煤礦地下水庫安全保障與治理技術體系研究

煤礦地下水庫安全保障與治理技術體系研究

引用格式：顧大達、能源金三角區(qū)域煤炭開采水源保護和利用技術[j]。煤炭工程，2014，46（10）：33-37。煤炭是我國的主體能源,長期占一次能源生產和消費的70%左右。我國煤炭資源“北多南少、西多東少、東深西旱”的總體分布格局,決定了煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移是保障國家能源安全的必然要求。我國未來煤炭規(guī)劃區(qū)大部分集中在煤炭資源豐富、但水資源短缺以及由于水資源匱乏導致生態(tài)環(huán)境脆弱的西部地區(qū)。晉陜蒙寧甘(即山西、陜西、內蒙古、寧夏和甘肅五省區(qū))探明煤炭資源保有儲量占全國的71.6%,2013年煤炭產量占全國總產量的71%以上,并呈繼續(xù)增加趨勢,是我國目前煤炭的主產區(qū)和調出區(qū)。但該地區(qū)水資源占全國水資源的3.9%,屬重度缺水區(qū),且常年蒸發(fā)量為降水量的6倍左右。已有的礦井水處置方法是為保障井下安全,將大量礦井水進行處理后外排地表,大量外排的礦井水因蒸發(fā)損失,使本已短缺的水資源更為短缺,且造成土壤鹽堿化,礦區(qū)及周邊環(huán)境沙漠化、荒漠化傾向嚴重,成為制約我國大型能源基地建設和煤炭資源開發(fā)戰(zhàn)略西移的關鍵因素,進而可能影響我國能源安全。煤炭在保障國家能源安全和國民經濟與社會發(fā)展需要的同時,其大規(guī)模開發(fā)也引發(fā)地表沉陷、水資源破壞等環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計,我國每年僅因煤炭開采產生礦井水約80億t,而利用率僅25%左右,煤炭開采中損失的礦井水資源相當于我國每年工業(yè)和生活缺水量的60%。保護和利用好礦井水是西部生態(tài)脆弱地區(qū)煤炭開發(fā)的重大課題,是煤炭科學開發(fā)的重要內涵,是支撐區(qū)域經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調的基礎。神華神東礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地,地處能源“金三角”核心,經20多年的開發(fā)建設,目前建成了以千萬噸礦井為主體的世界唯一2億噸級現(xiàn)代化礦區(qū)。但該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,干旱少雨,年均降雨量約400mm,蒸發(fā)量高達2500mm左右。神東礦區(qū)煤層埋藏淺、煤層厚和薄基巖的賦存條件,適合規(guī)?；?、高效率開發(fā)。而煤炭規(guī)?；_采往往導通含水層和隔水層,形成導水通道,導致地下水滲漏運移井下形成礦井水,為保證井下生產安全,傳統(tǒng)方式是將礦井水排至地面進行處理后外排,但由于該地區(qū)蒸發(fā)量大,外排礦井水大量蒸發(fā)損失,同時造成地表土壤鹽堿化。已有的保水方法與技術,如保水區(qū)域劃分、隔水層修復、充填開采和限高開采等,均以“堵”和“截”為主,即設法堵截開采過程中地下水的運移,這些技術難以滿足神東地區(qū)煤炭高產高效的生產需求。為保護西部礦區(qū)寶貴水資源,神華集團通過多年的持續(xù)研究,提出了煤礦地下水庫儲存與利用礦井水的理念和技術路線,采用系統(tǒng)工程理論,通過理論分析、物理模擬和數(shù)值模擬、物探和鉆探、現(xiàn)場工程試驗等方法,攻克了地下水庫水量預測、庫容確定、水庫壩體設計與構筑、水庫安全運行和水質的保障等技術難題,創(chuàng)建了煤礦地下水庫技術體系,成功建設和運行了煤礦地下水庫示范工程,實現(xiàn)了煤炭現(xiàn)代開采與礦井水資源保護相協(xié)調。1地下水資源保護與利用方法現(xiàn)有研究表明,已有的保水開采方法以“堵截”為主要特征,其目標是在煤炭開采過程中防治采場突水的同時,通過對隔水關鍵層的保護,使含水層免受煤炭開采的影響和破壞,即采用“堵”的策略,采用的工藝措施包括水源地保護、充填開采、保護隔水帶或修復隔水帶等方法,設法堵截開采過程中地下水的運移。但這些方法難以在西部地區(qū)煤炭大規(guī)模高效率開采中推廣應用。而已有的礦井水處置方法造成西部高產高效礦區(qū)大量礦井水因外排蒸發(fā)損失問題非常突出。針對上述問題,經過不斷的探索和研究,提出了采取“導儲用”為手段的地下水資源保護與利用方法,即在掌握開采對水資源運移影響規(guī)律的基礎上,將含水層的地下水疏導至采空區(qū)進行儲存,并建設相應的水處理和抽采利用工程,對礦井水進行高效利用,達到疏導后礦井水不外排,避免蒸發(fā)損失的目的,實現(xiàn)地下水保護利用。在此基礎上,相繼研發(fā)了煤礦地下水庫和煤礦分布式地下水庫水資源保護利用技術,構建了煤礦地下水庫技術體系。2種新的儲水系數(shù)確定方法在“導儲用”技術理念引導下,圍繞煤礦地下水庫水源預測、水庫選址、庫容計算、壩體構筑、安全監(jiān)控和水質保障等六個技術難題,開展了數(shù)十項科技攻關項目,攻克了礦井水井下儲存利用的一系列技術難題,創(chuàng)立了煤礦地下水庫技術體系。1)建立了礦區(qū)涌水量和含水層厚度變化預測模型。采用地震、電法、地質雷達、現(xiàn)場鉆孔和井下觀測等方法,通過對神東礦區(qū)十余年來200余個鉆孔觀測數(shù)據(jù)、井下涌水量數(shù)據(jù)等進行分析,觀測研究了采前、采中和采后地下水運移變化規(guī)律,建立了礦區(qū)含水層厚度變化模型,揭示了西部礦區(qū)基巖裂隙水是礦井水的主要來源。采用Q-S曲線法、相關系數(shù)法以及數(shù)值模擬的方法,建立了礦區(qū)涌水量預測模型;表明井下長期保持穩(wěn)定涌水,為地下水庫建設提供了水源保障。2)研發(fā)了煤礦地下水庫選址方法和評價準則。研究提出了同煤層和不同煤層水庫選址原則。根據(jù)斷裂構造發(fā)育程度和工程規(guī)模將煤層底板隔水層劃分為完整結構、塊裂結構、碎裂結構和松散結構四類,建立了煤礦地下水庫單因素排除與多因素綜合選址評價方法及評價準則,為煤礦地下水庫選址提供了方法支撐。水庫選址除考慮工程地質條件、水文地質條件等因素外,還應綜合考慮礦井水運移規(guī)律、開采工藝、生產接續(xù)計劃等因素,以便于水資源利用和回灌;優(yōu)先布置在煤層底板巖層地形下凹處、滲透率低、無導水斷裂帶或不良地質條件的位置,且受下部和鄰近煤層采動影響較小,并滿足礦井生產安全、用水、調度等條件。3)發(fā)明了煤礦地下水庫庫容確定方法。通過模擬研究和現(xiàn)場試驗等手段,建立了煤礦地下水庫庫容計算模型;首次提出了儲水系數(shù)概念。煤礦地下水庫儲水系數(shù)主要取決于采空區(qū)巖體空隙率,由采后時間、巖層性質、開采工藝參數(shù)、冒落巖體塊度及堆積方式、礦山壓力等因素決定,具有隨時間動態(tài)變化的特征,并逐步趨于穩(wěn)定;建立了地下水庫庫容計算模型,見式(1),提出了與開采工藝參數(shù)、礦壓、冒落巖體塊度及堆積方式等有關的儲水系數(shù)R的確定方法,并得到水庫庫容變化曲線(如圖1和圖2所示),建立了庫容計算模型,通過模擬研究及現(xiàn)場實測得出了神東礦區(qū)R=0.25~0.35,據(jù)此求出礦區(qū)每年開采新增庫容達4000萬m3,為煤礦地下水庫規(guī)劃提供基礎支撐。式中,V為儲水量,m3;h為水位,m;θ為煤層傾角,(°);s(z)為隨水位變化的儲水面積,m2;R(z,t)為隨時間和水位變化的儲水系數(shù)。4)建立了壩體結構參數(shù)計算模型,研發(fā)了壩體構筑工藝。針對煤礦地下水庫壩體非均質、非連續(xù)和變斷面結構特征,且同時受水壓、礦壓和采動影響的組合作用,采用物理和數(shù)值模擬方法,分析了壩體的受力特征;建立了煤柱壩體厚度B和人工壩體厚度S計算模型(式2和式3),得出神東礦區(qū)煤柱壩體和人工壩體厚度分別為20~30m和1m左右,可滿足安全和經濟要求。式中,X0,X1為塑性區(qū)寬度,m;K1為調整系數(shù);M為煤層厚度,m。式中,S為人工壩體厚度,m;F為壩體截面積,m2;τ為人工壩抗剪強度,MPa;L為槽體周長,m;P為壩體抗水壓強度,MPa。針對煤柱壩體和人工壩體連接處強度薄弱實際,研發(fā)了先在煤柱上開槽,將人工壩體嵌入煤柱槽體并錨固注漿的技術,確保兩種壩體的連接強度和抗?jié)B性能;建立了掏槽深度E計算模型(式4),確定了掏槽深度為0.3~0.5m;采用系統(tǒng)優(yōu)化設計方法,研發(fā)了板式、H型等人工壩體結構及筑壩方法(如圖3所示)。式中,E為掏槽深度,m;K2為調整系數(shù);P為壩體抗水壓強度,MPa;L為槽體周長,m;δ為人工壩體和煤柱壩體抗壓強度較小值,MPa。5)發(fā)明并應用了煤礦地下水庫安全監(jiān)控方法,建立了水庫運行安全預警與控制系統(tǒng)。壩體結構安全是水庫安全運行的關鍵,通過在地下水庫煤柱壩體和人工壩體上設置安全監(jiān)測傳感器,對其抗壓性能和防滲性能進行動態(tài)實時監(jiān)控,建立了井下水體調運管道自動化控制系統(tǒng);提出了壩體結構安全評價方法,建立了地下水庫運行安全預警與控制系統(tǒng),對壩體安全進行實時評估并進行預警,通過自動控制實現(xiàn)水體調運,保證各水庫水位和水壓在安全預警值范圍內,保障了壩體安全。6)開發(fā)應用了煤礦地下水庫水質“三位一體”處理技術,保障了水質滿足井下與地面用水要求。模擬試驗和現(xiàn)場觀測表明:礦井水與地下水庫冒落巖體的固液耦合具有過濾吸附和離子交換作用,能夠有效降低水中懸浮物、鈣離子和COD等污染物濃度。以大柳塔礦地下水庫為例,入庫前水庫礦井水懸浮物含量為164mg/L,經過濾后懸浮物含量均小于5mg/L。在此基礎上,開發(fā)了入庫前沉淀池過濾→庫內矸石自然凈化→井下模塊化礦井水處理三位一體技術,實現(xiàn)了庫內水體自然凈化與庫外污染較重礦井水的井下處理,保障了礦井水高效資源化利用。3神東礦區(qū)地下水庫煤炭資源回收情況煤礦地下水庫技術已在神東、包頭、新街等礦區(qū)推廣應用。目前,神東礦區(qū)已在大柳塔礦等15個礦井應用地下水庫技術,建成32座煤礦地下水庫,儲水量達3100萬m3,并在大柳塔礦建成了首座煤礦分布式地下水庫,實現(xiàn)了礦井水井下儲存與利用。大柳塔煤礦分布式地下水庫如圖4所示。2011-2013年,神東礦區(qū)地下水庫給礦區(qū)井下供水4000萬m3,給地面供水4500萬m3,累計節(jié)水8500萬m3,因節(jié)水和減排礦井水節(jié)約費用新增利潤15.91億元;同時,應用地下水庫技術提高了煤炭回收率,僅大柳塔礦就多回收煤炭1922.6萬t,增加銷售收入76.93億元,增加利潤38.45億元;增加稅收20.77億元。2013年地下水庫提供了神東礦區(qū)用水總量的95%以上,當年供水量超過3000萬m3,不僅保障了世界唯一的2億噸級礦區(qū)的生產、生活、生態(tài)用水,還給周邊電廠(神華國能集團大柳塔電廠和上灣電廠)供水,并正在建設給煤制油項目的供水工程(日供水3.2萬m3)。該成果開辟了煤炭開采水資源保護與利用新的途徑和技術路徑,實現(xiàn)了煤炭資源安全高效規(guī)模化開采與水資源保護利用的協(xié)調。國土資源部已將煤礦地下水庫技術作為先進技術組織在全國推廣應用。4煤礦水高效利用技術西部煤炭資源豐富,煤種齊全、煤炭產能高,是我國煤炭資源的富集區(qū),但西部地區(qū)嚴重干旱缺水,生態(tài)環(huán)境脆弱。大規(guī)模、高強度的煤炭開采,對上覆巖層造成破壞,形成導水裂隙,地下水運移至井下形成礦井水。傳統(tǒng)的保水策略,以“堵”和“截”為主,堵截開采過程中地下水的運移,在西部煤炭大規(guī)模