范 立 民

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵

范 立 民

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

為保護干旱半干旱礦區(qū)含水層及生態(tài)系統(tǒng)，通過闡述榆神礦區(qū)礦床地質(zhì)、開采條件、巖層移動特征等，從系統(tǒng)論角度提出了保水采煤的概念和科學(xué)內(nèi)涵，并構(gòu)建了保水采煤研究基本框架。認為保水采煤適用于干旱半干旱缺水礦區(qū)，目標是保護含水層結(jié)構(gòu)和河流基流量基本穩(wěn)定；主要研究地質(zhì)條件、巖層移動控制技術(shù)、水與生態(tài)約束條件和保水采煤關(guān)鍵技術(shù)；技術(shù)途徑包括控制巖層移動抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育、隔水層再造和注漿改造隔水層等。低成本充填技術(shù)和沙漠區(qū)地下水位相對變淺后的環(huán)境效應(yīng)是保水采煤研究面臨的挑戰(zhàn)。保水采煤研究是我國干旱半干旱礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

保水采煤；科學(xué)內(nèi)涵；巖層控制；生態(tài)脆弱礦區(qū)

我國西部煤礦區(qū)水環(huán)境問題是目前研究的熱點領(lǐng)域，針對這一熱點和全國煤炭開采的普遍問題，錢鳴高建立了綠色開采技術(shù)體系[1-2]，促進了煤炭工業(yè)健康發(fā)展。彭蘇萍等研究了我國煤炭資源與水資源的區(qū)域性特征，提出了基于可持續(xù)發(fā)展的煤炭開發(fā)路徑[3]。武強等從礦井水防控與資源化利用角度，提出了減輕含水層結(jié)構(gòu)破壞的“開采技術(shù)”[4-5]。謝克昌等[6]研究了能源金三角發(fā)展戰(zhàn)略，提出了基于水資源承載力的煤炭產(chǎn)能閾限。謝和平等[7]提出了我國煤炭的科學(xué)開采和科學(xué)產(chǎn)能問題及技術(shù)路徑。顧大釗[8]研究了神東礦區(qū)水資源保護與利用。這些研究從理論和技術(shù)上支撐了煤炭的科學(xué)開發(fā)，促進了西部礦區(qū)水環(huán)境問題的科學(xué)解決。

針對鄂爾多斯盆地北部開發(fā)初期出現(xiàn)的水環(huán)境問題，1992年范立民、韓樹青等提出了保水采煤思路和方法[9]，并在隨后多年的煤田水文地質(zhì)勘探中，開展了保水采煤基礎(chǔ)研究。1995年首次使用“保水采煤”一詞，并識別了保水采煤地質(zhì)條件分類分區(qū)指標，基于榆神府區(qū)高強度采煤中的水資源保護進行了卓有成效的研究[10]，王雙明等劃分了保水開采地質(zhì)條件和保水開采分區(qū)，建立了基于生態(tài)水位保護的保水開采技術(shù)體系[11]。黃慶享發(fā)現(xiàn)了淺埋煤層采動覆巖“上行裂隙”和“下行裂隙”及隔水層其彌合性，提出了隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性判據(jù)，建立了保水開采的巖層控制理論，為控制含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供了理論基礎(chǔ)[12-14]?？妳f(xié)興等[15]、白海波等[16]分析了神東礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，提出了保水采煤在神東礦區(qū)開展了工程實踐，指出了保水采煤的研究方向。馬立強[17]研究了淺埋煤層保水開采技術(shù)工藝。馬雄德等[18]基于煤層底板注漿加固工程，實現(xiàn)了渭北巖溶水含水層結(jié)構(gòu)保護。常金源等多位青年學(xué)者探討了保水采煤思路和方法，分析了厚煤層保水采煤的最大采高等問題[19-22]。張東升等[23]分析了新疆地區(qū)保水采煤問題。針對淺埋煤層充填開采問題，張吉雄[24]、劉建功等[25]提出了充填采煤技術(shù)方法，開展了工程實踐，實現(xiàn)了含水層保護。以上研究為西北地區(qū)煤炭科學(xué)開采提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法，在部分礦區(qū)實現(xiàn)了保水采煤目標。

20多年來，保水采煤研究成果豐碩，工程實踐屢獲得成功，在總結(jié)研究成果時不同學(xué)者從不同側(cè)面闡釋了保水采煤的基本概念，但始終不統(tǒng)一，其科學(xué)內(nèi)涵和外延也不清晰。筆者通過梳理“保水采煤”提出的歷史背景及擬解決的科學(xué)問題等，定義提出了保水采煤的概念及科學(xué)內(nèi)涵，以期完善保水采煤理論與技術(shù)體系，促進西部礦區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)。

1 保水采煤的概念

在年降水量400 mm左右的鄂爾多斯盆地北部富煤、缺水地區(qū)，水資源量有限，時空分布不均，地下水是維系區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)展、人畜用水和生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于煤層淺埋，埋藏條件優(yōu)越，適合大型機械化開采，在以往煤層開采過程中多次造成煤層上覆基巖全厚切落或?qū)严镀茐暮畬拥装褰Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)，使具有供水意義的含水層失去儲水功能，破壞水資源平衡，保水采煤技術(shù)應(yīng)用而生，其主要目的是為了在采煤過程中保護富水性較強的具有供水意義和生態(tài)價值的含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，促進煤礦區(qū)水資源供需平衡而采用的礦區(qū)規(guī)劃、礦井設(shè)計和采煤的理論與方法。

基于上述，以經(jīng)濟和社會效益最大化為目標，認為保水采煤是指：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)。

由此可知，保水采煤著眼于西部干旱半干旱地區(qū)具有供水意義和生態(tài)價值的含水層，除此之外的各類含水層均不在保水采煤研究的范疇之中；保水采煤實現(xiàn)途徑是以巖層控制理論和技術(shù)為基礎(chǔ)而研發(fā)具有抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育的采煤技術(shù)；保水采煤實現(xiàn)對象為含水層結(jié)構(gòu)和水位埋深，要求含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，或短暫失穩(wěn)后造成的水位下降在一定時間后能恢復(fù)至不影響其供水能力的范圍；保水采煤實現(xiàn)結(jié)果為優(yōu)化煤炭資源開采和水資源供需平衡之間的矛盾，達到資源開發(fā)與水環(huán)境保護協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

鄂爾多斯盆地北部第四系薩拉烏蘇組(Q3s)含水層、侏羅系燒變巖(J2y)含水層[26]和盆地南部奧陶系巖溶含水層、盆地西部及西南緣洛河組含水層均是保水采煤的保護對象。在干旱半干旱其他礦區(qū)，以河水-地下水關(guān)系為基礎(chǔ)，對維持河流基流有重要貢獻的含水層，以植被地下水關(guān)系為基礎(chǔ)，對維系地表植被演替具有明顯控制作用的含水層，及以水資源供需關(guān)系為基礎(chǔ)被確定為供水水源的地表水庫及深部含水層保護屬于保水采煤研究的外延，也應(yīng)納入保水采煤研究體系之內(nèi)。

2 保水采煤的研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵包括保水采煤的適用條件、研究內(nèi)容、研究方法、關(guān)鍵技術(shù)，以及基于礦區(qū)水資源保護目標和保護技術(shù)的采煤技術(shù)和工藝(圖1)。

2.1 保水采煤的適用條件

① 適用于干旱缺水區(qū)，保水采煤是針對毛烏素沙地的富煤區(qū)提出的，對于我國西北干旱、半干旱地區(qū)的煤礦都適用。對于東部地區(qū)具有生態(tài)價值的含水層賦存區(qū)，如邯鄲、邢臺礦區(qū)，也具有一定的適應(yīng)性；② 適用于強含水層發(fā)育地區(qū)，有中、強富水性含水層的煤礦區(qū)，這些含水層包括薩拉烏蘇組、燒變巖、洛河組含水層以及奧陶系巖溶含水層，是西北地區(qū)工農(nóng)業(yè)供水的主要水源，也是維系生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，含水層存在的生態(tài)意義重大，采煤必須保護含水層；③ 適用于采煤對含水層有影響的淺埋煤層區(qū)，這些含水層與煤層發(fā)育的空間距離近，煤層與含水層之間的隔水層厚度小，煤層埋藏淺，煤層開采對含水層結(jié)構(gòu)影響大；④ 通過規(guī)劃或技術(shù)措施，可以避免或減緩采煤對含水層結(jié)構(gòu)影響的礦區(qū)。

神東礦區(qū)的部分煤礦，煤層埋藏深度100 m左右，采煤產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶或垮落帶發(fā)育到地表，無法保護淺部含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，只能采用煤水共采的地下水庫技術(shù)科學(xué)利用水資源，與提倡含水層結(jié)構(gòu)保護的“保水采煤”內(nèi)涵有所不同。

圖1 保水采煤研究基本框架

2.2 保水采煤的研究內(nèi)容

2.2.1 地質(zhì)條件探查與識別

(1)含水層水文地質(zhì)參數(shù)研究

水文地質(zhì)參數(shù)是反映含水層或透水層水文地質(zhì)性能的指標，如滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、給水度、釋水系數(shù)、越流系數(shù)等。由于地下水賦存條件受現(xiàn)代地貌、古地理環(huán)境、含水層厚度、巖性特征等因素控制，在區(qū)域上變異性較大，這對含水層水文地質(zhì)參數(shù)的影響十分顯著。因此必須通過野外實測和室內(nèi)分析相結(jié)合，突破傳統(tǒng)方法在參數(shù)識別和反演中的不足，在積累大量原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，客觀、真實地分析含水層水文地質(zhì)參數(shù)的空間變異，對提高保水采煤效果起到事半功倍的效果。

(2)隔水層及其隔水性能研究

隔水層特性的研究，主要集中在隔水層的工程地質(zhì)條件，包括分布、厚度、物理力學(xué)性質(zhì)、隔水性、采動條件下的隔水穩(wěn)定性等[14,27]。黃土、紅土隔水層及隔水性能是榆神府礦區(qū)研究的重點。

(3)煤層與含(隔)水層空間關(guān)系研究

煤層與含(隔)水層空間組合關(guān)系是研究保水采煤的基礎(chǔ)，在確定了受保護含水層水文地質(zhì)條件、隔水層工程地質(zhì)條件和煤層賦存條件后，其組合關(guān)系為科學(xué)規(guī)劃、保水開采提供基礎(chǔ)依據(jù)。就榆神府礦區(qū)而言，煤層與含(隔)水層空間關(guān)系是“含水層在上、煤層在下，隔水巖組厚度變化大”，隔水關(guān)鍵層分布不均一(圖2)。

圖2 榆神府礦區(qū)煤層與含(隔)水層空間關(guān)系

(4)地質(zhì)條件分類分區(qū)

通過提高地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的認識，便可在宏觀上把握保水采煤的重點區(qū)域，圈定有水礦區(qū)和無水礦區(qū)，并能明確指出有效隔水層空間分布，在無水礦區(qū)鼓勵機械化高強度開采，可先行開采，有水礦區(qū)必須實行保水開采，合理劃定了保水采煤研究靶區(qū)。如王雙明等研究了煤水地質(zhì)條件，劃分了保水開采分區(qū)[11]，李文平等基于保水采煤目標，劃分了巖土體組合的5種類型，即基巖型、砂基型、砂土基型、土基型和燒變巖型，并指出砂土基型和燒變巖型有保水采煤的必要性[28]。

2.2.2 隔水層穩(wěn)定性控制

(1)巖層移動控制

巖層控制是淺埋煤層面臨的重大難題，根據(jù)淺埋煤層定義，一般認為是埋深不到150 m，基載比小于1，頂板體現(xiàn)單一關(guān)鍵層臺階巖梁結(jié)構(gòu)，工作面來壓具有動載大和臺階下沉特征，覆巖垮落具有“兩帶”特征，“兩帶”直接與含水層溝通，導(dǎo)致地下水滲漏和水位下降(圖3)。在此基礎(chǔ)上，黃慶享建立了淺埋煤層巖層控制理論和技術(shù)，為西部淺埋煤層保水開采奠定了理論基礎(chǔ)[12-14]。

圖3 單一關(guān)鍵層臺階下沉地下水滲漏機理(據(jù)黃慶享，2014，有修改)

(2)導(dǎo)水裂隙帶

導(dǎo)水裂隙帶是保水采煤的關(guān)鍵參數(shù)，是采煤是否引起含水層地下水滲漏的決定性因素，導(dǎo)水裂隙帶的影響因素較多，不僅與巖石物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與煤炭開采參數(shù)、推進速度等因素有關(guān)。研究方法主要有經(jīng)驗公式法、模擬實驗法、探測法等。其中經(jīng)驗公式多是20世紀80年代針對小采高、小采煤工作面總結(jié)的，與目前的開采技術(shù)不適應(yīng)。模擬實驗包括數(shù)值模擬和物理模擬，無論何種模擬方法，多以參數(shù)調(diào)整、“試驗”為條件開展的，因此，結(jié)果也存在一定的誤差。探測法是針對開采工作面，在采空區(qū)進行探測，實測導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，結(jié)果符合實際。目前探測法主要有鉆孔探測和地面物探，其中鉆孔探測通過實測巖石RQD值、沖洗液漏失量等間接方法判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育位置和發(fā)育程度，通過井下電視直觀觀測裂隙帶發(fā)育位置和發(fā)育強度，通過地球物理測井間接判斷巖石裂隙發(fā)育程度等，最終綜合確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度。

各個礦區(qū)都應(yīng)該根據(jù)具體的地質(zhì)條件，分析導(dǎo)水裂隙的受控因素，通過統(tǒng)計分析或理論分析后建立適于本地區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測方法和模型。

(3)隔水層穩(wěn)定性

研究表明，隔水層發(fā)生位移集中在工作面后方約50 m處，隔水層穩(wěn)定性在很大程度上受基巖運動的控制，因此提高隔水層穩(wěn)定性的途徑之一就是控制基巖關(guān)鍵層的運動。另一方面，在下沉量一定的條件下，通過合理控制頂板的運動，增加沉降區(qū)的寬度，即可減緩導(dǎo)水裂隙的發(fā)生和發(fā)展，增加隔水層穩(wěn)定性。

在導(dǎo)水裂隙高度一定的條件下，第四系黃土層和新近系紅土層的隔水性能及其與厚度之間的關(guān)系目前尚未探明，普遍采用40 m黃土層和20 m紅土層作為有效隔水層，仍需要進一步研究探索。

2.2.3 水與生態(tài)約束條件

干旱半干旱地區(qū)降水稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤礦開采必須在技術(shù)經(jīng)濟環(huán)境之間進行多目標優(yōu)化，其中水資源尤其是地下水資源和生態(tài)環(huán)境承載力是不可或缺的約束條件。

(1)水資源約束

水資源約束是指以煤礦建設(shè)運營為主的經(jīng)濟發(fā)展必須以水資源承載力為基點，優(yōu)化和合理布局，使水資源系統(tǒng)處于健康良性循環(huán)之中。水資源約束主要研究采礦活動對水文地質(zhì)條件的影響規(guī)律，分析水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件等對采礦活動的敏感性與時空變異性，構(gòu)建基于干旱與環(huán)境生態(tài)脆弱區(qū)水循環(huán)理論、環(huán)境生態(tài)與水質(zhì)多重約束和風(fēng)險分析的地下水資源評價模型，評價采礦活動對地下水資源組成和可利用資源量的影響，提出地下水保護、開發(fā)利用及調(diào)控的方法。

(2)生態(tài)約束

地下水位變化會通過調(diào)節(jié)包氣帶土壤含水率進一步影響表生植被的生長，因此生態(tài)約束的本質(zhì)要回歸到地下水位的問題上。當?shù)叵滤c植被關(guān)系密切時，地下水位變化改變包氣帶含水率影響植被生長發(fā)育，因此煤礦開采中的生態(tài)約束研究必須探索地下水與植被關(guān)系以及地下水位變化閾值。生態(tài)約束條件的研究可歸結(jié)為植被與地下水關(guān)系研究、地下水位變化閾值研究及采區(qū)地下水位變化后生態(tài)效應(yīng)預(yù)測等3個方面，根據(jù)研究尺度、研究方法的不同，植被與地下水關(guān)系研究可以通過樣方調(diào)查探討植物類型與潛水埋深關(guān)系、植物根系與潛水埋深關(guān)系、植物長勢與潛水埋深關(guān)系，也可以通過遙感影像提取植被指數(shù)，探討植被指數(shù)與潛水埋深關(guān)系。

2.2.4 保水采煤技術(shù)方法

保水采煤技術(shù)方法的研究旨在抑制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育程度，保證隔水層或地下水位的穩(wěn)定。采煤技術(shù)方法選擇，主要是調(diào)整采煤工作面規(guī)格(工作面大小及采高)和工程措施實現(xiàn)巖層控制，抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和底板破壞深度。目前采用的主要方法是控制采高、采煤工作面尺寸和推進速度，實現(xiàn)保水采煤目標。充填開采、限高開采、窄條帶開采、局部填充開采等是較為有效的保水采煤技術(shù)方法，類似的研究應(yīng)不斷持續(xù)下去。

由于在一些地區(qū)煤層底板承壓水系統(tǒng)的排泄區(qū)對維系區(qū)域生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展起到關(guān)鍵作用，此時需要將防止煤層底板突水與保水開采相結(jié)合，不能一味地通過疏排水降低水頭壓力，而是通過研究底板承壓水補排關(guān)系后，注漿改造底板導(dǎo)水裂隙，達到保水采煤效果，實現(xiàn)安全開采、含水層保護和區(qū)域生態(tài)環(huán)境維系的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.3 保水采煤的保護目標

2.3.1 含水層結(jié)構(gòu)及地下水位穩(wěn)定

含水層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是保持地下水位穩(wěn)定的前提條件，合理的地下水位埋深是生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的基礎(chǔ)，在沙漠地區(qū)，水位埋深大，植被發(fā)育狀況差，研究表明，沙漠區(qū)植被發(fā)育狀況與地下水位埋深有著直接的關(guān)系，水位埋深小于1.50 m鹽漬化，大于15 m各類沙生植被無法生長發(fā)育[11]，近期我們的觀測研究，進一步揭示了沙漠地區(qū)典型植被與地下水位的關(guān)系，地下水對沙柳蒸騰的貢獻值隨著地下水位埋深的增加而減少，當?shù)叵滤宦裆?5 cm時，貢獻率為100%；地下水埋深215 cm時，貢獻率為0%。在地下水淺埋區(qū)，地下水是沙柳蒸騰的主要水源，潛水埋深超過215 cm后地下水不再對沙柳生長提供水源，這也是沙柳對煤層開采地下水位下降的閾限。而淺埋煤層的高強度開采將直接導(dǎo)致地下水位下降和循環(huán)路徑改變[29]，因此，保水采煤區(qū)應(yīng)以含水層結(jié)構(gòu)保護為原則，以控制地下水位合理埋深為目標，維系和改善煤炭開采區(qū)(流域)的生態(tài)系統(tǒng)。

2.3.2 泉及河流基流量穩(wěn)定

泉是河流的源頭，黃河中游18%的補給來源于窟野河、禿尾河、孤山川等流域，穩(wěn)定的基流是保持河流生態(tài)健康的基礎(chǔ)[30]，這些流域也是煤炭高強度開采區(qū)，其水源多源于薩拉烏蘇組含水層，近期我們的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，榆神府區(qū)20 a來的高強度開采，已經(jīng)導(dǎo)致毛烏素沙漠東緣大量泉的衰減和干涸，原規(guī)劃的張家峁井田內(nèi)，1990年有102處泉，2006年只有15處未干涸，其余都干涸了。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，窟野河上游約50%以上的小支流干涸斷流。諸多小泉、小支流的干涸，導(dǎo)致窟野河從2000年開始衰減，2002年干涸，目前一直處于斷流狀態(tài)。因此，保水采煤區(qū)應(yīng)控制區(qū)內(nèi)泉、溪流的基本穩(wěn)定，維系河流生態(tài)系統(tǒng)健康。

在西北地區(qū)，實現(xiàn)了含水層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和泉流量的穩(wěn)定，就保護了生態(tài)環(huán)境，維系了生態(tài)系統(tǒng)。

2.4 保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度抑制技術(shù)

導(dǎo)水裂隙帶(包括隔水巖組上行裂隙和下行裂隙)高度抑制是實現(xiàn)含水層保護的途徑，采用合適的采煤方法是控制導(dǎo)水裂隙帶高度的手段，如果能有效降低煤炭開采引起的巖層擾動范圍，有效實現(xiàn)淺埋煤層巖層控制，把導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度限制在受保護目標含水層(薩拉烏蘇或燒變巖)的底界(+保護層)之下，就能實現(xiàn)保水采煤。榆神府礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶探測結(jié)果表明，在一般條件下，裂高釆厚比為20～26。在煤層埋深較大的榆神礦區(qū)中深部，理論上不存在保水采煤問題。而覆巖隔水層厚度小于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度賦煤區(qū)，就面臨著保水采煤難題。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與工作面寬度、采煤方法及煤層埋深等多種因素相關(guān)，通常采用的方法有：

① 限高或分層開采技術(shù)，針對榆神礦區(qū)厚煤層分布區(qū)，是以減小煤層釆高而實現(xiàn)降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的保水采煤技術(shù)，如榆樹灣煤礦[21]；② 減小工作面寬度，抑制導(dǎo)水裂隙帶的充分發(fā)育。如榆陽區(qū)地方煤礦開采區(qū)，通過留煤柱的方法，采用“窄條帶保水采煤技術(shù)”，實現(xiàn)保水開采；③ 條帶充填開采，充填釆空區(qū)，減小釆空空間，降低裂隙帶發(fā)育高度，如榆陽煤礦；④ 加快工作面推進速度，減少導(dǎo)水裂隙帶高度，神東礦區(qū)部分煤礦采用這類技術(shù)實現(xiàn)保水采煤目標；⑤ 無煤柱開采，消除區(qū)段煤柱導(dǎo)致的非均勻沉降，減小采動裂隙。采用110和N00工法，減小覆巖應(yīng)力集中，降低裂隙帶發(fā)育高度。

近年來，上述多種采煤方法都進行了工程實踐，抑制了導(dǎo)水裂隙帶高度，取得成效，但與煤炭資源的高回收率、低成本條件下的含水層保護，還有差距。

2.4.2 關(guān)鍵隔水層再造與含水層再造技術(shù)

關(guān)鍵隔水層隔水穩(wěn)定性是控制地下水滲漏、實現(xiàn)保水采煤的關(guān)鍵。關(guān)于實現(xiàn)關(guān)鍵隔水層的隔水穩(wěn)定性方面，部分煤礦開展了實踐與探索。如，基于黏土和黃土的性質(zhì)，開展裂隙的彌合性研究[14]，為分層限高大采高保水開采提供了理論依據(jù)；對關(guān)鍵隔水層上離層空間的注漿改造，使近水平的離層“裂隙”彌合；在關(guān)鍵隔水層位置再造一個弱透水、可保持地下水系統(tǒng)正常循環(huán)的人造隔水層，既能隔離上部薩拉烏蘇組地下水的大量滲漏，保護含水層結(jié)構(gòu)和生態(tài)水位，又能保證下部各含水層一定能力的補給來源。當然，這一技術(shù)只是設(shè)想，并沒有付諸實施。部分煤礦開展了頂板隔水層裂隙空間的注漿改造，保持隔水層的隔水穩(wěn)定性，起到了一定的作用，如神東礦區(qū)石圪臺煤礦對離層空間進行注漿改造，效果良好。

含水層再造是2006年提出的新概念和技術(shù)[31]，是基于燒變巖含水層的啟發(fā)，通過對采空區(qū)碎裂巖體進行物理隔離或改造，形成新的含水結(jié)構(gòu)，成為新的含水層，目前已經(jīng)演化為地下水庫技術(shù)。

2.4.3 底板破壞深度或強度減緩技術(shù)

渭北澄合礦區(qū)巖溶水含水層是該區(qū)工農(nóng)業(yè)用水的重要來源，也是黃河濕地的水源，其生態(tài)價值和經(jīng)濟價值異常重要。但煤礦開采，將破壞其含水層結(jié)構(gòu)，如不采取措施，可能會造成煤礦底板突水事故，降低奧陶系含水層水頭，影響礦區(qū)及附近區(qū)域生態(tài)環(huán)境。監(jiān)測表明，該區(qū)5號煤層開采底板破壞深度通常是10～15 m，在構(gòu)造薄弱地帶，破壞深度可能還會增加，為此，以董家河煤礦為代表的礦山企業(yè)，采用注漿加固底板薄弱帶，減少底板隔水層損害，實現(xiàn)了煤礦安全和巖溶含水層保護[18，31]。

2.5 保水采煤的工程實踐及效果評價

2.5.1 保水采煤的工程實踐

防治水的研究重點是地下水(含水層)對采煤的影響及防控技術(shù)，屬于被動保水采煤，目標是防治水，結(jié)果是實現(xiàn)了安全、含水層結(jié)構(gòu)保護共贏。如淮河河堤下采煤、渭北巖溶水含水層上帶壓開采等。保水采煤的研究重點是采煤對含水層結(jié)構(gòu)的影響及防控技術(shù)，屬于主動保水采煤，是基于含水層保護而采取的采煤技術(shù)變革，如榆樹灣、金雞灘、杭來灣煤礦的限高開采，榆林地方煤礦開采區(qū)改造房柱式采煤技術(shù)，設(shè)計了采12留8的窄條帶保水采煤技術(shù)，提高了采出率，也保護了水資源。神東礦區(qū)大柳塔煤礦等區(qū)域，最淺部的煤層埋深100 m左右，無法實現(xiàn)含水層結(jié)構(gòu)保護，采用了地下水轉(zhuǎn)移、儲存的方式，實現(xiàn)了煤-水共采。

2.5.2 保水采煤的效果評價

保水采煤的目標是含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、地下水位穩(wěn)定性和泉(河流)流量穩(wěn)定性，因此保水采煤效果評價也應(yīng)該對這3個方面進行，并主要對推廣保水采煤技術(shù)的礦井開展。

含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)查評價：含水層結(jié)構(gòu)的破壞，表現(xiàn)為采煤引起的導(dǎo)水裂隙帶、垮落帶發(fā)育含水層中。為此，筆者在榆樹灣、金雞灘等10余處煤礦施工了30多個探測孔，利用鉆孔巖芯RQD值、巖芯裂隙發(fā)育狀況、測井曲線判別、井下電視觀測、沖洗液消耗量等手段，綜合判斷導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育位置，探測結(jié)果表明，推廣保水采煤的榆樹灣、金雞灘、榆陽煤礦等導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一般是采高的24～27倍，未發(fā)育到含水層底部，實現(xiàn)了含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

地下水位埋深調(diào)查評價：2014年筆者對榆樹灣、榆陽等6個煤礦采空區(qū)的地下水位埋深進行了探測，共實施探測鉆孔16個，其中15個鉆孔是在采前原水文地質(zhì)鉆孔同一位置施工，收集了采前潛水水位埋深、標高數(shù)據(jù)，1個鉆孔是利用潛水水位等值線進行比較分析。探測方法是采用工程鉆機進行取心鉆井，探測到地下水位后進行不少于24 h的水位觀測，結(jié)果表明，水位變幅為-2.76～+3.89 m，水位埋深變淺的多數(shù)是地面沉降引起的埋深相對變淺?；緦崿F(xiàn)了地下水位的穩(wěn)定性。另外，小紀汗煤礦與筆者確定的自然保水開采區(qū)條件類似[11]，采煤工作面上部的觀測鉆孔水位監(jiān)測表明，水位埋深變化幅度微弱。由于地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜性，煤礦開采布局的不合理性及各種利益的糾纏，20世紀90年代初期認識的局限性，部分區(qū)域高強度采煤對地下水位的影響顯著[32]。

泉及河流基流量調(diào)查評價：2014—2015年筆者對榆神府礦區(qū)開展了采前、采后的水文地質(zhì)條件調(diào)查，收集、整理了1995年時區(qū)內(nèi)泉、井的分布及流量、水位埋深及水源地分布、地表水體分布及面積等采前水文地質(zhì)資料。2015年實地核查了所有泉的流量、井的水位和水源地運行狀況，發(fā)現(xiàn)高強度采煤區(qū)泉的數(shù)量大幅度減少，流量也衰減，地表水水體面積萎縮，河流水面也相應(yīng)縮小，部分區(qū)段出現(xiàn)荒漠化[33]。

3 保水采煤面臨的挑戰(zhàn)

目前，煤炭行業(yè)的現(xiàn)狀，是困難，也是機遇，在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整時期，調(diào)整、優(yōu)化西部礦區(qū)煤炭開發(fā)布局，淘汰保水采煤“不合適開采區(qū)域”的煤礦，加強“合適開采區(qū)域”內(nèi)煤礦建設(shè)，是煤炭工業(yè)戰(zhàn)略布局的難得機遇。但同時，也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)：

(1)研發(fā)低成本、高資源采出率的充填保水采煤技術(shù)、充填材料和工藝，仍然是保水采煤采礦技術(shù)領(lǐng)域面臨的難題；

(2)淺埋煤層巖層控制技術(shù)是含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，導(dǎo)水裂隙帶抑制是保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，控制煤層頂、底板巖層穩(wěn)定，是實現(xiàn)隔水層隔水穩(wěn)定性的前提，因此，淺埋煤層巖層控制技術(shù)盡管已經(jīng)取得重要進展，仍然有許多難題等待攻關(guān)；

(3)榆神礦區(qū)等煤層埋深較大的區(qū)域，由于采煤沉陷而產(chǎn)生的潛水位埋深變淺以及由此引發(fā)的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境問題，也是保水采煤研究需要解決的難題。

4 結(jié) 論

(1) 保水采煤的概念可表述為在干旱半干旱地區(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)。

(2) 保水采煤研究內(nèi)容包括受保護含水層的研究，隔水層及其采動條件下隔水性的研究，煤層與含水層、隔水層組合關(guān)系的研究，采動導(dǎo)水裂隙帶、底板破壞深度發(fā)育的影響因素及抑制技術(shù)研究，導(dǎo)水裂隙帶高度確定方法研究，淺埋煤層巖層控制技術(shù)等。

(3) 保水采煤工程實踐在西北干旱半干旱地區(qū)獲得了成功，但局部高強度采煤仍然造成了潛水水位的下降和井、泉干涸，影響了河流流域基流量穩(wěn)定。榆神礦區(qū)西部煤層埋藏深度大的區(qū)域，煤炭開采產(chǎn)生的地面沉降可能會引起潛水位“上升”，由此引發(fā)的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境問題以及研發(fā)低成本、高資源回收率的保水采煤技術(shù)和工藝，仍然是西北生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤面臨的重大難題。

致謝：彭蘇萍院士、武強院士、黃慶享教授審閱了本文并提出了寶貴意見，研究工作得到了王雙明教授的指導(dǎo)，撰寫過程中與馬立強教授、李濤博士及冀瑞君工程師進行了討論，在此一并表示衷心感謝！

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Scientific connotation of water-preserved mining

FAN Li-min

(ShaanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring,Xi’an710054,China)

Aim to find methods for aquifers and ecology protection in arid and semi-arid mines,the paper put forth the concept and the scientific connotation of water-preserved mining,and established its basic frame from systematical theory based on coal geology,mining conditions and strata movement characteristics in the Yushen mine area.Water-preserved coal mining applies to in arid and semi-arid coal mining areas.Its objective is to protect aquifer structures and base flow of rivers.Its major research contents include geological and hydrogeological conditions,rock movement control technology,constraint conditions both water and ecology,and key mining technique.Three basic ways,which are to refrain from water flowing fractures by controlling strata movement,to reconstruct aquicludes and remodel aquicludes by grouting,are widely adopted in water-preserved mining.Challenges facing are filling at high cost and negative environmental effects of shallower buried depths of water table in deserts due to land subsidence.Studies on water-preserved coal mining are theory base and evidence for coal mining and water resource protection in arid and semi-arid mines.

water-preserved mining;scientific connotation;rock stratum control;ecologically fragile mine

民.保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):27-35.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.5066

2016-10-14

2016-11-18責任編輯:韓晉平

國家重點基礎(chǔ)發(fā)展研究計劃(973)資助項目(2013CB227901)；陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計劃資助項目(2011TG-01)

范立民(1965—)，男，山西曲沃人，教授級高級工程師。Tel：029-87851129，E-mail：498518851@qq.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0027-09

Fan Limin.Scientific connotation of water-preserved mining[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):27-35.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.5066