哈密煤田生态脆弱区保水采煤的水文地质基础与实践

由于我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈,形成了该区干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以位于吐哈盆地的哈密煤田大南湖矿区为研究区,开展该生态脆弱区水资源保护性采煤(即"保水采煤")的水文地质基础研究,以及顶板水害防治与保水采煤相结合的可行性探索。在系统评价研究区主要煤层顶板含隔水层结构、隔水保护层的稳定性以及受保含水层开发潜力的基础上,以大南湖五号井1801首采工作面为例,开展了研究区顶板水害防治与保水采煤相结合的实践,提出了矿区高矿化度受保含水层水开发利用的初步方案,通过该工作面的成功试采初步取得了吐哈盆地生态脆弱区水资源保护性采煤的实践经验。提出并实践了吐哈盆地典型生态脆弱区顶板水害防治与保水采煤相结合工程,为指导作为新疆四大煤炭基地之一的哈密煤炭基地煤炭资源的绿色开采具有一定的理论及实际参考。     

西部生态脆弱矿区保水采煤实践进展

“保水采煤”是应鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田独特的矿床地质条件而提出,经过多年研究和探索,在基础研究、工程实践等领域取得了大量成果。总结了不同阶段保水采煤研究的最新进展和存在的科学问题。基础研究阶段,查明了煤层与含（隔）水层空间关系、煤层覆岩结构类型,划分了保水采煤地质条件分区,编绘了基于地下水位保护的采煤方法规划图,提出了开采区域评价方法和采煤方法等实现“保水采煤”的途径。在工程实践阶段,以生态水位保护为原则,开展了基于含水层结构保护的充填开采、窄条带开采、限高（分层）开采、短壁机械化开采法、快速推进法等“因地制宜”的保水采煤工程实践,开展了基于岩溶承压含水层结构保护的底板注浆加固保水采煤工程实践;以水资源保护、利用为原则,开展了基于地下水转移储存、采空区储水的保水采煤工程实践。     

准东大井矿区保水采煤开发利用研究

本文以准东大井矿区为研究对象,基于资料分析得到矿井主采煤层B_1均处于Ⅳ含水段,通过常规经验计算方法估算了大井矿区巨厚煤层大采高分层开采和放顶煤分层开采导水裂隙带发育高度,分别为126.8～190.5m、232.9～334.5m和79.1～98.0m、158.2～196.0m,导水裂隙带均可发育至覆岩含、隔水层,从保水采煤角度出发,应减少分层采高,优先采用大采高分层开采方式。矿井涌水量达2 050m~3/d,且属高矿化度矿井水,结合矿区用水现状及企业类型,初步提出可采用蒸馏、电渗析、反渗透和蒸发结晶等水处理工艺,出水可分别作为矿区生产、生活及生态用水。     

生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究

研究发现,沙漠区植被对地下水水位埋深具有很强的依赖性,揭示了陕北榆神府矿区内合理生态地下水位埋深为1.5~5.0 m,煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降,表生生态退化,控制地下水水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。室内模拟实验和开采实践表明,当煤层上覆隔水岩组厚度≥33~35倍采高时,煤层开采不会导致地下水位下降;煤层上覆隔水岩组厚度≤18倍采高时,煤层开采会破坏隔水层,导致水位下降;18~35倍采高时,可采取"限制采高"等措施实现保水开采。剖析了煤层、含水层的空间关系,划分了保水开采条件分区,提出了区域采煤方法规划方案,指出以控制地下水水位为目标,以采动隔水层稳定性分区为基础,以采煤方法规划为手段的开采方法是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的有效途径。     

保水采煤的科学内涵

为保护干旱半干旱矿区含水层及生态系统,通过阐述榆神矿区矿床地质、开采条件、岩层移动特征等,从系统论角度提出了保水采煤的概念和科学内涵,并构建了保水采煤研究基本框架。认为保水采煤适用于干旱半干旱缺水矿区,目标是保护含水层结构和河流基流量基本稳定;主要研究地质条件、岩层移动控制技术、水与生态约束条件和保水采煤关键技术;技术途径包括控制岩层移动抑制导水裂隙带发育、隔水层再造和注浆改造隔水层等。低成本充填技术和沙漠区地下水位相对变浅后的环境效应是保水采煤研究面临的挑战。保水采煤研究是我国干旱半干旱矿区煤炭开采与水资源保护的理论基础和依据。     

“保水采煤(保水开采)”成果获2011年度国家科学技术进步二等奖

由西安科技大学、陕西省地质调查院等单位联合完成的"保水采煤(保水开采)"的标志性成果——《鄂尔多斯盆地生态脆弱区煤炭开采与生态环境保护关键技术》,获得2011年度国家科学技术进步二等奖,获奖人员有:王双明、范立民、黄庆享、王文科、王佟、石平五、侯恩科、王建利、马立强、王怀贤等,课题组主要人员还有杨泽元、申涛、马雄德、邵小平等。     

黄土高原脆弱生态采煤区生态产业开发水资源优化利用方案研究——以平朔矿区为例

发展生态产业工程是实现黄土高原脆弱生态采煤区社会经济与生态环境可持续发展的重要途径。本文以平朔矿区为例分析了黄土高原脆弱生态采煤区生态产业工程有限水资源的优化利用方案，包括设施种植、畜牧养殖、沼气工程和植物园工程，并基于水资源优化利用方案进行了水资源的供求平衡分析。研究发现：平朔矿区在节水条件下发展生态产业工程水资源有一定的盈余，可为今后发展完善过程中适当调整规模以及实现可持续发展提供一定的保障。     

草原生态脆弱区采煤沉陷区地表损毁特征研究

在干旱半干旱草原生态脆弱区,煤炭开采主要引起地表沉陷、裂缝和隆起等破坏形式,文中研究了东部草原生态脆弱区不同破坏形式,结合地表移动观测数据,给出了沉陷区、裂缝区及隆起区的发育范围,并对不同深度的土壤养分指标进行检测,结果表明:不同破坏形式下,土壤的化学特性空间差异性显著,与对照区相比较,裂缝区、隆起区上层土壤(0～20 cm)有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量均有不同程度下降,尤其有机质与全氮含量下降显著(P<0.05),在草原区植被生长根系主要分布在0～20 cm处,因此,导致了地表土壤退化、生产力降低.     

生态脆弱矿区风化基岩含水层显微高速摄像研究

以陕北侏罗纪煤田红柳林煤矿风化基岩含水层为研究对象,采用钻孔显微高速摄像技术,对不同深度、平面位置的地下水渗流进行显微观测。结合钻探、测井及水文实验成果,揭示生态脆弱矿区风化基岩含水层渗流规律,分析传统采煤工作面涌水量预测方法的误差,并研究基于钻孔显微高速摄像的采煤工作面涌水量预测方法。研究结果表明:钻孔显微高速摄像技术是简单易实施的技术,可以低成本获取大量有效水文地质参数。研究区风化基岩含水层垂向上表现出强非均质性,其中岩性对非均质性影响最大,其次是风化程度,即含水层强径流段多集中在同一岩性的上段。在平面上,钻孔等水位线推演出的区域流场与实测局部流场基本一致,但局部受地形、水文等因素影响出现差异。由于研究区风化基岩含水层垂向不均质性和平面复杂特性,传统采煤工作面涌水量预测方法存在误差,提出了基于显微高速摄像探测的采煤工作面涌水量预测方法。显微高速摄像技术突破在线监测后,可实现矿区流场实时监测,对水害进行实时预警,对水资源影响有定量评价结果。     

煤炭保水开采技术探究

随着我国煤炭开采规模越来越大,引起地下水资源破坏的问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展。煤炭绿色保水开采是在不影响区域水文地质条件情况下采煤,可以很好地解决开采对地下水资源的破坏等问题。通过分析开采对地下水的影响,总结了保水开采技术的主要影响因素,论述了实现保水开采的途径及方法     

保水采煤面临的科学问题

保水采煤理念是基于榆神府矿区开发初期采煤引起的潜水位下降、植被退化而提出的。经过多年理论研究和工程实践,已初步建立了保水采煤技术体系,有效指导了生态脆弱矿区煤炭资源开采和生态环境保护。在国家关于生态文明建设标准日益提高的格局下,我国西部干旱半干旱地区煤水资源共生区生态环境保护面临历史考验。首先综述了保水采煤技术取得的成果,认为地质条件探查、岩层移动、保水采煤方法等方面的研究基本解决了单煤层开采中存在的突出问题,而生态脆弱矿区水与生态约束和生态修复与重构方面的研究滞后。其次探讨了保水采煤领域中5个紧密相关的科学问题,包括矿区依赖地下水的植被对煤层开采的约束程度的识别、量化及监测,大采高和重复采动条件下导水裂隙带高度探测与预测方法,有效隔水层厚度的量化与评价,大采高和重复采动条件下采动岩层(覆岩)控制及矿山生态环境影响机制、矿山生态损害监测与评价、矿山土地复垦与生态重建技术、生态修复策略及效果评价等。在新形势下,矿区生态环境保护的责任和任务重大,有待于投入更多研究来支撑我国西部矿山保水采煤理论与技术的突破,促进绿色矿区建设。     

西部生态脆弱矿区地下水对高强度采煤的响应

为研究榆神府矿区高强度煤层开采对地下水的影响,分析潜水位下降与煤层开采强度的关系,通过资料收集和实地调查两种方法,获取了矿区煤炭资源大规模开采前(1995年)地下水位和煤炭开采后(2014年)地下水位,2者叠加后求取了地下水位变化幅度,并与开采强度分区进行耦合,分析地下水位变化与开采强度的关系。研究区73.0%的区域地下水位未发生明显变化,但有7.3%区域地下水位下降幅度超过8 m,尽管比例小,但面积达758.9 km2,对区域地下水均衡产生了较大影响;高开采强度开采是矿区地下水位下降的主要驱动因素,71.5%的水位明显下降区(8 m)是由高强煤层开采导致的。导水裂隙带和含水层特征是煤层开采过程中控制地下水位变化幅度和范围的关键所在。高强度煤层开采区必须推行保水采煤技术才能达到资源与环境和谐发展的目的。     

干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义

随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移,西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上,我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈,形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例,针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征,采用相似材料模拟、数值模拟等手段,结合邻矿现场实测对比,全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09～15.67,整体形态呈"梯台型"特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现"稳定增加-波动变化-恢复稳定"变化特征,导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大,一般达到3～5倍;研究区主采煤层顶板具有"多含水结构下的高位隔水层"结构特征,具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价,探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。     

煤矿地下水库煤柱坝体宽度设计

地下水库储水技术已成为西部矿区实现煤炭高效开采与水资源保护并重的重要途径之一,而煤柱坝体的稳定性是地下水库设计中极其重要的部分,对地下水库稳定性起决定性作用。煤柱坝体既要保证煤炭安全开采,也要保障地下水库安全运行。地下水库煤柱坝体的稳定不仅与埋深、采动应力、地质构造等工程地质条件有关,也与水作用下的弱化作用密切相关。为研究煤矿地下水库煤柱坝体在水作用下强度弱化规律,选取西部矿区麻地梁矿5煤为研究对象,开展煤样无损浸水试验和不同含水率及反复浸水条件下单轴压缩试验。研究得到:不同含水率的煤样在0～20 h内,含水率快速增长; 20 h之后,含水率增长变缓,在20～70 h,含水率慢速增长;在70～140 h,煤样含水率增长接近稳定;煤样含水率随着浸水时间的增加而增加,但增幅逐渐减少,最终趋于稳定;随着含水率(浸水次数)的增多,煤样单轴抗压强度逐渐降低,峰值应变逐渐增大,弹性模量逐渐降低。相较于干燥煤样,初次饱水煤样、浸水3次煤样单轴抗压强度分别降低了27.1%,50.0%,弹性模量分别降低34.6%,58.5%。结合实验室试验结果,运用弹塑性力学理论探讨了煤柱坝体在不同含水率下破坏区、塑性区宽度,开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究,并结合麻地梁矿的工程地质条件,对其地下水库坝体的宽度进行了设计。同时,进一步分析了煤柱坝体宽度的影响因素,得到含水率、埋深、煤层采厚均对煤柱坝体宽度有很大影响。     

榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

榆神府矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带,生态环境脆弱,水资源匮乏,区内各主要含水层分布与富水性不均,含水层富水性及矿井涌水对煤矿生产影响差异较大,因此矿井水资源的综合利用与含水层的有效保护对煤矿生产与地区生态建设意义重大。通过分析萨拉乌苏组、烧变岩、风化基岩层等各主要含水层的形成、分布及富水特征,结合矿井首采煤层上覆基岩厚度与矿井目前涌水量情况,将区内生产矿井及待规划区域从"水资源保护与矿井水利用"角度划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型及地表水体型4种类型,并根据不同类型的分布特征进行了分区。在此基础上,针对不同的水资源保护与矿井水利用类型,分别提出了采空区存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设和人工湖泊等具体的水资源保护与矿井水利用途径和措施。讨论了"保水采煤"的科学内涵,认为"保水采煤"的基本措施应当包括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分,即将"保水"与"用水"相结合,拓展了"保水采煤"的科学含义;建议在矿井规划时,应综合考虑开采损害影响与环境自身修复能力,在满足能源开采经济利益的同时,保证生态环境不发生质的破坏;提出了利用经济效益"反哺"当地生态和"绿色经济"建设的一点猜想,为矿区未来的规划建设提供了一定的参考意义。     

基于保水采煤理念的地质环境承载力研究

我国西部生态脆弱区采煤引起的水资源破坏和地质环境变化,已经严重制约了矿区经济、社会、环境的可持续发展。通过梳理保水采煤、煤矿区地质环境承载力的研究进展,结合目前西部富煤缺水地区的地质环境现状,提出了基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路。分析认为:基于保水采煤理念的地质环境承载力研究,应将保水采煤理念与地质环境承载力理论有机融合,系统分析"采煤活动—水资源破坏—地质环境效应"作用机理,从寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解中阐述内涵。地质环境承载力评价方法研究,可采用属性分析、生态需求分析、数值分析、突变理论等方法,重点研究评价指标的量化方法、综合评价方法、承载能力及承载状态等级划分方法。对于承载能力的计算,可采用模拟实验,取得典型煤矿区承载能力下地质环境与开采强度临界值的关系数据,进而提取出控制和减轻煤矿区地质环境问题的保水采煤技术方法,确定合理的开采强度和规模。在承载力评价和计算的基础上,提出地质环境承载力影响因素的协同监测技术方法,并给出了承载力预警等级判定标准。所提出的基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路,以期丰富和发展保水采煤及地质环境承载力的科学内涵,为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。     

煤炭绿色开采技术及其在西北矿区的应用前景研究

绿色开采的理念是针对煤炭开采造成的严重环境问题提出的,目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益.构建的绿色开采技术框架包括保水开采、减沉开采、煤与煤层气(瓦斯)共采、矸石减排、煤炭地下气化等.西北地区自然气候条件恶劣,地质条件差,降水少且集中,旱涝灾害频繁,植被稀疏,水资源短缺,存在着沙漠化、水土流失、滑坡、崩塌、泥石流及草场退化、耕地面积减少等严重生态环境地质问题.基于以上问题,本文提出了绿色开采在西北地区的应用.