生态脆弱区保水采煤研究新进展_范立民.pdf

第 30 卷第 5 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2011 年 10 月 Vol.30 No.5 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Oct. 2011 收稿日期2010-12-30 网络出版时间2011-10-24 183127 网络出版地址 基金项目陕西省科学技术计划基金资助项目（2008KR58，2011TJ01） 作者简介范立民（1965-） ，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 文章编号1008-0562201105-0667-05 DOI CNKI21-1379/N.20111024.1831.005 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 710065） 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TD 164.1 文献标志码A Development of coal mining with water protection in fragile ecological region FAN Limin Shannxi Institute of Geological Survey, Xi’an 710065, China Abstract In order to systematically summarize the achievement in coal mining technology with water protection and further accelerate its development, this paper overviews the recent achievement and the latest development of coal mining s with water protection. In addition, it presents the sophisticated coal mining with the core focus of ecological water level control. It provides a direction for the further investigation of coal mining s with water protection. Keywords coal mining with water protection; technology for coal mining with water pro, and points out its future research direct tection; fragile ecological area; ecological water level; coal mining plan; comprehensive analysis; core; mining technology 0 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 1990 年之后形成的。 1990 年 4 月 28 日和 12 月 20 日，神北矿区的瓷窑 湾煤矿先后两次发生巷道冒顶事故[1]，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[2]。 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[3]，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[4-6]。 1995 年初，为保证大柳塔煤矿安全投产，开展了突 水防治工程[6]，对采空区地下水渗漏有了新认识[7]。 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 ①，发表了部分成果，包括李文平[8]等划 分了煤层覆岩结构类型。叶贵钧[9]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[10] 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[11]。 许家林[12]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[13]、张杰[14] 等研究了导水裂隙带发育规律。 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 30 卷 668 1 保水开采技术研究现状 1.1 保水开采的地质基础研究 1990～1993 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 ②，1994 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，1996 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 3830′以北的侏罗纪煤田分布区， 1998 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 ①，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。 2003 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。2004 年范立民认 为，采煤不可能不造成一定的地下水渗漏[6]，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[4]，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[15]，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。 1.2 实验模拟研究 根据榆树湾煤矿建设的需求，侯忠杰[16]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 ALGOR 有限元程序， 模拟了基岩厚度 30 一步 m 以下、 土层 20 m 以下的 砂土基型和基岩厚度 30 m 以上、土层 20 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[17]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[18]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 30 m 时，只 能采用条带式、房柱式开采或者不开采。刘洋、石 平五[11]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 RFPA2D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 20以上，同时保护了生态水位，据监 测，榆卜界煤矿等开采后，采空区上方萨拉乌苏组 地下水水位下降幅度小于 0.3 m，使地下水位埋深 保持在 5 m 以浅，从而保护了生态环境。 1.3 采煤方法研究与实践 2006 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[19]。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 10 余处生 第 5 期 范立民生态脆弱区保水采煤研究新进展 669 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[20]，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 84 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[19]。 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[20-21]。 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 沙柳灌丛沙蒿灌丛演替； 从小叶杨向旱柳演替[20]。 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≥12 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 1.55 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[7,10,21]。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 1.55.0 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≥3335 倍采高时，煤层 开采不会导致地下水位下降；煤层丄覆隔水岩组厚 度 18 倍采高时，煤层开采会破坏隔水层，导致水 位下降；1835 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 的开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[20]。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 3335 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 18 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 1835 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 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 30 卷 670 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 Fig.1 map of regional-coal mining plan 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 [5]，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 20 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, 1992,19637-40. 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