岩層溫度隨著礦井開采深度的增大怎麼樣
A. 影響瓦斯賦存的地質因素
瓦斯是地質作用的產物，瓦斯的形成和保存、運移與富集同地質條件有密切關系，瓦斯的賦存和分布受地質條件的影響和制約。影響瓦斯賦存的主要地質因素為煤的變質程度、圍岩條件、地質構造、煤層的埋藏深度、煤田的暴露程度、地下水活動和岩漿活動。
5.6.1 煤的變質程度
在煤化作用過程中不斷地產生瓦斯，煤化程度越高，生成的瓦斯量越多。因此，在其他因素相同的條件下，煤的變質程度越高，煤層瓦斯含量越大。
煤的變質程度不僅影響瓦斯的生成量，還在很大程度上決定著煤對瓦斯的吸附能力。在成煤初期，褐煤的結構疏鬆，孔隙率大，瓦斯分子能滲入煤體內部，因此褐煤具有很大的吸附能力。但該階段瓦斯生成量較少，且不易保存，煤中實際所含的瓦斯量是很小的。在煤的變質過程中，由於地壓的作用，煤的孔隙率減小，煤質漸趨緻密。長焰煤的孔隙和內表面積都比較少，所以吸附瓦斯的能力大大降低，最大吸附瓦斯量在20～30 m3/t之間。隨著煤的進一步變質，在高溫、高壓作用下，煤體內部因干餾作用而生成許多微孔隙，使內表面積在無煙煤時達到最大。據實驗室測定，1g無煙煤的微孔表面積可達200 m2之多。因此，無煙煤吸附瓦斯的能力最強，可達50～60 m3/t。但是當由無煙煤向超無煙煤過渡時，微孔又收縮、減少，煤的吸附瓦斯能力急劇減小，到石墨時吸附瓦斯能力消失。
研究表明，不同變質程度的煤在區域分布上常呈帶狀分布，形成不同的變質帶。這種變質分帶在一定程度上控制著瓦斯的賦存和區域性分布。
在華北石炭-二疊紀聚煤區所劃分的3個高變質帶中，以高瓦斯礦井居多。特別是太行山東南麓的安陽、鶴壁、焦作一帶，煤種以無煙煤為主，現已開發的生產礦井絕大多數為高瓦斯礦井和突出礦井。湖南省漣邵煤田南段，龍潭煤系的可採煤層具有明顯的變質分帶，自東向西變質程度逐漸升高；牛馬司礦區為肥煤-焦煤，短陂橋礦區為瘦煤，楓江溪礦區為貧煤，箍腳底和三比田礦區為無煙煤。受變質分帶影響，該地區自東向西礦井瓦斯等級增高，突出危險程度增大。
5.6.2 圍岩條件
煤層圍岩是指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內一定厚度范圍的層段。煤層圍岩對瓦斯賦存的影響，決定於它的隔氣、透氣性能。
一般來說，當煤層頂板岩性為緻密完整的岩石，如頁岩、油頁岩時，煤層中的瓦斯容易被保存下來；頂板為多孔隙或脆性裂隙發育的岩石，如礫岩、砂岩時，瓦斯容易逸散。北京京西煤礦無論是下侏羅統還是石炭-二疊系的煤層，盡管煤的牌號為無煙煤，但由於煤層頂板為12～16 m的厚層中粒砂岩，透氣性好；同時，由於煤系遭受剝蝕，僅存於向斜核部，在長期的剝蝕作用期間，向斜內部瓦斯沿煤層和砂岩頂板逸散，因此煤層瓦斯含量小，礦井瓦斯湧出量低。
與圍岩的隔氣、透氣性能有關的指標是孔隙性、滲透性和孔隙結構。泥質岩石有利於瓦斯的保存，若含砂質、粉砂質等雜質時，會大大降低其遮擋能力。粉砂雜質含量不同，影響到泥質岩中優勢孔隙的大小。例如，泥岩中粉砂組分含量為20%時，占優勢的是0.025～0.05 μm的孔隙；粉砂組分含量為50%時，優勢孔隙則為0.08～0.16 μm。孔隙直徑的這種變化，也在岩石的遮擋性質上反映出來。隨著孔隙直徑的增大，滲透性將增高，岩石遮擋能力則顯著減弱。砂岩一般有利於瓦斯逸散，但有些地區砂岩的孔隙度和滲透率均低時，也是很好的遮擋面。
煤層圍岩的透氣性不僅與岩性特徵有關，還與一定范圍內的岩性組合及變形特點有關。按岩石的力學性質，可將圍岩分為強岩層（砂岩、石灰岩等）和弱岩層（細碎屑岩和煤等）兩類。強岩層不易塑性變形，但易於破裂；弱岩層則常呈塑性變形。
不同力學性質的岩層具有不同的構造表象。圖5.12是煤層頂板的幾種變形類型。圖中（a）是一種斷層裂隙型圍岩頂板，主要由砂岩組成；（b）是一種緊密褶皺型圍岩頂板，由粉砂岩、泥岩和細砂岩3層組成；（c）是另一種類型，反映的是一種透鏡化現象。
圖5.12 幾種不同的煤層頂板形變
（據焦作礦業學院瓦斯地質研究室，1990）
圖5.13 不同岩性的岩層中裂隙的特點
（據焦作礦業學院瓦斯地質研究室，1990）
1—石英砂岩；2—泥岩；3—煤；4—細粒砂岩
在不同類型的岩層中，裂隙發育情況也有差異。強岩層產生大致垂直於層面的破劈理；弱岩層則產生密集的、與層面斜交或大致平行的流劈理；在相鄰的強、弱岩層中裂隙出現折射現象（圖5.13）。
為反映同煤田不同井田或同井田不同塊段岩性組合的差異，可以對研究范圍內各鑽孔、石門資料進行統計分析。選擇煤層頂（底）板一定厚度范圍的層段，統計每個鑽孔及石門中該層段內各分層的岩性和厚度，計算砂岩與泥岩的比值或砂岩比（統計層段內砂岩厚度與統計總厚度的比值）。根據統計資料，繪制相應的等值線或圈定不同瓦斯保存條件的塊段。
5.6.3 地質構造
地質構造對瓦斯賦存的影響，一方面造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面形成了有利於瓦斯賦存或有利於瓦斯排放的條件。不同類型的構造形跡，地質構造的不同部位、不同的力學性質和封閉情況，形成了不同的瓦斯賦存條件。
5.6.3.1 褶皺構造
褶皺的類型、封閉情況和復雜程度對瓦斯賦存均有影響。
當煤層頂板岩石透氣性差，且未遭構造破壞時，背斜有利於瓦斯的儲存，是良好的儲氣構造，背斜軸部的瓦斯會相對聚集，瓦斯含量增大。在向斜盆地構造的礦區，頂板封閉條件良好時，瓦斯沿垂直地層方向運移比較困難，大部分瓦斯僅能沿兩翼流向地表，但在盆地的邊緣部分，若含煤地層暴露面積大，則便於瓦斯排放。緊密褶皺地區往往瓦斯含量較高，因為這些地區受強烈構造作用，應力集中；同時，發生褶皺的岩層往往塑性較強，易褶不易斷，封閉性較好，因而有利於瓦斯的聚集和保存。
據山西省資料，山西省內高沼礦區基本上分布在背斜軸部、鼻狀構造的傾伏端及「S」型背斜的轉折端等構造應力集中部位。如大同煤田聶家莊背斜，區內斷裂稀少，煤層連續性未遭破壞，既能儲存瓦斯又能阻止瓦斯運移，有4個鑽孔發生過瓦斯噴出。晉華宮礦、忻州窯礦正位於該背斜的轉折端，煤層瓦斯含量明顯高於兩翼。
5.6.3.2 斷裂構造
斷裂構造破壞了煤層的連續完整性，使煤層瓦斯運移條件發生變化。有的斷層有利於瓦斯排放，也有的斷層對瓦斯排放起阻擋作用，成為逸散的屏障。前者稱開放型斷層，後者稱封閉型斷層。斷層的開放與封閉性決定於下列條件：①斷層的性質和力學性質、一般張性正斷層屬開放型，而壓性或壓扭性逆斷層通常具有封閉性；②斷層與地表或與沖積層的連通情況，規模大且與地表相通或與沖積層相連的斷層一般為開放型；③斷層將煤層斷開後，煤層與斷層另一盤接觸的岩層性質，若透氣性好則利於瓦斯排放；④斷層帶的特徵，斷層帶的充填情況、緊閉程度、裂隙發育情況等都會影響到斷層的開放或封閉性。
此外，斷層的空間方位對瓦斯的保存或逸散也有影響。一般走向斷層阻隔了瓦斯沿煤層傾斜方向的逸散，而傾向和斜交斷層則把煤層切割成互不聯系的塊體。
不同類型的斷層，形成了不同的構造邊界條件，對瓦斯賦存產生不同的影響。焦作礦區東西向的主體構造鳳凰嶺斷層和朱村斷層，落差均在百米以上，使煤層與裂隙溶洞發育的奧陶系灰岩接觸，屬開放型斷層，因而斷裂帶附近瓦斯含量很小。而礦區內的一些中型斷層，與煤層接觸的斷層另一盤岩性多為粉砂岩或泥質岩，屬封閉型斷層，它們是瓦斯分帶的構造邊界。
5.6.3.3 構造組合
控制瓦斯分布的構造形跡的組合型式，可大致歸納為以下3種類型：
1）逆斷層邊界封閉型：這一類型中，壓性、壓扭性逆斷層常為礦井或區域的兩翼邊界，斷層面一般相背傾斜，使整個區段處於封閉的條件之下。如內蒙古大青山煤田，南北兩側邊界均為逆斷層，斷層面傾向相背，煤田位於逆斷層的下盤，在構造組合上形成較好的封閉條件。該煤田各礦井煤層的瓦斯含量普遍高於開采同時代含煤岩系的烏海煤田和桌子山煤田。
2）構造蓋層封閉型：蓋層條件原指沉積蓋層而言，從構造角度，也可指構造成因的蓋層。如某一較大的逆掩斷層，將大面積透氣性差的岩層推覆到煤層或煤層附近之上，改變了原來的蓋層條件，同樣對瓦斯起到了封閉作用。吉林通化礦區鐵廠二井，北東東向的張性斷層雖然有利於瓦斯排放，但煤層上覆地層被逆斷層的上盤所覆蓋，由於斷層面及上盤地層的封閉作用，使得下盤煤層瓦斯大量聚集，瓦斯含量顯著增高。
3）斷層塊段封閉型：該類型由兩組不同方向的壓扭性斷層在平面上組成三角形或多邊形塊體，塊段邊界為封閉型斷層所圈閉。如河北峰峰煤田，含煤岩系被晚期構造運動所產生的一系列高角度正斷層切割，形成若干小型地塹或地壘構造（圖5.14），構成一些有利於瓦斯儲存的封閉區。當這些封閉區遠離煤層露頭時（如羊渠河礦、大椒樹礦等），即使含煤地層被抬升、埋深較淺，礦井瓦斯湧出量仍然很大。
圖5.14 峰峰煤田地質剖面略圖
（據焦作礦業學院瓦斯地質研究室，1990）
1—瓦斯風化帶；2—甲烷帶
5.6.4 煤層的埋藏深度
在瓦斯風化帶以下，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和瓦斯湧出量都與深度的增加有一定的關系。
一般情況下，煤層中的瓦斯壓力隨著埋藏深度的增加而增大。隨著瓦斯壓力的增加，煤與岩石中游離瓦斯量所佔的比例增大，同時煤中的吸附瓦斯逐漸趨於飽和。因此從理論上分析，在一定深度范圍內，煤層瓦斯含量亦隨埋藏深度的增大而增加。但是如果埋藏深度繼續增大，瓦斯含量增加的速度將要減慢。表5.16是一個計算實例，從表中可以看出煤層中甲烷含量隨深度增大而增加的情況，以及隨深度增大游離瓦斯量所佔比例的變化。
表5.16 煤層甲烷含量與深度的關系
（據黎金，1962）
個別礦井的煤層，隨著埋藏深度的增大，瓦斯湧出量反而相對減小。例如，徐州礦務局大黃山礦屬於低瓦斯礦井，位處較淺的有限煤盆地，煤層傾角大，在新、老不整合面上有厚層低透氣性蓋層，瓦斯主要沿煤層向地表運移。由於煤盆地范圍小，深部缺乏足夠的瓦斯補給，因而當從盆地四周由淺部向深部開采時，瓦斯湧出量隨著開采深度增加而減小。
5.6.5 煤田的暴露程度
暴露式煤田煤系地層出露於地表，煤層瓦斯易於沿煤層露頭排放。而隱伏式煤田如果蓋層厚度較大，透氣性又差，則煤層瓦斯常積聚儲存；反之，若覆蓋層透氣性好，容易使煤層中的瓦斯緩慢逸散，煤層瓦斯含量一般不大。
在評價一個煤田的暴露情況時，不僅要注意煤田當前的暴露程度，還要考慮到成煤後整個地質時期內煤系地層的暴露情況及瓦斯風化過程的延續時間。紅陽煤田三井開採石炭-二疊系煤層，煤層露頭上部有巨厚的侏羅系及第三系和第四系沉積地層覆蓋，13號煤層露頭的埋藏深度達700～1100 m。盡管埋藏深度如此之大，接近露頭部分的煤層瓦斯含量仍很小。造成這種情況的原因是，在晚侏羅世地層覆蓋之前，從晚古生代到晚侏羅世之間的漫長地質時期內，區內地殼上升，含煤地層出露地表，遭受強烈的瓦斯風化作用。晚期地層的覆蓋，只是保存了早期存在的瓦斯分布狀態（圖5.15）。
圖5.15 紅陽三井地質剖面圖
（據焦作礦業學院瓦斯地質研究室，1990）
湖南許多礦區存在白堊紀至第三紀沉積的紅色岩系——紅層。這套以河流相為主的沖積沉積相使含煤地層遭到沖蝕破壞，有些礦區紅層與煤層間距很小，有的成為主採煤層的直接頂板。沖蝕的范圍各處不盡一致，有的是井田的一部分受到沖蝕，有些是一個或數個井田被紅層切穿。據調查，凡有紅層沖蝕的區域，由於沖蝕形成的長期排放條件，瓦斯都不大，多為低瓦斯區。如白砂礦區紅衛煤礦的龍家山井、牛馬司礦區的鐵箕山井等，均屬這種情況。
5.6.6 地下水活動
地下水與瓦斯共存於煤層及圍岩之中，其共性是均為流體，運移和賦存都與煤、岩層的孔隙及裂隙通道有關。地下水的運移，一方面驅動著裂隙和孔隙中瓦斯的運移，另一方面又帶動溶解於水中的瓦斯一起流動。盡管瓦斯在水中的溶解度僅為1%～4%，但在地下水交換活躍的地區，水能從煤層中帶走大量的瓦斯，使煤層瓦斯含量明顯減少。同時，水吸附在裂隙和孔隙的表面，還減弱了煤對瓦斯的吸附能力。因此，地下水的活動有利於瓦斯的逸散。地下水和瓦斯佔有的空間是互補的，這種相逆的關系，常表現為水量大地帶瓦斯量小，反之亦然。
河北峰峰煤田是華北大水礦區之一。該礦區鼓山西側，若干條較大的斷層切割含煤岩系，使主要可採煤層與斷層另一盤的奧陶系灰岩相接觸，處於地下水強徑流帶范圍。鼓山以西的礦井全部為低瓦斯礦井，煤層瓦斯含量很小。
遍布湘中及湘東南地區的龍潭煤系，由於在形成過程中沉積環境的差異，明顯地分為「南型」和「北型」，其分界線在北緯27°40′附近。龍潭煤系的南北分異在水文地質條件上也表現出明顯的差異。煤系下伏地層為茅口灰岩，屬岩溶裂隙發育的強含水層。當煤層與茅口灰岩之間的隔氣層較薄或缺失時，礦井涌水量大，造成易於瓦斯排放的條件。「北型」的茅口灰岩與上部煤層間相距0～10m，形成一些水大瓦斯小的礦井，如恩口、煤炭壩等礦均為低瓦斯礦井，礦井涌水大於1000 m3/h；「南型」的茅口灰岩與煤層的間距增大，為300～400m，屬於「南型」的斗笠山礦區觀山井、洪山殿礦區各生產礦井均為高瓦斯和突出礦井，水文地質條件簡單，礦井涌水量小於100 m3/h。
5.6.7 岩漿活動
岩漿活動對瓦斯賦存的影響比較復雜。岩漿侵入含煤岩系或煤層，在岩漿熱變質和接觸變質的影響下，煤的變質程度升高，增大了瓦斯的生成量和對瓦斯的吸附能力。在沒有隔氣蓋層或封閉條件不好的情況下，岩漿的高溫作用可以強化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量減小。岩漿岩體有時使煤層局部被覆蓋或封閉，成為隔氣蓋層。但在有些情況下，由於岩脈蝕變帶裂隙增加，造成風化作用加強，可逐漸形成裂隙通道，而有利於瓦斯的排放。所以說，岩漿活動對瓦斯賦存既有生成和保存的作用，在某些條件下又有使瓦斯逸散的可能性。因此，在研究岩漿活動對煤層瓦斯的影響時，要結合地質背景作具體分析。
總的來看，岩漿侵入煤層有利於瓦斯生成和保存的現象比較普遍。如遼寧北票煤田的東西兩翼有強烈的岩漿活動，位於煤田東翼的三寶礦一井和西翼的台吉四井，岩漿侵入體呈岩牆、岩床、岩脈和岩株等產狀侵入煤系地層。其中沿煤層呈岩床侵入形成的侵入體對瓦斯賦存和煤與瓦斯突出影響顯著，一是使煤層產生接觸變質，進一步生成瓦斯；二是岩床位於煤層頂板部位，對瓦斯排放起封閉作用；三是使煤層受力，揉搓粉碎，造成煤結構的破壞。三寶礦一井西一采區的九號煤層，岩床狀侵入體位於煤層頂板，覆蓋面積19.4×104m2，該區域不僅瓦斯量大，突出也很嚴重，曾發生過兩次特大型突出。台吉四井的四號煤層，已發生的19次突出都分布在岩床覆蓋區域的井田東翼，其他可採煤層在岩漿侵入區也有類似情況。
在某些礦區和礦井，由於岩漿侵入煤層，亦有造成瓦斯逸散與瓦斯含量降低的情形。如福建永安礦區屬暴露式煤田，岩漿岩呈岩牆、岩脈侵入煤層，對煤層有烘烤和蝕變現象。岩脈直通地表，巷道揭露時有淋水現象，說明裂隙道通良好，有利於瓦斯逸散。該礦區煤層瓦斯含量普遍很小，均屬低瓦斯礦井。
在研究岩漿活動對瓦斯賦存的影響時，還應注意火山作用所產生的二氧化碳。個別礦區的煤和圍岩中含有大量的二氧化碳氣，可能與火山噴發或岩漿侵入活動有關。如吉林營城五井的岩石與二氧化碳突出，研究表明，二氧化碳的氣源來自煤系沉積後的火山噴發，噴發氣體中的大量二氧化碳沿斷裂帶灌入煤系的沖積相砂岩中，或被高嶺石化的流紋岩和煤層所吸附。
建議進一步閱讀
1.焦作礦業學院瓦斯地質研究室.1990.瓦斯地質概論.北京：煤炭工業出版社，21～32
2.王大曾.1992.瓦斯地質.北京：煤炭工業出版社，4～14、28～37
3.張子敏.2005.瓦斯地質規律與瓦斯預測.北京：煤炭工業出版社，4～54
B. 礦井降溫系統，礦井通風降溫的作用，高溫天礦井下有降溫系統嗎
國內外常用的礦井降溫技術有非人工製冷和人工製冷兩大類。礦井通風是主要的非人工製冷降溫技術，但井深超過千米後，常規通風不能達到安全規程對井下工作面環境溫度要求。
1、通風降溫：深井開采經驗表明，采深不超過1600mm時，採用通風降溫就可滿足要求，但超過1600m時，就要採取人工製冷措施，國內礦山因為采深和成本原因，目前大多採用通風降溫，但是在通風設備設施、通風網路設計等方面還是與普通的有所差異。
2、人工降溫：隨著礦井開采深度的不斷加深，傳統的通風降溫已經不能滿足通風要求，採用人工製冷降溫技術也被國內大型深部開採的礦山所採用。人工製冷降溫包括水冷和冰冷兩種。水冷是在地面或地下制出冷水送到井下工作站，通過高低壓換熱器和空冷器使風冷卻後，將冷風送到工作面降溫。冰冷在井上制出粒狀冰或泥狀冰，送至井下融冰池融冰，融冰形成的冷水送至工作面進行噴霧降溫。
3、局部降溫技術：局部降溫技術作為輔助降溫措施在生產實際中也是必不可少的，與整體相輔相成，使得整體的降溫效果更為顯著。局部降溫可以分為個人降溫和局部冷卻風流。個人降溫主要是通過穿戴降溫服來實現；風流可以通過冰塊、壓氣引射器和局部製冷來實現對風流的冷卻。
在利用地熱的基礎上，其實恆星世紀的礦井空調和礦井降溫設備也為深井作業提供了很多的便利。前不久安徽恆星世紀空調製冷設備有限公司參與設計施工了一個深度高達1500米超深的礦井降溫項目，該礦井的作業區的溫度高達43℃。根據項目情況，恆星世紀的專業工程師經過現場實地考察以及多輪討論後，設計了一體化特深型礦井空調降溫機組。
這種機組將室外新風降至12℃的涼風直接送至送風管道內，通過利用原有的通風管道送至井下施工平台。恆星世季冷水機組廠家一直專注於為工業生產型企業提供冷水機組及服務。19年的經驗積累和技術沉澱，能為客戶提供合適的冷水機組和配套系統設計，一直盡量做到為客戶省心、省錢、省電，歡迎來電咨詢。
C. 安陽礦區典型礦井瓦斯地質規律
5.4.2.1 龍山礦井瓦斯地質規律
龍山井田位於安陽礦區南端，主體構造為北北東、北東向斷裂褶皺，井田被龍山向斜、謝家莊向斜、尖兵崗南向斜和馮家洞背斜4個緊閉褶皺構造控制，煤層受到強烈的擠壓和剪切變形，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類構造煤普遍發育，厚度占煤層厚度一半以上，局部成層發育，是該礦區中最為復雜的地段(圖5.20)。
龍山井田范圍受龍山向斜、謝家莊向斜、尖兵崗南向斜和馮家洞背斜四個緊閉褶皺構造控制，突出主要發生在褶皺轉折端和翼部。如龍山向斜主要位於井田東部，控制了井田范圍一半以上，煤與瓦斯突出主要發生在該向斜的轉折端和向斜的西翼，向斜東翼受落差大於20m的正斷層F301、F304、F303切割，釋放了一部分瓦斯，使得煤與瓦斯突出沒有西翼嚴重，並且湧出量也低於西翼。井田內北北東向構造現代構造應力場表現為壓扭作用，落差10m左右以下的斷層部位易於發生煤與瓦斯突出。
表 5.3 安陽礦區瓦斯地質特徵圖
圖5.20 龍山井田地質構造綱要圖
煤層煤層傾角影響瓦斯賦存，龍山向斜東翼傾角大於西翼，瓦斯湧出量小於西翼。尖兵崗南向斜，由於褶皺緊閉，兩翼煤層成為高角度，有利於瓦斯釋放，瓦斯湧出量變低。
隨著開采深度的增加，瓦斯含量、瓦斯湧出量和煤與瓦斯突出危險性具有隨埋深增加而增大的整體趨勢，構造、煤層傾角、煤層頂底板岩性等地質因素影響局部變化(圖5.21)。
5.4.2.2 大眾礦井瓦斯地質規律
井田內煤層走向在13勘探線以南大致為北北東向，13勘探線以北大致為近東西向。井田南部為一寬緩向斜，中部為一南翼較緩，北翼較陡的背斜，都伴有次一級的褶皺與斷裂，北部為一較陡向斜。本區構造以褶皺為主，軸向近東西，區內斷裂構造較發育，大多為高角度的正斷層，見圖5.22。
大眾煤礦開采中發現有大量的中小型褶皺和斷層，對煤層瓦斯含量有較大影響。煤層頂底板岩性均為緻密的泥岩、砂質泥岩、透氣性差，頂底板為屏障岩層，阻礙了瓦斯的運移和擴散，使得井田范圍內的瓦斯含量比較大。
圖5.21 瓦斯含量與煤層底板標高回歸趨勢線
圖5.22 大眾煤礦構造綱要圖
大眾井田范圍受銅冶向斜、銅冶背斜、和井田南部的一寬緩向斜3個緊閉褶皺構造和F101、F22等斷層控制。銅冶背斜控制了井田范圍一半左右，主要位於中部，由於褶皺寬緩，在褶皺轉折端和煤層傾角急劇變化的部位易發生煤與瓦斯突出。銅冶向斜較陡，褶皺緊閉，兩翼煤層成為高角度，有利於瓦斯釋放，瓦斯湧出量變低。井田內主體構造是北北東向、北東向展布的向、背斜褶皺及與東西等方向構造的復合;向斜及構造復合部位控制了高瓦斯賦存帶，北北東向的斷裂擠壓、剪切活動在深部將會控制煤與瓦斯突出危險區的分布。
5.4.2.3 紅嶺礦井瓦斯地質規律
井田構造以北北東向的斷裂構造為主，全為正斷層，褶曲不發育(圖5.23)，全井田落差大於50m的斷層有8條，落差最大達到330m，主要分布於井田西部和標高－400m以淺，它們成組出現時則呈雁行展布，以及有其控制的次一級斷層，構成了交叉狀的瓦斯輸導通道，為瓦斯逸散創造了條件，井田淺部及大中型斷層發育區瓦斯含量、瓦斯湧出量及煤與瓦斯突出危險性相對較小，隨著開采深度的增加，瓦斯含量、瓦斯湧出量和煤與瓦斯突出危險性具有隨埋深增加而增大的整體趨勢(圖5.24)。
圖5.23 紅嶺井田構造綱要圖
圖5.24 瓦斯含量與煤層底板標高回歸趨勢線
D. 我國當前煤層氣開采利用情況怎麼樣
煤炭科學研究院重慶分院瓦斯研究所所長文光才說，我國埋深在2000米以內的煤層中含煤層氣資源量達30萬億－35萬億立方米，是世界上第三大煤層氣儲量國，煤層氣開發前景非常可觀。然而，由於種種原因，我國煤層氣的開發和利用規模普遍偏小。2004年全國井下開發煤層氣約16億立方米，國有高瓦斯突出礦井平均煤層氣的開發率僅為10％左右。
據分析，煤層氣開發利用率低主要是由於我國的煤炭賦存條件較差，開采主要依靠井工。高瓦斯礦井多，目前全國共有高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井約9000多處，占礦井總數的30％左右。其中國有重點煤礦258處，占重點煤礦礦井總數的46％。並且，隨著開采深度的延伸，煤層瓦斯含量逐漸增加，防治難度越來越大。采深每增加10米，溫度升高1攝氏度，而且煤層壓力增大，煤與瓦斯突出的危險性增高。
開發利用不夠造成煤礦瓦斯災害事故居高不下
瓦斯的開發利用程度不夠，成為我國煤礦瓦斯災害事故居高不下的主要原因。據有關部門確認，2004年全國僅有12億噸的煤炭進行了瓦斯防治的安全保障，而實際產量卻高達19．5億噸，也就是說，有7．5億噸煤是缺乏安全保障的。
文光才說，在煤礦生產中，危及勞動者生命和身體健康的各種事故風險和傷害的主要因素是水、火、瓦斯、粉塵及頂板等。其中以瓦斯的危害最大。這是因為瓦斯災害，如瓦斯超限窒息、瓦斯爆炸及煤與瓦斯突出，一旦發生，其危害范圍大、造成的人員傷亡大，甚至造成礦毀人亡。對近幾年的煤礦安全生產事故分析發現，2002年全國發生煤礦特大事故6起，全部是瓦斯引起。2003年四季度全國發生煤礦特大事故12起，其中10起是瓦斯事故。因此瓦斯的治理防治是煤炭安全的主要的、根本的工作。
我國煤層氣產業的發展潛力究竟有多大？
長期以來，我國煤炭生產礦井進行煤層氣開發的主要目的是解決安全問題，開發的煤層氣作為廢氣大量排入大氣中。既浪費了能源、同時也不利用於環保，煤層氣的主要成分是甲烷，其溫室效應是二氧化碳的21倍。從廣義上講，煤層氣產業指以保證礦井安全、同時將煤層氣作為資源開發為目的的礦井煤層氣開發及礦井煤層氣利用。
文光才分析說，我國煤層氣產業一旦發展起來，會給相關產業帶來不小的商機。這是因為煤層氣產業涉及到與煤層氣的開發及利用相關的產業，它們包括土建、環保、鑽進機械（鑽機）、煤層氣抽取及輸送設備（真空泵及壓縮機）、輸送管道、監測監控設備、煤層氣發電設備、利用煤層氣生產化工原料的設備等。
如以2004年7．5億噸缺乏瓦斯防治安全保障的煤炭生產產量計算，假設1個礦井按年產量400萬噸／年計，則約為188個礦井，按每個礦井建一套瓦斯抽放系統，每套約需投資2000萬元計，則僅抽放系統建設將為相關產業帶來37．6億元的市場。這還不計煤層氣利用創造的市場，如果加上已有礦井煤層氣產業的改造以及全國煤炭產量的增加，煤層氣產業創造的市場將會更大。
煤層氣開發面臨的困難
建國以來，我國在瓦斯賦存、瓦斯湧出規律方面，通風、抽放治理瓦斯方面，煤與瓦斯突出發生機理、防治技術方面，以及瓦斯利用等方面均建立了相應的學科、研究體系，並在上述瓦斯研究方面取得了豐碩的成果，為煤礦安全提供了強有力的技術保障。但是，煤層氣利用還沒有進入實質性商業開發，沒有取得真正的突破性進展。
據了解，我國煤層氣開發起步晚，基礎理論和技術上都無法與常規天然氣相比。尤其是我國煤層氣儲層與美國相比普遍存在低壓、低滲、低飽和的「三低」現象，從理論和技術方面都存在若干關鍵性難題。目前我國技術人員雖然已基本掌握關於煤層氣開發的常規技術。然而，由於我國地質條件復雜，即使是美國煤層氣開發商在我國從事煤層氣風險勘探也少有突破。因此，我國的煤層氣研究在關鍵技術的攻、已有成果的推廣應用及成果轉化方面還有諸多工作要做。
文光才認為，我國煤層氣產業要發展，國家應給予相應的政策
一是國家立法確定高瓦斯礦井及突出礦井企業必須做到煤炭和瓦斯共同開發，以達到在保證礦井安全生產的同時也開發和利用了瓦斯資源。
二是國家從政策及投資方面要加大煤礦井下煤層氣的開發力度。
三是國家在制定科技攻關等重大科研計劃時，應充分考慮煤層氣產業的科技攻關項目的立項研究。
四是國家制定相應的融資及稅收優惠政策，促進煤層氣產業發展。
五是從政策上引導坑口瓦斯發電廠的建設，並為坑口瓦斯電廠的上網等提供政策方便。
六是國家應在適當時機考慮限制企業排放二氧化碳、甲烷等溫室氣體，以促進煤礦企業的煤層氣產業發展。
E. 煤炭開發地質環境狀況及其對能源開發的影響研究
一、煤炭賦存的地質環境狀況
1.地質概況
地質學中的鄂爾多斯盆地是指中朝板塊西部連片分布中生界(特別是二疊系和侏羅系)的廣闊范圍。長期以來，地質工作者把它看作是一個獨立的、自成體系的中生代沉積盆地。本書所研究的鄂爾多斯能源基地的范圍與地質學中的鄂爾多斯盆地范圍基本一致，大致在北緯34°～41°20'，東經105°30'～111°30'。具體的地理邊界為東起呂梁山，西抵桌子山、賀蘭山、六盤山一線。南到秦嶺北坡，北達陰山南麓，跨陝西、甘肅、寧夏、內蒙古、山西5省(區)。面積約40萬km2。
鄂爾多斯盆地是一個不穩定的克拉通內部盆地，盆地基底形成後，在其後的蓋層發展演化過程中，先後經歷了坳拉槽—克拉通坳陷(內部和周邊)—板內多旋迴的陸相盆地及其前淵—周邊斷陷等盆地原型的多次演化，現在的鄂爾多斯盆地是上述若干個盆地原型的疊加(孫肇才等，1990)。從中生界開始，基底地層對於蓋層的影響就已經很不明顯，並且表層褶皺在盆地內部也極不發育。所以盆地內中生界以上的地層產狀大都比較平緩，斷裂和裂隙比較少。
鄂爾多斯盆地的基底岩系分為兩類，一類是由變粒岩岩相(麻粒岩、淺粒岩、混合花崗岩及片麻狀花崗岩等)組成的太古宇;另一類是由綠岩岩相組成為主(綠片岩、千枚岩、大理岩和變質偽火山岩)的中古元古界。基底岩系之上的沉積蓋層年代自中元古界至第三系(古、新近系)，累積最大厚度超過10000m。其中，中古元古代在全盆地范圍內沉積了厚達1500m的長城系石英砂岩和薊縣系合疊層石的硅質灰岩。早古生代在盆地中部沉積了400～700m的碳酸岩海相沉積，在南緣和西緣同期沉積達4500m。晚石炭至早二疊世早期，在本區形成了一個統一的以煤系地層為特徵的濱海相沉積，沉積厚度為150～530m。晚三疊世盆地范圍內部形成內陸差異沉降盆地，包括了5個明顯的陸相碎屑岩沉積旋迴，即晚三疊世延長組，早中侏羅世延安組、中侏羅世直羅-安定組、早白堊世志丹群下部及上部(孫肇才，1990)。早白堊世末期的燕山中期運動，導致本區同中國東部濱太平洋區一起，在晚白堊世至第三紀(古、新近系)期間，作為一個統一的受力單元，在開闊褶皺基礎上發生大面積垂直隆起。就在這個隆起背景上，形成了環鄂爾多斯中生代盆地的以汾、渭、銀川和河套為代表的新生代地塹系，並在其中沉積了厚達數千米至萬米的以新第三系(新近系)為主的地塹型沉積。而盆地中心部位的晚白堊世至第三紀(古、新近紀)地層大面積缺失。
第四紀以來，鄂爾多斯盆地中南部大部分地區沉積了大厚度的黃土;而其北部卻由於隆起剝蝕而沒有黃土沉積。
鄂爾多斯盆地南部大部分為黃土高原。黃土高原的地形外貌在很大程度上受古地貌的控制。基底平坦而未受流水切割的部分為黃土塬，而受到較強侵蝕的塬地則變為破碎塬。在陝北的南部和甘肅隴東地區的塬地保存較完好，如著名的洛川塬和董志塬。在流水和重力作用下，黃土地層連同基底遭到嚴重切割的地貌成為黃土梁和峁。另外，由於流水侵蝕還可形成狹窄的黃土沖溝和寬淺的黃土澗地，使梁峁起伏，溝壑縱橫，地形支離破碎，是人為活動頻繁、植被破壞與水土流失最為嚴重的地區。
鄂爾多斯北部隆起的高平原地區由於氣候乾旱，長期受風力侵蝕，形成眾多的新月形流動沙丘和半固定、固定沙地。北部有庫布齊沙漠，南部有毛烏素沙地，東部為黃土丘陵。庫布齊沙漠為延伸在黃河南岸的東西帶狀沙漠，大部分流動和半流動沙丘邊沿水分較好。毛烏素沙地多為固定和半固定沙丘，水分條件較好，形成了沙丘間灌草地。
2.煤炭賦存的地質環境
鄂爾多斯盆地煤炭資源豐富，已探明儲量近4000億t，佔全國總儲量的39%。含煤地層包括石炭系、二疊系、三疊系和中下侏羅統的延安組。
(1)侏羅紀煤田
含煤岩系為下中侏羅統的延安組，由砂、泥岩類及煤層組成，其中泥岩、粉砂岩約佔70%左右，透水性弱，其上覆直羅組、下伏富縣組均為弱透水岩層。侏羅紀地層中地下水的補給、徑流條件差，以風化裂隙為主，構造裂隙不很發育，風化帶深度約40～60m，風化帶以下岩層的富水性很快衰減。礦井涌水量在一定深度後不僅不再隨開采深度的增加而增大，而且會減少，風化帶以下地下水徑流滯緩，水質很差，礦化度高。礦床水文地質類型一般屬水文地質條件簡單的裂隙充水型。但在有第四系鬆散砂層(薩拉烏蘇組)廣泛分布及燒變岩分布區，水文地質條件往往變得比較復雜，特別在開采淺部煤層時、可能形成比較嚴重的水文地質和地質環境問題。按照礦井充水強度及水文地質條件的差異，可將侏羅紀煤田劃分為4個水文地質分區:①黃土高原梁峁區。主要分布於盆地北部。區內地形切割強烈，上部無鬆散岩層覆蓋或砂層巢零星分布，降水量少而集中，不利於地下水的補給與匯集，岩層富水微弱，礦床充水以大氣降水為主，礦井涌水量很小，礦床水文地質條件簡單。②燒變岩分布區。沿主要煤層走向呈帶狀分布，深度一般在60m以淺，寬度受煤層層數、間距、傾角、地形等因素控制。岩層空隙發育，透水性能好，其富水性取決於補給面積和含水層被溝谷切割程度，當分布面積較大或上覆有較廣泛的第四紀砂層時，富水性較強，對淺部煤層開采有影響，也常是當地重要的供水水源。③第四系砂層覆蓋區。砂層出露於地面且廣泛覆蓋於煤系之上，厚度數米至數十米，甚至更厚。區內大氣降水雖然較少，但砂層的入滲條件很好，可以在大范圍內獲得大氣降水的就近滲入補給，然後匯集到砂層厚度較大且古地形低窪處，以泉或蒸發的形式排泄，在礦井開采淺部煤層時常是最主要的充水水源，可能出現涌水、涌砂問題。該區淺部煤層開采礦床水文地質條件中等至復雜居多。砂層水和燒變岩水往往有密切的水力聯系，賦存有寶貴的水資源，但不適當的採煤和采水都可以導致大面積補給區的破壞和水質的污染及生態環境的惡化。因此，在煤田開發中應將採煤、保水和生態環境的保護作為一項系統工程統一規劃。④一般地區。不用上述3個水文地質分區的其他地區。該區煤系地層地下水的補給條件不好，含水微弱，礦床水文地質條件屬簡單，少數中等，礦井涌水量多數為每小時1m3至數十立方米。
(2)陝北三疊紀煤田
該煤田位於盆地中部的黃土梁峁地區。地下水在黃土梁區接受大氣降水的少量補給，在溝谷中排泄，徑流淺，水量小，岩層富水性弱，風化帶以下岩層富水性更弱，礦化度很高，水文地質條件多為簡單，屬裂隙充水礦床。
(3)石炭、二疊紀煤田
分布於盆地東、南、西部盆緣地區的石炭二疊紀煤田，煤系基底為奧陶、寒武系灰岩，是區域性的強含水層，煤系本身含水比較微弱，屬裂隙-喀斯特充水礦床。其礦床水文地質條件的復雜程度，取決於煤系基底灰岩水是否成為向礦井充水的水源及其充水途徑和方式。現分區敘述如下:①東部地區。包括准格爾煤田和河東煤田。煤系下伏灰岩強含水層的地下水位埋藏很深，常在許多礦區的可採煤層之下，煤系地層含水微弱，礦床水文地質條件簡單，奧陶系灰岩水為礦區的主要供水水源。從長遠看，當煤層開采延伸到奧陶系灰岩水位以下時，灰岩水將威脅到下部煤層的開采。②南部渭北煤田。奧灰水地下水位標高為380m左右，而煤層賦存標高從東至西逐漸始升。如在東部太原組煤層的開采普遍受到奧灰水的威脅，而西部銅川礦區的多數煤層則均賦存在灰岩地下水位以上。在渭北煤田，由於奧灰與煤系的接觸關系為緩角度不整合，使得不同地區煤系下伏的灰岩岩性和富水性不同，形成不同的水文地質條件分區。380m水位標高以上的煤層，其礦床水文地質條件多為簡單至中等，而380m水位標高以下的煤層，水文地質條件屬中等至復雜。奧陶系、寒武系灰岩沿煤田南部邊緣有部分山露或隱伏於第四系之下，接受大氣降水直接或間接補給，灰岩和強徑流帶也沿煤田的南部邊緣分布於淺部地區。故開采淺部煤層時，礦井涌水量大，開采深部煤層時突水的可能性增大，但水量則有可能減少。在韓城礦區北部，黃河水與灰岩水之間有一定的水力聯系。灰岩水是當地工農業的最主要水源、要考慮礦坑水的綜合利用和排供結合。③西部地區。煤系與奧陶系灰岩之間有厚度較大的羊虎溝組弱含水層存在，奧灰水不能進入礦井，煤系含水比較微弱，礦床水文地質條件多屬以裂隙充水為主的簡單至中等類型(王雙明，1996)。
二、煤炭開發過程中的地質環境狀況變化
煤炭開發引起的地質環境問題受礦山所處的自然地理環境、地形地貌、地層構造、水文氣象、植被，以及礦產工業類型、開發方式等經濟活動特徵等因素的影響。目前鄂爾多斯盆地煤礦地質環境問題十分嚴重。地下開采和露天開采對礦區地質環境影響方式和程度不同。該區煤礦以地下開采為主，其產量約占煤炭產量的96%。尤以地下採煤導致的地質環境問題最為嚴重，主要地質環境問題以煤礦業導致的地質環境問題結果作為分類的主要原則，可以分為資源毀損、地質災害和環境污染三大類型及眾多的表現形式(表3-2)(徐友寧，2006)。
根據總結資料與實地調查，結合重點區大柳塔礦區及銅川礦區實際情況，我們重點介紹以下5個突出的地質環境問題:①地面塌陷及地裂縫;②煤矸石壓占土地及污染水土環境;③地下水系統破壞及污染;④水土流失與土地沙化;⑤資源枯竭型礦業城市環境惡化。
1.地面塌陷與地裂縫
地下開采形成的地面塌陷、地裂縫造成耕地破壞，公路塌陷，鐵軌扭曲，建築物裂縫，以及窪地積水沿裂隙下滲引發礦井透水等事故。在乾旱地區由於地表水系受到破壞，導致礦區生產、生活，以及農業用水發生困難。同時，還可誘發山地開裂形成滑坡。
表3-2 煤炭開採的主要地質環境問題
地面塌陷和地裂縫在大中型地下開採的煤礦區最為普遍，災害也最為嚴重。如甘肅的華亭煤礦，寧夏的石嘴山、石炭井煤礦和陝西的渭北韓城—銅川，以及神府—東勝煤田礦區。
由於黃土高原人口密集，地面塌陷對土地的破壞主要是對農田的破壞。陝西渭北地區的銅川、韓城、蒲白、澄合等礦務局各礦區位於黃土台塬，該區是陝西渭北優質農業產區和我國優質蘋果生產基地，這些國有大中型老煤礦區幾十年地下開采導致了地面塌陷、地裂縫，以及山體開裂，成為西北地區煤礦開發對農業生產破壞最為嚴重地區之一。陝西省采空區地面塌陷總面積約110km2，主要分布於渭北及陝北煤礦區。不完全累計，1999年底，銅川礦區地面塌陷63.82km2，佔到全省地面塌陷區55.38%，其中80%為耕地。煤礦區的地面塌陷最為嚴重，這是因為煤層厚度較金屬礦體要大，過采區的空間較金屬及其他非金屬礦山要大得多，且上覆岩層多為松軟的頁岩、粉砂岩及泥質岩層。煤礦地表塌陷和地裂縫的范圍及深度與採煤方法、工作面開采面積、采區回採率，以及煤層產狀等多種因素有關。一般而言，埋深愈淺，開采面積越大，地面塌陷、裂縫范圍及深度也越大。榆林神府礦區大砭窯煤礦開采5#煤層，煤層4～6m，埋深90～100m，1992年5月5日，礦井上方發生地面塌陷12000m2，陷落深度0.7m。寧夏石嘴山市石嘴山煤礦開采面積5.15km2，而塌陷面積已達6.97km2，是其開采面積的135%，形成深達8～20m地表塌陷凹地，部分地段的裂縫寬達1m。礦區鐵路運輸基地高出塌陷區10～20m，使得礦山企業每年用於鐵路墊路費高達100萬元，穿越礦區的109國道被迫改道。
陝西省煤礦采空區地面塌陷總面積約110km2(表3-3)，主要分布於渭北及陝北煤礦區。其中銅川市老礦區因開采較早，地面塌陷比較嚴重，到1999年底，不完全統計其地面塌陷63.82km2，佔到全省地面塌陷區55.38%，其中80%為耕地。而神木縣近幾年煤礦開發力度不斷增大，加之煤層埋藏較淺，地面塌陷程度增大，截至2001年，該縣鄉鎮煤礦造成地面塌陷達5.32km2。
表3-3 鄂爾多斯能源基地陝西境內煤礦區地面塌陷
(據西北地礦所)
陝西省渭北煤田的銅川、黃陵、合陽、白水、韓城各礦區、陝北神府煤田的大柳塔、大砭窯、洋桃瑁、沙川溝、劉占溝、新民礦等礦區，均出現有不同程度的地面塌陷、地裂縫及山體滑坡，造成大面積的農田被毀、房屋開裂、鐵軌扭曲、公路塌陷、礦井涌水等。2001年7月，特大暴雨使黃陵店頭陝煤建五處礦區倉村三組的1.2hm2耕地發生地面塌陷、地裂縫，地裂縫最寬可達15m，塌陷落差達7.45m，60%耕地已無法復墾，農田擱荒，預計經濟損失達270萬元。銅川煤礦區地裂縫5400餘條，以王石凹煤礦為例，在1∶5000的地形圖上填繪的裂縫就有70多條，總長度近7000餘米。神府礦區大柳塔礦201工作面煤層埋藏淺，1995年7月10日開始回採，放頂後地表形成裂縫，實測裂縫區面積為5742.5m2。第一期開采計劃完成後，預計未來大柳塔礦采空區總面積5.8hm2，可能發生地裂縫區域總面積約5.45hm2。裂縫區與采空區面積之比為0.94。目前塌陷面積達到7.7km2。20世紀90年代，甘肅窯街礦區礦井地面佔地598.1hm2。地面塌陷20處共計443.54hm2，地面塌陷面積比80年代擴大了48.4%，每年以14.47hm2的速度擴大，10年間因塌陷引起的特大型山體滑坡等災難性地質事故數起。80年代造成水土流失面積449～550hm2，90年代達到663～720hm2。
2.煤矸石壓占土地及污染水土環境
煤矸石是採煤和選煤過程中的廢棄物，通常占煤礦產量的12%～20%，是煤礦最大的固體廢棄物之一，其堆積會壓占土地植被。陝西黃陵店頭地處黃土高原地帶，小流域地區的森林植被良好，但是部分煤礦排放的煤矸石堆積在山坡上，壓佔了生長良好的雜木林。陝西韓城下峪口黃河灘地濕地蘆葦茂密，生態環境良好，但是下峪口煤礦排放煤矸石填灘造地，卻壓占並破壞了黃河濕地生態資源與環境，應引起有關部門的高度重視。煤炭資源大面積連續開采，造成了難以恢復的地下水破壞，同時導致地表河流流量銳減，生態環境破壞。1997年以來，陝西神府煤田開發區已有包括窟野河在內的許多河流出現斷流。
煤矸石堆積長期占壓土地。截至2000年，銅川礦務局下屬12個礦山，煤矸石累計堆存量1264.99萬t，大小矸石山150餘處，其中100萬t以上的矸石山35處，矸石壓佔2.37km2。
堆積的矸石山易發生自燃，產生大量硫化氫等有害氣體，對周邊村民身體健康產生很大危害。據有關資料，每平方米矸石山自燃一晝夜可排放CO10.8kg，SO26.5kg，H2S和NO22kg等。依據國家衛生標准規定，居民區大氣環境中有害物質的最高允許濃度SO2日均濃度為0.15mg/m3、H2S為0.01mg/m3，顯然，煤矸石自燃區的大氣環境污染超過了國家標准，必然危害居民身體健康。
陝西銅川礦務局下屬共有13個礦井，其中6個礦井煤矸石堆存在自燃(圖3-2)，矸石山周圍SO2，TSP，苯並芘等都嚴重超標，據有關資料在自燃矸石山周圍工作過5年以上的職工患有不同程度的肺氣腫。陝西韓城桑樹坪礦矸石山自燃造成空氣中SO2和CO2嚴重超標，其中SO2濃度平均超標16倍，CO2濃度平均超標20倍。在這種空氣環境下，甚至發生了工人昏倒在排矸場的現象。
圖3-2 銅川礦務局王石凹煤礦正在冒煙的矸石山
煤矸石不僅造成大氣污染，矸石山淋濾水還會造成臨近地表水源、地下水，以及矸石山下伏土壤的污染。本次調查在銅川礦務局金華山煤礦採集的矸石山淋濾水樣，顏色發黑，經檢測發現是酸性水，pH值為2.82，COD為812.5mg/L，懸浮物含量128.0mg/L，重金屬含量汞、鎘、銅、鎳、鋅、錳均超標;在三里洞煤礦採集的矸石山淋濾水pH值為1.77，COD為621.6mg/L，TDS含量達160.658g/L，水化學類型為Mg·SO4型;這些矸石山淋濾水流入地表水體或滲入土壤，都會造成一定程度的污染。
3.地下水系統破壞及污染
鄂爾多斯能源基地煤炭開采區大多為嚴重缺水地區。礦井疏干排水造成地下水均衡系統的破壞，地下水位下降，水量減少。煤礦酸性及高礦化度井水造成地下水污染，加劇了水資源危機。煤炭資源大面積連續開采，造成了難以恢復的地下水破壞，同時導致地表河流流量銳減，生態環境破壞。1997年以來，陝西神府煤田開發區的不少河流斷流，如2000年窟野河斷流75d，2001年斷流106d。由於煤礦采空區裂縫遍布，最寬達2m多，局部地區地面下降2～3m，導致原流量達7344m3/d的雙溝河已完全乾涸，400多畝水田變為旱地，楊樹等植被大片枯死。
陝西渭北銅川、蒲白、澄合和韓城等煤礦是礦井突水主要發生地，素有渭北「黑腰帶」之稱的銅川、蒲白、澄合、韓城四大煤礦區又是高瓦斯礦區，1975年5月11日，銅川礦務局焦坪煤礦前衛礦井發生重大瓦斯煤塵爆炸事故，死亡101人，受傷15人，全井造成嚴重破壞。2001年4月，銅川、韓城兩起瓦斯爆炸造成86人死亡的重大惡性事故，社會影響極壞。
陝西省的礦井突水主要發生在渭北銅川、蒲白、澄合和韓城等煤礦區。1989年，上述4個礦務局27個煤礦31處自然礦井，受地下水威脅的礦井佔32.3%。據不完全統計共計發生礦坑突水36次，其中1975～1982年該區發生奧灰岩土石事故29次，占其礦井突水事故地80.56%。該區礦井下水災主要來源於奧灰岩岩溶水和古窯采空區積水。1960年1月19日，銅川礦務局李家塔煤礦發生老窯突水53476m3，淹沒巷道18條，總長1880m，直接經濟損失7142元，死亡14人。20世紀60年代以前，該區帶主要礦井巷道還位於+380m水平面上，70年代後，蒲白、韓城、澄合等新建礦區部分開拓巷道位於+380m水平面之下。1974年以後，象山、馬溝渠、桑樹坪、董家河、權家河、二礦、馬村礦相繼發生奧灰岩突水事故29次，淹沒巷道萬余米，致被迫停產，重掘巷道的巨大損失，直接經濟損失近2000萬元。
寧夏石嘴山煤礦區因地面塌陷，地裂縫交錯，地面低凹積水，地表水沿裂隙進入地下巷道，使礦區多次發生突水事件，造成人員傷亡和巨大的經濟損失(表3-4)。
表3-4 寧夏石嘴山煤礦礦井突水一覽表
陝西黃陵縣店頭沮水河兩岸分布著十幾家個體小煤礦，不顧後果在河道下採煤，在8km2范圍內形成4處較大的塌陷區，均橫跨沮水河床，地裂縫達20cm，最大塌陷區面積達1000m2以上，大片耕地塌陷，民房出現裂縫，飲水井水量和水質發生變化。1998年9月13日個體小煤礦牛武礦非法開采沮河河床保安煤柱，並越界穿過沮水河，同個體水溝小窯多處相互打通，發生礦井透水，最終導致蒼村一號斜井西采區被淹，使陝西黃陵礦業公司一號煤礦主平硐在1999年「3.24」發生重大突水事故，涌水量瞬間增至800m3/h，迅速淹沒了3條平硐。小煤窯無序採煤不僅造成自己淹井停產，也給黃陵礦業公司造成直接經濟損失3401萬元，間接經濟損失3100萬元。同時，沮水河河水在上游進入煤礦采空區後，又在下游報廢小煤窯井口流出排入沮水河，給居民生產和生活帶來了很大困難。黃陵個體煤礦無序開采誘發的礦井突水事故再一次說明采礦業的發展必須遵循可持續發展原則，合理布局，加強礦業秩序的日常監督管理，才能使整個采礦業沿著健康的軌道發展。
長期以來，由於技術水平所限和認識不足，礦井水被當作水害加以防治，礦井水被白白排掉而未加以綜合利用和保護。2000年，西北地區國有礦井煤產量3785萬t，平均噸煤排水量1.3t，其他礦井煤產量5209萬t，平均噸煤排水量0.324t。西北地區的煤礦主要位於乾旱、半乾旱地區，礦區水資源匱乏，毫無節制的排水不僅大大破壞了地下水資源，增加了噸煤成本，而且還導致地面塌陷、地下水資源流失、水質惡化，還可能造成地下突然涌水淹井事故。
煤礦礦井水多屬酸性水，未加處理直接排放，加劇了乾旱地區礦山用水危機。陝西、寧夏、內蒙古部分礦井水pH值均小於6，陝西銅川李家塔礦井水pH值更低為3。酸性礦井水直接排放會破壞河流水生生物生存環境，抑制礦區植被生長。甘肅、寧夏、內蒙古西部大部分礦井及陝西中部和東部等礦井水是高礦化度水，一般礦化度均大於1000mg/L。
2002年7月在陝西渭北煤礦區的一些礦務局調查時發現，陝西白水部分礦山存在將坑道廢水直接排入地下岩溶裂隙，導致岩溶水污染，此問題應引起有關部門的高度重視，盡快採取措施保護岩溶水，使地下水資源不受污染。
4.水土流失與土地沙化
水土流失導致的土壤侵蝕是生態惡化的重要原因。黃土區、黃土與風沙過渡區的礦區水土流失量最大。陝西的銅川、韓城、神府煤礦區;寧夏的石嘴山、石炭井煤礦區;陝蒙神府—內蒙古東勝水土流失都十分嚴重。有關環境報告資料預測，陝西神府—內蒙古東勝礦區平均侵蝕模數按1.21萬t/km2·a，面積按3024km2計算;年土壤侵蝕量為3659.04萬t。據幾個礦區開發前後不同時期的遙感資料以及河流、庫壩、泥沙資料綜合分析和計算表明，煤礦開采後水土流失量一般為開采前的2倍左右。內蒙古的烏達等礦區，侵蝕模數達10000～30000t/km2·a，是開采前水土流失量的3.0～4.5倍。陝西黃陵礦區建礦前土壤侵蝕模數為500t/km2·a，建礦5年後，土壤侵蝕模數已達1000t/km2·a。隨著礦區的開發水土流失問題日益嚴重，不僅破壞了生態環境，還直接威脅礦區安全。例如，陝西神木中雞煤礦由於礦渣傾入河道，占據河床2/3的面積，1984年8月雨季時河水受阻迴流，造成特大淹井事故。
煤炭開采形成的地面塌陷造成淺層地下水系統破壞，使塌陷區植被枯死，為土地沙漠化的活化提供了條件。其次，露天煤礦、交通及天然氣管道工程建設佔用大量耕地，破壞植被，使表土疏鬆，使部分原已固定和半固定沙丘活化。戈壁沙漠區煤礦廢渣堆放，風化加劇了土地沙化。
陝西神府煤田礦區大規模開發以及地方、個體沿河溝兩岸亂挖濫采，破壞植被，導致沙土裸露，加劇水土流失和土地沙化。自80年代中期開發以來，毀壞耕地666.7hm2，堆放廢渣6000多萬t，破壞植被4946.7hm2，增加入黃泥沙2019萬t。據「神府東勝礦區環境影響報告書」提供的預測結果，若不採取必要的防沙措施，礦區生產能力達到3000萬t規模時，將新增沙漠化面積129.64km2，煤礦開發導致的沙漠化面積為自然發展產生沙漠化面積的1.53倍，新增入河泥砂量480萬t，比現有條件下進河泥砂量增加13.7%。
5.煤炭資源枯竭與城市環境惡化
鄂爾多斯現有煤田有些開發較早，可以追溯到20世紀五六十年代。起初，由於技術落後，造成資源浪費，加之很多礦區達到服務年限，到現在已無資源可采。如銅川礦務局是1955年在舊同官煤礦的基礎上發展起來的大型煤炭企業。全局在冊職工30041人，離退休人員32691人，職工家屬約21.6萬人。由於生產礦井大多數是50年代末60年代初建成投產的，受當時地質條件和開采條件所限，所建礦井煤炭儲量、井田范圍、生產能力小，服務年限短。80年代以來先後有9對礦井報廢，實施關閉，核減設計能力396萬t。目前全局8對生產核定能力965萬t/a，均無接續礦井。東區部分礦井資源枯竭，人多負擔重，生產成本高，正在申請實施國家資源枯竭礦井關閉破產項目。生產發展接續問題日益突出，企業生存發展面臨嚴峻挑戰。礦業城市的可持續發展受到地方政府及相關學者的關注。煤炭資源枯竭的直接後果是礦業城市面臨轉型，大量問題需要解決，如人員安置、環境改善、尋找新的主打產業等。
三、煤炭開發引起的地質環境問題對煤炭開採的影響
大規模的煤炭開發活動不但極大地破壞了當地的地質環境和生態環境，也在很大程度上制約了煤炭開采活動的正常進行，主要表現在以下幾個方面:
(1)採煤塌陷及地裂縫造成水資源量減少、地下水體污染，影響礦區採煤活動的正常運行
採煤塌陷造成含水層結構破壞，使原來水平徑流為主的潛水，沿導水裂隙垂直滲漏，轉化為礦坑水;在采礦疏干水過程中又被排出到地表，在總量上影響地下水資源。採煤塌陷形成塌陷坑、自上而下的貫通裂隙，使當地本就稀缺的地表水、地下水進入礦坑而被污染，使地下水質受到影響，進而影響到地下水的可用資源量。如在神府東勝礦區，採煤塌陷一方面使薩拉烏蘇組含水層中地下水與細沙大量湧入礦坑，造成井下突水潰沙事故;另一方面礦坑排水需大量排放地下水，既浪費了寶貴的水資源，又破壞了礦區的水環境(張發旺，2007)。
另外，採煤塌陷對水環境造成影響的最重要因素是塌陷裂縫。其存在不但增加了包氣帶水分的蒸發，造成地表溝泉、河流等的乾涸，而且增加了污染物的入滲通道，從而導致土壤水和地下水體的污染。
西北煤礦區水資源原本缺乏，再加上塌陷及地裂縫造成的可用水資源量的減少，使礦井用水、洗煤廠用水、礦區生活用水等均面臨嚴峻挑戰。
(2)煤層及煤矸石自燃不但浪費了大量煤炭資源，而且影響煤炭開采
鄂爾多斯盆地北部的侏羅系煤田分布區，煤層埋藏淺深度只有0～60m，並且氣候乾旱，植被稀少，形成了有利於煤田大規模自燃的氣候條件。因此煤層及煤矸石自燃大面積分布，如烏海煤田、神東煤田等。煤層及煤矸石自燃不僅會燒掉寶貴的煤炭資源，並且會影響煤炭開采、污染空氣，造成巨大經濟損失。
(3)礦坑突水事故不但破壞了地表水和地下水資源，往往也會淹沒礦井巷道，嚴重影響煤炭開采，造成重大人員傷亡和經濟損失
在我國，大部分石炭-二疊系煤炭開采時會受到水量豐富的奧陶系灰岩水的威脅。由於水量巨大，流速快，水壓高，奧陶系灰岩水造成的突水事故往往十分巨大，如1984年6月發生的開灤范各庄煤礦發生的世界罕見的特大奧陶系灰岩水突水事故，突水4d內把范各庄煤礦淹沒，又突入相鄰的呂家坨煤礦並將其全部淹沒，並向另一相鄰礦林西礦滲水，經過4個月才完成封堵工作，造成的經濟損失達5億元以上。在鄂爾多斯盆地，石炭-二疊系煤層主要分布在銅川、蒲白、澄合和韓城一線，歷史上共發生礦坑突水事故40餘次。如1960年1月19日銅川礦務局李家塔煤礦發生老窯突水53476m3，淹沒巷道18條，死亡14人。
陝西黃陵縣店頭沮水河兩岸個體小煤礦無序生產，1998年9月至1999年3月造成一系列突水事故，給黃陵礦業公司造成的直接經濟損失就有3401萬元，間接經濟損失3100萬元。
F. 地表以下的言傳溫度哇,隨著所處深度x的變化而變化,在某個地點,外語x的變溫室
本題主要考查一次函數的應用。由題目分析可知：在某個地點岩層溫度y隨著所處深度x的變化的關系可以由公式y=35x+20來表示，由一次函數性質，進行分析，因為一次函數的系數大於0，故應有y隨x的增大而增大。故
G. 探測與監測
一、礦井物探技術應用
隨著礦井開采深度的增加和開采強度的加大，煤層底板突水的頻率也日益增加，焦作礦區除了加強水文地質預測預報及井下鑽探工作外，還大力開展了物探技術的推廣與應用，先後引進了礦井直流電法儀、無線電波坑透儀、瑞雷波儀、音頻電透儀、加拿大GEONICS公司TEM47瞬變電磁儀、地質雷達和超低頻遙感地質探測儀，應用效果非常顯著。這里主要研究的是礦井物探技術在防治水方面的應用，另外介紹了超低頻遙感地質探測儀的應用，它和其他物探儀器原理差別較大。
礦井物探技術在礦井防治水方面主要用於探測工作面頂、底板含水層貧富水區域劃分；巷道頂底板及側幫構造帶和富水區；巷道掘進頭前方構造帶和富水區；放水孔或底板注漿孔孔位確定；工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶位置；煤層厚度快速探測等。以下就各類物探技術的特點和應用效果加以綜述。
1.直流電法
礦井下通常應用三極測深法和對稱四極測深法。根據探測目的不同，直流電法工作裝置形式有多種形式。三極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B（∞），四極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B。兩種方法M、N均為測量電極，用於探測地電場電壓，根據測出的電流、電壓值結合裝置系數就可以換算出地層視電阻率值；A、B均為供電電極，用於向岩層供電。直流電法一般供電極距越長，供電電場分布范圍越廣，探測深度和兩邊輻射范圍越大。通過對不同地點、不同深度地層的視電阻率值進行全方位探測和綜合分析，就可以達到研究岩層、礦體或構造等的目的。
直流電法探測是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入穩定電流，觀測大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。
直流電法具有方法靈活、理論成熟、抗干擾能力強、儀器簡便的優點，可用於劃分岩層貧富水區域、探測巷道附近構造破碎帶位置、工作面採煤時的易煤層底板突水地段或確定放水孔孔位等。以下為幾個探測實例。
圖3-23為焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖。直流電法探測結果認為，該工作面切巷往外0～100m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。在生產工程中，實際採煤時到65m處底板發生煤層底板突水，煤層底板突水量達160m3/h。對此及時進行了預測預報，礦井提前採取了防治水措施，該工作面得以安全採煤。該工作面切巷向外0～220m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。通過對地質資料分析也認為，此段L8灰岩可能與下伏L2灰岩甚至O2灰岩導通，煤層底板突水水源補給充分。井下數據採集重復了3次，結果雷同，因此建議此段跳采。焦作煤業集團公司有關領導研究直流電法探測結果後，決定在220m處重開切巷向外採煤，目前已按新方案安全採煤。
圖3-23 焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖
該圖中較深藍色代表低阻區，可以看出低阻區距巷道底板距離較遠，L8灰岩含水層導高較小。直流電法探測結果認為，該工作面採煤時煤層底板不會發生煤層底板突水災害。實際生產過程中採煤非常順利，證明直流電法探測結果是正確的。
圖3-24 焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖
圖3-24為焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖。根據直流電法探測結果，在該工作面低阻異常中心區域布置了4＃放水孔，鑽孔涌水量為82m3/h。
2.無線電波坑透
無線電波坑透儀可以探測工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶等異常體，從而為工作面採煤設計提供依據。無線電波坑透技術的原理主要如下：將發射機和接收機分別放置於採煤工作面兩條相對巷道（運輸巷和回風巷）中，利用發射機發出的無線電波在煤層中傳播時被與煤層電性不同的地質體如斷層、陷落柱、夾矸或其他地質體等吸收，造成衰減系數的差異，從而形成接收信號的陰影區。交替變換發射機和接收機的位置，就可以對陰影區進行交會，從而確定異常體位置和大小。
圖3-25為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，工作面切巷到回風巷43號測點和運輸巷41號測點連線處圈定區域為異常區，結合地質資料分析為薄煤帶。經鑽探驗證確實為薄煤帶，因此根據無線電波坑透探測結果，改變原來設計方案，在回風巷39號點和運輸巷40號點連線處（圖中紅線）重開切巷，再開始生產。
圖3-25 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖
圖3-26為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，圈定的回風巷裡段斷層位置與工作面採煤時實際揭露情況完全吻合。
圖3-26 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖
3.瑞雷波
瑞雷波技術探測優點是快速，全方位，施工靈活，定位誤差小。瑞雷波技術探測的原理主要如下：根據不同頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分（反映不同深度，高頻反映淺，低頻反映深）瑞雷波的傳播速度來探測不同深度煤層和頂、底板岩層及其中的斷層、喀斯特等地質異常體。
圖3-27為焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖。在巷道迎頭瑞雷波技術超前探測時，發現前方20.78～25.28m段為斷裂破碎區，實際鑽探證實為20.35m見斷層，誤差僅為0.43m。
圖3-27 焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖
4.音頻電透
音頻電透視技術是根據CT掃描工作原理，利用兩條相對巷道（如工作面回風巷和運輸巷）交替進行發射和接收，記錄發射電流和接收的一次場電位差，結合工作面幾何參數（寬度、長度等位置關系）計算出每個發射點對應的每個接收點的視電導率值（視電阻率值的倒數），通過多重交會，繪制出工作面內部一定深度范圍內岩層視電導率值的平面等值線圖，從而得知此范圍內富、導水區域平面分布的位置與特徵。音頻電透視技術是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入音頻范圍內的低頻電流，觀察大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。一般情況下，工作頻率為15Hz時，探測深度大約為工作面寬度的一半，選用的工作頻率越低則電場穿透深度越大。
圖3-28為焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖。音頻電透探測結果認為，該圖中藍線視電導率值為6所圈藍色區域為煤層底板相對富水區，應為煤層底板注漿改造重點區域，需要加密鑽孔；其他區域可少布鑽孔；工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外可以不進行煤層底板注漿改造。實際在煤層底板注漿改造時，布置在高導異常區內的鑽孔平均出水量為86.3m3/h，低導正常區內鑽孔平均出水量是37.5m3/h，前者水量是後者的2倍多。工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外段打了4個鑽孔，平均水量是8.6m3/h，為相對不富水區。鑽探證實揭露情況與音頻電透探測結果相吻合。
圖3-28 焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖
5.瞬變電磁
瞬變電磁儀具有布置靈活、探測方向性強、對低阻區敏感、施工快速的優點，可以全方位探測巷道各個方向或工作面內部的相對富水區位置及形態、頂底板構造破碎區，確定工作面採煤時容易發生煤層底板突水地段、煤層底板注漿改造重點注意區域、放水孔位置等。
圖3-29瞬變電磁技術原理圖可以說明，瞬變電磁技術原理是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，當脈沖結束、發射回線中電流突然斷開後，地下介質中就要激勵起感應渦流場，以維持在斷開電流以前存在的磁場，此二次渦流場呈多個層殼的環帶型，隨著時間的延長，由發射回線附近介質逐步向下及向外擴展，不同時間到達不同深度和范圍。二次渦流場僅僅與地下介質的電性有關，因此利用線圈或接地電極觀測二次場即可了解地下介質的電阻率分布情況，從而達到探測目標體的目的。
圖3-29 瞬變電磁技術原理圖
圖3-30為焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖。在煤層底板L8灰岩中開拓疏水巷時，在迎頭處利用瞬變電磁法，超前探測到迎頭前方33～42m段為相對低阻區，該方法判斷為相對富水區並得到鑽探證實。
圖3-31為焦作礦區瞬變電磁視電阻率斷面圖。利用該方法探測到巷道底板存在隱伏斷裂構造。通過在此布置放水孔，鑽孔涌水量為60m3/h此隱伏斷裂的含水性得到了證實。
圖3-30 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖
圖3-31 瞬變電磁視電阻率斷面圖
圖3-32焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖。在某運輸巷向下幫側（平行岩層傾向）探測距離110m處有無平行運輸巷走向、斷距為25m的斷層（該斷層為原地質勘探報告推斷結論），利用該方法否定了此處該斷層的存在（110m處為相對高阻），並得到鑽探證實。
圖3-32 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖
圖3-33焦作礦區某工作面瞬變電磁視電阻率斷面圖。該圖為某工作面運輸巷瞬變電磁45°斜下方探測結果。探測時0～430m段已經完成煤層底板注漿改造，大部分區域顯示為相對高阻，但0～100m段下部阻值不高，認為是注漿改造效果差，需補打少量鑽孔；460～590m段因尚未注漿改造，顯示為相對低阻區，為煤層底板注漿改造重點區域。
圖3-33 焦作礦區某工作面運輸巷瞬變電磁視電阻率斷面圖
6.地質雷達
地質雷達是在礦井井下利用電磁波的傳播時間來確定所需探測反射體（斷層、陷落柱、喀斯特等地質異常體）的距離，它是礦井井下用於超前探測的有力工具。
7.超低頻遙感地質探測儀
北京大學課題組在國家863計劃資助下，研製了超低頻遙感地質探測儀，並於2002年5月成功申請專利，該裝置在石油天然氣勘探和水文工程地質勘探領域獲得較好應用。在煤田瓦斯方面，課題組研究成員已經在河南伊川鄭煤集團公司暴雨山煤礦和登封金嶺煤礦，進行了超低頻遙感地質探測試驗，探測曲線解釋基本正確，反映明顯，具有推廣應用價值。之後在鄭煤集團公司大平礦、超化礦進行超低頻遙感地質探測試驗。目前在鄭州礦區和將在焦作礦區應用。
8.綜合應用評述
直流電法技術主要用於劃分岩層貧富水區域，探測巷道附近構造破碎帶位置，工作面採煤時的易突水地段或確定放水孔孔位等。該方法優點是儀器簡便、理論成熟、抗干擾能力強、方法靈活；缺點是井下數據採集時必須保證電極接地條件良好，體積效應影響資料解釋時對異常區具體方位的准確判斷。
無線電波坑透技術主要用於探測工作面內部陷落柱形態，隱伏斷層構造帶位置，富水性區域，夾矸和薄煤帶等地質異常體。該儀器優點是儀器簡便，對異常區定位效果好，施工快速；缺點是同象異質現象明顯，井下數據採集時需斷開測區內電纜，避免電磁干擾，資料解釋時對異常區的定性判斷仍需與地質資料結合。
瑞雷波技術主要用於全方位探測巷道附近的喀斯特、岩層界面及斷層帶、富水區、裂隙發育區等地質異常體。該儀器優點是全方位、快速、定位誤差小、施工靈活；缺點是資料解釋時「定量」易而定性難，較易引起多解性，井下工作時需多次重復探測，提高結果的可靠性，探測深度較淺，一般不超過40m。
音頻電透技術主要用於探測整個工作面富水性的橫向變化情況和頂、底板岩層岩性。該方法優點是井下抗干擾能力較強，儀器精度高；缺點是資料解釋時對異常區的縱深位置不易准確判斷。
瞬變電磁技術主要用於全方位探測巷道各方向或工作面內部的頂底板相對富水區位置及形態、構造破碎區，確定工作面採煤時的易突水地段或放水孔位置，劃定煤層底板注漿改造重點區域等。該方法優點是適用於各種角度和方位探測，探測方向性強，對低阻區敏感，布置靈活，施工高效；缺點是井下工作時需注意盡量避開大的金屬干擾體，在某些理論問題上需要進一步研究。
礦井地質雷達探測技術的最大優點，既是礦井井下超前探測（探距30～40m）的有力工具，又具有施工點面積小，垂直、水平方向探測均可，探測的精度也比較高；缺點是抗干擾差。
物探技術經過幾十年發展，呈現出應用廣泛、技術豐富、儀器多樣的特點，但各種儀器和技術方法都有自己的適用范圍和優缺點。焦煤集團公司在多年推廣應用上述各種物探技術的實踐中，深感應充分了解各種物探儀器和技術的特點，針對性地使用的重要性。
總之，實際應用時應盡可能採用綜合物探手段，優缺互補，相互取長補短，多種方法並用，對目標體做出正確判斷，盡可能消除多解性，這樣才能滿足礦井生產多方面的需求，使得物探工作快速准確向著定性又定量的方向發展。應當指出，礦井物探技術的發展是幾十年來焦作礦區防治水工作者們積極探索的結果，這和前輩們與地測處防治水中心同行們的集體努力分不開。作者參加了部分實驗與研究工作。
二、焦作礦區井下水位監測系統
隨著礦井水平的延伸和采區的推進，目前大量的水文觀測孔被破壞，部分觀測孔因長期銹蝕而失去觀測價值，使一些生產地區沒有地下水水位資料，直接影響著這些地區的安全生產。往往花費幾十萬元施工的水文觀測孔，僅投入使用1～2個月就被破壞。如果在地面施工水文觀測孔，不僅需花費高額的資金，而且地面觀測孔容易遭受人為破壞。因此，建立井下水位監測系統已成為當務之急。
焦作煤業集團公司採取了許多行之有效的防治水措施，其中地下水位觀測系統的建立就是有效的防治水措施之一。地下水位觀測系統為工程技術人員及時准確地掌握地下水水位變化情況，制訂切實可行的防治水措施提供了依據。特別是當煤層底板突水發生後，地下水位動態變化能為准確判斷煤層底板突水水源，預測煤層底板突水水量的變化趨勢，採取相應的防治水措施提供依據。焦作礦區積極開展防治水工作，通過各種途徑同煤層底板突水災害作斗爭，到目前為止，已連續20年未發生淹井事故，礦井涌水量也由過去的650m3/min減少至目前的280m3/min。
1.水位監測系統
（1）水位監測系統在焦作礦區的發展歷史：20世紀80年代中、後期，焦作礦區就開始建立地面水文觀測孔水位遙測監測系統，但儀器供電電源為電池供電，沒有及時更換電池，而使儀器損壞。另外，野外遙測系統也容易遭受破壞。不易保護。因此，該系統沒有得到推廣應用。
20世紀90年代，因地面觀測孔的急劇減少，又缺乏資金在地面施工水文觀測孔，為滿足安全生產的需要，就在井下施工放水測壓孔，以了解地下水位的動態變化。水位的觀測部分礦井使用壓力表，另一部分礦井使用水位自動記錄。水位自動記錄儀雖然比用壓力表觀測井下水位先進得多，但水位自動記錄儀供電電源為充電電池，數據的存儲模塊必須上井後才能傳輸到微機，才能輸出水位數據，使用起來不方便，且使用壽命短。
21世紀初期，隨著信息技術迅猛發展，現代感測技術的日趨成熟，採用先進的自動監測方法已是大勢所趨。焦煤集團公司與煤科總院撫順分院合作，於2001年成功地在演馬庄礦建立起一套井下水位監測系統，該系統將計算機測控技術、計算機網路技術、遠程數據通信技術融為一體，強有力地實現了遠距離的井下水位數據採集、傳輸、實時數據集中監測、處理。該系統克服了以前水位監測系統的缺點，供電電源採用井下防爆供電電源，實現了全自動實時對井下水位進行監測，具有投資少，精度高，使用壽命長，操作方便的優點。
（2）水位監測系統組成及主要功能：系統由主站（地面監測中心站）和N個分站（井下水壓觀測站點）構成。
主站：由計算機、列印機、遠程數據通信設備及系統應用軟體（含系統控制、數據通訊、數據處理等），設在地面監測中心機房。
主站是通過遠程數據通信設備對井下分站進行遠程式控制制，實時獲取井下各觀測點的水壓數據，同步監測井下各水壓觀測點的水壓變化情況。並通過系統應用軟體將水壓數據進行整理、輯錄、顯示。根據需要利用系統應用軟體生成相關數據報表、繪制各類曲線、圖形、列印輸出等，同時還可以在網上，將相關數據傳輸。
分站：由高精度水壓感測器（或高精度壓力變送器）、數據採集器、數據通訊介面、遠程數據通信裝置、防爆電源、安全保護罩等組成。安裝在井下水壓觀測點。
分站完成水壓數據採集，實現水壓數據的遠距離傳輸。分站系統是通過壓力感測器反映水壓變化的物理量轉換為電壓（電流）形式的模擬量。該模擬量經由放大、模數轉換電路處理後再將其轉換為數字信號，通過數據採集器內置計算機系統對該數字信號進行處理並記錄到存儲器中，完成數據採集。與此同時數據採集器內置遠程通信介面設備也在不斷檢測主站信息。當檢測到主站要求發送數據指令信息時則由數據採集器內置計算機控制，通過遠程數據通信設備將數據採集器記錄的水壓數據發送至主站。
（3）系統主要技術指標
主站：硬體配置：intel P4 2.53 G/256 M DDR/80 G/16 倍 DVD/17 英寸液晶/56 K/100 M/A3幅面激光及彩色噴墨列印機；系統運行環境：Windows98 se/windows Me/win dows2000/windows XP；操作方式：全中文菜單式；觀測方式：實時監測；數據記錄方式：自動、手動任選；測量時間間隔：任意設置；暫存數據：≥1000組。
分站：防爆類型：本質安全型；壓力測量范圍：0～10MPa；感測器精度：±0.3%F·S；解析度：2.0cm；通訊距離：＞500m；傳輸速率：＞300pbS；分站個數：1～255（255Max）；環境溫度：0～+40℃。
2.井下水位監測系統使用情況
焦作礦區演馬庄礦於2001年12月建立了井下水位監測系統，由於資金等原因，當時僅設立了兩個分站，即在該礦25采區下山施工兩個測壓孔（L8灰岩含水層），安裝SY1151壓力感測器，SY-1型數據採集器，數據通訊口，防爆電源。水壓數據經通訊電纜傳輸到地面主站，再根據用戶的需要，利用系統應用軟體生成相關數據報表（如日報、月報、年報），繪制各類曲線、圖形（如月曲線圖、月柱狀圖、年曲線圖、年柱狀圖），對水位進行實時監測。通過近幾年的使用，井下水位監測系統具有投資低、操作方便、數據准確可靠，使用壽命長等優點，克服了過去地面觀測孔測水位難，數據不準確，觀測孔易遭破壞等缺點。即使發生淹井事故，井下無供電電源，系統亦能利用本身電池正常工作一個月。2002年5月10日，井下水位監測系統顯示L8灰岩含水層水位下降，就立即與井下聯系，得知25031工作面煤層底板突水，根據井下水位監測系統顯示的水位平穩下降趨勢，且沒有發現L8灰岩含水層水位有反彈現象，判斷該煤層底板突水點水源為L8灰岩，煤層底板突水點涌水量不會急劇增大，對安全生產不會造成大的影響。由此可見，井下水位監測系統能了解地下水位的動態變化，為判斷煤層底板突水水源，採取相應的防治水措施提供依據。
該系統於2003年底已建成投入使用，井下的水文孔資料直接在各礦計算機上顯示。目前焦作煤業集團公司和北京龍軟公司合作，將各礦與集團公司網路聯系起來，只要在集團公司的任何一部上網計算機上，進入水文監測系統網站，就能查閱到各生產礦井下各含水層的水位資料。目前正在進入試運行階段。
可以認為井水位監測系統是一項經實踐證明了的成熟技術。井下水位監測系統具有投資少、操作方便、數據准確可靠、使用壽命長等優點，能夠代替地面水文觀測網。井下水位監測系統具有推廣應用前景。探測和監測技術是高承壓水上採煤水害綜合控制技術的重要組成部分。
H. 影響煤礦開採的主要地質因素
煤層厚度變化
地質構造
煤層頂底板條件
岩漿侵入煤層
礦井水
喀斯特陷落
礦井瓦斯
地壓
地熱.1.2 危害情況
采空區地面塌陷主要是由於地下煤礦體開采，造成大范圍采空，導致地面塌陷及變形，危害對象主要為耕地、農作物及民房，危害嚴重地段造成部分農田因地面沉陷而積水成潭或成沼澤地，農作物被毀壞或整塊田地無法耕作而丟荒。至1999年礦山停產，地面沉陷累計影響面積約133 340 m2。目前姑占嶺煤礦礦區需處理復墾的農田塌陷面積約68 000 m2。煤礦塌陷不僅破壞了土地、植被資源，而且對周圍群眾的生產生活帶來嚴重的影響。
1.1.3 成因及發展趨勢
姑占嶺煤礦由於各礦段含煤地質條件、開采技術工藝、開采規模、開采年代與開采深度的差異，形成面積大小不等的采空區，煤礦采空區地面塌陷是由於煤層采出後，開采區域周圍岩體的原始地應力平衡遭到破壞，隨著開采工程活動進行，采空區上方岩層在重力作用下發生彎曲、離層以致冒落而形成。姑占嶺煤礦采空地面塌陷多為緩變型，平面形態一般呈圓形、橢圓形盆狀。其發生發展過程及地表形態特徵主要取決於煤層埋藏深度、開采厚度、頂板岩性、工程地質特徵等。姑占嶺煤礦採煤歷史長、強度大，伴隨著采空范圍的不斷擴大，采空地面塌陷不斷發生（主要發生在礦山開采過程和開采後一段時間）。1999年底停產後，地下水位開始恢復，采空區塌陷積水成塘。由於礦山已停采十多年，現塌陷已相對穩定，近期未見繼續發展趨勢。
1.2 排土場邊坡失穩
煤炭開采中矸石固體廢棄物堆放於石鼓磚廠一帶，分布長160 m，寬70 m，體積161 146 m3，形成周邊長約460 m的邊坡，高約10 m，坡度60～70°，結構鬆散。由於排土場未作有效的防護處理，每年汛期一到都會出現滑坡、崩塌等現象，堵塞鄉村道路，加劇水土流失，並破壞地形地貌景觀而引起生態環境惡化。目前邊坡失穩災害穩定性較好，潛在危害小，危險性小。
1.3 排土場水土流失
煤礦石固體廢棄物堆土佔地面積約16 292 m2，土質疏鬆而未經壓實，植被稀少，坡頂和坡面在雨水沖刷作用下，易產生水土流失。水土流失主要造成排土場坡頂和邊坡面受破壞，堵塞排水溝、沖淤農田，破壞生態環境，影響自然景觀等。
1.4 環境水污染
煤炭開采中有矸石固體廢棄物堆放於礦區周圍公路及水塘邊，由於未及時處理，煤矸石遭受長期降雨淋濾時，其中有毒、有害組分遷移到附近的水體中，造成地表水體污染。礦渣污水流入附近魚塘、農田會造成魚塘、農田污染，使魚塘和農田減產；由於地表水受污染，滲入地下也會造成地下水受污染。此外，礦渣污染也會造成生態環境惡化。
1.5 固體廢棄物佔用破壞土地
由於煤礦開采中礦石固體廢棄物不合理堆放，佔用了大量肥沃農田、林地、居民地和工礦用地等土地資源，並破壞地形地貌和生態環境。同時廢棄廠房也壓占土地，破壞植被，使區內本來不多的土地資源變得更加緊缺。目前，姑占嶺煤礦渣石堆佔用土地約13 334 m2，廢棄物總積存量達5萬t。大量堆放的廢礦渣不僅對土地資源和地貌景觀造成破壞，而且給重力地質災害及其它災害的發生留下隱患。
1.6 煤礦渣污染大氣環境
煤礦渣露天堆放對大氣環境的影響主要有兩方面：一是煤矸石風化揚塵增加了大氣中的總懸浮物粒；二是矸石堆燃燒釋放出大量有害氣體。處於自然乾燥狀態下的煤矸石堆，在長期的風化作用下，矸石表面易形成大量細小顆粒，在一定的風速下，這些細小顆粒可通過風的作用進入大氣中，增加了大氣中的總懸浮物微粒濃度。此外，矸石燃燒造成矸石堆表面溫度升高，並釋放出大量的SO2、CO2、CO、H2S等有害氣體，造成附近居民患上呼吸道疾病；當大氣中的硫化物達到一定濃度時，形成酸雨危害。
I. 深部礦井開采中面臨的主要問題有哪些
深部礦井開采主要面臨以下問題：
1、瓦斯湧出量的增加。因為在深部的低壓大，這樣瓦斯壓力也相應增大，並且也沒有自然逸出，所以在開采過程中可能造成瓦斯突出。
2.巷道的支護難度相應增加。深部巷道的圍岩支護幾乎是采礦學的前沿課題，因為現在咱們國家的煤層開采會逐漸加深，這個說出來也可以理解，隨著開采深度的增加，地壓也相應增加。
3、煤層的賦存條件變化多樣。煤層的賦存條件直接關繫到開拓巷道的布置方式，深部的煤層肯定是先形成的，但是相對淺部埋藏的煤層來說，發育不是很完全，這樣的煤層斷層多、地質構造多，因此對於開拓有很大的影響。
4、礦山壓力的增加。礦壓的增加會造成很多問題，比如煤層在開采時候的片幫嚴重、巷道難於支護，當然並不是深度和礦壓的大小成正比，現在比較流行關鍵層假說，並不是越深地壓越大，這個要根據本礦的地址條件而定。
5、通風阻力的增加。因為比較深，礦井的開拓巷道比較長，故而通風阻力必然增加，因此容易造成採掘工作面的風量不足。
6、運輸成本的增加。這個就得好好核算了，想想，從更深的地方把煤炭運輸到地面，肯定會增加運輸成本，不管是箕斗還是皮帶，都會增加成本，還要將設備物料運送到工作面。
J. 地表以下的岩層溫度 隨著所處深度 的變化而變化，在某個地點 與 的關系可以由公式 來表示，則 隨
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