西部脆弱礦區綠色開采技術發展現狀及方向

谷海靜

(陜西華彬煤業股份有限公司，陜西 咸陽 713500)

關健詞：綠色開采；保水采煤；導水裂隙帶；生態環境；資源保護

0 引言

我國東部地區的開發經驗告訴我們，煤礦開車會造成井田內農田發生大面積沉陷，地面河流徑流大大減少，對地下水尤其潛水層的水破壞也非常嚴重。因此造成了很多村莊搬遷、甚至有的地區土地沙漠化非常嚴重。另外，由于礦物質中的有害物質進入地下水，使得地下水資源受到了污染。

西部地區煤礦所處地區為沙漠黃土廣泛覆蓋、天氣干旱且少雨、水資源匱乏，地表生態環境十分脆弱。伴隨著西部地區的快速發展，由煤礦開采所引發的水資源破壞而造成整個生態環境惡化的問題引起了全社會的關注與重視。

1 西部地區煤礦綠色開采核心技術的發展方向

我國水資源各地區分布不均勻，總體上呈“南多北少，東多西少”的特點。對于西部地區煤礦而言，缺水相對嚴重的多，因此地下水、地表水及生態保護是綠色開采的重點也是難點。鑒于此，西部地區煤礦保水開采則是我國西部地區綠色開采核心技術發展的主要方向。

傳統的開采模式引起的采動損害與環境問題日益突出，攻關“綠色開采與生態環境保護技術”已成為煤炭工業高質量發展趨勢。為實現煤炭工業高質量發展，需著重研究煤礦低損傷開采基礎理論與應用技術，研發井下采選充一體化開采技術、裝備及井下精準局部充填開采技術與裝備[15]，開展無煤柱連續開采、保水開采、西部淺埋煤層開采覆巖移動與控制等技術的研究。

2 西部地區保水采煤開采技術

2.1 加強地質基礎的研究

保水采煤的基礎條件就是客觀的水文地質及工程地質，其是保水采煤的先天條件，因此開展西部地區水文地質及工程地質條件的詳細分類的研究對保水采煤有著非常重要的意義和作用。

2.1.1 采動工程及水文地質條件的變化規律

揭示采動工程及水文地質條件的變化規律，特別是隔水巖組的隔水性變化是生態環境保護的關鍵。因此，隔水(層)巖組是保證保水采煤最重要的地質條件。煤層被開采后，煤層上方與含水層之間的隔水層會自下而上產生導水裂隙。當導水裂隙穿透隔水巖組時，隔水層的隔水性被破壞；當導水裂隙帶發育高度位于隔水層巖組之下，隔水層的隔水性未被破壞，其之上的含水層將保持穩定。煤層上覆隔水巖組巖性、結構、構造、厚度、力學性質以及煤礦開采工藝、開采高度是影響裂隙發育的主要因素。根據西部地區的經驗，導水裂隙帶高度為20～30倍煤層開采高度。隔水層有足夠的厚度且位于導水裂隙帶發育高度之上是保護含水層不受破壞的基本地質條件。

2.1.2 煤、水、巖性空間分布特征

煤、水、巖性空間分布特征研究就是將工程地質、水文地質條件，即含水層、隔水層、地層產狀、隔水巖組巖性結構等與煤、水作為系統工程進行整體的研究。含水層主要研究其范圍分布特點、厚度和富水性變化規律、水力聯系、地下水的補給、徑流、排泄關系；隔水層不僅研究隔水層在礦區及井田的范圍分布特點、厚度的變化規律，更重要的是要研究隔水巖組巖性的結構、構造、力學性質特征，分析隔水巖組在采動影響下的抗破壞能力[6]。

2.2 地質條件分區預測方法

2.2.1 經驗公式法

當導水裂隙帶發育高度位于目標含水層之下，則不必采取保水采煤的相關技術及措施，反之，則必須采取。因此如何確定導水裂隙帶高度成了研究的主要對象。在20世紀80年代，一些學者通過總結得出了相關的計算公式，通常稱之為經驗公式法。

2.2.2 三圖預測法

通過編制含水層等厚度線圖、開采煤層頂板隔水層厚度等值線圖和開采煤層導水裂隙帶發育高度等值線圖這3張圖，結合覆巖物理力學性質及采煤工藝進行綜合判定的方法稱之為“三圖預測法”，該方法由王雙明、范立民提出[7]。該綜合判定方法的成功建立為保水采煤進行地質調查和條件地質分區的研究提供了一種有效的分析和解決問題的途徑。

2.2.3 常用的實測方法

目前煤礦導水裂隙帶高度的準確探測主要采用鉆孔沖洗液法。隨著煤炭科學探測技術的不斷進步,鉆孔注水實驗法、高密度電阻分辨率法、超聲波層析成像探測法、聲波CT層析成像探測法等許多新的科學探測手段和技術也在煤礦中得到了應用。探測手段的豐富,為煤礦導水裂隙帶的準確探測奠定了堅實的基礎。

3 西部地區保水采煤工程實踐

巖層控制是保護含水層穩定不被破壞的關鍵，即控制開采引起的導水裂隙帶發育高度，使其完全位于含水層之下，從而達到對含水層水位的控制與保護。我國保水采煤的工程實踐是基于不同的工程及水文地質條件和開采條件而形成的，因此出現了多樣化，并快速發展，具體有充填、短壁機械化、分層(限高)、窄條帶等保水采煤方法。

3.1 充填式開采

利用充填開采技術進行控頂的方法對生態環境進行保護是十分有效的，而且有利于煤礦的安全生產。在東部地區其被廣泛應用于巷柱式開采法和長壁式開采中，并形成了集充填材料、充填裝備、充填工藝以及充填采煤礦山壓力規律與巖層控制等于一體的完整的采煤充填系統及理論。為巖層的有效控制與含水層的有效保護提供了解決辦法。

由于榆陽煤礦井田與榆林新的城市規劃區發生了重疊，為了保證城市建設的繼續進行，更好地達到保護好薩拉烏蘇組含水層和整個地質環境的目的，榆陽煤礦通過調研并在開采實踐中采用了局部充填材料開采的工程設計方案，實現了局部保水采煤的目標。該礦以風積沙為骨料的膏體充填材料，充填率達到了50%～70%，地面下沉量減少到了50%以下。 該礦區其他部分煤礦也開展了局部充填開采的工程實踐，達到了局部充填保水采煤的目的。由于該技術噸煤成本達到了100元/t，因此嚴重影響了該技術的大范圍的推廣。

3.2 短壁連采技術

我國于1979年從美國引進了短壁連采設備及技術，經過幾十年的快速發展，形成了適應我國地質特征的高效的短壁機械化連續開采技術和方法。2003年神東煤炭集團公司在中厚偏薄煤層中應用了短壁連采技術，大大提高了資源回收率，取得了顯著的效果。該技術主要應用在“三下”開采、不規則區域回采、殘煤區煤柱的回收方面，因此其適用性較差。

3.3 分層(限高)開采技術

目前厚煤層開采主要有放頂煤開采和分層開采兩種工藝方式。放頂煤開采工藝盡管高產高效，但上覆巖層破壞嚴重，壓力顯現劇烈，而分層開采可以在前期有效降低導水裂隙帶的發育高度。實踐證明，通過控制初次采煤高度，可以減小導水裂隙帶的發育高度，有利于安全生產、保水采煤的順利實現。

榆樹灣煤礦就放頂煤開采和分層開采2種技術條件下的保水采煤的可行性進行了研究，認為將上分層的采高控制在5 m左右可以保證整個礦井大部分區域的保水開采目標的實現。經過鉆孔探測驗證，導水裂隙帶發育高度未波及到薩拉烏蘇組含水層，實現了該條件下保水采煤的目標。

杭來灣301盤區共布置了10個綜采工作面，開采煤層為3號煤層，平均厚度為9 m左右，采用限高分層開采的采煤方法。通過對采空區地下水位及民用水井以及采空區地表水體的調查，發現采空區范圍內水井未發生干涸、河水沒有斷流、植物沒有發生大面積枯死、未發生水土流失和土地沙漠化等生態問題。實踐結果表明采動損害雖然引起了地表沉陷，造成了第四系松散層潛水位的下降，但是導水裂隙帶發育高度位于午城組和離石組隔水層之下。因此，未破壞第四系松散層潛水位的整體穩定結構，所以達到了保水采煤的目的。

3.4 窄條帶開采技術

范立民等[7]針對榆神礦區地方煤礦不規則的井田邊界提出了窄條帶保水采煤方法。該方法是在原有長壁開采系統布置的前提下，將工作面劃分成若干個平行于開切眼的開采條帶進行開采。通過對榆卜界等礦井的“窄條帶”開采技術的研究，為確保煤層上覆富含水層保持穩定,不被破壞，條帶煤柱能夠維持長期的穩定，得出了各技術參數確定的原則和方法。

對于“采12留8”，邵小平等[89]運用相似模擬實驗分別與留6 m及留4 m進行了對比模擬研究。研究結果表明，當條帶煤柱尺寸減小到4 m后，會使得采空區中部局部條帶煤柱首先失穩破壞，最終導致上覆巖層的垮落。當條帶煤柱尺寸為8 m時，煤柱可達到長期的穩定，達到保水采煤的目的。

目前，“采12留8”采煤方法已在榆神礦區推廣應用，該技術40%的煤炭遺留在工作面內，采出率很低，因此它只是一種限于特定條件下的保水開采方法。麻黃梁礦井位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區南部，采用的窄條帶膏體充填保水采煤方法也取得了成功。

3.5 地下水轉移儲存保水采煤工程實踐

地下水轉移儲存也是地下水的一種利用方式，神華集團共設計實施了35座地下水庫，形成了以轉移儲存地下水保護利用為理念的煤礦地下水庫技術，該技術在石圪臺、大柳塔等礦井的應用，為該地區提供了95%的礦區生產和生活用水，實現了礦區內水資源的良性循環利用[10]，取得了顯著的社會及經濟效益，為我國的綠色開采開辟了一種新思路。

3.6 煤水-仿生共采理念

張建民等[11]將水資源當作一種有效資源進行開發利用，因此提出煤水-仿生共采的理念。其基本理念是將煤礦資源開采、水資源開發利用與地表生態保護三個方面齊頭并進，以達到相互協調可持續發展的目的。

3.7 主動型礦區生態環境綜合治理與防治技術體系

楊俊哲等[12]通過神東礦區的工程實踐與創新，提出了該技術體系。該技術體系主要包括采前生態防護功能圈的建立技術、采中煤礦的清潔利用相關技術、采后生態系統修復與功能優化技術體系。

同時，王安[13]也提出了這種新理念，開發出了井下矸石零排放技術(即井下矸石全部進行充填不外排)、易自燃煤層不發火等技術。

4 結語

西部水資源匱乏，生態環境脆弱，實現煤炭綠色開采尤其保水采煤是我國西部地區煤炭工業高質量發展必須破解的重大科學難題。雖然現階段已經取得了一定量的科技成果，但是這些成果仍然有它的局限性。伴隨國家一些環保政策的落地，尤其針對矸石的處置問題，2014年國家十部委聯合下達了《煤矸石綜合利用管理辦法》，且隨著充填材料的創新，目前噸煤成本已達到50～60元/噸。因此，綠色高效充填開采技術將迎來新的發展階段。