论榆神府矿区煤炭资源的适度开发问题∗

范立民冀瑞君

(1.陕西省地质调查院,陕西省西安市,710065; 2.陕西省地质环境监测总站,陕西省西安市,710054; 3.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京市海淀区,100083)

论榆神府矿区煤炭资源的适度开发问题∗

范立民1,2冀瑞君3

(1.陕西省地质调查院,陕西省西安市,710065; 2.陕西省地质环境监测总站,陕西省西安市,710054; 3.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京市海淀区,100083)

从水环境承载力角度论述了榆神府矿区煤炭资源的科学开发规模,认为矿区整体上环境承载力有限,目前开发规模已经达到极限,尤其是窟野河全流域、秃尾河沿岸,在没有彻底解决水资源问题之前,不能再扩大生产规模或新建煤矿。对于现有生产矿井,应逐步淘汰。榆神矿区三、四期规划区除小保当一号煤矿外,停止新建煤矿,实行煤矿数量和产量的双控制,推广保水开采技术,确保区域煤炭工业健康发展。

适度开发 保水采煤 环境承载力 煤炭工业规划 榆神府矿区

近年来,榆神府矿区大规模的煤炭开发,诱发了一系列地质环境问题,泉水断流,河流干涸,地裂缝发育,植被根系损伤严重,水土流失可能加剧,部分采空区生态环境恶化或变异,塌陷型地震频发。大面积、高强度采煤引起的地质环境破坏非常严重。

本文以野外调查资料为基础,论述了近年来高强度采煤诱发的地质环境问题,阐述了榆神府矿区煤炭资源开发的环境承载力,分析了煤炭开发现状及矿井布局,提出了适度开发煤炭资源的建议,对科学布局提出了具体建议。

1 高强度采煤诱发的环境地质问题

1.1 地下水位与水域面积

榆神府矿区地处沙漠与黄土高原接壤区域,植被覆盖率低,生态环境脆弱,研究表明植被发育情况与地下水埋深关系密切,控制地下水合理埋深是保水采煤的目标。但由于煤层埋藏浅,煤层开采后导水裂隙带发育到第四系含水层中,导致地下水渗漏、水位下降,并引起植被发育不良,影响生态环境。

调查发现,采空区萨拉乌苏组地下水水位普遍下降,大柳塔、活鸡兔一带萨拉乌苏组已经干涸,水位下降到侏罗系岩层之中,下降幅度8～12 m,其他区域下降3～10 m不等,高强度开采区的许多泉水干涸。相反,采用保水采煤技术的矿井区域水位下降很小,如榆树湾煤矿采用了限高保水采煤技术,水位下降与地面沉降幅度相当,地下水埋深几乎没有变化,对地表植被影响微弱。

最近25年来,区内水体面积呈持续减少态势, 1990年全区水体面积162.63 km2,2001年减为133.80 km2,2011年减为103.84 km2。遥感影像显示,25年间湖泊水库等面状水域收缩,面积变小,河流变窄或断流,坑塘消失等现象均有存在,部分湖淖面积也萎缩,如1989年红碱淖水域面积56 km2,2013年减少到34 km2。尽管不全是由采煤引起,但采煤对区域性地下水位下降的影响也不可避免地影响到红碱淖等湖淖水体。

1.2 泉水数量与河流总流量

经调查发现,2014年榆神府矿区井泉现状与1988年矿区开发前比较发生了极大的变化,很多大泉干涸,井水水位下降。本文以两个典型区域为例说明高强度采煤对井泉变化的影响。

(1)大柳塔一带。大海则－大柳塔－前石畔－石圪台一带面积约450 km2。1996年1月6日大柳塔煤矿投产,拉开了该区煤炭开发序幕。目前生产矿井有石圪台(8 Mt/a)、哈拉沟(10 Mt/a)、大柳塔(20 Mt/a)、大海则等煤矿。煤矿投产前,大柳塔一带有多个沟溪,如双沟、五当沟、王渠、三不拉沟、敏盖兔沟、母河沟、哈拉沟等都是常年性河流,分别汇入乌兰木伦河、悖牛川,二者在店塔镇汇合后称为窟野河。1996年前,这些大泉均为神府煤田开发的供水水源且流量很大,如敏盖兔泉流量61.30 L/s,王渠流量4.721 L/s,双沟流量24.685 L/s,母河沟流量18.172 L/s,哈拉沟流量55.329 L/s。至2014年调查发现,这些泉大多干涸,大柳塔煤矿范围内乌兰木伦河流域的泉均干涸。其他煤矿范围内的泉水即使没有干涸,流量也大幅度减小。

(2)张家峁井田。张家峁井田面积145.60 km2。1988年煤矿尚未投产,井田范围内有115处泉水,总流量42.95 L/s,这些泉形成了10条沟溪,汇入考考乌素沟,补给窟野河。20世纪80年代末以来,本井田内批准了14处煤矿,占井田面积的65%,且均为设计生产能力3～15万t/a的地方小煤矿,采用房柱式开采,回采率极低但破坏性很强,不仅造成了煤炭资源的大量浪费和采空区遗煤的自燃危险,同时造成了地下水位持续下降,泉眼干涸。2006年调查发现,原来的115处泉水中有102处泉水、5条沟溪已干涸,且总流量降低到1.809 L/s,衰减了95.7%。目前仍然在持续衰减中。正是这样众多沟溪的断流,才造成了窟野河的断流。

活鸡兔、榆家梁、哈拉沟等诸多煤矿的开采也造成了类似事实。

1.3 地面沉降与地裂缝发育

目前榆神府矿区采空区地面沉降严重,采空区及周边地裂缝广泛发育,自从1993年榆神府矿区首次发现地裂缝以来,现有地裂缝1802条(组),主要分布于神木北部矿区、新民矿区、榆神矿区(一期)的采空区。现有地面沉降区27处,最大的沉降区面积27.67 km2,沉降最大幅度超过3 m。地面沉降区分布于大柳塔、石圪台、活鸡兔、老高川、榆家梁、麻黄梁等区域,沉降区未发现积水,这一点与我国东部平原区恰恰相反,东部平原区采煤沉降区往往形成内陆湖,而榆神府矿区沉降区形成沉降下陷,周边地裂缝发育,地下水位同步下降,地裂缝周边植被明显长势差。

地裂缝发育分布与煤炭资源开采强度呈明显的正相关关系,高强度开采区地裂缝密集发育,裂缝规模大,伴生及次生裂缝多,对植被根系损伤严重,而中、低强度开采区地裂缝发育较少。地裂缝发育规模与地形地貌关系密切,黄土沟壑区地裂缝发育规模大,落差大,易于识别,不仅严重影响植被根系发育,还增加水土流失。风沙区地裂缝发育规模小,常常被风积沙掩埋,难以识别。

1.4 塌陷型地震多发

根据陕西地震信息网统计,从2009年5月26日到2014年11月10日,榆神府矿区共发生塌陷型地震64次,爆破地震1次,震级1.5～3.3级,多数2.8级左右,均为采空区大面积冒落形成的浅源地震,震源深度均为0 km,即震源发生在约100 m的浅源。地震震中位置集中在窟野河流域上游的神木北部矿区、新民矿区,少数发生在榆横矿区。

近年来,榆神府矿区采空区面积逐渐增大,部分煤矿采空区悬顶面积大,一旦煤柱失稳,就可能造成大面积顶板冒落,虽然已经封闭的采空区冒顶不威胁煤矿职工生命安全,但形成的冲击波可能会波及附近井下作业人员,甚至形成地震,危及地面设施。

2 陕北煤炭资源的合理开发规模问题

2.1 煤炭开发规模的水资源承载力

煤炭资源的开发规模不仅要考虑煤炭资源的保障程度、开采技术条件和开发成本,更要考虑地质环境承载力。只有在地质环境承载力范围内的开发力度,才可能实现区域煤炭工业的持续健康发展。

地质环境承载力包括土地、大气、水资源等诸多要素。根据以往大量研究,榆神府矿区土地辽阔,大气环境质量优良,承载力较强,只有水资源承载力有限,因此,满足水资源承载力的煤炭开发规模是问题的关键所在。

2.1.1 水资源总量及开发利用现状

榆林市地处中温带大陆性季风区半干旱草原,气候干燥,蒸发强烈,多年平均降水量400 mm左右,蒸发量高达2000 mm左右。该区多年平均水资源总量23.45亿m3,其中,地表水资源量12.56亿m3,地下水资源量17.32亿m3,两者重复计算量6.43亿m3。当地水资源可利用总量13.65亿m3/a。其中,地表水可利用量6.51亿m3/a,地下水可开采量10.35亿m3/a,两者重复计算量3.21亿m3/a。加上国家分配的黄河水7.62亿m3/a,榆林市水资源可利用总量21.27亿m3/a。人均拥有水量979 m3,相当于全国人均占有水量的43%;每亩耕地拥有水量344 m3,相当于全国平均水平的26%。

2011年榆林总用水量为7.32亿m3,其中农业用水量为4.91亿m3,占总用水量的67.08%,高出全国平均水平14.3%;工业用水量为1.65亿m3,占总用水量的22.54%;生活用水量为0.76亿m3,占总用水量的10.38%。人均用水量为218.3 m3,低于全国人均水平52%;万元GDP用水量为31.9 m3,低于全国平均水平129 m3的75%;农灌亩均用水量为341.9 m3,低于全国平均水平的17%,农灌用水有效利用系数约为0.30～0.45,低于全国0.51的平均水平。

榆林市水资源具有总体缺水与局部富水并存、地表水泥砂含量大、局部地区水质差、时空分布不均、部分区域富煤区与富水区重叠、煤水矛盾突出等特点,实现煤炭资源开采与水资源保护并重的难度极大。

2.1.2 水资源承载能力

榆林市可供利用的水资源总量为21.27亿m3/a。按照榆林市2011年万元GDP用水量为31.9 m3计算,水资源可承载的经济规模为6668亿元。按全国2011年万元GDP用水量为129 m3计算,水资源可承载的经济规模为1649亿元。

榆林市2011年农业和生活用水总量分别为4.91亿m3和0.76亿m3。由于农业用水总量大,有效利用系数低,节水潜力较大,且随着区内工业经济的发展,耕地数量逐年减少,农业的发展主要靠技术进步和管理水平的提高,同时农业节约的水量可满足人口增长而增加的需水量。因此,区内农业用水和生活用水总量可保持不变,同时从可利用水资源总量中留出5%作为应急水源,则留给工业的可用水量为14.54亿m3/a。

2.1.3 基于水资源承载力的煤炭科学产能

在论证煤炭开发的水资源承载力之前,首先根据近年来各产业用水比例在工业总产值中所占比重给出3种假设条件,即总水量的45%、50%、55%用于煤炭开发,按吨煤耗水2.5 m3计算,3种假设情景下的煤炭产能分析如下:

(1)情景一:工业可用水中各产业的用水比例按当地2011年各产业在工业总产值中所占比重确定,即原煤生产占45%,能源化工占17%,火力发电占8%,油气开采占22%,一般工业占8%。计算可得水资源可支撑原煤生产最大规模为2.62亿t/a。

(2)情景二:工业可用水中原煤生产占50%,能源化工占17%,火力发电占3%,油气开采占22%,一般工业占8%。计算可得水资源可支撑原煤生产最大规模为2.91亿t/a。

(3)情景三:工业可用水中原煤生产占55%,能源化工占15%,火力发电占3%,油气开采占19%,一般工业占8%。计算可得水资源可支撑原煤生产最大规模为3.20亿t/a。

因此,榆神府矿区水资源可承载的最大煤炭开采规模为3.20亿t/a,考虑到近年来禁牧措施的实施和现有生产规模,将其确定为3.50亿t/a,目前矿区核定生产能力是3.49亿t/a,实际生产能力可能还要大些,煤炭生产规模已经达到了环境承载极限,不宜再扩大生产规模。

2.2 保水采煤条件下的煤炭开发规模

保水采煤条件下,榆神府矿区煤炭的科学开采规模会大幅度缩水,神木北部、新民矿区开发规模将会大幅度降低。榆神矿区一期规划区开发规模基本合适,二期规划区尽管总规模基本合适,但锦界井田属于不宜开发区域,该煤矿的额定生产能力达20 Mt/a。三期规划区只宜开发小保当一号煤矿,规模15 Mt/a。四期规划期暂时不能开发。这样,整个榆神府矿区的合理开发规模不会超过3.50亿t/a,即使神木北部、新民矿区关闭部分矿井,将其产能转移到榆神矿区四期规划区,总规模也不宜增加。

3 煤炭开发存在问题及适度开发建议

2014年榆林市境内有煤矿254处,核定生产能力34913万t,占全省的72%,主要分布在神木、府谷、横山、榆阳区四县,其中神木北部、府谷西部和榆阳区东北部一带开采强度过大,超过了区域环境承载力。

3.1 煤炭开发存在的问题

(1)窟野河流域过度开发,开采强度极大,带来了严重的地质灾害和生态隐患。地面沉降,地裂缝广泛发育,地下水位明显下降,多数萨拉乌苏组泉干涸,河流流量锐减,甚至成为季节河,高强度开采带来的一系列地质环境问题,已经影响到区域生态环境和民生,必须引起高度关注。

(2)秃尾河流域部分地段错误地选择了开采区域。20世纪90年代,人们还没有意识到陕北生态环境的脆弱性和保水采煤这一科学问题,窟野河流域被严重过度开采。进入21世纪后,煤炭企业虽然意识到秃尾河流域应该有选择性地开采,但由于各种利益的纠缠,仍然错误地将锦界井田作为首期开发的大型矿井(20 Mt/a),并建成投产,使锦界煤矿比榆神府矿区其他煤矿付出了更加昂贵的生产成本,同时对生态环境也造成了一系列问题。值得肯定的是近年来煤炭科技工作者们推出了“保水采煤”的系列成果,促成了秃尾河流域其他井田的科学开采。

(3)榆神矿区三、四期的开发问题。榆神矿区一、二期主干矿井已经建成,三、四期前期工作正在紧锣密鼓推进,但值得高度注意的是由于区域性的环境承载力限制,整个陕北煤炭基地和整个神东煤炭基地(含内蒙古鄂尔多斯市)都应该停止新建煤矿,三、四期的开发应该暂停或只开发建设小保当一号煤矿且生产规模控制在15 Mt/a以内,10年内不能开发榆神矿区三、四期规划区。

3.2 榆神府矿区煤炭开发的几点意见

(1)停止新建煤矿。榆神府矿区产能已经超过了地质环境承载力,除小保当一号煤矿外,10年内应该停止新建矿井,榆神矿区三期规划区内规划的井田应暂停前期工作。四期开发区应暂停前期论证,待彻底解决陕北煤炭基地的黄河引水问题后,再考虑其前期工作。

(2)实行煤矿数量和产量的双控制。关闭年产30万t/a以下的煤矿,全区煤矿数量控制在100处以内,单井产量控制在300万t/a以上,总产量控制在3.5亿t/a以内。神北矿区、新民矿区实行只关闭老井、不开新井的政策。榆神矿区一、二期最好不开新井,包括部分已经开展了前期工作的井田也应该暂缓建设和开采。榆神矿区三期只开工建设小保当一号煤矿,规模控制在15 Mt/a以内,其他井田暂缓前期工作。榆神矿区四期规划区,十年内不能开发。

(3)推广保水采煤技术。按照保水采煤地质条件分类分区进行开发,已经建设或投产的矿井推广保水开采技术。开工建设未投产的矿井开展专门论证,选择合适的采煤方法,确保采煤与含水层结构保护的统一规划。未开发的井田或区域,前期工作开展前,要开展采煤对含水层影响的论证,提出保水采煤对策。

4 结论

(1)榆神府矿区25年的开发历史,引起了地下水位下降、泉水干涸、河流断流、地裂缝及地面沉降广泛发育等问题,尤其是高强度开采,地质环境破坏严重。

(2)榆神府矿区地质环境承载力研究表明,水资源可承载的最大煤炭开发规模为3.20亿t/a,考虑到禁牧等环保措施的实施,可适当扩大到3.50亿t/a。2013年区内实际产能是3.49亿t,加之全国煤炭产能过剩,建议不再扩大煤炭生产规模。

(3)建议神木北部、新民矿区实行煤矿退出机制,不新建煤矿,老矿井资源枯竭或不符合产业政策时,予以退出。榆神矿区除小保当一号煤矿外,暂停其他矿区(规划区)、矿井的前期工作,十年内不考虑新建大型煤矿。所有生产矿井要推广保水采煤技术。

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Discussion on the problem of moderate coal mining intensity in Yushenfu mining area

Fan Limin1,2,Ji Ruijun3
(1.Shaanxi Geological Survey,Xi＇an,Shaanxi 710065,China; 2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 3.National Key Lab of Coal Resources and Safety Mining,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

According to the theory of reasonable intensity of coal mining based on the carrying capacity of water environment,the present development scale of mining has reached the limit of environment carrying capacity,especially in Kuye river basin and the banks of Tuwei river. Before completely solving the water resource problems,the mining scale can＇t be expanded and new coal mines can＇t be built.And some working mines should be phased out.In order to ensure the healthy development of the coal industry,new mines should be stop and the quantity of coal mines and coal production should be controlled in the third and forth planning areas in Yushenfu mining area except the Xiaobaodang No.1 Coal Mine,and the water-preserved mining technique should be spread.

moderate mining intensity,water-preserved mining,environment carrying capacity,coal industry planning,Yushenfu mining area

P618.11

A

范立民(1965－),男,山西曲沃人,高级工程师(专业技术二级),从事保水采煤、矿区环境地质研究工作。

(责任编辑 郭东芝)

国家重点基础研究(973)计划“西部煤炭高强度开采下地质灾害防治与环境保护基础研究”(2013CB227900),陕西省科学技术推广计划《陕北保水采煤技术示范推广》(2011TG－01)