论保水采煤技术体系

范立民，孙 强，马立强，李 涛，陈海富，蒋泽泉

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.六盘水师范学院 矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553004；3.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000)

随着我国西北煤炭资源的大规模开发，缺水以及由此引起的环境问题已成为西北煤炭大规模开发的主要环境制约因素。因此，西北地区煤炭开发必须保护好地下水资源，推广保水采煤技术。

“保水采煤”理念自20 世纪90 年代提出以来，经过长期研究与推广，初步形成了完善的保水采煤技术体系和方法[1-7]，保水采煤技术也成为煤炭行业科技工作者研究热点，国内多个研究团队进行了重点科学研究和工程实践。钱鸣高等[8-10]建立了绿色开采技术体系框架，将保水采煤纳入绿色开采技术体系的重要组成部分。彭苏萍等[11]提出了煤炭资源持续开发与环境保护协同发展的科学路径，认为煤炭资源大规模开发更重要的是要评估煤矿区地质环境、社会经济对煤炭开采的约束机制。王双明等[3]研究了煤层与含水层、隔水层赋存的地质条件，划分了保水开采地质条件和保水开采分区。范立民等[12-13]总结了实现保水采煤的核心要素，并提出了保水采煤的科学内涵。黄庆享等[14-16]发现浅埋煤层采动上覆岩层发生“上行裂隙”和“下行裂隙”及隔水层的弥合性，提出了隔水关键层的稳定性判据，建立了保水开采的岩层控制理论，为控制含水层结构稳定提供理论基础。马立强等[17]开发了壁式连采连充保水采煤技术方法，解决了极薄隔水层条件下含水层低损伤技术难题，可实现极近距浅表水之下煤层的保水开采。王苏健等[18]采用注浆充填改造煤层底板隔水层薄弱带的方法实现受奥陶系灰岩(简称奥灰)水威胁的煤层安全开采和保水开采。张吉雄[19]针对“三下”压煤多、矸石排放量大的突出难题，研发固体充填采煤技术，并通过工程实践实现了含水层保护。张东升等[20]分析了新疆地区保水采煤问题。王苏健等[18]基于煤层底板隔水层薄弱带注浆加固工程，实现了陕西澄合矿区董家河煤矿岩溶含水层结构的保护。武强等[21]提出了水资源排−供−生态环保三位一体的煤−水共采的理论与技术，促进了水资源保护与利用。

30 年来，保水采煤技术逐步成熟。作者团队提出的“综合保水采煤技术”，2022 年入选自然资源部《矿产资源节约和综合利用先进适用技术目录(2022 版)》，主要包括采煤对含水层损伤的评价技术、保水采煤地质条件优选分区技术和导水裂隙带发育高度预测技术等8 项保水采煤技术。笔者在论述保水采煤研究历程基础上，主要阐述8 项技术原理、适用条件及工程应用效果，以期完善保水采煤技术体系，促进西部煤矿区环境保护。

1 保水采煤发展历程及科学内涵

1.1 发展历程

“保水采煤”的科学理念自1992 年首次提出后主要经历了萌芽期、形成期、发展期、成熟期4 个发展阶段(图1)。简述如下：

图1 “保水采煤”发展历程Fig.1 Development history of “water-conserving coal mining”

(1) 萌 芽 期(1990 −1995 年)。笔 者1992 年 发表《神木矿区的主要环境地质问题》[22]一文，首次提出保水采煤科学理念，同时也提出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宏观思路。随后，我国煤炭科技工作者开始重视煤层开采对地下水损伤的研究工作。如陕西省一八五煤田地质勘探队(现陕西省一八五煤田地质有限公司，简称一八五队)在煤炭勘查阶段编制了各种分析性图件，包括煤层上覆隔水层厚度、第四系萨拉乌苏组及其含水层段厚度、1−2和2−2煤层开采导水裂隙带发育高度预测等值线图等，分析采煤对萨拉乌苏组含水层、烧变岩含水层的影响程度，是保水采煤研究早期最宝贵的基础数据。因此，该时间段为保水采煤技术的萌芽阶段。

(2) 形成期(1995−2005 年)。其标志是原煤炭工业部“九五”重点科技攻关项目《中国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水采煤与地质环境综合研究》的实施。由中国煤炭地质总局、一八五队、中国矿业大学等单位联合承担。课题组根据榆神府矿区工程地质条件特点和保水采煤的地质因素，将榆神府矿区保水采煤工程地质条件划分为5 种类型，并指出其中的沙土基型、沙基型和烧变岩型必须进行保水采煤条件论证，如果煤层开采应采取保水措施，并根据矿区内更详细的工程地质条件，研究第四系萨拉乌苏组的富水性、煤层上覆基岩及隔水层隔水性能，分析煤层开采的覆岩破坏“三带”发育高度，以保护含水层结构稳定。按照这一构想，范立民[1]提出了保水采煤的基本思路和实现途径。保水采煤技术初步形成。

(3) 发展期(2005−2010 年)。针对煤矿区含水层结构保护难题，范立民等[1,12]针对榆神府矿区沙漠地貌与黄土地貌特点，提出保水采煤要达到的目标，一是不至于造成泉水干涸或流量大幅度衰减，二是对矿区植被的生长条件不产生明显影响。基于以上指标，王双明、范立民组建了包括地质工程、生态环境、采矿工程等多学科的创新组，进行了多学科研究：一是将生态学的理论引入保水采煤研究，提出了生态水位、合理埋深等概念。按照生态水位保护原则，划分了榆神府矿区保水开采分区，定量确定了煤矿区地下水位保护的阈值，将保水采煤的研究拓展到生态环境保护领域。二是引入采矿工程学科的关键层理论。关键层理论的物理过程清晰，计算过程简洁，广泛应用于煤层采动损害研究，使其成为一个以采矿工程科学、岩石力学、水文水资源学、生态环境科学等为主的多学科研究领域，每个学科的发展都为保水采煤技术体系完善带来新的活力。其标志性成果是确定了陕北侏罗纪煤田沙漠区生态水位的合理埋深，识别了保水采煤地质条件，编绘了基于生态水位保护的区域性保水采煤方法规划图，研发了适用于陕西榆林地方煤矿的窄条带保水采煤技术并推广应用，创建了以生态水位保护为核心的矿区生态环境保护技术体系[3]。

(4) 成熟期(2011 年至今)。2011 年以来，保水采煤技术体系逐渐完善和成熟。其标志性成果：一是保水采煤技术快速发展，研发了一批保水采煤新技术。范立民等发明了保水采煤地质条件优选技术方法、煤层顶板含水层保护的采煤技术、煤层底板含水层保护的采煤关键技术等[12]。二是基于保水采煤需求，建成了涵盖陕西境内3 个大型煤炭基地全部煤矿、煤炭规划矿区的地下水智能监测预警网和信息平台[23]，实时监测监控重要含水层地下水动态。三是建立了保水采煤的标准体系，颁布了DB 61/T 1295−2019《保水采煤技术规范》[6]，填补了空白。制定了T/GRM 054−2022《保水采煤技术规范》、T/GRM 056−2022《煤矿导水裂隙带探查技术规范》等适用全国的团体标准，国家标准研制也顺利推进。四是保水采煤技术得到普遍认可。自然资源、生态环境、水利、能源等部门在相关规划、法规或审批备案文件中均体现了推广保水采煤技术的要求，并前置性要求保护含水层结构。陕西、内蒙古、山西、新疆、宁夏等省(自治区)全面推广保水采煤技术，贵州省要求因地制宜地推广保水采煤技术。内蒙古鄂尔多斯市、乌海市地下开采煤矿以及陕西、内蒙古西部的新建煤矿，全部编制“保水采煤技术方案”，全面推广保水采煤技术。

1.2 科学内涵

保水采煤科学理念提出后，主要针对我国西北地区煤炭基地开展研究，旨在实现高强度煤层开采与地下水系统保护的统一，以保护西北煤矿区地下水系统的完整性和系统性。因此，笔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的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[12-13]。

针对这一概念，保水采煤研究区主要在西北煤矿区，包括陕北、神东、黄陇、宁东、新疆5 个大型煤炭基地，保水采煤着眼于西部干旱–半干旱地区具有供水意义和生态价值的含水层，除此之外的各类含水层均不在保水采煤研究的范畴之中。保水采煤实现途径是以岩层控制理论和技术为基础而研发具有抑制导水裂隙发育的采煤技术。保水采煤实现对象为含水层结构和水位埋深，要求含水层结构稳定，或短暂失稳后造成的水位下降在一定时间后能恢复至不影响其供水能力的范围。保水采煤实现结果可缓解优化煤炭资源开采和水资源供需平衡之间的矛盾，达到资源开发与水环境保护协调统一。

鄂尔多斯盆地北部第四系萨拉乌苏组(Q3s)含水层、侏罗系延安组烧变岩(J2y)含水层和盆地南部奥陶系岩溶含水层、盆地西部及西南缘侏罗系洛河组含水层和盆地北部侏罗系直罗组含水层[24]均是保水采煤的保护对象。在干旱–半干旱其他矿区，以河水–地下水关系为基础，对维持河流基流有重要贡献的含水层，以植被地下水关系为基础，对维系地表植被演替具有明显控制作用的含水层，以水资源供需关系为基础，确定为供水水源的地表水库和深部含水层保护均属于保水采煤研究的外延，也应纳入保水采煤研究体系之内。总之，保水采煤就是要保护地下水系统的稳定，保护含水层结构的完整，保护煤矿区生态环境。

2 综合保水采煤技术及应用

自然资源部《矿产资源节约和综合利用先进适用技术目录(2022 版)》发布的“综合保水采煤技术”，主要包括采煤对含水层扰动评价技术、导水裂隙带发育高度预测技术、保水采煤地质条件分区技术、限高保水采煤技术、壁式条带充填保水采煤技术、连采连充保水采煤技术、注浆保水采煤技术、固体充填保水采煤技术等8 项技术，其技术体系框架如图2 所示。

图2 综合保水采煤技术体系框架Fig.2 Framework of comprehensive technology system of water-conserving coal mining

2.1 采煤对含水层扰动评价技术

采煤对顶板含水层的扰动评价主要是通过“三图预测法”，三图为受保护潜水含水层等厚线图(富水性分区图)、开采煤层上覆隔水层(基岩)厚度等值线图和导水裂隙带预测高度等值线图。根据三图再结合煤层上覆岩石力学性质与煤矿开采技术方法，确定具有供水价值或生态价值保护的含水层，预测、评价煤层开采对上覆含水层结构的损伤方式和影响程度。为了更准确地评价采煤对含水层扰动强度，笔者团队研发了 “五图−三带−两分区保水采煤优选方法”，利用覆岩类型分区图、基岩厚度等值线图、含水层富水性分区图、隔水层厚度等值线图和煤层厚度等值线图(“五图”)，结合导水裂隙带等采动岩(土)层渗流预测模型(“三带”)，确定采煤对地下水影响程度分区以及保水采煤技术适用性分区(“两分区”)的方法，为基于含水层保护的矿区规划和采煤技术优选提供了技术支撑。

2.2 导水裂隙带发育高度预测技术

2.2.1 预测方法

导水裂隙是煤矿突水的主要通道，也是煤矿开采损伤含水层和地下水系统的主要因素，导水裂隙发育高度预测一直是煤矿防治水研究的重点，也是保水采煤研究的热点与难点[24]。目前，导水裂隙带研究的主要方法包括钻孔和物探探测、经验公式预测、模拟实验等。

1) 钻孔探测法

钻孔可实测导水裂隙带发育高度，主要包括：

(1) 岩心观察法。观察钻孔钻进过程中各个回次采取岩心的完整性，包括裂隙发育的位置，裂隙形态及连通性，岩心岩块长度和破碎程度等，据此计算岩心完整性指标RQD 值，从而判定裂隙发育段，换算出导水裂隙带发育高度。

(2) 钻孔冲洗液消耗量法。通过钻进过程中冲洗液漏失量大小判定裂隙发育程度。一般钻进到垮落带时，冲洗液会全部漏失。钻进到裂隙发育层段，冲洗液漏失量会显著增大。与开采前附近钻孔的冲洗液消耗量进行定量对比，可较准确判定出裂隙发育层段。

(3) 孔内窥视法。利用钻孔智能全景成像测井仪，在钻孔完井后，对钻孔内的岩壁拍摄360°度数码彩色图像，裂隙发育层段在图像上有明显的显示，通过观察图像，识别裂隙发育段，确定导水裂隙带发育高度。

(4) 地球物理测井。其原理是岩层裂隙发育后，地下水漏失，物性参数会发生显著改变，如电阻率增大等。据此判定裂隙发育层段。一般选用三侧向电阻率、密度(长短源距伽马)、自然伽马、自然电位、声波时差等参数进行解释。

2) 经验公式法

在鄂尔多斯盆地北部的侏罗纪煤田，煤层近水平展布，综采条件下，利用上百个钻孔进行统计分析，发现采高小于3.0 m 时，导水裂隙带高度发育规律符合以往规范推荐的经验公式；当采高3.0～6.0 m 时，导水裂隙带发育高度一般为采高的22～28 倍，平均26.5 倍。在其他条件或重复开采时，导水裂隙带高度应在探测数据基础上综合确定。

3) 模拟实验法

主要包括相似材料模拟法和数值模拟法。相似材料模拟，是根据煤层及其围岩的物理力学性质，采用相似材料，模拟煤层开采全过程，并监测模拟条件下覆岩裂隙发育情况，确定导水裂隙带发育高度。数值模拟法是采用相关专业软件模拟开采条件，研究围岩损伤过程，判定导水裂隙带发育高度。

4) 物探解译法

主要是利用三维地震、瞬变电磁法等物探方法，在采空区进行岩层完整性、电导率等参数探测，并据此解译导水裂隙带发育层段。如袁峰等[25]探查了2 个煤矿工作面采空区的导水裂隙带发育高度，准确解释了采动覆岩裂隙发育规律。

2.2.2 发育形态

近年来，我国煤炭开采科技发展迅速，采煤工作面最大采高从20 世纪80 年代的3.5 m 增加到6.0 m 以上。一次开采8～10 m 的大采高工作面也正在实施。采煤工作面最大倾斜长度从150 m 左右发展到400～500 m；最大推进长度从1 500 m 左右发展到7 000 m 以上。采掘空间的不断增大，造成煤层顶板损伤程度的成倍增加，导水裂隙带也会相应增大。以往根据当时开采空间、开采方法总结的经验公式，显然已不再适用。现有条件下，钻孔探测无疑是一种最直接、最准确的方法，尽管投资大、施工难，但仍无可取代。

陕西榆神矿区金鸡滩煤矿首采工作面(12−2上101 工作面)斜长300 m，采高5.50 m，煤层埋深260 m，开采2−2煤层。回采4 个多月后进行钻孔导水裂隙带探测，此时，采空区地面及覆岩基本稳定。钻孔布置在开采工作面的采空区中心及靠工作面巷道内侧15 m处。探测结果，导水裂隙带高度最大112.99 m，为采高的20.54 倍；垮落带最大高度23.14 m，为采高的4.2 倍。

目前榆神矿区已实施的100 余个导水裂隙带高度探测钻孔，采高均小于6.0 m。采高大于6.0 m 的综采工作面(8.8 m 大采高工作面已投产，10.0 m 大采高工作面也正在推进)，还没有实测的导水裂隙带数据。另外，导水裂隙带高度预测并不能仅停留在统计分析和回归分析模型上，如何通过煤层开采条件下上覆岩体移动变形机理研究，建立导水裂隙带预测的理论模型，仍需要理论上的突破。

2.3 保水采煤地质条件分区技术

导水裂隙带发育规律研究的目的，是为划分保水采煤分区提供关键参数，以便合理选择开采区域、选择合适的采煤方法。

近年来，围绕煤炭开采区选择，有4 种代表性的保水采煤地质条件分区方案(表1)，而且均集中在陕北侏罗纪煤田，包括陕西境内的神东煤炭基地、陕北煤炭基地的榆神矿区。陕北煤炭基地的榆横矿区部分矿井开展了保水采煤专题研究，进行了煤层开采对萨拉乌苏组潜水含水层影响程度分区。2022 年5 月，神东煤炭基地内蒙古境内部分地下开采煤矿均编制了“保水采煤技术方案”，分煤矿划分了保水采煤地质条件分区，但没有进行全矿区(煤田)汇总。宁东煤炭基地至今未开展相关分区研究。

表1 保水采煤主要分区方案Table 1 Statistics on water-conserving coal mining division scheme

目前，保水采煤地质条件分区技术日益完善，但多数基础数据源于钻孔数据，采煤地质条件分区技术为不同区域保水开采方法和工艺选择提供了依据。

2.4 限高保水采煤技术

研究表明，采高越大，裂隙带发育高度越大，导水裂隙带发育高度和煤层采高呈正相关关系。因此，限高保水采煤技术指通过限制煤层开采高度，抑制裂隙带发育高度，使之不会发育到受保护含水层中，实现保水采煤目标。

限高保水开采适用于煤层厚度大(一般大于10 m)、一般无法一次采全高的区域，且煤层上覆含水层富水性较强，具有供水和生态价值，采用传统采煤技术难以达到含水层结构保护的需求。例如，煤层厚度较大的区域、垮落带偏高的切眼地段、仰上开采的终采线地段以及松散层底部局部强富水性的地段等。

陕西榆树湾煤矿侏罗系延安组含煤5 层，其中2−2煤层为主采煤层，煤层厚度11 m，如果采用综采一次采全高采煤法，虽然其生产效率较高，但上覆岩层破坏严重，矿山压力较为明显，导致导水裂隙带持续向上发育，使含水层、隔水层不同程度破坏。该矿受保护的萨拉乌苏组含水层，其下部发育有黏土隔水层和侏罗系基岩弱富水含(隔)水层。萨拉乌苏组含水层平均厚度14.5 m，黏土隔水层平均厚度89 m，煤层上覆基岩厚度115～160 m(其中侏罗系直罗组82.9～20.7 m，风化基岩23.64～11.60 m，延安组77.39～94.73 m)。在此背景下，榆树湾煤矿通过试验不同采高导通萨拉乌苏组含水层后，采煤造成的地下水漏失程度来确定合理的采高。若一次采全高、全部垮落法管理顶板，榆树湾煤矿45%以上区域的萨拉乌苏组潜水将漏失，对含水层损伤程度严重。当采高为5 m 左右，大部分区域可实现含水层结构保护，达到保水开采目标。榆树湾煤矿设计采高为5.50 m，目前已开采20 个工作面。现场实测结果表明，采空区只有部分下行裂缝，采动引发的导水裂隙带未发育到上部萨拉乌苏组含水层，实现了限高保水采煤。毗邻的杭来湾煤矿，301 盘区10 个综采工作面，采用限高保水采煤技术，对于10 m 厚的2−2煤层，只开采上部的4.80 m，实现了保水采煤目标。

榆神矿区2−2煤层厚度大，其中厚度大于10 m 的区域约1 000 km2，限高(分层)保水采煤技术在榆神府矿区无疑是一种适宜的保水采煤技术。但煤层开采上部一部分后，下部留下来的煤层何时开采、如何开采以及开采对萨拉乌苏组潜水含水层结构的影响，将是分层限高保水采煤技术面临的技术难题。

2.5 壁式条带充填保水采煤技术

壁式条带充填保水采煤技术是指根据巷道煤柱对顶板的约束条件、煤柱压力大小计算开采条带的极限跨度[28]，采用极限平衡理论求解煤柱宽度，保证开采条带锚杆支护的可靠性，同时通过理论分析对开采可行性、条带采动影响进行试验，并在开采活动后对采空区进行充填。由此，通过减小工作面尺寸控制煤柱稳定性和岩层的长期稳定，达到保水采煤目的(图3)。

图3 壁式条带充填开采原理Fig.3 Schematic diagram of wall strip filling mining principle

以榆神矿区某矿为例，井田面积4.82 km2。矿井主采3 号煤层，煤层稳定，结构简单，局部含一层厚度0.09～0.60 m 的泥岩夹矸，平均厚度5.35 m，煤层平均埋深130 m。基本顶为中细粒长石石英砂岩，厚4.48～33.20 m。直接顶以砂质泥岩为主，岩石空间分布连续性好，裂隙不发育，富水性及渗透性差，为抗拉、抗压强度大的半坚硬−坚硬岩石，属Ⅱ类中等垮落顶板。底板为泥岩、粉砂岩，厚0.10～9.28 m，岩石空间分布稳定，结构简单，抗压强度大，不易造成底鼓现象。萨拉乌苏组含水层是区内主要受保护含水层。按照采高为5.35 m，第一阶段“采7 m、留13 m”进行充填开采；第一阶段开采过后，对剩余13 m 煤柱，按“采7 m、留3 m”方案进行充填开采，实现了保水采煤目的[29]，该方法既可以提高地方煤矿机械化、智能化水平，又可以保持采空区煤岩柱的长期稳定，开采损害程度小，矿压显现弱，将覆岩裂隙发育控制在一定范围，从而具有良好的含水层保护效果。

2.6 连采连充保水采煤技术

连采连充保水采煤技术，是将长壁开采体系和房柱式连续快速采煤技术相结合，建立了“多支巷布置、采充并行”的开采新模式[30-31]。利用管路泵送充填，将充填材料密实充入始终受到保护的采场支巷约束空间内。在充填的同时，掘进另外一条充填巷，实现工作面“掘巷出煤，巷内充填”循环作业的胶结充填开采目的。该技术尤其适用于受保护目标含水层与煤层间距极近或开采“三下”等特殊条件下的煤层。

该方法在开采块段采用负压式通风，回采巷道按正常壁式采煤工作面布置，大断面宽巷掘进采煤，开采后的宽巷进行充填。该方法结合了旺格维利采煤法和宽巷充填采煤法的优势，将传统的柱式采煤法转变为高效的壁式连采连充采煤法，实现了高效采煤、整体支护和主动充填接顶一体化，解决了极薄阻隔层低损伤控制问题，可有效控制浅表水资源流失和生态环境保护。在长壁开采区段，开采支巷按照旺格维利法布置，进行多轮跳采，始终保持多条支巷充填和采煤同时作业的“连采连充”高效开采模式(图4)。开采前，将回采块段沿倾斜或垂直于运输巷的方向划分为多个开采(采煤)支巷，并将支巷划分为多个开采阶段。按开采顺序间隔开采支巷，每条支巷开采后立即密实填充。下支巷在上支巷充填作业的同时开采，在采场内形成“连采连充”保水开采模式，直至采场内所有支巷采充完毕。

图4 连采连充保水采煤技术模式[32]Fig.4 Continuous mining and filling and water-conserving coal mining mode[32]

据不完全统计，采用连采连充采煤技术已在内蒙古裕兴煤矿、陕西金牛煤矿、山东孙村煤矿等多个矿井进行了成功应用。但由于该技术工作面产能较低、固废处理能力有限，在一定程度上限制了其在大型矿井的推广。

2.7 注浆保水采煤技术

当保护强富水性目标含水层或地表水体时，可以根据采矿地质条件，设计注浆钻孔参数，采用地面或井下充填泵及充填管路，以黏性土(黄土)、粉煤灰、水泥等不会对地下水造成污染的浆体材料进行离层、帷幕、底板注浆充填，最终实现目标含水层(水体)结构保护。以离层注浆为例，其充填如图5 所示。

图5 离层注浆充填Fig.5 Schematic diagram of grouting filling of the bed separation

以澄合矿区董家河煤矿为例[22]，5 号煤层下距奥灰顶界面30～40 m，奥灰水压约1.0 MPa。为防止工作面小断层、裂隙及采动影响对底板的破坏，22508 工作面针对底板富水异常区采用黄土–水泥充填材料注浆，水泥按水灰比1∶1 制成浆液后与黄土浆混合，其用量占黄土浆液的20%～30%，密度为1.17～1.21 g/cm3。22508 工作面施工钻孔82 个，完成注浆量52 378 m3。注浆结束后，经过工程实践，工作面回采过程未损伤煤层底板岩溶含水层，工作面的涌水量比预测量下降了90%以上，达到了注浆保水目的。

注浆保水采煤技术还可用于隔水层隔水性能再造，即在采前或采后，对采煤损伤的隔水层层位进行注浆，重塑隔水性，再造隔水层，实现含水层水位恢复，达到保水采煤目标。目前，榆神矿区曹家滩煤矿等正在进行工业性试验。

2.8 固体充填保水采煤技术

固体充填保水采煤技术是目前充填开采技术中的典型代表，其是在传统综合机械化采煤技术的基础上演化而来，该技术可以同时进行采煤和充填并行作业[33]。与传统综采技术不同的是，固体填充开采技术增加了固体垂直投料系统以及位于填料支架后部的压实系统，可以安全高效地将地面充填材料输送到工作面的采空区。将煤矸石、粉煤灰、露天矿渣等矿山固废作为充填材料密实充填到采空区，通过控制上覆岩层移动变形，降低覆岩导水裂隙带发育高度，达到保水采煤的目的。近年来，随着煤矿开采条件的变化和保水采煤技术发展，先后形成了掘巷充填采煤技术、普通机械化固体充填采煤技术、综合机械化固体充填采煤技术、采选充一体化固体充填采煤技术等。最近笔者在编制榆神矿区四期规划区某煤矿“保水采煤技术方案”中，提出了“阶梯式固体充填保水采煤技术方法”，采用不同的充实率探索含水层结构保护效果，寻求最小充实率条件下保水开采途径。

固体充填采煤技术关键设备包括采煤设备与充填设备。其中采煤设备主要有采煤机、刮板输送机等；充填设备主要有多孔底卸式输送机、自移式充填转载输送机、充填采煤液压支架等。充填开采液压支架是综合机械化固体充填开采工作面核心装备之一(图6)，可实现在同一液压支架掩护下采煤与充填并行作业。

图6 固体充填采煤液压支架结构原理Fig.6 Schematic diagram of hydraulic support structure for solid filling coal mining

目前该技术已在大型河堤、强富水含水层等条件下的多个矿区实现了安全保水采煤，其主要采用“等价采高模型”分析、评价充填岩层移动控制效果(图7)。

图7 等价采高模型Fig.7 Equivalent mining height model with backfill

等价采高Hz的计算公式如下：

式中：hz为充填采煤未充填高度，m；H为实际采高，m；k为充填体的松散系数；k'为充填体的压实系数。

随着东部煤炭资源的日趋枯竭，该技术应用在西部高强度开采条件下，充填材料的高效运输、高效充填、保水采煤的适用性及工程效果等需开展进一步研究。

3 结论

a.针对我国西北部生态脆弱矿区高强度采煤区矿山开采活动对地下水环境的影响，需要控制含水层结构稳定，最终实现煤炭开采和环境保护之间的协调统一。

b.通过阐述“保水采煤”发展历程，总结并给出了其科学内涵，使保水采煤理论与技术体系不断完善，保水采煤是通过目标含水层研究，针对不同地质条件分区采用不同的保水采煤技术手段，保护具有供水意义和生态意义的含水层。

c.建立了综合保水采煤技术体系，包括采煤对含水层扰动评价技术、导水裂隙带发育高度与形态预测技术、保水采煤条件分区优选技术等8 项技术，为煤炭绿色开采面临的工程问题提供技术选择和完善的技术体系。