基于保水采煤的煤炭开采带与泉带错位规划问题

(1.陕西省地质环境监测总站矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西西安 710054；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054)

摘要：榆神府矿区2017年原煤产量达到4.00亿 t，是我国西部最重要的煤炭产区，矿区地下水资源相对贫乏，具有供水和生态双重价值的含水层为第四系萨拉乌苏组含水层和侏罗系烧变岩含水层，含水层位于煤层之上，矿区中东部、东南部煤层埋藏浅，煤炭开采对含水层扰动强烈，并造成了部分含(隔)水层结构损伤，隔水层的隔水性丧失，含水层地下水渗漏，造成地下水位下降，部分泉干涸。调查发现，目前的煤炭开采主要集中于泉密集分布的窟野河、秃尾河沿岸的北东向条带内，这一条带既是泉带，也是煤炭开采带，二者的重叠，无疑加剧了煤炭开采对泉的扰动。为了保护泉及生态环境，通过煤炭对地下水的影响机理分析，提出煤炭开采带西移东进的建议，认为西部煤炭资源埋藏深度大，煤层开采形成的导水裂隙带无法导通至第四系萨拉乌苏组含水层，东部第四系含水层富水性弱-极弱，属无水开采区。错位规划后，煤炭开采带内煤层埋藏深度适中区，普遍推广保水采煤技术；浅埋、极浅埋煤层区，推广地下水库技术，并加大水资源生态利用；对于不能推广保水采煤技术和水资源综合利用的矿井，可采取有偿异地置换的模式，根本上解决泉带破坏问题。为统筹布局泉带与煤炭经济带的错位布设，建议加大榆神矿区三、四期规划区的地下水监测密度，进一步完善区内地下水监测网。

关键词：保水采煤(保水开采)；萨拉乌苏组；矿区规划；榆神府矿区

范立民，孙魁.基于保水采煤的煤炭开采带与泉带错位规划问题[J].煤炭科学技术,2019,47(1)：173-178.

FAN Limin，SUN Kui.Dislocation planning of coal mining belt and spring belt based on water-preserved coal mining[J].Coal Science and Technology，2019，47(1)：173-178.

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划—陕煤联合基金资助项目(编号：)；陕西省科学技术推广技划“陕北保水采煤技术示范推广”资助项目(2011TG-01)

作者简介：范立民(1965—)，男，山西曲沃人，正高级工程师(二级)，2015年获李四光地质科学奖。E-mai：498518851@qq.com

Dislocation planning of coal mining belt and spring belt based on water-preserved coal mining

(1.Key Laboratory of Mine Geological Hazard Mechanism and Control，Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi’an 710054，China； 2.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Abstract:The output of raw coal in Yu-Shen-Fu Coal Mining Area reached 400 million tons in 2017, making it the most important coal producing area in western China.The groundwater resources in mining area are relatively poor.The Quaternary Salahuasu formation aquifer and Jurassic calcined rock aquifer have both water supply and ecological value.The aquifer is located above the coal seam.The coal seams in the middle east and southeast of the mining area are buried shallow.Coal mining causes strong disturbance to the aquifer and causes damage to the structure of some water-bearing(isolated)aquifers, loss of water-bearing capacity of the aquifer, leakage of groundwater in the aquifer, resulting in the decline of groundwater level and drying up of some springs.The investigation shows that the current coal mining is mainly concentrated in the NE-trending belt along the Kuye River and the Tuwei River with dense springs.This belt is both the spring belt and the coal mining belt.The overlap of the two belts undoubtedly aggravates the disturbance of coal mining to the spring.In order to protect the spring and ecological environment, the paper puts forward the suggestion of coal mining belt should move from west to east base on the analysis the mechanism of coal effect on groundwater.It is believed that the buried depth of coal resources in Western China is so large that the water-conducting fracture zone formed by coal seam mining cannot lead to the Quaternary Salahuasu formation aquifer, while the Quaternary aquifer in the east is weak in water content and belongs to anhydrous mining area.After dislocation planning, the coal seam burial depth in the coal mining belt is moderate, and water-retaining coal mining technology is generally promoted.Underground reservoir technology will be promoted in shallow and extremely shallow coal seams areas, and ecological utilization of water resources will be increased.For the mines that cannot promote water-preserved coal mining technology and comprehensive utilization of water resources, the mode of compensated long-distance replacement can be adopted to fundamentally solve the problem of spring belt destruction.For overall arrangement spring belt and coal economic belt dislocation layout, it is suggested to increase the groundwater monitoring density of phase third and fourth planning area of Yushen mining area and further improve the groundwater monitoring network in the area.

Key words:water-preserved coal mining(water-preserved mining);Salahuasu formation;mining planning;Yu-Shen-Fu Mining Area

0 引言

我国西部煤炭资源丰富，生态环境脆弱，水资源是支撑生态环境维系和改善的物质基础。要实现煤炭资源的科学开采，首先要查明资源环境条件，进行煤炭工业规划，确定开采区域和开发规模、开发方式等，榆神府矿区开发初期出现了一系列地质环境问题，导致了部分采煤区地下水位下降、井泉干涸和生态恶化现象，为此作者提出了保水采煤问题，并提出合理选择开发区域和采用合适的采煤方法，是实现保水采煤的必然途径[1]，但如何选择开采区域，采用什么样的采煤方法，长期以来，国内多个团队进行了大量探索和研究，界定了保水采煤的概念和科学内涵[2-3]，在含水层结构保护、矿井水资源化利用等领域取得了重要进展[4-9]，实现了保水开采。然而，作者对榆神府矿区水工环地质条件回顾性调查与对比研究过程中，还是发现保水采煤成就突出与任务艰巨并存，区域性地下水位下降并没有得到遏制，水体湿地面积也在不断萎缩[10-11]。因此，反思矿区总体规划与开发现状，无疑将促进矿区规划的调整和完善，促进资源环境协调开发，促进煤炭经济健康发展。

为此，在以往研究基础上，笔者从区域性煤炭工业布局与地下水排泄带分布、采动损伤机理等方面，研究了错位布局条件下高强度采煤对含水层结构保护的条件，并希望据此对榆神府矿区的总体规划进行革命性的调整。

1 榆神府矿区煤炭开采带及发展现状

榆神府矿区1987年开始大规模开发建矿，以1996年1月大柳塔煤矿投产为标志，煤炭高强度开采已经超过了20年。陕西省煤炭生产安全监督管理局最新公布的数据显示，目前区内分布有生产煤矿135处，建设煤矿42处。

图1 煤炭开采带内煤矿分布示意
Fig.1 Diagram of coal mine distribution in coal mining belt

其中产能大于10.00 Mt/a的煤矿11处，均为生产矿山。1.20～10.00 Mt/a(不含)的煤矿46处(生产煤矿33处，建设煤矿13处)，其余为中小型煤矿，区内总产能4.78亿 t/a。2016年在限产条件下实际产煤3.62亿 t，2017年产煤4.00亿 t，已经超过了本区域的科学产能，对潜水含水层造成明显影响[12-13]。目前在建的小保当一号煤矿、曹家滩煤矿等特大型煤矿即将投产，预计到2030年，榆神府矿区将形成7亿～8亿 t/a的产能。

由图1可以看出，北起大柳塔镇石圪台，途径大柳塔、孙家岔、店塔到锦界、榆阳区，形成了1个北东向的煤炭开采带，在此条带内分布着榆林市65%以上的煤矿，高强度、长时间的开采，均集中于煤炭开采带内。煤炭开采带内分布煤矿97处，生产规模1.20 Mt/a以上的大型煤矿39处，其中规模大于8.00 Mt/a的特大型煤矿12处(表1)，区内总产能2.72亿 t/a。

表1 煤炭开采带8.00 Mt/a以上规模生产矿井
Table 1 Large-scale production mine above 8.00 Mt/a in coal mining belt

2 榆神府矿区地下水排泄区及泉带

2.1 地下水排泄区及其分布

煤炭开采带主要集中于煤层埋藏浅的区域，这一带的地质环境有如下特点：

1)煤层埋藏浅：目前开采的1-2、2-2煤层埋深均小于160 m，一般100 m左右，沟谷处可见露头，并伴有火烧现象。

2)煤水结构简单：目前的集中开采区，煤水结构类型主要为沙基型、沙土基型，即沙层含水层与基岩或土层直接接触。沙层厚度变化大，厚度大的区域形成泉域，厚度小的区域形成泉域的分水岭，下伏侏罗系砂岩、泥岩及其互层结构，以中硬岩石为主，有1～2个关键层。

3)煤层开采导水裂隙带均发育到萨拉乌苏组或烧变岩潜水含水层[13-14]：研究区主要含水层是萨拉乌苏组、烧变岩含水层，煤层厚度3～7 m，采高3～5.5 m，部分区域已经实现一次采7.2 m的大采高。根据调查，煤层开采后，导水裂隙带多发于到地表，导致采空区与萨拉乌苏组、烧变岩含水层导通，使地下水渗漏，造成水位下降和泉的干涸。

4)煤炭开采的环境效应明显：调查发现，煤炭高强度集中开采后，区内泉流量减小，部分泉干涸[15]，窟野河也由此成为季节河。

2.2 泉带及泉的特征

作者收集、整理了煤炭开发前陕西省一八五煤田地质勘探队(窟野河及悖牛川以西)、陕西省一三一煤田地质勘探队(悖牛川以东)在区内完成的1∶50 000、1∶10 000水文地质报告及附图、附表，梳理出研究区共有2 580处泉，总流量4 997.059 7 L/s。泉带主要呈北东向展布于各流域沟道内，出露层位主要包括萨拉乌苏组、第四系冲积层、风积沙、黄土、侏罗系直罗组和延安组、侏罗系烧变岩等层位，其中侏罗系(J2z或J2y)出露泉数量949处，数量最多，甚至超过了萨拉乌苏组(Q3s)出露泉数量，这主要是该含水层出露相对连片，泉在深切的河谷出露处集中涌出。而流量大于10 L/s的大泉点，萨拉乌苏组出露泉最多，总流量也占绝对优势，说明萨拉乌苏组含水层富水性最好，是研究区最主要的含水层。研究区的泉群北东向带状分布特征如图2所示。

3 煤炭开采带与泉带的错位布设研究

3.1 现状条件下高强度开发存在的问题

1994年笔者对研究区534口水井的水位埋深进行了实地调查，2015年再次核查了这些水井的水位埋深，与1994年比较，煤炭开采带潜水水位下降显著[16]，其中窟野河流域水位下降幅度最大，大柳塔镇、榆阳区的头道河等地萨拉乌苏组地下水已经完全干涸，水位下降到萨拉乌苏组底界面以下。区域性的水位下降，势必造成泉的断流，河流的补给来源也受到影响。

3.2 煤炭开采带与泉带重叠对地下水影响机理分析

煤炭开采带与泉带重叠区主要为浅埋、极浅埋煤层区。重叠区域内煤水结构类型主要为沙基型、沙土基型。沙层覆盖厚度较大区域，主要接受大气降水补给，富水性好，水量充足，往往以海子和泉的形式排泄，形成丰富的沙层泉域。而在沿沟谷分布的烧变岩区，烧变岩接受上部沙层或大气降水的补给，水量极为丰富，且以泉的形式排泄，形成烧变岩泉域。

图2 研究区泉群的带状分布特征
Fig.2 Distribution characteristics of spring groups in the study area

目前，煤炭开采带与泉带重叠区域的煤矿规模较大，多采用综采采煤工艺，开采强度大，对上覆岩土层的扰动强烈。煤层开采后，采动导水裂隙带直接突破至地表，沟通上覆基岩、烧变岩和沙层含水层。含水层水沿导水裂隙涌入采空区，地下水水位下降，地表泉带流量减少甚至干涸，沟谷断流(图3)。

图3 煤炭开采带与泉带重叠对地下水影响示意
Fig.3 The influence of overlap between coal mining belt and spring belt on Groundwater

3.3 煤炭开采带的西移与东进错位布设

3.3.1 煤炭开采带错位规划思路

煤炭开采区错位规划的基本思路是，避开煤层埋藏较浅的泉带区，转移到西部煤层埋深较大区域，或东部第四系含水层富水性较弱的地区开发煤炭资源。主要目的是使煤炭开采过程中形成的导水裂隙带消失在隔水层以下，不致具有生态意义的浅层沙层含水层遭到破坏，确保维持地区生态和供水意义的地下水水位保持稳定。

榆神府矿区西部，第四系萨拉乌苏组含水层虽分布广、厚度大、富水性强。但主采的2-2煤层埋藏深度较大，一般350～500 m，煤层厚度3～9 m，研究表明，榆神府矿区采动裂采比一般15～35。采动形成的最大导水裂隙带高度仅导通至延安组、直罗组砂岩裂隙潜水含水层，对上部沙层潜水含水层影响较小。榆神府矿区东部，主要为黄土梁峁区，大气降水多以地表径流排泄，含水层富水性差，泉水出露较少。煤层开采虽然波及上部含水层，但对区内的水环境影响较小，煤炭开采带西移东进示意如图4所示。

图4 煤炭开采带西移东进示意
Fig.4 Schematic map of coal mining belt moving westward and eastward

3.3.2 煤炭开采带内煤矿的合理规划与利用途径

1)推广保水采煤技术。对于萨拉乌苏组强富水性含水层发育的煤层埋藏深度适中区域，导水裂隙带发育高度接近萨拉乌苏组含水层底界。对于该区域的煤矿，应普遍推广限高开采、分层开采、条带开采等保水采煤技术，尽可能的减少采动对萨拉乌苏组含水层的扰动破坏。如榆阳煤矿、榆树湾煤矿等。

2)水资源生态利用。对于浅埋、特浅埋煤层区，煤炭资源开采形成的导水裂隙带直接突破至地表，无法避免对上部含水层的破坏。为尽量减少水资源渗漏引起的生态环境问题，应推广地下水库技术[17]，充分利用矿井水及大气降水资源。同时，也可利用矿井水进行地表生态修复，建设矿山公园，生态植物园和水稻种植等。如杭来湾煤矿、大柳塔煤矿、哈拉沟煤矿等，如图5所示。

图5 矿井水生态利用
Fig.5 Ecological utilization of mine water

3)采矿权异地置换。对于泉带内不能推广保水采煤技术和水资源综合利用的矿井，可采取异地置换的模式，有偿取得泉带西部煤层埋深较大区域，或东部浅层含水层富水性较差区域相应的煤炭资源开采权，根本上解决泉带破坏问题，煤炭开采带煤矿合理规划利用示意如图6所示。

图6 煤炭开采带煤矿合理规划利用示意
Fig.6 Schematic diagram of rational planning and utilization of coal mines in coal mining belt

3.4 建设陕北、神东大型煤炭基地地下水监测网

榆神府矿区煤炭工业的区域性调整布局和泉带与煤炭经济带的错位布设涉及多方面的利益，需要统筹考虑，但建设一张完善的地下水监测网，实时地下水动态变化的监控，是当务之急。2018年陕西省建成了涵盖现有生产矿井的地下水监测网[18]，在本区域建设了94个监测点，加上以往监测点，可利用的监测点有167个，但对于矿业权空白区的榆神矿区三、四期规划区，只有60个监测点，显然无法完全控制该区域地下水动态，因此，需要加大投入，进一步完善地下水监测网，包括对土壤水分、地下水蒸发过程等的监测[19]。

4 结论

1)研究区泉群主要分布于窟野河、秃尾河沿岸，呈北东向带状分布(泉带)，这一区域是毛乌素沙漠地下水的集中溢出带，含水层水位浅，也是生态环境良好的区域。

2)研究区泉群分布带内，集中布局并建成了数百处大中型煤矿(煤炭开采带)，榆林市65%的煤矿集中分布于此区域，大规模、高强度、长时间的煤炭开采，造成了泉带内地下水位下降，部分泉干涸，窟野河成为季节河，煤炭开采对含水层损伤明显。

3)建议将煤炭开采带战略西移和东进，窟野河、秃尾河沿岸逐渐退出一部分煤矿，未退出煤矿推广保水采煤技术，在原煤产能保持5亿t规模的条件下，加大泉带以西的榆神矿区三、四期规划区煤炭开发力度，并加强矿区地下水监测工作。

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