煤礦地下水庫研究進展與展望

師 修 昌

(1.河南財經(jīng)政法大學(xué) BIM技術(shù)與智慧建造河南省工程實驗室, 河南 鄭州 450046;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院, 北京 100083)

0 引 言

神華神東煤炭集團的大柳塔煤礦是最早開始探索興建煤礦地下水庫的，其坐落于黃土高原地帶和毛烏素沙地邊緣的干旱半干旱地帶，常年干旱少雨，年均降水量低于400 mm，但蒸發(fā)量卻達到2 500 mm左右。區(qū)內(nèi)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活具有供水意義的含水層主要是第四系薩拉烏蘇組含水層。然而，由于該區(qū)煤層埋藏淺、煤層厚度大、上覆基巖薄，一次采全高開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶必然會導(dǎo)通含水層，造成地下水滲漏流失，煤炭開發(fā)與水資源保護之間的矛盾日益突出[1-3]。針對這一情況，神華集團曾采用傳統(tǒng)的以“堵截”地下水滲漏為主要特征的被動保水開采技術(shù)，如應(yīng)用充填開采、短壁開采等技術(shù)來限制覆巖破壞高度，從而避免含水層結(jié)構(gòu)破壞，但這些技術(shù)具有開采效率低和煤炭采出率低等問題，無法從根本上解決問題[4-5]。水資源匱乏是影響西部煤炭開采和保障生態(tài)安全的主導(dǎo)因素，如何能在煤炭開采的過程中有效保護水資源，是我國西部煤炭開發(fā)過程中面臨的重大技術(shù)問題。

大柳塔煤礦的工程技術(shù)人員通過監(jiān)測和研究，總結(jié)出了在煤礦井田范圍內(nèi)，地下水會向開采區(qū)域(采空區(qū))匯集的規(guī)律[6]。根據(jù)推算，每萬噸煤炭產(chǎn)生1 000～1 600 m3的空隙空間，這些空間為儲存礦井水提供了條件，是礦井水的儲存的理想場所。1998年，陳蘇社等開展了煤礦采空區(qū)儲水試驗工程，嘗試在大柳塔煤礦地下100多米處的2號煤層選擇一處采空區(qū)建設(shè)首個單采空區(qū)儲水設(shè)施，水容量為5萬m3，證實煤礦井下采空區(qū)儲水是可行的[7]。到2007年采空區(qū)儲水方案已基本成熟完善，神東大部分礦井均利用采空區(qū)進行儲水復(fù)用?；诓煽諈^(qū)垮落空間特征，借鑒傳統(tǒng)地下水庫建設(shè)的思路[8-9]，顧大釗針對我國西部礦區(qū)煤炭開采水資源外排蒸發(fā)損失現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)的“堵截”為主要特征的保水開采技術(shù)在西部地區(qū)難以實現(xiàn)的情況，提出了利用采空區(qū)垮落帶建設(shè)煤礦地下水庫實現(xiàn)礦井水井下儲用的新理念，開辟了適合西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采水資源保護利用新途徑。截至2015年底，神東礦區(qū)已建成煤礦地下水庫35座，儲水總量約為3 100萬m3，實現(xiàn)了煤炭資源安全高效開采與水資源保護利用的和諧共贏。

近年來，已有不少學(xué)者開展了煤礦地下水庫理論與技術(shù)體系的研究，取得了豐碩的成果。筆者在充分總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對煤礦地下水庫的相關(guān)理論與技術(shù)研究進展、以及有待進一步研究的問題進行綜述和展望，以期為煤礦地下水庫保護利用地下水提供參考。

1 煤礦地下水庫的儲水原理

煤礦地下水庫是針對西部生態(tài)脆弱區(qū)煤層埋藏淺、厚度大、保水開采地質(zhì)條件較差等特點，傳統(tǒng)保水開采技術(shù)難以有效保護地下水的背景下提出的，是以“導(dǎo)儲用”為核心，突破了原有“堵截法” 保水理念，實現(xiàn)了由“被動保水”向“主動保水”的轉(zhuǎn)變。

煤礦地下水庫的概念是利用煤炭開采形成的采空區(qū)垮落巖體空隙，將安全煤柱用人工壩體連接形成水庫壩體，同時建設(shè)礦井水入庫設(shè)施和取水設(shè)施，對礦井水進行分時分地儲存及分質(zhì)分期利用(圖1)[10]。它包含3層意思：①煤礦地下水庫位于煤層開采形成的采空空間中，儲水空間由采空區(qū)垮落巖體間的自由空隙組成；②強調(diào)煤礦地下水庫具有人為控制壩體安全和調(diào)控利用水資源的作用；③強調(diào)煤礦地下水庫具有分布性，不同開采水平的地下水庫可以進行連通。

圖1 煤礦地下水庫儲水示意 [10]Fig.1 Schematic diagram of water storage in coal mine underground reservoir[10]

2 煤礦地下水庫六大關(guān)鍵技術(shù)

煤礦地下水庫涵蓋規(guī)劃與設(shè)計、建設(shè)、運行與監(jiān)控的技術(shù)體系，包括水源預(yù)測、水庫選址、庫容設(shè)計、壩體構(gòu)建、安全運行和水質(zhì)保障等六大關(guān)鍵技術(shù)。本節(jié)主要介紹煤礦地下水庫六大關(guān)鍵技術(shù)的研究進展。

2.1 水源預(yù)測

西部缺水礦區(qū)煤炭高強度開采引起覆巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，含水層水體以層間水平徑流向垂向徑流為主的新水循環(huán)模式轉(zhuǎn)變，使得大部分頂板砂巖弱含水層及第四系潛水含水層地下水滲流至煤礦采空區(qū)，導(dǎo)致區(qū)域地下水賦存、補給、循環(huán)模式發(fā)生改變。儲水預(yù)測是建設(shè)煤礦地下水庫的首要工作，包括水的來源、水的滲流路徑和水資源量3個部分。

1)水的來源。對于西部淺埋深薄基巖煤層，高強度開采導(dǎo)水裂縫帶極易導(dǎo)通第四系松散含水層和基巖含水層，必然產(chǎn)生大量礦井水，因此，水源主要為第四系孔隙水和基巖裂隙地下水。神東礦區(qū)約200余個鉆孔的長期觀測結(jié)果表明，隨著煤層開采，第四系含水層水位逐漸下降，但下降20%～30%后會趨于穩(wěn)定，第四系孔隙水只是礦井水的初期來源。以大柳塔礦為例，涌水量長期穩(wěn)定在400 m3/h，基巖裂隙水長期滲流井下,是礦井水長期穩(wěn)定的來源[11]。除了地下水之外，地下水庫補給水量還包含大氣降水、地表水。

2)水的滲流路徑。含水層滲流導(dǎo)致采場區(qū)域地下水流場重新分布，形成以導(dǎo)水裂隙帶為滲流中心、采空區(qū)為地下水匯聚地的地下水漏斗[12]。由采動裂隙分布的“O”形圈特征可知，地下水滲流路徑主要分布在工作面煤壁、開切眼及兩巷附近的覆巖裂隙[13]。

3)水資源量。煤礦地下水庫儲水量必須滿足水資源的“使用-補給”的平衡關(guān)系，即儲水量能滿足礦井各方面的用水需求。煤層開采后的涌水量由靜儲量和動儲量組成，靜儲量為頂板垮落帶內(nèi)巖石的孔隙水和裂隙水，其大小由儲水系數(shù)、給水度、垮落帶空間和水位降深等來決定。動儲量是垮落帶、斷裂帶內(nèi)水頭降低，導(dǎo)致周圍一定范圍內(nèi)含水層的水向采空區(qū)流動形成的側(cè)向補給[14]。

2.2 煤礦地下水庫庫容

煤礦地下水庫主要利用采空區(qū)垮落巖體間空隙進行儲存礦井水，采空區(qū)儲水范圍內(nèi)垮落巖體的空隙總量就是水庫的庫容?？紤]采動覆巖破壞規(guī)律的影響因素，水庫庫容與工作面開采尺寸、開采方法，覆巖力學(xué)性質(zhì)及垮落巖體塊度、堆積形態(tài)、碎脹性、有效應(yīng)力等密切相關(guān)。其中，采空區(qū)垮落巖體空隙率與碎脹性是確定庫容的關(guān)鍵參數(shù)[15]。煤礦地下水庫庫容采用儲水系數(shù)來表征采空區(qū)的儲水能力，將儲水系數(shù)定義為單位體積采空區(qū)的儲水量。

大柳塔煤礦活雞兔井采空區(qū)積水的探放水試驗結(jié)果表明，采空區(qū)平均儲水系數(shù)為0.158，與物理模擬試驗結(jié)果一致，為庫容設(shè)計提供了工程數(shù)據(jù)支持[16]。國內(nèi)眾多學(xué)者針對煤礦地下水庫庫容問題，開展了研究。采礦地質(zhì)資料不足的情況下可以借鑒《煤礦防治水規(guī)定釋義》中老空區(qū)積水量的估算公式初步獲得煤礦地下水庫庫容[17]；顧大釗[10]基于儲水系數(shù)的概念，提出了不同儲水水位高度時的煤礦地下水庫庫容計算模型。鞠金峰等[18]將覆巖垮落帶空間形態(tài)模型視為由關(guān)鍵層破斷下沉的類拋物曲線與邊界煤巖體和底板包絡(luò)的空間，計算了覆巖垮落帶自由空隙量，根據(jù)覆巖垮裂帶內(nèi)儲水水位變化，建立了3種水位條件下的儲水容量的數(shù)學(xué)模型，成功指導(dǎo)了李家壕煤礦地下水庫工程實踐。汪北方等[19]選用Menger海綿分形模型建立了采空區(qū)垮落巖體空隙結(jié)構(gòu)模型，基于垮落巖體空隙率和殘余碎脹系數(shù)公式，建立了采空區(qū)垮落巖體空隙儲水量的計算模型。筆者[16]建立了采空區(qū)垮落帶、斷裂帶范圍內(nèi)不同高度破裂巖體的空隙率模型，概化了采空區(qū)垮落帶空間模型，提出了不同頂板巖性條件下煤礦地下水庫庫容計算模型。龐義輝等[20]認為煤礦地下水庫的主要儲水空間為垮落帶與塊體鉸接帶，分析了垮落帶、塊體鉸接帶和底板巖層分界巖層的垂直位移軌跡曲線，利用各分界巖層垂直位移量的差值計算頂板巖層斷裂后的體積增量，即得出煤礦地下水庫的有效儲水空間。姜琳婧等[21]開發(fā)了基于GIS與CAD的煤礦地下水庫庫容計算平臺，實現(xiàn)了庫容的快速精確計算。相關(guān)的庫容計算模型見表1。

續(xù)表

2.3 煤礦地下水庫選址

地下水庫位置的選擇應(yīng)達到相應(yīng)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件要求，須考慮一系列因素?？傮w而言，煤礦(分布式)地下水庫選址時要遵循三原則：即煤層底板不漏水、采空區(qū)域可聚水、開采規(guī)劃好調(diào)水。按照地質(zhì)和水文標(biāo)準以及巖體工程方面劃分界限，確定選址區(qū)，其要求包括：煤層底板具有相應(yīng)厚度和一定黏土礦物的泥巖、弱的或隱伏的斷裂結(jié)構(gòu)、沒有或很少巖相和構(gòu)造各向異性和較小的巖體滲透性等方面[22]。煤礦地下水庫選址基本要求如下：

1)在巖性和工程力學(xué)特性上，要求煤、巖柱力學(xué)性能較好、其穩(wěn)定性較高；而那些易于軟化、變形破壞的煤體及膨脹性和塑性巖體，則不利于煤、巖柱穩(wěn)定，煤柱壩體穩(wěn)定性差。同時要求采空區(qū)底板及周邊圍巖體為隔水或極弱透水層，且達到一定的厚度。這些巖層能避免地下水庫水滲入更深地層中。如果所選不透水巖層厚度達不到規(guī)定厚度，就需要進行修補。同時也應(yīng)盡量避免埋深過大，造成深部高地應(yīng)力作用和增加施工困難等。

2)在地質(zhì)構(gòu)造上，應(yīng)選擇斷裂少且規(guī)模較小及巖體結(jié)構(gòu)比較簡單的地區(qū)。區(qū)域性斷層破碎帶及裂隙密集的軟弱帶，不利于壩體穩(wěn)定和易于造成煤礦地下水庫庫水滲漏，應(yīng)盡量避開。當(dāng)煤礦地下水庫位于褶曲巖層中時，應(yīng)設(shè)計地下水庫位于向斜核部。雖然向斜軸部地應(yīng)力相對較高、巖體擠壓破碎，但該部位煤巖層滲透性差，有利于地下水富集和儲存。

3)煤層頂板巖石水理性方面，煤礦地下水庫建設(shè)位置的煤層頂板巖石耐崩解性要求較好，膨脹性較差。否則，當(dāng)頂板垮落后形成的破碎巖石遇水膨脹、崩解，極易膨脹堵塞裂隙導(dǎo)儲通道，不僅容易大大降低水庫庫容，同時也非常不利于庫間的調(diào)水和用水。

4)在補給水源上，只有在有充足水源分布的地區(qū)，煤層開采覆巖導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通水源后，才能源源不斷滲流進入采空區(qū)，才能形成可以利用的采空區(qū)儲水，匯入采空區(qū)的水量取決于含水層富水程度。

5)在水源補給通道上，煤層開采后覆巖導(dǎo)水裂隙帶為采空區(qū)儲水的補給通道，只有在采深較淺，基巖和土層隔水層厚度小、通道與水源溝通或基本溝通時，水才會匯入采空區(qū)。

6)在地勢方面，對于煤礦井下地勢相對較低的地方，周圍地下水會自然流向于此，成為地下水富集區(qū)。因此，煤層底板標(biāo)高較低的區(qū)域，煤層開采后首先形成煤礦地下水庫，以利于通過自然滲流快速形成儲水空間。

7)在采動影響方面，在后續(xù)開采下部和鄰近煤層時，對已建地下水庫采動影響盡可能小。

根據(jù)以上7條選址要求，以大柳塔礦首座地下水庫選址為例，該礦2-2煤層地下水庫規(guī)劃由3座地下水庫組成，在首采工作面選擇時，選取地勢較低、構(gòu)造簡單、水體調(diào)運便利的老六盤區(qū)(7個工作面)作為首座地下水庫庫址。李全生等[23]提出了基于導(dǎo)水裂隙帶高度的地下水庫適應(yīng)性評價方法，選定了李家壕煤礦建設(shè)地下水庫的適宜區(qū)域；龐義輝等[24]分析了補連塔煤礦8.0 m大采高工作面的涌水量、儲水空間及導(dǎo)水裂隙帶高度，指出利用8.0 m大采高形成的采空區(qū)建設(shè)煤礦地下水庫的可行性。孟召平等[25]根據(jù)煤層底板巖性和結(jié)構(gòu)特征，將大柳塔煤礦2-2煤地下水庫場地條件劃分為好、較好、中等和差4種類型(圖2)。煤礦地下水庫選址合理與否是保水能否成功的先決條件，基于影響選址的地質(zhì)因素、開采因素和生態(tài)環(huán)境因素，構(gòu)建出煤礦地下水庫選址綜合評價指標(biāo)體系和模型是亟需解決的難題之一。

圖2 2-2煤層地下水庫場地選址評價Fig.2 Site selection evaluation map of No. 2-2 coal seam groundwater reservoir at Daliuta Coal Mine

2.4 儲水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

2.4.1 儲水的壩體結(jié)構(gòu)

煤礦地下水庫壩體是開采設(shè)計留設(shè)的開采邊界保安煤柱、防水煤柱及人工壩體的混合體(圖3)，形成了地下水庫周邊的結(jié)構(gòu)，起到承重、阻水和防滲的作用。煤礦地下水庫壩體具有非連續(xù)、變斷面、非均質(zhì)等特性，相對于地面水庫壩體來說受力十分復(fù)雜，主要受到采動礦壓、水壓、覆巖壓力、采空區(qū)垮落巖體側(cè)向壓力、地震和礦震等眾多非線性力的聯(lián)合作用。

圖3 煤礦地下水庫壩體結(jié)構(gòu)Fig.3 Dam structure of coal mine groundwater reservoir

針對安全煤柱穩(wěn)定性，很多學(xué)者開展了大量的研究工作，分析了采礦與地質(zhì)條件(采動應(yīng)力分布、靜水壓力、頂?shù)装鍘r性、采高、開采深度)等對煤柱的影響，提出了一系列煤柱屈服區(qū)寬度的理論計算公式[26-28]，對煤礦安全煤柱留設(shè)具有指導(dǎo)意義。

煤礦地下水庫儲水浸泡作用對煤柱壩體強度具有一定軟化作用，且隨著浸水時間的增加煤柱單向抗壓及抗拉強度均有所下降，從而現(xiàn)場煤柱壩體容易遭到破壞[29]。為了比較重力壩體、地下水庫煤柱壩體和無覆巖煤柱壩體3種工況下煤柱壩體的抗震性，顏永國澆筑了這3種工況的物理模型，試驗結(jié)果表明水平煤層地下水庫煤柱壩體的抗震性最好，無覆巖的煤柱壩體抗震性次之，重力壩體抗震性最差[30]。姚強嶺等[31]運用彈塑性力學(xué)理論建立了考慮覆巖壓力、水壓力以及水的弱化作用下煤柱壩體寬度計算模型，發(fā)現(xiàn)煤層采厚對煤柱壩體寬度的影響最大。

人工壩體多以混凝土壩為主，其穩(wěn)定性的研究多集中在水工結(jié)構(gòu)工程中[32-33]，在采礦工程領(lǐng)域研究比較少。針對人工壩體穩(wěn)定性問題，白東堯等[34]構(gòu)建了人工壩體簡化模型，得到了關(guān)于壩體的應(yīng)力函數(shù)表達式，發(fā)現(xiàn)人工壩體外表面底邊中點處在地下水庫水壓作用下最易發(fā)生失穩(wěn)破壞，依據(jù)所建模型計算得出李家壕煤礦地下水庫人工壩體的極限水頭值為17.8 m。顧大釗等[35]通過構(gòu)建煤礦地下水庫相似材料模型平臺，研究了6～10度地震波荷載烈度下煤柱壩體動力響應(yīng)，指出隨著地震波荷載烈度增加，壩體頂部的最大加速度與壩體最大剪切應(yīng)變逐漸增大，認為煤礦地下水庫壩體較地面水庫壩體具有更好的抗震安全性。姚強嶺等[36]以大柳塔煤礦地下水庫人工壩體所使用的C30混凝土試樣為例，研究了人工壩體在吸水-失水、采動及礦震等循環(huán)作用下強度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載作用影響下混凝土試樣強度下降最大為16.73%；而后對試樣繼續(xù)進行飽水，其強度最大下降幅度達45%。另外，人工壩體的結(jié)構(gòu)形式對其抗震安全性有較大的影響，同等條件下，拱形人工壩體的抗震安全性要遠遠優(yōu)于平板式人工壩體[37]。

人工壩體與煤柱壩體的連接是保證水庫安全性的關(guān)鍵。目前使用最多的一種是“T”形結(jié)構(gòu)，即在兩個煤柱之間嵌入人工壩體，壩墻內(nèi)布置有工字鋼、錨桿等，再用混凝土澆筑，壩墻外有“T”形墻體支撐。人工壩體墻體厚度及其嵌入圍巖的深度是連接成功與否的關(guān)鍵參數(shù)，相關(guān)學(xué)者提出了這兩個參數(shù)的計算模型，根據(jù)模擬分析和現(xiàn)場工程實踐，計算出了神東礦區(qū)煤礦地下水庫人工壩體厚度為1 m左右，嵌入圍巖深度為0.3～0.5 m。此外，如果水庫壩體在各種力的作用下產(chǎn)生裂隙，還需采用注漿加固的方法實施壩體強度強化工程。

2.4.2 儲水的圍巖結(jié)構(gòu)

儲水的圍巖體結(jié)構(gòu)包括水庫底板和垮落空間側(cè)方巖體。煤礦地下水庫底板滲流是其安全運行的關(guān)鍵問題，文志杰等[38]研制了用以模擬煤礦地下水庫底板滲流的物理模擬試驗系統(tǒng)，揭示了滲流演化規(guī)律，為預(yù)防水庫底板滲流失穩(wěn)提供了一種試驗途徑和方法。梁冰等[39]認為煤礦地下水庫儲水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素包括地質(zhì)因素、儲水結(jié)構(gòu)特征和其他人為因素，并基于AHP理論建立了儲水結(jié)構(gòu)的多級模糊綜合評價體系。

以大柳塔煤礦J60號鉆孔區(qū)域地層結(jié)構(gòu)為地質(zhì)原型建立相似材料模型(圖4)，試驗結(jié)果表明，2-2煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至地表，5-2煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通了2-2煤采空區(qū)，2-2煤采空區(qū)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。大柳塔煤礦52306工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶現(xiàn)場探測結(jié)果表明[40]，5-2煤層7 m大采高層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為137.32 m，5-2煤層導(dǎo)水裂隙帶與2-2煤層底板采動裂隙貫通，層間巖層全部遭到破壞。由此可見，下部煤層開采會威脅上層煤地下水庫安全，采前必須對上層煤水庫下采煤的安全性進行評價。上層煤水庫下采煤的安全性需要滿足一定的條件，如圖5所示：①當(dāng)上煤層地下水庫側(cè)下方煤層開采時，地下水庫壩體產(chǎn)生的拉伸變形小于其能承受的允許變形值，應(yīng)留設(shè)足夠的水平安全距離；②當(dāng)上煤層地下水庫正下方煤層開采時，應(yīng)保證層間關(guān)鍵層穩(wěn)定。

圖4 大柳塔煤礦主采煤層開采覆巖破壞分布Fig. 4 Overburden failure diagram of main coal seam at Daliuta Coal Mine

目前，在儲水的圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面研究還較少，需要在煤礦地下水庫底板滲流演化、下層煤開采覆巖采動裂隙對上煤層水庫的影響以及礦(地)震對儲水圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響等方面加強研究。

2.5 安全運行

煤礦地下水庫安全運行包括壩體安全監(jiān)測、庫內(nèi)水位水壓自動監(jiān)測和特殊工況下水庫應(yīng)急保障三大技術(shù)，對人工壩體的應(yīng)力應(yīng)變、水壓和水位、清水抽采量、礦井水回灌量、水質(zhì)等進行24 h實時自動監(jiān)測[41]。壩體安全監(jiān)測主要指壩體變形及其應(yīng)力應(yīng)變演化監(jiān)測，變形監(jiān)測的目是對擋水壩體與圍巖相對位移、特別是接觸縫的位移進行觀測，監(jiān)測儀器采用振弦式基巖變位計。應(yīng)力監(jiān)測的目是對擋水壩體的應(yīng)力應(yīng)變和覆巖壓力進行觀測，監(jiān)測儀器采用振弦式應(yīng)變計。特殊工況下水庫應(yīng)急保障三大技術(shù)包括防潰壩技術(shù)、防滲漏技術(shù)和防淤技術(shù)，通過在煤柱壩體內(nèi)布置應(yīng)力應(yīng)變傳感器和滲流壓力器，實時監(jiān)測壩體應(yīng)力變化和滲漏量，一旦超過預(yù)警值，監(jiān)控中心便可調(diào)整水庫中的水體或通過庫間水體調(diào)運技術(shù)將該水庫調(diào)至穩(wěn)定狀態(tài)，并對滲漏嚴重部位實施防滲工程。

1—煤礦地下水庫；2—采空區(qū)；3—煤柱壩體；4—巖層斷裂線；5—巖層移動線；β—巖層移動角；H—中間巖層厚度；h—儲水高度；D—水平安全距離圖5 上層煤地下水庫與下煤層工作面布置Fig.5 Layout of upper coal underground reservoir and lower coal seam working face

基于影響地下水庫安全運行的關(guān)鍵因素，曹志國等[42]應(yīng)用軟件工程設(shè)計方法建立了煤礦地下水庫運行安全監(jiān)測系統(tǒng)框架，系統(tǒng)模塊包括數(shù)據(jù)管理部分、地下水庫可視化部分、安全預(yù)警模塊、安全應(yīng)急控制模塊和系統(tǒng)管理5個部分，并成功布置在了大柳塔煤礦目前運行的2-2煤層的3座地下水庫，對其運行狀況進行了實時監(jiān)控，取得了良好的效果。煤礦分布式地下水庫是通過管道將多個地下水庫相互連接起來從而相互連通，可以實現(xiàn)水庫間水量聯(lián)合調(diào)度，劉曉麗等[43]分析了地下庫容-水位之間的關(guān)系，進行了分布式地下水庫水資源的優(yōu)化調(diào)度，確保了水庫儲水量的合理規(guī)劃和儲水安全。

2.6 水質(zhì)保障

煤礦地下水庫水-巖作用下礦井水凈化機理是水質(zhì)保障中的關(guān)鍵，采空區(qū)內(nèi)堆積著具有裂隙、空隙屬性的垮落巖體，與礦井水的水巖作用包括水解作用、吸附作用，可溶礦物的溶解作用。在長期水-巖作用下，煤礦地下水庫巖體與礦井水產(chǎn)生物理化學(xué)作用，對礦井水中COD、懸浮物等沉淀、過濾和吸附發(fā)揮著重要作用[44]。針對西部礦區(qū)排出的礦井水中有機氮和無機氮(硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮或氨氮)含量較高的問題，張慶等[45]通過室內(nèi)模擬實驗，開展了礦井水中有機氮及“三氮”在地下水庫的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究。于妍等[46]利用三維熒光光譜技術(shù)分析了地下水庫礦井水中溶解性有機物的變化特征。張凱等[47]通過水-巖相互作用模擬實驗，揭示了大柳塔煤礦地下水庫發(fā)生的主要水-巖相互作用為陽離子交換反應(yīng)，黃鐵礦氧化、以及方解石、白云石以及硅酸鹽礦物的溶解。這些研究成果從機理上揭示了水巖作用，解釋了煤礦地下水庫儲存后水質(zhì)得到凈化及Na+增多和Ca2+減少的離子變化規(guī)律。

神華集團研發(fā)了煤礦地下水庫“三位一體”的水質(zhì)保障技術(shù)，即入庫前沉淀池過濾→庫內(nèi)巖體自然凈化→井下礦井水專門處理。大柳塔煤礦2號地下水庫礦井水應(yīng)用該技術(shù)后，懸浮物、總硬度、溶解性有機質(zhì)等指標(biāo)含量大幅度降低，其水質(zhì)完全可以滿足工業(yè)和綠化用水要求，實現(xiàn)了礦井水高效資源化利用。

3 煤礦地下水庫水資源的利用

據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦開采每年產(chǎn)生的礦井水約80億t，而利用率僅為25%，每年造成的礦井水損失量約60億t。礦井水長期被視為水害，排到地表上不僅污染環(huán)境，而且很少被利用。如今，煤礦地下水庫技術(shù)實現(xiàn)了地下水資源的保護性利用，經(jīng)過水庫的自然過濾凈化后的清水按照分質(zhì)分期利用的原則，主要供井下生產(chǎn)和地面生產(chǎn)、生態(tài)和生活利用。

1)主要采用自流供水方式供礦井井下生產(chǎn)利用。例如，大柳塔煤礦2-2煤分布式地下水庫凈化后的清水，通過聯(lián)通管道，利用自然水壓向5-2煤掘進工作面生產(chǎn)和噴霧降塵供水；利用加壓泵向5-2煤層大采高綜采工作面開采供水。

2)主要采用泵排供水方式供地面生產(chǎn)、生態(tài)和生活利用。地下水庫存儲的水資源，向周邊的電廠、工業(yè)區(qū)、生態(tài)修復(fù)區(qū)和生活區(qū)等地供水，由“耗水大戶”變成了“供水大戶”，成了當(dāng)?shù)刂匾墓┧?。例如，大柳塔煤礦洗煤廠、熱電廠、橡膠壩及露天開采等部分用水由地下水庫供給。哈拉溝煤礦沉陷區(qū)綜合治理工程治理面積為3.8 km2，規(guī)劃灌溉能力為每天9 000 m3，所有這些灌溉用水全部是通過地下管網(wǎng)，從煤礦的地下水庫抽上來的。地下水庫自然過濾凈化后的清水再經(jīng)水深度處理廠處理后向大柳塔礦生活小區(qū)生活管網(wǎng)供水。

抽水蓄能電站是目前最可靠、最經(jīng)濟的儲能裝置，德國魯爾區(qū)Prosper-Haniel煤礦創(chuàng)造性的將原礦地址改造為綜合性的抽水蓄能電站[48]。從水資源-能源耦合系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)考慮，構(gòu)建煤礦地下水庫礦井水循環(huán)利用與抽水蓄能發(fā)電一體化技術(shù)，為煤礦地下水庫水資源的開發(fā)利用和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的方向和思路[49]。神東礦區(qū)某礦地下水庫進行了抽水蓄能調(diào)峰系統(tǒng)整體布置設(shè)計，達到了調(diào)蓄水資源、礦井水循環(huán)利用、抽蓄水力發(fā)電等多重目標(biāo)[50]。

4 煤礦地下水庫工程實踐及應(yīng)用

神東礦區(qū)大柳塔煤礦主采1-2煤、2-2煤和5-2煤，一水平2-2煤和二水平5-2煤，層間距為155 m，目前2-2煤已經(jīng)采完，正在開采5-2煤。目前在2-2煤層四盤區(qū)、老六盤區(qū)和新六盤區(qū)建設(shè)了3座地下水庫，在5-2煤正在建設(shè)4號地下水庫。上下層煤的地下水庫通過供排水管道系統(tǒng)，實現(xiàn)了同層及不同層地下水庫的相互連通，清水通過管道自流供下層煤生產(chǎn)使用，兩層煤的污水通過6個注水點全部回灌到2-2煤采空區(qū)，循環(huán)利用。大柳塔煤礦分布式地下水庫由一水平2-2煤三座地下水庫、二水平5-2煤2個水利用硐室、6個污水回灌點和相關(guān)水循環(huán)泵管組成，實現(xiàn)了層間距為 155 m 的2個水平的互聯(lián)互通，形成了一個龐大的具有立體空間網(wǎng)絡(luò)的煤礦地下水庫工程系統(tǒng)[51]。

目前地下水庫污水日回灌量約9 790 m3，經(jīng)地下水庫矸石沉淀過濾吸附凈化后供井下生產(chǎn)和地面生產(chǎn)生態(tài)和生活使用，井下清水日均復(fù)用水量約7 770 m3，地面日均使用水量約4 500 m3，地下水庫總儲水量約710.5萬m3。通過建設(shè)煤礦分布式地下水庫工程，大柳塔礦已經(jīng)實現(xiàn)了礦井水不外排，保護了寶貴的地下水資源，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

目前，神華集團在寧東、新疆、烏海等所屬西部礦區(qū)建成、在建和規(guī)劃了50多座地下水庫，地下水庫技術(shù)也在中西部晉陜蒙寧甘地區(qū)的13個千萬噸礦井成功應(yīng)用。自然資源部也已將煤礦地下水庫技術(shù)作為保水先進技術(shù)在全國推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論與展望

煤礦地下水庫對于我國西部煤炭開采水資源保護具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。由于煤礦地下水庫建設(shè)涉及多眾多學(xué)科及其交叉前沿理論，可見其復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性之巨大，系統(tǒng)的煤礦地下水庫建設(shè)研究才剛剛起步。根據(jù)近年來開展煤礦地下水庫建設(shè)研究進展，結(jié)合神東礦區(qū)大柳塔等煤礦地下水庫建設(shè)的實踐經(jīng)驗，初步提出下一步應(yīng)該重點關(guān)注及開展的主要研究方向。

1)煤礦地下水庫建設(shè)的核心是將地表及地下水轉(zhuǎn)移到井下采空區(qū)進行儲存，這會導(dǎo)致地下水系統(tǒng)變化；但局部區(qū)域水資源過度轉(zhuǎn)移，會造成潛水水位下降，引發(fā)地質(zhì)環(huán)境問題。因此，煤礦地下水庫匯集地下水的過程及其對區(qū)域地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律，亟需結(jié)合地質(zhì)和開采條件進行深入研究，這對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

2)煤礦地下水庫儲水后的長期穩(wěn)定性是保水成功的關(guān)鍵，一旦發(fā)生潰壩、庫底滲漏，將嚴重威脅著煤礦安全開采。因此，煤柱壩體應(yīng)力-滲流耦合特性及承載穩(wěn)定性，水庫壩體和庫底的防滲方法，多煤層開采不同層位地下水庫安全距離計算方法等關(guān)乎地下水庫穩(wěn)定性的基礎(chǔ)理論都亟需開展系統(tǒng)的研究。

3)煤礦地下水庫建設(shè)理念最早是針對西北缺水礦區(qū)水資源保護提出的，取得了良好的應(yīng)用效果。對于我國東部大水礦區(qū)和東部草原區(qū)露天煤礦，尤其是“煤-水”雙資源型礦井，可以借鑒西北缺水礦區(qū)利用煤礦采空區(qū)建設(shè)地下水庫的經(jīng)驗，以解決煤炭資源安全綠色開采、水資源供給、生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。例如，徐州市對城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)儲水空間、礦井水水質(zhì)保障、調(diào)儲能力以及采空區(qū)儲體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析表明，規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)具備建設(shè)地下水庫的可行性，可為徐州城市應(yīng)急供水提供新水源。