范立民:帶你了解保水采煤
近年來,保水采煤一詞頻繁出現(xiàn)在各類科技期刊,許多讀者對這一新詞語也許并不太了解,今天,我就來為大家解讀保水采煤問題。
◎為什么要開展保水采煤研究
保水采煤是隨著神府煤田開發(fā)出現(xiàn)的環(huán)境問題而提出的。1982年發(fā)現(xiàn)的神府煤田,以資源儲量巨大、煤質(zhì)優(yōu)良、開采條件簡單、區(qū)位優(yōu)勢明顯而成為國家煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移的首選基地,煤田面積超過1萬平方千米,總資源量超過1000億噸,煤層埋藏深度從地表出露到800米,其中神木、府谷縣一帶煤層深度不超過300米。煤層厚度15~20米,單層厚度3~5米,最厚12.49米。煤層穩(wěn)定,數(shù)百平方千米內(nèi)很少有斷層、褶皺,煤層傾角小于3度,基本處于緩緩向北西傾斜的單斜構(gòu)造,非常適合機械化開采。1985年開始開發(fā),1996年第一個現(xiàn)代化礦井大柳塔煤礦建成投產(chǎn),2018年生產(chǎn)原煤4.56億噸,而且還在快速增長,成為我國最重要的煤炭基地。
然而,就是這樣一個大煤田,卻地處毛烏蘇沙地與黃土高原的接壤地帶,氣候干旱,降水稀少,多年平均降水量只有400毫米左右,且多集中于7~9月份的雨季,在黃土高原地帶,降雨多以地表徑流方式流失,在沙漠地帶,降雨入滲到砂層中,形成了本區(qū)唯一具有生態(tài)價值和供水意義的潛水含水層。由于氣候干旱,水資源貧乏,本區(qū)地表植被稀疏,生態(tài)環(huán)境脆弱,長期的監(jiān)測發(fā)現(xiàn),在毛烏素沙漠地區(qū),植被發(fā)育狀況與地下水位埋深關(guān)系密切。
圖1 水位埋深小于3米的植被發(fā)育狀況
圖2 水位埋深大于10米后的植被發(fā)育狀況
煤田開發(fā)初期,出現(xiàn)了礦井突水并引起附近潛水水位下降和植被枯萎,煤炭開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的損害開始顯現(xiàn)。1990年4月20日,一處地方煤礦在掘進巷道過程中,發(fā)生了頂板冒落和突水潰沙事故,致使附近的飲馬泉流量銳減,地下水水位迅速降低,導致沙漠地區(qū)典型的沙柳、沙蒿等枯萎、死亡。
隨著煤田開發(fā)進程加快,引發(fā)了一系列礦山環(huán)境問題,并成為社會關(guān)注熱點。2006年陜西省人民政府在“陜北神木生態(tài)環(huán)境治理有關(guān)問題的報告”指出:2004年全縣煤礦塌陷面積27.72平方千米,受災人口3612人,損壞房屋2160間,損壞水澆地、旱地、林地等共計41500公頃,由于采煤引起了礦井水害和地下水嚴重滲漏,區(qū)內(nèi)已有數(shù)十條河流斷流,數(shù)百處泉眼干涸,水體、濕地面積嚴重萎縮,地表植被枯萎等現(xiàn)象(圖3)。據(jù)估算,窟野河流域每生產(chǎn)1噸煤炭損耗約0.6立方米的地下水水資源,1999-2013年窟野河衰減流量達2.28億立方米,窟野河已變?yōu)榧竟?jié)河,水資源供需矛盾不斷加劇,影響到河流生態(tài)功能、供水能力等河流健康指標。
圖3 沙漠采空區(qū)地面塌陷及植被死亡現(xiàn)象(2006年攝)
為此,1992年作者在《神木礦區(qū)的主要環(huán)境地質(zhì)問題》一文提出了煤田開發(fā)中應(yīng)將采煤、保水和生態(tài)環(huán)境保護作為一個系統(tǒng)工程統(tǒng)一規(guī)劃的思路。同期,韓樹青、范立民等提出在薩拉烏蘇組地下水豐富的區(qū)域,應(yīng)該采用充填開采技術(shù),達到保護地下水的目的。
◎什么是保水采煤
通俗的說,就是在西北缺水地區(qū)的煤炭開采過程中,保護好地下的含水層,使含水層不受采煤擾動而發(fā)生開裂、錯斷現(xiàn)象,從而地下水的生態(tài)功能、供水功能,促進生態(tài)脆弱礦區(qū)的環(huán)境保護。
從專業(yè)角度,作者給出保水采煤的概念是:在干旱半干旱地區(qū)煤層開采過程中,通過控制巖層移動維持具有供水意義和生態(tài)價值含水層(巖組)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或水位變化在合理范圍內(nèi),尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開采技術(shù)。
◎如何實現(xiàn)保水采煤
2005年,作者提出保水采煤的實現(xiàn)途徑有兩個,即通過合理選擇開采區(qū)域和采用合適的采煤方法,實現(xiàn)保水采煤目標。合理選擇開采區(qū)域,就是要分析論證各個區(qū)域煤層開采對潛水含水層的影響程度、影響方式,影響大的區(qū)域,暫緩開采,影響不大的區(qū)域或不影響的區(qū)域,優(yōu)先開采。采用合適的采煤方法,主要是針對影響不大的區(qū)域,通過工程措施,減輕采煤對含水層的影響,實現(xiàn)煤炭開采與含水層保護統(tǒng)一。
在合理選擇開采區(qū)域方面,王雙明院士帶領(lǐng)的團隊,2010年就編繪了我國第一幅基于保水采煤的采煤方法規(guī)劃圖(圖4),為區(qū)域性采煤區(qū)域選擇、采煤方法調(diào)控提供了科學依據(jù)。
圖4 榆神府礦區(qū)保水采煤方法規(guī)劃示意圖(據(jù)王雙明、范立民,2010)
在采用“合適的采煤方法”方面,王雙明院士等國內(nèi)多個團隊研發(fā)了一系列新技術(shù),主要包括充填保水采煤技術(shù)、限高保水采煤技術(shù)、窄條帶保水采煤技術(shù)等,針對華北型煤田底板巖溶含水層,還研發(fā)了底板注漿加固保水采煤技術(shù)。
充填保水采煤技術(shù),就是在煤炭開采過程中,隨時對采空區(qū)進行充填,以免采空區(qū)頂板巖層發(fā)生破斷,影響含水層。與此類似的還有采充并行保水采煤技術(shù)、離層注漿保水開采技術(shù)等。
限高保水采煤技術(shù),是對于厚度大的煤層,以減小一次開采厚度,降低開采過程中對頂板損傷程度的新技術(shù)。榆神礦區(qū)榆樹灣煤礦等2-2煤層,厚度11米,首次開采只開采5.5米,實現(xiàn)了上覆潛水含水層的保護。
窄條帶保水采煤技術(shù),是針對采礦權(quán)面積不規(guī)則且面積有限的礦井,按照長壁工作面部署,房柱式開采的一種采煤方法,榆林市地方煤礦采用這一技術(shù),與原來房柱式采煤方法比較,提高了回收率,也沒有影響上覆含水層。
底板注漿加固保水采煤技術(shù),是針對華北型煤田底板巖溶水含水層保護而研發(fā)的,以陜西澄合礦區(qū)為例,5號煤層開采與底板巖溶水含水層距離只有25~30米,遇到小斷層發(fā)育、底板破碎帶等地段,采煤底板擾動就發(fā)育到含水層,造成礦井突水和水文下降,因此,對于底板破碎地段和斷層發(fā)育區(qū)域進行注漿加固,是保護巖溶含水層的有效方法。澄合礦區(qū)已經(jīng)形成了成熟的技術(shù),并進行了多年的保水開采實踐,效果良好。
上述保水采煤技術(shù)已經(jīng)在西北各煤炭基地得到了較好的推廣應(yīng)用,取得了良好的效果。
◎如何檢驗保水采煤的效果
保水采煤的目標是保護含水層,實現(xiàn)煤炭采空區(qū)含水層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和完整,其表現(xiàn)形式是煤層頂板導水裂隙帶沒有發(fā)育到含水層底部,含水層的水位埋深沒有發(fā)生顯著變化,礦區(qū)的泉、河流流量沒有大幅度衰減。針對這三個關(guān)鍵參數(shù),我們在部分煤礦開展了探測驗證和調(diào)查分析。
一是導水裂隙帶發(fā)育高度,在榆樹灣、杭來灣、榆陽、金雞灘等煤礦實施了十余個鉆孔,探測導水裂隙帶發(fā)育高度,探測結(jié)果表明,導水裂隙帶發(fā)育高度是采高的24倍左右,均沒有發(fā)育到潛水含水層。
二是含水層地下水水位埋深,在榆樹灣、金雞灘以及榆林市地方煤礦進行了16個鉆孔,采用汽車鉆探測潛水水位埋深,探測鉆孔設(shè)置在原來有準確水位埋深(原先有鉆孔)的位置,探測結(jié)果表明,推廣保水采煤技術(shù)的開采區(qū),水位變化幅度最大下降2.76米,一般不超過2米,多數(shù)在1米以內(nèi),屬于正常的季節(jié)性變化。而窟野河流域煤層埋藏特別淺的區(qū)域,如大柳塔煤礦,采用地下水庫技術(shù)建成了收集、利用礦井水和大氣降水的地下水庫,地下水庫的水,通過分質(zhì)分別用于飲用水、自來水、綠化用水和中水(衛(wèi)生間使用)等,實現(xiàn)了煤-水共采。
圖5 范立民與團隊成員在野外
三是泉流量動態(tài)變化,我們系統(tǒng)調(diào)查了榆神府礦區(qū)的泉,禿尾河流域部分泉有衰減,但衰減幅度不超過10%,基本保持了河流基流量的穩(wěn)定??咭昂恿饔蛉乃p現(xiàn)象明顯,這與煤層埋藏深度有關(guān)。
遙感監(jiān)測表明,煤炭開發(fā)前,榆神府礦區(qū)植被覆蓋度約10%左右,目前已經(jīng)超過50%,煤炭開發(fā)與地下水資源保護、生態(tài)環(huán)境保護實現(xiàn)了協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
◎保水采煤還有哪些難題
目前,保水采煤還面臨很多難題,如充填開采是保水采煤的最佳途徑,幾乎適合于所有西部礦區(qū),然而,充填材料選擇、充填工藝優(yōu)化、充填成本控制仍然不盡人意。在保水采煤的關(guān)鍵參數(shù)——導水裂隙帶高度預測方面,還沒有與現(xiàn)代采煤技術(shù)對應(yīng)的經(jīng)驗公式或模型。在多煤層開采對含水層擾動機理、特大采高(一次開采8米及以上)條件下,巖層控制技術(shù)及導水裂隙帶發(fā)育機理,也亟待研究。在毛烏素沙漠等西北荒漠化煤炭基地,植被發(fā)育對地下水的依賴關(guān)系還沒有徹底解決。在煤層埋藏較深的區(qū)域,煤層開采引起地表下沉而潛水水位相對抬升引起的生態(tài)效應(yīng),也是一個需要研究的課題。
因此,保水采煤還有許多難題需要破解,期待煤炭科技工作者繼續(xù)努力,為占我國煤炭資源儲量73%、產(chǎn)量約70%的西北干旱半干旱礦區(qū)煤炭科學開采提供技術(shù)保障,促進西北煤炭基地生態(tài)文明建設(shè)。
◎延伸閱讀
如果您還想更詳細的了解保水采煤的來龍去脈和解決方案,可閱讀以下文獻:
王雙明,黃慶享,范立民,等.生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開發(fā)與生態(tài)水位保護[M].北京:科學出版社,2010.
范立民,馬雄德,蔣澤泉,等.保水采煤研究30年回顧與展望[J].煤炭科學技術(shù),2019,47(7):1-30.
范立民,馬雄德. 保水采煤理論與實踐[M].北京:科學出版社,2019.(2019年9月出版)。
(作者單位:礦山地質(zhì)災害成災機理與防控重點實驗室/陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站)