煤炭保水開(kāi)采技術(shù)探究

●14●露天采礦技術(shù)2009年第5期采礦工程煤炭保水開(kāi)采技術(shù)探究李嵐(中煤國際工程集團沈陽(yáng)設計研究院，遼寧沈陽(yáng)110015)摘要:隨著(zhù)我國煤炭開(kāi)采規模越來(lái)越大，引起地下水資源破壞的問(wèn)題越來(lái)越突出,極大的阻礙了環(huán)境與社會(huì )經(jīng)濟的協(xié)調發(fā)展。煤炭綠色保水開(kāi)采是在不影響區域水文地質(zhì)條件情況下采煤,可以很好地解決開(kāi)采對地下水資源的破壞等問(wèn)題。通過(guò)分析開(kāi)采對地下水的影響,總結了保水開(kāi)采技術(shù)的主要影響因素,論述了實(shí)現保水開(kāi)采的途徑及方法關(guān)鍵詞;煤炭開(kāi)采;地下水;保水開(kāi)采技術(shù);中圖分類(lèi)號:TD 821文獻標識碼:A文章編號: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引言垂向裂縫增多、增大,煤系地層中的水,松散巖類(lèi)地煤炭開(kāi)采在為社會(huì )建設、消費提供能源的同時(shí)層中的水均快速地向下滲透，形成了區域性地下水也在對生態(tài)環(huán)境造成巨大的破壞。隨著(zhù)我國煤炭產(chǎn)位降落漏斗,淺、中層地下水逐年被疏干。煤礦周?chē)辶康牟粩嘣黾?，煤炭開(kāi)采所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題愈加突莊的水井也因無(wú)水而報廢,造成了村民的吃水問(wèn)題。出,其中水資源的破壞問(wèn)題最為明顯,也最為敏感。2.2開(kāi)采 對深層地下水的影響煤礦開(kāi)采過(guò)程中破壞了地下含水層的原始逕流,大煤礦在開(kāi)采過(guò)程中，為了維持采礦的正常進(jìn)行量排出地下水;采空區上方導水裂隙帶與地下水體及采煤工作面的橫向和縱向的發(fā)展，必須將工作面貫通,形成大規模地下水降落漏斗,造成區域含水層周?chē)乃驖撛诘乃懦?。隨開(kāi)采深度的加大,深層水位下降,直接影響到區域水文地質(zhì)條件。采動(dòng)影響各含水層水被截留,轉化為礦坑水排出,礦井排水量穩定后產(chǎn)生的地表沉陷往往影響到地表水體(河流、逐年增加. ,導致深層地下水位逐年下降,所形成的地湖泊.井泉等)的原來(lái)形態(tài),造成部分溝泉水量減少下水降落漏斗范圍和幅度也越來(lái)越大。深層地下水甚至干涸;影響當地居民正常的生產(chǎn)、生活,進(jìn)而影位一再下降,很難在短時(shí)期內得到恢復。響區域植被生長(cháng),甚至土地沙漠化。因此保水開(kāi)采的2.3 礦井疏排地下水的影響經(jīng)濟效益、社會(huì )效益、生態(tài)效益是巨大的"。礦井疏排地下水是煤礦對地下水系統的一-項最基本操作,操作后果主要有2個(gè)方面:一是當有害地2開(kāi)采對地下水的影響下水排到地面后,即構成污染源,可導致地表水體、2.1開(kāi)采對淺、 中層地下水的影響淺層土壤、地下水含水層等其它環(huán)境因素的次生污淺、中層地下水是工業(yè)用水和生活用水的主要.染。中國煤化工水系統的自然物理水源由于采煤的影響,煤系地層及上覆松散巖類(lèi)中與Y片CNMHG括地下水的儲存量收稿日期:2009-07-01和水質(zhì)流場(chǎng)的介質(zhì)等)產(chǎn)生反作用。兩種作用都引起作者簡(jiǎn)介:李嵐(1984 -),男,遼寧凌源人,助理工程師。礦區生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，并又反過(guò)來(lái)對礦區開(kāi)發(fā)建采礦工程露天采礦技術(shù)2009年第5期.15●設帶來(lái)不利影響(圖1)。帶高度將保持為某一定值， 采空區邊界的破壞帶的{含水層水質(zhì)污染高度大于采空區中央的破壞帶的高度3。根據上覆巖層破壞帶的高度及其分布形態(tài),可礦區井(礦入{地下水系統格局了一f地下水環(huán)境以推斷出一般開(kāi)采情況下的含水層水位變化。對于開(kāi)發(fā)建設I質(zhì)量惡化非充分采動(dòng)，上覆巖層破壞帶的高度最大值位于采地下水資源量減少-空區中央,導致此處的含水層水位下降最大,如圖2圖1煤礦地 下水環(huán)境影響模型所示。隨著(zhù)煤礦疏排水的延續,地下水環(huán)境發(fā)生演化,原始水位如地下水水位大幅度降低，水-巖作用以及所處化采后水位學(xué)環(huán)境(如氧化還原環(huán)境)發(fā)生變化，引起地下水礦斷裂帶”化度增大、有害成分增多等等。這種環(huán)境演化的結垮落帶果，最重要的就是引起煤礦地下水資源的枯竭及水體環(huán)境污染等環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題，從而對煤礦工業(yè)圖2非充分采動(dòng)引起地 下水位變化城市的發(fā)展起到嚴重的阻礙作用1。(1)對地下水水位水量的影響。聚煤盆地由于煤如果采空區面積較大，采空區中央上方的斷裂礦長(cháng)年累月大量疏排地下水,造成水資源嚴重枯竭，裂隙壓密閉合，則由此產(chǎn)生的含水層水位降在采空煤礦工業(yè)城市出現了困擾人們的水荒,從而影響T.區邊界達到最大值,如圖3所示。地面礦企業(yè)及城市的發(fā)展。例如唐山地區由于煤礦疏排原始水位.地下水，水位由原來(lái)的+5 m降到現在的-57.98 m,水位下降了62.8 m,原有地下水環(huán)境發(fā)生演化,不僅. 斷裂帶供水系統大量報廢，還引起了巖溶地面塌陷的連鎖反應。(2)對地下水水質(zhì)的影響。聚煤盆地中地下水環(huán)圖3充分采動(dòng) 引起地下水位變化境的演化，導致地下水環(huán)境中水一巖相互作用以及對于大采高小采深，上覆巖層胃落區波及含水所處化學(xué)環(huán)境發(fā)生改變，這樣地下水化學(xué)環(huán)境平衡層,則由此引起含水層的水直接流人采空區,形成以遭到破壞,氧化作用加劇,巖石淋蝕作用加強,生物開(kāi)采邊界為邊界的擴散降落漏斗,如圖4所示。作用也明顯,致使地下水化學(xué)成分發(fā)生變化。如水中含有較多的有機(褐煤)和無(wú)機(粉砂)懸浮固體物質(zhì),pH值很低，隨著(zhù)礦坑水的排放總礦化度不斷增擴散降落漏斗擴散降落躪斗加,某些組分的濃度也增大,如SO2-、Br2+、F-、酚類(lèi)斷裂帶化合物、Fe、Ge Mg以及放射性物質(zhì)嚴重超標,致使地下水和地表水受到污染，地下水供水系統水質(zhì)惡化,城市水資源遭釗破壞。2.4開(kāi)采引起含水層水位變化圖4深厚比大且充分采動(dòng)引起地下水位變化煤礦開(kāi)采區含水層水位變化與農民飲用淺水3保水開(kāi) 采技術(shù)的主要影響因素井、農用灌溉機井的用水量及開(kāi)采引起的含水層水流失等有關(guān),其中主要是開(kāi)采引起的。地下開(kāi)采破壞3.1地質(zhì) 構造特征了原有的力學(xué)平衡，使得上覆巖層產(chǎn)生移動(dòng)變形和地質(zhì)構造對地下水、地面水起著(zhù)重要的控制與斷裂破壞。當導水裂隙帶波及到上覆含水層時(shí),含水導水作用，局部也起著(zhù)阻溢作用。地質(zhì)構造愈復雜，層中的水就會(huì )沿采動(dòng)裂隙流向采空區，造成巖土體斷裂盾中國煤化工給充分,則排水中的水位下降。由此可以看出，巖土體中的水位下降量就愈YHCNMHG層離斷層愈遠,補與覆巖破裂密切相關(guān)。隨著(zhù)工作面推進(jìn)距離增大,斷給來(lái)源少,則排水量愈小。裂帶高度增大,當采空區面積達到充分采動(dòng)時(shí),斷裂3.2水 文地質(zhì)條件露天采礦技術(shù)2009年第5期采礦工程, 16.主要是含水層的厚度、富水性、節理、裂隙、巖溶漏的關(guān)系,從采礦方法、地面注漿等方面采取措施，發(fā)育程度和補給米源。實(shí)現礦井水資源的保護和綜合利用。(1)含水層厚度大、裂隙巖溶發(fā)育、含水性強、補4.1 實(shí)現保水開(kāi)采的途徑給來(lái)源豐富,則保水開(kāi)采難度就大,反之則小。實(shí)現保水開(kāi)采的途徑有合理選擇開(kāi)采區域、適(2)所處的地理位置,主要取決于煤礦平面位置當留設防水(砂)煤(巖)柱和應用合理的開(kāi)采方法。與附近井,泉河水的關(guān)系,一般離井、泉、河水近,且(1)合理選擇開(kāi)采區域。對不同的地質(zhì)環(huán)境條件水力關(guān)系密切，側向補給來(lái)源大，則保水開(kāi)采難度應該區別對待,并分為以下幾種類(lèi)型:大,反之則小。①對于不存在含水層或煤層埋藏適中，有含水(3)與當地降水量、人滲系數大小、煤層深淺有層,同時(shí)其底部有厚度較大的隔水層的地區。該區域直接的關(guān)系,一般是開(kāi)采煤層埋深淺,降水量大,人煤層開(kāi)采的冒裂帶和導水裂隙帶發(fā)育不到含水層底滲系數大,降水可直接轉化為礦坑水,煤層開(kāi)采后導部,不至于破壞含水層結構,可以實(shí)現保水開(kāi)采。水裂陳帶影響到地面,則保水開(kāi)采的難度就大,且季②有含水層、隔水層分布，但隔水層的厚度有節性變化明顯,即每年雨季7.8.9月降水量大,保水限,煤層開(kāi)采后,需要采取一定的措施,才可以保護開(kāi)采的難度也增加,反之則小。地下水不受破壞的地區。需要研究煤層采動(dòng)覆巖破3.3 煤礦開(kāi)采階段壞規律和地下水位下降與沙漠地區植被生存條件的(1)煤礦開(kāi)采初期,揭露的含水層相對多,各含.關(guān)系等。應采取有效保水開(kāi)采措施后方可進(jìn)行開(kāi)采,水層處于自然飽和狀態(tài),含水性強,隨著(zhù)開(kāi)采面積的如神東礦區禿尾河沿岸的一些井田。增大,就會(huì )逐步發(fā)生頂板冒落,勾通裂隙導水帶,煤③對于煤層埋藏淺、又富含水,煤層開(kāi)采會(huì )造成系頂部含水層中地下水就會(huì )直接滲人礦坑，造成保地下水全部滲漏的地區。一旦開(kāi)采,礦井突水可以通水開(kāi)采難度的上升。過(guò)提前疏降水工程保證,但不能保證地下水含水結(2)礦井開(kāi)采中期,由于一般不會(huì )大面積揭露新構、生態(tài)環(huán)境的破壞,在沒(méi)有徹底解決地下水滲漏問(wèn)的含水層,隨著(zhù)開(kāi)采時(shí)間的增長(cháng),含水層水位不斷降題之前,暫緩開(kāi)發(fā)。如神府東勝煤田烏蘭木倫河上游低,以礦井為中心的降落漏斗趨于穩定,部分含水層的一些井田(含內蒙占境內的馬家塔等井田)、禿尾;由承壓轉為無(wú)樂(lè )，礦井排水量靠人滲量補給，處于河領(lǐng)域的青草界泉域等l。已經(jīng)開(kāi)采的礦井,應該采補徑、排平衡狀態(tài)。取切實(shí)的措施,保護地下水資源的含水結構不受破壞。(3)礦井開(kāi)采后期,由于含水層部分被疏干,導(2)防水(砂)煤(巖)柱留設。月前在松散含水層水裂隙帶和節理裂隙逐步被充填，地表人滲補給量等水體下采煤，一般是根據開(kāi)采區域巖煤地質(zhì)及水逐步減少,則礦井滲水量逐步衰減。文地質(zhì)條件、煤(巖)柱兩側的開(kāi)采狀況及采礦技術(shù)(4)礦井開(kāi)采末期(停采),在其影響范圍內,礦條件等因素,采取留設防水(砂)煤(巖)柱的方法進(jìn)坑滲水變小或不排水。但由于煤系底部有隔水層存行開(kāi)采。首先使用鉆孔沖洗液法為主,結合其它方法在,采空區逐步積水成為“地下水庫"。在這種情況研究確定導水裂隙帶高度。通常,在工作面上方地表下,實(shí)施保水開(kāi)采是必要的。沿煤層走向和傾向布置觀(guān)測線(xiàn)，施上數個(gè)水文鉆孔影響保水開(kāi)采技術(shù)的因索還包括:采煤方法.工和巖移觀(guān)測孔,根據鉆孔中水位變化、沖洗液消耗量作面尺寸、覆巖結構.塑性巖沉積位置,塑性巖厚度大小及巖芯破碎程度等綜合分析，確定深埋近露頭(脆性巖厚度)、覆巖厚度及其力學(xué)性質(zhì)和上.覆充水煤層開(kāi)采后導水裂隙帶發(fā)育高度和分布形態(tài)。其次，含水層富水性等。厚松散層下近風(fēng)化帶保水開(kāi)采的GIS研究，可用于保水條件下的安全煤柱留設設計。該研究建立了4保水開(kāi)采技術(shù)GIS數據庫和圖形庫,通過(guò)GIS多因素擬合建立了保水開(kāi)采的目標是在防治采場(chǎng)突水的同時(shí),對近風(fēng)化帶覆巖采動(dòng)破壞“兩帶”高度的預計模型,提水資源進(jìn)行有意識的保護，使煤炭開(kāi)采對礦區水文中國煤化工環(huán)境的擾動(dòng)量小于區域水文環(huán)境容量。研究在開(kāi)采YHCNMHG后上覆巖層的破斷規律和地下水漏斗的形成機理,(1)減小導水裂隙帶高度的開(kāi)采方法。保水開(kāi)采以及各種地質(zhì)條件下開(kāi)采期間巖層活動(dòng)與地下水滲. (下轉第19頁(yè))采礦工程露天采礦技術(shù).2009年第5期設計決定首先采用拉溝剝皮露煤的措施，即沿上部布置3條位移監測線(xiàn)，根據監測點(diǎn)位移隨時(shí)間變化煤臺階坡頂線(xiàn)在壓腳體中拉15m寬、10m深的溝,曲線(xiàn)預測邊坡穩定性，為回采工程順利進(jìn)展提供安將該部分壓腳土3.4萬(wàn)m'剝離，露出上部采煤臺全保障。階，在該煤臺階的南北兩端分別布置1臺液壓反鏟5結論與建議采煤,運煤卡車(chē)沿南、北兩側預留的運輸坡道運出。隨著(zhù)上部煤臺階的回采和推進(jìn)到一-定位置,下部煤回采西端幫滑坡區壓煤量具有十分顯著(zhù)的經(jīng)濟臺階出露,采煤平盤(pán)留20m寬,相應建立下部的采效益，同時(shí)西端幫滑坡區回采時(shí)穩定與否將直接影煤T.作面，再在南北兩端分別布置1臺液壓反鏟采響露天礦安全可靠運輸。本著(zhù)安全第一- ,充分回收西煤,運煤卡車(chē)沿南、北兩側預留的運輸坡道運出。內幫滑坡區壓煤,建議采取以下工程措施:排壓腳由兩側分別跟進(jìn)。中區壓煤長(cháng)度165 m,可回(1)嚴格控制內排壓腳跟蹤距離不大于50 m。采硬煤30萬(wàn)t,4臺液壓反鏟作業(yè)25天，并需完成(2 )硬煤回采前3個(gè)應力監測點(diǎn)投人使用,在應壓幫量14.2萬(wàn)m'。力監測系統指導下完成回采作業(yè)。(3)對西幫運輸干線(xiàn)進(jìn)行位移監測，出現裂縫、4監測方案下沉等移動(dòng)特征,作好記錄,繪制監測點(diǎn)位移隨時(shí)間應力監測是保證回采滑坡區壓煤作業(yè)安全的重變化曲線(xiàn)。要措施之一,將應力計置于錨索錨頭下,隨錨索受力(4)設專(zhuān)人在滑坡區流動(dòng)巡視,對于浮石滾落、變化實(shí)現實(shí)時(shí)應力監測，根據應力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)臺階出現裂縫等巖移跡象及時(shí)上報。預測邊坡穩定狀態(tài),從而指導回采工作。位移監測是參考文獻:根據監測點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)預測邊坡穩定性。[1]王 東,袁 景.邊坡穩定性分析中不確定性方法的評(1)應力監測。巖體在力的作用下產(chǎn)生變形,內價(jià)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報. 2005,(S2).部應力狀態(tài)發(fā)生轉變,當應力達到巖體強度時(shí),巖體[2 ]殷躍平.中國滑坡防治工程理論與實(shí)踐[J].水文地質(zhì)工發(fā)生破壞。因此監測巖體應力是一種積極主動(dòng)的監程地質(zhì), 1998,(1).測措施，它比位移監測更早的獲取巖體變形特征和[3]孫英勛.滑坡的處治分類(lèi)與治理模式探討[J]地質(zhì)與勘探,2006,(1).滑移信息，對及時(shí)掌握滑坡動(dòng)態(tài)和采取治理措施至[4]薛應東,肖石,朱 強,等.平莊西露天礦 邊坡應力遠關(guān)重要。通過(guò)連續、自動(dòng)監測應力變化,預測和評價(jià)程智能監測系統的研發(fā)及應用[J]. 露天采礦技術(shù),邊坡巖體的穩態(tài),是確保采礦安全行之有效的措施。2008,(1).(2)位移監測。在滑坡區北區中區和南區分別(上接第16頁(yè))失,嚴重地影響了礦區的生態(tài)發(fā)展。保水開(kāi)采技術(shù)的可應用國內外“三下”采煤技術(shù)與特殊開(kāi)采方法,使研究和使用，是解決煤炭生產(chǎn)中水資源破壞問(wèn)題的煤層頂板巖層破壞減小,導水裂隙帶不波及水體。減根本方法,是整個(gè)綠色開(kāi)采體系中極為重要的部分。小裂隙帶高度的開(kāi)采方法有充填開(kāi)采、條帶開(kāi)采、分為了我們國家長(cháng)遠經(jīng)濟發(fā)展的需要,煤礦企業(yè)必須層開(kāi)采、“采一注一采”三步法和“采- -注一跳采"三走綠色開(kāi)采之路,通過(guò)綠色開(kāi)采理論指導煤炭生產(chǎn),步法開(kāi)采、覆巖離層注漿等。合理處理經(jīng)濟與環(huán)境的關(guān)系，使煤礦得到綠色協(xié)調(2)以底板加固為主導技術(shù)的保水開(kāi)采技術(shù)。對健康發(fā)展。于底部賦存巖溶水或承壓水體的煤層，近年來(lái)以底板加固為主導技術(shù)的保水開(kāi)采技術(shù)取得了長(cháng)足進(jìn)[1]錢(qián)鳴高,許家林.繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)[]中國礦展.工作面底板加固是對底板隔水層薄弱帶(松散裂業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003 ,32(4):343- -347.隙區或空洞區)進(jìn)行注漿強化處理,既降低底板地層[2]張發(fā)旺,李鐸,趙華.煤礦開(kāi)采條件 下地下水資源破滲透性,又提高底板地層抗壓性,起到了封堵和加固壞及其控制[U1.石家莊經(jīng)濟學(xué)院學(xué)報, 1996,(2).作用。[3]崔希中國煤化工下沉的影響[J]煤田地HCNMHG5結語(yǔ)[4]范立民.論保水開(kāi)采問(wèn)題[].煤田地質(zhì)與勘探,2005,煤炭開(kāi)采過(guò)程中會(huì )引起地下水資源的大量流(5).