范立民：带你了解保水采煤

范立民：带你了解保水采煤

近年来，保水采煤一词频繁出现在各类科技期刊，许多读者对这一新词语也许并不太了解，今天，我就来为大家解读保水采煤问题。

◎为什么要开展保水采煤研究

保水采煤是随着神府煤田开发出现的环境问题而提出的。1982年发现的神府煤田，以资源储量巨大、煤质优良、开采条件简单、区位优势明显而成为国家煤炭工业战略西移的首选基地，煤田面积超过1万平方千米，总资源量超过1000亿吨，煤层埋藏深度从地表出露到800米，其中神木、府谷县一带煤层深度不超过300米。煤层厚度15~20米，单层厚度3~5米，最厚12.49米。煤层稳定，数百平方千米内很少有断层、褶皱，煤层倾角小于3度，基本处于缓缓向北西倾斜的单斜构造，非常适合机械化开采。1985年开始开发，1996年第一个现代化矿井大柳塔煤矿建成投产，2018年生产原煤4.56亿吨，而且还在快速增长，成为我国最重要的煤炭基地。

然而，就是这样一个大煤田，却地处毛乌苏沙地与黄土高原的接壤地带，气候干旱，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，在黄土高原地带，降雨多以地表径流方式流失，在沙漠地带，降雨入渗到砂层中，形成了本区唯一具有生态价值和供水意义的潜水含水层。由于气候干旱，水资源贫乏，本区地表植被稀疏，生态环境脆弱，长期的监测发现，在毛乌素沙漠地区，植被发育状况与地下水位埋深关系密切。

图1 水位埋深小于3米的植被发育状况

图2 水位埋深大于10米后的植被发育状况

煤田开发初期，出现了矿井突水并引起附近潜水水位下降和植被枯萎，煤炭开发对生态环境的损害开始显现。1990年4月20日，一处地方煤矿在掘进巷道过程中，发生了顶板冒落和突水溃沙事故，致使附近的饮马泉流量锐减，地下水水位迅速降低，导致沙漠地区典型的沙柳、沙蒿等枯萎、死亡。

随着煤田开发进程加快，引发了一系列矿山环境问题，并成为社会关注热点。2006年陕西省人民政府在“陕北神木生态环境治理有关问题的报告”指出：2004年全县煤矿塌陷面积27.72平方千米，受灾人口3612人，损坏房屋2160间，损坏水浇地、旱地、林地等共计41500公顷，由于采煤引起了矿井水害和地下水严重渗漏，区内已有数十条河流断流，数百处泉眼干涸，水体、湿地面积严重萎缩，地表植被枯萎等现象（图3）。据估算，窟野河流域每生产1吨煤炭损耗约0.6立方米的地下水水资源，1999-2013年窟野河衰减流量达2.28亿立方米，窟野河已变为季节河，水资源供需矛盾不断加剧，影响到河流生态功能、供水能力等河流健康指标。

图3 沙漠采空区地面塌陷及植被死亡现象（2006年摄）

为此，1992年作者在《神木矿区的主要环境地质问题》一文提出了煤田开发中应将采煤、保水和生态环境保护作为一个系统工程统一规划的思路。同期，韩树青、范立民等提出在萨拉乌苏组地下水丰富的区域，应该采用充填开采技术，达到保护地下水的目的。

◎什么是保水采煤

通俗的说，就是在西北缺水地区的煤炭开采过程中，保护好地下的含水层，使含水层不受采煤扰动而发生开裂、错断现象，从而地下水的生态功能、供水功能，促进生态脆弱矿区的环境保护。

从专业角度，作者给出保水采煤的概念是：在干旱半干旱地区煤层开采过程中，通过控制岩层移动维持具有供水意义和生态价值含水层（岩组）结构稳定或水位变化在合理范围内，寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术。

◎如何实现保水采煤

2005年，作者提出保水采煤的实现途径有两个，即通过合理选择开采区域和采用合适的采煤方法，实现保水采煤目标。合理选择开采区域，就是要分析论证各个区域煤层开采对潜水含水层的影响程度、影响方式，影响大的区域，暂缓开采，影响不大的区域或不影响的区域，优先开采。采用合适的采煤方法，主要是针对影响不大的区域，通过工程措施，减轻采煤对含水层的影响，实现煤炭开采与含水层保护统一。

在合理选择开采区域方面，王双明院士带领的团队，2010年就编绘了我国第一幅基于保水采煤的采煤方法规划图（图4），为区域性采煤区域选择、采煤方法调控提供了科学依据。

图4 榆神府矿区保水采煤方法规划示意图（据王双明、范立民，2010）

在采用“合适的采煤方法”方面，王双明院士等国内多个团队研发了一系列新技术，主要包括充填保水采煤技术、限高保水采煤技术、窄条带保水采煤技术等，针对华北型煤田底板岩溶含水层，还研发了底板注浆加固保水采煤技术。

充填保水采煤技术，就是在煤炭开采过程中，随时对采空区进行充填，以免采空区顶板岩层发生破断，影响含水层。与此类似的还有采充并行保水采煤技术、离层注浆保水开采技术等。

限高保水采煤技术，是对于厚度大的煤层，以减小一次开采厚度，降低开采过程中对顶板损伤程度的新技术。榆神矿区榆树湾煤矿等2-2煤层，厚度11米，首次开采只开采5.5米，实现了上覆潜水含水层的保护。

窄条带保水采煤技术，是针对采矿权面积不规则且面积有限的矿井，按照长壁工作面部署，房柱式开采的一种采煤方法，榆林市地方煤矿采用这一技术，与原来房柱式采煤方法比较，提高了回收率，也没有影响上覆含水层。

底板注浆加固保水采煤技术，是针对华北型煤田底板岩溶水含水层保护而研发的，以陕西澄合矿区为例，5号煤层开采与底板岩溶水含水层距离只有25~30米，遇到小断层发育、底板破碎带等地段，采煤底板扰动就发育到含水层，造成矿井突水和水文下降，因此，对于底板破碎地段和断层发育区域进行注浆加固，是保护岩溶含水层的有效方法。澄合矿区已经形成了成熟的技术，并进行了多年的保水开采实践，效果良好。

上述保水采煤技术已经在西北各煤炭基地得到了较好的推广应用，取得了良好的效果。

◎如何检验保水采煤的效果

保水采煤的目标是保护含水层，实现煤炭采空区含水层结构的稳定和完整，其表现形式是煤层顶板导水裂隙带没有发育到含水层底部，含水层的水位埋深没有发生显著变化，矿区的泉、河流流量没有大幅度衰减。针对这三个关键参数，我们在部分煤矿开展了探测验证和调查分析。

一是导水裂隙带发育高度，在榆树湾、杭来湾、榆阳、金鸡滩等煤矿实施了十余个钻孔，探测导水裂隙带发育高度，探测结果表明，导水裂隙带发育高度是采高的24倍左右，均没有发育到潜水含水层。

二是含水层地下水水位埋深，在榆树湾、金鸡滩以及榆林市地方煤矿进行了16个钻孔，采用汽车钻探测潜水水位埋深，探测钻孔设置在原来有准确水位埋深（原先有钻孔）的位置，探测结果表明，推广保水采煤技术的开采区，水位变化幅度最大下降2.76米，一般不超过2米，多数在1米以内，属于正常的季节性变化。而窟野河流域煤层埋藏特别浅的区域，如大柳塔煤矿，采用地下水库技术建成了收集、利用矿井水和大气降水的地下水库，地下水库的水，通过分质分别用于饮用水、自来水、绿化用水和中水（卫生间使用）等，实现了煤-水共采。

图5 范立民与团队成员在野外

三是泉流量动态变化，我们系统调查了榆神府矿区的泉，秃尾河流域部分泉有衰减，但衰减幅度不超过10%，基本保持了河流基流量的稳定。窟野河流域泉的衰减现象明显，这与煤层埋藏深度有关。

遥感监测表明，煤炭开发前，榆神府矿区植被覆盖度约10%左右，目前已经超过50%，煤炭开发与地下水资源保护、生态环境保护实现了协调统一。

◎保水采煤还有哪些难题

目前，保水采煤还面临很多难题，如充填开采是保水采煤的最佳途径，几乎适合于所有西部矿区，然而，充填材料选择、充填工艺优化、充填成本控制仍然不尽人意。在保水采煤的关键参数——导水裂隙带高度预测方面，还没有与现代采煤技术对应的经验公式或模型。在多煤层开采对含水层扰动机理、特大采高（一次开采8米及以上）条件下，岩层控制技术及导水裂隙带发育机理，也亟待研究。在毛乌素沙漠等西北荒漠化煤炭基地，植被发育对地下水的依赖关系还没有彻底解决。在煤层埋藏较深的区域，煤层开采引起地表下沉而潜水水位相对抬升引起的生态效应，也是一个需要研究的课题。

因此，保水采煤还有许多难题需要破解，期待煤炭科技工作者继续努力，为占我国煤炭资源储量73%、产量约70%的西北干旱半干旱矿区煤炭科学开采提供技术保障，促进西北煤炭基地生态文明建设。

◎延伸阅读

如果您还想更详细的了解保水采煤的来龙去脉和解决方案，可阅读以下文献：

王双明，黄庆享，范立民，等.生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护[M].北京：科学出版社，2010.

范立民，马雄德，蒋泽泉，等.保水采煤研究30年回顾与展望[J].煤炭科学技术，2019，47（7）：1-30.

范立民，马雄德. 保水采煤理论与实践[M].北京：科学出版社，2019.（2019年9月出版）。

（作者单位：矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室/陕西省地质环境监测总站）