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第一部分保水开采技术保水开采技术的主要影响因素保水开采技术和矿井水循环使用技术榆神府矿区保水开采实例开采对地下水分布的影响一、开采对地下水分布的影响1、地下水的来源与分类（1）地下水的来源绝大部分的地下水来自于降水，降水渗入地下后，因重力作用而向下渗透。当水分下渗达到某一深度，遇到不透水的地层如黏土、页岩等时就贮存起来，逐渐往上充填于土壤或岩石的间隙中形成饱和状态（图2-1），其顶部即为地下水面。地下水面之上称不饱和带；相对地，地下水面之下的土壤或岩石孔隙是充满水的成为饱和带（图2-2）。图2-1饱和状态示意图图2-2地下水饱和带与不饱和带示意图（2）地下水的分类①按含水空隙的类型，地下水被分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。孔隙水指赋存于松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水（图2-3），裂隙水指赋存于岩体裂隙中的地下水（图2-4），岩溶水又称喀斯特水，指存在于可溶岩石（如石灰岩、白云岩等）的洞隙中的地下水。贵州喀斯特在特定的自然条件下，形成丰富多彩的喀斯特地貌，如峰丛、溶洞、岩溶潭等。图2-3洪积扇水文地质剖面示意图1-基岩；2-砾岩；3-砂；4-粘性土；5-潜水水位；6-承压水水位；7-地下水及地表水流向；8-降水补给；9-蒸发排泄；10-下降泉；11-井，涂黑部分有水图2-4裂隙含水系统1-不含水张开裂隙；2-含水张开裂隙；3-包气带水流向；4-饱水带水流向；5-地下水水位；6-水井；7-自流井；8-无水干井；9-季节性泉；10-常年性泉②根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为包气带水、上层滞水、潜水、自流水和承压水五大类。2、开采对地下水的影响（1）对浅、中层地下水的影响：煤系地层的水快速向下渗透，形成区域性地下水降落漏斗，浅、中层地下水逐年被疏干,造成煤矿周围村民吃水困难；(2)对深层地下水的影响：导致对深层地下水位逐年下降；（3）矿井疏排地下水的影响：对地下水水位水量的影响；对地下水水质的影响（图2-5）。图2-5煤矿地下水环境影响模型二、保水开采技术的主要影响因素1、开采与地下水分布开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向；同时随着上覆岩层移动破坏和地下水渗漏，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水能否恢复，则决定于上覆岩层中是否有软弱岩层。随着工作面的推进，经重新压实并导致裂隙闭合而形成隔水带。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。采煤不可能不造成一定的地下水渗漏，但保水开采到底保到什么程度，才算是保了水？一般认为，保水程度至少应考核以下两个指标：首先是对地下水的影响不大，最起码应该不使地下水干涸而最终导致河流的大面积断流；其次是植被的生长状态问题。地下水位埋深增大时，部分植被不适合生长，一些植被出现病态，甚至枯萎，尤其是对乔木的影响最大。2、主要影响因素（1）地质构造地质构造对地下水、地面水起着重要的控制与导水作用，局部也起着阻溢作用，地质构造愈复杂，断裂愈多，开采煤层离断层愈近，补给充分，则排水量就愈大。（2）水文地质条件主要是含水层的厚度、富水性、节理、裂隙、岩溶发育程度和补给来源。（3）煤矿开采阶段煤矿开采初期，揭露的含水层相对多，各含水层处于自然饱和状态，含水性强，随着开采面积的增大，就会逐步发生顶板冒落，勾通裂隙导水带，煤系顶部含水层中地下水就会直接渗入矿坑，造成保水开采难度的加大。矿井开采中期，由于一般不会大面积揭露新的含水层，随着开采时间的增长，含水层水位不断降低，以矿井为中心的降落漏斗趋于稳定，部分含水层由承压转为无压，矿井排水量靠入渗量补给，处于补、径、排平衡状态。矿井开采后期，由于含水层部分被疏干，导水裂隙带和节理裂隙逐步被充填，地表入渗补给量逐步减少，则矿井渗水量逐步衰减。矿井开采末期（停采），在其影响范围内，矿坑渗水变小或不排水。但由于煤系底部有隔水层存在，采空区逐步积水成为“地下水库”。在这种情况下，实施保水开采是必要的。影响保水开采技术的因素还包括：采煤方法、覆岩结构、覆岩厚度及其力学性质等。三、保水开采技术和矿井水循环使用技术1、保水开采技术保水开采的目标是在防治采场突水的同时，对水资源进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文环境的扰动量小于区域水文环境容量。研究在开采后上覆岩层的破断规律和地下水漏斗的形成机理，从采矿方法、地面注浆等方面采取措施，实现矿井水资源的保护和综合利用。实现保水开采的主要途径有：（1）合理选择开采区域对不同的地质环境条件应该区别对待，并分为以下几种类型：（1）对于不存在含水层或煤层埋藏适中、有含水层、同时其底部有厚度较大的隔水层的地区。该区域煤层开采的冒裂带和导水裂隙带发育不到含水层底部，不至于破坏含水层结构，可以实现保水开采。（2）有隔水层分布，但隔水层的厚度有限，煤层开采后，需要采取一定的措施，才可以保护地下水不受破坏的地区。（3）对于煤层埋藏浅、又富含水，煤层开采会造成地下水全部渗漏地区。一旦开采，矿井突水可以通过提前疏降水工程保证，但不能保证地下水含水结构、生态环境不受破坏，在没有彻底解决地下水渗漏问题之前，暂缓开发。（2）防水（砂）煤（岩）柱留设目前在松散含水层等水体下采煤，一般是根据开采区域岩煤地质及水文地质条件、煤（岩）柱两侧的开采状况及采矿技术条件等因素，采取留设防水（砂）煤（岩）柱的方法进行开采。首先研究确定导水裂隙带高度，其次，厚松散层下近风化带保水开采的GIS研究，可用于保水条件下的安全煤柱留设设计。（3）保水开采方法①减小导水裂隙带高度的开采方法减小裂隙带高度和减小地表下沉的开采方法是一致的；②以底板加固为主导技术的保水开采技术。中国矿业大学提出一种浅埋煤层长壁工作面保水开采方法。工作面长度≥200m；液压支架的工作阻力≥8000kN；工作面日推进速度≥15m；在开切眼区域附近10～50m范围和老顶初次来压区域附近10～50m范围内局部充填或局部降低采高，以减少采动覆岩贯通裂缝，使基岩不发生整体错动式破坏，而形成较为稳定的砌体梁结构，增强采动覆岩阻水作用。该方法水资源保护效果好，能实现安全生产、减少浪费、环保、煤炭资源回收率高。条带采煤法是目前实现保水采煤的一种行之有效的方法，关键技术是根据具体的水文地质条件，科学设计所采煤层的采留比。需要进行“围岩-煤柱群”整体力学模型计算，只有煤柱群的长时稳定，才能保证水体(含水层)不受破坏,以达到保水采煤的目的。2、矿井水的合理利用及循环使用技术（1）矿井水合理利用的意义矿井水的主要来源是地下水。由于煤层及其围岩中硫铁矿的氧化作用，使矿井水呈现酸性或和高铁性。目前我国按照对环境影响以及作为生活饮用水的可行性，将矿井水分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有毒有害元素或放射性元素五类。长期以来，由于技术所限和认识不足，矿井水被当作水害排掉而未加以综合利用和保护。随着科学技术的发展和人们环境保护意识的提高，开始将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。据估计，如果目前矿区水资源利用率达到40％～50％，煤矿自用水就基本上得到解决，而且还能为社会提供用水。这对我国西部矿区具有更重要的意义。（2）矿井水循环使用处理工艺矿井水一般采用物理和化学方法进行处理。物理方法主要是过滤法和自然沉降法；化学处理方法主要是混凝法。矿井水经处理后应本着先生产后生活、先井下后井上的原则优先供给。神东矿区水循环模式：发明了井下水采空区矸石过滤专利技术，实现了井下水循环利用。神东矿区水循环模式一般矿井水采用城市给水净化工艺（见图2-18）。其中a、b两种工艺适用水量大处理的，c种适用处理水量小的。对普通中性淡水质的矿井水用作对水质要求不高的生产项目可将工艺中的过滤工序去掉。如处理的矿井水用作洗煤厂生产补充用水等。一般情况下处理lm3矿井水可间接创产值20元。图2-18城市给水净化工艺图供用户消毒由井下提升至地面一体净水器井下水仓混合剂水泵调节池清水池矿井水清水池调节池过滤水泵混合剂井下水仓澄清由井下提升至地面消毒供用户供用户消毒由井下提升至地面混合、反应井下水仓混合剂水泵沉淀过滤调节池清水池矿井水矿井水(b)(c)(a)（3）大柳塔煤矿矿井水的综合利用在矿井水的综合利用以前，该矿井下生产用水、消尘、消防用水依靠地面工业用水，经泵加压送到井下。由于矿区地处毛乌素沙漠边缘，随着矿区的开发，水资源显得尤为珍贵。另一方面，煤层具有浅埋深、薄基岩、厚松散层的特征，回采后顶板垮落，赋存在第四系砂砾层和风化基岩中的水，会大量涌入采空区或工作面，再由排水系统排出井口处理，造成水资源的极大浪费。为此，采用了高效、低成本矿井水净化复用技术。安装3台80DLX10型离心泵，扬程200m，流量50m3/h。通过流量和压力反馈的信号，集成到矿工控网络。根据生产需求在上位机通过PID进行实时参数调节，对三台泵自动开启或关闭，可达到三遥控制，恒压供水。整套系统能根据管网压力的变化进行智能化和数字化的控制，从而达到最佳的节能效果。四、榆神府矿区保水开采实例神府矿区鸟瞰图1、概述陕北侏罗纪煤田榆神府矿区位于鄂尔多斯煤盆地的中部。东西宽约84km，南北长约85km，面积7139.7km2，属陕西神木、府谷、榆林三县。榆神府矿区被划分为榆神与神府两大矿区。2、榆神府矿区保水开采的地质条件（1）矿区地层及岩土类型第四系的风积沙、马兰组、萨拉乌苏组、离石组、三门组，第三系上新统三趾马组，白垩系洛河组，侏罗系安定组、直罗组、延安组和富县组。见表2-1。（2）矿区水文地质条件矿区内对保水开采有意义的主要含水层为砂层(萨拉乌苏和风积沙)和烧变岩水。离石黄土和三趾马红土共同组成砂层含水层的隔水底板。3、防治对策研究（1）保水开采分区①保水开采区(Ⅰ)：该区主要分布在大保当区2-2煤烧变岩以西地区，其次是秃尾河以东的青草界泉域和神北矿区柠条塔以南地区。②采煤失水区(Ⅱ)：:第1亚区(Ⅱ1)分布在秃尾河以东，青草界以外和神北矿区活鸡兔一带。第2亚区(Ⅱ2)分布在神北石圪台——大柳塔井田之间地带。③采煤无水区(Ⅲ)：主要分布在秃尾河以东及神北矿区。图2-19榆神府矿区保水开采分区示意图（2）保水开采技术途径①保水开采区：煤层浅埋区留设防水安全煤柱；在烧变岩带施工供水井建立水源地；在开采顺序上，应先采富水性相对较弱、隔水性能良好的地段，如大保当区一期工程首采区应选在南部红柳沟泉域；为防止地下水遭受严重破坏，建议设计为开井工采方式；大保当区一、二期工程以外的煤层浅埋地区，地下水极为丰富，但隔水层相对较薄，建议该地区最后开采。②采煤失水区：在采煤之前预先疏排地下水；在疏排基础上，留设防塌或防砂煤柱；为减少矿井疏排水量，大保当区秃尾河与2-2煤烧变岩之间地带，应在西部浅层煤开采完后再进行开采。③采煤无水区：该类型区采煤不受水体威胁，可在覆岩结构类型为土基地段适当留设防塌煤柱图2-20神府矿区保水开采的采煤方法划分体系4、榆神府矿区保水开采的采煤方法划分体系由现场开采实践和相似模拟试验，建立了榆神府矿区保水开采的采煤方法划分体系。长壁开采采空区上覆基岩厚度大于75m采空区上覆基岩厚度大于30m、小于75m采空区上覆基岩厚度小于30m采空区上覆基岩厚度大于90m充填开采或房柱式开采分层开采间歇开采煤矿开采区基岩上覆岩层中有含水地层总采高4m总采高10m基岩上覆岩层中无含水地层非保水开采区5、保水开采需采取的工程技术措施（1）合理的留设防水安全煤柱浅埋型近水平煤层，合理确定防水煤岩柱高度，控制冒裂带发育在含水层以下，对尽可能减少压煤，又能保住萨拉乌苏组水，实现保水开采是关键。（2）建立浅排供水水源地即充分利用萨拉乌苏组含水层水资源作为矿区供水，又能起到保护生态环境的最关键措施。根据煤矿安全规程，为防止烧变岩水(老窑积水)对采煤影响，从烧变岩边界处必须向深部划定警戒线(图2-21)。图2-21烧变岩带防水煤柱留设及抽水示意图唐山分院先后成功地完成了小凌河、淮河、漳河、乐安江、资江、右江、南洪水库等大型水体下及承压水上采煤，总结出一整套水体下采煤的安全技术措施，在覆岩破坏规律研究等方面技术上达到国际先进水平。其中，“淮河水体下采煤”、“乐安江水