范立民丨保水采煤技术解读

随着鄂尔多斯盆地煤炭工业的快速发展，保水采煤成为煤炭行业无法回避的一个新课题，经过30年的持续研究和工程实践，已经形成了较为完善的保水采煤技术体系。随着榆神矿区三期规划区开发提速，四期规划区的即将开发，保水采煤再次受到关注。为此，我们一起了解保水采煤的相关进展。

 

◎为什么要研究保水采煤问题

 

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年发现的陕北侏罗纪煤田，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。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，2021年生产原煤5.52亿吨，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、2）。

           

 

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，引发了一系列矿山生态环境问题，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，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年范立民提出了采煤要保护萨拉乌苏组含水层结构的科学理念和建议。

 

       ◎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结构，使含水层不受采煤扰动而发生开裂、错断现象，从而保护地下水的生态功能、供水功能。

 

        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，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，前提是做好矿区总体规划。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。

 

       2010年王双明、范立民等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。值得说明的是，榆神矿区三、四期规划区绝大部分处于自然保水开采区，即无需采用工程措施，高强度采煤条件下，即可实现萨拉乌苏组含水层结构保护的目标。

 

 

图4 榆神府矿区保水采煤方法规划示意图

 

 

        在采用“合适的采煤方法”方面，包括中国矿业大学矿业工程学院在内的多个团队研发了一系列保水采煤新技术。

 

       ◎保水采煤技术有哪些？

 

       保水采煤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、隔水层再造保水开采技术等，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。

 

       保水采煤地质条件分区预测技术，范立民教授是最早开展保水采煤地质条件分区技术研究的学者，1998~2019年先后划分了四版保水采煤地质条件分区，并形成了“三图预测”分区技术。马立强教授发明了保水采煤的“五图-三带-两分区”预测技术。分区预测技术的完善，为包括榆神矿区三、四期规划区的开发提供了理论依据和技术支撑。

 

       限高保水采煤技术，是对于厚煤层，以减小一次开采厚度，降低顶板损伤程度的新技术。榆神矿区榆树湾、杭来湾、金鸡滩煤矿等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。最近新核准的榆神矿区郭家滩煤矿，也要求推广应用限高保水采煤技术。范立民团队近期研发了加大开采厚度的保水采煤技术。

 

      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，以免扰动含水层。与此类似的还有采充并行保水采煤技术、连采连充保水采煤技术、离层注浆保水开采技术等。

 

      条带充填保水采煤技术，是按照长壁工作面部署，条带式采、充的一种采煤方法。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，采区煤炭资源回收率可提高到90%以上，同时保护了萨拉乌苏组含水层结构。

 

      侧方注浆隔离保水采煤技术，主要是针对采煤工作面附近有重要含水层或地表水体的区域，采取注浆帷幕方法，隔离含水层或水体，实现采煤工作面边侧含水层（水体）保护。如张家峁煤矿在工作面边侧实施注浆帷幕，防止常家沟水库地表水通过烧变岩强透水层涌入矿井，实现保水采煤目标。西湾露天煤矿在东边帮附近实施注浆帷幕，保护了东侧烧变岩含水层地下水。

 

       隔水层再造保水开采技术，针对部分区域煤层覆岩厚度下，缺失土层隔水层或土层隔水层厚度较小的区域（天窗），在采煤的同时，对“天窗”区或关键层附近离层进行注浆加固，再造隔水层，实现保水采煤目标。

 

      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、底板破碎带等地段注浆加固，保护岩溶含水层，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。

 

       一是探测导水裂隙带发育高度。榆树湾、杭来湾、榆阳、金鸡滩等煤矿实施了十余个钻孔，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。

 

       二是探测采空区地下水水位埋深。榆树湾、金鸡滩煤矿以及榆林市地方煤矿进行了16个钻孔，推广应用保水采煤技术的矿井，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，实现煤-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，但衰减幅度较小，保持了河流基流量的稳定。

 

       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。

 

来源：绿色能源世界   作者：范立民