榆神矿区矿井水与煤炭产量的关系

榆神矿区矿井水与煤炭产量的关系

0矿井涌水对基地发展的现状及分析通过对全国矿山水位和使用情况的研究统计，目前全国矿山水位约为42亿3m，利用率仅为26.2%。矿井水一方面是形成灾害、造成生态环境损害的因素之一,榆神矿区南部的上河、常乐堡煤矿就发生过突水淹井事故,预防矿井突水灾害的发生,加强矿井防治水工作,促进煤矿安全生产,具有重要意义,同时矿井水也是一种资源,利用好矿井水资源,不仅是满足矿区生产的需求,也是促进矿区可持续发展的必然选择。陕北地区建设有神东、陕北两大煤炭基地,神东煤炭基地初具规模,矿井水得到了较好的利用。陕北基地建设刚起步,榆神矿区是其核心建设区,也是一个新开发的矿区,目前除锦界煤矿8Mt/a投产外,还没有其他大型煤矿投产,但矿区现有各类中小煤矿20余处,单井生产能力6～90万t/a,多数为30～45万t/a,另外凉水井4Mt/a、榆树湾煤矿8Mt/a将在2009年投产,大保当煤矿10Mt/a、西湾露天煤矿10Mt/a也正在开展前期工作。根据规划,区内拟建若干火电厂及煤液化、煤化工项目,需水量较大,矿井水是基地建设的重要供水水源之一。作者调查了黑龙沟、二墩、上河等11处煤矿(图1)的矿井涌水量,并与同期煤炭产量进行了对比分析。研究区地处干旱半干旱地区,水资源贫乏,与丰富的煤炭资源形成了鲜明对比,地下水主要赋存于第四系萨拉乌苏组和侏罗系烧变岩。如何科学合理开发利用区内的水资源,不仅关系到基地建设的供水安全,而且涉及到生态安全和基地可持续发展。调查表明,区内有较丰富的矿井水资源,矿井涌水不仅与煤矿水文地质条件密切相关,也与煤炭产量存在一定的关系。矿井水水质较好,除悬浮物超标外,其他指标一般不超标,通过简单的渗滤,可作为生态用水和工业用水。1矿山含水量的特点和影响因素1.1矿井涌水量及富水系数调查表明,榆神矿区中小煤矿多数矿井的矿井涌水量与煤炭产量直接呈正相关类型,随着煤炭产量的增大,矿井涌水量也随之增大(图2～图7)。以六墩煤矿和金牛煤矿最为显著。六墩煤矿,开采3号煤,煤厚7.02m,采煤方法为长壁刀柱式,回采工作面倾向长100～110m.走向长350～600m,采用“采15留10”法,即回采硐宽15m,隔离煤柱宽10m,采高5.5～6.0m.该矿2003年1月—2007年11月断续观测,矿井水最大产生量13.6m3/h,最小8.9m3/h,平均9.5m3/h.同期,煤炭产量80～200t/d,平均128t/d.矿井涌水量与煤炭产量关系如图2。富水系数平均值为1.78m3/t.金牛煤矿,开采3煤层,煤层厚度平均4.34m,采煤方法为对拉条带式正台阶扩帮采煤法,工作面走向长820m,对拉式工作面每侧长50m,开采条带宽度12m,条带煤柱8m,不划分开采分段的条带采煤法。本矿在2005年以前由于年产量小,开采面积小,矿井涌水量一直保持在26～38m3/h之间,由于2005年开始45万t技术改造工程,新增主付斜井井筒两个,井下巷道分散布置掘进,矿井涌水量发生很大的变化(图3),2007年12月2日测的矿井涌水量为65m3/h,当日产量为1140t,当日的富水系数为1.37m3/t.常乐堡煤矿,开采3号煤,煤厚6.29m,一次采全高房柱式采煤法,开采工作面采用“采8留6”法,矿井水文地质条件简单,原地质勘查报告预算正常涌水量为46m3/h.实际最大涌水量100m3/h.2003年2月～2007年11月的观测资料显示,矿井水最大96m3/h,最小55m3/h,平均85m3/h(图4)。同期,煤炭产量150～300t/d,平均180t/d.富水系数为11.33m3/t(隐瞒产量所致)。根据临区资料,此数值明显偏大,产生原因,笔者认为是企业瞒报产量所致,其实际煤炭产量应在1000～1500t/d之间,真实的富水系数介于1～2之间。王家沟煤矿,开采3-1煤层,煤层平均厚度3.2m.设计能力为6～15万t/a。矿井开拓系统为主斜井—副斜井—斜风井,采用房柱式开采方法。实测正常涌水量为5.83m3/h,最大涌水量为6.67m3/h,平均6m3/h(图5),同期煤炭产量平均为155t/d.富水系数为0.93m3/t.十八墩煤矿和上河煤矿,虽然涌水量也与煤炭产量呈正相关,但二者曲线并未象六墩煤矿那样,二者有一定波动。十八墩煤矿,设计能力30万t/a,开采3号煤,煤厚7～7.5m,采用短壁后退式分层炮采放顶煤的采煤方法。工作面设计布置走向600～700m,倾向100m,掘进时每25m贯通一条联络巷,回采时采15m,留10m的煤柱,采全高6m,顶部留1～1.5m的护顶煤。工作面倾向长100m,采时分三段先扩帮,后放顶作业,每段中间留6m的煤柱和煤梁。三个立井开拓。两进一回中央并列抽出式通风。2003,2004年实际涌水量10m3/h,2005年12m3/h,2006年16m3/h,2007年正常涌水量30m3/h,最大涌水量35m3/h(图6)。平均13.1m3/h.同期煤炭产量240～340t/d,平均300t/d.富水系数为1.05m3/t.上河煤矿,开采2-2煤,2004年2月～2007年11月的不定期观测,最大涌水量70m3/h,最小24m3/h,平均34m3/h(图7)。同期煤炭产量180～205t/d,平均193t/d.富水系数高达4.23m3/t,第四系萨拉乌苏组富水性强,煤层上覆基岩厚度小,矿井涌水量大,富水系数亦大,系突水原因所在。该矿2004年3月30日11时曾经发生突水事故,两台水泵排水不及,水量增大,并从运输大巷向南大巷及主井涌来,涌水量70m3/h,3月31日,排水量达60m3/h,水位继续上涨,到4月10日,现场排水量达到434m3/h,水位仍然以2～3cm/d的速度增长,估算井筒涌水量为619m3/h.另一类煤矿,严格上也属于正相关关系,但二者曲线明显“拟合”程度较高,以黑龙沟煤矿为代表(图8)。该矿开采2-2煤层,煤厚6.07m,原设计生产能力为9万t/a,2005年技改达到45万t/a.现矿井开采西101工作面,工作面走向长度680m,切眼长度130m,采用巷柱式回采方法,由于该煤矿2-2煤层埋藏深度较大,煤层顶板基岩厚度大,导水裂隙带很难沟通第四系萨拉乌苏组含水层,实测正常涌水量为23.6m3/h,最大涌水量为30m3/h,平均25m3/h.同期平均煤炭产量320t/d.富水系数为1.875m3/t.因此,矿井涌水量主要受控于延安组基岩的含水性,大砭窑煤矿也属于这一类型(图9)。1.2矿井地下水的开采影响影响榆神矿区矿井水大小的主要因素:开采区域内第四系萨拉乌苏组的厚度和富水性;煤层埋藏深度和上覆基岩透水性;大气降水。萨拉乌苏组的富水性。萨拉乌苏组分布整个矿区,厚度不等,0～53.25m,西部较东部厚,最厚的耳林滩区,厚度大于150m,东部沟谷发育覆盖较薄,一般在10m以下,岩性以细砂及砂砾石为主,分选中等,结构松散,孔隙度大,易于接受补给,地下水赋存条件好,其富水性严格受地形地貌及含水层厚度的制约,一般在低洼处多形成地下水汇集区,富水性好,水位埋深0.9～9.27m.据D2孔抽水资料,含水层厚度15.5m,单位涌水量1.1175l/s·m,渗透系数8.340m/d.在神木县大保当乡黑龙沟中,从该层出露的泉最大流量451.80l/s.萨拉乌苏组厚度大的区域,富水性强,矿井水产生量就大,反之则小。例如黑龙沟煤矿,地处黑龙沟泉域,萨拉乌苏组厚度最大超过50m,一般20～50m,富水性强,矿井水涌水量相对大,富水系数也大。大砭窑煤矿地处沙漠边缘,与黄土地貌接壤,萨拉乌苏组厚度小,一般不超过10m,矿井水涌水量也小(图9),2002年1月～2007年12月1日的实测结果,大砭窑煤矿矿井水最大涌水量4.1m3/h,最小2.5m3/h,平均3.3m3/h.同期,平均煤炭产量500t/d,富水系数只有0.16m3/t.目前,榆神矿区开采2-2煤层,据计算,2-2煤开采冒落带最大高度32.00m,导水裂隙带最大高度66.57m,小于煤层上覆基岩厚度。在矿区西部2-2煤层顶板基岩厚度大于100m,东、南部2-2煤层基岩厚度较小,在大保当井田范围内,2-2煤层的上覆基岩厚度普遍大于100m,说明在导水裂隙带之上尚有33m多厚的保护岩柱,约相当于煤层开采厚度的4.2倍,符合“三下采煤”规程的要求。而且乌兰木伦煤矿在类似的地质条件下,已经实现了保水采煤的目的。煤层埋藏深度及煤层上覆基岩厚度等。地下水的存在可以改变岩体的力学性质及覆岩应力状态,从而加剧由地下采煤诱发的地表变形、塌陷、地裂缝及水资源流失等采动损害现象;在采动损害过程中产生的覆岩中隔水层破断,又反过来改变地下水系统,引起井下突水事故。埋藏深度大、煤层上覆基岩厚度大的,开采形成的冒落带、导水裂隙带发育不到第四系萨拉乌苏组含水层底部。矿井水主要来源于富水性很弱的延安组基岩裂隙水,矿井水量产生量就很小。否则,矿井水产生量较大。例如,锦界煤矿,开采3-1煤,矿井于2006年9月底投产后,10～12月的观测表明,矿井水平均涌水量达9303m3/d,最大11294m3/d,2008年达到2万m3/d以上,最大为6万m3/d,同期煤炭产量为2万t/d.该矿所在青草界泉域,萨拉乌苏组最大厚度达76.10m,而3-1煤顶板基岩小于50m,泉域中心地带只有20m左右,开采势必造成萨拉乌组地下水的渗漏,引起矿井水涌水量大。大气降水的影响。本次还调查了神北矿区大柳塔等煤矿的矿井水涌水量,大柳塔矿2-2煤已基本采完,采煤造成的地裂缝贯通了地表,矿井水涌水量与大气降水存在较密切关系,研究区6月份进入雨季,6～9月的大气降水量占全年的70%左右,大柳塔煤矿矿井水处理厂的矿井水处理量,是根据井下排出矿井水量大小组织生产的,井下排出水量,与矿井涌水量相当。由矿井水处理量可以看出,雨季矿井水涌水量明显增大,矿井水处理厂处理量随之增加,因此,矿井开采中后期,大气降水成为影响矿井水涌水量的最主要因素。另外,矿井水涌水量与采煤方法也有一定关系,房柱式采煤煤柱留设尺寸大,顶板稳定性好,矿井水相对较小(但资源回收率低)。壁式采煤采空区面积大,矿井水涌水量就会随之增大,锦界煤矿涌水量大就是实例。2矿井设计能力榆神矿区一期规划总生产能力5050万t/a,二期8000万t/a,远期10000万t/a.原规划2010年完成一期工程建设,根据目前进展,实际建设滞后5a左右。因此,本次预测按照2015年完成一期建设,调查的11处煤矿富水系数平均值为1.263(此值可能略偏大,主要原因是煤矿隐瞒实际煤炭产量所致)。因此,当一期工程建成后,2015年实现矿区煤炭总产量5050万t/a时,矿井水总涌水量为6378.15万m3/a.根据各井田地质勘查报告预测,大保当煤矿设计能力为1000万t/a,矿井水正常涌水量为5970.15m3/d;曹家滩煤矿设计能力为1000万t/a,先期开采地段矿井涌水量为2465.88m3/d;金鸡滩煤矿设计能力为800万t/a,2497.93m3/d;榆树湾煤矿设计能力为800万t/a,首采区2-2煤层矿井涌水量为8875m3/d;西湾露天煤矿设计能力为800万t/a,露天区初期采区矿井水量合计8206m3/d;凉水井煤矿设计能力为400万t/a,涌水量7843m3/d.上述这6处煤矿投产后,首采区合计矿井水涌水量为35857.96m3/d(1075.74万m3/a),另外,矿区规划的煤矿还有杭来湾等大型煤矿及13处中型煤矿,这些矿井也将产生大量的矿井水。因此,利用好这部分矿井水,不仅可以大大缓解矿区供水矛盾,而且可减少污水排放,促进矿区资源节约和生态环境好转。3矿井地下水处理榆神矿区矿井水来源于萨拉乌苏组和延安组,萨拉乌苏组含水层透水性能好,径流速度快、流程短,水中积累的盐分小,水化学类型单一,地下水多为重碳酸型,矿化度小于0.3g/l.区内大泉均发源于萨拉乌苏组或烧变岩,泉水水质为HCO3-Ca型,矿化度小于0.3g/l,为好的生活用水、灌溉用水和锅炉用水。采样表明,矿井水除悬浮物超标外,其他各类指标一般不超标或微超标,矿井水经过简单的沉淀、过滤后,就可直接作为生态、工业用水。神东矿区研究了一种新型的矿井水井下处理工艺,该处理系统包括沉淀系统、过滤系统、阻垢系统和自控系统,该