論保水采煤技術(shù)體系

范立民，孫 強(qiáng)，馬立強(qiáng)，李 濤，陳海富，蔣澤泉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；3.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

隨著我國西北煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)，缺水以及由此引起的環(huán)境問題已成為西北煤炭大規(guī)模開發(fā)的主要環(huán)境制約因素。因此，西北地區(qū)煤炭開發(fā)必須保護(hù)好地下水資源，推廣保水采煤技術(shù)。

“保水采煤”理念自20 世紀(jì)90 年代提出以來，經(jīng)過長期研究與推廣，初步形成了完善的保水采煤技術(shù)體系和方法[1-7]，保水采煤技術(shù)也成為煤炭行業(yè)科技工作者研究熱點(diǎn)，國內(nèi)多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了重點(diǎn)科學(xué)研究和工程實(shí)踐。錢鳴高等[8-10]建立了綠色開采技術(shù)體系框架，將保水采煤納入綠色開采技術(shù)體系的重要組成部分。彭蘇萍等[11]提出了煤炭資源持續(xù)開發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)同發(fā)展的科學(xué)路徑，認(rèn)為煤炭資源大規(guī)模開發(fā)更重要的是要評(píng)估煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭開采的約束機(jī)制。王雙明等[3]研究了煤層與含水層、隔水層賦存的地質(zhì)條件，劃分了保水開采地質(zhì)條件和保水開采分區(qū)。范立民等[12-13]總結(jié)了實(shí)現(xiàn)保水采煤的核心要素，并提出了保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵。黃慶享等[14-16]發(fā)現(xiàn)淺埋煤層采動(dòng)上覆巖層發(fā)生“上行裂隙”和“下行裂隙”及隔水層的彌合性，提出了隔水關(guān)鍵層的穩(wěn)定性判據(jù)，建立了保水開采的巖層控制理論，為控制含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ)。馬立強(qiáng)等[17]開發(fā)了壁式連采連充保水采煤技術(shù)方法，解決了極薄隔水層條件下含水層低損傷技術(shù)難題，可實(shí)現(xiàn)極近距淺表水之下煤層的保水開采。王蘇健等[18]采用注漿充填改造煤層底板隔水層薄弱帶的方法實(shí)現(xiàn)受奧陶系灰?guī)r(簡稱奧灰)水威脅的煤層安全開采和保水開采。張吉雄[19]針對(duì)“三下”壓煤多、矸石排放量大的突出難題，研發(fā)固體充填采煤技術(shù)，并通過工程實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了含水層保護(hù)。張東升等[20]分析了新疆地區(qū)保水采煤問題。王蘇健等[18]基于煤層底板隔水層薄弱帶注漿加固工程，實(shí)現(xiàn)了陜西澄合礦區(qū)董家河煤礦巖溶含水層結(jié)構(gòu)的保護(hù)。武強(qiáng)等[21]提出了水資源排?供?生態(tài)環(huán)保三位一體的煤?水共采的理論與技術(shù)，促進(jìn)了水資源保護(hù)與利用。

30 年來，保水采煤技術(shù)逐步成熟。作者團(tuán)隊(duì)提出的“綜合保水采煤技術(shù)”，2022 年入選自然資源部《礦產(chǎn)資源節(jié)約和綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)目錄(2022 版)》，主要包括采煤對(duì)含水層損傷的評(píng)價(jià)技術(shù)、保水采煤地質(zhì)條件優(yōu)選分區(qū)技術(shù)和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測技術(shù)等8 項(xiàng)保水采煤技術(shù)。筆者在論述保水采煤研究歷程基礎(chǔ)上，主要闡述8 項(xiàng)技術(shù)原理、適用條件及工程應(yīng)用效果，以期完善保水采煤技術(shù)體系，促進(jìn)西部煤礦區(qū)環(huán)境保護(hù)。

1 保水采煤發(fā)展歷程及科學(xué)內(nèi)涵

1.1 發(fā)展歷程

“保水采煤”的科學(xué)理念自1992 年首次提出后主要經(jīng)歷了萌芽期、形成期、發(fā)展期、成熟期4 個(gè)發(fā)展階段(圖1)。簡述如下：

圖1 “保水采煤”發(fā)展歷程Fig.1 Development history of “water-conserving coal mining”

(1) 萌 芽 期(1990 ?1995 年)。筆 者1992 年 發(fā)表《神木礦區(qū)的主要環(huán)境地質(zhì)問題》[22]一文，首次提出保水采煤科學(xué)理念，同時(shí)也提出煤田開發(fā)中應(yīng)將采煤、保水和生態(tài)環(huán)境保護(hù)作為一個(gè)系統(tǒng)工程統(tǒng)一規(guī)劃的宏觀思路。隨后，我國煤炭科技工作者開始重視煤層開采對(duì)地下水損傷的研究工作。如陜西省一八五煤田地質(zhì)勘探隊(duì)(現(xiàn)陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，簡稱一八五隊(duì))在煤炭勘查階段編制了各種分析性圖件，包括煤層上覆隔水層厚度、第四系薩拉烏蘇組及其含水層段厚度、1?2和2?2煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測等值線圖等，分析采煤對(duì)薩拉烏蘇組含水層、燒變巖含水層的影響程度，是保水采煤研究早期最寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，該時(shí)間段為保水采煤技術(shù)的萌芽階段。

(2) 形成期(1995?2005 年)。其標(biāo)志是原煤炭工業(yè)部“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目《中國西部侏羅紀(jì)煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤與地質(zhì)環(huán)境綜合研究》的實(shí)施。由中國煤炭地質(zhì)總局、一八五隊(duì)、中國礦業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合承擔(dān)。課題組根據(jù)榆神府礦區(qū)工程地質(zhì)條件特點(diǎn)和保水采煤的地質(zhì)因素，將榆神府礦區(qū)保水采煤工程地質(zhì)條件劃分為5 種類型，并指出其中的沙土基型、沙基型和燒變巖型必須進(jìn)行保水采煤條件論證，如果煤層開采應(yīng)采取保水措施，并根據(jù)礦區(qū)內(nèi)更詳細(xì)的工程地質(zhì)條件，研究第四系薩拉烏蘇組的富水性、煤層上覆基巖及隔水層隔水性能，分析煤層開采的覆巖破壞“三帶”發(fā)育高度，以保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。按照這一構(gòu)想，范立民[1]提出了保水采煤的基本思路和實(shí)現(xiàn)途徑。保水采煤技術(shù)初步形成。

(3) 發(fā)展期(2005?2010 年)。針對(duì)煤礦區(qū)含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)難題，范立民等[1,12]針對(duì)榆神府礦區(qū)沙漠地貌與黃土地貌特點(diǎn)，提出保水采煤要達(dá)到的目標(biāo)，一是不至于造成泉水干涸或流量大幅度衰減，二是對(duì)礦區(qū)植被的生長條件不產(chǎn)生明顯影響?；谝陨现笜?biāo)，王雙明、范立民組建了包括地質(zhì)工程、生態(tài)環(huán)境、采礦工程等多學(xué)科的創(chuàng)新組，進(jìn)行了多學(xué)科研究：一是將生態(tài)學(xué)的理論引入保水采煤研究，提出了生態(tài)水位、合理埋深等概念。按照生態(tài)水位保護(hù)原則，劃分了榆神府礦區(qū)保水開采分區(qū)，定量確定了煤礦區(qū)地下水位保護(hù)的閾值，將保水采煤的研究拓展到生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。二是引入采礦工程學(xué)科的關(guān)鍵層理論。關(guān)鍵層理論的物理過程清晰，計(jì)算過程簡潔，廣泛應(yīng)用于煤層采動(dòng)損害研究，使其成為一個(gè)以采礦工程科學(xué)、巖石力學(xué)、水文水資源學(xué)、生態(tài)環(huán)境科學(xué)等為主的多學(xué)科研究領(lǐng)域，每個(gè)學(xué)科的發(fā)展都為保水采煤技術(shù)體系完善帶來新的活力。其標(biāo)志性成果是確定了陜北侏羅紀(jì)煤田沙漠區(qū)生態(tài)水位的合理埋深，識(shí)別了保水采煤地質(zhì)條件，編繪了基于生態(tài)水位保護(hù)的區(qū)域性保水采煤方法規(guī)劃圖，研發(fā)了適用于陜西榆林地方煤礦的窄條帶保水采煤技術(shù)并推廣應(yīng)用，創(chuàng)建了以生態(tài)水位保護(hù)為核心的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)體系[3]。

(4) 成熟期(2011 年至今)。2011 年以來，保水采煤技術(shù)體系逐漸完善和成熟。其標(biāo)志性成果：一是保水采煤技術(shù)快速發(fā)展，研發(fā)了一批保水采煤新技術(shù)。范立民等發(fā)明了保水采煤地質(zhì)條件優(yōu)選技術(shù)方法、煤層頂板含水層保護(hù)的采煤技術(shù)、煤層底板含水層保護(hù)的采煤關(guān)鍵技術(shù)等[12]。二是基于保水采煤需求，建成了涵蓋陜西境內(nèi)3 個(gè)大型煤炭基地全部煤礦、煤炭規(guī)劃礦區(qū)的地下水智能監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)和信息平臺(tái)[23]，實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控重要含水層地下水動(dòng)態(tài)。三是建立了保水采煤的標(biāo)準(zhǔn)體系，頒布了DB 61/T 1295?2019《保水采煤技術(shù)規(guī)范》[6]，填補(bǔ)了空白。制定了T/GRM 054?2022《保水采煤技術(shù)規(guī)范》、T/GRM 056?2022《煤礦導(dǎo)水裂隙帶探查技術(shù)規(guī)范》等適用全國的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)研制也順利推進(jìn)。四是保水采煤技術(shù)得到普遍認(rèn)可。自然資源、生態(tài)環(huán)境、水利、能源等部門在相關(guān)規(guī)劃、法規(guī)或?qū)徟鷤浒肝募芯w現(xiàn)了推廣保水采煤技術(shù)的要求，并前置性要求保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)。陜西、內(nèi)蒙古、山西、新疆、寧夏等省(自治區(qū))全面推廣保水采煤技術(shù)，貴州省要求因地制宜地推廣保水采煤技術(shù)。內(nèi)蒙古鄂爾多斯市、烏海市地下開采煤礦以及陜西、內(nèi)蒙古西部的新建煤礦，全部編制“保水采煤技術(shù)方案”，全面推廣保水采煤技術(shù)。

1.2 科學(xué)內(nèi)涵

保水采煤科學(xué)理念提出后，主要針對(duì)我國西北地區(qū)煤炭基地開展研究，旨在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度煤層開采與地下水系統(tǒng)保護(hù)的統(tǒng)一，以保護(hù)西北煤礦區(qū)地下水系統(tǒng)的完整性和系統(tǒng)性。因此，筆者給出保水采煤的概念是：在干旱–半干旱地區(qū)煤層開采過程中，通過控制巖層移動(dòng)維持具有供水意義和生態(tài)價(jià)值含水層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或水位變化在合理范圍內(nèi)，尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開采技術(shù)[12-13]。

針對(duì)這一概念，保水采煤研究區(qū)主要在西北煤礦區(qū)，包括陜北、神東、黃隴、寧東、新疆5 個(gè)大型煤炭基地，保水采煤著眼于西部干旱–半干旱地區(qū)具有供水意義和生態(tài)價(jià)值的含水層，除此之外的各類含水層均不在保水采煤研究的范疇之中。保水采煤實(shí)現(xiàn)途徑是以巖層控制理論和技術(shù)為基礎(chǔ)而研發(fā)具有抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育的采煤技術(shù)。保水采煤實(shí)現(xiàn)對(duì)象為含水層結(jié)構(gòu)和水位埋深，要求含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，或短暫失穩(wěn)后造成的水位下降在一定時(shí)間后能恢復(fù)至不影響其供水能力的范圍。保水采煤實(shí)現(xiàn)結(jié)果可緩解優(yōu)化煤炭資源開采和水資源供需平衡之間的矛盾，達(dá)到資源開發(fā)與水環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

鄂爾多斯盆地北部第四系薩拉烏蘇組(Q3s)含水層、侏羅系延安組燒變巖(J2y)含水層和盆地南部奧陶系巖溶含水層、盆地西部及西南緣侏羅系洛河組含水層和盆地北部侏羅系直羅組含水層[24]均是保水采煤的保護(hù)對(duì)象。在干旱–半干旱其他礦區(qū)，以河水–地下水關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)維持河流基流有重要貢獻(xiàn)的含水層，以植被地下水關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)維系地表植被演替具有明顯控制作用的含水層，以水資源供需關(guān)系為基礎(chǔ)，確定為供水水源的地表水庫和深部含水層保護(hù)均屬于保水采煤研究的外延，也應(yīng)納入保水采煤研究體系之內(nèi)?？傊Ｋ擅壕褪且Ｗo(hù)地下水系統(tǒng)的穩(wěn)定，保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)的完整，保護(hù)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

2 綜合保水采煤技術(shù)及應(yīng)用

自然資源部《礦產(chǎn)資源節(jié)約和綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)目錄(2022 版)》發(fā)布的“綜合保水采煤技術(shù)”，主要包括采煤對(duì)含水層擾動(dòng)評(píng)價(jià)技術(shù)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測技術(shù)、保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)技術(shù)、限高保水采煤技術(shù)、壁式條帶充填保水采煤技術(shù)、連采連充保水采煤技術(shù)、注漿保水采煤技術(shù)、固體充填保水采煤技術(shù)等8 項(xiàng)技術(shù)，其技術(shù)體系框架如圖2 所示。

圖2 綜合保水采煤技術(shù)體系框架Fig.2 Framework of comprehensive technology system of water-conserving coal mining

2.1 采煤對(duì)含水層擾動(dòng)評(píng)價(jià)技術(shù)

采煤對(duì)頂板含水層的擾動(dòng)評(píng)價(jià)主要是通過“三圖預(yù)測法”，三圖為受保護(hù)潛水含水層等厚線圖(富水性分區(qū)圖)、開采煤層上覆隔水層(基巖)厚度等值線圖和導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測高度等值線圖。根據(jù)三圖再結(jié)合煤層上覆巖石力學(xué)性質(zhì)與煤礦開采技術(shù)方法，確定具有供水價(jià)值或生態(tài)價(jià)值保護(hù)的含水層，預(yù)測、評(píng)價(jià)煤層開采對(duì)上覆含水層結(jié)構(gòu)的損傷方式和影響程度。為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)采煤對(duì)含水層擾動(dòng)強(qiáng)度，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了 “五圖?三帶?兩分區(qū)保水采煤優(yōu)選方法”，利用覆巖類型分區(qū)圖、基巖厚度等值線圖、含水層富水性分區(qū)圖、隔水層厚度等值線圖和煤層厚度等值線圖(“五圖”)，結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶等采動(dòng)巖(土)層滲流預(yù)測模型(“三帶”)，確定采煤對(duì)地下水影響程度分區(qū)以及保水采煤技術(shù)適用性分區(qū)(“兩分區(qū)”)的方法，為基于含水層保護(hù)的礦區(qū)規(guī)劃和采煤技術(shù)優(yōu)選提供了技術(shù)支撐。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測技術(shù)

2.2.1 預(yù)測方法

導(dǎo)水裂隙是煤礦突水的主要通道，也是煤礦開采損傷含水層和地下水系統(tǒng)的主要因素，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度預(yù)測一直是煤礦防治水研究的重點(diǎn)，也是保水采煤研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[24]。目前，導(dǎo)水裂隙帶研究的主要方法包括鉆孔和物探探測、經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測、模擬實(shí)驗(yàn)等。

1) 鉆孔探測法

鉆孔可實(shí)測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，主要包括：

(1) 巖心觀察法。觀察鉆孔鉆進(jìn)過程中各個(gè)回次采取巖心的完整性，包括裂隙發(fā)育的位置，裂隙形態(tài)及連通性，巖心巖塊長度和破碎程度等，據(jù)此計(jì)算巖心完整性指標(biāo)RQD 值，從而判定裂隙發(fā)育段，換算出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

(2) 鉆孔沖洗液消耗量法。通過鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量大小判定裂隙發(fā)育程度。一般鉆進(jìn)到垮落帶時(shí)，沖洗液會(huì)全部漏失。鉆進(jìn)到裂隙發(fā)育層段，沖洗液漏失量會(huì)顯著增大。與開采前附近鉆孔的沖洗液消耗量進(jìn)行定量對(duì)比，可較準(zhǔn)確判定出裂隙發(fā)育層段。

(3) 孔內(nèi)窺視法。利用鉆孔智能全景成像測井儀，在鉆孔完井后，對(duì)鉆孔內(nèi)的巖壁拍攝360°度數(shù)碼彩色圖像，裂隙發(fā)育層段在圖像上有明顯的顯示，通過觀察圖像，識(shí)別裂隙發(fā)育段，確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

(4) 地球物理測井。其原理是巖層裂隙發(fā)育后，地下水漏失，物性參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著改變，如電阻率增大等。據(jù)此判定裂隙發(fā)育層段。一般選用三側(cè)向電阻率、密度(長短源距伽馬)、自然伽馬、自然電位、聲波時(shí)差等參數(shù)進(jìn)行解釋。

2) 經(jīng)驗(yàn)公式法

在鄂爾多斯盆地北部的侏羅紀(jì)煤田，煤層近水平展布，綜采條件下，利用上百個(gè)鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)采高小于3.0 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律符合以往規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)公式；當(dāng)采高3.0～6.0 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一般為采高的22～28 倍，平均26.5 倍。在其他條件或重復(fù)開采時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度應(yīng)在探測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上綜合確定。

3) 模擬實(shí)驗(yàn)法

主要包括相似材料模擬法和數(shù)值模擬法。相似材料模擬，是根據(jù)煤層及其圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，采用相似材料，模擬煤層開采全過程，并監(jiān)測模擬條件下覆巖裂隙發(fā)育情況，確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。數(shù)值模擬法是采用相關(guān)專業(yè)軟件模擬開采條件，研究圍巖損傷過程，判定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

4) 物探解譯法

主要是利用三維地震、瞬變電磁法等物探方法，在采空區(qū)進(jìn)行巖層完整性、電導(dǎo)率等參數(shù)探測，并據(jù)此解譯導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育層段。如袁峰等[25]探查了2 個(gè)煤礦工作面采空區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，準(zhǔn)確解釋了采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律。

2.2.2 發(fā)育形態(tài)

近年來，我國煤炭開采科技發(fā)展迅速，采煤工作面最大采高從20 世紀(jì)80 年代的3.5 m 增加到6.0 m 以上。一次開采8～10 m 的大采高工作面也正在實(shí)施。采煤工作面最大傾斜長度從150 m 左右發(fā)展到400～500 m；最大推進(jìn)長度從1 500 m 左右發(fā)展到7 000 m 以上。采掘空間的不斷增大，造成煤層頂板損傷程度的成倍增加，導(dǎo)水裂隙帶也會(huì)相應(yīng)增大。以往根據(jù)當(dāng)時(shí)開采空間、開采方法總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，顯然已不再適用?，F(xiàn)有條件下，鉆孔探測無疑是一種最直接、最準(zhǔn)確的方法，盡管投資大、施工難，但仍無可取代。

陜西榆神礦區(qū)金雞灘煤礦首采工作面(12?2上101 工作面)斜長300 m，采高5.50 m，煤層埋深260 m，開采2?2煤層?；夭? 個(gè)多月后進(jìn)行鉆孔導(dǎo)水裂隙帶探測，此時(shí)，采空區(qū)地面及覆巖基本穩(wěn)定。鉆孔布置在開采工作面的采空區(qū)中心及靠工作面巷道內(nèi)側(cè)15 m處。探測結(jié)果，導(dǎo)水裂隙帶高度最大112.99 m，為采高的20.54 倍；垮落帶最大高度23.14 m，為采高的4.2 倍。

目前榆神礦區(qū)已實(shí)施的100 余個(gè)導(dǎo)水裂隙帶高度探測鉆孔，采高均小于6.0 m。采高大于6.0 m 的綜采工作面(8.8 m 大采高工作面已投產(chǎn)，10.0 m 大采高工作面也正在推進(jìn))，還沒有實(shí)測的導(dǎo)水裂隙帶數(shù)據(jù)。另外，導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測并不能僅停留在統(tǒng)計(jì)分析和回歸分析模型上，如何通過煤層開采條件下上覆巖體移動(dòng)變形機(jī)理研究，建立導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測的理論模型，仍需要理論上的突破。

2.3 保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)技術(shù)

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究的目的，是為劃分保水采煤分區(qū)提供關(guān)鍵參數(shù)，以便合理選擇開采區(qū)域、選擇合適的采煤方法。

近年來，圍繞煤炭開采區(qū)選擇，有4 種代表性的保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)方案(表1)，而且均集中在陜北侏羅紀(jì)煤田，包括陜西境內(nèi)的神東煤炭基地、陜北煤炭基地的榆神礦區(qū)。陜北煤炭基地的榆橫礦區(qū)部分礦井開展了保水采煤專題研究，進(jìn)行了煤層開采對(duì)薩拉烏蘇組潛水含水層影響程度分區(qū)。2022 年5 月，神東煤炭基地內(nèi)蒙古境內(nèi)部分地下開采煤礦均編制了“保水采煤技術(shù)方案”，分煤礦劃分了保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)，但沒有進(jìn)行全礦區(qū)(煤田)匯總。寧東煤炭基地至今未開展相關(guān)分區(qū)研究。

表1 保水采煤主要分區(qū)方案Table 1 Statistics on water-conserving coal mining division scheme

目前，保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)技術(shù)日益完善，但多數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源于鉆孔數(shù)據(jù)，采煤地質(zhì)條件分區(qū)技術(shù)為不同區(qū)域保水開采方法和工藝選擇提供了依據(jù)。

2.4 限高保水采煤技術(shù)

研究表明，采高越大，裂隙帶發(fā)育高度越大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和煤層采高呈正相關(guān)關(guān)系。因此，限高保水采煤技術(shù)指通過限制煤層開采高度，抑制裂隙帶發(fā)育高度，使之不會(huì)發(fā)育到受保護(hù)含水層中，實(shí)現(xiàn)保水采煤目標(biāo)。

限高保水開采適用于煤層厚度大(一般大于10 m)、一般無法一次采全高的區(qū)域，且煤層上覆含水層富水性較強(qiáng)，具有供水和生態(tài)價(jià)值，采用傳統(tǒng)采煤技術(shù)難以達(dá)到含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的需求。例如，煤層厚度較大的區(qū)域、垮落帶偏高的切眼地段、仰上開采的終采線地段以及松散層底部局部強(qiáng)富水性的地段等。

陜西榆樹灣煤礦侏羅系延安組含煤5 層，其中2?2煤層為主采煤層，煤層厚度11 m，如果采用綜采一次采全高采煤法，雖然其生產(chǎn)效率較高，但上覆巖層破壞嚴(yán)重，礦山壓力較為明顯，導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶持續(xù)向上發(fā)育，使含水層、隔水層不同程度破壞。該礦受保護(hù)的薩拉烏蘇組含水層，其下部發(fā)育有黏土隔水層和侏羅系基巖弱富水含(隔)水層。薩拉烏蘇組含水層平均厚度14.5 m，黏土隔水層平均厚度89 m，煤層上覆基巖厚度115～160 m(其中侏羅系直羅組82.9～20.7 m，風(fēng)化基巖23.64～11.60 m，延安組77.39～94.73 m)。在此背景下，榆樹灣煤礦通過試驗(yàn)不同采高導(dǎo)通薩拉烏蘇組含水層后，采煤造成的地下水漏失程度來確定合理的采高。若一次采全高、全部垮落法管理頂板，榆樹灣煤礦45%以上區(qū)域的薩拉烏蘇組潛水將漏失，對(duì)含水層損傷程度嚴(yán)重。當(dāng)采高為5 m 左右，大部分區(qū)域可實(shí)現(xiàn)含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)，達(dá)到保水開采目標(biāo)。榆樹灣煤礦設(shè)計(jì)采高為5.50 m，目前已開采20 個(gè)工作面?，F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，采空區(qū)只有部分下行裂縫，采動(dòng)引發(fā)的導(dǎo)水裂隙帶未發(fā)育到上部薩拉烏蘇組含水層，實(shí)現(xiàn)了限高保水采煤。毗鄰的杭來灣煤礦，301 盤區(qū)10 個(gè)綜采工作面，采用限高保水采煤技術(shù)，對(duì)于10 m 厚的2?2煤層，只開采上部的4.80 m，實(shí)現(xiàn)了保水采煤目標(biāo)。

榆神礦區(qū)2?2煤層厚度大，其中厚度大于10 m 的區(qū)域約1 000 km2，限高(分層)保水采煤技術(shù)在榆神府礦區(qū)無疑是一種適宜的保水采煤技術(shù)。但煤層開采上部一部分后，下部留下來的煤層何時(shí)開采、如何開采以及開采對(duì)薩拉烏蘇組潛水含水層結(jié)構(gòu)的影響，將是分層限高保水采煤技術(shù)面臨的技術(shù)難題。

2.5 壁式條帶充填保水采煤技術(shù)

壁式條帶充填保水采煤技術(shù)是指根據(jù)巷道煤柱對(duì)頂板的約束條件、煤柱壓力大小計(jì)算開采條帶的極限跨度[28]，采用極限平衡理論求解煤柱寬度，保證開采條帶錨桿支護(hù)的可靠性，同時(shí)通過理論分析對(duì)開采可行性、條帶采動(dòng)影響進(jìn)行試驗(yàn)，并在開采活動(dòng)后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。由此，通過減小工作面尺寸控制煤柱穩(wěn)定性和巖層的長期穩(wěn)定，達(dá)到保水采煤目的(圖3)。

圖3 壁式條帶充填開采原理Fig.3 Schematic diagram of wall strip filling mining principle

以榆神礦區(qū)某礦為例，井田面積4.82 km2。礦井主采3 號(hào)煤層，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，局部含一層厚度0.09～0.60 m 的泥巖夾矸，平均厚度5.35 m，煤層平均埋深130 m。基本頂為中細(xì)粒長石石英砂巖，厚4.48～33.20 m。直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，巖石空間分布連續(xù)性好，裂隙不發(fā)育，富水性及滲透性差，為抗拉、抗壓強(qiáng)度大的半堅(jiān)硬?堅(jiān)硬巖石，屬Ⅱ類中等垮落頂板。底板為泥巖、粉砂巖，厚0.10～9.28 m，巖石空間分布穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，抗壓強(qiáng)度大，不易造成底鼓現(xiàn)象。薩拉烏蘇組含水層是區(qū)內(nèi)主要受保護(hù)含水層。按照采高為5.35 m，第一階段“采7 m、留13 m”進(jìn)行充填開采；第一階段開采過后，對(duì)剩余13 m 煤柱，按“采7 m、留3 m”方案進(jìn)行充填開采，實(shí)現(xiàn)了保水采煤目的[29]，該方法既可以提高地方煤礦機(jī)械化、智能化水平，又可以保持采空區(qū)煤巖柱的長期穩(wěn)定，開采損害程度小，礦壓顯現(xiàn)弱，將覆巖裂隙發(fā)育控制在一定范圍，從而具有良好的含水層保護(hù)效果。

2.6 連采連充保水采煤技術(shù)

連采連充保水采煤技術(shù)，是將長壁開采體系和房柱式連續(xù)快速采煤技術(shù)相結(jié)合，建立了“多支巷布置、采充并行”的開采新模式[30-31]。利用管路泵送充填，將充填材料密實(shí)充入始終受到保護(hù)的采場支巷約束空間內(nèi)。在充填的同時(shí)，掘進(jìn)另外一條充填巷，實(shí)現(xiàn)工作面“掘巷出煤，巷內(nèi)充填”循環(huán)作業(yè)的膠結(jié)充填開采目的。該技術(shù)尤其適用于受保護(hù)目標(biāo)含水層與煤層間距極近或開采“三下”等特殊條件下的煤層。

該方法在開采塊段采用負(fù)壓式通風(fēng)，回采巷道按正常壁式采煤工作面布置，大斷面寬巷掘進(jìn)采煤，開采后的寬巷進(jìn)行充填。該方法結(jié)合了旺格維利采煤法和寬巷充填采煤法的優(yōu)勢，將傳統(tǒng)的柱式采煤法轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У谋谑竭B采連充采煤法，實(shí)現(xiàn)了高效采煤、整體支護(hù)和主動(dòng)充填接頂一體化，解決了極薄阻隔層低損傷控制問題，可有效控制淺表水資源流失和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。在長壁開采區(qū)段，開采支巷按照旺格維利法布置，進(jìn)行多輪跳采，始終保持多條支巷充填和采煤同時(shí)作業(yè)的“連采連充”高效開采模式(圖4)。開采前，將回采塊段沿傾斜或垂直于運(yùn)輸巷的方向劃分為多個(gè)開采(采煤)支巷，并將支巷劃分為多個(gè)開采階段。按開采順序間隔開采支巷，每條支巷開采后立即密實(shí)填充。下支巷在上支巷充填作業(yè)的同時(shí)開采，在采場內(nèi)形成“連采連充”保水開采模式，直至采場內(nèi)所有支巷采充完畢。

圖4 連采連充保水采煤技術(shù)模式[32]Fig.4 Continuous mining and filling and water-conserving coal mining mode[32]

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采用連采連充采煤技術(shù)已在內(nèi)蒙古裕興煤礦、陜西金牛煤礦、山東孫村煤礦等多個(gè)礦井進(jìn)行了成功應(yīng)用。但由于該技術(shù)工作面產(chǎn)能較低、固廢處理能力有限，在一定程度上限制了其在大型礦井的推廣。

2.7 注漿保水采煤技術(shù)

當(dāng)保護(hù)強(qiáng)富水性目標(biāo)含水層或地表水體時(shí)，可以根據(jù)采礦地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)注漿鉆孔參數(shù)，采用地面或井下充填泵及充填管路，以黏性土(黃土)、粉煤灰、水泥等不會(huì)對(duì)地下水造成污染的漿體材料進(jìn)行離層、帷幕、底板注漿充填，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)含水層(水體)結(jié)構(gòu)保護(hù)。以離層注漿為例，其充填如圖5 所示。

圖5 離層注漿充填Fig.5 Schematic diagram of grouting filling of the bed separation

以澄合礦區(qū)董家河煤礦為例[22]，5 號(hào)煤層下距奧灰頂界面30～40 m，奧灰水壓約1.0 MPa。為防止工作面小斷層、裂隙及采動(dòng)影響對(duì)底板的破壞，22508 工作面針對(duì)底板富水異常區(qū)采用黃土–水泥充填材料注漿，水泥按水灰比1∶1 制成漿液后與黃土漿混合，其用量占黃土漿液的20%～30%，密度為1.17～1.21 g/cm3。22508 工作面施工鉆孔82 個(gè)，完成注漿量52 378 m3。注漿結(jié)束后，經(jīng)過工程實(shí)踐，工作面回采過程未損傷煤層底板巖溶含水層，工作面的涌水量比預(yù)測量下降了90%以上，達(dá)到了注漿保水目的。

注漿保水采煤技術(shù)還可用于隔水層隔水性能再造，即在采前或采后，對(duì)采煤損傷的隔水層層位進(jìn)行注漿，重塑隔水性，再造隔水層，實(shí)現(xiàn)含水層水位恢復(fù)，達(dá)到保水采煤目標(biāo)。目前，榆神礦區(qū)曹家灘煤礦等正在進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

2.8 固體充填保水采煤技術(shù)

固體充填保水采煤技術(shù)是目前充填開采技術(shù)中的典型代表，其是在傳統(tǒng)綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的基礎(chǔ)上演化而來，該技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行采煤和充填并行作業(yè)[33]。與傳統(tǒng)綜采技術(shù)不同的是，固體填充開采技術(shù)增加了固體垂直投料系統(tǒng)以及位于填料支架后部的壓實(shí)系統(tǒng)，可以安全高效地將地面充填材料輸送到工作面的采空區(qū)。將煤矸石、粉煤灰、露天礦渣等礦山固廢作為充填材料密實(shí)充填到采空區(qū)，通過控制上覆巖層移動(dòng)變形，降低覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，達(dá)到保水采煤的目的。近年來，隨著煤礦開采條件的變化和保水采煤技術(shù)發(fā)展，先后形成了掘巷充填采煤技術(shù)、普通機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)、綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)、采選充一體化固體充填采煤技術(shù)等。最近筆者在編制榆神礦區(qū)四期規(guī)劃區(qū)某煤礦“保水采煤技術(shù)方案”中，提出了“階梯式固體充填保水采煤技術(shù)方法”，采用不同的充實(shí)率探索含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)效果，尋求最小充實(shí)率條件下保水開采途徑。

固體充填采煤技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備包括采煤設(shè)備與充填設(shè)備。其中采煤設(shè)備主要有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等；充填設(shè)備主要有多孔底卸式輸送機(jī)、自移式充填轉(zhuǎn)載輸送機(jī)、充填采煤液壓支架等。充填開采液壓支架是綜合機(jī)械化固體充填開采工作面核心裝備之一(圖6)，可實(shí)現(xiàn)在同一液壓支架掩護(hù)下采煤與充填并行作業(yè)。

圖6 固體充填采煤液壓支架結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Schematic diagram of hydraulic support structure for solid filling coal mining

目前該技術(shù)已在大型河堤、強(qiáng)富水含水層等條件下的多個(gè)礦區(qū)實(shí)現(xiàn)了安全保水采煤，其主要采用“等價(jià)采高模型”分析、評(píng)價(jià)充填巖層移動(dòng)控制效果(圖7)。

圖7 等價(jià)采高模型Fig.7 Equivalent mining height model with backfill

等價(jià)采高Hz的計(jì)算公式如下：

式中：hz為充填采煤未充填高度，m；H為實(shí)際采高，m；k為充填體的松散系數(shù)；k'為充填體的壓實(shí)系數(shù)。

隨著東部煤炭資源的日趨枯竭，該技術(shù)應(yīng)用在西部高強(qiáng)度開采條件下，充填材料的高效運(yùn)輸、高效充填、保水采煤的適用性及工程效果等需開展進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

a.針對(duì)我國西北部生態(tài)脆弱礦區(qū)高強(qiáng)度采煤區(qū)礦山開采活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響，需要控制含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，最終實(shí)現(xiàn)煤炭開采和環(huán)境保護(hù)之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

b.通過闡述“保水采煤”發(fā)展歷程，總結(jié)并給出了其科學(xué)內(nèi)涵，使保水采煤理論與技術(shù)體系不斷完善，保水采煤是通過目標(biāo)含水層研究，針對(duì)不同地質(zhì)條件分區(qū)采用不同的保水采煤技術(shù)手段，保護(hù)具有供水意義和生態(tài)意義的含水層。

c.建立了綜合保水采煤技術(shù)體系，包括采煤對(duì)含水層擾動(dòng)評(píng)價(jià)技術(shù)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與形態(tài)預(yù)測技術(shù)、保水采煤條件分區(qū)優(yōu)選技術(shù)等8 項(xiàng)技術(shù)，為煤炭綠色開采面臨的工程問題提供技術(shù)選擇和完善的技術(shù)體系。