●14●露天采礦技術2009年第5期采礦工程煤炭保水開采技術探究李嵐(中煤國際工程集團沈陽設計研究院，遼寧沈陽110015)摘要:隨著我國煤炭開采規(guī)模越來越大，引起地下水資源破壞的問題越來越突出,極大的阻礙了環(huán)境與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。煤炭綠色保水開采是在不影響區(qū)域水文地質條件情況下采煤,可以很好地解決開采對地下水資源的破壞等問題。通過分析開采對地下水的影響,總結了保水開采技術的主要影響因素,論述了實現(xiàn)保水開采的途徑及方法關鍵詞;煤炭開采;地下水;保水開采技術;中圖分類號: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,松散巖類地煤炭開采在為社會建設、消費提供能源的同時層中的水均快速地向下滲透，形成了區(qū)域性地下水也在對生態(tài)環(huán)境造成巨大的破壞。隨著我國煤炭產(chǎn)位降落漏斗,淺、中層地下水逐年被疏干。煤礦周圍村量的不斷增加，煤炭開采所帶來的環(huán)境問題愈加突莊的水井也因無水而報廢,造成了村民的吃水問題。出,其中水資源的破壞問題最為明顯,也最為敏感。2.2開采 對深層地下水的影響煤礦開采過程中破壞了地下含水層的原始逕流,大煤礦在開采過程中，為了維持采礦的正常進行量排出地下水;采空區(qū)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(guī)模地下水降落漏斗,造成區(qū)域含水層周圍的水或潛在的水排出。隨開采深度的加大,深層水位下降,直接影響到區(qū)域水文地質條件。采動影響各含水層水被截留,轉化為礦坑水排出,礦井排水量穩(wěn)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越大。深層地下水甚至干涸;影響當?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)、生活,進而影位一再下降,很難在短時期內(nèi)得到恢復。響區(qū)域植被生長,甚至土地沙漠化。因此保水開采的2.3 礦井疏排地下水的影響經(jīng)濟效益、社會效益、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(tǒng)的一-項最基本操作,操作后果主要有2個方面:一是當有害地2開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(tǒng)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中與Y片CNMHG括地下水的儲存量收稿日期:2009-07-01和水質流場的介質等)產(chǎn)生反作用。兩種作用都引起作者簡介:李嵐(1984 -),男,遼寧凌源人,助理工程師。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，并又反過來對礦區(qū)開發(fā)建采礦工程露天采礦技術2009年第5期.15●設帶來不利影響(圖1)。帶高度將保持為某一定值， 采空區(qū)邊界的破壞帶的{含水層水質污染高度大于采空區(qū)中央的破壞帶的高度3。根據(jù)上覆巖層破壞帶的高度及其分布形態(tài),可礦區(qū)井(礦入{地下水系統(tǒng)格局了一f地下水環(huán)境以推斷出一般開采情況下的含水層水位變化。對于開發(fā)建設I質量惡化非充分采動，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(qū)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。隨著煤礦疏排水的延續(xù),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)境水文地質問題，從而對煤礦工業(yè)圖2非充分采動引起地 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(qū)面積較大，采空區(qū)中央上方的斷裂礦長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(xiàn)了困擾人們的水荒,從而影響T.區(qū)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(qū)由于煤礦疏排原始水位.地下水，水位由原來的+5 m降到現(xiàn)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(tǒng)大量報廢，還引起了巖溶地面塌陷的連鎖反應。(2)對地下水水質的影響。聚煤盆地中地下水環(huán)圖3充分采動 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(qū)波及含水所處化學環(huán)境發(fā)生改變，這樣地下水化學環(huán)境平衡層,則由此引起含水層的水直接流人采空區(qū),形成以遭到破壞,氧化作用加劇,巖石淋蝕作用加強,生物開采邊界為邊界的擴散降落漏斗,如圖4所示。作用也明顯,致使地下水化學成分發(fā)生變化。如水中含有較多的有機(褐煤)和無機(粉砂)懸浮固體物質,pH值很低，隨著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-、酚類斷裂帶化合物、Fe、Ge Mg以及放射性物質嚴重超標,致使地下水和地表水受到污染，地下水供水系統(tǒng)水質惡化,城市水資源遭釗破壞。2.4開采引起含水層水位變化圖4深厚比大且充分采動引起地下水位變化煤礦開采區(qū)含水層水位變化與農(nóng)民飲用淺水3保水開 采技術的主要影響因素井、農(nóng)用灌溉機井的用水量及開采引起的含水層水流失等有關,其中主要是開采引起的。地下開采破壞3.1地質 構造特征了原有的力學平衡，使得上覆巖層產(chǎn)生移動變形和地質構造對地下水、地面水起著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,含水導水作用，局部也起著阻溢作用。地質構造愈復雜，層中的水就會沿采動裂隙流向采空區(qū)，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。隨著工作面推進距離增大,斷給來源少,則排水量愈小。裂帶高度增大,當采空區(qū)面積達到充分采動時,斷裂3.2水 文地質條件露天采礦技術2009年第5期采礦工程, 16.主要是含水層的厚度、富水性、節(jié)理、裂隙、巖溶漏的關系,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。實現(xiàn)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 實現(xiàn)保水開采的途徑給來源豐富,則保水開采難度就大,反之則小。實現(xiàn)保水開采的途徑有合理選擇開采區(qū)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)柱和應用合理的開采方法。與附近井,泉河水的關系,一般離井、泉、河水近,且(1)合理選擇開采區(qū)域。對不同的地質環(huán)境條件水力關系密切，側向補給來源大，則保水開采難度應該區(qū)別對待,并分為以下幾種類型: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?shù)亟邓俊⑷藵B系數(shù)大小、煤層深淺有層,同時其底部有厚度較大的隔水層的地區(qū)。該區(qū)域直接的關系,一般是開采煤層埋深淺,降水量大,人煤層開采的冒裂帶和導水裂隙帶發(fā)育不到含水層底滲系數(shù)大,降水可直接轉化為礦坑水,煤層開采后導部,不至于破壞含水層結構,可以實現(xiàn)保水開采。水裂陳帶影響到地面,則保水開采的難度就大,且季②有含水層、隔水層分布，但隔水層的厚度有節(jié)性變化明顯,即每年雨季7.8.9月降水量大,保水限,煤層開采后,需要采取一定的措施,才可以保護開采的難度也增加,反之則小。地下水不受破壞的地區(qū)。需要研究煤層采動覆巖破3.3 煤礦開采階段壞規(guī)律和地下水位下降與沙漠地區(qū)植被生存條件的(1)煤礦開采初期,揭露的含水層相對多,各含.關系等。應采取有效保水開采措施后方可進行開采,水層處于自然飽和狀態(tài),含水性強,隨著開采面積的如神東礦區(qū)禿尾河沿岸的一些井田。增大,就會逐步發(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,煤層開采會造成系頂部含水層中地下水就會直接滲人礦坑，造成保地下水全部滲漏的地區(qū)。一旦開采,礦井突水可以通水開采難度的上升。過提前疏降水工程保證,但不能保證地下水含水結(2)礦井開采中期,由于一般不會大面積揭露新構、生態(tài)環(huán)境的破壞,在沒有徹底解決地下水滲漏問的含水層,隨著開采時間的增長,含水層水位不斷降題之前,暫緩開發(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(wěn)定,部分含水層的一些井田(含內(nèi)蒙占境內(nèi)的馬家塔等井田)、禿尾;由承壓轉為無樂，礦井排水量靠人滲量補給，處于河領域的青草界泉域等l。已經(jīng)開采的礦井,應該采補徑、排平衡狀態(tài)。取切實的措施,保護地下水資源的含水結構不受破壞。(3)礦井開采后期,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(jié)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(jù)開采區(qū)域巖煤地質及水逐步減少,則礦井滲水量逐步衰減。文地質條件、煤(巖)柱兩側的開采狀況及采礦技術(4)礦井開采末期(停采),在其影響范圍內(nèi),礦條件等因素,采取留設防水(砂)煤(巖)柱的方法進坑滲水變小或不排水。但由于煤系底部有隔水層存行開采。首先使用鉆孔沖洗液法為主,結合其它方法在,采空區(qū)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,實施保水開采是必要的。沿煤層走向和傾向布置觀測線，施上數(shù)個水文鉆孔影響保水開采技術的因索還包括:采煤方法.工和巖移觀測孔,根據(jù)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)、覆巖厚度及其力學性質和上.覆充水煤層開采后導水裂隙帶發(fā)育高度和分布形態(tài)。其次，含水層富水性等。厚松散層下近風化帶保水開采的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保水開采技術GIS數(shù)據(jù)庫和圖形庫,通過GIS多因素擬合建立了保水開采的目標是在防治采場突水的同時,對近風化帶覆巖采動破壞“兩帶”高度的預計模型,提水資源進行有意識的保護，使煤炭開采對礦區(qū)水文中國煤化工環(huán)境的擾動量小于區(qū)域水文環(huán)境容量。研究在開采YHCNMHG后上覆巖層的破斷規(guī)律和地下水漏斗的形成機理,(1)減小導水裂隙帶高度的開采方法。保水開采以及各種地質條件下開采期間巖層活動與地下水滲. (下轉第19頁)采礦工程露天采礦技術.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(jiān)測線，根據(jù)監(jiān)測點位移隨時間變化煤臺階坡頂線在壓腳體中拉15m寬、10m深的溝,曲線預測邊坡穩(wěn)定性，為回采工程順利進展提供安將該部分壓腳土3.4萬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,運煤卡車沿南、北兩側預留的運輸坡道運出。隨著上部煤臺階的回采和推進到一-定位置,下部煤回采西端幫滑坡區(qū)壓煤量具有十分顯著的經(jīng)濟臺階出露,采煤平盤留20m寬,相應建立下部的采效益，同時西端幫滑坡區(qū)回采時穩(wěn)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。本著安全第一- ,充分回收西煤,運煤卡車沿南、北兩側預留的運輸坡道運出。內(nèi)幫滑坡區(qū)壓煤,建議采取以下工程措施:排壓腳由兩側分別跟進。中區(qū)壓煤長度165 m,可回(1)嚴格控制內(nèi)排壓腳跟蹤距離不大于50 m。采硬煤30萬t,4臺液壓反鏟作業(yè)25天，并需完成(2 )硬煤回采前3個應力監(jiān)測點投人使用,在應壓幫量14.2萬m'。力監(jiān)測系統(tǒng)指導下完成回采作業(yè)。(3)對西幫運輸干線進行位移監(jiān)測，出現(xiàn)裂縫、4監(jiān)測方案下沉等移動特征,作好記錄,繪制監(jiān)測點位移隨時間應力監(jiān)測是保證回采滑坡區(qū)壓煤作業(yè)安全的重變化曲線。要措施之一,將應力計置于錨索錨頭下,隨錨索受力(4)設專人在滑坡區(qū)流動巡視,對于浮石滾落、變化實現(xiàn)實時應力監(jiān)測，根據(jù)應力隨時間變化曲線臺階出現(xiàn)裂縫等巖移跡象及時上報。預測邊坡穩(wěn)定狀態(tài),從而指導回采工作。位移監(jiān)測是參考文獻:根據(jù)監(jiān)測點位移隨時間變化曲線預測邊坡穩(wěn)定性。[1]王 東,袁 景.邊坡穩(wěn)定性分析中不確定性方法的評(1)應力監(jiān)測。巖體在力的作用下產(chǎn)生變形,內(nèi)價[J].遼寧工程技術大學學報. 2005,(S2).部應力狀態(tài)發(fā)生轉變,當應力達到巖體強度時,巖體[2 ]殷躍平.中國滑坡防治工程理論與實踐[J].水文地質工發(fā)生破壞。因此監(jiān)測巖體應力是一種積極主動的監(jiān)程地質, 1998,(1).測措施，它比位移監(jiān)測更早的獲取巖體變形特征和[3]孫英勛.滑坡的處治分類與治理模式探討[J]地質與勘探,2006,(1).滑移信息，對及時掌握滑坡動態(tài)和采取治理措施至[4]薛應東,肖石,朱 強,等.平莊西露天礦 邊坡應力遠關重要。通過連續(xù)、自動監(jiān)測應力變化,預測和評價程智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)及應用[J]. 露天采礦技術,邊坡巖體的穩(wěn)態(tài),是確保采礦安全行之有效的措施。2008,(1).(2)位移監(jiān)測。在滑坡區(qū)北區(qū)中區(qū)和南區(qū)分別(上接第16頁)失,嚴重地影響了礦區(qū)的生態(tài)發(fā)展。保水開采技術的可應用國內(nèi)外“三下”采煤技術與特殊開采方法,使研究和使用，是解決煤炭生產(chǎn)中水資源破壞問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,是整個綠色開采體系中極為重要的部分。小裂隙帶高度的開采方法有充填開采、條帶開采、分為了我們國家長遠經(jīng)濟發(fā)展的需要,煤礦企業(yè)必須層開采、“采一注一采”三步法和“采- -注一跳采"三走綠色開采之路,通過綠色開采理論指導煤炭生產(chǎn),步法開采、覆巖離層注漿等。合理處理經(jīng)濟與環(huán)境的關系，使煤礦得到綠色協(xié)調(diào)(2)以底板加固為主導技術的保水開采技術。對健康發(fā)展。于底部賦存巖溶水或承壓水體的煤層，近年來以底板加固為主導技術的保水開采技術取得了長足進[1]錢鳴高,許家林.繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術[]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)大學學報,2003 ,32(4):343- -347.隙區(qū)或空洞區(qū))進行注漿強化處理,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)濟學院學報, 1996,(2).作用。[3]崔希中國煤化工下沉的影響[J]煤田地HCNMHG5結語[4]范立民.論保水開采問題[].煤田地質與勘探,2005,煤炭開采過程中會引起地下水資源的大量流(5).