煤矿地下水库理论框架和技术体系

　第40卷第2期煤　　炭　　学　　报Vol.40　No.2　　2015年2月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYFeb.　2015　顾大钊.煤矿地下水库理论框架和技术体系[J].煤炭学报,2015,40(2):239-246.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.1661GuDazhao.Theoryframeworkandtechnologicalsystemofcoalmineundergroundreservoir[J].JournalofChinaCoalSociety,2015,40(2):239-246.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.1661煤矿地下水库理论框架和技术体系顾大钊(神华集团有限责任公司科技发展部,北京　100011)摘　要:针对我国西部(晋陕蒙宁甘)地区富煤缺水,且蒸发量是降雨量的6倍左右的条件,以及西部煤炭规模化开采产生的裂隙场,破坏了原有的地下水系统,产生大量矿井水,为保障煤矿安全,解决将大量矿井水外排地表蒸发损失的问题,提出了“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用理念,研究开发了涵盖煤矿地下水库设计、建设和运行的技术体系,包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障等六大关键技术,并在神东矿区成功建设了示范工程,累计建成32座煤矿地下水库,为矿区提供了95%以上用水,且实现了长期低成本安全稳定运行。工程实践表明,煤矿地下水库是充分利用地下自然空间和自然力储存和净化矿井水的安全、低成本、规模化的储水技术,为西部地区煤炭开采地下水资源保护利用提供了有效技术支撑。关键词:煤炭地下水库;西部地区;煤炭现代开采;地下水保护利用中图分类号:TV623;TD74　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2015)02-0239-08收稿日期:2014-12-03　　责任编辑:韩晋平　　基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2012BAC10B03)　　作者简介:顾大钊(1958—),男,江苏盐城人,教授。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]nologicalsystemofcoalmineundergroundreservoirGUDa-zhao(ScienceandTechnologyDevelopmentDepartment,ShenhuaGroupCorporationLimited,Beijing　100011,China)Abstract:InwesternChina(Shanxi,Shaanxi,InnerMongolia,NingxiaandGansu),therearerichcoalresources,whiletherearealsowaterresourceshortage.Asurfaceevaporationcapacityisabovesixtimesofrainfall.Thelarge-scale,in-tensive,moderncoalminingcanresultintheformationofcrack,destroytheoriginalundergroundwatersystem,andthegenerationoflotsofminewater.Inordertoensuretheundergroundproductionsafety,minewateristraditionallydis-chargedtothesurface.However,duetolargeevaporationcapacityinthewesternarea,thedischargedminewatercanquicklybeevaporatedandisthereforelostafterbeingdischarged.Therefore,atechnicalapproachofstorageandutili-zationofminewaterusingundergroundreservoirsofcoalminewasproposed,whichincludeddesign,constructionandoperationtechnology.Thetechnicalsystemiscomposedofwaterresourceprediction,reservoirsiteselection,reservoircapacitydesign,damconstruction,safetyguarantees,waterqualitycontrol,etc.Currently,32coalmineundergroundreservoirshasbeenestablishedinShendongMiningArea,whichcanprovide95percentoftotalwaterconsumption,andbeeninoperationsafelywithalowcost.Itisshownthattheundergroundcoalminereservoirisasafe,economicalandscaledwaterstoragetechnology,usingnaturalundergroundspaceandnaturalrockpurification,whichcouldbeofgreatsignificanceintheprotectionandutilizationofundergroundwaterresourcesforcoalmininginthewesternminingareaofChina.Keywords:coalmineundergroundreservoir;westernarea;moderncoalmining;storageandutilizationofundergroundwater煤　　炭　　学　　报2015年第40卷　　根据中国工程院研究,预计到2030年煤炭占我国一次能源消费的比重仍在50%以上[1]。西部地区(晋陕蒙甘宁)是中国的煤炭主产区,2013年该地区煤炭产量约占全国煤炭产量70%,但水资源匮乏,仅占全国3．9%。随着我国煤炭开发的战略西移,西部煤炭产量占全国的比重还将上升,煤炭规模化开发与水资源短缺的矛盾更为突出。安全、高效和绿色是当今煤炭开采的三大主题。我国某些矿区煤炭安全和高效指标已经达到世界领先,但亟待推进煤炭绿色开采的技术进步。据统计,我国每年因煤炭开采破坏地下水约80亿t,而利用率仅25%左右[2-4],损失的矿井水资源相当于我国每年工业和生活缺水量(100亿t)的60%。西部矿区气候干旱,蒸发量是降雨量的6倍左右。为保障安全生产,已有的方法是将矿井水外排地表,由于蒸发量大,外排的矿井水很快蒸发损失。如何实现煤炭开发与水资源保护相协调,是西部煤炭科学开发的重大难题之一,也是煤矿区生态文明建设的核心内容。针对煤炭开采对地下水资源的影响,钱鸣高院士率先提出煤炭绿色开采理念和西部矿区保水开采技术研究的若干领域[5-6]。据此,众多学者展开了大量工作,深入研究了煤炭开采对地下水的影响规律[7-8],提出了煤炭开采“三带”高度计算模型[9-12],并形成了以保护隔水关键层等保水开采技术,如充填开采、限高开采、房柱式保水开采、保水开采分区等[13-20]。上述技术主要思路是采用“堵截法”保护隔水层不受破坏,避免形成导水裂隙,从而保护地下水,采用的主要技术手段包括限高开采和充填开采,并在部分矿区成功应用。神华集团是世界最大煤炭企业之一,80%的煤炭产自西部严重缺水地区,从1995年开始,神华集团以神东矿区为基地,沿着3条路径进行矿井水保护利用的技术探索:一是设法阻止矿井水的产生,即进行限高和充填开采技术研究,但因影响开采效率和煤炭回采率降低等问题,无法有效实施;二是设法在地面储存矿井水,但面临缺乏足够储水空间、储水成本高、蒸发浪费且水体污染严重等技术难题,难以实施;三是在井下储存矿井水,但遇到了与传统理念相违背,无成熟技术可借鉴等难题,必须通过理念创新和技术创新,开发利用安全高效和规模化的井下储水技术。因此,在前两种技术路径难以有效实施的情况下,对井下储存矿井水技术进行了持续的技术探索和工程实践。在研究和掌握西部矿区煤炭采前、采中和采后地下水系统变化规律的基础上,在国内外创新提出了以“导储用”为特征的煤矿地下水库储用矿井水理念,开发了煤矿地下水库设计、建设、运行和安全监控等关键技术,并在神东矿区成功建设运行了示范工程,构建了西部矿区煤矿地下水库水资源保护与利用理论框架与技术体系。1　煤矿地下水库保护与利用地下水资源的理念　　针对西部矿区煤炭开采矿井水外排损失的问题,在神东矿区开展了“神东矿区水资源保护性开采与综合利用技术”和“神东矿区现代煤炭开采对地下水资源和地表生态影响规律研究”等科技创新项目研究和工程实践,提出了煤矿地下水库的概念和矿井水井下储存利用的理念,即利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储孔,将安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体,同时建设矿井水入库设施和取水设施,充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用,建设煤矿地下水库工程。该技术突破了原有“堵截法”保水理念,采用“导储用”思路,将矿井水疏导至井下采空区进行储存和利用,避免了外排蒸发损失、地面水处理厂建设和运行成本高等问题(图1),开辟了煤炭开采与水资源保护利用协调的技术途径。图1　煤矿地下水库储水示意Fig．1　Undergroundreservoirofcoalmine2　煤矿地下水库理论与技术体系煤矿地下水库技术涉及采矿工程、工程地质、水文地质、水利工程和环境工程等多个学科,是复杂的系统工程,面临众多技术难题,包括水源预测、水库选址、库容设计、储水系数计算、坝体设计、坝体构筑、库间管道建设、安全保障技术、岩体对水净化规律和水质控制等,必须进行煤炭开采地下水运移规律、水流场分布特征和采空区储水等理论研究,开发相关关键技术,才能为煤矿地下水库建设提供理论和技术支撑。经过在神东矿区近20a研究开发与工程实践,创建了煤矿地下水库设计、建设和运行的理论框架和技术体系(图2)。042第2期顾大钊:煤矿地下水库理论框架和技术体系图2　煤矿地下水库理论框架与技术体系Fig．2　Theoryframeworkandtechnologicalsystemofcoalmineundergroundreservoir3　煤矿地下水库建设关键技术3．1　水源预测水源预测包括煤炭开采地下水运移规律研究和水量预测两部分,是煤矿地下水库建设的前提。采用集四维地震、高密度电法和地质雷达等物探方法,结合现场水文勘探观测和物理数值模拟的一体化综合研究方法,对神东矿区煤炭开采覆岩变形运动和地下水运移进行全周期、多参数和多层次的观测研究,掌握了西部煤炭现代开采第四系孔隙水和基岩裂隙水的运移规律。(1)第四系孔隙水运移规律。研究表明,对于西部厚煤层、薄基岩的条件,高效率高回采率的煤炭现代开采必然导通第四系含水层,开采初期第四系孔隙水渗流井下,是矿井水初期的重要来源,建立了第四系含水层水位变化模型(式(1)),对神东矿区200余个钻孔水位的分析研究表明,第四系含水层水位下降20%~30%后趋稳。Δh=W0+Win(t1)s[k-ε(t1)]-W0sk(1)式中,W0为采前含水量,m3;Win为采后补给量,m3;s为渗流区域面积,km2;t1为采后补给时间,h;k为采前含水层含水率;ε为采后含水率变化函数。(2)基岩裂隙水运移规律。煤系地层分布着大量的基岩裂隙水,占鄂尔多斯盆地可采地下水资源总量约76%,是矿井水的长期稳定来源。通过理论分析、物理和数值模拟研究,建立了采后覆岩渗透率变化模型。观测表明,基岩裂隙水长期渗流井下,是矿井水长期稳定的来源,以神东矿区大柳塔矿为例,其涌水量长期稳定在400m3/h