西北高强度采煤区保水采煤研究现状

范立民

（1.陕西省地质环境监测总站，西安 710054；2.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，西安 710054）

·水文地质·工程地质·环境地质·

西北高强度采煤区保水采煤研究现状

范立民1，2

（1.陕西省地质环境监测总站，西安 710054；2.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，西安 710054）

为总结我国西部地区保水采煤技术发展现状，基于最新文献分析，全面阐述了保水采煤的概念及其地质分区、采煤技术与工艺和环境效应等方面的进展。保水采煤是趋于研究地下水和生态环境阈限的采煤方法；导水裂隙带发育高度探测方法研究仍在进行，在地震勘探、钻探、模拟等方面均有发展；充填开采在顶、底板保护中应用广泛；尽管矿区地下水位变化剧烈，但区域地质环境尚未发生根本变化。保水采煤研究是我国干旱半干旱矿区煤炭开采与水资源保护的理论基础和依据。

保水采煤（保水开采）；生态水位；导水裂隙带；充填开采

0 前言

近年来，煤炭科学开采[1]、精准开采[2]的科学技术体系初步形成，作为科学开采有机组成部分的保水采煤，是针对我国西北地区生态环境脆弱、富煤、缺水的实际而提出的。1992年作者提出了煤炭开采需要保护萨拉乌苏组地下水的问题，并进行了长期研究和推广应用，初步形成了保水采煤的技术体系和方法[1-11]。保水采煤成为我国西北地区煤炭工业健康发展的研究热点，国内多个团队开展了相关研究和实践，他们研究了保水采煤区煤层、含（隔）水层组合类型、保水采煤的地质条件分区、关键隔水层隔水稳定性及失稳再造、导水裂缝带等关键参数及其影响因素、岩层控制基础理论和煤-水资源共采等问题，同时开展了保水采煤区开采过程中围岩变形过程的监测、预报，并研究了以充填保水采煤技术为主的新技术，这些研究促进了西北煤矿区的含水层结构保护。

2017年1月23日在线出版的《煤炭学报》以“保水采煤的理论与实践”为主题，发表了26篇代表性论文，全面论述了西北高强度采煤区保水采煤研究进展。本文以此为基础，结合最近几年的文献，阐述了保水采煤研究在概念、科学内涵、围岩控制等基础理论与工程实践领域的新进展。

1 保水采煤的概念及其相关问题研究

1.1 保水采煤的概念

保水采煤的理念是保护含水层结构，促进含水层结构的稳定性和生态水位埋深的稳定性。鉴于西北地区脆弱的生态环境和地表植被系统对地下水埋深的敏感性[6，12]，在采煤条件下，控制地下水位的合理埋深，某种意义上就保护了生态系统，促进了矿区植被的正常发育生长。而地下水位埋深的控制，需要通过控制采煤区岩层移动量和顶底板裂缝发育来实现，因而，导水裂缝带成为保水采煤的关键技术参数。为此，我们给出了保水采煤的概念是：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[4]。

1.2 保水采煤的生态约束

2010年王双明等开展了保水采煤技术研究，发现毛乌素沙地植被发育与地下水埋深有一定的关系：合理生态地下水位埋深为1.5～5.0 m，水位埋深大于5 m植被出现病态，水位埋深大于15 m后，多数植被无法生长发育，据确定的保水采煤保水程度是控制采煤区地下水位下降，埋深控制在5 m以内[6]。

随后，马雄德等观测了沙柳对地下水位埋深的敏感性，构建沙柳根系吸水条件下的地下水流方程，分析沙柳生长对地下水位下降幅度的阈限。通过气象要素、地下水、土壤水与沙柳蒸腾量的动态变化规律监测，建立地下水变化与植被蒸发、散发关系模型，模拟沙柳蒸腾对高强度采煤地区地下水位变化的响应特征。发现沙柳的日蒸腾量有受气象要素控制的特点，并在每日12时前后出现两次极值，水位埋深越浅，变化越显著。随着地下水位埋深的增加，地下水对沙柳蒸腾的贡献值减少。当地下水位埋深15 cm时，贡献率为100%；地下水埋深大于215 cm时，贡献率为0%。在地下水位埋深较浅的区域，地下水是沙柳蒸腾的主要水源，地下水位埋深大于215 cm后，地下水不再对沙柳生长提供营养水源，这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限[12]。

因此，保水采煤的生态约束，可依据上述研究确定，对于沙柳密集生长区，地下水位埋深应该控制在215 cm以浅。对于沙柳、沙蒿、小叶杨、旱柳等发育区，地下水位埋深控制在5 m以浅，无论采用何种采煤方法，以控制地下水位埋深不大于5 m是保水采煤的极限值，同时，也可以保护泉流量的基本稳定和河流健康[13]。

1.3 保水采煤的水量约束

保水采煤必须考虑两个指标，除保持植被正常发育所需的地下水供给外，还要保持泉流量的稳定和河流的健康基流。本区地下水获得大气降水补给后，大部分以基流形式补给到河流，河流两侧水位越高则河流基流量越大。杨泽元等（2003）根据秃尾河流域多年径流资料、基流量及流域地下水动态建立了水位-基流量变量统计关系：

ΔQ=1.0464ΔH+0.2595

ΔQ为河流基流量的变化量，m3/s；ΔH为地下水位变化量均值，m。

2014～2015年调查发现，本区泉数量、总流量衰减幅度大，尤其是窟野河流域更为显著，潜水位下降大于8 m的区域超过658 km2，折合河流基流量减少8.63 m3/s，使部分大泉及泉群干涸，溪流断流。

按照黄委会的统计（2003），秃尾河的年均径流量占黄河中游河口-龙门段黄河黄河径流量的11.78%，其年均基流量占该段总基流量的17.45%。由此可见，榆神府矿区窟野河、榆溪河等对黄河基流量的贡献不容小觑，煤层开采过程中必须重视地下水位变化的研究，以维持河流基流量，保证河流生态系统和入黄流量。

1.4 保水采煤的隔水层再造

隔水层的稳定性是实现保水采煤的关键[14]，通过采动区隔水层或覆岩注浆改造、离层注浆等可恢复隔水层的隔水性，或者抑制导水裂缝带发育高度，限制导水裂缝带上界进入含水层，实现隔水稳定性。三趾马红土是一种分布较广的隔水层，尤其在榆神府矿区，萨拉乌苏组含水层下多有分布，为萨拉乌苏组含水层下的隔水层或水系径流的下垫层，是保水采煤的关键隔水层。李文平等研究分析了三趾马红土分布、物理-水理-力学性质，采用钻孔原位压水试验、水-土相互作用试验、蠕变渗透测试等，研究了三趾马红土采动破裂前后及其采后应力恢复蠕变的隔水性能变化规律，发现三趾马红土隔水性能受采动破坏后，具有很好的自我恢复功能，并从其地质结构组成、水-土相互作用及其流变特性方面，解释了三趾马红土隔水性自恢复机理[15-16]，为隔水层再造提供了依据。

1.5 煤-水双资源开发与共采

根据我国煤-水资源的逆向分布特征，为了解决煤炭开采、水资源供给、环境保护之间的尖锐矛盾，实现水害防治、含水层结构保护与水资源利用、环境友好的多赢目标。张建民等[17]构建了煤-水仿生共采模式，按照“隔离-导流-控制”的基本思路、提出“隔离层控制”原理和开采“地下水漏斗聚集”的调控效应，构建了分区设计、隔离重构、仿生控制为核心的煤-水仿生共采技术体系，开发了“压裂-开采-注浆”开采隔离保护工艺、地下水汇集调控技术，是地下水库技术体系的有机组成部分[18]。武强[2]在阐述煤-水双资源型矿井概念与内涵的基础上，提出了根据矿井主要可采煤层的充水水文地质条件，优化开采方法和参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、人工干预水文地质条件、充填开采等煤-水双资源型矿井开采技术方法，并以兴源煤矿为例，提出了松散含水层下薄基岩区房式保水开采技术方案，建立了煤房“固支梁”力学模型，提出了基于让压理论的煤柱设计方法，修正了屈服煤柱上覆载荷计算公式。结果表明，采6留5、采5留5、采5留4等方案，具有可靠的安全系数。

2 保水采煤的科学内涵

保水采煤研究内容包括西北地区含（隔）水层水文地质工程地质条件、组合类型研究，隔水层隔水性及采动稳定性研究、采煤产生的导水裂缝带发育高度与探测评价技术研究，导水裂缝带抑制技术即保水采煤技术，浅埋煤层岩层控制技术研究等[4]。目前常用的保水采煤技术包括限高保水开采、分层保水开采、窄条带保水开采及充填保水采煤技术等，在地表水体或烧变岩强富水体附近采煤，合理留设保水煤柱，不仅实现含水层（水体）保护，也最大限度开采煤炭资源。

保水采煤工程实践在我国西部干旱半干旱地区部分煤矿得到了推广应用，获得了成功，但在局部高强度采煤条件下，仍然造成了地下水水位的下降，并造成井泉干涸和河流断流。在煤层埋藏深度较大的区域，高强度开采产生的地面沉降可能会引起地下水潜水位“上升”，由此引发的地质环境问题和新一代保水采煤技术工艺，仍然是保水采煤研究面临的挑战[4]。

3 保水采煤条件分区与岩层控制

3.1 保水采煤的地质条件分区

3.1.1 煤层与含（隔）水层组合类型

保水采煤的实现，首先要查明煤层、含水层与隔水层的空间组合关系，确定受保护的含水层，研究含水层上下隔水层工程地质条件及其与煤层的赋存关系，科学划分保水采煤地质条件分区，采用适宜的采煤方法（保水采煤技术）实现含水层结构保护。针对作者关注的榆神府矿区，识别出四种煤层与含（隔）水层空间组合类型，即孤立小型含水盆地型煤水组合、较强含水层下无隔水层型煤水组合、含水层隔水层共生型煤水组合和烧变岩型煤水组合，每种组合类型都有不同的保水开采条件，也需要采用不同的保水采煤技术[4]。

3.1.2 导水裂缝带高度预测

导水裂缝带是西北地区保水采煤研究的关键参数，利用经验公式无法准确预测其高度。近年来采用物理模拟、数值模拟较好的预测了其高度，而采用探测方法更能直观的判定其发育位置并计算其值。探测方法包括钻孔探测、红外探测、地震勘探等，探测发现榆神矿区某采煤工作面导水裂缝带最大发育高度为118 m。

李涛等[19]基于生态潜水位保护，对采煤土层保护厚度进行研究，分析了采动潜水位越流变化机理，采用水-电相似模拟技术，模拟了不同残余土层厚度和物性条件下潜水位变化规律。研究结果表明：煤炭开采，越流水位差越大，隔水土层残余隔水能力越差，采动潜水位降深越大。研究区典型地质条件下，采动残余42.6 m厚离石黄土或21.0 m厚保德红土，潜水位可保持在生态水位[7]，水-电模拟与理论研究结果相吻合，并得到工程验证。

孙学阳等[20]总结了保水采煤研究中覆岩导水裂缝带高度的确定方法，即通过理论分析法、经验公式法、现场实测法、相似材料模拟和数值模拟法等，其中现场探测法是目前较准确确定榆神府矿区导水裂缝带高度的方法，妙军科、蒋泽泉等[21]的探测结果表明，在榆神矿区，导水裂缝带高度一般为采高的24～27倍，部分煤矿可达30倍，还编绘了导水裂缝带高度等值线图[11]。赵兵朝[22]从能量释放角度探讨了浅埋煤层开采导水裂缝带形成机理，建立了导水裂缝带高度最大高度的预测模型，建立了基于概率积分法的保水开采识别系统，对保水开采具有实用价值。马立强等[23]采用红外技术探测采空区覆岩破裂状况，为新技术探测导水裂缝带高度开辟了新途径。来兴平等[24]、蒲海等[25]研究了采动裂隙岩体导水及水沙两相流的流动特征，对于浅埋煤层开采的突水溃沙、地下水渗漏研究具有理论意义。张发旺等[26]分析了矿区水文地质研究现状，提出了研究方向，为保水采煤提供了理论基础。

3.1.3 保水采煤地质条件分区

保水采煤地质条件分区的依据是地质环境条件，即煤层、含水层、隔水层及其空间组合关系，尽管影响因素很多，但其关键参数是导水裂缝带高度与煤层覆岩隔水层厚度，二者比较进行科学划分。近年来，有多种划分方法和方案。

王双明等[6]认为榆神府矿区煤层开采导致萨拉乌苏组地下水位下降，地表生态退化，控制地下水水位是保水采煤的核心，研究表明，当煤层上覆隔水层厚度≥33～35倍采高时，煤层开采不会导致水位下降；煤层上覆隔水层厚度≤18倍采高时，煤层开采必然导致水位下降；18～35倍采高时，可采取技术措施实现保水开采。据此，划分了榆神府矿区保水开采条件分区，分为无水开采区、可控保水开采区、保水限采区、自然保水开采区等4个区。值得提及的是，2016年8月作者在榆横矿区小纪汉煤矿调查发现，该煤矿采空区5个钻孔历时18个月的地下水位监测，地下水波动范围很小，实现了自然保水开采，该煤矿位于榆神府矿区自然保水开采区的西南部，分区界限顺延属于自然保水开采区。

孙亚军等[9]研究了神东矿区保水采煤地质条件，根据含水层、隔水层及煤层的地质条件及空间赋存关系，划分出弱富水区、泉域水源地区、烧变岩富水区、厚基岩区和薄基岩区，不同区域采用不同的采煤技术方法，实现保水采煤目标。

张东升等[8]选取含水层（水体）与煤层间距、红土隔水层厚度及其与煤层间距、黄土隔水层厚度及其与煤层间距、基岩和风化带厚度、煤厚、硬岩比例系数、泥岩厚度等影响导水裂缝带高度、覆岩结构及含水层分布因素，确定了各因素的量化指标，建立矿区环境工程地质影响的多元信息综合评判模型，在此基础上，建立矿区环境工程地质模式，将神南矿区划分为环境渐变恢复区、环境渐变恶化区和环境灾变区，这些分区与保水采煤关系密切。同样在神南矿区，蒋泽泉等[11]剖析了过沟开采保水采煤的影响因素，根据过沟开采对地下水的影响，划分识别出地表径流漏失和汇流区地下水漏失两大类，其中汇流区细分为突水溃沙区、突水区、渗漏区和保水开采区。这些成果为神南矿区保水开采提供了科学依据。

3.2 浅埋煤层的岩层控制

黄庆享教授经过长期研究，建立了浅埋煤层岩层控制的理论与技术体系，认为隔水层的稳定性是保水开采岩层控制的理论基础[27]。针对榆神府矿区煤层、含水层赋存条件，通过物理模拟和地表变形实测分析，认为浅埋煤层隔水岩组的稳定性主要受“上行裂隙”“下行裂隙”发育的影响，采动裂缝带的导通性决定着隔水岩组的隔水稳定性。黄庆享教授建立了“上行裂隙带”发育高度和“下行裂隙带”发育深度的计算模型，以隔水岩组厚度与采高之比（隔采比）为指标，提出了保水开采分类方法，为西部浅埋煤层保水开采岩层控制提供了理论依据。

4 充填保水采煤技术与工艺

充填保水采煤技术适应于西部所有煤矿，但鉴于充填成本及适宜性，开展了大量基础研究和应用试验。

4.1 顶板含水层保护的充填采煤技术

李猛、张吉雄等[28]为解决顶板含水层的突水问题，提出了基于固体充填保水开采方法，分析了固体充填开采覆岩裂隙演化特征，并基于固体充填保水开采导水裂缝带高度预计公式，结合“三下采煤规程”，建立了含水层下固体充填开采临界充实率计算模型，设计了受顶板含水层影响煤层的充实率，以五沟煤矿CT101充填工作面为例，实测充采质量比平均值为1.32，大于理论值1.28，充填效果较好，且导高仅为10.0 m左右，有效地降低了覆岩导高，可实现顶板含水层结构保护下的安全采煤。郭文兵等[29]以五沟煤矿CT101充填工作面为例，通过理论分析、数值模拟和钻孔探测，分析了该工作面隔水层隔水稳定性，结果表明，当采高3.5 m，矸石充填率为85%时，关键层未破断，隔水关键层保持完整，可实现顶板含水层结构保护；下行裂隙具有弥合性，实测下行裂隙深5.5 m，上行裂隙高6.41～11.85 m，剩余隔水层厚度17.38～23.97 m，工作面可实现保水开采。鲁亮[30]研究了充填置换保水采煤技术在山东某煤矿的应用，工作面注浆充填后，涌水量显著降低，有效保护了地下水资源。

榆阳煤矿是榆神府矿区唯一开展了充填保水采煤技术应用的矿井，其工程背景是由于榆阳煤矿与榆林市城市规划重叠，为了保护榆林市供水水源地的安全和促进城市规划的实施，将榆阳煤矿外迁，并给予两年的过度期，过渡期必须实行保水采煤技术。为此，刘鹏亮等[31]研究了机械化充填采煤技术，以风积沙为骨料，以碱激发粉煤灰为胶结剂，质量分数63%～75%的料浆初始流动度为190～280 mm，自流倍线突破14.9；充填体力学性能可以满足承载上覆岩层需求。工业试验表明，采空区充填率达98.5%，工作面无明显来压现象，地表最大下沉38 mm，施工的探测钻孔，地下水位无变化，实现了保水开采，有效保护了萨拉乌苏组含水层结构稳定性，为西北矿区保水采煤提供了适宜的技术途径。但由于充填成本较高，推广受到一定的限制，因此，研发低成本、高效率充填采煤技术和工艺，仍然是西北浅埋煤层保水采煤面临的重大难题。

4.2 底板含水层保护的充填采煤技术

王苏健等[32]、马雄德等[33]以澄合矿区董家河煤矿为研究基地，针对薄隔水层低承压灰岩含水层突水及由此引起的生态水位下降问题，采用数值模拟、现场实测、数理统计等方法，综合剖析采动底板裂隙带发育规律，研发了以黄土为基料的注浆材料，开展了底板注浆加固工程实践，有效实现了岩溶含水层上部隔水层的加固，保护了岩溶含水层，使渭北地区湿地水源、岩溶大泉得到保护，降低矿井涌水量90%以上，高强度开采未造成半干旱地区生态湿地退化。

5 采煤区地下水漏失量及其环境效应

5.1 采煤区地下水漏失量

赵春虎等[34]针对榆神府矿区煤炭开采对地下水扰动定量化程度较低的问题，通过地下水动力学方法，得出采掘扰动形成的煤层上覆基岩冒落带、裂缝带、弯曲带及地面沉陷区的空间尺度是控制地下水损失的主要因素，其扰动面积越大、冒裂带高度越高、弯曲带保护层渗透能力越强，则地下水损失量越大；提出了覆岩导水裂缝边界化，弯曲带渗透能力分区，地面沉陷区重新剖分的采掘扰动影响下地下水系统数值评价模型，以内蒙古神东矿区补连塔煤矿为例，计算得出开采引起萨拉乌苏组地下水损失量为1.90×104m3/d。虎维岳[35]研究了浅埋煤层顶板含水层充水水源，由脉动式静储量释放与渐增式动态补给量共同组成，并给出了随矿井采掘过程进行的渐进式矿井涌水量时空动态预测方法。

侯恩科等[36]研究了神南矿区烧变岩含水层特征，基于烧变岩含水层保护问题，阐述了烧变岩的分布、地下水动力学特征和富水性分区，提出了烧变岩地下水可通过采空区储水、地下水库存储和地表灌溉三种“异地储存”途径实现水资源利用。采用数值模拟方法，计算了采动引起的烧变岩地下水损失量，对于烧变岩富水区保水采煤具有重要意义。

5.2 采煤地下水漏失区的环境效应

西北地区高强度采煤造成地下水渗漏，改变了萨拉乌苏组地下水的径流途径，使原以基岩界面或土层隔水层顶界面为径流下垫面的浅层地下水，径流深度加大到开采煤层底界，原本含水的萨拉乌苏组变为透水层，从而导致地下水位的下降和河流基流量的衰减、地表水体萎缩，地质环境变异，高强度开采区在没有人工干预条件下出现沙漠化[37-40]。据遥感监测，榆神府矿区水体面积呈现持续下降趋势，1990-2001年及2001-2011年间的减少率分别为17.73%和22.39%，湿地面积是先增大后减小，即1990-2001年湿地面积增加了65.91%，2001年至2011年间，湿地面积减少了50.92%。气候变化、高强度采煤和水源地修建（包括修建水库）等是水体湿地萎缩的主要因素，其中采煤对其萎缩的贡献率约为37.5%[39]。同时，浅埋煤层高强度开采，还造成地面塌陷、地裂缝发育，损毁土地和土壤，土壤含水率降低，肥力损失，失去耕作价值，高强度采煤造成了诸多环境问题[38-40]，因此，科学开采、保水开采、适度开发西北生态脆弱区的煤炭资源，仍然是煤炭工业调整面临的难题。

6 结论

近年来，保水采煤在理论与实践方面都取得了新进展：一是厘定了保水采煤的概念和科学内涵，使保水采煤的理论体系得到完善；二是针对西北沙漠区保水采煤的水位埋深控制，有了新认识，其中水位埋深大于215 cm后，地下水对沙柳不再有水源供给；三是研究了保水采煤地质条件分区，分别对榆神矿区、神南矿区、神东矿区、哈密煤田等区域的保水采煤地质条件进行了分区，划分了榆神府矿区突水溃沙危险性分区；四是给出了保水采煤的关键参数——导水裂缝带高度的预测、探测方法和探测结果；五是丰富了浅埋煤层岩层控制理论，开展了以风积沙（采空区充填用）、黄土（煤层底板注浆加固用）为骨料的充填材料研究，进行了充填保水采煤工程实践，并取得成功；六是完善了浅埋煤层区煤-水共采的理念和技术体系，对隔水层再造问题进行了深入研究；七是对高强度采煤条件下浅层地下水漏失量、矿井涌水量进行了定量预测和计算，分析了西北生态脆弱矿区采煤引起的环境效应。

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Water-preserved Mining Status Quo in Northwest China Intensively Coal Exploited Area

Fan Limin
(1.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring,Xian,Shaanxi 710054；2.)

To summarize water-preserved mining status quo in northwest China,on the basis of updated research paper analysis,fully expounded progress on aspects of water-preserved mining concept and its geological partitioning,mining technology,techniques and environmental effect.In water-preserved mining has tendency to study thresholds of groundwater and ecological environment;prospect⁃ing method for water conducted zone height is still going on;seismic prospecting,drilling and numerical simulation are all developing; stoping-and-filling method is widely applied on roof and floor preservation;although mining area groundwater level has violently var⁃ied,but fundamental changes of regional geological environment have not yet taken place.The water-preserved coal mining study is theoretical principle and basis for coal mining and water resource protection in the country’s arid and semi-arid mining areas.

water-preserved mining;ecological water level;water conducted zone;stoping-and-filling mining

TD821；X14

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.09

1674-1803(2017)03-0044-06

陕西省科学技术推广计划项目《陕北保水采煤技术示范推广》（2011TG-01）资助；陕西省公益性地质调查项目《榆神矿区采动地质环境调查与监测网建设》资助

范立民（1965—），男，山西曲沃人，教授级高级工程师。

2017-02-15

责任编辑：樊小舟