神東礦區(qū)水文地質(zhì)條件研究

神東礦區(qū)水文地質(zhì)條件研究

煤炭是我國(guó)的主要能源，占中國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)的70%左右。而且，煤炭作為主要能源的結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。西部是我國(guó)煤炭的主產(chǎn)區(qū),但地處干旱半干旱區(qū)域,干旱缺水,且蒸發(fā)量大,年蒸發(fā)量為降雨量的6倍左右。由于煤炭開采對(duì)上覆巖層的影響,形成的裂隙導(dǎo)通含水層,含水層水體通過裂縫進(jìn)入井下形成礦井水,傳統(tǒng)的處理方式外排地表,保障井下生產(chǎn)安全。但是西部地區(qū)蒸發(fā)量大,一旦外排地表很快蒸發(fā)損失,且礦井水中殘留礦物質(zhì)造成土地鹽堿化。學(xué)者們開展的大量的研究工作,形成了一系列保水開采技術(shù),如保水區(qū)域劃分、隔水層修復(fù)、充填開采和限高開采等,以“堵”和“截”為主,設(shè)法堵截開采過程中地下水的運(yùn)移,取得了較好的應(yīng)用效果。但是這些技術(shù)在西部礦區(qū)難以有效實(shí)施,以神東礦區(qū)為例,其煤層具有埋藏淺、煤層厚和薄基巖的特征,大規(guī)模、高強(qiáng)度的煤炭開采導(dǎo)通含水層,形成導(dǎo)水通道,產(chǎn)生大量礦井水。若采用以往的保水技術(shù)手段,無論在在技術(shù)上,還是工程上均難以實(shí)現(xiàn),難以滿足礦區(qū)高產(chǎn)高效的生產(chǎn)需求。以充填開采為例,神東礦區(qū)多為千萬噸工作面,而目前國(guó)內(nèi)效果最高的充填開采設(shè)備,充填能力每年僅為90萬t左右,且不考慮充填材料的制備難易程度,難以滿足礦區(qū)高產(chǎn)高效需求;若采用限高開采和保水區(qū)域劃分,大量煤炭資源棄采,使煤炭資源回收率降低等。因此,需要開發(fā)適用于西部礦區(qū)高產(chǎn)高效條件的地下水資源保護(hù)與利用技術(shù)。為此,神華集團(tuán)自2003年開展了多項(xiàng)以水資源保護(hù)和利用為重點(diǎn)的資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開發(fā)技術(shù)研究,通過開展上述項(xiàng)目,掌握了煤炭開采對(duì)地下水的影響規(guī)律,摸清了神東礦區(qū)水資源利用情況,首次提出了三類水的概念,為水資源分類保護(hù)利用提供了依據(jù);同時(shí)通過物探和大量鉆孔長(zhǎng)期觀測(cè),掌握了礦區(qū)大規(guī)模、高強(qiáng)度煤炭現(xiàn)代開采地下水運(yùn)移規(guī)律,為地下水資源保護(hù)利用提供了技術(shù)支撐,研發(fā)了煤礦地下水庫儲(chǔ)水技術(shù),并在神東礦區(qū)及周邊礦區(qū)成功推廣應(yīng)用,為我國(guó)西部礦區(qū)煤炭開采水資源保護(hù)利用提供了技術(shù)支撐。1類—神東礦區(qū)水文地質(zhì)條件與煤炭開采對(duì)地下水影響分析神華神東礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地,地處能源“金三角”核心,經(jīng)20多年的開發(fā)建設(shè),目前建成了以13個(gè)千萬噸礦井為主體世界唯一的2億噸級(jí)現(xiàn)代化礦區(qū),煤炭產(chǎn)量由2002年的5185萬t增加到2012年的2億t以上。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(dá)2500mm左右。神東礦區(qū)大部分煤層埋深在200m以內(nèi),具有淺埋深、薄基巖、上覆厚松散風(fēng)積沙層的賦存特征,上覆基巖層一般由多個(gè)巖層分層構(gòu)成,并且以厚度2.0m以上的具有較高強(qiáng)度的巖層分層為主;基巖層上部為風(fēng)化基巖,中部一般不含厚層軟弱巖層,下部緊鄰煤層;基巖厚度較小。該區(qū)域?qū)儆诤恿飨喑练e,且?guī)r相變化很大,加之后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造,結(jié)構(gòu)面發(fā)育;由于古沖溝和現(xiàn)代沖溝的存在,松散層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,呈透鏡狀分布,從而使部分地帶的水文地質(zhì)條件不同。研究表明,神東礦區(qū)地下水可以分為三類:Ⅰ類—近地表土壤水、Ⅱ類—第四系松散層孔隙水和Ⅲ類—基巖裂隙水。其中,Ⅰ類—近地表土壤水對(duì)地表植被環(huán)境影響具有決定作用,通過大氣補(bǔ)給維持平衡;Ⅱ類—第四系松散層孔隙水是是傳統(tǒng)保水開采研究的主要對(duì)象,也是當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活的主要用水來源,富水性強(qiáng),同樣也是依靠大氣補(bǔ)給;Ⅲ類—基巖裂隙水分布在煤層上方區(qū)域,其富水性較弱、分布較廣、總厚度大,難以通過抽采方式直接利用。Ⅱ類—第四系松散層孔隙水包括:(1)全新統(tǒng)沖積層潛水:沿河溝道呈條帶狀分布于河漫灘及階地上,含水層以中細(xì)沙及礫石層為主,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)上更新統(tǒng)沖積、湖積層潛水:分布于風(fēng)沙灘地和河溝低洼處,呈盆狀或條帶狀展布,厚58m,巖性為細(xì)、中砂,富水性不均一,在支溝區(qū)往往形成富水地帶,q=0.1~2.11L/(s·m);(3)下更新統(tǒng)砂礫層潛水:上部為黃土,下部與基巖直接接觸,q=0.007~792.051L/(s·m),K=0.029~326.57m/d,富水差異性較大。Ⅲ類—基巖裂隙水主要是燒變巖裂隙潛水及風(fēng)化巖裂隙潛水,富水性變化大。目前,神東礦區(qū)普遍采用超大工作面開采技術(shù),工作面長(zhǎng)300m左右,推進(jìn)距離約4000m,采用一次采全高開采工藝。通過大量研究和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明,神東礦區(qū)冒裂比約為30左右,煤層厚度為7m左右,按此計(jì)算,冒裂帶高度約為200m左右,而煤層埋藏約100m左右,因此煤炭開采形成的冒裂帶裂縫導(dǎo)通第四系松散層孔隙水和基巖裂隙含水層,含水層水體滲流井下,形成礦井水。通過上述分析表明,以往的保水開采方法難以有效實(shí)施,為此必須創(chuàng)新提出新的水資源保護(hù)利用技術(shù),首先必須掌握煤炭開采對(duì)地下水的影響規(guī)律。通過采用高精度和多層次相結(jié)合的方法,對(duì)大規(guī)模、高強(qiáng)度煤炭開采條件下的地下水資源賦存條件的動(dòng)態(tài)變化、覆巖采動(dòng)裂隙演化規(guī)律、地表移動(dòng)及水土環(huán)境變化規(guī)律、地下水系統(tǒng)的時(shí)空演變以及近地表生態(tài)的影響規(guī)律進(jìn)行了深入研究,利用三維地震、電法勘探、鉆孔勘探以及實(shí)驗(yàn)室模擬等手段,對(duì)研究區(qū)域的水文地質(zhì)特征進(jìn)行了分析,建立了研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型,對(duì)該區(qū)域的水文地質(zhì)情況進(jìn)行了總結(jié)歸納,為進(jìn)一步的水資源利用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。研究表明,神東礦區(qū)地表沉降可分為均勻沉降區(qū)(動(dòng)態(tài)裂縫發(fā)育)與非均勻沉降區(qū)(邊緣裂縫發(fā)育),在均勻沉降區(qū),動(dòng)態(tài)裂縫對(duì)近地表土壤含水量影響周期約為20d;非均勻沉降區(qū)邊緣裂縫對(duì)土壤含水量的影響周期約為50d;沉降區(qū)內(nèi)土壤含水量的恢復(fù)周期約為半年左右,說明神東礦區(qū)煤炭開采對(duì)近地表土壤水(I類)影響具有周期性,不會(huì)對(duì)地表植被生態(tài)生長(zhǎng)環(huán)境構(gòu)成長(zhǎng)期影響;采用物探手段,通過礦區(qū)200余個(gè)水文觀測(cè)鉆孔10余年的觀測(cè),煤炭開采冒裂帶構(gòu)成導(dǎo)水通道,第四系松散層孔隙水(II類)運(yùn)移至井下形成礦井水,水量損失約30%后達(dá)到補(bǔ)給平衡;煤炭現(xiàn)代開采導(dǎo)通基巖裂隙含水層,使基巖裂隙水(III類)匯集滲入井下,由于采后近煤層覆巖層狀自修復(fù)能力弱,裂隙帶難以完全閉合,基巖裂隙水形成穩(wěn)定側(cè)向補(bǔ)給,也是礦井涌水量長(zhǎng)期基本穩(wěn)定的主要原因。2地面水庫關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成在掌握煤炭現(xiàn)代開采對(duì)地下水運(yùn)移影響規(guī)律基礎(chǔ)上,神東礦區(qū)開展了一系列地下水保護(hù)利用技術(shù)及示范工程項(xiàng)目,充分利用煤炭開采形成的采空區(qū)空間,形成了采空區(qū)儲(chǔ)水設(shè)施—煤礦地下水庫—煤礦分布式地下水庫的地下水儲(chǔ)存利用技術(shù)發(fā)展路徑,其技術(shù)特征見表1。神東礦區(qū)在1998年建立了首個(gè)采空區(qū)儲(chǔ)用水設(shè)施,利用采空區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)水,但其儲(chǔ)水能力較小。該設(shè)施可充分利用采空區(qū)煤巖的過濾、沉淀、吸附與離子交換等凈化功能,并在進(jìn)入采空區(qū)前利用沉淀池對(duì)大塊煤巖顆粒進(jìn)行沉淀過濾,對(duì)礦井水水質(zhì)進(jìn)行控制,礦井水經(jīng)采空區(qū)凈化后能夠滿足工業(yè)水標(biāo)準(zhǔn)。隨著礦區(qū)開發(fā)規(guī)模增大,煤礦涌水量隨之加大,以往的采空區(qū)儲(chǔ)水設(shè)施難以滿足需求,在采空區(qū)儲(chǔ)用水設(shè)施基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研發(fā)了煤礦地下水庫技術(shù),采用多個(gè)超大工作面形成的采空區(qū)作為儲(chǔ)水空間,大大提高了儲(chǔ)水能力。煤礦地下水庫與地面水庫有明顯區(qū)別(見表2),具有自身特征。煤礦地下水庫建設(shè)技術(shù)參照地面水庫,包括設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行三個(gè)階段,分別由選址規(guī)劃、庫容計(jì)算、煤柱壩體和人工壩體建設(shè)、水質(zhì)保障、安全監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成。如下所述:1)煤礦地下水庫設(shè)計(jì)階段:包括煤炭開采對(duì)地下水的影響規(guī)律探測(cè)、地下水庫選址和地下水庫庫容計(jì)算三項(xiàng)。其中,地下水影響規(guī)律主要是采用物探、鉆探、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室物理和數(shù)值模擬等理論分析方法,對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)情況、冒裂帶高度等進(jìn)行研究,確定煤炭開采及采后地下水的運(yùn)移方向和水量,同時(shí)井下巖層屬性和滲透系數(shù)等進(jìn)行研究,結(jié)合開采工藝參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)開采工作面,為地下水庫建設(shè)提供基礎(chǔ);通過對(duì)采空區(qū)空間尺寸、巖層物理性質(zhì)、頂板垮落情況和巖體分布等進(jìn)行觀測(cè),采用物理和數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),確定地下水庫庫容。2)煤礦地下水庫建設(shè)階段:包括壩體構(gòu)筑和庫間管道建設(shè)。其中,壩體構(gòu)筑包括煤柱壩體和人工擋水壩構(gòu)筑,煤柱壩體構(gòu)筑是確定最優(yōu)的煤柱留設(shè)尺寸;人工壩體構(gòu)筑包括壩體結(jié)構(gòu)、尺寸和筑壩材料、筑壩工藝等方面,同時(shí)還必須開展防滲工程,對(duì)壩體防滲性能進(jìn)行安全評(píng)判,采用混凝土加固工程對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行防滲,重點(diǎn)確保煤柱壩體和人工壩體連接部位的防滲性能。3)煤礦地下水庫運(yùn)行階段:地下水庫的運(yùn)行包括水庫水質(zhì)保障和安全監(jiān)控兩個(gè)方面。其中,地下水庫水質(zhì)監(jiān)測(cè)通過傳感器等手段對(duì)入庫出庫水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,建設(shè)井下模塊化水處理設(shè)施進(jìn)行深度凈化;地下水庫安全保障是通過對(duì)水位監(jiān)測(cè)、壩體應(yīng)力應(yīng)變和滲漏情況監(jiān)測(cè),并實(shí)施特殊工況(礦震、巖層突然垮落)下的安全應(yīng)急保障,包括庫間調(diào)水和應(yīng)急泄水裝置放水泄壓。目前,神東礦區(qū)廣泛應(yīng)用煤礦地下水庫技術(shù),累計(jì)建設(shè)了32座煤礦地下水庫,儲(chǔ)水量達(dá)2900萬m3,每年為礦區(qū)供水3000萬m3左右,提供了礦區(qū)95%以上的地面生活用水,供給了礦區(qū)全部工業(yè)用水和生態(tài)用水,為神東礦區(qū)發(fā)展成為世界最大的礦區(qū)提供了水資源支撐。在煤礦地下水庫技術(shù)基礎(chǔ)上,將研發(fā)了煤礦分布式地下水庫技術(shù)進(jìn)一步提升煤礦地下水庫運(yùn)行安全,進(jìn)一步增加了總體儲(chǔ)水能力,即通過在井下同一水平或不同水平建設(shè)多個(gè)煤礦地下水庫,利用水體調(diào)運(yùn)通道工程,實(shí)現(xiàn)井下多個(gè)煤礦地下水庫的連通,形成煤礦分布式地下水庫系統(tǒng),同時(shí)在單個(gè)地下水庫出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí),可以通過調(diào)水通道進(jìn)行水體調(diào)運(yùn),防止發(fā)生潰壩危險(xiǎn);同時(shí)在地下水庫安設(shè)了水位、水壓和水量以及壩體應(yīng)力應(yīng)變和變形等監(jiān)測(cè)儀器,可實(shí)現(xiàn)水庫應(yīng)急情況下的自動(dòng)控制調(diào)度,提高了煤礦地下水庫的安全運(yùn)行程度。應(yīng)用該技術(shù),建設(shè)了在神東礦區(qū)大柳塔礦分布式地下水庫示范工程。在2-2煤層建設(shè)了三座地下水庫,5-2煤層三盤區(qū)正在建設(shè)4號(hào)地下水庫,通過調(diào)水通道,實(shí)現(xiàn)了各地下水庫之間的連通,建設(shè)了地下水庫安全監(jiān)測(cè)工程。目前,該煤礦分布式地下水庫儲(chǔ)水量約230萬m3,井下用水全部來自分布式地下水庫,并循環(huán)使用,同時(shí)根據(jù)需要供應(yīng)地面生產(chǎn)生態(tài)用水,實(shí)現(xiàn)了礦井水不外排。3煤礦地下水庫的設(shè)置及技術(shù)應(yīng)用神東礦區(qū)地處西部能源“金三角”核心,氣候干旱,煤炭開采產(chǎn)生的大量礦井水一旦外排很快蒸發(fā)損失。為保護(hù)水資源,在多年的技術(shù)研究和工程實(shí)施基礎(chǔ)上,掌握了煤炭開采對(duì)地下三類水的影響規(guī)律,針對(duì)傳統(tǒng)的“堵截法”保水技術(shù)不足,提出了“疏導(dǎo)法”的新保水開采理念,通過一系列