新近系含水层下厚煤层综放安全绿色开采及水资源清洁利用

2022-07-20郭文兵白二虎侯建军张要展

煤炭科学技术 2022年5期

郭文兵,白二虎,张璞,侯建军,张要展,李萌

(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454003;2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 454003;3.河南省新郑煤电有限责任公司,河南郑州 451100;4.河南省煤科院检测技术有限公司,河南郑州 450001)

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，能源与环境之间的矛盾日益凸显，我国能源赋存条件决定了煤炭是短期内不可替代的稳定主体能源，始终在能源结构中保持着基础性地位[1]。然而，长期的煤炭开采对覆岩与地表及生态环境造成了极大扰动，诱发了地表沉陷[2]、耕地与建筑物损毁[3]、地下水位下降[4]、植被退化与生态破坏[5]及环境污染[6-7]等一系列问题，严重影响矿区乃至社会工农业生产与可持续发展。由于替代能源尚不能满足日益增长的巨大能源需求，因此，煤炭走高效、清洁、绿色开发利用的道路是煤炭行业可持续发展的必由之路。

基于经济发展与资源环境矛盾的日益突出，谢和平等[8]提出了近零生态损害的科学开采、近零排放的清洁低碳利用、矿井建设与地下空间一体化利用、深部原位流态化开采四大领域的全产业链煤炭技术革命路线，形成了未来30 a煤炭革命的战略蓝图。武强等[9]制定了打造我国主体能源升级版的战略思路，提出了我国在实现主体能源升级过程中面临的关键科技难题及其解决对策。袁亮[10]提出了煤炭精准开采的科学构想，并指出了相应的关键科学问题和主要研究方向。由于水资源是能源开发与环境保护矛盾的关键，钱鸣高等[11]对采动影响下覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题进行了阐述。马雄德等[12]阐明了生态脆弱矿区植被与地下水关系及其对煤层开采的约束作用。顾大钊[13]研发了保障神东矿区水资源供应的煤矿地下水库技术。毕银丽等[14]研究发现土壤含水量越靠近裂缝处下降越快、盐随水行的变化规律。范立民[15]基于保水采煤技术取得的成果，提出了目前保水开采领域中煤炭开采与含水层保护的5个科学难题。结合煤炭革命理念，煤炭的清洁化与低碳化利用是煤炭科技发展的方向，孙旭东等[16]明确了我国洁净煤技术发展战略目标与路径，并以此提出了相应的政策建议。张玉卓[17]阐释了中国清洁能源发展的战略思路、实施路径及重点，并提出了保障中国清洁能源发展战略实施的具体对策。吴刚等[18]指出煤炭与其他清洁化石能源、可再生能源的协同开发是未来中国能源发展的必由之路。因此，煤炭绿色发展不仅要研究采动影响下地表沉陷控制与治理技术，还应升级煤炭产业技术，从而减小资源浪费，实现煤矿绿色可持续发展及清洁能源的高效利用。

笔者基于安全绿色开采与可持续发展理念，分析了新近系含水层下采煤的安全性，提出了将覆岩水转化为矿井水的井上、井下联合贯通疏放水技术，研究了采动影响下地表动态响应特征，阐明了厚煤层综放开采地表沉陷演化规律及角量参数，并以清洁能源综合利用理念建立了矿井供热方式的全寿命周期成本模型，合理确定了矿井热源供应方式，不仅保障了覆岩含水层下工作面安全开采，而且实现了覆岩含水层水资源的清洁利用与矿井的绿色可持续发展。

1 地质概况

河南省新郑煤电有限公司位于郑州矿区，隶属于新郑市。井田范围内大部分区域的地表地势平坦，地层属于华北平原分区之嵩箕小区，缺失奥陶系上统、志留系泥盆系及石炭系下统。矿井开采煤层为二叠系山西组的二1煤，倾角为4°～9°，采用走向长壁采煤法。11采区的煤层平均厚约为6.54 m，平均采深为313 m，结合矿井地质采矿条件，煤层厚度变化情况和基岩厚度变化呈负相关关系，即煤层厚度大的区域基岩薄。11206工作面为矿井11采区的首采面，工作面尺寸为2 165 m×170 m，覆岩岩性为中硬偏软弱岩层，其中，第四系上部主要为大孔隙、垂直节理发育的次生黄土，底部为强富水含水层，平均厚度约120 m。12采区东翼煤层厚为1.38～16.10 m，平均为5.86 m，开采深度平均为247 m，该区域地质采矿条件与11采区基本类似。12采区东翼的岩层及其厚度分布如图1所示。

图1 12采区地层及厚度Fig.1 Stratum and their thickness in No.12 mining area

2 新近系含水层下厚煤层安全绿色开采

结合矿井水文地质特征及前期开采经验，对二1煤层开采造成直接影响的是新近系含水层，基于钻孔抽水试验分析，新近系含水层为局部中等富水的弱富水含水层，无水源补给且基本为静储量。基于12采区地质采矿条件与钻孔勘探线，煤层厚度由北东翼的16.1 m逐渐降至西南翼的1.38 m，而基岩厚度分布与煤层厚度呈负相关关系，即基岩厚度由北东翼向西南翼逐渐增大。12211工作面是12采区东翼的首采工作面，煤层倾角为3°～6°，其中新近系(厚143.9 m)与第四系(厚44.1 m)组成的松散层平均厚度188 m。为保障工作面在新近系含水层下安全开采，针对该采区以覆岩破坏高度为依据进行开采安全性区域划分，进而研究新近系含水层下煤层安全开采技术。

根据相关规范[19-20]可得出工作面开采引起的导水裂缝带高度平均约为58.4 m。由于该采区煤层厚度变化较大，在煤层最大厚度处的导水裂缝带高度约为90.3 m。结合12采区东翼的钻孔勘探线，将采区内的松散层以含水特征从上至下划分为4段：第Ⅰ段强富水组、第Ⅱ段弱富水组、第Ⅲ段隔水层组与第Ⅳ段弱富水组，其中后3段属于新近系，如图2所示。考虑到综放开采可能会波及新近系含水层而威胁工作面安全生产，需采取相应措施保障工作面的安全开采。

图2 研究区松散层含(隔)水层组对比剖面Fig.2 Section of unconsolidated aquifer group in study area

为分析新近系含水层静水储量，结合12采区东翼钻孔柱状图，以不同岩性(砾石、中砂、细砂)的含水层厚度为基础，根据各岩层的给水度参数(图3)，采用相邻等高线分块法(式1)计算各块段面积及相应含水层厚度，从而得到含水层静储量，见表1。

表1 采动破坏含水层的静储量Table 1 Static reserves of aquifer damaged by mining

图3 不同岩性的给水度Fig.3 Water yield of rock strata with different lithology

Vq=∑(μj∑Sjdj)

(1)

式中：Vq为含水层静储量，m3；μj为不同类型含水层给水度；j为岩性数量；Sj为分块段含水层面积，m2；dj为分块段岩层厚度，m。

以距12211工作面较近的3个钻孔抽水试验(表2)为基础，采用大井法预计各钻孔的涌水量，如式(2)：

(2)

式中：Q为预计涌水量，m3/h；K为含水层渗透系数，m/d；H为潜水含水层厚度或承压水隔水底板到承压水位的距离，m；M为承压含水层厚度，m；S′为水位降深，m；h为含水层隔水底板到井壁外动水位距离，m；η为承压转无压时疏放水通道的形状系数；a、b为矩形边长。

结合表2与式(2)得到采区内3个钻孔涌水量分别为146.47、332.61、162.09 m3/h，平均为213.72 m3/h，验证了该区域含水层富水性的差异和平面上分布的不均匀性。针对12211工作面而言，结合矿井邻近采区地表移动角量参数，以73°的基岩移动角和45°的松散层移动角划定煤层开采后新近系含水层的破坏范围，根据各含水层给水度和体积分区得到破坏范围内的静水储量为8.38万～12.13万m3。

表2 工作面附近钻孔抽水试验Table 2 Borehole pumping test near working face

结合12采区东翼钻孔柱状图，分别以相应煤厚计算对应的导水裂缝带高度，结合各类安全煤岩柱留设方法与基岩厚度，对研究区划分了防塌区、防砂区、防水区及安全开采区，如图4所示。

由于二1煤开采将波及新近系第Ⅳ段弱富水组，也可能会波及该段局部中等富水区域，但在新近系与第四系底部强含水层间依然存在充足的稳定隔水层，二者间不会发生水力联系。由图4知，在研究区内留设防水煤岩柱后，剩余区域不足以布置安全开采工作面。考虑到矿井水温度常年保持在25 ℃ 以上，结合矿井目前正常涌水量(1 400 m3/h)，为提高煤炭资源采出率及实现矿区的可持续发展，基于主动预防与清洁能源综合利用理念，提出了将覆岩水转为清洁能源的井上、井下联合贯通疏放水余热利用技术(图5)。

图4 研究区安全开采区域划分Fig.4 Division of safe mining area in study area

图5 井上、井下联合贯通疏放水技术Fig.5 Up and down well combined drainage technology

结合煤层开采安全分区特征，为保障工作面开采不受含水层的影响，基于覆岩破坏高度内含水层累计厚度，在12211工作面地表附近厚煤区精准施工4个垂直疏降钻孔，将新近系松散含水层水通过钻孔疏放至煤层底板，并在煤巷或低位巷施工近水平钻孔对接地面垂直钻孔底部，形成L型顶板水疏放系统，从而保障工作面安全开采。

针对疏放钻孔而言，以12211工作面疏1孔为例，该孔孔深245.8 m，初始钻孔涌水量约为40 m3/h，累计放沙10 m3。工作面回采期间，在工作面两巷共施工57个顶板新近系探查钻孔，其中仅1孔最大涌水量为1.5 m3/h，其余钻孔均无水，主要由于砾石层易产生塌孔所致。疏放水10 d后涌水量稳定在16 m3/h，此时，新近系疏放水总量约为11.58万m3，结合疏水钻孔水位及水量变化情况，认为该工作面新近系含水层静水储量已疏干，实际疏放水量与预测静水储量基本相符。由于受到含水层径流影响，工作面最终疏水总量约为32.46万m3，在工作面回采过程中均未出现顶板淋水现象。此外，该技术成功应用于邻近工作面开采中，各工作面疏放水总量如图6所示。

图6 各工作面疏放水量分布Fig.6 Distribution of drainage water in working face

由图6可知，疏水总量与覆岩破坏采动程度有关，且随开采面积增大而逐渐降低，呈现负相关关系，主要是由于含水层径流等因素影响，导致工作面疏放水措施减少了邻近工作面的放水量。同时，也验证了井上、井下联合贯通疏放水技术的有效性。基于L型顶板水疏放系统，实现了12采区3个工作面松散含水层下压煤安全开采，解放了薄基岩松散含水层下压煤资源5.99 Mt，实现了工作面的安全开采。

3 厚煤层综放开采地表沉陷特征

为更好指导矿井厚煤层综放安全开采，通过建立地表移动观测站，分析研究了厚煤层综放开采地表移动特征。结合工作面上方平坦地势的农田，在地表布设3条测线，其中1条长度为590 m的走向线(A线)，2条长度为710 m的倾向线(B、C线)，共埋设92个测点，相邻测点的间距均为25 m，如图7所示。

图7 地表观测线与工作面关系Fig.7 Relationship between observation line and working face

通过采用RTK与三维激光扫描技术的现场监测可知，工作面走向方向上地表动态下沉曲线、沉陷区的数字高程模型如图8所示。基于现场监测数据，得到了厚煤层综放开采条件下地表角量参数见表3。

表3 厚煤层开采地表移动角量参数Table 3 Surface movement angle parameter of thick coal mining

由图8可知，在煤层开采过程中，工作面前方地表出现了地表裂缝、台阶、塌陷坑等非连续破坏，且随工作面推进而前移，形成了裂缝间距与周期来压步距基本一致的超前裂缝群，裂缝最大宽度达50 cm，主要由于黄土层在拉伸作用下加速垂直裂隙的发育所致。在裂缝群中出现了与地表倾斜方向相反的反向台阶裂缝，主要由工作面推进速度不均匀、煤层厚度不稳定及黄土层厚度较大等因素引起。由此可知，厚煤层综放开采具有地表移动剧烈、地表下沉速度大、非连续变形破坏严重、裂缝角偏大等特点，符合对覆岩及地表破坏较为严重的高强度开采范畴[21]。结合地表下沉曲线，以45°的松散层移动角为基础，计算得到工作面开采的基岩移动角约为73°，为矿井后期工作面开采的影响范围计算提供参考依据。

图8 采动影响下地表动态响应特征Fig.8 Characteristics of surface dynamic response

与此同时，结合厚煤层综放开采的地表响应特征及绿色矿山建设理念，根据矿区地形地貌和原有耕地特点，将耕地以坡度进行分区复垦。基于开采沉陷区地表响应特征，以超前影响角、超前裂缝角与最大下沉速度滞后角分别对采煤沉陷区进行区域划分，根据地表沉陷坡度采用相应的复垦方法，如在地表破坏严重区域，采用土壤剖面修复措施构造适宜植被生长的土壤剖面层次、介质和物理环境；在坡度较缓区域内就地充填裂缝、平整土地。由于采动影响下地表移动变形具有长期性，以工程复垦与生态复垦相结合的原则，在土地采用工程复垦的同时，针对采煤沉陷区采取了一系列生物化学措施(如土壤改良与培肥措施、植被管护措施及生物改良措施等)，不仅提高了采煤沉陷区土地生产力，增强了土地抵御自然灾害能力，而且有效改善了井田范围内的生态环境(图9)，实现了绿色矿山建设与矿区生态保护。

图9 开采沉陷区土地复垦类型Fig.9 Land reclamation type in mining subsidence area

此外，结合新近系含水层下厚煤层综放安全开采的疏放水技术，考虑到疏放的地下水资源较大，为充分利用矿井水与空压机余热，需研究以清洁能源为矿井供热方式的综合利用技术，从而实现矿井绿色低碳生产与可持续发展。

4 覆岩含水层水资源清洁利用

在双碳战略目标下，为减少煤炭生产过程中的碳排放，结合目前矿井水余热、空压机余热等清洁能源，需对矿井当前的“燃煤锅炉+燃气锅炉”供热方式进行优化，从而实现能源清洁管理及矿井绿色发展。

通过借鉴全寿命周期理论[22]，对燃气锅炉、空压机余热利用和水源热泵3种能源设备的全寿命周期成本进行分析研究，从而确定合理的供热方式。针对供热设备而言，全寿命周期成本是指设备从购买至废弃过程中(有效使用期间)发生的所有相关经济费用的总和，考虑到资金的时间价值，对整个寿命周期内的费用统一折算成初投资现值或等值年费用，建立全寿命周期成本模型：

(3)

(4)

式中：LCC为全寿命周期成本，万元；FR为资本回收系数；CI为一次性建设成本，万元；C0，t为年运行成本，万元；CD为废弃成本，万元；S为残值，万元；It为t年度的通货膨胀率；n为系统寿命周期，a；i为折现率。

由于热源供应设备的成本主要包括建设成本和运行成本，因残值属于固定资产，且通货膨胀率未知，该处不予考虑，并假设设备运行期间的价格及成本不变，可将模型等价为式(5)：

(5)

目前拥有能满足矿井供暖供热需求的2台10 t燃气锅炉、3台空压机设备，由于空压机余热仅产生42.7%的职工洗浴用水，剩余部分还需购置2套水源热泵，以满足职工洗浴及办公需求。结合实际情况，余热利用系统与设备购买后在合同期内运行时无需承担任何费用，到期后无偿交由矿方，费用主要包括合同费及后期运行维修费，因此针对燃气锅炉、空压机余热+水源热泵2种方案进行投资概算。

通过类比法、实地调研确定了系统设备寿命周期为20 a，根据目前工程通用取值，取折现率(管理酬金)为6.5%，废弃成本率5%[23]，分别对燃气锅炉、余热利用系统方案在满足相应设计负荷下的全寿命周期成本进行分析可知：① 燃气锅炉：一次性建成成本为0，年运行成本为2 264.88万元；② 余热利用系统：一次性建成成本为1 239.96万元，年运行成本为569.28万元。

结合式(3)可知：燃气锅炉的LCC约为24 955.60万元，清洁能源余热利用系统的约为7 529.81万元，比燃气锅炉的年平均成本节约了69.8%。通过对比分析，清洁能源综合利用具有一次投资大、运行成本少、高效节能、绿色环保等特点。

综上可知，矿井通过应用以矿井水余热、空压机余热为热源的供热方式，保障了矿区热水不间断供应及井上、井下工作温度的良好控制，实现了矿井绿色低碳生产与可持续发展。