生态脆弱矿区含_隔_水层特征及保水开采分区研究_王双明
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国人员科研启动基金资助项目 (教 外司留 2008 -890);陕 西省自 然科学 基金资 助项目 (2002D13);陕西 省软科 学计 划资助 项目 (2008KR58) 作者简介 :王双明 (1955— ), 男 , 陕西岐山人 , 教授级高级工程师 , 博士生导师 。 Tel:029 -87671620, E-mail:wsm@
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煤 炭 学 报
2010年第 35卷
浅 , 采动对地表影响明显 , 称为浅埋煤层 [ 2 -3] 。 2008 年区内原煤产量 1.55亿 t, 并且以每年 2 000万 t的 速度递增 , 煤炭采掘业处于快速发展时期 。 20 a的采 煤使该区出现地下水位下降 , 泉水 、湖淖干涸 , 河川基 流量衰减乃至断流 , 流域生态变异和表生生态环境恶 化等一系列严重的环境问题 。 调查发现 , 地下水位埋 深是影响矿区表生生态环境的主控因素 , 2-2煤开采 是引起地下水位下降的主因 [ 4] 。 研究控制地下水位 下降的采煤技术 , 是保护矿区生态环境面临的重大课 题 , 也是科学采矿 、建设绿色矿区的重要任务 [ 5 -6] 。
生态脆弱矿区含 (隔 )水层特征及保水开采分区研究
王双明 1, 2 , 黄庆享 1 ,范立民 3 ,杨泽元 4 , 申 涛 3
(1.西安科技大学 能源学 院 , 陕西 西 安 710054;2.陕西省 煤炭工业 局 , 陕西 西安 710001;3.陕西省 煤炭地质 测量技 术中心 , 陕西 西安 710001;4.长安大学 环境科学与工程学院 , 陕西 西安 710054)
(1.SchoolofEnergyEngineering, Xi'anUniversityofScienceandTechnology, Xi' an 710054, China;2.ShaanxiProvincialCoalIndustryBureau, Xi' an 710001, China;3.TechnicalCenterofShaanxiProvincialCoalGeologicalSurvey, Xi' an 710001, China;4.SchoolofEnvironScienceandEngineering, Chang' anUniversity, Xi' an 710054, China)
建 。刘洋 、石平五等研究了 “围岩 -煤柱群 ”保 水开 采的技术参数 [ 13] 。许 家林等[ 14] 研究了神东矿区 关 键层结构类型 , 指出单一关键层结构是导致浅埋煤层 特殊采动损害现象的地质根源 。 缪协兴等研究了隔 水层的力学性质 [ 15] , 从矿区水文地质结构分析 、采动 覆岩导水裂隙通道发育规律与隔水关键层稳定性 、有 隔水层区上覆含水层保水采煤方法 、无隔水层区上覆 含水层预疏放转移存贮等多个方面 , 提出了含水层的 4种类型和保水采煤分区 [ 16] 。马立强等 [ 17] 针对陕北 浅埋煤层开采特点 , 研究了导水裂隙带发育规律 。 黄 庆享[ 18] 采用隔水层压力应变全程相似技术 , 研究了 陕北榆树湾煤矿开采隔水层的稳定性 , 提出了限高保 水开采方法 , 开采实践取得成功 。
研究区地表为萨拉乌苏组含水层 , 岩性以细砂 、 中砂为主 , 厚度差异较大 , 0 ～ 175 m, 一般在古沟槽及 低洼中心沉积最厚 , 如前石畔井田内的瓷窑湾煤矿 , 在约 4 km2的范围内 , 萨拉乌苏组厚度由 0增到 61 m (图 2), 而有些至分水岭处尖灭 。萨拉乌苏组含水层 水位埋藏较浅 , 一般在 0.90 ～ 9.27 m。总观全区 , 萨 拉乌苏组沉积厚度受古地形的制约 , 各沟槽之间有相 对的分水岭 。各沟槽或泉域均具独立的水文地质单 元 , 各沟槽或泉域之间的分界与现在地表分水岭基本 一致 。
第 1期
王双明等 :生态脆弱矿区含 (隔 )水层特征及保水开采分区研究
9
区域分布于尔林兔 —金鸡滩一带 , 总体上呈南北向条 带状展布 , 北部向北西偏转 , 南部向西南偏转 。 大于 250 m的区域分布于尔林兔 —小保当 —孟家湾 一线 以西 , 最大厚 度 485 m, 位于 西南部 的陕 蒙 边界 附 近。 1.2 含 (隔 )水层特征
陕北侏罗纪煤田是我国煤炭资源富集程度最高 、 煤质最优 、开发前景最好的大煤田[ 1] , 该区煤层埋藏
收稿日期 :2009 -08 -25 责任编辑 :柴海涛 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50574074, 40572155);教育部新世纪优秀人才支持计划资 助项目 (NCET-04 -0971);教育部 留学回
DO I :10.13225/j .cnki .jccs .2010.01.007 第 35卷第 1期 2010年 1月
煤 炭 学 报 JOURNALOFCH 2010
文章编号 :0253 -9993(2010)01 -0007-08
摘 要 :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 。 关键词 :生态脆弱矿区 ;隔水层隔水性 ;保水开采 ;浅埋煤层 ;生态水位 ;采煤方法规划 中图分类号 :TD322 文献标志码 :A
Abstract:Thestudyfindthatthedesertareavegetationisdependencethedepthofgroundwaterlevel.Itisrevealed thatthepropergroundwaterlevelforvegetationis1.5 ～ 5.0 m inYu-Shen-FuMimingAreaintheNorthShaanxi Province.Theminingfracturezonedecreasesthegroundwaterlevelandcauseshypergeneecosystemsretrogression. So, waterlevelcontrolisthecoreofscientificminingintheecologicalfragileminingarea.Miningpracticeandsimulationmodeltestsshowthatifthethicknessofresistingoverburdenisequalorgreaterthan33 ～ 35 timesminingheight, coalminingwillnotdecreasethegroundwaterlevel, ifthethicknessofresistingoverburdenequalorlessthan18 times miningheight, coalminingmustdestroyaquicludeanddecreasethegroundwaterlevel, andwhenitisin33 ～ 35 times miningheight, theproperminingmethodas“restrictingminingheightmethod” canbeuseforwaterprotection.Theeffectiveapproachofscientificminingcanbecarriedbytheminingmethodplanwiththewaterlevelcontrolastheaim andthesubareaofcoalminingconditionasthebaseintheecologicalfragileminingarea. Keywords:ecologicalfragileminingarea;minedwaterresistingproperty;waterprotectionmining;shallowcoalseam; ecologicalwaterlevel;miningmethodplan
研究控制地下水位下降的采煤技术是保护矿区生态环境面临的重大课近年来国内地质界针对陕北侏罗纪煤田保水采煤问题开展了大量研究探讨了保水开采的对策和方韩树青等最早提出了陕北侏罗纪煤田开发应高度重视对萨拉乌苏组地下水的保护开发和合理利用指出对于煤层开采导水裂隙带到达萨拉乌苏组含水层的区域应采用充填式采煤方式保护地下1203首采工作面进行采前模拟发现了浅埋煤层开采覆岩垮落直达地工作面开采水位下降造成植被枯死事例认为大面积采煤将造成脆弱生态环境破坏指出通过开采区域和采煤方法的合理选择可实现保水采煤并划分了10
Studyonoverburdenaqucludeandwaterprotectionminingregionazation intheecologicalfragileminingarea
WANGShuang-ming1, 2 , HUANGQing-xiang1 , FANLi-min3 , YANGZe-yuan4 , SHENTao3
问题进行论述 , 以期促进生态脆弱矿区大型煤炭基地 建设健康发展 。
1 煤与含 (隔 )水层特征
1.1 煤层特征 研究区 2-2煤为煤系上部主要可采煤层 , 所诱发
的表生生态效应也多是 2-2煤层开采 引起的 , 因此 , 本文主要研究 2-2煤的空间分布 。 2-2煤厚度 0.26 ～ 12.50 m, 平 均 6.50 m, 可 采 面 积 为 3 619 km2 (图 1(a)), 富煤区位于大保当镇 —金鸡滩镇一带和 孟家湾以西 , 神北区也有煤厚大于 5 m的区域 。 埋深 总体特征为东浅西深 (图 1(b)), 最浅小于 40 m, 位 于神北矿区 , 最深大于 580 m。
上述大量开拓性的工作 , 对陕北地区采煤 、保水 问题进行了多角度理论研究和工程实践 。 但陕北采 煤区合理生态水位的确定 、区域上煤层与含水层空间 组合类型及关系 、保水开采地质条件分区以及采煤方 法规划等方面 , 仍未见到系统的报道 , 本文正是对这 些涉及保水采煤 (保水开采 )、绿色矿区建设的 重要
近年来 , 国内地质界针对陕北侏罗纪煤田保水采 煤问题开展了大量研究 , 探讨了保水开采的对策和方 法 [ 7 -12] , 韩树青等最早提出了陕北侏罗纪煤田 开发 应高度重视对萨拉乌苏组地下水的保护 、开发和合理 利用 , 指出对于煤层开采导水裂隙带到达萨拉乌苏组 含水层 的 区域 , 应采 用充 填 式采 煤 方 式保 护 地 下 水 [ 7] 。 1993年 , 黄庆享等对大柳塔 1203 首采工作面 进行采前模拟 , 发现了浅埋煤层开采覆岩垮落直达地 表 , 工作面将出现涌 水溃沙的现象 [ 8] 。 范立民以 该 工作面开采水位下降造成植被枯死事例 , 认为大面积 采煤将造成脆弱生态环境破坏 , 指出通过开采区域和 采煤方法的合理选择可实现保水采煤 , 并划分了 3类 开采条件分 区[ 9 -10] 。 李文平 等[ 11] 对保 水采煤的 工 程地质条件进行了类型划分 。 王力等 [ 12] 提出地下水 资源是支撑矿区生态环境可持续发展的重要因子 , 采 煤对地下水的破坏会严重影响矿区植被的恢复与重
图 1 2-2煤层厚度及埋藏深度等值线 Fig.1 Thicknessandburieddepthcontourof2 -2 coalseam
2-2煤上覆基岩厚度整体自东向西逐渐增厚 [ 1] , 受沉积因素的影响 , 在局部地段有增厚或减薄现象 , 而砂岩占岩石组成的比例一般为 40% ～ 60%, 总体 变化不大 。厚度 <50 m的区域主要分布在神北矿区 和新民区 , 最小不足 10 m, 如哈拉沟煤矿的瓷窑湾一 带 , 厚度 3.14 m。 厚度 50 ～ 100 m的区域分布于中 鸡 —瑶镇一带 , 总体呈南北向展布 。 100 ～ 250 m的
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煤 炭 学 报
2010年第 35卷
浅 , 采动对地表影响明显 , 称为浅埋煤层 [ 2 -3] 。 2008 年区内原煤产量 1.55亿 t, 并且以每年 2 000万 t的 速度递增 , 煤炭采掘业处于快速发展时期 。 20 a的采 煤使该区出现地下水位下降 , 泉水 、湖淖干涸 , 河川基 流量衰减乃至断流 , 流域生态变异和表生生态环境恶 化等一系列严重的环境问题 。 调查发现 , 地下水位埋 深是影响矿区表生生态环境的主控因素 , 2-2煤开采 是引起地下水位下降的主因 [ 4] 。 研究控制地下水位 下降的采煤技术 , 是保护矿区生态环境面临的重大课 题 , 也是科学采矿 、建设绿色矿区的重要任务 [ 5 -6] 。
生态脆弱矿区含 (隔 )水层特征及保水开采分区研究
王双明 1, 2 , 黄庆享 1 ,范立民 3 ,杨泽元 4 , 申 涛 3
(1.西安科技大学 能源学 院 , 陕西 西 安 710054;2.陕西省 煤炭工业 局 , 陕西 西安 710001;3.陕西省 煤炭地质 测量技 术中心 , 陕西 西安 710001;4.长安大学 环境科学与工程学院 , 陕西 西安 710054)
(1.SchoolofEnergyEngineering, Xi'anUniversityofScienceandTechnology, Xi' an 710054, China;2.ShaanxiProvincialCoalIndustryBureau, Xi' an 710001, China;3.TechnicalCenterofShaanxiProvincialCoalGeologicalSurvey, Xi' an 710001, China;4.SchoolofEnvironScienceandEngineering, Chang' anUniversity, Xi' an 710054, China)
建 。刘洋 、石平五等研究了 “围岩 -煤柱群 ”保 水开 采的技术参数 [ 13] 。许 家林等[ 14] 研究了神东矿区 关 键层结构类型 , 指出单一关键层结构是导致浅埋煤层 特殊采动损害现象的地质根源 。 缪协兴等研究了隔 水层的力学性质 [ 15] , 从矿区水文地质结构分析 、采动 覆岩导水裂隙通道发育规律与隔水关键层稳定性 、有 隔水层区上覆含水层保水采煤方法 、无隔水层区上覆 含水层预疏放转移存贮等多个方面 , 提出了含水层的 4种类型和保水采煤分区 [ 16] 。马立强等 [ 17] 针对陕北 浅埋煤层开采特点 , 研究了导水裂隙带发育规律 。 黄 庆享[ 18] 采用隔水层压力应变全程相似技术 , 研究了 陕北榆树湾煤矿开采隔水层的稳定性 , 提出了限高保 水开采方法 , 开采实践取得成功 。
研究区地表为萨拉乌苏组含水层 , 岩性以细砂 、 中砂为主 , 厚度差异较大 , 0 ～ 175 m, 一般在古沟槽及 低洼中心沉积最厚 , 如前石畔井田内的瓷窑湾煤矿 , 在约 4 km2的范围内 , 萨拉乌苏组厚度由 0增到 61 m (图 2), 而有些至分水岭处尖灭 。萨拉乌苏组含水层 水位埋藏较浅 , 一般在 0.90 ～ 9.27 m。总观全区 , 萨 拉乌苏组沉积厚度受古地形的制约 , 各沟槽之间有相 对的分水岭 。各沟槽或泉域均具独立的水文地质单 元 , 各沟槽或泉域之间的分界与现在地表分水岭基本 一致 。
第 1期
王双明等 :生态脆弱矿区含 (隔 )水层特征及保水开采分区研究
9
区域分布于尔林兔 —金鸡滩一带 , 总体上呈南北向条 带状展布 , 北部向北西偏转 , 南部向西南偏转 。 大于 250 m的区域分布于尔林兔 —小保当 —孟家湾 一线 以西 , 最大厚 度 485 m, 位于 西南部 的陕 蒙 边界 附 近。 1.2 含 (隔 )水层特征
陕北侏罗纪煤田是我国煤炭资源富集程度最高 、 煤质最优 、开发前景最好的大煤田[ 1] , 该区煤层埋藏
收稿日期 :2009 -08 -25 责任编辑 :柴海涛 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50574074, 40572155);教育部新世纪优秀人才支持计划资 助项目 (NCET-04 -0971);教育部 留学回
DO I :10.13225/j .cnki .jccs .2010.01.007 第 35卷第 1期 2010年 1月
煤 炭 学 报 JOURNALOFCH 2010
文章编号 :0253 -9993(2010)01 -0007-08
摘 要 :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 。 关键词 :生态脆弱矿区 ;隔水层隔水性 ;保水开采 ;浅埋煤层 ;生态水位 ;采煤方法规划 中图分类号 :TD322 文献标志码 :A
Abstract:Thestudyfindthatthedesertareavegetationisdependencethedepthofgroundwaterlevel.Itisrevealed thatthepropergroundwaterlevelforvegetationis1.5 ～ 5.0 m inYu-Shen-FuMimingAreaintheNorthShaanxi Province.Theminingfracturezonedecreasesthegroundwaterlevelandcauseshypergeneecosystemsretrogression. So, waterlevelcontrolisthecoreofscientificminingintheecologicalfragileminingarea.Miningpracticeandsimulationmodeltestsshowthatifthethicknessofresistingoverburdenisequalorgreaterthan33 ～ 35 timesminingheight, coalminingwillnotdecreasethegroundwaterlevel, ifthethicknessofresistingoverburdenequalorlessthan18 times miningheight, coalminingmustdestroyaquicludeanddecreasethegroundwaterlevel, andwhenitisin33 ～ 35 times miningheight, theproperminingmethodas“restrictingminingheightmethod” canbeuseforwaterprotection.Theeffectiveapproachofscientificminingcanbecarriedbytheminingmethodplanwiththewaterlevelcontrolastheaim andthesubareaofcoalminingconditionasthebaseintheecologicalfragileminingarea. Keywords:ecologicalfragileminingarea;minedwaterresistingproperty;waterprotectionmining;shallowcoalseam; ecologicalwaterlevel;miningmethodplan
研究控制地下水位下降的采煤技术是保护矿区生态环境面临的重大课近年来国内地质界针对陕北侏罗纪煤田保水采煤问题开展了大量研究探讨了保水开采的对策和方韩树青等最早提出了陕北侏罗纪煤田开发应高度重视对萨拉乌苏组地下水的保护开发和合理利用指出对于煤层开采导水裂隙带到达萨拉乌苏组含水层的区域应采用充填式采煤方式保护地下1203首采工作面进行采前模拟发现了浅埋煤层开采覆岩垮落直达地工作面开采水位下降造成植被枯死事例认为大面积采煤将造成脆弱生态环境破坏指出通过开采区域和采煤方法的合理选择可实现保水采煤并划分了10
Studyonoverburdenaqucludeandwaterprotectionminingregionazation intheecologicalfragileminingarea
WANGShuang-ming1, 2 , HUANGQing-xiang1 , FANLi-min3 , YANGZe-yuan4 , SHENTao3
问题进行论述 , 以期促进生态脆弱矿区大型煤炭基地 建设健康发展 。
1 煤与含 (隔 )水层特征
1.1 煤层特征 研究区 2-2煤为煤系上部主要可采煤层 , 所诱发
的表生生态效应也多是 2-2煤层开采 引起的 , 因此 , 本文主要研究 2-2煤的空间分布 。 2-2煤厚度 0.26 ～ 12.50 m, 平 均 6.50 m, 可 采 面 积 为 3 619 km2 (图 1(a)), 富煤区位于大保当镇 —金鸡滩镇一带和 孟家湾以西 , 神北区也有煤厚大于 5 m的区域 。 埋深 总体特征为东浅西深 (图 1(b)), 最浅小于 40 m, 位 于神北矿区 , 最深大于 580 m。
上述大量开拓性的工作 , 对陕北地区采煤 、保水 问题进行了多角度理论研究和工程实践 。 但陕北采 煤区合理生态水位的确定 、区域上煤层与含水层空间 组合类型及关系 、保水开采地质条件分区以及采煤方 法规划等方面 , 仍未见到系统的报道 , 本文正是对这 些涉及保水采煤 (保水开采 )、绿色矿区建设的 重要
近年来 , 国内地质界针对陕北侏罗纪煤田保水采 煤问题开展了大量研究 , 探讨了保水开采的对策和方 法 [ 7 -12] , 韩树青等最早提出了陕北侏罗纪煤田 开发 应高度重视对萨拉乌苏组地下水的保护 、开发和合理 利用 , 指出对于煤层开采导水裂隙带到达萨拉乌苏组 含水层 的 区域 , 应采 用充 填 式采 煤 方 式保 护 地 下 水 [ 7] 。 1993年 , 黄庆享等对大柳塔 1203 首采工作面 进行采前模拟 , 发现了浅埋煤层开采覆岩垮落直达地 表 , 工作面将出现涌 水溃沙的现象 [ 8] 。 范立民以 该 工作面开采水位下降造成植被枯死事例 , 认为大面积 采煤将造成脆弱生态环境破坏 , 指出通过开采区域和 采煤方法的合理选择可实现保水采煤 , 并划分了 3类 开采条件分 区[ 9 -10] 。 李文平 等[ 11] 对保 水采煤的 工 程地质条件进行了类型划分 。 王力等 [ 12] 提出地下水 资源是支撑矿区生态环境可持续发展的重要因子 , 采 煤对地下水的破坏会严重影响矿区植被的恢复与重
图 1 2-2煤层厚度及埋藏深度等值线 Fig.1 Thicknessandburieddepthcontourof2 -2 coalseam
2-2煤上覆基岩厚度整体自东向西逐渐增厚 [ 1] , 受沉积因素的影响 , 在局部地段有增厚或减薄现象 , 而砂岩占岩石组成的比例一般为 40% ～ 60%, 总体 变化不大 。厚度 <50 m的区域主要分布在神北矿区 和新民区 , 最小不足 10 m, 如哈拉沟煤矿的瓷窑湾一 带 , 厚度 3.14 m。 厚度 50 ～ 100 m的区域分布于中 鸡 —瑶镇一带 , 总体呈南北向展布 。 100 ～ 250 m的