保水采煤在陜北地區(qū)的應用

保水采煤在陜北地區(qū)的應用

1礦區(qū)地下水環(huán)境保水開采是陜北和內蒙古西部采礦區(qū)的一個永恒主題。它是針對陜北侏羅紀煤田開采過程中,薩拉烏蘇組地下水的嚴重滲漏與生態(tài)環(huán)境惡化而提出的。眾所周知,陜北侏羅紀煤田處于毛烏蘇沙地與黃土高原的接壤地區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,水資源貧乏,煤田開發(fā)過程中地下水滲漏、水位下降嚴重,對生態(tài)環(huán)境影響大。為此,筆者從科學發(fā)展觀的角度,對這一問題進行必要的論述,以期引起有關部門的注意,真正做到“保水采煤”,實現(xiàn)大型煤炭基地的科學發(fā)展。2關于保水開采2.1保水采煤的提出保水采煤的基本思想是1990年之后形成的。1990年4月28日和12月20日,神北礦區(qū)的瓷窯灣煤礦先后兩次發(fā)生巷道冒頂事故。雖然涌入礦井的水不多,但大量的沙掩埋了巷道,并引起了地下水位的持續(xù)下降、順溝渠水庫干涸、飲馬泉流量迅速減少,小溪斷流和植被枯萎。1992年,作者在論述神北礦區(qū)的主要環(huán)境地質問題時,對陜北煤炭開采過程中的地下水保護進行了敘述,首次提出“保水采煤”的觀點,但尚未使用“保水采煤”一詞。借鑒瓷窯灣煤礦的事故,1995年初,為了保證大柳塔煤礦的安全投產,開展了突水防治工程,對陜北采空區(qū)的地下水滲漏有了新的認識。1995～1998年,由煤田地質總局牽頭,陜西煤田地質局185隊、中煤水文地質局和中國礦業(yè)大學等單位聯(lián)合承擔開展了《中國西部侏羅紀煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤與地質環(huán)境綜合研究》,在這一研究中,首次明確使用“保水采煤”一詞。保水采煤的研究面積涉及陜西省境內北緯38°30′以北的侏羅紀煤田分布區(qū),此成果從宏觀上對決策者起到一定的指導作用,也奠定了保水采煤研究的基礎。但由于除神北礦區(qū)外的其他地區(qū)勘查程度低,控制工程少,其研究深度不足以滿足保水與生態(tài)環(huán)境保護的需求。2003年,陜西煤田地質局開展了深化研究,研究區(qū)域近1000km2,是在上述工作基礎上開展的更細致的研究,該研究具體到一些規(guī)劃中的大型井田,分析了保水采煤的條件,提出了保水采煤的措施。近年來,作者在參與或主持各種地質勘查項目時,進一步探討了保水采煤的問題,再次提出了進行保水采煤深化研究的建議。2.2保水措施的影響采煤不可能不造成一定的地下水滲漏,但保水采煤到底保到什么程度,才算是保了水?筆者認為,針對陜北沙漠型河流及植被的特點,保水程度至少應考核以下兩個指標:一是不至于造成泉水的干涸或大幅度減流;二是對植被的生長條件不產生大的影響。首先是對泉流量的影響不大,最起碼應該使泉流量衰減幅度不大于20%。目前的情況截然相反,許多泉眼干了,衰減幅度達72%～95%,甚至完全干涸,烏蘭木倫河的許多支流水系也隨之枯竭,最終導致窟野河的大面積斷流。這就沒有達到保水的目的。其次是植被的生長狀態(tài)問題。據(jù)了解,陜北沙漠地區(qū)植被的生長條件與根系的發(fā)育程度、地下水位的埋藏深度等關系密切。在地下水埋藏深度小于2.5～4m時,植被類型眾多,生長良好,河流基流量基本可以得到滿足,土壤不會產生鹽漬化,表生生態(tài)處于良性狀態(tài)。地下水位埋深增大時,部分植被不適合生長,一些植被出現(xiàn)病態(tài),甚至枯萎,尤其是對喬木的影響最大。所以,保水的程度,應該使地下水位下降后確保本地區(qū)豐富的植被類型和生物多樣性。但是,風沙區(qū)適應生態(tài)、農林保護的合理地下水位、最佳生態(tài)環(huán)境與水資源消長的和諧關系,以及煤炭開采與地下水的協(xié)調關系等,是需要繼續(xù)研究的內容。2.3保水采煤的地區(qū)我們認為,對陜北侏羅紀煤田保水采煤的基本思路是在盡可能多采煤的同時,保護地下水資源的含水結構不受破壞,地下水位不下降或下降幅度小,不足以引起環(huán)境的變異和泉流量的衰減?；谶@一思路,對不同地質環(huán)境條件的區(qū)域,應該區(qū)別對待,并分為以下幾種類型。對于不存在薩拉烏蘇組含水層,第四系不含水的地區(qū),如神木北部礦區(qū)的擰條塔井田、新民礦區(qū)的一些井田等,就不存在保水采煤的問題。對于煤層埋藏淺、第四系又富含水的地區(qū),煤層開采會造成地下水全部滲漏的地區(qū),如烏蘭木倫河上游的一些井田(含內蒙古境內的馬家塔等井田)、禿尾河領域的青草界泉域等,一旦開采,礦井突水可以通過提前疏降水工程保證,但不能保證地下水含水結構、生態(tài)環(huán)境的破壞。故暫時應不予采煤。對于煤層埋藏適中,第四系薩拉烏蘇組含水,同時其底部有厚度較大的隔水層(包括第三系紅土隔水層和侏羅系風化帶隔水層),煤層開采的冒裂帶發(fā)育不到薩拉烏蘇組底部,不至于破壞含水層結構的地區(qū),可以實現(xiàn)保水采煤的目的。另外,介于上述兩者之間的區(qū)域,有含水層分布,也有隔水層,但隔水層的厚度有限,煤層開采后,需要采取一定的措施,才可以保護地下水不受破壞。如禿尾河沿岸的一些井田。需要進一步研究的內容包括陜北淺埋藏煤層采動覆巖破壞規(guī)律,采空區(qū)充填技術試驗研究、地下水位下降與沙漠地區(qū)植被生存條件的關系等。3采煤保水的實現(xiàn)途徑采煤保水的前提是保護環(huán)境,保護生態(tài)。在陜北地區(qū),實現(xiàn)采煤保水的途徑有兩個:一是合理選擇開采區(qū)域;二是采取合理的采煤方法和工程措施。除此之外,別無選擇。3.1地表徑流、地下水保水陜北地區(qū)煤炭資源分布非常廣泛,明長城沿線以北的廣大地區(qū)幾乎都賦存有巨厚的煤層,煤炭開采既可以在長城沿線的淺埋藏地區(qū),也可以在陜西與內蒙古省界的深埋藏地區(qū),這些地區(qū)的地層結構有較大的差異,歸納起來主要有3類:第1類地區(qū)第四系薩拉烏蘇組直接覆蓋在延安組含煤地層上面,之間無隔水層或隔水層厚度小,達不到隔水的目的,煤層上面的基巖厚度小,一般只有幾十m;第2類地區(qū)沒有薩拉烏蘇組含水層,延安組直接出露地表或被黃土、紅土層覆蓋,第四系不含水或含水微弱,不存在保水問題;第3類地區(qū)薩拉烏蘇組含水層下伏有紅土、黃土隔水層和較厚的直羅組、安定組等相對隔水的巖層,煤層埋藏深度一般400m以深,煤層的開采影響不到薩拉烏蘇組含水層,不會對地下水造成滲漏,可以實現(xiàn)保水采煤的目的。如榆神礦區(qū)深部地區(qū),最上部的可采煤層埋藏深度一般400～700m,紅土隔水層厚度80～160m,基巖風化帶厚度也達上百米,是陜北采煤有利于保水的最佳地區(qū)。根據(jù)以上地質背景條件,第1類地區(qū)是不宜開采的區(qū)域,這類地區(qū)主要集中在目前正在大規(guī)模開采的烏蘭木倫河兩岸和禿尾河流域沿岸,即以往所說的埋藏淺、易開采區(qū)域,也是最急需保水的地區(qū)。已經開采的礦井,應該采取切實的措施,保護地下水資源的含水結構不受破壞。沒有開采的井田,在沒有徹底解決薩拉烏蘇組地下水滲漏問題之前,暫緩開發(fā)。第2類地區(qū)是應鼓勵開采的地區(qū),有的井田已經開采,有的還沒有開采(如神北礦區(qū)擰條塔井田)。由于這類地區(qū)分布范圍有限或地理位置等原因,并沒有引起人們的足夠關注。第3類地區(qū)也屬于鼓勵開采的地區(qū)。但由于認識上的差異,一些人認為(主要是煤炭企業(yè)),煤層埋藏深,生產成本大;也有人認為(主要是國土資源部門的個別人),屬于水源保護區(qū),不應該開采。持后者觀點的,主要是只了解淺層地下水的分布,對煤炭資源與地下水資源的關系、煤層開采對覆巖破壞規(guī)律等不了解,是片面的觀點。3.2預留防水煤柱松散含水層下采煤由于應力平衡狀態(tài)被打破,煤層上覆巖土發(fā)生沉降變形并產生一系列裂隙,松散層內地下水將通過裂隙發(fā)生滲漏破壞,對礦井安全造成威脅。通常情況,實現(xiàn)水體下安全開采的措施有3種:預留防水煤柱,預先疏排和從開采方法上采取措施。這些技術途徑均是從保證井下安全生產為出發(fā)點。針對陜北而言,預留防水煤柱是保水的一種途徑,這主要適合在燒變巖地下水區(qū)及隔水層厚度與冒裂帶高度基本相當?shù)牡貐^(qū),是燒變巖區(qū)保水開采的主要方式。留設淺部防水安全煤柱,使冒落帶、導水裂隙帶發(fā)育在含水層底界以下,并留有足夠尺寸的保護巖柱,這是該區(qū)能夠保水開采的技術關鍵所在。預先疏排水是神東礦區(qū)普遍采用的方法,雖然達到了安全生產,但并沒有達到保水的目的,薩拉烏蘇組的地下水被全部疏干。最近,有人介紹了利用旺格維利采煤法實現(xiàn)保水的方式。但該方法煤炭資源的回采率低,開采工藝相對落后,在陜北這樣的生態(tài)脆弱地區(qū),并不值得提倡。陜西煤田地質局最近提出,可采取充填式采煤的設想,在工作面回采過程中,隨時對采空區(qū)進行充填,減少頂板破壞,來達到保水目的。但這在技術和經濟上是否可行,有待于進行必要的試驗研究。對薩拉烏蘇組松散層水體下實現(xiàn)安全采煤所采取的技術方法和途徑主要是從本研究區(qū)所特有的地質條件入手,結合留設防水煤柱,在盡可能保護薩拉烏蘇組地下水資源能穩(wěn)定供水的前提下,實現(xiàn)礦井安全生產。4地下水保水和高效利用陜北水資源貧乏,各種水資源的利用順序是,優(yōu)先利用地表水,科學、適度、合理開發(fā)利用地下水,積極開發(fā)空中水,盡快引用黃河水。盡管地下水的開發(fā)一直排在地表水后,地下水的勘查、規(guī)劃、利用的力度仍然較大。保水的目的是保護并不斷改善生態(tài)環(huán)境。因此,不僅采煤過程中要保水,地下水開發(fā)利用過程中,也要科學、合理地用水,也要保水。我們不能使花費了大量耗費取得的“保水”成果,被地下水資源的不合理開發(fā)利用所“抹殺”。因此,“科學、適度、合理開發(fā)利用地下水資源”是必須堅持的原則。4.1以地下水為依托的開發(fā)與保護為煤炭開發(fā)利用是陜北能源化工基地建設最主要的組成部分,而水資源問題已成為這一基地建設的關鍵制約因素。2004年11月2日陜西省政府在西安召開的“陜北能源化工基地建設科技行動高層論壇”大會上,陜西省副省長朱靜芝贊同了我局提出的《陜北煤炭資源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展思路研究》成果中的一些提法,指出:“陜北能源化工基地建設,要根據(jù)水資源的總量、煤炭資源的質量和生態(tài)環(huán)境的容量為基礎,加強規(guī)劃,合理開發(fā)利用,走可持續(xù)發(fā)展道路”,“規(guī)劃先行、勘探先行、科技先行”,“開發(fā)與開放并重,開發(fā)與保護并重”。還特別提出“水資源的總量、生態(tài)環(huán)境的容量”問題,這些正是基于地下水、生態(tài)環(huán)境承載力為基礎的可持續(xù)發(fā)展的觀點。受陜西省政府的委托,2004年11月,陜西省科學技術協(xié)會、省發(fā)展和改革委員會主辦,陜西省煤炭學會、水利學會、地質學會、石油學會等8個學會協(xié)辦了“陜北能源化工基地建設中的水資源可持續(xù)利用研討會”,這次大會形成的專家建議指出:“陜北水資源利用的優(yōu)先順序是首先保證生態(tài)環(huán)境用水,其次嚴格按照規(guī)劃保證能源化工基地建設用水,限制并逐漸削減農業(yè)用水”,“科學、適度、合理開發(fā)利用地下水資源”。本次研討會學術委員會副主任王雙明同志還指出:“在農業(yè)用水與能源化工基地建設用水發(fā)生矛盾時,果斷地停止農業(yè)用水,農耕退出風沙區(qū)”(注:省政府于20世紀90年代曾經在陜北風沙區(qū)建設有4×104hm2農副產品生產基地)。應該指出,“適度”開發(fā)陜北地下水是首次提出,也是非常及時的。1997～2001年的干旱年份,陜北地下水位普遍下降1.81～2.60m,而一些機井集中的地區(qū),下降幅度更大,特別是沙漠地區(qū),一旦地下水的開發(fā)過度,出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題是很難恢復的。4.2水源保護區(qū)規(guī)劃的影響固然,在陜北采煤需要保水,保水采煤也受到了各界的廣泛關注,尤其是煤炭、國土資源部門,在各種場合都提及保水采煤,個別部門甚至以保水采煤為“借口”,做出了一些不符合保水采煤方針的錯誤決策,并得以實施。如有的規(guī)劃將陜北侏羅紀煤田西北部的廣大地區(qū)列為水源保護區(qū),并定為嚴禁進行煤炭勘查、開采的區(qū)域。事實上,該區(qū)域煤層埋藏深度達400～700m,其上覆有巨厚的巖層和隔水層(N2),是陜北采煤對地下水的影響最小的區(qū)域,應該屬于最有利于采煤保水的地區(qū),應鼓勵開發(fā)。相反,煤層埋藏淺,其開采對地下水影響大,甚至造成地下水全部疏干的區(qū)域,卻沒有“規(guī)劃”為水源保護區(qū),反而鼓勵開采,甚至已批準開發(fā)(如錦界井田)。水源保護區(qū)的設置,應該在保水采煤綜合研究的基礎上,根據(jù)采煤對地下水影響程度的區(qū)劃(劃分圖),進行合理厘定,并不是目前地下水資源豐富的地區(qū)都需要設置為水源保護區(qū),榆神礦區(qū)南部(北緯38°30′以南)的部分地區(qū),如上河煤礦開采區(qū),盡管薩拉烏蘇組含水層厚度不大,但由于沙化較嚴重,為關照生態(tài)需水,仍然需要設置為水源保護區(qū)。4.3維護并改善生態(tài)環(huán)境前已述及,陜北地下水的利用次序一直排在地表水之后,地下水只可作為補充或分散、零星開采,本區(qū)地下水最主要的功能是維護并改善生態(tài)環(huán)境,最終解決陜北能源化工基地用水的途徑是從黃河引水。盡管如此,本區(qū)目前仍然進行就水論水的勘查工作,評價的結果也只是第四系地下水(或部分區(qū)域包括白堊系地下水),沒有與煤層及煤炭開采覆巖破壞的影響結合起來考慮,顯然,這不僅是投資決策上的浪費,可能也是對決策層的誤導。5堅持科學發(fā)展,促進煤、水并舉我國確定的13個大型煤炭基地,有兩個處于陜北侏羅紀煤田(神東、陜北),但神東礦區(qū)已經開采的實踐表明,淺部煤層開采對地下水資源破壞嚴重。陜北煤炭生產基地(主要是榆神、榆橫礦區(qū))的部分地區(qū)也同樣面臨保水問題,榆神礦區(qū)上河煤礦(30×104t/a),2004年3月10日發(fā)生突水,最大突水量近700m3/h,致使附近地下水位下降,如不及時圍堵,將對生態(tài)環(huán)境產生嚴重影響。因此,實現(xiàn)煤、水并舉,是陜北煤炭資源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。中國工程院2004年撰著的《西北地區(qū)水資源配置生態(tài)環(huán)境建設和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究·工礦卷》中,也明確指出:“要認真做好一些必須‘保水采煤’礦區(qū)的水資源保護”,“陜北許多礦區(qū),地下水分布于煤系之上,需‘保水采煤’,認真對待,有合理規(guī)劃和措施”。為此,作者認為,陜北地區(qū)煤炭資源的開發(fā),首要的是樹立科學的發(fā)展觀,絕不能以犧牲環(huán)境為代價,獲取暫時的、局部的、集團(企業(yè))的經濟利益。更不能為了出政績而盲目布局,“濫采濫挖”(有合法手續(xù)的不合