保水采煤技術(shù)體系研究

保水采煤技術(shù)體系研究

中國(guó)的教育資源和水資源分布呈逆向分布特征。換句話說，東部缺乏煤礦和富水，西部缺乏富水。自20世紀(jì)80年代以來,煤炭資源開發(fā)逐步向西部(西北)進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,鄂爾多斯盆地和新疆已經(jīng)成為我國(guó)原煤生產(chǎn)的主要基地。西北地區(qū)煤炭資源量占全國(guó)的73%,2017年原煤產(chǎn)量占全國(guó)的70%左右,而水資源僅占全國(guó)的3.9%左右,部分區(qū)域極度缺水。眾所周知,水資源不僅是煤炭工業(yè)賴以發(fā)展的先決條件,也是生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的基礎(chǔ)。2003年錢鳴高提出了煤礦綠色開采問題目前,地質(zhì)條件探測(cè)識(shí)別方面的研究,主要集中在煤水空間組合關(guān)系和地質(zhì)條件分區(qū)兩個(gè)問題上。如,王雙明等巖層移動(dòng)規(guī)律方面,研究者圍繞受采煤擾動(dòng)后覆巖水文地質(zhì)條件演變機(jī)理開展了富有成效的研究,最為關(guān)注的問題包括淺埋煤層巖層移動(dòng)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及隔水層有效厚度等。侯忠杰從地下水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系角度,研究者基本認(rèn)清了地下水分布與植被演替的內(nèi)在聯(lián)系。張發(fā)旺保水采煤目標(biāo)含水層既包括頂板含水層,也包括煤層底板下伏含水層。針對(duì)不同的含水層,研究者提出了不同的保水采煤方法。王悅礦山生態(tài)重構(gòu)與修復(fù)方面,研究者開展了地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組等工作,已經(jīng)形成了挖深墊淺、充填復(fù)墾、矸石山綠化等技術(shù)目前西部礦區(qū)的開采條件正在發(fā)生重要變化,如,從單一煤層開采轉(zhuǎn)向多煤層重復(fù)采動(dòng),從中小采高向大采高提升。筆者通過分析保水采煤技術(shù)研究已經(jīng)取得相關(guān)成果,探討未來保水采煤技需要解決的科學(xué)問題,如圖1所示。1地下水的分布在干旱半干旱地區(qū),水資源管理面臨的主要挑戰(zhàn)是確保生態(tài)環(huán)境用水與飲用水具有同等地位在我國(guó)西部干旱半干旱地區(qū)廣泛存在GDEs,尤其是毛烏素沙地東南緣的沙漠淺灘,地下水埋深常年保持在1.5～5.0m,地下水與植被關(guān)系十分密切,是典型的GDEs不同深度根系對(duì)水分的吸收很大程度上與土壤含水率的分布有關(guān)。當(dāng)?shù)叵滤辉诿簩硬蓜?dòng)的影響下驟降后,就失去了對(duì)表層土壤含水率的調(diào)節(jié),使根系層土壤逐漸變干,進(jìn)而使植物根系吸水受阻并遭受干旱脅迫因此,通過科學(xué)開采來實(shí)現(xiàn)保水采煤,滿足生態(tài)環(huán)境對(duì)水位的約束條件,亟需解決以下5個(gè)問題:(1)植被對(duì)地下水的依賴程度如何量化?(2)如何識(shí)別一個(gè)地區(qū)的植被是否依賴地下水?(3)如何確定維系生態(tài)系統(tǒng)安全的地下水位閾值?(4)GDEs對(duì)礦區(qū)地下水位驟變的響應(yīng)機(jī)制?(5)如何監(jiān)測(cè)GDEs的變化?2采高、采高預(yù)測(cè)的數(shù)值方法導(dǎo)水裂隙帶是采動(dòng)覆巖含水層與采空區(qū)建立水力聯(lián)系的主要通道,導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)一直是礦井防治水研究的重點(diǎn),也是保水采煤研究的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。20世紀(jì)80年代,基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),我國(guó)煤礦水文地質(zhì)學(xué)家總結(jié)了一套經(jīng)驗(yàn)公式,有效指導(dǎo)了礦井水害預(yù)測(cè)和防治,如《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(下稱“三下規(guī)范”)中列舉的公式。這些公式以采高和覆巖堅(jiān)硬程度為變量建立了導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)方法,在一定程度上滿足我國(guó)水體下采煤工程實(shí)踐的要求目前,用于導(dǎo)水裂隙帶分析的主要方法包括理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬、物理模擬和鉆探驗(yàn)證等。數(shù)值模擬可以計(jì)算不同巖性組合下多種開采方案下的導(dǎo)高,方便快捷。但數(shù)學(xué)模型的校正仍然依賴實(shí)際鉆孔探測(cè)值,鑒于地質(zhì)條件空間變異性大,基于少數(shù)鉆孔建立的數(shù)值模型一般很難具有可推廣性。盡管鉆孔探測(cè)投資大、施工難,仍不失為一種獲取導(dǎo)水裂隙帶高度最直接最理想的方法。陜煤集團(tuán)在榆神及神南礦區(qū)開采實(shí)踐中,與陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司協(xié)作,利用鉆孔沖洗液漏失量、井中電視、測(cè)井曲線、巖心觀察等方法,取得了一批探測(cè)數(shù)據(jù)。據(jù)探測(cè),采煤工作面長(zhǎng)度300m左右、推進(jìn)長(zhǎng)度3～6km,采高4.5～6.0m時(shí),除神東礦區(qū)等特淺埋煤層開采的導(dǎo)高直接發(fā)育到地表外,榆神府區(qū)導(dǎo)高一般是采高的19～30倍,平均約26倍,而且其空間形態(tài)輪廓為“拱形”(圖2),與傳統(tǒng)的“馬鞍型”完全不同。為此,建議今后的榆神礦區(qū)三、四期規(guī)劃,可參考這一數(shù)據(jù),對(duì)于煤層上覆隔水巖組厚度小于26倍采高的區(qū)域(適當(dāng)加保護(hù)層),應(yīng)留作環(huán)境保護(hù)的緩沖地帶,或者推行保水采煤技術(shù),減少對(duì)薩拉烏蘇組和燒變巖含水層結(jié)構(gòu)的損傷?，F(xiàn)有的導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè),是在采高小于6.0m的條件下實(shí)施的,對(duì)于采高大于6.0m的綜采工作面(8.8m大采高工作面已經(jīng)投產(chǎn)),還沒有實(shí)測(cè)的導(dǎo)高數(shù)據(jù)。另外,導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)并不能僅停留在通過單因素或多因素統(tǒng)計(jì)分析和建立回歸分析預(yù)測(cè)模型。盡管這些模型在一定程度上具有一定的仿真性,但對(duì)深刻理解裂隙在基巖中演化發(fā)育機(jī)理并沒有起到指導(dǎo)作用。因此,如何通過采空區(qū)上覆巖體移動(dòng)變形機(jī)理分析,建立理論模型來預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度、空間形態(tài)和演化過程仍然需要理論突破。3有效保護(hù)層的厚度3.1不適宜利用“保水層”方法采礦工程地質(zhì)成果留設(shè)防水煤柱的目的是防止導(dǎo)水裂隙帶波及到含水層,一般按最大導(dǎo)水裂隙帶高度加上有效隔水層厚度給出。在確定了導(dǎo)水裂隙帶高度后,有效隔水層厚度就成了實(shí)現(xiàn)保水采煤技術(shù)的關(guān)鍵所在?！叭乱?guī)范”針對(duì)不同的覆巖巖性和松散層底部黏土隔水層厚度規(guī)定了有效隔水層厚度的取值范圍,但同時(shí)又指出該方法不適用于綜放開采。黃慶享認(rèn)為,在上行裂隙和下行裂隙未貫通時(shí),一定厚度的土層隔水層或基巖隔水層都能起到“保水”作用許延春實(shí)際上,不管是離石黃土還是保德紅土,在遇水后都具有一定的膨脹性,使裂縫寬度逐漸變小直至彌合,這會(huì)有效地減小已破壞隔水巖組的滲透性能,使其恢復(fù)隔水性能。如黃慶享發(fā)現(xiàn)榆樹灣煤礦下行裂隙彌合率能夠達(dá)到30%2015年以前,榆神礦區(qū)建成了73個(gè)地下水位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)(已納入國(guó)家或省級(jí)地下水監(jiān)測(cè)工程),2018年新建了137個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井,大中型煤礦至少有1個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井,同時(shí)對(duì)泉、地表水體進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),從區(qū)域上全面監(jiān)控地下水變化。在這樣的基礎(chǔ)條件支撐下,如何將原位監(jiān)測(cè)的地下水水位動(dòng)態(tài)與實(shí)際開采地質(zhì)條件進(jìn)行耦合,建立導(dǎo)水裂隙帶、有效隔水層厚度等保水采煤關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式,是今后研究的一個(gè)新方向。3.2煤層底板承壓水壓力底板承壓水保水開采中的有效隔水層的概念源于20世紀(jì)60年代提出的突水系數(shù)T計(jì)算公式,即式中,P為煤層底板承受的水壓力;M為煤層底板到承壓含水層頂面之間的厚度。由于在承壓水體上開采時(shí)“下三帶”會(huì)擾動(dòng)破壞一定范圍內(nèi)的底板隔水層,使式(1)中有效的M值減小,因此20世紀(jì)七八十年代廣大科技工作者基于實(shí)際觀測(cè)和模擬試驗(yàn),對(duì)式(1)進(jìn)行了修正:其中,(M-C當(dāng)然,考慮底板巖層巖性和力學(xué)形式的差異4上煤層開采的實(shí)踐研究依據(jù)礦壓顯現(xiàn)基本特征來看,淺埋煤層可以定義為埋深小于150m,基載比小于1,來壓具有動(dòng)載現(xiàn)象針對(duì)陜北侏羅紀(jì)煤田淺埋煤層開采巖層移動(dòng)規(guī)律及生態(tài)環(huán)境破壞特征,黃慶享近年來,榆林、鄂爾多斯市境內(nèi)的部分礦井首采煤層已開采完畢,逐步進(jìn)行下部煤層開采。由于煤層間距一般小于40m,屬于淺埋近距煤層開采。該方面存在兩大科學(xué)問題:(1)上煤層采空區(qū)下不同間隔層厚度的頂板結(jié)構(gòu)和來壓強(qiáng)度不同,上煤柱集中應(yīng)力對(duì)下煤層開采具有顯著影響,存在煤層群巖層控制和安全開采問題;(2)煤層群重復(fù)采動(dòng)條件下,覆巖損傷及對(duì)含水層的影響機(jī)理與防控技術(shù)。5生態(tài)修復(fù)方面保水采煤的目的是保護(hù)水資源,利用水資源,建設(shè)生態(tài)環(huán)境優(yōu)美的礦山環(huán)境。長(zhǎng)期以來,受高強(qiáng)度煤炭資源開采的影響,我國(guó)西部干旱礦區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)損害和退化現(xiàn)象,有些區(qū)域甚至涉及生態(tài)安全格局的核心,如水源保護(hù)區(qū),使生態(tài)功能區(qū)的服務(wù)能力普遍下降。地下開采造成的生態(tài)損害主要有含水層結(jié)構(gòu)破壞,地表水體、濕地面積縮減,立地條件損傷造成的植被退化的荒漠化風(fēng)險(xiǎn)加劇,棄土場(chǎng)、排矸場(chǎng)、塌陷區(qū)等對(duì)原有土地生態(tài)功能的摧毀,以及地貌景觀、生物多樣性消失等。在實(shí)施“山水林田湖草命運(yùn)共同體”戰(zhàn)略的前提下,我國(guó)礦山生態(tài)恢復(fù)面臨空前機(jī)遇和挑戰(zhàn)。礦山生態(tài)環(huán)境影響機(jī)制,礦山生態(tài)損害監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),礦山土地復(fù)墾與生態(tài)重建共耦技術(shù),生態(tài)修復(fù)策略及效果評(píng)價(jià)等將是礦山生態(tài)重構(gòu)與恢復(fù)研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。其中采礦跡地生態(tài)修復(fù)也是當(dāng)前國(guó)際上生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重點(diǎn)對(duì)象之一,其工作內(nèi)容主要包括礦山生態(tài)環(huán)境影響的消除和緩解、生態(tài)系統(tǒng)功能的重構(gòu)和恢復(fù)等6國(guó)外推廣應(yīng)用的理論(1)保水采