煤矿地下水库理论框架和技术体系.pdf

第 4 0卷第 2期 2 0 1 5年 2月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF CHI NA C OA L S OC I ET Y Vo 1 ． 40 No． 2 Fe b． 2 0l 5 顾大钊． 煤矿地下水库理论框架和技术体系[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 5 ， 4 0 2 2 3 9 - 2 4 6 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j c c s ． 2 0 1 4 ． 1 6 6 1 G u D a z h a o ． T h e o r y fr a m e w o r k a n d t e c h n o l o g i c a l s y s t e m o f c o a l m i n e u n d e r g r o u n d r e s e r v o i r [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 5 ， 4 0 2 2 3 9 2 4 6 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 4 ． 1 6 6 1 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 ， 北京1 0 0 0 1 1 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 3 2座煤矿地下水库 ， 为矿 区提供 了9 5 ％ 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 T V 6 2 3 ； T D 7 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 5 0 2 0 2 3 9 0 8 Th e o r y f r a m e wo r k a n d t e c hn o l o g i c a l s y s t e m o f c o a l mi ne u nd e r g r o u nd r e s e r v o i r GU Da ． z h a o S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t D e p a r t me n t ， S h e n h u a G r o u p C o rp o r a t i o n L i m i t e d， B e lti n g 1 0 0 0 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n w e s t e r n C h i n a S h a n x i ， S h a a n x i ， I n n e r Mo n g o l i a ， N i n g x i a a n d G a n s u ， t h e r e a r e r i c h c o a l r e s o u r c e s ， w h i l e t h e r e a r e a l s o wa t e r r e s o u r c e s h o r t a g e ． A s u r f a c e e v a p o r a t i o n c a pa c i t y i s a b o v e s i x t i me s o f r a i n f a l 1 ． Th e l a r g e s c a l e， i n - t e ns i v e， mo d e ／ *／ 1 c o a l mi ni n g P a n r e s u l t i n t h e f o r ma t i o n o f c r a c k， de s t r o y t he o r i g i n a l u n d e r g r o u n d wa t e r s y s t e m ， a n d t h e g e n e r a t i o n o f l o t s o f mi n e wa t e r ． I n o r d e r t o e n s u r e t h e u n d e r g r o u n d p r o d u c t i o n s a f e t y， mi n e wa t e r i s t r a d i t i o n a l l y d i s c ha r g e d t o t h e s u r f a c e． Ho we v e r ， d u e t o l a r g e e v a p o r a t i o n c a p a c i t y i n t h e we s t e r n a r e a， t h e di s c h a r g e d mi n e wa t e r c a n q u i c k l y b e e v a p o r a t e d a n d i s t h e r e f o r e l o s t a f t e r b e i n g d i s c h a r g e d． T h e r e f o r e， a t e c h n i c a l a p p r o a c h o f s t o r a g e a n d u t i l i z a t i o n o f mi n e wa t e r u s i ng u n d e r g r o u n d r e s e r v o i r s o f c o a l mi n e wa s p r o po s e d， wh i c h i n c l ud e d d e s i g n， c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n t e c h n o l o g y ． T h e t e c h n i c a l s y s t e m i s c o mp o s e d o f wa t e r r e s o ur c e p r e d i c t i o n， r e s e r v o i r s i t e s e l e c t i o n， r e s e rvo i r c a p a c i t y d e s i g n， d a m c o n s t ruc t i o n， s a f e t y g u a r a n t e e s， wa t e r q u a l i t y c o n t r o l ， e t c ．Cu r r e n t l y， 3 2 c o a l mi ne u n d e r g r o u n d r e s e rvo i r s h a s b e e n e s t a b l i s h e d i n S he n d o n g Mi n i ng Ar e a， wh i c h c a n pr o v i d e 95 p e r c e n t o f t o t a l wa t e r c o n s u mp t i o n， a n d b e e n i n o p e r a t i o n s a f e l y wi t h a l o w c o s t ． I t i s s h o wn t h a t t h e u n d e r g r o u n d c o a l mi n e r e s e r v o i r i s a s a f e， e c o n o mi c a l a n d s c a l e d wa t e r s t o r a g e t e c h n o l o g y， u s i n g n a t u r a l u n d e r g r o u n d s p a c e a n d n a t u r a l r o c k p u r i fic a t i o n， wh i c h c o u l d be o f g r e a t s i g n i fic a n c e i n t h e p r o t e c t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f u n d e r g r o un d wa t e r r e s o u r c e s f o r c o a l mi n i n g i n t he we s t e r n mi ni ng a r e a o f Ch i n a ． Ke y wo r ds c o a l mi n e u nd e r g r o u n d r e s e rvo i r； we s t e r n a r e a； mo d e r n c o a l mi n i n g； s t o r a g e a nd u t i l i z a t i o n o f u n d e r g r o u n d w a t er 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 3 责任编辑 韩晋平 基金项 目 国家科技 支撑计划 资助项 目 2 0 1 2 B A C 1 0 B 0 3 作者简介 顾大钊 1 9 5 8 一 ， 男 ， 江苏盐城人 ， 教授。T e l 0 1 0 - 5 8 1 3 3 0 5 3． E - ma i l g u d z s h e n h u a ． e c 第 2期 顾大钊 煤矿地下水库理论框架和技术体系 研 究 目标 关 键技术 内容 技术手段／ 方法 采 空区顶底板岩层探测研究 区亘堕墅亟巫巫 ] 丽丽 夏而 ] l 同 层 水 库 间 管 道 优 化 设 计 薹 霾 I l 上下层水库通道建设技术 大型三维煤矿 地下水库 物理模拟平台 煤炭开采区域。 水平衡计算模型 采动和地震对坝 体结构参数影响 模拟装置 实验室地层岩体 性能测试 现场精细化物探 与钻探 工程 水质净化模拟与 净化关键技术 矿井水水质模块 化处理装置研发 煤炭开采数据 监测与采集 地下水库管 网。 建设与优化技术 图2 煤矿地下水库理论框架与技术体系 Fi g ．2 The o r y f r a me wo r k a nd t e c hn o l o g i c a l s y s t e m o f c o a l mi n e un d e r g r o u n d r e s e r v o i r 3 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 2 0 0余个钻孔水位的分析研究 表明， 第四系含水层水位下降 2 0 ％ ～3 0 ％后趋稳。 △ h t 式 中， 为采前含水量 ， m ； Wi 为采后补给量 ， I l l ； s 为渗流区域面积 ， k m ； t 为采后补给时间 ， h ； 为采 前含水层含水率 ； 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 7 6 ％ ， 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 4 0 0 m ／ h 左右 图 3 。 ● 童 豳I； * 赆 廿 图3 神东矿区大柳塔煤矿历年涌水量 F i g ． 3 Wa t e r i n fl o w i n D a l i u t a C o a l Mi n e i n S he n d o ng n fin i ng a r e a 3 矿井涌水量预测模型。 在掌握煤炭开采对地下水运移规律基础上， 通过 源测 一 一 库址 一一 容计 一 一 体建 水预 一 一 水选 一一 库设 一 一 坝构 厂●●●●●／、●●●●， 煤 炭 资 源 与 水 资 源 协 调 开 采 2 4 6 煤 炭 学 报 2 0 1 5 年第4 0 卷 2 2 7． Mi a o X i e x i n g ， Wa n g A n， S u n Ya j u n ．R e s e a r c h o n b a s i c t h e o r y o f mi n i n g wi t h wa t e r r e s o u r c e s p r o t e c t i o n a n d a p p l i c a t i o n t o a rid a n d s e m i - a r i d mi n i n g a r e a s [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n i g e e r i n g ， 2 0 0 9， 2 8 2 2 1 7 2 2 7 ． [ 1 4 ] 彭小沾 ， 崔希 民， 李春意 ， 等． 陕北浅煤层房柱 式保水 开采 设计 与实践[ J ] ． 采矿与安全 工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 3 3 0 1 3 0 4 ． P e n g Xi a o z h a n， Cu i Xi mi n， L i Ch u n y i ， e t a1． De s i g n a n d p r a c t i c e o f r o o m ＆ p i l l a r wa t e r - p r e s e r v e d mi n i n g f o r s h a l l o w l y b u rie d c o al s e a m i n n o r t h o f S h a a n x i P r o v i n c e [ J ] ． J o u r n a l o f Mi n i n g＆S a f e ty E n g i - n e e fi n g ， 2 0 0 8 ， 2 5 3 3 0 1 3 0 4 ． [ 1 5 ] 黄庆享． 浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类 [ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 s 2 3 6 2 2 3 6 2 7 ． H u a n g Q i n g x i a n g ． I m p e r me a b l i l i t y o f o v e r b u r d e n r o c k s h a l l o w b u r - i e d c o a l s e a m a n d c l a s s i f i c a t i o n o f w a t e r c o n s e r v a t i o n m i n i n g [ J ] ． Ch i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n i g e e r i n g ，2 01 0，2 9 S 2 3 6 2 2 3 6 2 7 ． [ 1 6 ] 师本强 ， 侯忠杰． 陕北榆神府矿 区保水 采煤方法研究 [ J ] ． 煤 炭 工程 ， 2 0 0 6 1 6 3 6 5 ． S h i B e n q i a n g ， H o u Z h o n i e ． R e s e a r c h o n c o a l m i n i n g me t h o d w i t h w a t e r c o n s e r v a t i o n i n Y u s h e n Mi n i n g A r e a [ J ] ． C o a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 1 6 3 6 5 ． [ 1 7] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 0 ] 刘洋 ， 石平五 ， 张状 路． 浅埋煤层矿 区“ 保水采煤 ” 条带 开采 的技术参数 [ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 0 6， 1 1 6 6 1 0 ． L i u Ya n g，S h i P i n g wu，Z h a n g Zh u a n g l u．Te c h n i q u e p a r a me t e r s a n a l y s i s o f s t r i p mi n i n g wi t h o u t d e s t r o y i n g wa t e r r e s o u r c e i n l o w b u ryi n g c o al s e a m[ J ] ． C o a l Mi n i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6， 1 1 6 6 1 0． 范立民． 论保水 采煤问题 [ J ] ． 煤 田地质与 勘探 ， 2 0 0 5， 3 3 5 5 0 5 3． F a n L i mi n ． Di s c us s i n o n c o a l mi n i n g u n d e r wa te r c o n t a i n i n g c o n d i t i o n [ J ] ． C o al G e o l o g y＆ E x p l o r a t i o n， 2 0 0 5 ， 3 3 5 5 0 5 3 ． 白海波 ， 缪协兴 ． 水资源保护性采煤 的研 究进展 与面临 的问题 [ J ] ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 2 5 3 2 6 2 ． B a i Ha i b o ， Mia o X i e x i n g ． R e s e a r c h p r o g r e s s a n d ma j o r p r o b l e ms o f w a t e r p r e s e rve d c o a l m i n i n g [ J ] ． J o u rna l o f Mi n i n g＆ S a l y E n g i n e e fi n g ， 2 0 0 9 ， 2 6 3 2 5 3 2 6 2 ． 李文平 ， 叶贵钧 ， 张莱 ， 等． 陕北榆神府 矿 区保 水采煤工程地 质条件研究[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 0， 2 5 5 4 4 9 4 5 4 ． L i We n p i n g ， Y e G u ij u n ， Z h a n g L a i ， e t a1． S t u d y o n t h e e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l c o n dit i o n s o f p r o t e c t e d wa t e r r e s o u r c e s d u r i n g c o a l mi n - i n g a c t i o n i n Yu --S h e n -- F u Mi n i n g are a i n t h e No rt h S h a a n x i P r o v -- i n c e [ J ] ． J o u r n al o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 0 ， 2 5 5 4 4 9 4 5 4 ． 丫一 T r 广 丫丫 丫 了丫 丫 丫 丫 ’ r 丫 丫 丫 _ 丫一 T一 丫 Tr 广 r r 丫 了丫 丫 丫 丫 丫 丫 ’ r 丫 丫 丫一 丫 丫 丫一 一 丫 欢迎订阅 2 0 1 5年 煤炭学报 杂志 煤炭学报 是由中国煤炭学会主办、 煤炭科学研究总院承办， 面向国内外发行的煤炭科学技术方面综合 性学术刊物。主要刊载煤田地质与勘探 、 煤矿开采 、 矿山测量、 矿井建设、 煤矿安全、 煤矿机械 工程、 煤矿电气工 程、 煤炭加工利用、 煤矿环境保护等方面的科研成果和学术论文。 煤炭学报 刊载的论文具有较高的学术价值和文献收藏价值 ， 被 E i 、 I E A C o a l A b s t r a c t C D - R o o m、 中国科 学引文数据库、 P K 、 科学技术文摘速报、 C o a l H i g h l i g h t s 、 中国学术期刊文摘等 国内外 2 0多种重要文摘检 索 系 统所收录。1 9 9 2年荣获首届全 国优 秀科技期刊评比二等奖， 获 中国科学技术协会优 秀学术期刊二等奖， 获北 京市新闻出版局 、 北京市科学技术期刊编辑学会全优期刊奖； 1 9 9 6年 荣获第二届全 国优 秀科技期刊评 比一等 奖， 获中国科学技术协会优 秀科技期刊一等奖； 1 9 9 9年荣获 由中华人民共和 国新闻出版署颁发的首届“ 中国期 刊奖” ； 2 0 0 1 年被新 闻出版总署评为“ 双 奖期刊”； 2 0 0 8 ， 2 0 1 1 ， 2 0 1 4年获“ 中国精 品科技期刊 ” 称号 ； 2 0 0 9年获 “ 新 中国 6 0年有影响力的期刊” 称号 ； 2 0 0 4 ， 2 0 0 7， 2 0 1 0， 2 0 1 1 ， 2 0 1 2， 2 0 1 3 ， 2 0 1 4年获“ 百种 中国杰出学术期刊” 称号； 2 0 1 2 ， 2 0 1 3 ， 2 0 1 4年荣获“ 中国最具 国际影响力学术期刊” 称号。 煤炭学报 受到广大作者、 读者的爱护和支持 ， 也受到各级部 门的重视 ， 在 学术水平上具有较 高的地位 ， 很 多单位都将在 煤炭学报 发表的文章作为作者学术水平考核指标之一。 煤炭学报 为月刊 ， 1 7 6页， 每册订价 5 8元 ， 全年总订价 6 9 6元。欲订 阅者可直接向本编辑部 索取订单 ， 编辑部 随 时办理订 阅手 续 。 本刊地址北京市和平里煤炭科学研究总院内 煤炭 学报 编辑部 邮政编码 1 0 0 0 1 3 联系电话 0 1 0 8 4 2 6 2 9 3 0 8 0 8 联系人 郑红瑞 Ema i l z h e ng h o n g r u i c h i n a c s ． o r g ． C D． mt x b r i p． 1 6 3． c o rn