0 前 言
近年来，煤炭绿色开采已经成为我国西部煤炭基地持续健康发展的必然选择，2003年，钱鸣高[1]院士提出了绿色开发的理论及技术体系，通过钱鸣高[2]、许家林等[3-5]多年研究，建立了适合我国煤炭工业发展需求的煤炭绿色开发理论与技术体系，有效促进了智慧煤矿[6-8]、绿色煤矿建设。神南矿区地处陕北侏罗纪煤田北部，是我国西部神东煤炭基地的重要组成部分，矿区地处干旱半干旱地区，多年平均降水量437 mm，蒸发量是降水量的1～5倍，水资源贫乏，生态环境脆弱，附近矿井在开发初期就出现了溃水溃沙诱发的生态环境问题。范立民[9-11]针对性地提出了保水采煤问题及实现途径。王双明等[12]研究了矿区生态环境条件与煤炭开发的关系，分析了煤炭开发战略路径，提出了以控制生态水位为核心的环境保护技术，有效促进了包括神南矿区在内的西部矿区煤炭绿色开发。
然而，作为煤炭绿色开发最重要因子的水资源[13]的保护效果如何，有必要建立水资源监测网，实时监控生态水位、地表水体和河流流量等要素。在地下水监测方面，国家地下水监测网已经建成投入运行，自然资源系统在陕西建设了360个地下水监测站点，但主要集中在关中盆地，在全国和全省层面，针对大型煤炭基地一直没有健全的监测网。2018年借助国家地下水监测网建设的契机，陕西省建成了我国第1张大型煤炭基地监测网[14]，对全省大中型煤矿主要含水层进行监测监控。在此基础上，结合神南矿区煤炭绿色开发条件及生态环境保护对水资源的需要，完善了矿区水资源监测网，形成了包括60个钻孔、8个地表水监测站点的监测网，较好地掌握了矿区水资源动态为神南矿区基于绿色开采的水资源监测奠定了基础为神南矿区基于绿色开采的水资源监测奠定了基础。
1 煤炭绿色开采
1.1 绿色开采的概念及研究内容
钱鸣高[1]率先提出煤炭绿色开采的概念及相应的绿色开采技术体系。基本概念是从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的资源，基本出发点是防止或尽可能减轻煤炭开采对环境和其他资源的不良影响，目标是取得最佳的经济效益和社会效益[1]。王双明[20]从煤炭资源安全高效开采、矸石减排与综合利用、生态环境保护与修复、充填支护与减沉开采、水资源有效保护利用、开发利用地热能、开发利用地下空间、煤及煤系伴生矿产综合利用等8个方面总结了绿色开采的主要内容。
1.2 神南矿区绿色开采现状
神南矿区以实现煤炭资源开采和生态环境保护协调发展为目标，在煤炭绿色开采方面进行了诸多实践。神南矿区目前已实现了井下矸石全部回填废弃巷道的“零升井”开采模式，地面矸石实施填沟造田项目种植农作物，柠条塔煤矿在采煤塌陷区建立了微生物复垦示范基地，开展了黄土塌陷区生态修复研究，红柳林煤矿建立了水资源保护与利用及生态重建示范区，实施了立体式生态修复治理模式。
2 地下水监测含水层的选择
神南矿区生产矿井有柠条塔、红柳林、张家峁煤矿3处，矿井生产能力分别是18、15、10 Mt/a。考考乌素沟从矿区中部通过，沟北是黄土地貌，沟壑纵横，水土流失严重。沟南以沙漠地貌为主，沙丘纵横，极易接收大气降水入渗，形成中-强富水性的含水层，沟沿岸有大泉出露，补给考考乌素沟和矿区南部的芦草沟。萨拉乌苏组、烧变岩及风化基岩是区内的主要含水层[15]，也是需要监测的含水层。
2.1 萨拉乌苏组含水层
萨拉乌苏组与上覆第四系全新统风积沙、冲积层共同构成松散层潜水含水层，厚度0～38 m，上部为浅黄色粉细砂及亚砂土；下部为细、中粒砂和含卵砂石层。砂层结构松散，大孔隙，透水性强，易于接受大气降水补给，储集条件良好。地下水的赋存受古地形严格控制，地下水在侧向运动中补给下覆含水层，尤其是烧变岩主要靠萨拉乌苏组地下水的转化补给，由于受下覆土层起伏形态制约，含水区主要位于隐伏沟谷区，是区内主要含水层和透水层。水位埋深2.8～16.2 m，由北向南水位埋深变化大，单位涌水量0.002 1～0.492 5 L/(s·m)，渗透系数0.02～6.10 m/d，属弱富水到中等富水。考考乌素沟以北含水微弱，以南的小侯家母河沟、肯铁令河附近和南部的芦草沟附近，含水层厚度大、富水性较强(图1)。
图1 第四系松散层含水层富水性
Fig.1 Water yield map of Quaternary loose aquifer
萨拉乌苏组地下水水温10～19 ℃，pH为7.86～8.20，总硬度为135.1～195.2 mg/L，矿化度为266.4～535.0 mg/L，水化学类型以HCO3-Ca型为主。
含水层主要接受大气降水补给。补给量受降水量、降水强度、降水形式、地形地貌、含水层岩性等多种因素制约，沙漠区入渗系数为0.3～0.6 m/d；黄土丘陵区，地形破碎，沟谷坡度大，黄土沟壑区入渗系数一般小于0.1 m/d。含水层接受大气降水补给后，潜水径流受地形、地貌条件制约，其流向具多向性。总趋势由高向低，由分水岭向低洼处潜流汇集，以下降泉形式排泄，龚家梁以南，潜水主要向南径流，于芦草沟以下降泉形式排泄，龚家梁以北，潜水主要向北径流，排泄至考考乌素沟及肯铁令河。
2.2 风化基岩含水层
风化基岩含水层在区内普遍分布，零星出露于考考乌素沟一带，厚度为0～101.57 m，平均厚度为30 m。岩性为灰色、灰黄色、灰绿色中—细粒砂岩、泥岩，局部夹粉砂岩、砂质泥岩，风化强烈，松软易碎，裂隙发育，具有较好渗透性和储水条件。根据85个水文孔抽水试验成果统计，西部富水性好于东部(图2)，柠条塔西部富水性较强处的单位涌水量可达0.046 1 L/(s·m)，红柳林西部单位涌水量为0.1～3.518 4L/(s·m)，东部普遍小于0.1 L/(s·m)，局部达到0.939 5 L/(s·m)，渗透系数为0.017 9～24.580 7 m/d。
图2 风化基岩富水性分区
Fig.2 Water rich zoning map of weathered bedrock
根据钻孔数据，应用克里格插值法生成神南矿区风化带含水层水柱高度等值线图(图3)。矿区西部的柠条塔煤矿南翼、红柳林煤矿西部含水层水柱高度大于50 m，最大超过100 m，结合风化带富水性分布，风化带含水层富水性较强；矿区东部含水层水柱高度普遍较小，特别是张家峁煤矿水柱高度小于10 m；而红柳林煤矿东部局部地段水柱高度大于40 m。风化基岩地下水水温3～18 ℃，pH为7.39～9.15，总硬度为25.0～230.2 mg/L，矿化度为230.0～829.5 mg/L，水化学类型一般为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Na型，矿化度大部分小于450 mg/L。
图3 风化带含水层水柱高度等值线
Fig.3 water column height of aquifer in weathering zone
风化基岩含水层接受区域以侧向补给为主，由于隔水土层连续(离石黄土、保德红土缺失区未重叠)，与潜水存在较弱互补关系。部分地段基岩裸露，岩石风化破碎，孔隙裂隙发育，接受降水补给条件较好。受基岩顶界面古地形影响，矿区风化带水总体由西向东径流，受沟谷河流分布及已开采区域排水影响，不同矿井区局部径流方向发生偏转；红柳林西南部边界附近存在北北西—南南东方向分水岭，分水岭东侧向芦草沟方向径流，西侧向锦界(秃尾河)方向径流。
2.3 烧变岩含水层
神南矿区烧变岩主要分布于考考乌素沟及其支沟的沿岸地区，柠条塔煤矿、红柳林煤矿分布范围较广，张家峁煤矿分布范围较小，煤矿开采对烧变岩含水层有较大的影响[16-19]。柠条塔煤矿烧变岩分布于考考乌素沟两侧，北侧1-2和2-2煤层重叠燃烧，面积较大，含水层储水空间较大，但地表被土层覆盖，不利于降水入渗，地下水补给来源有限，泉水出露少，富水性中等；南侧2-2和3-1煤层重叠燃烧，使其底板埋藏在侵蚀基准面以下，形成储水构造，有萨拉乌苏组潜水的充足补给，形成了极强富水区。分布在SB32号钻孔东南，轴心大致以27勘探线为中心的1-2上煤层火烧区，主要接受潜水的垂向渗透补给，补给源较较少，富水性中等。泉流量0.14～44.11 L/s，富水性极强。
张家峁煤矿烧变岩分布广泛(图4)，各煤层露头处大部分自燃，烧变岩在沟谷区广泛出露且成片分布，烧变岩裂隙孔洞宽度最大可达30 cm，个别点裂隙率高达15%(常家沟南沟)，区内有泉85处，流量0.001～5.000 L/s(2006年，q08家流量为14.5 L/s，2013年为5 L/s)，流量大于1 L/s有4处。乌兰不拉沟q08泉2006年流量为14.55 L/s，2013年衰减为5 L/s，可能与附近的小煤矿开采2-2煤有关。井田中西部的黄土梁峁地区，地下水入渗少，泉流量均小于0.3 L/s。单位涌水量0.000 02～14.730 60 L/(s·m)，渗透系数0.000 025 6～197.708 700 0 m/d，富水性中等-弱。
图4 烧变岩含水层分布
Fig.4 Distribution of aquifers in burnt rock
红柳林煤矿烧变岩主要分布于井田东北部，含水层富水性差异极大，烧变岩裂隙发育至风化层地带富水性强，其他区域富水性弱。4-3煤烧变岩可分为2个区块，面积很小，地表可见露头，位于敖包沟中上游沟谷2侧。附近相关抽水钻孔有3个(BK3-3，7-8，ZM2)，最大单位涌水量0.010 37 L/(s·m)(ZM2)，42号泉水出露于该层位，流量为0.17 L/s，周围泉水最大流量0.454 L/s(泉43)，富水性中等；4-4煤烧变岩分为2个区块，分别位于敖包沟和毛沟中下游，沿沟谷展布，纵深小。周围BK5-3、BK5-2号抽水钻孔，单位涌水量分别为0.003 85 L/(s·m)、0.000 453 L/(s·m)，55号泉出露于该层位，流量0.155 L/s，其他泉水最大流量0.326 L/s；5-2煤烧变岩在井田内分布很少，物探显示为中等低阻异常，定性为中等富水性。
3 水资源监测网
鉴于上述认识，笔者认为萨拉乌苏组、风化基岩和烧变岩含水层是矿区内具有供水价值和生态意义的主要含水层，也是受煤矿开采影响的含水层，同时也是区内河流的主要补给来源。因此，水资源监测网主要对上述含水层、地表河流进行系统监测。
3.1 水资源监测指标体系
水资源监测指标体系主要包括气象、地下水、地表水3大指标的16个监测参数(图5)，气象指标非研究重点，不予阐述。
图5 水文水资源监测预警指标体系
Fig.5 Monitoring and early warning index system of hydrology and water resources
3.2 地下水监测网
3.2.1 地下水监测层位及站点布局
在以往水文地质勘探工作中，部分水文钻孔留作长观孔，尤其在红柳林、柠条塔煤矿范围内，所以收集长观孔数据。矿区已有各水文长观孔的钻孔位置及监测层位见表1。
为掌握地下水的水位动态变化，研究矿井水文地质条件，分析含水层补给径流排泄条件，同时为对第四系潜水含水层及风化基岩含水层的水位进行动态监测，2016年在原有水文地质长观钻孔的基础上，新施工6个监测孔，并对原有4个人工观测孔进行技术改造，形成新增的10个自动化监测钻孔，与以往保留的监测站点共同组成了较为完善的神南矿区地下水监测网。监测钻孔合计60个，其中萨拉乌苏组8个，烧变岩6个，风化基岩37个，直罗组基岩1个，延安组基岩8个(表1，图6)。
表1 神南矿区地下水监测井统计
Table 1 Statistics of groundwater monitoring and logging in Shennan Mining Area
监测层位所在矿井孔数监测井编号萨拉乌苏组柠条塔煤矿5Q1,Q3,Q4,Q5,10- HB8红柳林煤矿3HB2-15水,8-HB6水,10-HB8水烧变岩柠条塔煤矿2HS1,HS2张家峁煤矿4B5水,B6水,B20水,ZK11风化基岩柠条塔煤矿24J1～J17,SK6,SK8,SK11,SK16,SYJ,SK1,SK9红柳林煤矿128-HB4水,10-HB4水,11-HB4水,HB1-12水,HB2-8水,HB3-11水,SK14,SK16,SK22,HB2-8,HB3-11,8-HB4张家峁煤矿1SK4直罗组基岩红柳林煤矿18-HB1水延安组基岩红柳林煤矿35-HB2水,10-HB6水,10-HB9水张家峁煤矿5B水2,B19水,ZK5,ZK8,B30水
图6 含水层监测井分布
Fig.6 Distribution of groundwater monitoring wells
3.2.2 地下水监测仪器设备及工作原理
1)仪器设备。地下水位监测使用地下水自动监测系统，监测数据通过无线传输系统传输至数据中心，通过中心的监测管理软件实现数据的远程采集、远程实时监测，并在中心完成数据的本地管理(图7)。该系统由硬件上的数据传输系统和数据中心的软件系统2部分组成。硬件上的数据传输系统由传感器和无线数据终端组成，传感器部分使用地下水自动记录仪(同时监测温度和水位)，该设备在恶劣环境下具有较强的耐腐蚀能力，并保证在极端的压力和温度下读数稳定。
图7 地下水监测数据无线传输系统原理示意[14]
Fig.7 Principle of wireless transmission system of groundwater monitoring data
无线数据终端包括无线传输模块和无线传输模块供电电源。因为监测点位置偏僻，附近没有电源，所以无线传输模块供电电源选用锂电池供电模式。将无线模块放置在专有的IP68防护等级盒子里，用2块锂电池为其供电。
2)工作原理。该仪器水位计通过压力传感器测量水柱的压力，来监测地下水水位，测量精度为测量区间的0.05%。为了确定地下水位，使用气压仪(Baro)测量大气压换算水位值。监测数据通过移动GPRS流量传回到室内处理器，监测仪数据管理库(Office)中的气压仪向导用气压仪测量的大气压来换算水位，从而获得连续而可靠的监测数据。
3.3 地表水监测网
地表水维系着生态系统，也是区内工农业水源，同时又是矿井直接或间接充水水源，监测意义重大。区内主要河流为庙沟、考考乌素沟、常家沟以及麻家塔河，地面监测点主要布置在较大沟流处。柠条塔煤矿内较大的沟流主要有2条：北部的庙沟和中部的考考乌素沟，其中重点监测南侧流域。矿山企业已经对考考乌素沟及其流域内部的主要支沟(肯铁令河和小侯家母河沟)进行了连续多年的监测，因此对其收集的监测数据进行整理分析。其中包含考考乌素沟在安培中心桥头的监测点数据，肯铁令河上游西支、上游东支和下游数据，小侯家母河沟在惠宝煤矿入口的监测点数据(图8)。
图8 主要支沟流量动态变化
图8 Dynamic change chart of main branch ditch discharge
红柳林煤矿内较大的沟流主要有3条，从西至东依次为芦草沟、塔沟和肯铁令沟，芦草沟现已被截流供农业灌溉取水使用，未对其进行监测，重点监测塔沟和肯铁令沟。张家峁煤矿内较大的沟流主要有常家沟和常家沟水库，在常家沟上游布置监测点，研究区主要水系及各监测点位置如图9所示。
图9 神南矿区主要水系及监测点布置
Fig.9 Layout of main water systems and monitoring points in Shennan Mining Area
3.4 监测效果评述
对于地下水监测网，利用补充勘探钻孔和已有的水文钻孔，对井田内第四系潜水含水层及基岩含水层的水位进行动态监测，建立矿井水文动态自动监测系统，数据较完整。对于地表水监测网，由于存在地表水间歇性干涸，数据存在不连续，变化范围大等情况，在后续工作中还需对监测网进行进一步调整。
4 结 论
1)阐述了神南矿区煤炭绿色开采监测的主要含水层及其水文地质特征，萨拉乌苏组、风化基岩、烧变岩含水层富水性中等-强，柠条塔煤矿部分地段烧变岩富水性极强，这3个含水层是煤炭绿色开采必须保护好、监控好的含水层。考考乌素沟、常家沟、芦草沟是矿区内主要常年性河流，常家沟水库是神木市的生活用水水源。因此，地表水主要监测、监控3条主要河流及常家沟水库。
2)以含水层分布及富水性、地表水分布及采煤影响规律，建设了涵盖3个主要含水层、3条主要河流的水资源监测网，从而为神南矿区煤炭绿色开发、科学发展提供基础数据。
3)煤炭绿色开采的考核指标较多，包括水文水资源、生态环境、地质环境(地质灾害)、矿井排放物(尾风、矿井水、生活及工业废水、固体排放物等)等多种参数，陕北矿业公司正在建设涵盖上述要素的煤炭绿色开发大数据监测中心，期待发挥大数据作用，促进神南矿区绿色开采、绿色发展。
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