矿区绿色开采技术发展现状及方向

摘要:为了吸取东部地区的经验及教训，伴随西部大开发的进程，在前人提出的绿色开采概念的基础上，论述了我国西部地区煤矿绿色开采核心技术的发展现状。通过对支撑西部地区煤矿高效高质量发展的绿色开采技术发展的分析，阐述了我国西部地区保水采煤的工程地质及水文地质的特点;介绍了保水采煤地质条件预测的经验公式法、三图预测法、常用实测方法。同时，从西部地区充填、窄条带等保水采煤方法的工程实践出发，介绍了地下水转移储存保水采煤工程实践与煤水仿生共采理念以及主动型矿区生态环境综合治理与防治技术体系的理念，系统总结了保水开采的技术目前存在的问题以及西部地区绿色开采技术未来的发展方向。

关健词:绿色开采;保水采煤;导水裂隙带;生态环境;资源保护

我国东部地区的开发经验告诉我们，煤矿开车会造成井田内农田发生大面积沉陷，地面河流径流大大减少，对地下水尤其潜水层的水破坏也非常严重。因此造成了很多村庄搬迁、甚至有的地区土地沙漠化非常严重。另外，由于矿物质中的有害物质进入地下水，使得地下水资源受到了污染。西部地区煤矿所处地区为沙漠黄土广泛覆盖、天气干旱且少雨、水资源匮乏，地表生态环境十分脆弱。伴随着西部地区的快速发展，由煤矿开采所引发的水资源破坏而造成整个生态环境恶化的问题引起了全社会的关注与重视。

1西部地区煤矿绿色开采核心技术的发展方向

我国水资源各地区分布不均匀，总体上呈“南多北少，东多西少”的特点。对于西部地区煤矿而言，缺水相对严重的多，因此地下水、地表水及生态保护是绿色开采的重点也是难点。鉴于此，西部地区煤矿保水开采则是我国西部地区绿色开采核心技术发展的主要方向。传统的开采模式引起的采动损害与环境问题日益突出，攻关“绿色开采与生态环境保护技术”已成为煤炭工业高质量发展趋势。为实现煤炭工业高质量发展，需着重研究煤矿低损伤开采基础理论与应用技术，研发井下采选充一体化开采技术、装备及井下精准局部充填开采技术与装备［1－5］，开展无煤柱连续开采、保水开采、西部浅埋煤层开采覆岩移动与控制等技术的研究。

2西部地区保水采煤开采技术

2．1加强地质基础的研究

保水采煤的基础条件就是客观的水文地质及工程地质，其是保水采煤的先天条件，因此开展西部地区水文地质及工程地质条件的详细分类的研究对保水采煤有着非常重要的意义和作用。2．1．1采动工程及水文地质条件的变化规律揭示采动工程及水文地质条件的变化规律，特别是隔水岩组的隔水性变化是生态环境保护的关键。因此，隔水(层)岩组是保证保水采煤最重要的地质条件。煤层被开采后，煤层上方与含水层之间的隔水层会自下而上产生导水裂隙。当导水裂隙穿透隔水岩组时，隔水层的隔水性被破坏;当导水裂隙带发育高度位于隔水层岩组之下，隔水层的隔水性未被破坏，其之上的含水层将保持稳定。煤层上覆隔水岩组岩性、结构、构造、厚度、力学性质以及煤矿开采工艺、开采高度是影响裂隙发育的主要因素。根据西部地区的经验，导水裂隙带高度为20～30倍煤层开采高度。隔水层有足够的厚度且位于导水裂隙带发育高度之上是保护含水层不受破坏的基本地质条件。2．1．2煤、水、岩性空间分布特征煤、水、岩性空间分布特征研究就是将工程地质、水文地质条件，即含水层、隔水层、地层产状、隔水岩组岩性结构等与煤、水作为系统工程进行整体的研究。含水层主要研究其范围分布特点、厚度和富水性变化规律、水力联系、地下水的补给、径流、排泄关系;隔水层不仅研究隔水层在矿区及井田的范围分布特点、厚度的变化规律，更重要的是要研究隔水岩组岩性的结构、构造、力学性质特征，分析隔水岩组在采动影响下的抗破坏能力［6］。

2．2地质条件分区预测方法

2．2．1经验公式法当导水裂隙带发育高度位于目标含水层之下，则不必采取保水采煤的相关技术及措施，反之，则必须采取。因此如何确定导水裂隙带高度成了研究的主要对象。在20世纪80年代，一些学者通过总结得出了相关的计算公式，通常称之为经验公式法。2．2．2三图预测法通过编制含水层等厚度线图、开采煤层顶板隔水层厚度等值线图和开采煤层导水裂隙带发育高度等值线图这3张图，结合覆岩物理力学性质及采煤工艺进行综合判定的方法称之为“三图预测法”，该方法由王双明、范立民提出［7］。该综合判定方法的成功建立为保水采煤进行地质调查和条件地质分区的研究提供了一种有效的分析和解决问题的途径。2．2．3常用的实测方法目前煤矿导水裂隙带高度的准确探测主要采用钻孔冲洗液法。随着煤炭科学探测技术的不断进步，钻孔注水实验法、高密度电阻分辨率法、超声波层析成像探测法、声波CT层析成像探测法等许多新的科学探测手段和技术也在煤矿中得到了应用。探测手段的丰富，为煤矿导水裂隙带的准确探测奠定了坚实的基础。

3西部地区保水采煤工程实践

岩层控制是保护含水层稳定不被破坏的关键，即控制开采引起的导水裂隙带发育高度，使其完全位于含水层之下，从而达到对含水层水位的控制与保护。我国保水采煤的工程实践是基于不同的工程及水文地质条件和开采条件而形成的，因此出现了多样化，并快速发展，具体有充填、短壁机械化、分层(限高)、窄条带等保水采煤方法。

3．1充填式开采

利用充填开采技术进行控顶的方法对生态环境进行保护是十分有效的，而且有利于煤矿的安全生产。在东部地区其被广泛应用于巷柱式开采法和长壁式开采中，并形成了集充填材料、充填装备、充填工艺以及充填采煤矿山压力规律与岩层控制等于一体的完整的采煤充填系统及理论。为岩层的有效控制与含水层的有效保护提供了解决办法。由于榆阳煤矿井田与榆林新的城市规划区发生了重叠，为了保证城市建设的继续进行，更好地达到保护好萨拉乌苏组含水层和整个地质环境的目的，榆阳煤矿通过调研并在开采实践中采用了局部充填材料开采的工程设计方案，实现了局部保水采煤的目标。该矿以风积沙为骨料的膏体充填材料，充填率达到了50%～70%，地面下沉量减少到了50%以下。该矿区其他部分煤矿也开展了局部充填开采的工程实践，达到了局部充填保水采煤的目的。由于该技术吨煤成本达到了100元/t，因此严重影响了该技术的大范围的推广。

3．2短壁连采技术

我国于1979年从美国引进了短壁连采设备及技术，经过几十年的快速发展，形成了适应我国地质特征的高效的短壁机械化连续开采技术和方法。2003年神东煤炭集团公司在中厚偏薄煤层中应用了短壁连采技术，大大提高了资源回收率，取得了显著的效果。该技术主要应用在“三下”开采、不规则区域回采、残煤区煤柱的回收方面，因此其适用性较差。

3．3分层(限高)开采技术

目前厚煤层开采主要有放顶煤开采和分层开采两种工艺方式。放顶煤开采工艺尽管高产高效，但上覆岩层破坏严重，压力显现剧烈，而分层开采可以在前期有效降低导水裂隙带的发育高度。实践证明，通过控制初次采煤高度，可以减小导水裂隙带的发育高度，有利于安全生产、保水采煤的顺利实现。榆树湾煤矿就放顶煤开采和分层开采2种技术条件下的保水采煤的可行性进行了研究，认为将上分层的采高控制在5m左右可以保证整个矿井大部分区域的保水开采目标的实现。经过钻孔探测验证，导水裂隙带发育高度未波及到萨拉乌苏组含水层，实现了该条件下保水采煤的目标。杭来湾301盘区共布置了10个综采工作面，开采煤层为3号煤层，平均厚度为9m左右，采用限高分层开采的采煤方法。通过对采空区地下水位及民用水井以及采空区地表水体的调查，发现采空区范围内水井未发生干涸、河水没有断流、植物没有发生大面积枯死、未发生水土流失和土地沙漠化等生态问题。实践结果表明采动损害虽然引起了地表沉陷，造成了第四系松散层潜水位的下降，但是导水裂隙带发育高度位于午城组和离石组隔水层之下。因此，未破坏第四系松散层潜水位的整体稳定结构，所以达到了保水采煤的目的。

3．4窄条带开采技术

范立民等［7］针对榆神矿区地方煤矿不规则的井田边界提出了窄条带保水采煤方法。该方法是在原有长壁开采系统布置的前提下，将工作面划分成若干个平行于开切眼的开采条带进行开采。通过对榆卜界等矿井的“窄条带”开采技术的研究，为确保煤层上覆富含水层保持稳定，不被破坏，条带煤柱能够维持长期的稳定，得出了各技术参数确定的原则和方法。对于“采12留8”，邵小平等［8－9］运用相似模拟实验分别与留6m及留4m进行了对比模拟研究。研究结果表明，当条带煤柱尺寸减小到4m后，会使得采空区中部局部条带煤柱首先失稳破坏，最终导致上覆岩层的垮落。当条带煤柱尺寸为8m时，煤柱可达到长期的稳定，达到保水采煤的目的。目前，“采12留8”采煤方法已在榆神矿区推广应用，该技术40%的煤炭遗留在工作面内，采出率很低，因此它只是一种限于特定条件下的保水开采方法。麻黄梁矿井位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区南部，采用的窄条带膏体充填保水采煤方法也取得了成功。

3．5地下水转移储存保水采煤工程实践

地下水转移储存也是地下水的一种利用方式，神华集团共设计实施了35座地下水库，形成了以转移储存地下水保护利用为理念的煤矿地下水库技术，该技术在石圪台、大柳塔等矿井的应用，为该地区提供了95%的矿区生产和生活用水，实现了矿区内水资源的良性循环利用［10］，取得了显著的社会及经济效益，为我国的绿色开采开辟了一种新思路。

3．6煤水－仿生共采理念

张建民等［11］将水资源当作一种有效资源进行开发利用，因此提出煤水－仿生共采的理念。其基本理念是将煤矿资源开采、水资源开发利用与地表生态保护三个方面齐头并进，以达到相互协调可持续发展的目的。

3．7主动型矿区生态环境综合治理与防治技术体系

杨俊哲等［12］通过神东矿区的工程实践与创新，提出了该技术体系。该技术体系主要包括采前生态防护功能圈的建立技术、采中煤矿的清洁利用相关技术、采后生态系统修复与功能优化技术体系。同时，王安［13］也提出了这种新理念，开发出了井下矸石零排放技术(即井下矸石全部进行充填不外排)、易自燃煤层不发火等技术。

4结语

西部水资源匮乏，生态环境脆弱，实现煤炭绿色开采尤其保水采煤是我国西部地区煤炭工业高质量发展必须破解的重大科学难题。虽然现阶段已经取得了一定量的科技成果，但是这些成果仍然有它的局限性。伴随国家一些环保政策的落地，尤其针对矸石的处置问题，2014年国家十部委联合下达了《煤矸石综合利用管理办法》，且随着充填材料的创新，目前吨煤成本已达到50～60元/吨。因此，绿色高效充填开采技术将迎来新的发展阶段。

作者：谷海静 单位：陕西华彬煤业股份有限公司