范立民：帶你了解保水采煤

范立民：帶你了解保水采煤

近年來，保水采煤一詞頻繁出現(xiàn)在各類科技期刊，許多讀者對這一新詞語也許并不太了解，今天，我就來為大家解讀保水采煤問題。

◎為什么要開展保水采煤研究

保水采煤是隨著神府煤田開發(fā)出現(xiàn)的環(huán)境問題而提出的。1982年發(fā)現(xiàn)的神府煤田，以資源儲量巨大、煤質(zhì)優(yōu)良、開采條件簡單、區(qū)位優(yōu)勢明顯而成為國家煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移的首選基地，煤田面積超過1萬平方千米，總資源量超過1000億噸，煤層埋藏深度從地表出露到800米，其中神木、府谷縣一帶煤層深度不超過300米。煤層厚度15~20米，單層厚度3~5米，最厚12.49米。煤層穩(wěn)定，數(shù)百平方千米內(nèi)很少有斷層、褶皺，煤層傾角小于3度，基本處于緩緩向北西傾斜的單斜構(gòu)造，非常適合機械化開采。1985年開始開發(fā)，1996年第一個現(xiàn)代化礦井大柳塔煤礦建成投產(chǎn)，2018年生產(chǎn)原煤4.56億噸，而且還在快速增長，成為我國最重要的煤炭基地。

然而，就是這樣一個大煤田，卻地處毛烏蘇沙地與黃土高原的接壤地帶，氣候干旱，降水稀少，多年平均降水量只有400毫米左右，且多集中于7~9月份的雨季，在黃土高原地帶，降雨多以地表徑流方式流失，在沙漠地帶，降雨入滲到砂層中，形成了本區(qū)唯一具有生態(tài)價值和供水意義的潛水含水層。由于氣候干旱，水資源貧乏，本區(qū)地表植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，長期的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在毛烏素沙漠地區(qū)，植被發(fā)育狀況與地下水位埋深關(guān)系密切。

圖1 水位埋深小于3米的植被發(fā)育狀況

圖2 水位埋深大于10米后的植被發(fā)育狀況

煤田開發(fā)初期，出現(xiàn)了礦井突水并引起附近潛水水位下降和植被枯萎，煤炭開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的損害開始顯現(xiàn)。1990年4月20日，一處地方煤礦在掘進巷道過程中，發(fā)生了頂板冒落和突水潰沙事故，致使附近的飲馬泉流量銳減，地下水水位迅速降低，導致沙漠地區(qū)典型的沙柳、沙蒿等枯萎、死亡。

隨著煤田開發(fā)進程加快，引發(fā)了一系列礦山環(huán)境問題，并成為社會關(guān)注熱點。2006年陜西省人民政府在“陜北神木生態(tài)環(huán)境治理有關(guān)問題的報告”指出：2004年全縣煤礦塌陷面積27.72平方千米，受災人口3612人，損壞房屋2160間，損壞水澆地、旱地、林地等共計41500公頃，由于采煤引起了礦井水害和地下水嚴重滲漏，區(qū)內(nèi)已有數(shù)十條河流斷流，數(shù)百處泉眼干涸，水體、濕地面積嚴重萎縮，地表植被枯萎等現(xiàn)象（圖3）。據(jù)估算，窟野河流域每生產(chǎn)1噸煤炭損耗約0.6立方米的地下水水資源，1999-2013年窟野河衰減流量達2.28億立方米，窟野河已變?yōu)榧竟?jié)河，水資源供需矛盾不斷加劇，影響到河流生態(tài)功能、供水能力等河流健康指標。

圖3 沙漠采空區(qū)地面塌陷及植被死亡現(xiàn)象（2006年攝）

為此，1992年作者在《神木礦區(qū)的主要環(huán)境地質(zhì)問題》一文提出了煤田開發(fā)中應(yīng)將采煤、保水和生態(tài)環(huán)境保護作為一個系統(tǒng)工程統(tǒng)一規(guī)劃的思路。同期，韓樹青、范立民等提出在薩拉烏蘇組地下水豐富的區(qū)域，應(yīng)該采用充填開采技術(shù)，達到保護地下水的目的。

◎什么是保水采煤

通俗的說，就是在西北缺水地區(qū)的煤炭開采過程中，保護好地下的含水層，使含水層不受采煤擾動而發(fā)生開裂、錯斷現(xiàn)象，從而地下水的生態(tài)功能、供水功能，促進生態(tài)脆弱礦區(qū)的環(huán)境保護。

從專業(yè)角度，作者給出保水采煤的概念是：在干旱半干旱地區(qū)煤層開采過程中，通過控制巖層移動維持具有供水意義和生態(tài)價值含水層（巖組）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或水位變化在合理范圍內(nèi)，尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開采技術(shù)。

◎如何實現(xiàn)保水采煤

2005年，作者提出保水采煤的實現(xiàn)途徑有兩個，即通過合理選擇開采區(qū)域和采用合適的采煤方法，實現(xiàn)保水采煤目標。合理選擇開采區(qū)域，就是要分析論證各個區(qū)域煤層開采對潛水含水層的影響程度、影響方式，影響大的區(qū)域，暫緩開采，影響不大的區(qū)域或不影響的區(qū)域，優(yōu)先開采。采用合適的采煤方法，主要是針對影響不大的區(qū)域，通過工程措施，減輕采煤對含水層的影響，實現(xiàn)煤炭開采與含水層保護統(tǒng)一。

在合理選擇開采區(qū)域方面，王雙明院士帶領(lǐng)的團隊，2010年就編繪了我國第一幅基于保水采煤的采煤方法規(guī)劃圖（圖4），為區(qū)域性采煤區(qū)域選擇、采煤方法調(diào)控提供了科學依據(jù)。

圖4 榆神府礦區(qū)保水采煤方法規(guī)劃示意圖（據(jù)王雙明、范立民，2010）

在采用“合適的采煤方法”方面，王雙明院士等國內(nèi)多個團隊研發(fā)了一系列新技術(shù)，主要包括充填保水采煤技術(shù)、限高保水采煤技術(shù)、窄條帶保水采煤技術(shù)等，針對華北型煤田底板巖溶含水層，還研發(fā)了底板注漿加固保水采煤技術(shù)。

充填保水采煤技術(shù)，就是在煤炭開采過程中，隨時對采空區(qū)進行充填，以免采空區(qū)頂板巖層發(fā)生破斷，影響含水層。與此類似的還有采充并行保水采煤技術(shù)、離層注漿保水開采技術(shù)等。

限高保水采煤技術(shù)，是對于厚度大的煤層，以減小一次開采厚度，降低開采過程中對頂板損傷程度的新技術(shù)。榆神礦區(qū)榆樹灣煤礦等2-2煤層，厚度11米，首次開采只開采5.5米，實現(xiàn)了上覆潛水含水層的保護。

窄條帶保水采煤技術(shù)，是針對采礦權(quán)面積不規(guī)則且面積有限的礦井，按照長壁工作面部署，房柱式開采的一種采煤方法，榆林市地方煤礦采用這一技術(shù)，與原來房柱式采煤方法比較，提高了回收率，也沒有影響上覆含水層。

底板注漿加固保水采煤技術(shù)，是針對華北型煤田底板巖溶水含水層保護而研發(fā)的，以陜西澄合礦區(qū)為例，5號煤層開采與底板巖溶水含水層距離只有25~30米，遇到小斷層發(fā)育、底板破碎帶等地段，采煤底板擾動就發(fā)育到含水層，造成礦井突水和水文下降，因此，對于底板破碎地段和斷層發(fā)育區(qū)域進行注漿加固，是保護巖溶含水層的有效方法。澄合礦區(qū)已經(jīng)形成了成熟的技術(shù)，并進行了多年的保水開采實踐，效果良好。

上述保水采煤技術(shù)已經(jīng)在西北各煤炭基地得到了較好的推廣應(yīng)用，取得了良好的效果。

◎如何檢驗保水采煤的效果

保水采煤的目標是保護含水層，實現(xiàn)煤炭采空區(qū)含水層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和完整，其表現(xiàn)形式是煤層頂板導水裂隙帶沒有發(fā)育到含水層底部，含水層的水位埋深沒有發(fā)生顯著變化，礦區(qū)的泉、河流流量沒有大幅度衰減。針對這三個關(guān)鍵參數(shù)，我們在部分煤礦開展了探測驗證和調(diào)查分析。

一是導水裂隙帶發(fā)育高度，在榆樹灣、杭來灣、榆陽、金雞灘等煤礦實施了十余個鉆孔，探測導水裂隙帶發(fā)育高度，探測結(jié)果表明，導水裂隙帶發(fā)育高度是采高的24倍左右，均沒有發(fā)育到潛水含水層。

二是含水層地下水水位埋深，在榆樹灣、金雞灘以及榆林市地方煤礦進行了16個鉆孔，采用汽車鉆探測潛水水位埋深，探測鉆孔設(shè)置在原來有準確水位埋深（原先有鉆孔）的位置，探測結(jié)果表明，推廣保水采煤技術(shù)的開采區(qū)，水位變化幅度最大下降2.76米，一般不超過2米，多數(shù)在1米以內(nèi)，屬于正常的季節(jié)性變化。而窟野河流域煤層埋藏特別淺的區(qū)域，如大柳塔煤礦，采用地下水庫技術(shù)建成了收集、利用礦井水和大氣降水的地下水庫，地下水庫的水，通過分質(zhì)分別用于飲用水、自來水、綠化用水和中水（衛(wèi)生間使用）等，實現(xiàn)了煤-水共采。

圖5 范立民與團隊成員在野外

三是泉流量動態(tài)變化，我們系統(tǒng)調(diào)查了榆神府礦區(qū)的泉，禿尾河流域部分泉有衰減，但衰減幅度不超過10%，基本保持了河流基流量的穩(wěn)定?？咭昂恿饔蛉乃p現(xiàn)象明顯，這與煤層埋藏深度有關(guān)。

遙感監(jiān)測表明，煤炭開發(fā)前，榆神府礦區(qū)植被覆蓋度約10%左右，目前已經(jīng)超過50%，煤炭開發(fā)與地下水資源保護、生態(tài)環(huán)境保護實現(xiàn)了協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

◎保水采煤還有哪些難題

目前，保水采煤還面臨很多難題，如充填開采是保水采煤的最佳途徑，幾乎適合于所有西部礦區(qū)，然而，充填材料選擇、充填工藝優(yōu)化、充填成本控制仍然不盡人意。在保水采煤的關(guān)鍵參數(shù)——導水裂隙帶高度預測方面，還沒有與現(xiàn)代采煤技術(shù)對應(yīng)的經(jīng)驗公式或模型。在多煤層開采對含水層擾動機理、特大采高（一次開采8米及以上）條件下，巖層控制技術(shù)及導水裂隙帶發(fā)育機理，也亟待研究。在毛烏素沙漠等西北荒漠化煤炭基地，植被發(fā)育對地下水的依賴關(guān)系還沒有徹底解決。在煤層埋藏較深的區(qū)域，煤層開采引起地表下沉而潛水水位相對抬升引起的生態(tài)效應(yīng)，也是一個需要研究的課題。

因此，保水采煤還有許多難題需要破解，期待煤炭科技工作者繼續(xù)努力，為占我國煤炭資源儲量73%、產(chǎn)量約70%的西北干旱半干旱礦區(qū)煤炭科學開采提供技術(shù)保障，促進西北煤炭基地生態(tài)文明建設(shè)。

◎延伸閱讀

如果您還想更詳細的了解保水采煤的來龍去脈和解決方案，可閱讀以下文獻：

王雙明，黃慶享，范立民，等.生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開發(fā)與生態(tài)水位保護[M].北京：科學出版社，2010.

范立民，馬雄德，蔣澤泉，等.保水采煤研究30年回顧與展望[J].煤炭科學技術(shù)，2019，47（7）：1-30.

范立民，馬雄德. 保水采煤理論與實踐[M].北京：科學出版社，2019.（2019年9月出版）。

（作者單位：礦山地質(zhì)災害成災機理與防控重點實驗室/陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站）