生态脆弱区保水采煤研究新进展.pdf

第 3 0 卷第 5 期 V 0 l - 3 0 No ． 5 辽宁工程技术大学学报 自 然科学版 J ou r nal o f L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 1 1 年 1 0月 Oc t ． 2 01 1 文章编号1 0 0 8 - 0 5 6 2 2 0 1 1 0 5 ． 0 6 6 7 ． 0 5 DO I C NKI 2 1 ． 1 3 7 9 ／ N．2 0 1 1 1 0 2 4 ． 1 8 3 1 ． 0 0 5 生态脆弱区保水采煤研究新进展 范立 民 陕西省地质调查院，陕西 西安 7 1 0 0 6 5 摘要为了系统归纳保水采技术的研究成果，促进煤理论的发展，采用查阅文献资料和综合分析的方法，对 目 前保水采煤 保水开采 技术现状及最新进展进行了全面总结，由此，提出了以控制生态水位为核心的科学采煤 技术研究方法，保水位是保水采煤的核心，为今后保水采煤技术的研究方向提供了可参考的资料。 关键词保水开采保水开采技术；生态脆弱矿区；生态水位；采煤方法规划；综合分析；核心；采煤技术 中图分类号T D 1 6 4 ． 1 文献标志码A De v e l o p me n t o f c o a 1 mi n i n g me t h o d wi t h wa t e r p r o t e c t i o n i n f r a g i l e e c o l o g i c a l r e g i o n FAN Li mi n S h a n n x i I n s t i t u t e o f Ge o l o g i c a l S u r v e y , Xi ’ a n 7 1 0 0 6 5 ， Ch i n a Ab s t l ‘ a c t I n o r d e r t o s y s t e ma t i c a l l y s u mma r i z e t h e a c h i e v e me n t i n c o a l mi n i n g t e c hn o l o g y wi t h wa t e r p r o t e c t i o n a n d f u r t h e r a c c e l e r a t e i t s d e v e l o p me n t ， t h i s p a p e r o v e r v i e ws t h e r e c e n t a c h i e v e me n t a n d t h e l a t e s t d e v e l o p me n t o f c o a l mi n i n g me t ho d s wi t h wa t e r p r o t e c t i o n ． I n a d d i t i o n ，i t p r e s e n t s t h e s o p h i s t i c a t e d c o a l mi n i n g me tho d wi t h t h e c o r e f o c u s o f e c o l o g i c a l wa t e r l e v e l c o n t r o 1 ． I t p r o v i d e s a d i r e c t i o n f o r t h e f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n o f c o a l mi n i n g me t h o d s wi t h wa t e r p r o t e c t i o n ． Ke y wo r d s c o a l mi n i n g wi th wa t e r p r o t e c t i o n ； t e c hn o l o g y for c o a l mi n i n g wi th wa t e r p r o ， a n d p o i n t s o u t i t s f u t u r e r e s e a r c h d i r e c t t e c t i o n ；f r a g i l e e c o l o g i c a l a r e a ；e c o l o g i c a l wa t e r l e v e l ；c o a l mi n i n g me t h o d p l a n ； c o mpr e h e n s i v e a na l ys i s ； c o r e ； m i ni ng t e c h no l o g y 引 言 保水采煤 保水开采 是针对陕北浅埋煤层开 采过程中出现的一系列环境问题而提出的。十几年 来，保水开采研究与实践取得 了突破性进展。本文 对保水开采技术发展历程及现状进行简要总结，提 出进一步需要研究和解决的重大 问题。 保水开采的基本思想是 1 9 9 0年之后形成的。 1 9 9 0年 4月 2 8日和 1 2月 2 0日，神北矿区的瓷窑 湾煤矿先后两次发生巷道 冒顶事故⋯，虽然涌入矿 井的水不多，但大量 的沙掩埋 了巷道，并引起了地 下水位的持续下降、水库干涸 、泉流量迅速减少 ， 小溪断流和植被枯萎。韩树青等最早提出了陕北煤 田开发应高度重视对萨拉乌苏组地下水 的保护，指 出对于煤层开采导水裂隙带到达萨拉乌苏组含水 层的区域，应采用充填式采煤方式保护地下水 J 。 范立民分析了陕北第一个综采工作面开采引起的 水位下降和生态环境破坏I 3 j ，提 出通过开采区域、 采煤方法的合理选择实现保水采煤 目的，并划分 了 三类开采条件分区，首次提出“ 保水采煤” 观点【 4 】 。 1 9 9 5年初，为保证大柳塔煤矿安全投产，开展了突 水防治工程L 6 J ，对采空区地下水渗漏有 了新认识 。 近年来，中国有多个课题组针对陕北浅埋煤层 保水开采 问题开展了深入研究，提 出了保水开采对 策和方法 ，在原煤炭部资助下，首次开展了保水采 煤系统研究 ， 发表了部分成果，包括李文平l 8 】 等划 分了煤层覆岩结构类型。叶贵钧 J 等对陕北煤炭开 发的主要环境地质 问题的论述 。魏秉亮、范立 民 U J 等对采空区地面变形 的论述等 。刘洋等开展 了“ 围 岩． 煤柱群” 力学参数模拟试验研究，提出了保水开 采的技术参数【 l 。 许家林【 l 】 等研究了神东矿区关键 层结构类型，指出单一关键层结构是导致浅埋煤层 特殊采动损害现象的地质根源。 马立强l l3 J 、 张杰[ 1 4 ] 等研究了导水裂隙带发育规律。 收稿 日期2 0 1 0 ． 1 2 3 0网络 出版时间2 0 1 卜1 O 一 2 4 1 8 3 1 2 7网络出版地址h t t p ／ ／ w w w．c n k i ．n e t ／ k c ms ／ d e t a i l／ 2 1 ． 1 3 7 9 ．N． 2 0 1 1 1 0 2 4 ． 1 8 3 1 ． 0 0 5 ． h t m l 基金项目陕西省科学技术计划基金资助项目 2 0 0 8 K R 5 8 ，2 0 1 I T J 0 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，主要从事煤地质 、矿区水文地质环境地质方面的研究。本文编校于永江 6 6 8 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 第 3 O 卷 1 保水开采技术研究现状 1 ． 1 保水开采的地质基础研究 1 9 9 0 1 9 9 3年作者在主持石圪台、前石畔井 田 水文地质勘探 中，提出了以保护萨拉乌苏组地下水 为 目标的勘查方法，并论述了采煤对萨拉乌苏组地 下水影响即 “ 保水采煤”问题 ，1 9 9 4年作者提出开 展陕北侏罗纪煤 田水文地质工程地质环境地质综合 研究建议书，受到叶贵钧教授重视，1 9 9 6年以 中 国西部侏罗纪煤田 榆神府矿区保水采煤与环境 地质综合研究为题，列为煤炭部重点科研计划， 这是首次使用“ 保水采煤” 一词，该课题研究面积涉 及陕西省境 内北纬 3 8 。 3 0 似 北的侏罗纪煤 田分布区， 1 9 9 8年完成。首次系统地完成了小比例尺的保水开 采地质背景研究，从宏观上对决策者起到一定的指 导作用，奠定了保水采煤研究的基础 ，其最大进展 是对煤层覆岩结构类型进行了划分 ，划分出沙土基 型、沙基型、基岩型、烧变岩型等五种煤层覆岩结 构类型，在此基础上，对开采条件进行了分析，定 性划分出保水区、失水区、无水区等三个分区。但 由于勘查程度低 ，控制工程少，研究深度不足 以满 足保水与生态环境保护的需求。 2 0 0 3年作者主持完成 了“ 榆神矿区保水采煤研 究” ，就规划中的大保 当、金鸡滩等井田进行 了专 门研究，定性划分了榆神矿区保水开采地质条件分 区 自然保水开采区、可控保水开采区和限制开 采区，促进了榆神矿区开发进程。2 0 0 4年范立 民认 为，采煤不可能不造成一定的地下水渗漏l 6 J ，但保 水采煤到底保到什么程度，才算是保了水，针对 陕 北沙漠区植被特点，至少应考核 以下两个指标一 是不至于造成泉水的干涸或大幅度减流；二是对植 被的生长条件不产生大的影响。结合部分煤矿开采 实践，提出了合理选择开采区域和采用合适的采煤 方法 的保水开采实现途径L 4 J ，并就 陕北煤炭资源开 发中的一些关键技术 问题进行了研究L 1 引 ，指 出，要 做好区域性煤炭工业大规划和合理划分井 田，科学 选择采煤方法，以免造成采煤区地下水位下 降。 模拟了基岩厚度 3 0一步 m 以下、 土层 2 0 m 以下的 砂土基型和基岩厚度 3 0 m 以上、土层 2 0 m 以上的 砂土基型 2种类型的工程地质条件，通过煤柱上的 米赛斯应力分布、上覆岩层的拉应力分布以及顶板 的下沉量等模拟结果分析，判断了煤柱和覆岩的稳 定性，得出了不同基岩厚度工作面实现保水开采 的 合理推进距 。确定了属于陕北沙土基型覆盖层类型 的榆树湾矿首采面要实现保水开采 的合理开采方 法是应采用上分层采高为 5 m 的分层开采方案，而 上分层采后 的下分层 开采和放顶煤开采方案均不 能实现保水。 保水开采的关键，是煤层上覆隔水层在采煤条 件下的稳定性 ，隔水层稳定是保水开采 的最佳途 径，也是评价萨拉乌苏组地下水是否渗漏的重要指 标 。黄庆享 【 l 7 J 等研究 了隔水层特 性及其采动隔水 性，开展 了长壁保水开采技术研究与工程实践。 为了促进中小煤矿技术改造和保水需求，张少 春u 8 J 等开展了模拟试验研究， 提出了采用间歇式保 水采煤方法，认为顶板基岩厚度小于 3 0 m 时，只 能采用条带式、房柱式开采或者不开采。刘洋、石 平五【 1 1 】等提出，条带采煤法是目前实现保水采煤的 一 种行之有效的方法，分析了条带开采技术参数， 应用 R F P Az D数值试验程序 ，模拟了不同采 留比的 条带开采设计中围岩破坏的力学过程，提出条带开 采技术参数，形成了窄条带保水开采技术，为榆神 矿区富水区中小煤矿提升技术水平 、提供回采率和 保水开采奠定了理论基础，并在榆 卜 界煤矿等推广 应用，取得成功。 值得说明的是，尽管作者不主张窄条带开采， 但现有地方煤矿已经开采多年，煤炭采出率低，采 煤工作面布设不规范。因此，研发窄条带保水开采 技术是为 了规范现 有中小煤矿房柱式采煤而进行 的迫不得已的技术 ， 按照 “ 窄条带 ” 保水开采技术， 回采率提高 2 0 ％以上，同时保护了生态水位 ，据监 测 ，榆 l- 界煤矿等开采后，采空区上方萨拉乌苏组 地下水水位下 降幅度小于 O ． 3 m，使地下水位埋深 保持在 5 m以浅，从而保护了生态环境。 1 ． 2 实验模拟研究 1 ． 3 采煤方法研究与实践 根据榆树湾煤矿建设的需求 ， 侯忠杰 等 以相 似材料模拟所得到的工作面推进距离与覆岩裂隙 高度关系为依据，建立了数值模拟模型，以计算工 作面合理的煤柱尺寸，运用 A L G OR有限元程序 ， 2 0 0 6 年以来， 作者针对陕北保水开采问题， 提 出了分类分区采用不同采煤方法的方案 】 。 对于榆 神矿 区东南部的浅埋煤层 ，进行限高开采和条带开 采的保水技术方案，并在鑫源、二墩等 1 0余处生 第 5 期 范立民生态脆弱区保水采煤研究新进展 6 6 9 产矿井推广，取得了成功，由房柱式开采改为条带 开采后，回采率明显提高，采空区地下水水位保持 恒定或下降幅度很小，减小了矿井涌水量【 2 们 ，达到 了保水开采 目 标；对于新民矿区黄土沟壑区，推广 长壁开采， 提高煤炭资源回收率， 同等产量情况下， 大幅度减少开采面积，减少采动损害，府谷县 8 4 处整合矿井全部推行壁式布置长壁开采，达到了减 少采动损害、提高回采率的目标【 l 。 2 以控制生态水位为 核心的科学采煤技术 2 ． 1 生态水位及其合理埋深 地下水 是维系 陕北地表生态系统的最主要因 素，也是保持矿 区生态环境改善的主控因素，地下 水位埋深对地表生态环境起着严格的控制作用，我 们把调控表生生态环境的水位称为生态水位【2 J 。 陕北生态脆弱矿 区地跨湖群高平原区、沙漠区 和盖沙丘陵区，其典型植物长势与地下水位埋深的 关系具有代表性。随着地下水位埋深增加，植被从 沙柳灌丛一沙蒿灌丛演替； 从小叶杨 向旱柳演替【 2 。 当地下水位埋深≤3 m时， 所有典型植被的长势都较 好；而随着地下水位埋深／5 m，植被的长势变差； 地下水位埋深≥1 2 m时，这些植物根本无法生存。 研究得出，该区域最适合沙漠植被生长的地下水位 埋深，即生态水位埋深为 1 ． 5 ～ 5 m。沙柳灌丛与小叶 杨是相对比较喜水 的植物，适宜的地下水位埋深区 间较窄，而沙蒿灌丛与旱柳耐旱能力强，适宜的地 下水位埋深区间较宽。当地下水位埋深下降到 5 m 以下时，表生生态恶化将在所难免，生态一旦恶化， 一 是难 以恢复，二是恢复代价高昂。因此，保水开 采控制的核心就是要控制生态水位。 2 ． 2 采煤 引起的水位下降及环境问题 研 究 了浅埋煤层 大采 高长壁工作面 的采动覆 岩导水通道的分布特征，对采空区冒裂带发育情况 进行了探测研究[ 7 , 1 o , 2 1 】 。结果表明，对于典型浅埋 煤层，大采高工作面在初次来压至第一次周期来压 期间，覆岩导水通道迅速发育至松散含水层底部， 工作面后方约 2 个周期来压距离后，采空区覆岩垮 落带以上的覆岩导水通道被逐渐压实闭合，但开切 眼处的导水通道不易闭合； 对于次浅埋煤层， 主关键 层初次来压后，导水通道迅速发育至最大高度，但 伴随着主关键层约 1 ～2个周期来压后，基本顶至 主关键层 之间断裂带 内的覆岩导水通道可很快被 压实闭合。该成果可对浅埋煤层保水防溃采煤研究 和应用提供基础理论指导 。 2 ． 3 煤炭工业规划及科学开采方法 经过长期研究和实践，针对 陕北煤层与含水层 赋存的空间关系 ，研究了不同采煤方法条件下煤层 开采对含水层的影响，提 出了保水开采地质条件分 区和采煤方法规划的概念和实施方案，提出了生态 脆弱地 区煤炭开发新思路，并在陕北推广应用，取 得了较好的效果 。陕北唯一具有供水意义和重要生 态价值 的含水层位于煤层之上，合理生态地下水位 埋深为 1 ． 5 ～ 5 ． 0 m， 煤层开采 的导水裂隙导致地下水 位下降，表生生态退化，我们经过十余年的探索和 科学采矿实践，采用多学科的理论和方法 ，联合水 文地质 、生态环境 、采矿等学科专家联合攻关，取 得重大突破，提 出了控制地下水位是生态脆弱矿区 科学开采的核心 。开采实践和室内模拟实验表明， 当煤层上覆隔水岩组厚度≥3 3 ～ 3 5倍采高时，煤层 开采不会导致地下水位下降；煤层上覆隔水岩组厚 度 1 8倍采高时，煤层开采会破坏隔水层，导致水 位下降；1 8 ～ 3 5倍采高时，可采取“ 限制采高” 等措 施实现保水开采。以控制地下水位为目 标，以采动 隔水层稳定性分区为基础，以采煤方法规划为手段 的丌采方法是生态脆弱区煤炭科学 开采 的有效途 径，并编绘了我国第一幅区域性采煤方法规划图 图 1 ，在陕北地区广泛推广应用 ，取得重大经济 社会效益【 叭 。主要表现在 一是科学认识 了生态脆 弱矿区煤炭开发 问题，既不能片面追求高产高效， 也不能因环境脆弱制约开发，必须走地质先行 、综 合研究、科学分区、分类开采的开发道路；二是为 陕北减少采动损害找到了有效途径；三是为西部生 态脆弱区大型煤炭基地建设开创 了新思路。 2 ． 4 定量划分保水开采地质条件 根据采厚和 隔水岩组及含 隔水层 的空间关 系划分，实现了保水开采地质条件的定量划分。对 于隔水岩组与采厚 比大于 3 3 ～ 3 5 倍 的区域，采煤产 生的裂隙带不会导通含水层，规划为 自然保水开采 区；对于隔水岩组与采厚 比小于 1 8倍的区域 ，采 煤产生的裂隙带将发育到含水层，疏干地下水，必 须采用特殊开采方式才能实现保水，称为保水限采 区；隔水岩组厚度介于 l 8 ～ 3 5 倍采厚之间的大部分 区域，采取一定的措施，限制裂隙带发育高度，即 6 7 0 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 第 3 O 卷 通过限高开采实现保水开采 ，称为可控保水区，该 区域是扩大保水开采的主要区域。 根据实验研究与部分煤矿开采实践，围绕控制 地下水位的目 标，将生态脆弱区的煤炭开采技术条 件划分为 自然保水开采区、长壁限高开采区、局部 充填开采区 生态可恢复型，水煤共采型和长壁 开采区等 4种开采地质条件类型 图 1 自然保水 开采区，采用一次采全厚的长壁开采方法，水体和 地表生态不会受到破坏的区域；长壁 限高开采区， 通过限高开采 包括 限高分层开采 ，调整开采程 序 包括上行开采 ，充填开采技术等 ，可以实现 水体和地表生态不会受到破坏的区域；局部充填可 采区需要进行充填开采，地方中小煤矿采取窄条带 置换充填开采，大型煤矿采用条带充填，在现阶段 充填开采技术不能达到保 护水 资源和生态环境的 区域，基于煤水关系的重要性 ，可限制开采 ，即不 允许开采或者不允许建设新矿井；新 民矿区属于长 壁开采区属于黄土丘陵区，按照长壁布置开采，但 该区煤矿过度密集 ，应该限制新井建设，同时，整 个陕北地区的窟野河流域、秃尾河沿岸煤矿 已经过 度集中，超 出了环境承载能力。 图 1 区域性采煤方法规划图 F i g ． 1 ma p o f r e g i o n a l c o a l mi n i n g me t h o d p l a n 2 ． 5 定量确定保水开采的采煤方法 以往，煤炭工业规划主要是矿区总体规划 ，主 要考虑因素是煤层赋存条件，一般情况下，只要有 可采煤层分布，就规划井田，予以开发，很少留设 环境保护缓冲地带 。根据煤层赋存条件决定采煤方 法 ，很少根据采煤引起 的水位下 降情况来规划井 田、确定采煤方法 。 最近，笔者提 出针对特定区域 ， 采用合适的采煤方法是实现保水采煤的关键技术 之一曲 ，开展区域性采煤方法规划，不仅要查 明煤 层、含水层、隔水层的空间分布特征，开展煤层开 采冒裂带发育规律研究，划分保水开采条件分区， 而且要根据各分区的地质条件确定定量确定最佳 的采煤方法，并编绘区域性的采煤方法规划图。 3 展望 保水开采是绿色矿 区建设的有机组成部分，深 入开展保水开采技术研究和工程实践，是中国大型 煤炭基地建设绿色矿区的重要任务，对陕北生态脆 弱矿区 2 0年来的保水采煤科学研究和工程实践， 初步形成 了保水开采 的技术体系，也得到了较好的 推广应用 ，但仍然有一些重大科学技术 问题未得到 很好 的解决一是控制生态水位的保水开采分区指 标的选取 问题，关键的科学技术 问题是 冒裂带发育 规律，针对不同的采煤方法、工作面参数，科学确 定冒裂带发育规律 ，结合精细的地质勘查资料 ，划 分保水开采区域，优化采煤方法，达到采煤与保水 位的统一；二是特殊开采区域的开采技术 ，如充填 开采保水位的技术经济可行性问题；三是煤炭密集 开发区采煤引起的生态效应 问题，尽管已经取得 了 一 些实测成果，但煤矿采空区的生态效应 ，受到大 气 降水 、农牧业 禁牧等因素 的叠加影响，尤其 是禁牧 因素，促进 了采空区 整个陕北草本植物 的发育，而采煤的影响程度，似乎减轻了。 保水采煤目 标的实现，降低了采动损害，控制 和改善矿区生态环境，促进 了绿色矿区建设。 参考文献 [ 1 】范立 民． 神 木矿 区的主 要环境 地质 问题 [ J 】 _ 水文地 质工程 地质 ， 1 9 9 2 ， 1 9 6 3 7 4 0 ． 『 2 ]2 韩树青， 范立民， 杨保国． 开发陕北侏罗纪煤田几个水文地质工程地质 问题分析[ J 】 ． 中国煤田地质， 1 9 9 2 ， 4 1 4 9 5 2 ． [ 3 】范立 民． 煤 田开发的环境效应 以神北矿区为例 [ J ] ． 中国煤 田地 质， 1 9 9 4 ， 6 4 6 3 - 6 6 ． 【 4 ]范立民， 蒋泽泉愉 神矿区保水采煤的工程地质背景[ J ] ．煤 田地质与勘 探， 2 0 0 4 ，3 2 5 3 2 3 5 ． [ 5 】范立民． 论保水采煤问题[ J J ．煤田地质与勘探， 2 0 0 5 ，3 3 5 5 0 5 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C S E中国核心学 术期刊、中国科技论文在线收录源期刊、 辽宁省一级期刊。 本刊所载论文或摘要被美国 化学文摘 c A 、 俄罗斯 文摘杂志 A J ， V I N I T I 、美国 剑桥科学文摘 自然科学、美国 剑桥科学文摘 工程 技术、荷兰 斯高帕斯数据库 S c o p u s 来源期刊和美国 乌利希期刊指南 U l r i c h s w e b 6 家 国际著名检索系统和 6家 国内著名数据库或检索刊物收录。 本刊 以矿业工程 、地质与测绘工程 、力学工程等地矿类专业方 向研究为特色 ，侧重基础理论研究，主 要栏 目有 矿业工程、土木与力学工程、电气工程与计算机技术、机械与材料工程、管理科学与工程、环 境工程与基础科学、工程与实践等。 国际标准刊号I S S N 1 0 0 8 0 5 6 2；国内统一刊号C N 2 卜1 3 7 9 ／ N； 国外邮发代号B 4 3 8 8 ；国内邮发代号8 1 1 1 每册订价 2 O 元 ，全年 6册 1 2 0元，邮发代号 8 一 l 1 l ， 欢迎单位或个人到当地邮局订阅。