黄河流域煤炭基地地质环境特征及监测方法研究

黄河流域煤炭基地地质环境特征及监测方法研究

中国河流分布有9个大型煤炭基地，煤炭产量约占中国的70%。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。千万吨级别矿井黄河中游的神东、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。间、岩石圈、水圈之间的物质迁移和能量转换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。煤层开采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矿井水资源主要含水层矿区水资源贫乏，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10～50m,最大175m,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1085km洛河组含水层分布于陕蒙边界一带，厚度0～222m,一般100m,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30～50m,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。河流水文流系统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。典型植被生长特点区内生态环境脆弱，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1.5～5.0m,水位埋深大于15m时，植被基本无法再正常发育生长开采对地质环境的扰动及表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。地下水开发系统调查煤田开发前，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∶50000、1∶10000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15m,这也符合生态水位合理埋深的需求水源中断和干燥据20世纪90年代的调查数据，榆神府矿区8971.5km预报点断流和断流时间分析浅埋煤层高强度开采对地表水系的扰动和影响，20a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220d,2003—2005年断流天数均超过了150d。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5.6km,多年平均泉流量7344m水库干燥窟野河上游的石圪台村，机械化开采2严重损害了黄土沟和沙漠区的地面和地表2015年榆神府矿区已形成采空区面积421.9934km黄河上游地质环境评价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)．河流监测设计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)无人机定期监测结合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)地面监测方案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)岩石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)其他因素监控主要监测矿区道路、工业广场、排矸场等对土地资源的损毁等。监测区域分类开采扰动区范围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。监测手段及监测标准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)。(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。环保监测平台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。建立可视化的绿色开采大数据平台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。地质环境监测体系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)。全球概念和系统设计全球思维的总结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。．统一访问门户(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。系统平台架构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):(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。数据框架的构建