强烈扰动区以外的生产、在建矿井矿权范围内，煤炭开采地面变形不明显，地下水位可能出现下降，对植被有一定的损伤。

无扰动区是指已经经过国家有关部门批准为规划矿井但尚未开采的区域，是近期可能开发的区域，或者是含煤盆地范围内，未经国家有关部门规划开采的含煤区域，是远期可能开发的区域。

2.2 监测精度分区

根据采煤对地质环境扰动的强度，分别进行不同精度的监测分区，其中强烈扰动区，对应精准监测区，一般扰动区对应核心监测区，无扰动区对应一般监测区(表1)。

表1 黄河中游煤炭绿色开采监测分级方案Table 1 Monitoring and classification scheme for green coal mining in the middle reaches of the Yellow River

(1)精准监测区，监测指标包括所有地质环境参数，监测手段采用实时在线监测获取连续数据，监测参数多，监测精度高，监测数据直接反应采煤对地质环境的扰动程度。

(2)核心监测区，是精准监测区外围已经设置了采矿权的区域，受地下开采扰动强度弱，主要是地表煤矿建设对地质环境的影响，因此，监测指标和精度略低于精准监测区。

(3)一般监测区，是没有开采的含煤区域，属于无扰动区，因此，只监测生态环境和地面建设情况。

3 监测网建设与实施

地质环境监测建设目标是通过建设覆盖矿区的多参数监测网，实时监测监控矿区水文水资源动态、生态环境演化、地质灾害发育以及矿井排放物及其对环境的影响，为环境保护提供数据。

3.1 建设目标

近期目标是通过建立覆盖矿区的水资源监测系统、地质灾害监测系统、生态环境监测系统、井下开采监测系统;建成集数据获取、数据储存、数据分析评价、预警预报为一体的智能化、可视化的绿色开采大数据平台;形成支撑煤炭开发与生态环境保护的决策系统、风险管控系统的支撑平台、开采后生态环境时空演化规律的科学研究平台、政府科学决策和制度出台的科学支撑平台。

远期目标是建立基于资源环境承载力评价的绿色开采指标体系，根据评价结果，找出资源开发和生态环境保护之间的平衡点，以此调整优化资源开发布局和方式，实现矿区生态环境持续向好、产业绿色可持续的良性发展。

3.2 技术路线

在全面搜集地质环境资料、开采资料以及其他资料的基础上，对矿区矿山环境现状进行调查，查明目前存在的地质环境问题，建立起矿区地质灾害、水资源、生态环境问题等监测体系;以矿山已有智能化数字矿山平台为基础，开发集数据采集、数据挖掘、数据分析处理、预警预报、智能化展示为一体的绿色开采大数据平台(图8)。

3.3 总体思路及系统设计

3.3.1总体思路

地质环境监测的主要目标是进行数据治理建设，本着以开放式技术为主导，以成熟软件平台为依托，以业务融合技术方式开展设计工作。

3.3.2总体设计

(1)平台架构。为了保证建设完成的系统具有良好的适应性、整体性以及功能的完备性，需要按照先进性和合理性原则，对系统进行总体的规划和设计，这个规划的层次是对整个系统在宏观中的地位的把握。

(2)应用架构设计。系统以数据仓库建设为基础，数据治理、数据收集、数据分析技术为主要手段，通过统一访问门户为手段，通过统一访问门户为用户提供各类数据应用服务的信息系统。

系统的应用建设可以归纳为元数据管理、数据标准落地、数据质量管控、数据仓库建设等模块。系统应用架构如图9所示。系统采用B/S架构设计，支持集中式部署模式，从系统的技术体系构成和业务应用的角度出发，从逻辑上自底向上可以划分为数据资源层、数据治理层、应用访问层：

(1)数据源层是为整个平台的应用提供数据支撑。主要包括源数据接入区、ODS层、应用汇总层及数据集市层。

(2)数据治理层是进行数据治理工作的核心，主要包括元数据、数据标准、数据质量等。通过对元数据的梳理、数据标准的制定与落地、数据质量的探查与整改，进行各项数据治理工作。同时，数据治理层还可包括主数据管理、数据资产管理等，实现数据的共享，提供数据服务，为数据的应用分析提供有效支撑。

(3)应用访问层是以报表工具、ETL工具、应用中间件为支撑，提供各类报表分析服务。访问层面向用户提供信息访问服务，支持用户通过浏览器访问。

3.3.3技术架构设计

整体的技术架构可分为3层，分别是应用层、服务层、数据层(图10):

图10 平台技术架构设计Fig.10 Platform technology architecture design

(1)应用层是系统在面向使用用户的终端设备提供相应客户端技术，如AJAX，XML，CSS等。

(2)服务层是系统运行的基础环境，在应用服务器上搭载新报表系统，其中包含运行中间件，J2EE架构技术。运行中间件可支持主流的java运行的中间件，如Weblogic,WebSphere,Tomcat等;J2EE架构技术是指系统中所应用的J2EE相关技术指标;系统平台中包含了所使用的基础组件，如采集组件、分析组件、门户组件等。

(3)数据层是用于存储系统所引入和产生数据的，系统支持Oracel，Mysql，Sqlserver，DB2等不同类型的关系型数据库，能够满足用户不同的数据收集、管理、利用的需求。

3.3.4数据架构设计

主要包括通用数据标准与规范、数据处理应用、数据逻辑分布及对外数据接口设计4部分(图11)。