陜北煤炭大規模開采含隔水層結構變異及水資源動態研究

何明偉（神華神東榆家梁煤礦，陜西榆林　719000）

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陜北煤炭大規模開采含隔水層結構變異及水資源動態研究

何明偉
（神華神東榆家梁煤礦，陜西榆林719000）

【摘 要】由于我國西北地區的煤炭資源儲量豐富，埋藏淺厚度又大，所以我國煤炭資源開采逐漸向西北地區靠攏，但是西北地區處于干旱-半干旱地區，這就突顯出煤炭開采和水資源保護之間矛盾點，通過對含隔水層結構變異的分析以及對水資源動態的研究，從而可以平衡下煤炭開采和水資源保護之間的問題。

【關鍵詞】含隔水層結構水位波動采空區儲水

1　引言

對于在陜北煤炭大規模開采的同時要保護好水資源這一問題，它涉及到很多方面，通過對關鍵隔水土層采動滲透性的變化特征對采動隔水層結構變異進行分類，根據水資源動態研究來分析水資源被動區潛水位和水資源漏失區采空區儲水動態演化的分析來進行預測，并檢驗在陜北干旱地區進行的采空區儲水是否可行。本文針對位于陜西省榆林市神木縣東北部的榆家梁煤礦進行簡單分析，榆家梁煤礦地貌單元屬黃土丘陵溝壑區，區內溝形支離破碎，梁峁蜿延分布，沙丘屢見不鮮，沖溝極為發育，第四系堆積不厚，地形相對高差100m左右，由于自然地理因素的控制，植被稀少水土流失十分嚴重。

2　關鍵隔水土層采動變異特征分析

隔水粘性土層的采動隔水性變異特征是決定于陜北煤炭大規模開采含水結構的變異的主要原因，煤層在開采前，通過對變水頭實驗曲線的分析顯示離石黃土和保德紅土在天然狀態下是相對隔水層。通過對原位雙環注水試驗測定的分析結果看，天然狀態下的兩層黏土裂隙不發育，并且固結壓力對粘性土層的滲透性有控制作用。粘性土在圍壓不變，軸向加載的過程中，加載壓力路徑有利于“保水采煤”，但與上訴過程相反的狀態下，加載壓力路徑就不利于“保水采煤”，在煤層開采后，粘性土中的裂隙主要取決于粘性土裂隙開度和綜合應力狀態，由于兩層粘性土受不同應力路徑的作用，滲透性變異也存在著一定的差異性。

3　水資源動態研究分析

3.1水資源被動區潛水位動態演化分析

榆家梁井田延安組含煤九層，其中有對比意義的有5層，即3-1、4-2、4-3、4-4、5-2煤層。從榆家梁井田可采煤層開采實踐表明，當進行煤層回采時，并沒有大量潛水涌進礦井，但是在采空區上方，潛水位仍然有所下降，造成一些泉眼干涸和一些河溝斷流，潛水對于陜北來說非常重要，這要造成的水源流失將對陜北生態環境造成巨大損失。水資源被動區潛水位動態演化分析可以采用三種方式，即水資源被動區潛水位動態演化物理模擬分析、恢復泰斯模型分析和現場實測分析。在這里簡單以水資源被動區潛水位動態演化物理模擬進行分析。模型砂層潛水位的動態變化可以分為兩個過程，即煤層回采過程中潛水位動態變化和停采后潛水位恢復特征。

（1）煤層回采過程中潛水位動態變化特征。隨著工作面的推進，隨著工作面的推進，每次來壓時，砂層潛水位都發生了周期性的下調，并且每次水位降到最低點時均在回采區域的中心位置，但在工作面開切眼和收割線的附近，水位降深最小，有的甚至接近0米。（2）停采后潛水位恢復特征。當煤層停采后，再次對砂層潛水位進行觀測，在煤層停采后，首先在開始的一段時間內潛水位恢復的挺快，但在后期開始變慢，直到最后水位恢復到停采時的水位。

伴隨著煤層的回采，將產生粘性土層下沉盆地，當含水層的底板邊界發生了不均勻的連續沉降時，潛水位將會隨著礦山的壓力而發生周期性的下降，在停采后，周圍的潛水通過側向補給，之前的初期水位恢復的會比較快，之后速度就會減慢下來，通過實驗模擬工作面的潛水位恢復百分之九十五需要實際的300天。另外伴隨著煤層的回采，基巖中的亞關鍵層依次彎曲，最終導致破斷，但是隔水層隨著基巖的運動而保持了其穩定性，并最終形成下沉盆地，同時由于水沙混合體具有較強的流動性和補給性，所以隨著時間的推移，離層將會呈現閉合狀態，這樣就使得粘性土層的下沉盆地將會進一步的發育。在排泄部分區域，造成了泉眼溝壑斷流、采空區附近的農業短期減產還有一些河溝斷流，但是土地沙漠化有所緩解，針對這些問題，可以采取一些措施進行防治，比如在開采時采用綜合長壁的開采方式，控制一下總開采煤炭的強度，采用合理的間隔式回采順序，工作面的布置要合理，水資源進行聯合調度并且加強生態灌溉。

3.2水資源漏失區采空區儲水動態演化分析

根據榆家梁煤礦水文地質類型分類報告分析得出礦井目前正常涌水量172m3/h，統計礦井歷年涌水量資料，最大涌水量180m3/ h，最小涌水量150m3/h，歷年來正常涌水量均小于180m3/h，而西北干旱半干旱缺水礦區各方面需水量巨大，如研究區范圍內煤炭大規模開采的初期階段對水資源的需求量需要530萬立一年，歷年來榆家梁煤礦礦井生產和生活供水水源有臨時水源，店塔滲渠水源和礦井采空復用水三個水源。

陜北煤炭大規模的開發使大量的地表水和地下水進入礦區，雖然一部分的礦井水排出礦井外，但仍有一部分的礦井水滯留在采空區，這就給水資源的循環造成一定的困難，礦井水的充分利用是陜北地區水系統正均衡的關鍵，所以就要考慮下采空區儲水的開發利用，通過對各種地質條件下采空區的儲水數值進行分析，采空區的儲水值在垂向和平面上有著滲透各向異性，通過原位測試，工作面裂隙帶的儲水量是冒落帶出水量的0.71倍，在不同地質條件下的采空區，這兩者之間的比值也有所不同，從采空區供水儲水的模式中得出，工作面的儲水水質優良、水量比較豐富并且水位埋深比較淺，所以這種情況下的儲水能夠解決生態保護所需要的水量，在一定程度上可以緩解下煤炭開采和水資源保護之間的矛盾。

4　煤炭開采水資源影響分區及保水技術措施

根據榆家梁煤礦水文地質情況分析來看，煤炭開采水資源影響分區第四系風成砂及沖積層孔隙潛水含水層、第四系黃土層及沖、湖積層孔隙水含水層、第四系黃土層裂隙孔洞潛水含水層、第三系紅土隔水層、白堊系下統洛河組裂隙孔隙潛水含水層、 侏羅系中統安定組裂隙含水層 及直羅組裂隙含水層、侏羅系中統延安組裂隙含水層、侏羅系下統富縣組裂隙含水層，其中第四系風成砂及沖積層孔隙潛水含水層， 前者主要分布在窟野河中游至神木沿長城以北地區及梁峁頂部低洼處，厚度不一，多組成固定或固定型砂丘，透水性好而含水微弱，僅在洼地中含水，局部形成湖沼、海子。后者為河谷地帶，透水性好補給源多，其富水性受地貌和巖性控制。

在榆家梁煤礦首采煤層開采時，沒有發現水資源干凹型，所以水資源的影響分區主要分為水資源不漏失區、輕微漏失區、一般漏失區和嚴重漏失區。導水裂隙帶沒有發育到隔水土層的是水資源不漏失區，當水資源導水裂隙帶完全貫穿隔水土層并使其失去隔水性的是水資源嚴重漏失區，水資源輕微漏失區和水資源一般漏失區還沒有得到具體的數值結果。為了在進行大規模煤炭開采的同時要注意水資源的合理利用，這就需要我們采取一定的措施，從而達到“保水采煤”的效果，從實踐經驗和理論數據結果來看，主要的保水措施有5條，即留設防水煤巖柱、含水層轉移存儲、采空區儲水的利用、礦井排水資源化、合理的開采工藝。最基本的防治水措施就是留設防水煤巖柱，以保證地表水系嚴重漏失區和一般漏失區與采空區不存在聯系，來阻止井下水的大量涌出和地表水系斷流。含水層轉移存儲技術措施主要是對煤炭可能疏干的含水層靜儲量值有一定的作用，主要分布在砂層潛水或局部火燒巖富水區。采空區儲水的利用這種保護措施主要是使礦區可利用的水資源趨于正均衡，利用采空區的儲水進行地面生態保護灌溉用水。煤炭回采面積的增加使礦井排水日益增大，把這些水資源合理利用也是“保水采煤”的一種措施。除了以上四種保水措施，還有一種是在煤炭開采的期間選用合理的開采工藝，在嚴重漏失區和一般漏失區，采區合理的開采工藝可以使導水裂隙帶發育高度得到控制，從而避免大量的水資源進入采空區。

5　結語

隨著社會的發展，煤炭的需求量也逐漸加大，陜北地區的煤炭儲量雖然豐富，但與之存在的矛盾點是水資源也比較匱乏，所以在煤炭開采和水資源的利用上要實現平衡，通過對陜北煤炭大規模開采含隔水層結構變異及水資源動態研究的簡單分析，希望可以為這兩者之間的矛盾提供一些有些有利的價值。

參考文獻：

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