神东矿区水文地质条件研究

神东矿区水文地质条件研究

煤炭是我国的主要能源，占中国一次能源生产和消费的70%左右。而且，煤炭作为主要能源的结构不会改变。西部是我国煤炭的主产区,但地处干旱半干旱区域,干旱缺水,且蒸发量大,年蒸发量为降雨量的6倍左右。由于煤炭开采对上覆岩层的影响,形成的裂隙导通含水层,含水层水体通过裂缝进入井下形成矿井水,传统的处理方式外排地表,保障井下生产安全。但是西部地区蒸发量大,一旦外排地表很快蒸发损失,且矿井水中残留矿物质造成土地盐碱化。学者们开展的大量的研究工作,形成了一系列保水开采技术,如保水区域划分、隔水层修复、充填开采和限高开采等,以“堵”和“截”为主,设法堵截开采过程中地下水的运移,取得了较好的应用效果。但是这些技术在西部矿区难以有效实施,以神东矿区为例,其煤层具有埋藏浅、煤层厚和薄基岩的特征,大规模、高强度的煤炭开采导通含水层,形成导水通道,产生大量矿井水。若采用以往的保水技术手段,无论在在技术上,还是工程上均难以实现,难以满足矿区高产高效的生产需求。以充填开采为例,神东矿区多为千万吨工作面,而目前国内效果最高的充填开采设备,充填能力每年仅为90万t左右,且不考虑充填材料的制备难易程度,难以满足矿区高产高效需求;若采用限高开采和保水区域划分,大量煤炭资源弃采,使煤炭资源回收率降低等。因此,需要开发适用于西部矿区高产高效条件的地下水资源保护与利用技术。为此,神华集团自2003年开展了多项以水资源保护和利用为重点的资源与环境协调开发技术研究,通过开展上述项目,掌握了煤炭开采对地下水的影响规律,摸清了神东矿区水资源利用情况,首次提出了三类水的概念,为水资源分类保护利用提供了依据;同时通过物探和大量钻孔长期观测,掌握了矿区大规模、高强度煤炭现代开采地下水运移规律,为地下水资源保护利用提供了技术支撑,研发了煤矿地下水库储水技术,并在神东矿区及周边矿区成功推广应用,为我国西部矿区煤炭开采水资源保护利用提供了技术支撑。1类—神东矿区水文地质条件与煤炭开采对地下水影响分析神华神东矿区位于鄂尔多斯盆地,地处能源“金三角”核心,经20多年的开发建设,目前建成了以13个千万吨矿井为主体世界唯一的2亿吨级现代化矿区,煤炭产量由2002年的5185万t增加到2012年的2亿t以上。但该地区生态环境脆弱,干旱少雨,年均降雨量约400mm,蒸发量高达2500mm左右。神东矿区大部分煤层埋深在200m以内,具有浅埋深、薄基岩、上覆厚松散风积沙层的赋存特征,上覆基岩层一般由多个岩层分层构成,并且以厚度2.0m以上的具有较高强度的岩层分层为主;基岩层上部为风化基岩,中部一般不含厚层软弱岩层,下部紧邻煤层;基岩厚度较小。该区域属于河流相沉积,且岩相变化很大,加之后期构造运动的改造,结构面发育;由于古冲沟和现代冲沟的存在,松散层结构复杂,呈透镜状分布,从而使部分地带的水文地质条件不同。研究表明,神东矿区地下水可以分为三类:Ⅰ类—近地表土壤水、Ⅱ类—第四系松散层孔隙水和Ⅲ类—基岩裂隙水。其中,Ⅰ类—近地表土壤水对地表植被环境影响具有决定作用,通过大气补给维持平衡;Ⅱ类—第四系松散层孔隙水是是传统保水开采研究的主要对象,也是当地生产生活的主要用水来源,富水性强,同样也是依靠大气补给;Ⅲ类—基岩裂隙水分布在煤层上方区域,其富水性较弱、分布较广、总厚度大,难以通过抽采方式直接利用。Ⅱ类—第四系松散层孔隙水包括:(1)全新统冲积层潜水:沿河沟道呈条带状分布于河漫滩及阶地上,含水层以中细沙及砾石层为主,水位埋深14m,q=0.037~0.3611L/(s·m),K=0.439~5.49m/d,富水性不均一;(2)上更新统冲积、湖积层潜水:分布于风沙滩地和河沟低洼处,呈盆状或条带状展布,厚58m,岩性为细、中砂,富水性不均一,在支沟区往往形成富水地带,q=0.1~2.11L/(s·m);(3)下更新统砂砾层潜水:上部为黄土,下部与基岩直接接触,q=0.007~792.051L/(s·m),K=0.029~326.57m/d,富水差异性较大。Ⅲ类—基岩裂隙水主要是烧变岩裂隙潜水及风化岩裂隙潜水,富水性变化大。目前,神东矿区普遍采用超大工作面开采技术,工作面长300m左右,推进距离约4000m,采用一次采全高开采工艺。通过大量研究和现场观测表明,神东矿区冒裂比约为30左右,煤层厚度为7m左右,按此计算,冒裂带高度约为200m左右,而煤层埋藏约100m左右,因此煤炭开采形成的冒裂带裂缝导通第四系松散层孔隙水和基岩裂隙含水层,含水层水体渗流井下,形成矿井水。通过上述分析表明,以往的保水开采方法难以有效实施,为此必须创新提出新的水资源保护利用技术,首先必须掌握煤炭开采对地下水的影响规律。通过采用高精度和多层次相结合的方法,对大规模、高强度煤炭开采条件下的地下水资源赋存条件的动态变化、覆岩采动裂隙演化规律、地表移动及水土环境变化规律、地下水系统的时空演变以及近地表生态的影响规律进行了深入研究,利用三维地震、电法勘探、钻孔勘探以及实验室模拟等手段,对研究区域的水文地质特征进行了分析,建立了研究区的水文地质概念模型,对该区域的水文地质情况进行了总结归纳,为进一步的水资源利用提供了基础数据支撑。研究表明,神东矿区地表沉降可分为均匀沉降区(动态裂缝发育)与非均匀沉降区(边缘裂缝发育),在均匀沉降区,动态裂缝对近地表土壤含水量影响周期约为20d;非均匀沉降区边缘裂缝对土壤含水量的影响周期约为50d;沉降区内土壤含水量的恢复周期约为半年左右,说明神东矿区煤炭开采对近地表土壤水(I类)影响具有周期性,不会对地表植被生态生长环境构成长期影响;采用物探手段,通过矿区200余个水文观测钻孔10余年的观测,煤炭开采冒裂带构成导水通道,第四系松散层孔隙水(II类)运移至井下形成矿井水,水量损失约30%后达到补给平衡;煤炭现代开采导通基岩裂隙含水层,使基岩裂隙水(III类)汇集渗入井下,由于采后近煤层覆岩层状自修复能力弱,裂隙带难以完全闭合,基岩裂隙水形成稳定侧向补给,也是矿井涌水量长期基本稳定的主要原因。2地面水库关键技术构成在掌握煤炭现代开采对地下水运移影响规律基础上,神东矿区开展了一系列地下水保护利用技术及示范工程项目,充分利用煤炭开采形成的采空区空间,形成了采空区储水设施—煤矿地下水库—煤矿分布式地下水库的地下水储存利用技术发展路径,其技术特征见表1。神东矿区在1998年建立了首个采空区储用水设施,利用采空区进行储水,但其储水能力较小。该设施可充分利用采空区煤岩的过滤、沉淀、吸附与离子交换等净化功能,并在进入采空区前利用沉淀池对大块煤岩颗粒进行沉淀过滤,对矿井水水质进行控制,矿井水经采空区净化后能够满足工业水标准。随着矿区开发规模增大,煤矿涌水量随之加大,以往的采空区储水设施难以满足需求,在采空区储用水设施基础上,进一步研发了煤矿地下水库技术,采用多个超大工作面形成的采空区作为储水空间,大大提高了储水能力。煤矿地下水库与地面水库有明显区别(见表2),具有自身特征。煤矿地下水库建设技术参照地面水库,包括设计、建设和运行三个阶段,分别由选址规划、库容计算、煤柱坝体和人工坝体建设、水质保障、安全监控等关键技术构成。如下所述:1)煤矿地下水库设计阶段:包括煤炭开采对地下水的影响规律探测、地下水库选址和地下水库库容计算三项。其中,地下水影响规律主要是采用物探、钻探、现场观测、实验室物理和数值模拟等理论分析方法,对矿区水文地质情况、冒裂带高度等进行研究,确定煤炭开采及采后地下水的运移方向和水量,同时井下岩层属性和渗透系数等进行研究,结合开采工艺参数,优化设计开采工作面,为地下水库建设提供基础;通过对采空区空间尺寸、岩层物理性质、顶板垮落情况和岩体分布等进行观测,采用物理和数值模拟,结合现场观测,确定地下水库库容。2)煤矿地下水库建设阶段:包括坝体构筑和库间管道建设。其中,坝体构筑包括煤柱坝体和人工挡水坝构筑,煤柱坝体构筑是确定最优的煤柱留设尺寸;人工坝体构筑包括坝体结构、尺寸和筑坝材料、筑坝工艺等方面,同时还必须开展防渗工程,对坝体防渗性能进行安全评判,采用混凝土加固工程对重点部位进行防渗,重点确保煤柱坝体和人工坝体连接部位的防渗性能。3)煤矿地下水库运行阶段:地下水库的运行包括水库水质保障和安全监控两个方面。其中,地下水库水质监测通过传感器等手段对入库出库水质进行实时监控,建设井下模块化水处理设施进行深度净化;地下水库安全保障是通过对水位监测、坝体应力应变和渗漏情况监测,并实施特殊工况(矿震、岩层突然垮落)下的安全应急保障,包括库间调水和应急泄水装置放水泄压。目前,神东矿区广泛应用煤矿地下水库技术,累计建设了32座煤矿地下水库,储水量达2900万m3,每年为矿区供水3000万m3左右,提供了矿区95%以上的地面生活用水,供给了矿区全部工业用水和生态用水,为神东矿区发展成为世界最大的矿区提供了水资源支撑。在煤矿地下水库技术基础上,将研发了煤矿分布式地下水库技术进一步提升煤矿地下水库运行安全,进一步增加了总体储水能力,即通过在井下同一水平或不同水平建设多个煤矿地下水库,利用水体调运通道工程,实现井下多个煤矿地下水库的连通,形成煤矿分布式地下水库系统,同时在单个地下水库出现险情时,可以通过调水通道进行水体调运,防止发生溃坝危险;同时在地下水库安设了水位、水压和水量以及坝体应力应变和变形等监测仪器,可实现水库应急情况下的自动控制调度,提高了煤矿地下水库的安全运行程度。应用该技术,建设了在神东矿区大柳塔矿分布式地下水库示范工程。在2-2煤层建设了三座地下水库,5-2煤层三盘区正在建设4号地下水库,通过调水通道,实现了各地下水库之间的连通,建设了地下水库安全监测工程。目前,该煤矿分布式地下水库储水量约230万m3,井下用水全部来自分布式地下水库,并循环使用,同时根据需要供应地面生产生态用水,实现了矿井水不外排。3煤矿地下水库的设置及技术应用神东矿区地处西部能源“金三角”核心,气候干旱,煤炭开采产生的大量矿井水一旦外排很快蒸发损失。为保护水资源,在多年的技术研究和工程实施基础上,掌握了煤炭开采对地下三类水的影响规律,针对传统的“堵截法”保水技术不足,提出了“疏导法”的新保水开采理念,通过一系列