煤炭保水开采技术探究

●14●露天采矿技术2009年第5期采矿工程煤炭保水开采技术探究李岚(中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳110015)摘要:随着我国煤炭开采规模越来越大，引起地下水资源破坏的问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展。煤炭绿色保水开采是在不影响区域水文地质条件情况下采煤,可以很好地解决开采对地下水资源的破坏等问题。通过分析开采对地下水的影响,总结了保水开采技术的主要影响因素,论述了实现保水开采的途径及方法关键词;煤炭开采;地下水;保水开采技术;中图分类号:TD 821文献标识码:A文章编号:1671 - 9816 (2009)05 - 0014- 0Study on water-preserved mining technology of coalLi Lan(Shenyang Design and Research Instiue Sine -coal Engineering Group , Shenyang 110015, China)Abstract: With the growing size of China coal mining, ground water damage caused by the increasingly prominent, greatly hinderthe environment and the socio-economice development. Water-preserved mining of coal will be conducted under the condition thatit does not affect regional hydrogeologic conditions, it can solved well the destruction of ground water by coal mining and otherproblems. Through analyzing the iluence of coal mining on ground water, summarizes the main infumce factors of water -preservedmining technology, discusses the ways and methods for realizing water- preserved mining.Key words: coal mining; ground water; water-preserved mining technology1引言垂向裂缝增多、增大,煤系地层中的水,松散岩类地煤炭开采在为社会建设、消费提供能源的同时层中的水均快速地向下渗透，形成了区域性地下水也在对生态环境造成巨大的破坏。随着我国煤炭产位降落漏斗,浅、中层地下水逐年被疏干。煤矿周围村量的不断增加，煤炭开采所带来的环境问题愈加突庄的水井也因无水而报废,造成了村民的吃水问题。出,其中水资源的破坏问题最为明显,也最为敏感。2.2开采 对深层地下水的影响煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始迳流,大煤矿在开采过程中，为了维持采矿的正常进行量排出地下水;采空区上方导水裂隙带与地下水体及采煤工作面的横向和纵向的发展，必须将工作面贯通,形成大规模地下水降落漏斗,造成区域含水层周围的水或潜在的水排出。随开采深度的加大,深层水位下降,直接影响到区域水文地质条件。采动影响各含水层水被截留,转化为矿坑水排出,矿井排水量稳定后产生的地表沉陷往往影响到地表水体(河流、逐年增加. ,导致深层地下水位逐年下降,所形成的地湖泊.井泉等)的原来形态,造成部分沟泉水量减少下水降落漏斗范围和幅度也越来越大。深层地下水甚至干涸;影响当地居民正常的生产、生活,进而影位一再下降,很难在短时期内得到恢复。响区域植被生长,甚至土地沙漠化。因此保水开采的2.3 矿井疏排地下水的影响经济效益、社会效益、生态效益是巨大的"。矿井疏排地下水是煤矿对地下水系统的一-项最基本操作,操作后果主要有2个方面:一是当有害地2开采对地下水的影响下水排到地面后,即构成污染源,可导致地表水体、2.1开采对浅、 中层地下水的影响浅层土壤、地下水含水层等其它环境因素的次生污浅、中层地下水是工业用水和生活用水的主要.染。中国煤化工水系统的自然物理水源由于采煤的影响,煤系地层及上覆松散岩类中与Y片CNMHG括地下水的储存量收稿日期:2009-07-01和水质流场的介质等)产生反作用。两种作用都引起作者简介:李岚(1984 -),男,辽宁凌源人,助理工程师。矿区生态环境发生变化，并又反过来对矿区开发建采矿工程露天采矿技术2009年第5期.15●设带来不利影响(图1)。带高度将保持为某一定值， 采空区边界的破坏带的{含水层水质污染高度大于采空区中央的破坏带的高度3。根据上覆岩层破坏带的高度及其分布形态,可矿区井(矿入{地下水系统格局了一f地下水环境以推断出一般开采情况下的含水层水位变化。对于开发建设I质量恶化非充分采动，上覆岩层破坏带的高度最大值位于采地下水资源量减少-空区中央,导致此处的含水层水位下降最大,如图2图1煤矿地 下水环境影响模型所示。随着煤矿疏排水的延续,地下水环境发生演化,原始水位如地下水水位大幅度降低，水-岩作用以及所处化采后水位学环境(如氧化还原环境)发生变化，引起地下水矿断裂带”化度增大、有害成分增多等等。这种环境演化的结垮落带果，最重要的就是引起煤矿地下水资源的枯竭及水体环境污染等环境水文地质问题，从而对煤矿工业图2非充分采动引起地 下水位变化城市的发展起到严重的阻碍作用1。(1)对地下水水位水量的影响。聚煤盆地由于煤如果采空区面积较大，采空区中央上方的断裂矿长年累月大量疏排地下水,造成水资源严重枯竭，裂隙压密闭合，则由此产生的含水层水位降在采空煤矿工业城市出现了困扰人们的水荒,从而影响T.区边界达到最大值,如图3所示。地面矿企业及城市的发展。例如唐山地区由于煤矿疏排原始水位.地下水，水位由原来的+5 m降到现在的-57.98 m,水位下降了62.8 m,原有地下水环境发生演化,不仅. 断裂带供水系统大量报废，还引起了岩溶地面塌陷的连锁反应。(2)对地下水水质的影响。聚煤盆地中地下水环图3充分采动 引起地下水位变化境的演化，导致地下水环境中水一岩相互作用以及对于大采高小采深，上覆岩层胃落区波及含水所处化学环境发生改变，这样地下水化学环境平衡层,则由此引起含水层的水直接流人采空区,形成以遭到破坏,氧化作用加剧,岩石淋蚀作用加强,生物开采边界为边界的扩散降落漏斗,如图4所示。作用也明显,致使地下水化学成分发生变化。如水中含有较多的有机(褐煤)和无机(粉砂)悬浮固体物质,pH值很低，随着矿坑水的排放总矿化度不断增扩散降落漏斗扩散降落躏斗加,某些组分的浓度也增大,如SO2-、Br2+、F-、酚类断裂带化合物、Fe、Ge Mg以及放射性物质严重超标,致使地下水和地表水受到污染，地下水供水系统水质恶化,城市水资源遭釗破坏。2.4开采引起含水层水位变化图4深厚比大且充分采动引起地下水位变化煤矿开采区含水层水位变化与农民饮用浅水3保水开 采技术的主要影响因素井、农用灌溉机井的用水量及开采引起的含水层水流失等有关,其中主要是开采引起的。地下开采破坏3.1地质 构造特征了原有的力学平衡，使得上覆岩层产生移动变形和地质构造对地下水、地面水起着重要的控制与断裂破坏。当导水裂隙带波及到上覆含水层时,含水导水作用，局部也起着阻溢作用。地质构造愈复杂，层中的水就会沿采动裂隙流向采空区，造成岩土体断裂盾中国煤化工给充分,则排水中的水位下降。由此可以看出，岩土体中的水位下降量就愈YHCNMHG层离断层愈远,补与覆岩破裂密切相关。随着工作面推进距离增大,断给来源少,则排水量愈小。裂带高度增大,当采空区面积达到充分采动时,断裂3.2水 文地质条件露天采矿技术2009年第5期采矿工程, 16.主要是含水层的厚度、富水性、节理、裂隙、岩溶漏的关系,从采矿方法、地面注浆等方面采取措施，发育程度和补给米源。实现矿井水资源的保护和综合利用。(1)含水层厚度大、裂隙岩溶发育、含水性强、补4.1 实现保水开采的途径给来源丰富,则保水开采难度就大,反之则小。实现保水开采的途径有合理选择开采区域、适(2)所处的地理位置,主要取决于煤矿平面位置当留设防水(砂)煤(岩)柱和应用合理的开采方法。与附近井,泉河水的关系,一般离井、泉、河水近,且(1)合理选择开采区域。对不同的地质环境条件水力关系密切，侧向补给来源大，则保水开采难度应该区别对待,并分为以下几种类型:大,反之则小。①对于不存在含水层或煤层埋藏适中，有含水(3)与当地降水量、人渗系数大小、煤层深浅有层,同时其底部有厚度较大的隔水层的地区。该区域直接的关系,一般是开采煤层埋深浅,降水量大,人煤层开采的冒裂带和导水裂隙带发育不到含水层底渗系数大,降水可直接转化为矿坑水,煤层开采后导部,不至于破坏含水层结构,可以实现保水开采。水裂陳带影响到地面,则保水开采的难度就大,且季②有含水层、隔水层分布，但隔水层的厚度有节性变化明显,即每年雨季7.8.9月降水量大,保水限,煤层开采后,需要采取一定的措施,才可以保护开采的难度也增加,反之则小。地下水不受破坏的地区。需要研究煤层采动覆岩破3.3 煤矿开采阶段坏规律和地下水位下降与沙漠地区植被生存条件的(1)煤矿开采初期,揭露的含水层相对多,各含.关系等。应采取有效保水开采措施后方可进行开采,水层处于自然饱和状态,含水性强,随着开采面积的如神东矿区秃尾河沿岸的一些井田。增大,就会逐步发生顶板冒落,勾通裂隙导水带,煤③对于煤层埋藏浅、又富含水,煤层开采会造成系顶部含水层中地下水就会直接渗人矿坑，造成保地下水全部渗漏的地区。一旦开采,矿井突水可以通水开采难度的上升。过提前疏降水工程保证,但不能保证地下水含水结(2)矿井开采中期,由于一般不会大面积揭露新构、生态环境的破坏,在没有彻底解决地下水渗漏问的含水层,随着开采时间的增长,含水层水位不断降题之前,暂缓开发。如神府东胜煤田乌兰木伦河上游低,以矿井为中心的降落漏斗趋于稳定,部分含水层的一些井田(含内蒙占境内的马家塔等井田)、秃尾;由承压转为无乐，矿井排水量靠人渗量补给，处于河领域的青草界泉域等l。已经开采的矿井,应该采补径、排平衡状态。取切实的措施,保护地下水资源的含水结构不受破坏。(3)矿井开采后期,由于含水层部分被疏干,导(2)防水(砂)煤(岩)柱留设。月前在松散含水层水裂隙带和节理裂隙逐步被充填，地表人渗补给量等水体下采煤，一般是根据开采区域岩煤地质及水逐步减少,则矿井渗水量逐步衰减。文地质条件、煤(岩)柱两侧的开采状况及采矿技术(4)矿井开采末期(停采),在其影响范围内,矿条件等因素,采取留设防水(砂)煤(岩)柱的方法进坑渗水变小或不排水。但由于煤系底部有隔水层存行开采。首先使用钻孔冲洗液法为主,结合其它方法在,采空区逐步积水成为“地下水库"。在这种情况研究确定导水裂隙带高度。通常,在工作面上方地表下,实施保水开采是必要的。沿煤层走向和倾向布置观测线，施上数个水文钻孔影响保水开采技术的因索还包括:采煤方法.工和岩移观测孔,根据钻孔中水位变化、冲洗液消耗量作面尺寸、覆岩结构.塑性岩沉积位置,塑性岩厚度大小及岩芯破碎程度等综合分析，确定深埋近露头(脆性岩厚度)、覆岩厚度及其力学性质和上.覆充水煤层开采后导水裂隙带发育高度和分布形态。其次，含水层富水性等。厚松散层下近风化带保水开采的GIS研究，可用于保水条件下的安全煤柱留设设计。该研究建立了4保水开采技术GIS数据库和图形库,通过GIS多因素拟合建立了保水开采的目标是在防治采场突水的同时,对近风化带覆岩采动破坏“两带”高度的预计模型,提水资源进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文中国煤化工环境的扰动量小于区域水文环境容量。研究在开采YHCNMHG后上覆岩层的破断规律和地下水漏斗的形成机理,(1)减小导水裂隙带高度的开采方法。保水开采以及各种地质条件下开采期间岩层活动与地下水渗. (下转第19页)采矿工程露天采矿技术.2009年第5期设计决定首先采用拉沟剥皮露煤的措施，即沿上部布置3条位移监测线，根据监测点位移随时间变化煤台阶坡顶线在压脚体中拉15m宽、10m深的沟,曲线预测边坡稳定性，为回采工程顺利进展提供安将该部分压脚土3.4万m'剥离，露出上部采煤台全保障。阶，在该煤台阶的南北两端分别布置1台液压反铲5结论与建议采煤,运煤卡车沿南、北两侧预留的运输坡道运出。随着上部煤台阶的回采和推进到一-定位置,下部煤回采西端帮滑坡区压煤量具有十分显著的经济台阶出露,采煤平盘留20m宽,相应建立下部的采效益，同时西端帮滑坡区回采时稳定与否将直接影煤T.作面，再在南北两端分别布置1台液压反铲采响露天矿安全可靠运输。本着安全第一- ,充分回收西煤,运煤卡车沿南、北两侧预留的运输坡道运出。内帮滑坡区压煤,建议采取以下工程措施:排压脚由两侧分别跟进。中区压煤长度165 m,可回(1)严格控制内排压脚跟踪距离不大于50 m。采硬煤30万t,4台液压反铲作业25天，并需完成(2 )硬煤回采前3个应力监测点投人使用,在应压帮量14.2万m'。力监测系统指导下完成回采作业。(3)对西帮运输干线进行位移监测，出现裂缝、4监测方案下沉等移动特征,作好记录,绘制监测点位移随时间应力监测是保证回采滑坡区压煤作业安全的重变化曲线。要措施之一,将应力计置于锚索锚头下,随锚索受力(4)设专人在滑坡区流动巡视,对于浮石滚落、变化实现实时应力监测，根据应力随时间变化曲线台阶出现裂缝等岩移迹象及时上报。预测边坡稳定状态,从而指导回采工作。位移监测是参考文献:根据监测点位移随时间变化曲线预测边坡稳定性。[1]王 东,袁 景.边坡稳定性分析中不确定性方法的评(1)应力监测。岩体在力的作用下产生变形,内价[J].辽宁工程技术大学学报. 2005,(S2).部应力状态发生转变,当应力达到岩体强度时,岩体[2 ]殷跃平.中国滑坡防治工程理论与实践[J].水文地质工发生破坏。因此监测岩体应力是一种积极主动的监程地质, 1998,(1).测措施，它比位移监测更早的获取岩体变形特征和[3]孙英勋.滑坡的处治分类与治理模式探讨[J]地质与勘探,2006,(1).滑移信息，对及时掌握滑坡动态和采取治理措施至[4]薛应东,肖石,朱 强,等.平庄西露天矿 边坡应力远关重要。通过连续、自动监测应力变化,预测和评价程智能监测系统的研发及应用[J]. 露天采矿技术,边坡岩体的稳态,是确保采矿安全行之有效的措施。2008,(1).(2)位移监测。在滑坡区北区中区和南区分别(上接第16页)失,严重地影响了矿区的生态发展。保水开采技术的可应用国内外“三下”采煤技术与特殊开采方法,使研究和使用，是解决煤炭生产中水资源破坏问题的煤层顶板岩层破坏减小,导水裂隙带不波及水体。减根本方法,是整个绿色开采体系中极为重要的部分。小裂隙带高度的开采方法有充填开采、条带开采、分为了我们国家长远经济发展的需要,煤矿企业必须层开采、“采一注一采”三步法和“采- -注一跳采"三走绿色开采之路,通过绿色开采理论指导煤炭生产,步法开采、覆岩离层注浆等。合理处理经济与环境的关系，使煤矿得到绿色协调(2)以底板加固为主导技术的保水开采技术。对健康发展。于底部赋存岩溶水或承压水体的煤层，近年来以底板加固为主导技术的保水开采技术取得了长足进[1]钱鸣高,许家林.缪协兴.煤矿绿色开采技术[]中国矿展.工作面底板加固是对底板隔水层薄弱带(松散裂业大学学报,2003 ,32(4):343- -347.隙区或空洞区)进行注浆强化处理,既降低底板地层[2]张发旺,李铎,赵华.煤矿开采条件 下地下水资源破渗透性,又提高底板地层抗压性,起到了封堵和加固坏及其控制[U1.石家庄经济学院学报, 1996,(2).作用。[3]崔希中国煤化工下沉的影响[J]煤田地HCNMHG5结语[4]范立民.论保水开采问题[].煤田地质与勘探,2005,煤炭开采过程中会引起地下水资源的大量流(5).