榆神府區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

榆神府區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

0保水采煤保水煤柱留設(shè)研究20年來，陜北榆神地區(qū)（包括神北、神南、榆神、榆橫、新民等五個(gè)礦區(qū)）的采礦業(yè)實(shí)踐，出現(xiàn)了一些嚴(yán)重的環(huán)境問題，如地下水位下降、水源干燥、河流中斷和生態(tài)環(huán)境惡化等。要實(shí)現(xiàn)科學(xué)開采，必須解決煤礦和環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展問題。近年來,國內(nèi)地質(zhì)界針對(duì)陜北保水采煤問題開展了大量研究,探討了保水開采對(duì)策和方法,提出了保水采煤的核心是生態(tài)水位保護(hù)的新觀點(diǎn),在水資源有限的陜北地區(qū)采煤,既要最大限度地提高煤炭資源采出率,又要保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)的完整性(保生態(tài)水位),這就要求合理設(shè)計(jì)保水煤柱,在保障煤礦安全條件下,以保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)為目標(biāo),科學(xué)留設(shè)煤柱。煤柱留寬了,不利于煤炭資源充分利用,反之則會(huì)造成礦井突水及生態(tài)水位下降,誘發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。為此,我們以神南礦區(qū)為例,開展了保水采煤保水煤柱留設(shè)的研究,提出了方案。神南礦區(qū)目前有檸條塔(12Mt/a)、紅柳林(12Mt/a)、張家峁煤礦(6Mt/a)3處大型現(xiàn)代化煤礦,實(shí)現(xiàn)礦區(qū)保水開采,不僅關(guān)系到礦區(qū)持續(xù)發(fā)展,也對(duì)整個(gè)陜北、神東煤炭基地建設(shè)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大意義,除調(diào)整采煤方法、改變采高等措施外,合理留設(shè)保水煤柱,是實(shí)現(xiàn)保水開采的重要途徑。1層內(nèi)保水煤柱神南礦區(qū)主要含水層是松散層潛水含水層和燒變巖含水層,侏羅系基巖含水層富水性極微弱,因此,留設(shè)保水煤柱主要保護(hù)松散層潛水含水層和燒變巖含水層不受破壞,同時(shí),保護(hù)地表水體(河流、水庫、海子)不受破壞。1.1砂層水、河谷區(qū)的分布砂層水:主要分布于礦區(qū)南部,由風(fēng)積砂和薩拉烏蘇組組成,兩者常構(gòu)成同一含水層。補(bǔ)給以大氣降水和凝結(jié)水為主,其中凝結(jié)水在7~9月份時(shí)補(bǔ)給量可達(dá)127.94m3/d·km2,是一些沙漠干旱植物生長必需的主要水源。砂層水的排泄方式為順地形以水平滲流為主,與黃土或紅土的接觸地段,以及河谷切割區(qū)常為其排泄邊界,以下降泉的形式出露。當(dāng)砂層下伏為燒變巖時(shí),砂層水排泄方式為垂直滲流,補(bǔ)給燒變巖水,在火燒邊界形成降落漏斗。河谷區(qū)潛水:主要分布于考考烏素溝、常家溝、蘆草溝、敖包溝、肯鐵嶺河兩側(cè)河漫灘和一級(jí)階地之上,分布不連續(xù),厚度變化較大。主要為第四系沖積層和基巖風(fēng)化帶潛水,一般彼此上下重疊,為具有雙重結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一含水體。沖積層孔隙大,透水性好,易于接受大氣降水補(bǔ)給。河谷區(qū)潛水與地表水體有極密切的水力聯(lián)系,一般枯水期潛水排泄補(bǔ)給地表水,豐水期河流補(bǔ)給沖積層潛水。1.2燒變巖區(qū)的形成燒變巖的分布主要在張家峁井田內(nèi)和紅柳林井田東部井田邊界,檸條塔井田內(nèi)的燒變巖區(qū)由2-2煤和3-1煤火燒形成,已上下連成一體。火燒區(qū)一般沿煤層露頭呈條帶狀分布,沿傾向延伸一般1~2km,最深12km,為地表水、大氣降水的入滲和地下水的逕流創(chuàng)造了有利條件,同時(shí)也可以作為良好的地下儲(chǔ)水構(gòu)造。1.3地表徑流cs神南礦區(qū)地表水體以泉水、地表徑流和水庫為主。泉水主要分布于溝谷兩側(cè),類型主要為下降泉和溢出泉,其中位于前楊家村和后楊家村中間的泉群q12,流量32.26L/s(2009.11.7),為礦區(qū)內(nèi)流量最大的泉;地表徑流主要有考考烏素溝(307.3L/s,2009.11.3)、常家溝(36.00L/s,2009.11.3)、蘆草溝(614.03L/s;常家溝水庫是神木縣目前最大的蓄水水庫,匯水面積44km2,水庫最大容量1200×104m3,一般為225×104m3,蘆草溝海子,最大庫容約1×104m3,水頭溝水庫最大庫容1.5×104m3。2煤巖柱第二受害者以《煤礦防治水規(guī)定(2009)》和《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程(2000)》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式:式中:L——煤柱留設(shè)寬度(m);L1——煤巖柱第一段寬度(m);L2——煤巖柱第二段寬度(m);其中L1=H/tanδ(式中:H為河堤與煤層標(biāo)高差,m;δ為煤層采動(dòng)邊界角,依照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程(2000)》中相似地質(zhì)條件下的取值,這里取46.6°)(圖1)。煤巖柱第二段寬度(L2為規(guī)定中含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲褐?留設(shè)公式:式中:L2——煤柱留設(shè)的寬度(m);K——安全系數(shù),一般取2~5,此次取5;M——煤層厚度或采高(m);p——水頭壓力(MPa);Kp——煤的抗拉強(qiáng)度,取0.22(MPa)。3錫南礦區(qū)的保護(hù)柱得以保存3.1張家寶水礦保水柱系泊樣(1)常家溝水庫分層水位常家溝水庫位于張家峁井田內(nèi)東南部,建于烏蘭不拉河與老來河的交匯處,是神木縣目前最大的蓄水水庫。匯水面積44km2,水庫最大容量1200×104m3。其主要承擔(dān)華能公司自備電廠供水任務(wù),同時(shí)也要保證下游2000hm2農(nóng)田灌溉用水和人畜飲用水。常家溝水庫水壩為土質(zhì)結(jié)構(gòu),壩高46.7m,長250m,壩面寬10m,壩底及周圍巖石為延安組第三段極弱含水層段。庫底被泥沙淤積,庫底標(biāo)高1111.74m。洪峰期最高水位1127.74m,枯水期水位標(biāo)高1121.74m,蓄水量154×104~299×104m3,一般225×104m3。水位標(biāo)高依水面洪峰期最高水位標(biāo)高1127m進(jìn)行計(jì)算,則相對(duì)水位標(biāo)高而言,4-3煤的平均埋深只有47m,其平均厚度有1.28m,導(dǎo)水裂隙帶高度54.2m;4-4煤的平均埋深只有67m,平均厚度0.79m,導(dǎo)水裂隙帶高度38.7m;5-2煤的平均埋深102m,平均厚度5.66m,導(dǎo)水裂隙帶高度67.8m(表1)。(2)燒變巖地面水礦井生產(chǎn)開拓時(shí)應(yīng)特別注意中部的2-2、3-1煤火燒區(qū),由于其位于井田西南的風(fēng)沙灘地區(qū)的煤層厚度大、出露層位高,因而大面積自燃,形成的燒變巖范圍大,燒變巖中裂隙孔洞極為發(fā)育,與上覆第四系松散含水層發(fā)生水力聯(lián)系,使薩拉烏蘇組及松散沙層潛水進(jìn)入燒變巖裂隙內(nèi),并沿煤層底板泥巖隔水層向低洼處匯集,并以泉的形式排泄。燒變巖豎向范圍取6倍的煤層高度,即2-2煤為38.94m,3-1煤為15.72m,以此作為燒變巖中水位高度,水體類型依2類水體,分別計(jì)算2-2煤、3-1煤的側(cè)向隔水煤柱寬度,結(jié)果如表2。在開采過程中,當(dāng)工作面鄰近燒變巖地區(qū)時(shí),為防止燒變巖中的水突然涌入礦井,保障工作面的生產(chǎn)安全,必須在工作面布置前打超前勘探孔,探明燒變巖分布情況,并疏放其中的積水。由于本區(qū)為下行開采,在2-2煤和3-1煤工作面推采過燒變巖以后,火燒區(qū)中的存水將向井下大量排泄,燒變巖存水將消耗待盡,燒變巖下布置的工作面可以比較安全的通過燒變巖區(qū),但在接近燒變巖區(qū)時(shí)同樣也要做好充分的超前勘探工作。3.2紅柳林煤礦保水柱仍已鋪設(shè)(1)-1煤的開采盧草溝水源為砂層匯水,由于沿途經(jīng)過礦井風(fēng)沙灘地區(qū),匯水面積大,水量豐富,上游水量732×104m3/a,下游接近2000×104m3/a(接受五榜石溝補(bǔ)給),并通過何家梁輸水隧道向常家溝水庫輸水,年輸水1710m3。因此,盧草溝是井田范圍內(nèi)最重要的一條河流。水位標(biāo)高按1210m進(jìn)行計(jì)算,由于2-2煤的平均埋深只有60m,而其厚度有4.31m,導(dǎo)水裂隙帶高度54.2m,2-2煤的開采對(duì)上部巖土體影響劇烈,因此在盧草溝附近必須留設(shè)防水煤柱。3-1煤的平均埋深只有90m,厚度2.71m,導(dǎo)水裂隙帶高度38.7m,除去保護(hù)層厚度(按中硬頂板為12m),上覆巖土層厚度剩余40m,盧草溝下的3-1煤是否可以開采還要進(jìn)行后續(xù)勘探研究。其他煤層在充分設(shè)計(jì)的前提下可以進(jìn)行水體下采煤(表3)。(2)五公溝保水墻配置五榜石溝是盧草溝的一級(jí)支流,由砂層潛水匯流形成,年徑流量366×104m3。水位標(biāo)高按1180m進(jìn)行計(jì)算(表4)。(3)地下水對(duì)地面的影響由2009年9~11月的野外水文地質(zhì)勘查可知,敖包溝上游水量179×104m3/a,下游(敖包溝煤礦)水量767×104m3/a。據(jù)了解,下游水量驟增的原因是敖包溝煤礦將礦井水直接排入敖包溝。敖包溝的平均標(biāo)高為1110m。根據(jù)礦井的生產(chǎn)設(shè)計(jì),敖包溝附近首采5-2煤,其平均埋深只有110m,煤層厚度平均5.87m,導(dǎo)水裂隙帶高度69.2m,除去保護(hù)層厚度(按中硬頂板為12m),上覆巖土層厚度僅剩17.8m。5-2煤的開采對(duì)地面影響相當(dāng)劇烈,因此在未采取必要措施之前,必須留設(shè)煤柱,以防敖包溝水流涌入礦井。如表5所示。3.3檸檬塔煤礦保水柱系泊樣3.3.1煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育裝置檸條塔富水火燒區(qū)主要分布在原肯鐵嶺井田露天區(qū),分布面積大約4.6km2,孔隙體積約2660×104m3,水量約302×104m3,該處2-2煤和3-1煤燒變巖層導(dǎo)水裂隙已連通為整體,最厚處達(dá)100m。(1)巖柱留設(shè)公式火燒區(qū)下伏首采煤層為4-2煤(火燒區(qū)下4-2煤厚約3m),其距3-1煤底板約50m,依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程(2000)》安全煤巖柱留設(shè)公式:其中:Hah——垂高(m);Hli——導(dǎo)水裂隙帶最大高度(m);Hb——保護(hù)層厚度(m);Hfe——風(fēng)化帶深度(m)。依據(jù)資料,風(fēng)化基巖厚度約5m,保護(hù)層厚度依據(jù)中硬頂板計(jì)算,Hb=4M=12m,導(dǎo)水裂隙帶高度依據(jù)擬合公式計(jì)算Hli=9.59M+12.88=41.65m,故Hah≥Hli+Hb+Hfe=41.65+12+5=58.65m,略大于與上部煤層間距50m,而檸條塔礦井南部火燒區(qū)水量大,要解放此處水體下煤炭資源必須對(duì)燒變巖水體疏干,但實(shí)施難度很大。(2)防隔水煤巖柱該區(qū)域附近首采煤層為2-2煤,火燒區(qū)附近分為嚴(yán)重漏失區(qū)和一般漏失區(qū),即導(dǎo)水裂隙帶會(huì)導(dǎo)穿基巖,溝通上覆砂層潛水、冒落帶不會(huì)發(fā)育至潛水含水層,但火燒區(qū)周圍砂層富水性為中等,在采取了相應(yīng)的防治水措施的前提下,可以避免砂層水的威脅。但火燒區(qū)附近的煤層開采必須針對(duì)富水性極強(qiáng)的火燒區(qū)留設(shè)足夠的防水煤巖柱。根據(jù)規(guī)定和規(guī)范所列相關(guān)條款,留設(shè)火燒區(qū)附近的煤柱。依據(jù)公式1進(jìn)行計(jì)算,依據(jù)資料,L1=71.47/tg46.6°=67.6m;按最不利因素計(jì)算,采高取6.11m,水頭壓力p取為1MPa(100m),Kp為0.22MPa,K取5,計(jì)算防隔水煤(巖)柱寬度L2為56.4m。此時(shí),L=67.6+56.4=124m。(3)地面采高和放高對(duì)煤巖柱滲透量的影響第二段防水煤巖柱為主要的隔水層,其巖性主要為砂巖,經(jīng)過壓水試驗(yàn)顯示在1MPa壓力下滲透系數(shù)為0.02m/d;工作面斜長取295m,2-2煤采高為6.11m,導(dǎo)水裂隙帶高度為71.47m;在留設(shè)124m防水煤巖柱的情況下,依據(jù)達(dá)西定律公式計(jì)算得到滲透量約為71.47×295×0.02÷56.4=7.48m3/d?？梢钥闯鰪拿簬r柱側(cè)方滲透的水量十分有限,煤巖柱可以完成有效的水文地質(zhì)防滲要求。3.3.2地面采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙高度檸條塔礦井考考烏素溝北部為梁峁地形,火燒區(qū)補(bǔ)給困難,根據(jù)地質(zhì)調(diào)查,此處火燒區(qū)基本無水?；馃齾^(qū)下煤柱留設(shè):火燒區(qū)下可以大規(guī)模開采的是4-2煤(據(jù)Z2孔揭露2.84m厚)距離上覆火燒區(qū)(3-1煤底板)約53m。4-2煤開采后導(dǎo)水裂隙高度約為40.12m,煤層之間無風(fēng)化帶,因此其下4-2煤開采基本不受上覆火燒區(qū)影響,但火燒區(qū)沒有足夠的鉆孔控制,因此在每個(gè)工作面布置開采的時(shí)候需要以工作面為單元進(jìn)行防治水探查?；馃齾^(qū)附近煤柱留設(shè):由于火燒區(qū)沒有水,因此煤柱的留設(shè)可以直接參考公式2,留20m煤柱。3.3.3考考烏素溝周邊煤柱考考烏素溝下煤柱留設(shè):考考烏素溝下賦存的煤層是3-1煤(2.8m左右),其距離考考烏素溝谷底30m,小于導(dǎo)水裂隙帶高度,因此3-1煤不能開采;下伏第二層煤為4-2煤(2.78m厚),其距離考考烏素溝谷底90m,按照(1)式計(jì)算L=105.1m?？伎紴跛販细浇褐粼O(shè):考考烏素溝為窟野河一級(jí)支流,由西向東橫貫井田中部,其北側(cè)支溝為新民溝、石峽溝、好賴溝;南側(cè)支溝為小候家母河溝、肯鐵令河;歷年平均流量為0.7491m3/s,最大流量為26.0113m3/s,最小流量為0.101m3/s。因此,考考烏素溝為不易疏干的大型河流,需要留設(shè)足夠的防水煤巖柱加以保護(hù),考考烏素溝周圍可采的煤層為2-2煤,其平均厚度為6.11m。依據(jù)“三下采煤規(guī)程”,留設(shè)煤巖柱寬度依照(1)式計(jì)算,其值為46m,即考考烏素溝周圍需要留設(shè)46m的防水煤巖柱才能滿足防治水的要求。3.3.4引采穿越中小型河流檸條塔煤礦除了考考烏素溝以外,沒有大型河流,但中小型河流普遍存在,在工作面推采穿越中小型河溝時(shí),需要按照規(guī)程相關(guān)要求,對(duì)河流進(jìn)行改道或直接疏干,而某些季節(jié)性河流也可以選在枯水季節(jié)通過,避免河流水短時(shí)間大量進(jìn)入礦井。若不進(jìn)行以上措施,則需要參照上述考考烏素溝留設(shè)46m左右的防水煤巖柱。4燒變巖含水層為了保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)及生態(tài)水位的穩(wěn)定,神南礦區(qū)主要區(qū)塊煤柱留設(shè)應(yīng)按照以下數(shù)據(jù)