保水采煤的科学内涵.pdf

第 4 2卷第 1 期 2 0 1 7年 1 月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI N A CO AL S 0C I ET Y V0 】 ． 42 No ．1 J a n ． 2 0 1 7 范立民． 保水采煤的科学内涵[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 7 ， 4 2 1 2 7 - 3 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j c c s ． 2 0 1 7 ． 5 0 6 6 F a n L i m i n ． S c i e n t i f i c c o n n o t a t i o n o f w a t e r p r e s e r v e d m i n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 7 ， 4 2 1 2 7 - 3 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j c n k i ． j c c s ． 2 0 1 7 ． 5 0 6 6 保 水采煤 的科学 内涵 范 立 民 陕西省地质环境监测 总站 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 为保护干旱半干旱矿 区含水层及 生态系统 ， 通过 阐述榆神矿区矿床地质 、 开采条件、 岩层移 动特征等 ， 从 系统论角度提 出了保水采煤的概念和科 学内涵 ， 并构建 了保 水采煤研究基本框架。认 为保水采煤适用于干旱半干旱缺水矿区， 目标是保护含水层结构和河流基流量基本稳定 ； 主要研究 地质条件、 岩层移动控制技术、 水与生态约束条件和保水果煤关键技 术； 技 术途径 包括控制岩层移 动抑制导水裂隙带发育、 隔水层再造和注浆改造 隔水层等。低成本充填技 术和沙漠 区地 下水位相 对变浅后的环境效应是保水采煤研 究面临的挑战。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。 关键词 保水采煤 ； 科学 内涵； 岩层控制； 生态脆弱矿区 中图分类号 T D 8 2 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 7 0 1 0 0 2 7 - 0 9 S c i e nt i fic c o nn o t a t i o n o f wa t e r - pr e s e r v e d mi ni n g F AN L i mi n S h a a n x i I n s t i t u t e of G e o E n v i r o n m e n t Mo n i t o r i n g， Xi ’ a n 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a Ab s t r a c t A i m t o fi n d me t h o d s f o r a q u i f e r s a n d e c o l o g y p r o t e c t i o n i n a r i d a n d s e mi a ri d mi n e s ， t h e p a p e r p u t f o r t h t h e c o n c e p t a n d t h e s c i e n t i fic c o n n o t a t i o n o f wa t e r - p r e s e r v e d mi n i n g， a n d e s t a bl i s h e d i t s ba s i c fra me fro m s y s t e ma t i c a l t h e o r y ba s e d o n c o a l g e o l o g y， mi n i n g c o n di t i o ns a n d s t r a t a mo v e me nt c h a r a c t e ris t i c s i n t h e Yu s h e n mi n e a r e a ． W a t e r p r e s e r v e d c o a l m i n i n g a p p l i e s t o i n a ri d a n d s e m i a r i d c o a l mi n i n g a r e a s ． I t s o b j e c t i v e i s t o p r o t e c t a q u i f e r s t r u c t u r e s a n d b a s e f l o w o f r i v e r s ． I t s ma j o r r e s e a r c h c o n t e n t s i n c l u d e g e o l o g i c a l a n d h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ， r o c k m o v e m e n t e o n t r o l t e c h n o l o g y ， c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s b o t h wa t e r a n d e c o l o gy ， a n d k e y mi n i n g t e c h n i q u e ． T h r e e b a s i c w a y s ， w h i c h a r e t o r e fra i n fro m wa t e r flo wi n g fra c t u r e s b y c o n t r o l l i ng s t r a t a mo v e me n t ， t o r e c o n s t r u c t a qu i c l u d e s a nd r e mo d e l a q ui c l u d e s b y g r o u t i n g， a r e wi de l y a d o pt e d i n wa t e r - pr e s e r v e d mi n i ng ． Ch a l l e n g e s f a c i ng a r e fil l i n g a t h i g h c o s t a n d ne g a t i v e e n v i r o n me n t a l e f f e c t s o f s h a l l o w e r b u ri e d d e p t h s o f wa t e r t a b l e i n d e s e rt s d u e t o l a n d s u b s i d e n c e ． S t u d i e s O i l wa t e r - p r e s e rve d c o al mi n i n g a r e t h e o r y b a s e a n d e v i d e n c e f o r c o a l mi n i n g a n d wa t e r r e s o u r c e p r o t e c t i o n i n a r i d a n d s e mi a ri d mi ne s ． Ke y wo r d s w a t e r p r e s e r v e d mi n i n g ； s c i e n t i fi c c o n n o t a t i o n； r o c k s t r a t u m c o n t r o l ； e c o l o g i c a l l y fra g i l e mi n e 我 国西部煤矿区水环境 问题是 目前研究 的热点 领域， 针对这一热点和全国煤炭开采的普遍问题， 钱 呜高建立了绿色开采技术体系 ， 促进了煤炭工业 健康发展 。彭苏萍等研究了我 国煤炭资源 与水资源 的区域性特征， 提出了基于可持续发展的煤炭开发路 径 ] 。武强等从矿井水防控与资源化利用角度， 提 收稿 日期 2 0 1 6 1 0 1 4 修 回 日期 2 0 1 6 - 1 1 1 8 责任编辑 韩晋平 基 金项目 国家重点基础发展研究计划 9 7 3 资助项 目 2 0 1 3 C B 2 2 7 9 0 1 ； 陕西 省科学技术推广计划资助项 目 2 0 1 1 T G O 1 作者简介 范立 民 1 9 6 5 一 ， 男 ， 山西 曲沃人 ， 教授级高级工程师。T e l 0 2 9 8 7 8 5 1 1 2 9， E - m a i l 4 9 8 5 1 8 8 5 1 q q ． c o m 2 8 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年第4 2 卷 出了减轻含水层结构破坏 的“ 开采技术 ” _ 4 J 。谢克 昌等 研究 了能源金三角发展战 略， 提出 了基于水 资源承载力的煤炭产能阈限。谢和平等 提出了我 国煤炭的科学开采和科学产能 问题及技术路径。顾 大钊 研究 了神东矿 区水资源保护与利用 。这些研 究从理论和技术上支撑了煤炭的科学开发 ， 促进 了西 部矿区水环境问题的科学解决 。 针对鄂尔多斯盆地北部开发初期 出现 的水环境 问题 ， 1 9 9 2年范立 民、 韩树青等提出了保水采煤思路 和方法 J ， 并在随后多年的煤 田水文地质勘探中， 开 展了保水采煤基础研究 。1 9 9 5年首次使用 “ 保水 采 煤” 一词 ， 并 识别 了保水 采煤地 质条件 分类分 区指 标 ， 基于榆神府区高强度采煤中的水资源保护进行 了 卓有成效的研究 ， 王双明等划分了保水开采地质 条件和保水开采分区， 建立 了基于生态水位保护的保 水开采技术体系 。黄庆享发现 了浅埋煤层采动覆 岩“ 上行裂隙” 和“ 下行裂隙” 及隔水层其弥合性 ， 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 了理论基 础 。缪协兴等 ] 、 白海波等 分析 了神东矿 区 水文地质结构 ， 提出了保水采煤在神东矿区开展 了工 程实践， 指出了保水采煤的研究方向。马立强 研 究了浅埋煤层保水开采技术工艺。马雄德等 引 基 于 煤层底板注浆加固工程 ， 实现了渭北岩溶水含水层结 构保护。常金源等多位青年学者探讨 了保水采煤思 路和方法 ， 分析 了厚煤层保水采煤的最大采 高等 问 题 _ 】 。张东升 等 分析 了新疆地 区保水采煤 问 题 。针对浅埋煤层充填开采问题 ， 张吉雄 _ 2 、 刘建功 等 提出了充填采煤技术方法 ， 开展了工程实践 ， 实 现了含水层保护。以上研究 为西北地区煤炭科学开 采提供 了理论基础和技术方法 ， 在部分矿区实现了保 水采煤 目标 。 2 0多年来， 保水采煤研究成果丰硕， 工程实践屡 获得成功 ， 在总结研究成果时不同学者从不同侧面阐 释了保水采煤的基本概念 ， 但始终不统一 ， 其科学 内 涵和外延也不清晰。笔者通过梳理“ 保水采煤” 提 出 的历史背景及拟解决的科学问题等， 定义提出了保水 采煤的概念及科学内涵 ， 以期完善保水采煤理论与技 术体系， 促进西部矿区的生态文明建设。 1 保水采煤的概念 在年降水量 4 0 0 IT I IT I 左右的鄂尔多斯盆地北部 富煤、 缺水地区， 水资源量有限， 时空分布不均 ， 地 下水是维系区内工农业 发展 、 人畜用水 和生态环境 的物质基础。由于煤层浅埋 ， 埋藏条件优越 ， 适合 大型机械化开采 ， 在 以往煤层开采过程 中多次造成 煤层上覆基 岩全厚 切落或 导水裂 隙破坏含 水层底 板结构失稳 ， 使具有供水意义 的含水层失去储水功 能 ， 破坏水资源平衡 ， 保水 采煤技术应用 而生 ， 其主 要 目的是 为 了在采 煤过程 中保护 富水性较 强 的具 有供水意义和生态价值 的含水层 结构稳 定 ， 促进煤 矿 区水资源供需平衡 而采用的矿区规划 、 矿井设计 和采煤 的理论与方法 。 基于上述 ， 以经济和社会效益最大化为 目标 ， 认 为保水采煤是指 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 。 由此可知， 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； 保水采煤实现结果为优化煤 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 Q S 含 水层 、 侏罗系烧变岩 J y 含水层 钊和盆地南部奥 陶 系岩溶含水层 、 盆地西部及西南缘洛河组含水层均是 保水采煤的保护对象。在干旱半干旱其他矿区， 以河 水一 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 ， 及 以水资源供需 关系为基础被确定为供水水源的地 表水库及深部含 水层保护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。 2 保水采煤的研究 内容及关键技术 保水采煤 的科学内涵包括保水采煤的适用条件 、 研究内容 、 研究方法、 关键技术 ， 以及基于矿区水资源 保护 目标和保护技术的采煤技术和工艺 图 1 。 2 ． 1 保水采煤的适用条件 ① 适用于干旱缺水区， 保水采煤是针对毛乌素 沙地的富煤 区提出的 ， 对于我国西北干旱 、 半干旱地 区的煤矿都适用。对于东部地区具有生态价值的含 水层赋存区 ， 如邯郸 、 邢 台矿 区， 也具有一定 的适应 性 ； ② 适用于强含水层发育地区， 有中 、 强富水性 含 第 1 期 范立民 保水采煤的科学内涵 2 9 水层的煤矿区， 这些含水层包括萨拉乌苏组、 烧变岩、 洛河组含水层以及奥陶系岩溶含水层 ， 是西北地区工 农业供水的主要水源 ， 也是维系生态 系统 的物质基 础， 含水层存在 的生态意义重大 ， 采煤必须保护含水 层 ； ③ 适用于采煤对含水层有影 响的浅埋煤层区， 这 些含水层与煤层发育的空间距离近 ， 煤层与含水层之 问的隔水层厚度小 ， 煤层埋藏浅 ， 煤层开采对含水层 保 水 采 煤 技 术 研 究 基 本 框 架 结构影响大 ； ④ 通过规划或技术措施 ， 可 以避免或减 缓采煤对含水层结构影响的矿区。 神东矿区的部分煤矿， 煤层埋藏深度 1 0 0 m左 右 ， 采煤产生的导水裂 隙带或垮落带发育到地表 ， 无 法保护浅部含水层结构稳定 ， 只能采用煤水共采的地 下水库技术科学利用水资源 ， 与提倡含水层结构保护 的“ 保水采煤” 内涵有所不 同。 科 学 问题 研 究 方 向 研 究 内容 研 究方 法 r 一一一一一⋯ r ⋯⋯一-●一一⋯⋯一一⋯⋯一一⋯一一I 一一一一一⋯一一⋯一 地质 条 件 探 测 识 别 岩 层 移动 控 制 技术 水 与 生态 约 束 条件 保 水 采煤 技 术 方法 地 层结 构 探 测技 术 水 煤 空 间 关 系分 析 地 质条 件 分 类分 区 项 板结 构 分 析建 模 载 荷传 递 规 律分 析 生 态环 境 约束 水位 水 质 约束 顶 板含 水层 结 构 保护 底 板 含 水层 结 构保 护 地 质 勘 探资 料 整理 及 编 图 地 表变 形 远 程 监测 监 控 岩层 移 动 变 形动 态 临测 导 水裂 隙 带 物 理探 测 井 下 排水 水 质 监 测 与评 价 植 被 地 F水 关 系 原位 实 验 岩层 移 动物 理模 拟 装置 矿 区水 资源 调查 与 评价 地 下水 流 数 值 模拟 与预 测 岩层 移 动变 形 数 值 分析 保 水采 煤 方 法 分 区编 图 保水 采 煤 工程 实 践 数据 采 集 数 据 分析 保 水 采煤 技 术 方法 保 水 采煤 理 论 体系 与 工程 实 践 图 1 保水采煤研究基本框架 F i g ． 1 Re s e a r c h f r a me w o r k o f wa t e r p r s e r v e d mi n i n g 2 ． 2 保水采煤的研究内容 2 ． 2 ． 1 地质条件探查与识别 1 含水层水文地质参数研究 水文地质参数是反映含水层或透水层水文地 质 性能的指标 ， 如渗透系数 、 导水系数 、 给水度 、 释水 系 数 、 越流系数等。由于地下水赋存条件受现代地貌 、 古地理环境、 含水层厚度、 岩性特征等因素控制， 在区 域上变异性较大， 这对含水层水文地质参数的影响十 分显著。因此必须通过野外实测和室内分析相结合， 突破传统方法在参数识别和反演 中的不足， 在积累大 量原始数据的基础上， 客观、 真实地分析含水层水文 地质参数的空间变异 ， 对提高保水采煤效果起到事半 ，● ， ‘ ●● 、， ●● 1● L r ， L r● ， L r t， ●， 【， ● ●● 1 ● ●一 ，， ， ●● ●， f ● ●● ● ● 1 3 F 1 9 4 f 2 5 41 0 2 5 0 J J 0 0 5 0 ， I 43 f 4 0 2 4 } i 9 45 9 57 8 V 4 3 3 3 8 2 8 [ ] 一葛 t } 固 于 I f j ， 身 i 囡 々水 a} 孤 O 0 5 k m J 3 一 宁 Ⅱ V 4 3 3 5 O t - ． ． ￡ 1 9 4 1 5 0 、 l I f f I 7 5 1 ￡ 4 3 f f 、 ⋯ ⋯～ 7 上 ～ 一 I 0 f 5 k f1 1 L ～ ⋯。 I “ 4 3 0 2 8 7 6 ‘ ’ 较 水 }、 止％水 水 ， } 天系 , l l I I 9 3 7 7 S 、， 8 0 0 ． ． ‘ ⋯ ～ 寸 粤 。 ⋯ _ I l J _t 4 f 2 8 J 9 45l }f J } J Z ； T 、 r ， 0 ’ 一 l 1 ， { J y I 0 ， 1 l 一 I1 Y E }3 一 一一 一 一 一 一 V T ；y [ ；广 广 m l ，。 偷冲柑∥ 水 审『 『 IJ 天 系 咄 l r e l a t i o n s i fi p ] le l , e, , n 一 窝 第 1 期 范立民 保水采煤的科学内涵 3 1 4 地质条件分类分区 通过提高地质 、 水文地质条件 的认识 ， 便可在宏 观上把握保水采煤的重点区域 ， 圈定有水矿区和无水 矿 区， 并能明确指出有效隔水层 空问分布 ， 在无水矿 区鼓励机械化高强度开采， 可先行开采， 有水矿区必 须实行保水开采， 合理划定了保水采煤研究靶区。如 王双明等研究了煤水地质条件， 划分了保水开采分 区_ l ， 李文平等基于保水采煤 目标 ， 划分 了岩土体组 合的 5种类型， 即基岩型、 砂基型、 砂土基型、 土基型 和烧变岩型 ， 并指出砂土基型和烧变岩型有保水采煤 的必要性 。 2 ． 2 ． 2 隔水层稳定性控制 1 岩层移动控制 岩层控制是浅埋煤层面临的重大难题 ， 根据浅埋 煤层定义 ， 一般认为是埋深不到 1 5 0 m， 基 载 比小 于 1 ， 顶板体现单一关键层台阶岩梁结构 ， 工作面来压具 有动载大和台阶下沉 特征， 覆岩垮落具有“ 两带 ” 特 征 ， “ 两带” 直接与含水层沟通 ， 导致地下水渗漏和水 位下降 图 3 。在此基础上 ， 黄庆享建立了浅埋煤层 岩层控制理论和技术 ， 为西部浅埋煤层保水开采奠定 了理论基础 。 含水 层 裂 隙带 垮 落 带 采 空 区 图 3 单一关键层 台阶下沉地下水渗漏机 理 据黄庆享， 2 0 1 4 ， 有修改 F i g ． 3 Gr o u n d wa t e r l e v e l c h a n g e me c h a n i s m wh e n k e y l a g e r b r e a k 2 导水裂隙带 导水裂隙带是保水采煤的关键参数 ， 是采煤是否 引起含水层地下水渗漏的决定性因素 ， 导水裂隙带的 影响因素较多 ， 不仅与岩石物理力学性质有关 ， 还与 煤炭开采参数 、 推进速度等因素有关 。研究方法主要 有经验公式法 、 模拟实验法 、 探测法等。其 中经验公 式多是 2 O世纪 8 0年代针对小采高 、 小采煤工作面总 结的 ， 与 目前 的开采技术不适应 。模拟实验包括数值 模拟和物理模拟， 无论何种模拟方法， 多以参数调整、 “ 试验” 为条 件开展 的 ， 因此 ， 结 果也存在 一定 的误 差。探测法是针对开采工作面， 在采空区进行探测， 实测导水裂隙带的发育高度， 结果符合实际。目前探 测法主要有钻孔探测和地面物探 ， 其中钻孔探测通过 实测岩石 R Q D值 、 冲洗液漏失量等间接方法判断导 水裂隙带发育位置和发育程度， 通过井下电视直观观 测裂隙带发育位置和发育强度 ， 通过地球物理测井间 接判断岩石裂 隙发育程度等 ， 最终综合确定导水裂隙 带发育的高度 。 各个矿区都应该根据具体的地质条件， 分析导水 裂隙的受控因素， 通过统计分析或理论分析后建立适 于本地 区的导水裂隙带发育高度预测方法和模型。 3 隔水层稳定性 研究表 明， 隔水层发生位移集 中在工作面后方约 5 0 m处 ， 隔水层稳定性在很 大程度上受基 岩运动的 控制 ， 因此提高隔水层稳定性的途径之一就是控制基 岩关键层的运动。另 一方面 ， 在下沉量 一定 的条 件 下， 通过合理控制顶板的运动， 增加沉降区的宽度， 即 可减缓导水裂隙的发生和发展 ， 增加 隔水层稳定性。 在导水裂 隙高度一定的条件下 ， 第 四系黄土层和 新近系红土层 的隔水性能及其与厚度之间的关 系 目 前 尚未探明， 普遍采用 4 0 m黄土层和 2 0 m红土层作 为有效隔水层 ， 仍需要进一步研究探索。 2 ． 2 ． 3 水与生态约束条件 干旱半干旱地 区降水稀少 ， 生态环境脆弱 ， 煤矿 开采必须在技术经济环境之间进行多 目标优化 ， 其 中 水资源尤其是地下水资源和生态环境承载力是不可 或缺的约束条件 。 1 水资源约束 水资源约束是指以煤矿建设运营为主的经济发 展必须 以水资源承载力为基 点 ， 优化和合 理布局 ， 使 水资源系统处于健康 良性循环之 中。水资源约束主 要研究采矿活动对水文地质条件的影响规律 ， 分析水 文地质参数 、 边界条件等对采矿活动的敏感性与时空 变异性 ， 构建基于干旱 与环境生态脆 弱区水循环 理 论 、 环境生态与水质多重约束和风险分析的地下水资 源评价模型 ， 评价采矿活动对地下水资源组成和可利 用资源量的影响， 提 出地下水保护、 开发利用及调控 的方法。 2 生态约束 地下水位变化会通过调节包气带土壤含水率进 一 步影响表生植被的生长， 因此生态约束的本质要回 归到地下水位的问题上 。当地下水与植被关 系密切 时， 地下水位变化改变包气带含水率影响植被生长发 育， 因此煤矿开采中的生态约束研究必须探索地下水 与植被关系以及地下水位变化阈值。生态约束条件 的研究可归结为植被与地下水关系研究 、 地下水位变 化阈值研究及采区地下水位变化后生态效应预测等 3个方面 ， 根据研究尺度 、 研究方法的不 同， 植被与地 下水关系研究可 以通过样方调查探讨植物类 型与潜 3 2 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年第4 2 卷 水埋深关系、 植物根系与潜水埋深关 系、 植物长势与 潜水埋深关系 ， 也可 以通过遥感影像提取植被指数 ， 探讨植被指数与潜水埋深关系。 2 ． 2 ． 4 保水采煤技术方法 保水采煤技术方法 的研究 旨在抑制导水裂 隙带 的发育程度 ， 保证隔水层或地下水位的稳定 。采煤技 术方法选择 ， 主要是调整采煤工作面规格 工作 面大 小及采高 和工程措施实现岩层控制 ， 抑制导水裂隙 带发育高度和底板破坏深度。 目前采用 的主要方法 是控制采高 、 采煤工作 面尺寸和推进速度 ， 实现保水 采煤 目标。充填开采 、 限高开采 、 窄条带开采 、 局部填 充开采等是较为有效的保水采煤技术方法 ， 类似的研 究应不断持续下去。 由于在一些地区煤层底板承压水系统 的排泄区 对维系区域生态环境 良性发展起到关键作用 ， 此时需 要将 防止煤层底板突水与保水开采相结合 ， 不能一味 地通过疏排水降低水头压力 ， 而是通过研究底板承压 水补排关系后 ， 注浆改造底板导水裂隙 ， 达到保水采 煤效果 ， 实现安全开采 、 含水层保护 和区域生态环境 维系的协调统一。 2 ． 3 保水采煤的保护目标 2 ． 3 ． 1 含水层结构及地下水位稳定 含水层结构的稳定是保持地下水位稳定的前提 条件 ， 合理的地下水位埋深是生态环境 良性循环的基 础 ， 在沙漠地区 ， 水位埋深大 ， 植被发育状况差， 研究 表 明， 沙漠区植被发育状况与地下水位埋深有着直接 的关系， 水位埋深小于 1 ． 5 0 m盐渍化 ， 大于 1 5 m各 类沙生植被无法生长发育 ， 近期我们 的观测研究 ， 进一步揭示了沙漠地区典型植被与地下水位的关系， 地下水对沙柳蒸腾的贡献值随着地下水位埋深的增 加而 减 少 ， 当地 下 水 位埋 深 1 5 e m 时 ， 贡献 率 为 1 0 0 ％ ； 地下水埋深 2 1 5 e m时 ， 贡献率 为 0 ％。在地 下水浅埋区， 地下水是沙柳蒸腾 的主要水源 ， 潜水埋 深超过 2 1 5 e m后地下水不再对沙柳生长提供水源 ， 这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。而浅 埋煤层的高强度开采将直接导致地下水位下降和循 环路径改变 ， 因此， 保水采煤区应以含水层结构保 护为原则， 以控制地下水位合理埋深为目标， 维系和 改善煤炭开采 区 流域 的生态系统。 2 ． 3 ． 2 泉及河流基流量稳定 泉是河流的源头， 黄河中游 1 8 ％的补给来源于 窟野河 、 秃尾河 、 孤山川等流域 ， 稳定 的基流是保 持 河流生态健康 的基础_ 3 ， 这些流域也是煤炭高强度 开采 区， 其 水源多 源于萨拉 乌苏组 含水层 ， 近期 我 们的调查发现 ， 榆神府 区 2 0 a来 的高强 度开采 ， 已 经导致毛乌素沙漠东缘大量泉 的衰减和干涸 ， 原 规 划的张家峁井 田内 ， 1 9 9 0年有 1 0 2处泉 ， 2 0 0 6年只 有 1 5处未干涸， 其余都干涸了。调查发现， 窟野河 上游约 5 0 ％以上 的小支流干涸断流 。诸多小泉 、 小 支流的干涸 ， 导致窟野河从 2 0 0 0年开始衰减 ， 2 0 0 2 年干涸 ， 目前 一直处 于断流状 态。因此 ， 保水采 煤 区应控制 区 内泉 、 溪流 的基本稳 定 ， 维 系河流 生态 系统健康 。 在西北地区， 实现了含水层结构的稳定和泉流量 的稳定 ， 就保护了生态环境 ， 维系了生态系统 。 2 ． 4 保水采煤的关键技术 2 ． 4 ． 1 导水裂隙带发育高度抑制技术 导水裂隙带 包括 隔水 岩组上行 裂隙和下行裂 隙 高度抑制是实现含水层保护的途径 ， 采用合适的 采煤方法是控制导水裂隙带高度的手段， 如果能有效 降低煤炭开采引起的岩层扰动范围， 有效实现浅埋煤 层岩层控制 ， 把导水裂隙带发育高度限制在受保护 目 标含水层 萨拉乌苏或烧变岩 的底界 保护层 之 下 ， 就能实现保水采煤。榆神府矿区导水裂隙带探测 结果表明， 在一般条件下， 裂高采厚比为2 0 2 6 。在 煤层埋深较大的榆神矿区中深部 ， 理论上不存在保水 采煤问题 。而覆岩隔水层厚度小于导水裂 隙带发育 高度赋煤区， 就面临着保水采煤难题 。导水裂隙带发 育高度与工作面宽度 、 采煤方法及煤层埋深等多种 因 素相关 ， 通常采用的方法有 ① 限高或分层开采技术 ， 针对榆神矿 区厚煤层 分布区 ， 是 以减小煤层采高而实现降低导水裂 隙带发 育高度的保水采煤技术， 如榆树湾煤矿_ 2 ； ② 减小 工作面宽度 ， 抑制导水裂隙带的充分发育。如榆阳区 地方煤矿开采 区， 通过留煤柱的方法， 采用 “ 窄条带 保水采煤技术” ， 实现保水开采 ； ③ 条带充填开采 ， 充 填采空区， 减小采空空间， 降低裂隙带发育高度 ， 如榆 阳煤矿 ； ④ 加快工作面推进速度 ， 减少导水裂 隙带高 度 ， 神东矿区部分煤矿采用这类技术实现保水采煤 目 标 ； ⑤ 无煤柱 开采 ， 消 除区段 煤柱导致 的非均匀沉 降， 减小采动裂隙。采用 1 1 0和 N 0 0工法 ， 减小覆岩 应力集中， 降低裂隙带发育高度。 近年来 ， 上述多种采煤方法都进行了工程实践 ， 抑制了导水裂隙带高度 ， 取得成效 ， 但与煤炭资源 的 高回收率、 低成本条件下的含水层保护， 还有差距。 2 ． 4 ． 2 关键隔水层再造与含水层再造技术 关键隔水层隔水稳定性是控制地下水渗漏 、 实现 保水采煤的关键 。关 于实现关键 隔水层 的隔水稳定 性方面 ， 部分煤矿开展了实践与探索。如 ， 基于黏土 和黄土的性质 ， 开展裂隙的弥合性研究 ， 为分层限 第 1期 范立民 保水采煤的科学内涵 3 3 高大采高保水开采提供 了理论依据 ； 对关键 隔水层上 离层空间的注浆改造 ， 使近水平的离层“ 裂 隙” 弥合 ； 在关键隔水层位置再造一个弱透水、 可保持地下水系 统正常循环的人造隔水层 ， 既能隔离上部萨拉乌苏组 地下水的大量渗漏， 保护含水层结构和生态水位， 又 能保证下部各含水层一定能力的补给来源。当然 ， 这 一 技术只是设想， 并没有付诸实施。部分煤矿开展了 顶板隔水层裂隙空间的注浆改造 ， 保持隔水层 的隔水 稳定性 ， 起到了一定 的作用 ， 如神东矿区石 圪台煤矿 对离层空间进行注浆改造 ， 效果 良好 。 含水层再造是 2 0 0 6年提出的新 概念和技术 ， 是基于烧变岩含水层 的启发 ， 通过对采空区碎裂岩体 进行物理隔离或改造 ， 形成新 的含水结构 ， 成为新 的 含水层， 目 前已经演化为地下水库技术。 2 ． 4 ． 3 底板破坏深度或强度减缓技术 渭北澄合矿区岩溶水含水层是该 区工农业用水 的重要来源， 也是黄河湿地的水源， 其生态价值和经 济价值异常重要。但 煤矿开采 ， 将 破坏其含水 层结 构 ， 如不采取措施 ， 可能会造成煤矿底板突水事故 ， 降 低奥陶系含水层水 头， 影 响矿 区及 附近 区域生 态环 境。监测表明， 该 区5号煤层开采底板破坏深度通常 是 1 0～1 5 m， 在构造薄弱地带 ， 破坏深度可能还会增 加 ， 为此 ， 以董家河煤矿为代表的矿山企业 ， 采用注浆 加固底板薄弱带 ， 减少底板 隔水层损害 ， 实现 了煤矿 安全和岩溶含水层保护 。 2 ． 5 保水采煤的工程实践及效果评价 2 ． 5 ． 1 保水采煤的工程实践 防治水的研究重点是地下水 含水层 对采煤的 影响及防控技术， 属于被动保水采煤， 目 标是防治水， 结果是实现了安全 、 含水层结构保护共赢。如淮河河 堤下采煤 、 渭北岩溶水含水层上带压开采等 。保水采 煤的研究重点是采煤对含水层结构 的影响及防控技 术 ， 属于主动保水采煤 ， 是基 于含水层保护而采取 的 采煤技术变革， 如榆树湾、 金鸡滩、 杭来湾煤矿的限高 开采 ， 榆林地方煤矿开采区改造房柱式采煤技术 ， 设 计 了采 1 2留 8的窄条带保水采煤技术 ， 提高了采 出 率 ， 也保护 了水资源。神东矿 区大柳塔煤矿等 区域 ， 最浅部 的煤层埋深 1 0 0 m左右 ， 无法实现含水层结构 保护 ， 采用了地下水转移 、 储存的方式 ， 实现 了煤一 水 共采。 2 ． 5 ． 2 保水采煤的效果评价 保水采煤的目标是含水层结构稳定性 、 地下水位 稳定性和泉 河流 流量稳定性 ， 因此保水采煤效果 评价也应该对这 3个方面进行 ， 并主要对推广保水采 煤技术的矿井开展 。 含水层 结构稳定性调查评 价 含水层结 构的破 坏 ， 表现为采煤引起 的导水裂隙带 、 垮落带发育含水 层 中。为此 ， 笔者在榆树湾、 金鸡滩等 1 0余处煤矿施 工 了3 0多个探测孔 ， 利用钻孔岩芯 R Q D值 、 岩芯裂 隙发育状况、 测井曲线判别、 井下电视观测、 冲洗液消 耗量等手段 ， 综合判断导水裂隙带发育位置 ， 探测结 果表明， 推广保水采煤 的榆树湾、 金鸡滩 、 榆 阳煤矿等 导水裂隙带发育高度一般是采 高的 2 4～2 7倍 ， 未发 育到含水层底部 ， 实现 了含水层结构稳定。 地下水位埋深调查评价 2 0 1 4年笔者对榆树湾 、 榆阳等 6个煤矿采空区的地下水位埋深进行 了探测 ， 共实施探测钻孔 1 6个 ， 其中 1 5个钻孔是在采前原水 文地质钻孔 同一位 置施工 ， 收集 了采前潜 水水位埋 深、 标高数据， 1 个钻孔是利用潜水水位等值线进行 比较分析。探测方法是采用工程钻机进行取心钻井， 探测到地下水位后进行不少于 2 4 h的水位观测 ， 结 果表明， 水位变幅为一 2 ． 7 6 一 3 ． 8 9 m， 水位埋深变浅 的多数是地面沉 降引起 的埋深相对变浅。基本实现 了地下水位 的稳定性。另外 ， 小纪汗煤矿与笔者确定 的 自然保水开采 区条件类似 ， 采煤工作面上部 的 观测钻孔水位监测表明， 水位埋深变化幅度微弱。由 于地质环