論保水采煤技術體系

范立民，孫 強，馬立強，李 濤，陳海富，蔣澤泉

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

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

“保水采煤”理念自20 世紀90 年代提出以來，經過長期研究與推廣，初步形成了完善的保水采煤技術體系和方法[1-7]，保水采煤技術也成為煤炭行業科技工作者研究熱點，國內多個研究團隊進行了重點科學研究和工程實踐。錢鳴高等[8-10]建立了綠色開采技術體系框架，將保水采煤納入綠色開采技術體系的重要組成部分。彭蘇萍等[11]提出了煤炭資源持續開發與環境保護協同發展的科學路徑，認為煤炭資源大規模開發更重要的是要評估煤礦區地質環境、社會經濟對煤炭開采的約束機制。王雙明等[3]研究了煤層與含水層、隔水層賦存的地質條件，劃分了保水開采地質條件和保水開采分區。范立民等[12-13]總結了實現保水采煤的核心要素，并提出了保水采煤的科學內涵。黃慶享等[14-16]發現淺埋煤層采動上覆巖層發生“上行裂隙”和“下行裂隙”及隔水層的彌合性，提出了隔水關鍵層的穩定性判據，建立了保水開采的巖層控制理論，為控制含水層結構穩定提供理論基礎。馬立強等[17]開發了壁式連采連充保水采煤技術方法，解決了極薄隔水層條件下含水層低損傷技術難題，可實現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現受奧陶系灰巖(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“三下”壓煤多、矸石排放量大的突出難題，研發固體充填采煤技術，并通過工程實踐實現了含水層保護。張東升等[20]分析了新疆地區保水采煤問題。王蘇健等[18]基于煤層底板隔水層薄弱帶注漿加固工程，實現了陜西澄合礦區董家河煤礦巖溶含水層結構的保護。武強等[21]提出了水資源排?供?生態環保三位一體的煤?水共采的理論與技術，促進了水資源保護與利用。

30 年來，保水采煤技術逐步成熟。作者團隊提出的“綜合保水采煤技術”，2022 年入選自然資源部《礦產資源節約和綜合利用先進適用技術目錄(2022 版)》，主要包括采煤對含水層損傷的評價技術、保水采煤地質條件優選分區技術和導水裂隙帶發育高度預測技術等8 項保水采煤技術。筆者在論述保水采煤研究歷程基礎上，主要闡述8 項技術原理、適用條件及工程應用效果，以期完善保水采煤技術體系，促進西部煤礦區環境保護。

1 保水采煤發展歷程及科學內涵

1.1 發展歷程

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

圖1 “保水采煤”發展歷程Fig.1 Development history of “water-conserving coal mining”

(1) 萌 芽 期(1990 ?1995 年)。筆 者1992 年 發表《神木礦區的主要環境地質問題》[22]一文，首次提出保水采煤科學理念，同時也提出煤田開發中應將采煤、保水和生態環境保護作為一個系統工程統一規劃的宏觀思路。隨后，我國煤炭科技工作者開始重視煤層開采對地下水損傷的研究工作。如陜西省一八五煤田地質勘探隊(現陜西省一八五煤田地質有限公司，簡稱一八五隊)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煤層開采導水裂隙帶發育高度預測等值線圖等，分析采煤對薩拉烏蘇組含水層、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數據。因此，該時間段為保水采煤技術的萌芽階段。

(2) 形成期(1995?2005 年)。其標志是原煤炭工業部“九五”重點科技攻關項目《中國西部侏羅紀煤田(榆神府礦區)保水采煤與地質環境綜合研究》的實施。由中國煤炭地質總局、一八五隊、中國礦業大學等單位聯合承擔。課題組根據榆神府礦區工程地質條件特點和保水采煤的地質因素，將榆神府礦區保水采煤工程地質條件劃分為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行保水采煤條件論證，如果煤層開采應采取保水措施，并根據礦區內更詳細的工程地質條件，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”發育高度，以保護含水層結構穩定。按照這一構想，范立民[1]提出了保水采煤的基本思路和實現途徑。保水采煤技術初步形成。

(3) 發展期(2005?2010 年)。針對煤礦區含水層結構保護難題，范立民等[1,12]針對榆神府礦區沙漠地貌與黃土地貌特點，提出保水采煤要達到的目標，一是不至于造成泉水干涸或流量大幅度衰減，二是對礦區植被的生長條件不產生明顯影響。基于以上指標，王雙明、范立民組建了包括地質工程、生態環境、采礦工程等多學科的創新組，進行了多學科研究：一是將生態學的理論引入保水采煤研究，提出了生態水位、合理埋深等概念。按照生態水位保護原則，劃分了榆神府礦區保水開采分區，定量確定了煤礦區地下水位保護的閾值，將保水采煤的研究拓展到生態環境保護領域。二是引入采礦工程學科的關鍵層理論。關鍵層理論的物理過程清晰，計算過程簡潔，廣泛應用于煤層采動損害研究，使其成為一個以采礦工程科學、巖石力學、水文水資源學、生態環境科學等為主的多學科研究領域，每個學科的發展都為保水采煤技術體系完善帶來新的活力。其標志性成果是確定了陜北侏羅紀煤田沙漠區生態水位的合理埋深，識別了保水采煤地質條件，編繪了基于生態水位保護的區域性保水采煤方法規劃圖，研發了適用于陜西榆林地方煤礦的窄條帶保水采煤技術并推廣應用，創建了以生態水位保護為核心的礦區生態環境保護技術體系[3]。

(4) 成熟期(2011 年至今)。2011 年以來，保水采煤技術體系逐漸完善和成熟。其標志性成果：一是保水采煤技術快速發展，研發了一批保水采煤新技術。范立民等發明了保水采煤地質條件優選技術方法、煤層頂板含水層保護的采煤技術、煤層底板含水層保護的采煤關鍵技術等[12]。二是基于保水采煤需求，建成了涵蓋陜西境內3 個大型煤炭基地全部煤礦、煤炭規劃礦區的地下水智能監測預警網和信息平臺[23]，實時監測監控重要含水層地下水動態。三是建立了保水采煤的標準體系，頒布了DB 61/T 1295?2019《保水采煤技術規范》[6]，填補了空白。制定了T/GRM 054?2022《保水采煤技術規范》、T/GRM 056?2022《煤礦導水裂隙帶探查技術規范》等適用全國的團體標準，國家標準研制也順利推進。四是保水采煤技術得到普遍認可。自然資源、生態環境、水利、能源等部門在相關規劃、法規或審批備案文件中均體現了推廣保水采煤技術的要求，并前置性要求保護含水層結構。陜西、內蒙古、山西、新疆、寧夏等省(自治區)全面推廣保水采煤技術，貴州省要求因地制宜地推廣保水采煤技術。內蒙古鄂爾多斯市、烏海市地下開采煤礦以及陜西、內蒙古西部的新建煤礦，全部編制“保水采煤技術方案”，全面推廣保水采煤技術。

1.2 科學內涵

保水采煤科學理念提出后，主要針對我國西北地區煤炭基地開展研究，旨在實現高強度煤層開采與地下水系統保護的統一，以保護西北煤礦區地下水系統的完整性和系統性。因此，筆者給出保水采煤的概念是：在干旱–半干旱地區煤層開采過程中，通過控制巖層移動維持具有供水意義和生態價值含水層的結構穩定或水位變化在合理范圍內，尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優解的煤炭開采技術[12-13]。

針對這一概念，保水采煤研究區主要在西北煤礦區，包括陜北、神東、黃隴、寧東、新疆5 個大型煤炭基地，保水采煤著眼于西部干旱–半干旱地區具有供水意義和生態價值的含水層，除此之外的各類含水層均不在保水采煤研究的范疇之中。保水采煤實現途徑是以巖層控制理論和技術為基礎而研發具有抑制導水裂隙發育的采煤技術。保水采煤實現對象為含水層結構和水位埋深，要求含水層結構穩定，或短暫失穩后造成的水位下降在一定時間后能恢復至不影響其供水能力的范圍。保水采煤實現結果可緩解優化煤炭資源開采和水資源供需平衡之間的矛盾，達到資源開發與水環境保護協調統一。

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對象。在干旱–半干旱其他礦區，以河水–地下水關系為基礎，對維持河流基流有重要貢獻的含水層，以植被地下水關系為基礎，對維系地表植被演替具有明顯控制作用的含水層，以水資源供需關系為基礎，確定為供水水源的地表水庫和深部含水層保護均屬于保水采煤研究的外延，也應納入保水采煤研究體系之內。總之，保水采煤就是要保護地下水系統的穩定，保護含水層結構的完整，保護煤礦區生態環境。

2 綜合保水采煤技術及應用

自然資源部《礦產資源節約和綜合利用先進適用技術目錄(2022 版)》發布的“綜合保水采煤技術”，主要包括采煤對含水層擾動評價技術、導水裂隙帶發育高度預測技術、保水采煤地質條件分區技術、限高保水采煤技術、壁式條帶充填保水采煤技術、連采連充保水采煤技術、注漿保水采煤技術、固體充填保水采煤技術等8 項技術，其技術體系框架如圖2 所示。

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

2.1 采煤對含水層擾動評價技術

采煤對頂板含水層的擾動評價主要是通過“三圖預測法”，三圖為受保護潛水含水層等厚線圖(富水性分區圖)、開采煤層上覆隔水層(基巖)厚度等值線圖和導水裂隙帶預測高度等值線圖。根據三圖再結合煤層上覆巖石力學性質與煤礦開采技術方法，確定具有供水價值或生態價值保護的含水層，預測、評價煤層開采對上覆含水層結構的損傷方式和影響程度。為了更準確地評價采煤對含水層擾動強度，筆者團隊研發了 “五圖?三帶?兩分區保水采煤優選方法”，利用覆巖類型分區圖、基巖厚度等值線圖、含水層富水性分區圖、隔水層厚度等值線圖和煤層厚度等值線圖(“五圖”)，結合導水裂隙帶等采動巖(土)層滲流預測模型(“三帶”)，確定采煤對地下水影響程度分區以及保水采煤技術適用性分區(“兩分區”)的方法，為基于含水層保護的礦區規劃和采煤技術優選提供了技術支撐。

2.2 導水裂隙帶發育高度預測技術

2.2.1 預測方法

導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的主要因素，導水裂隙發育高度預測一直是煤礦防治水研究的重點，也是保水采煤研究的熱點與難點[24]。目前，導水裂隙帶研究的主要方法包括鉆孔和物探探測、經驗公式預測、模擬實驗等。

1) 鉆孔探測法

鉆孔可實測導水裂隙帶發育高度，主要包括：

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

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

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

(4) 地球物理測井。其原理是巖層裂隙發育后，地下水漏失，物性參數會發生顯著改變，如電阻率增大等。據此判定裂隙發育層段。一般選用三側向電阻率、密度(長短源距伽馬)、自然伽馬、自然電位、聲波時差等參數進行解釋。

2) 經驗公式法

在鄂爾多斯盆地北部的侏羅紀煤田，煤層近水平展布，綜采條件下，利用上百個鉆孔進行統計分析，發現采高小于3.0 m 時，導水裂隙帶高度發育規律符合以往規范推薦的經驗公式；當采高3.0～6.0 m 時，導水裂隙帶發育高度一般為采高的22～28 倍，平均26.5 倍。在其他條件或重復開采時，導水裂隙帶高度應在探測數據基礎上綜合確定。

3) 模擬實驗法

主要包括相似材料模擬法和數值模擬法。相似材料模擬，是根據煤層及其圍巖的物理力學性質，采用相似材料，模擬煤層開采全過程，并監測模擬條件下覆巖裂隙發育情況，確定導水裂隙帶發育高度。數值模擬法是采用相關專業軟件模擬開采條件，研究圍巖損傷過程，判定導水裂隙帶發育高度。

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，在采空區進行巖層完整性、電導率等參數探測，并據此解譯導水裂隙帶發育層段。如袁峰等[25]探查了2 個煤礦工作面采空區的導水裂隙帶發育高度，準確解釋了采動覆巖裂隙發育規律。

2.2.2 發育形態

近年來，我國煤炭開采科技發展迅速，采煤工作面最大采高從20 世紀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施。采煤工作面最大傾斜長度從150 m 左右發展到400～500 m；最大推進長度從1 500 m 左右發展到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，導水裂隙帶也會相應增大。以往根據當時開采空間、開采方法總結的經驗公式，顯然已不再適用。現有條件下，鉆孔探測無疑是一種最直接、最準確的方法，盡管投資大、施工難，但仍無可取代。

陜西榆神礦區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。回采4 個多月后進行鉆孔導水裂隙帶探測，此時，采空區地面及覆巖基本穩定。鉆孔布置在開采工作面的采空區中心及靠工作面巷道內側15 m處。探測結果，導水裂隙帶高度最大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。

目前榆神礦區已實施的100 余個導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，10.0 m 大采高工作面也正在推進)，還沒有實測的導水裂隙帶數據。另外，導水裂隙帶高度預測并不能僅停留在統計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變形機理研究，建立導水裂隙帶預測的理論模型，仍需要理論上的突破。

2.3 保水采煤地質條件分區技術

導水裂隙帶發育規律研究的目的，是為劃分保水采煤分區提供關鍵參數，以便合理選擇開采區域、選擇合適的采煤方法。

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

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

目前，保水采煤地質條件分區技術日益完善，但多數基礎數據源于鉆孔數據，采煤地質條件分區技術為不同區域保水開采方法和工藝選擇提供了依據。

2.4 限高保水采煤技術

研究表明，采高越大，裂隙帶發育高度越大，導水裂隙帶發育高度和煤層采高呈正相關關系。因此，限高保水采煤技術指通過限制煤層開采高度，抑制裂隙帶發育高度，使之不會發育到受保護含水層中，實現保水采煤目標。

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域，且煤層上覆含水層富水性較強，具有供水和生態價值，采用傳統采煤技術難以達到含水層結構保護的需求。例如，煤層厚度較大的區域、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，雖然其生產效率較高，但上覆巖層破壞嚴重，礦山壓力較為明顯，導致導水裂隙帶持續向上發育，使含水層、隔水層不同程度破壞。該礦受保護的薩拉烏蘇組含水層，其下部發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不同采高導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%以上區域的薩拉烏蘇組潛水將漏失，對含水層損傷程度嚴重。當采高為5 m 左右，大部分區域可實現含水層結構保護，達到保水開采目標。榆樹灣煤礦設計采高為5.50 m，目前已開采20 個工作面。現場實測結果表明，采空區只有部分下行裂縫，采動引發的導水裂隙帶未發育到上部薩拉烏蘇組含水層，實現了限高保水采煤。毗鄰的杭來灣煤礦，301 盤區10 個綜采工作面，采用限高保水采煤技術，對于10 m 厚的2?2煤層，只開采上部的4.80 m，實現了保水采煤目標。

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

2.5 壁式條帶充填保水采煤技術

壁式條帶充填保水采煤技術是指根據巷道煤柱對頂板的約束條件、煤柱壓力大小計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的可靠性，同時通過理論分析對開采可行性、條帶采動影響進行試驗，并在開采活動后對采空區進行充填。由此，通過減小工作面尺寸控制煤柱穩定性和巖層的長期穩定，達到保水采煤目的(圖3)。

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

以榆神礦區某礦為例，井田面積4.82 km2。礦井主采3 號煤層，煤層穩定，結構簡單，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。基本頂為中細粒長石石英砂巖，厚4.48～33.20 m。直接頂以砂質泥巖為主，巖石空間分布連續性好，裂隙不發育，富水性及滲透性差，為抗拉、抗壓強度大的半堅硬?堅硬巖石，屬Ⅱ類中等垮落頂板。底板為泥巖、粉砂巖，厚0.10～9.28 m，巖石空間分布穩定，結構簡單，抗壓強度大，不易造成底鼓現象。薩拉烏蘇組含水層是區內主要受保護含水層。按照采高為5.35 m，第一階段“采7 m、留13 m”進行充填開采；第一階段開采過后，對剩余13 m 煤柱，按“采7 m、留3 m”方案進行充填開采，實現了保水采煤目的[29]，該方法既可以提高地方煤礦機械化、智能化水平，又可以保持采空區煤巖柱的長期穩定，開采損害程度小，礦壓顯現弱，將覆巖裂隙發育控制在一定范圍，從而具有良好的含水層保護效果。

2.6 連采連充保水采煤技術

連采連充保水采煤技術，是將長壁開采體系和房柱式連續快速采煤技術相結合，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，將充填材料密實充入始終受到保護的采場支巷約束空間內。在充填的同時，掘進另外一條充填巷，實現工作面“掘巷出煤，巷內充填”循環作業的膠結充填開采目的。該技術尤其適用于受保護目標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壓式通風，回采巷道按正常壁式采煤工作面布置，大斷面寬巷掘進采煤，開采后的寬巷進行充填。該方法結合了旺格維利采煤法和寬巷充填采煤法的優勢，將傳統的柱式采煤法轉變為高效的壁式連采連充采煤法，實現了高效采煤、整體支護和主動充填接頂一體化，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環境保護。在長壁開采區段，開采支巷按照旺格維利法布置，進行多輪跳采，始終保持多條支巷充填和采煤同時作業的“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輸巷的方向劃分為多個開采(采煤)支巷，并將支巷劃分為多個開采階段。按開采順序間隔開采支巷，每條支巷開采后立即密實填充。下支巷在上支巷充填作業的同時開采，在采場內形成“連采連充”保水開采模式，直至采場內所有支巷采充完畢。

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

據不完全統計，采用連采連充采煤技術已在內蒙古裕興煤礦、陜西金牛煤礦、山東孫村煤礦等多個礦井進行了成功應用。但由于該技術工作面產能較低、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

當保護強富水性目標含水層或地表水體時，可以根據采礦地質條件，設計注漿鉆孔參數，采用地面或井下充填泵及充填管路，以黏性土(黃土)、粉煤灰、水泥等不會對地下水造成污染的漿體材料進行離層、帷幕、底板注漿充填，最終實現目標含水層(水體)結構保護。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

以澄合礦區董家河煤礦為例[22]，5 號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、裂隙及采動影響對底板的破壞，22508 工作面針對底板富水異常區采用黃土–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，完成注漿量52 378 m3。注漿結束后，經過工程實踐，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測量下降了90%以上，達到了注漿保水目的。

注漿保水采煤技術還可用于隔水層隔水性能再造，即在采前或采后，對采煤損傷的隔水層層位進行注漿，重塑隔水性，再造隔水層，實現含水層水位恢復，達到保水采煤目標。目前，榆神礦區曹家灘煤礦等正在進行工業性試驗。

2.8 固體充填保水采煤技術

固體充填保水采煤技術是目前充填開采技術中的典型代表，其是在傳統綜合機械化采煤技術的基礎上演化而來，該技術可以同時進行采煤和充填并行作業[33]。與傳統綜采技術不同的是，固體填充開采技術增加了固體垂直投料系統以及位于填料支架后部的壓實系統，可以安全高效地將地面充填材料輸送到工作面的采空區。將煤矸石、粉煤灰、露天礦渣等礦山固廢作為充填材料密實充填到采空區，通過控制上覆巖層移動變形，降低覆巖導水裂隙帶發育高度，達到保水采煤的目的。近年來，隨著煤礦開采條件的變化和保水采煤技術發展，先后形成了掘巷充填采煤技術、普通機械化固體充填采煤技術、綜合機械化固體充填采煤技術、采選充一體化固體充填采煤技術等。最近筆者在編制榆神礦區四期規劃區某煤礦“保水采煤技術方案”中，提出了“階梯式固體充填保水采煤技術方法”，采用不同的充實率探索含水層結構保護效果，尋求最小充實率條件下保水開采途徑。

固體充填采煤技術關鍵設備包括采煤設備與充填設備。其中采煤設備主要有采煤機、刮板輸送機等；充填設備主要有多孔底卸式輸送機、自移式充填轉載輸送機、充填采煤液壓支架等。充填開采液壓支架是綜合機械化固體充填開采工作面核心裝備之一(圖6)，可實現在同一液壓支架掩護下采煤與充填并行作業。

圖6 固體充填采煤液壓支架結構原理Fig.6 Schematic diagram of hydraulic support structure for solid filling coal mining

目前該技術已在大型河堤、強富水含水層等條件下的多個礦區實現了安全保水采煤，其主要采用“等價采高模型”分析、評價充填巖層移動控制效果(圖7)。

圖7 等價采高模型Fig.7 Equivalent mining height model with backfill

等價采高Hz的計算公式如下：

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

隨著東部煤炭資源的日趨枯竭，該技術應用在西部高強度開采條件下，充填材料的高效運輸、高效充填、保水采煤的適用性及工程效果等需開展進一步研究。

3 結論

a.針對我國西北部生態脆弱礦區高強度采煤區礦山開采活動對地下水環境的影響，需要控制含水層結構穩定，最終實現煤炭開采和環境保護之間的協調統一。

b.通過闡述“保水采煤”發展歷程，總結并給出了其科學內涵，使保水采煤理論與技術體系不斷完善，保水采煤是通過目標含水層研究，針對不同地質條件分區采用不同的保水采煤技術手段，保護具有供水意義和生態意義的含水層。

c.建立了綜合保水采煤技術體系，包括采煤對含水層擾動評價技術、導水裂隙帶發育高度與形態預測技術、保水采煤條件分區優選技術等8 項技術，為煤炭綠色開采面臨的工程問題提供技術選擇和完善的技術體系。