专题-浅埋煤层保水开采综述.doc

1、专题部分浅埋煤层保水开采综述摘要：随着我国西北煤炭工业基地的建设，神东煤田的开发强度日益加强，神东矿区属于干旱及半干旱地区。该区煤层具有埋藏浅，基岩薄的特点。开采时岩层呈现整体切落，出现台阶下沉，这就导致赋存在岩层上方的地下水涌入工作面造成矿井水灾，同时地下水流失导致矿区生态环境恶化，植被破坏。本文总结了目前浅埋煤层保水开采研究的各项理论成果和工程实践后，得出结论：保水开采的关键在于保护隔水关键层不受破坏。随着研究的深入，浅埋煤层保水开采这个问题会逐步得到解决。关键词：浅埋煤层； 隔水关键层； 岩层控制； 保水开采Review of Water Resouces Preservation in

2、 Shallow Seam MiningAbstract:With Chinas coal industry construction in northwest, the development of Shendong mining area is strengthened day by day. Shendong mining area belongs to the drought and semi-arid region. The characteristics of the coal seam in this area is buried shallow, the bedrock is

3、thin. Mining strata cut down on the whole and appear step- sink, leading to mine flood caused by the top groundwater occurrence into mining face and loss of groundwater cause ecological environment deterioration and damage to vegetation in mining area. This paper summarizes the current theory resear

4、ch results and engineering practice in water protection of shallow seam mining and draw the conclusion: the key to protect water in shallow seam mining is to lie key layer not be destroyed. With the development of research, the question of water shallow seam mining will be solved step by step. Keywo

5、rds: The shallow seam; The water protection key layer; Rock strata control; Water protection mining 1 浅埋煤层保水开采提出的背景及相关概念陕北煤炭分布区位于鄂尔多斯盆地中东部，是毛乌素沙地与黄土高原的接壤地带，煤田总面积超过1万平方公里，现已探明煤炭储量约为2300亿吨，埋深I000m以内的煤炭资源1400多亿吨，单单境内规划开发的神府煤田，相当于50个山西大同矿区，110个抚顺矿区，是中国已探明储量最大的煤田。随着国家加大对陕北地区煤炭资源的开发规模，该区形成了“煤-油-电一体化”的特大型煤

6、化工基地。目前陕北煤炭资源开发主要集中在榆林市的神木、新民和府谷等地埋藏深度小于100m的浅埋煤层。该区煤炭储量丰富、煤层埋藏浅，赋存稳定、近水平。极为优越的开采条件，促成了煤炭产量的飙升，就榆林市而言，煤炭年产量从2000年之前的3000万吨左右上升到2008年的1。55亿吨。在资源开发的带动下，陕北经济得到飞速发展，然而随之而来的却是无可恢复的环境负效应的产生。观测表明，陕北矿区煤层开采过程中，上覆基岩一般全厚切落，基岩破断角较大，工作面上覆基岩只形成冒落带和裂隙带，且直达地表，这给陕北矿区带来灾难性的危害，主要表现为:煤层上覆岩层完整性遭到严重破坏，引发次生地质灾害；破坏水煤资源的共生关

7、系，改变矿区水资源循环条件，使陕北地区水资源短缺进一步加剧；矿区生态、人居环境呈恶化趋势。1.1 生态背景1.1.1煤炭开采对地下水资源的影响在陕北煤炭开发中，目前大都采用少支撑、不回填的全部跨落法开采方式，对当地环境而言，是一种破坏性很强的开采方式，普遍造成采空区塌陷，破坏了地下水下部的不透水层，扰乱了含水层结构，致使地下水大量漏失。煤炭资源开发对地下水资源的影响主要反映在地下水位、水流场、泉流量、河川径流量和地下水水质的改变。（1）地下水位的下降采煤对于地下水的影响主要发生在两个时期，采前的疏干或输水降压工程，采动过程中的岩层移动破坏。采前的输水工程是预先通过输水将含水层的水位降低到矿井的

8、主要工程层位标高以下；采动的岩层移动破坏是煤层开采后，覆岩失去支撑，自下而上一般出现冒落带、裂隙带，打通了含水层与采空区之间的通道，使原来水平径流为主的潜水，沿导水裂隙垂直渗漏，形成矿坑水。上述两种活动致使地下水位严重下降。到2007年底榆林市湖泊由煤田开发前的869个减少到现在的79个。红碱淖近6年水位下降3m，水面由6年前的10。5万亩缩减到不足7万亩。陕西省185队曾对大柳塔煤矿采空区地下水位进行了18个月的观测，发现地下水位下降幅度达到10一12m，煤层开采后，萨拉乌苏组疏干，地下水位下降到基岩面以下。大柳塔井田以外的其他开采区域，地下水位也普遍下降，下降幅度8一12m。本次调查也发现

9、不少民井水位下降严重（2）地下水流场变化天然状态下，大气降水首先入渗补给萨拉乌苏组含水层，之后在水力梯度场的作用下补给泉水，地下水在此过程中形成稳定的天然流场。煤层开采过程中，导水裂隙打通含水层与采空区之间的通道，地下水向采空区排泄，地下水位等高线向采空区一侧倾斜，形成了以采空区为中心的降落漏斗。图2-6是大柳塔煤矿201工作面在开采前后地下水流场演化示意图。a 煤层开采前流场 b 煤层开采后流场图1-1 大柳塔矿区201工作面开采过程中地下水流场变化图煤层开采前，地下水在水力梯度场的作用下缓慢向泉口移动补给泉水地下水，煤层开采过程中，采空区煤层上覆岩层发生冒裂，当导水裂隙带导通含水层时，地下

10、水流场不断发生变化。开采形成采空区时，地下水将沿着煤上基岩裂隙流向采空区，最终形成了以采空区为中心的排泄区。（3）泉流量衰减自煤矿开采以来，受采煤活动影响，区内泉流量受到严重的影响，泉水流量呈逐年下降之势。表2-5为陕北风沙滩地区煤炭开采对泉影响的实际情况调查。表2-5煤炭开采对泉影响的实际情况影响分级泉域名称面积（）采前流量（）采后流量（）地下径流模数变化率%强烈影响母河沟14.250.0670-100双沟18.630.0850-100较强影响哈拉沟34.60.1210.044-63.78中等影响柳根沟33.810.0860.051-40.77沙沟10.090.0120.007-39.17敏

11、盖兔沟11.450.0290.019-35.57（4）河川径流量的衰减研究区内三水转化呈单向性:大气降水地下水河水。地下水对维持河流基流量有着十分重要的意义。煤炭资源开发使区内地下水位大幅下降，造成区内河流的补给量减少，从而径流量和基流量呈减少趋势（图2一7）。窟野河从1989一2001年期间流量日趋减少，己多次出现断流，在2000年断流75天，2001年断流 106天，2002年自4月25日开始断流，直至雨季河水流量依然较小。现今窟野河已变成一年三分之二以上时间断流的季节河。神东煤炭公司的补连塔煤矿采矿活动（塌陷与矿井排水）造成补连河干涸。 图2-7研究区典型河流基流量变化趋势图（5）地下水

12、水质发生恶化采煤对地下水质有一定的影响，通过对榆神府矿区石圪台煤矿矿坑水取样进行水质分析（表2-6），、等超标，浑浊度严重超标，若将其直接排入河道，会使地表水体遭受污染（图2-8）。表2-6 榆神府矿区石屹台煤矿矿坑水水质分析图2-8矿坑排水1.2 绿色开采煤矿绿色开采是指考虑环境与资源保护的煤炭开采方法。具体来说，煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，在基本概念上是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、水、土地、矸石等一切可以利用的资源，基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响；基本手段是控制或利用采动岩层破断运动；目标是取得经济效益的同时，实现最佳的环境效益和

13、社会效益。1.3 保水开采保水开采是绿色开采体系中针对水资源保护而提出的一种理念， 通过对水体起关键作用岩层的控制达到保护水体目的。1.3.1保水开采的若干问题 开采后， 地表的沉陷改变了地表水的流向，同时随着上覆岩层中关键层的破断， 在该区域内地下水将形成下降漏斗。随着工作面的推进，上覆岩层中的裂隙被重新压实、闭合形成新的隔水带阻止地下水位的进一步下降。若有隔水带， 则随着雨水的再次补给， 下降漏斗也将随之消失。而它对地面生态的影响则决定于漏斗形成与消失的时间间隔。浅埋煤层由于上覆岩层基岩比较薄且关键层单一， 关键层破断后形成下降漏斗， 由于基岩较薄重新压实作用不明显， 隔水带不易形成， 故

14、传统的开采方案需要进一步的调整， 以满足保水开采的需要。1.4 浅埋煤层对于基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层， 其顶板破断运动表现为整体切落形式， 易于出现顶板台阶下沉。此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层， 其特征可以概括为埋藏浅、基载比小、老顶为单一关键层结构的煤层。 2 保水开采研究的理论基础2.1 关键层理论在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层。采场上覆岩层中的关键层有如下特征。 几何特征：相对其它相同岩层厚度较厚； 岩性特性：相对其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大，强度较高； 变

15、形特征：在关键层下沉变形时，其上覆全部或局部岩层的下沉量与它是同步协调的； 破断特征：关键层的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较大范围内的岩层移动；支承特征：关键层破坏前以板（或简化为梁）的结构形式，作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断裂后若满足岩块结构的S-R稳定，则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。2.1.1浅埋煤层关键层分类根据不同矿区浅埋煤层覆岩赋存结构特征， 将浅埋煤层覆岩关键层结构分为如图2-1所示的2类4种:第1类为单一关键层结构， 包括厚硬单一关键层结构、复合单一关键层结构和上煤层已采单一关键层结构等3种； 第2类为多层关键结构1种。图1浅埋煤层覆岩关键层结构分类（1）厚硬单一关键层结构厚硬单一关键层结构（图2-2）指浅埋煤层基岩仅有一层硬岩层， 其厚度和强度很大，距离煤层较近。该层硬岩层为覆岩中惟一关键层， 即为主关键层， 该主关键层的破断失稳对工作面矿压显现与地表沉陷都有直接的显著影响， 尤其是对工作面矿压会造成严重的影响。神东矿区浅埋煤层覆岩不存在厚硬单一关键层结构。图2浅埋煤层覆岩关键层结构（2）复合单一关键层结构复合单一关键层结构（图2（b）是指浅埋煤层基岩中存在2 层