范立民

（1.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054；2.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防控重點實驗室，西安 710054）

·水文地質(zhì)·工程地質(zhì)·環(huán)境地質(zhì)·

西北高強度采煤區(qū)保水采煤研究現(xiàn)狀

范立民1，2

（1.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054；2.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防控重點實驗室，西安 710054）

為總結(jié)我國西部地區(qū)保水采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，基于最新文獻分析，全面闡述了保水采煤的概念及其地質(zhì)分區(qū)、采煤技術(shù)與工藝和環(huán)境效應(yīng)等方面的進展。保水采煤是趨于研究地下水和生態(tài)環(huán)境閾限的采煤方法；導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探測方法研究仍在進行，在地震勘探、鉆探、模擬等方面均有發(fā)展；充填開采在頂、底板保護中應(yīng)用廣泛；盡管礦區(qū)地下水位變化劇烈，但區(qū)域地質(zhì)環(huán)境尚未發(fā)生根本變化。保水采煤研究是我國干旱半干旱礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

保水采煤（保水開采）；生態(tài)水位；導(dǎo)水裂隙帶；充填開采

0 前言

近年來，煤炭科學(xué)開采[1]、精準(zhǔn)開采[2]的科學(xué)技術(shù)體系初步形成，作為科學(xué)開采有機組成部分的保水采煤，是針對我國西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、富煤、缺水的實際而提出的。1992年作者提出了煤炭開采需要保護薩拉烏蘇組地下水的問題，并進行了長期研究和推廣應(yīng)用，初步形成了保水采煤的技術(shù)體系和方法[1-11]。保水采煤成為我國西北地區(qū)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的研究熱點，國內(nèi)多個團隊開展了相關(guān)研究和實踐，他們研究了保水采煤區(qū)煤層、含（隔）水層組合類型、保水采煤的地質(zhì)條件分區(qū)、關(guān)鍵隔水層隔水穩(wěn)定性及失穩(wěn)再造、導(dǎo)水裂縫帶等關(guān)鍵參數(shù)及其影響因素、巖層控制基礎(chǔ)理論和煤-水資源共采等問題，同時開展了保水采煤區(qū)開采過程中圍巖變形過程的監(jiān)測、預(yù)報，并研究了以充填保水采煤技術(shù)為主的新技術(shù)，這些研究促進了西北煤礦區(qū)的含水層結(jié)構(gòu)保護。

2017年1月23日在線出版的《煤炭學(xué)報》以“保水采煤的理論與實踐”為主題，發(fā)表了26篇代表性論文，全面論述了西北高強度采煤區(qū)保水采煤研究進展。本文以此為基礎(chǔ)，結(jié)合最近幾年的文獻，闡述了保水采煤研究在概念、科學(xué)內(nèi)涵、圍巖控制等基礎(chǔ)理論與工程實踐領(lǐng)域的新進展。

1 保水采煤的概念及其相關(guān)問題研究

1.1 保水采煤的概念

保水采煤的理念是保護含水層結(jié)構(gòu)，促進含水層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和生態(tài)水位埋深的穩(wěn)定性。鑒于西北地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境和地表植被系統(tǒng)對地下水埋深的敏感性[6，12]，在采煤條件下，控制地下水位的合理埋深，某種意義上就保護了生態(tài)系統(tǒng)，促進了礦區(qū)植被的正常發(fā)育生長。而地下水位埋深的控制，需要通過控制采煤區(qū)巖層移動量和頂?shù)装辶芽p發(fā)育來實現(xiàn)，因而，導(dǎo)水裂縫帶成為保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。為此，我們給出了保水采煤的概念是：在干旱半干旱地區(qū)煤層開采過程中，通過控制巖層移動維持具有供水意義和生態(tài)價值含水層（巖組）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)[4]。

1.2 保水采煤的生態(tài)約束

2010年王雙明等開展了保水采煤技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)毛烏素沙地植被發(fā)育與地下水埋深有一定的關(guān)系：合理生態(tài)地下水位埋深為1.5～5.0 m，水位埋深大于5 m植被出現(xiàn)病態(tài)，水位埋深大于15 m后，多數(shù)植被無法生長發(fā)育，據(jù)確定的保水采煤保水程度是控制采煤區(qū)地下水位下降，埋深控制在5 m以內(nèi)[6]。

隨后，馬雄德等觀測了沙柳對地下水位埋深的敏感性，構(gòu)建沙柳根系吸水條件下的地下水流方程，分析沙柳生長對地下水位下降幅度的閾限。通過氣象要素、地下水、土壤水與沙柳蒸騰量的動態(tài)變化規(guī)律監(jiān)測，建立地下水變化與植被蒸發(fā)、散發(fā)關(guān)系模型，模擬沙柳蒸騰對高強度采煤地區(qū)地下水位變化的響應(yīng)特征。發(fā)現(xiàn)沙柳的日蒸騰量有受氣象要素控制的特點，并在每日12時前后出現(xiàn)兩次極值，水位埋深越淺，變化越顯著。隨著地下水位埋深的增加，地下水對沙柳蒸騰的貢獻值減少。當(dāng)?shù)叵滤宦裆?5 cm時，貢獻率為100%；地下水埋深大于215 cm時，貢獻率為0%。在地下水位埋深較淺的區(qū)域，地下水是沙柳蒸騰的主要水源，地下水位埋深大于215 cm后，地下水不再對沙柳生長提供營養(yǎng)水源，這也是沙柳對煤層開采地下水位下降的閾限[12]。

因此，保水采煤的生態(tài)約束，可依據(jù)上述研究確定，對于沙柳密集生長區(qū)，地下水位埋深應(yīng)該控制在215 cm以淺。對于沙柳、沙蒿、小葉楊、旱柳等發(fā)育區(qū)，地下水位埋深控制在5 m以淺，無論采用何種采煤方法，以控制地下水位埋深不大于5 m是保水采煤的極限值，同時，也可以保護泉流量的基本穩(wěn)定和河流健康[13]。

1.3 保水采煤的水量約束

保水采煤必須考慮兩個指標(biāo)，除保持植被正常發(fā)育所需的地下水供給外，還要保持泉流量的穩(wěn)定和河流的健康基流。本區(qū)地下水獲得大氣降水補給后，大部分以基流形式補給到河流，河流兩側(cè)水位越高則河流基流量越大。楊澤元等（2003）根據(jù)禿尾河流域多年徑流資料、基流量及流域地下水動態(tài)建立了水位-基流量變量統(tǒng)計關(guān)系：

ΔQ=1.0464ΔH+0.2595

ΔQ為河流基流量的變化量，m3/s；ΔH為地下水位變化量均值，m。

2014～2015年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本區(qū)泉數(shù)量、總流量衰減幅度大，尤其是窟野河流域更為顯著，潛水位下降大于8 m的區(qū)域超過658 km2，折合河流基流量減少8.63 m3/s，使部分大泉及泉群干涸，溪流斷流。

按照黃委會的統(tǒng)計（2003），禿尾河的年均徑流量占黃河中游河口-龍門段黃河黃河徑流量的11.78%，其年均基流量占該段總基流量的17.45%。由此可見，榆神府礦區(qū)窟野河、榆溪河等對黃河基流量的貢獻不容小覷，煤層開采過程中必須重視地下水位變化的研究，以維持河流基流量，保證河流生態(tài)系統(tǒng)和入黃流量。

1.4 保水采煤的隔水層再造

隔水層的穩(wěn)定性是實現(xiàn)保水采煤的關(guān)鍵[14]，通過采動區(qū)隔水層或覆巖注漿改造、離層注漿等可恢復(fù)隔水層的隔水性，或者抑制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，限制導(dǎo)水裂縫帶上界進入含水層，實現(xiàn)隔水穩(wěn)定性。三趾馬紅土是一種分布較廣的隔水層，尤其在榆神府礦區(qū)，薩拉烏蘇組含水層下多有分布，為薩拉烏蘇組含水層下的隔水層或水系徑流的下墊層，是保水采煤的關(guān)鍵隔水層。李文平等研究分析了三趾馬紅土分布、物理-水理-力學(xué)性質(zhì)，采用鉆孔原位壓水試驗、水-土相互作用試驗、蠕變滲透測試等，研究了三趾馬紅土采動破裂前后及其采后應(yīng)力恢復(fù)蠕變的隔水性能變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三趾馬紅土隔水性能受采動破壞后，具有很好的自我恢復(fù)功能，并從其地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、水-土相互作用及其流變特性方面，解釋了三趾馬紅土隔水性自恢復(fù)機理[15-16]，為隔水層再造提供了依據(jù)。

1.5 煤-水雙資源開發(fā)與共采

根據(jù)我國煤-水資源的逆向分布特征，為了解決煤炭開采、水資源供給、環(huán)境保護之間的尖銳矛盾，實現(xiàn)水害防治、含水層結(jié)構(gòu)保護與水資源利用、環(huán)境友好的多贏目標(biāo)。張建民等[17]構(gòu)建了煤-水仿生共采模式，按照“隔離-導(dǎo)流-控制”的基本思路、提出“隔離層控制”原理和開采“地下水漏斗聚集”的調(diào)控效應(yīng)，構(gòu)建了分區(qū)設(shè)計、隔離重構(gòu)、仿生控制為核心的煤-水仿生共采技術(shù)體系，開發(fā)了“壓裂-開采-注漿”開采隔離保護工藝、地下水匯集調(diào)控技術(shù)，是地下水庫技術(shù)體系的有機組成部分[18]。武強[2]在闡述煤-水雙資源型礦井概念與內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)礦井主要可采煤層的充水水文地質(zhì)條件，優(yōu)化開采方法和參數(shù)工藝、多位一體優(yōu)化結(jié)合、井下潔污水分流分排、人工干預(yù)水文地質(zhì)條件、充填開采等煤-水雙資源型礦井開采技術(shù)方法，并以興源煤礦為例，提出了松散含水層下薄基巖區(qū)房式保水開采技術(shù)方案，建立了煤房“固支梁”力學(xué)模型，提出了基于讓壓理論的煤柱設(shè)計方法，修正了屈服煤柱上覆載荷計算公式。結(jié)果表明，采6留5、采5留5、采5留4等方案，具有可靠的安全系數(shù)。

2 保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵

保水采煤研究內(nèi)容包括西北地區(qū)含（隔）水層水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件、組合類型研究，隔水層隔水性及采動穩(wěn)定性研究、采煤產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度與探測評價技術(shù)研究，導(dǎo)水裂縫帶抑制技術(shù)即保水采煤技術(shù)，淺埋煤層巖層控制技術(shù)研究等[4]。目前常用的保水采煤技術(shù)包括限高保水開采、分層保水開采、窄條帶保水開采及充填保水采煤技術(shù)等，在地表水體或燒變巖強富水體附近采煤，合理留設(shè)保水煤柱，不僅實現(xiàn)含水層（水體）保護，也最大限度開采煤炭資源。

保水采煤工程實踐在我國西部干旱半干旱地區(qū)部分煤礦得到了推廣應(yīng)用，獲得了成功，但在局部高強度采煤條件下，仍然造成了地下水水位的下降，并造成井泉干涸和河流斷流。在煤層埋藏深度較大的區(qū)域，高強度開采產(chǎn)生的地面沉降可能會引起地下水潛水位“上升”，由此引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題和新一代保水采煤技術(shù)工藝，仍然是保水采煤研究面臨的挑戰(zhàn)[4]。

3 保水采煤條件分區(qū)與巖層控制

3.1 保水采煤的地質(zhì)條件分區(qū)

3.1.1 煤層與含（隔）水層組合類型

保水采煤的實現(xiàn)，首先要查明煤層、含水層與隔水層的空間組合關(guān)系，確定受保護的含水層，研究含水層上下隔水層工程地質(zhì)條件及其與煤層的賦存關(guān)系，科學(xué)劃分保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)，采用適宜的采煤方法（保水采煤技術(shù)）實現(xiàn)含水層結(jié)構(gòu)保護。針對作者關(guān)注的榆神府礦區(qū)，識別出四種煤層與含（隔）水層空間組合類型，即孤立小型含水盆地型煤水組合、較強含水層下無隔水層型煤水組合、含水層隔水層共生型煤水組合和燒變巖型煤水組合，每種組合類型都有不同的保水開采條件，也需要采用不同的保水采煤技術(shù)[4]。

3.1.2 導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測

導(dǎo)水裂縫帶是西北地區(qū)保水采煤研究的關(guān)鍵參數(shù)，利用經(jīng)驗公式無法準(zhǔn)確預(yù)測其高度。近年來采用物理模擬、數(shù)值模擬較好的預(yù)測了其高度，而采用探測方法更能直觀的判定其發(fā)育位置并計算其值。探測方法包括鉆孔探測、紅外探測、地震勘探等，探測發(fā)現(xiàn)榆神礦區(qū)某采煤工作面導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為118 m。

李濤等[19]基于生態(tài)潛水位保護，對采煤土層保護厚度進行研究，分析了采動潛水位越流變化機理，采用水-電相似模擬技術(shù)，模擬了不同殘余土層厚度和物性條件下潛水位變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：煤炭開采，越流水位差越大，隔水土層殘余隔水能力越差，采動潛水位降深越大。研究區(qū)典型地質(zhì)條件下，采動殘余42.6 m厚離石黃土或21.0 m厚保德紅土，潛水位可保持在生態(tài)水位[7]，水-電模擬與理論研究結(jié)果相吻合，并得到工程驗證。

孫學(xué)陽等[20]總結(jié)了保水采煤研究中覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度的確定方法，即通過理論分析法、經(jīng)驗公式法、現(xiàn)場實測法、相似材料模擬和數(shù)值模擬法等，其中現(xiàn)場探測法是目前較準(zhǔn)確確定榆神府礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度的方法，妙軍科、蔣澤泉等[21]的探測結(jié)果表明，在榆神礦區(qū)，導(dǎo)水裂縫帶高度一般為采高的24～27倍，部分煤礦可達30倍，還編繪了導(dǎo)水裂縫帶高度等值線圖[11]。趙兵朝[22]從能量釋放角度探討了淺埋煤層開采導(dǎo)水裂縫帶形成機理，建立了導(dǎo)水裂縫帶高度最大高度的預(yù)測模型，建立了基于概率積分法的保水開采識別系統(tǒng)，對保水開采具有實用價值。馬立強等[23]采用紅外技術(shù)探測采空區(qū)覆巖破裂狀況，為新技術(shù)探測導(dǎo)水裂縫帶高度開辟了新途徑。來興平等[24]、蒲海等[25]研究了采動裂隙巖體導(dǎo)水及水沙兩相流的流動特征，對于淺埋煤層開采的突水潰沙、地下水滲漏研究具有理論意義。張發(fā)旺等[26]分析了礦區(qū)水文地質(zhì)研究現(xiàn)狀，提出了研究方向，為保水采煤提供了理論基礎(chǔ)。

3.1.3 保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)

保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)的依據(jù)是地質(zhì)環(huán)境條件，即煤層、含水層、隔水層及其空間組合關(guān)系，盡管影響因素很多，但其關(guān)鍵參數(shù)是導(dǎo)水裂縫帶高度與煤層覆巖隔水層厚度，二者比較進行科學(xué)劃分。近年來，有多種劃分方法和方案。

王雙明等[6]認為榆神府礦區(qū)煤層開采導(dǎo)致薩拉烏蘇組地下水位下降，地表生態(tài)退化，控制地下水水位是保水采煤的核心，研究表明，當(dāng)煤層上覆隔水層厚度≥33～35倍采高時，煤層開采不會導(dǎo)致水位下降；煤層上覆隔水層厚度≤18倍采高時，煤層開采必然導(dǎo)致水位下降；18～35倍采高時，可采取技術(shù)措施實現(xiàn)保水開采。據(jù)此，劃分了榆神府礦區(qū)保水開采條件分區(qū)，分為無水開采區(qū)、可控保水開采區(qū)、保水限采區(qū)、自然保水開采區(qū)等4個區(qū)。值得提及的是，2016年8月作者在榆橫礦區(qū)小紀(jì)漢煤礦調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該煤礦采空區(qū)5個鉆孔歷時18個月的地下水位監(jiān)測，地下水波動范圍很小，實現(xiàn)了自然保水開采，該煤礦位于榆神府礦區(qū)自然保水開采區(qū)的西南部，分區(qū)界限順延屬于自然保水開采區(qū)。

孫亞軍等[9]研究了神東礦區(qū)保水采煤地質(zhì)條件，根據(jù)含水層、隔水層及煤層的地質(zhì)條件及空間賦存關(guān)系，劃分出弱富水區(qū)、泉域水源地區(qū)、燒變巖富水區(qū)、厚基巖區(qū)和薄基巖區(qū)，不同區(qū)域采用不同的采煤技術(shù)方法，實現(xiàn)保水采煤目標(biāo)。

張東升等[8]選取含水層（水體）與煤層間距、紅土隔水層厚度及其與煤層間距、黃土隔水層厚度及其與煤層間距、基巖和風(fēng)化帶厚度、煤厚、硬巖比例系數(shù)、泥巖厚度等影響導(dǎo)水裂縫帶高度、覆巖結(jié)構(gòu)及含水層分布因素，確定了各因素的量化指標(biāo)，建立礦區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)影響的多元信息綜合評判模型，在此基礎(chǔ)上，建立礦區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)模式，將神南礦區(qū)劃分為環(huán)境漸變恢復(fù)區(qū)、環(huán)境漸變惡化區(qū)和環(huán)境災(zāi)變區(qū)，這些分區(qū)與保水采煤關(guān)系密切。同樣在神南礦區(qū)，蔣澤泉等[11]剖析了過溝開采保水采煤的影響因素，根據(jù)過溝開采對地下水的影響，劃分識別出地表徑流漏失和匯流區(qū)地下水漏失兩大類，其中匯流區(qū)細分為突水潰沙區(qū)、突水區(qū)、滲漏區(qū)和保水開采區(qū)。這些成果為神南礦區(qū)保水開采提供了科學(xué)依據(jù)。

3.2 淺埋煤層的巖層控制

黃慶享教授經(jīng)過長期研究，建立了淺埋煤層巖層控制的理論與技術(shù)體系，認為隔水層的穩(wěn)定性是保水開采巖層控制的理論基礎(chǔ)[27]。針對榆神府礦區(qū)煤層、含水層賦存條件，通過物理模擬和地表變形實測分析，認為淺埋煤層隔水巖組的穩(wěn)定性主要受“上行裂隙”“下行裂隙”發(fā)育的影響，采動裂縫帶的導(dǎo)通性決定著隔水巖組的隔水穩(wěn)定性。黃慶享教授建立了“上行裂隙帶”發(fā)育高度和“下行裂隙帶”發(fā)育深度的計算模型，以隔水巖組厚度與采高之比（隔采比）為指標(biāo)，提出了保水開采分類方法，為西部淺埋煤層保水開采巖層控制提供了理論依據(jù)。

4 充填保水采煤技術(shù)與工藝

充填保水采煤技術(shù)適應(yīng)于西部所有煤礦，但鑒于充填成本及適宜性，開展了大量基礎(chǔ)研究和應(yīng)用試驗。

4.1 頂板含水層保護的充填采煤技術(shù)

李猛、張吉雄等[28]為解決頂板含水層的突水問題，提出了基于固體充填保水開采方法，分析了固體充填開采覆巖裂隙演化特征，并基于固體充填保水開采導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計公式，結(jié)合“三下采煤規(guī)程”，建立了含水層下固體充填開采臨界充實率計算模型，設(shè)計了受頂板含水層影響煤層的充實率，以五溝煤礦CT101充填工作面為例，實測充采質(zhì)量比平均值為1.32，大于理論值1.28，充填效果較好，且導(dǎo)高僅為10.0 m左右，有效地降低了覆巖導(dǎo)高，可實現(xiàn)頂板含水層結(jié)構(gòu)保護下的安全采煤。郭文兵等[29]以五溝煤礦CT101充填工作面為例，通過理論分析、數(shù)值模擬和鉆孔探測，分析了該工作面隔水層隔水穩(wěn)定性，結(jié)果表明，當(dāng)采高3.5 m，矸石充填率為85%時，關(guān)鍵層未破斷，隔水關(guān)鍵層保持完整，可實現(xiàn)頂板含水層結(jié)構(gòu)保護；下行裂隙具有彌合性，實測下行裂隙深5.5 m，上行裂隙高6.41～11.85 m，剩余隔水層厚度17.38～23.97 m，工作面可實現(xiàn)保水開采。魯亮[30]研究了充填置換保水采煤技術(shù)在山東某煤礦的應(yīng)用，工作面注漿充填后，涌水量顯著降低，有效保護了地下水資源。

榆陽煤礦是榆神府礦區(qū)唯一開展了充填保水采煤技術(shù)應(yīng)用的礦井，其工程背景是由于榆陽煤礦與榆林市城市規(guī)劃重疊，為了保護榆林市供水水源地的安全和促進城市規(guī)劃的實施，將榆陽煤礦外遷，并給予兩年的過度期，過渡期必須實行保水采煤技術(shù)。為此，劉鵬亮等[31]研究了機械化充填采煤技術(shù)，以風(fēng)積沙為骨料，以堿激發(fā)粉煤灰為膠結(jié)劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)63%～75%的料漿初始流動度為190～280 mm，自流倍線突破14.9；充填體力學(xué)性能可以滿足承載上覆巖層需求。工業(yè)試驗表明，采空區(qū)充填率達98.5%，工作面無明顯來壓現(xiàn)象，地表最大下沉38 mm，施工的探測鉆孔，地下水位無變化，實現(xiàn)了保水開采，有效保護了薩拉烏蘇組含水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為西北礦區(qū)保水采煤提供了適宜的技術(shù)途徑。但由于充填成本較高，推廣受到一定的限制，因此，研發(fā)低成本、高效率充填采煤技術(shù)和工藝，仍然是西北淺埋煤層保水采煤面臨的重大難題。

4.2 底板含水層保護的充填采煤技術(shù)

王蘇健等[32]、馬雄德等[33]以澄合礦區(qū)董家河煤礦為研究基地，針對薄隔水層低承壓灰?guī)r含水層突水及由此引起的生態(tài)水位下降問題，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測、數(shù)理統(tǒng)計等方法，綜合剖析采動底板裂隙帶發(fā)育規(guī)律，研發(fā)了以黃土為基料的注漿材料，開展了底板注漿加固工程實踐，有效實現(xiàn)了巖溶含水層上部隔水層的加固，保護了巖溶含水層，使渭北地區(qū)濕地水源、巖溶大泉得到保護，降低礦井涌水量90%以上，高強度開采未造成半干旱地區(qū)生態(tài)濕地退化。

5 采煤區(qū)地下水漏失量及其環(huán)境效應(yīng)

5.1 采煤區(qū)地下水漏失量

趙春虎等[34]針對榆神府礦區(qū)煤炭開采對地下水?dāng)_動定量化程度較低的問題，通過地下水動力學(xué)方法，得出采掘擾動形成的煤層上覆基巖冒落帶、裂縫帶、彎曲帶及地面沉陷區(qū)的空間尺度是控制地下水損失的主要因素，其擾動面積越大、冒裂帶高度越高、彎曲帶保護層滲透能力越強，則地下水損失量越大；提出了覆巖導(dǎo)水裂縫邊界化，彎曲帶滲透能力分區(qū)，地面沉陷區(qū)重新剖分的采掘擾動影響下地下水系統(tǒng)數(shù)值評價模型，以內(nèi)蒙古神東礦區(qū)補連塔煤礦為例，計算得出開采引起薩拉烏蘇組地下水損失量為1.90×104m3/d?；⒕S岳[35]研究了淺埋煤層頂板含水層充水水源，由脈動式靜儲量釋放與漸增式動態(tài)補給量共同組成，并給出了隨礦井采掘過程進行的漸進式礦井涌水量時空動態(tài)預(yù)測方法。

侯恩科等[36]研究了神南礦區(qū)燒變巖含水層特征，基于燒變巖含水層保護問題，闡述了燒變巖的分布、地下水動力學(xué)特征和富水性分區(qū)，提出了燒變巖地下水可通過采空區(qū)儲水、地下水庫存儲和地表灌溉三種“異地儲存”途徑實現(xiàn)水資源利用。采用數(shù)值模擬方法，計算了采動引起的燒變巖地下水損失量，對于燒變巖富水區(qū)保水采煤具有重要意義。

5.2 采煤地下水漏失區(qū)的環(huán)境效應(yīng)

西北地區(qū)高強度采煤造成地下水滲漏，改變了薩拉烏蘇組地下水的徑流途徑，使原以基巖界面或土層隔水層頂界面為徑流下墊面的淺層地下水，徑流深度加大到開采煤層底界，原本含水的薩拉烏蘇組變?yōu)橥杆畬樱瑥亩鴮?dǎo)致地下水位的下降和河流基流量的衰減、地表水體萎縮，地質(zhì)環(huán)境變異，高強度開采區(qū)在沒有人工干預(yù)條件下出現(xiàn)沙漠化[37-40]。據(jù)遙感監(jiān)測，榆神府礦區(qū)水體面積呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，1990-2001年及2001-2011年間的減少率分別為17.73%和22.39%，濕地面積是先增大后減小，即1990-2001年濕地面積增加了65.91%，2001年至2011年間，濕地面積減少了50.92%。氣候變化、高強度采煤和水源地修建（包括修建水庫）等是水體濕地萎縮的主要因素，其中采煤對其萎縮的貢獻率約為37.5%[39]。同時，淺埋煤層高強度開采，還造成地面塌陷、地裂縫發(fā)育，損毀土地和土壤，土壤含水率降低，肥力損失，失去耕作價值，高強度采煤造成了諸多環(huán)境問題[38-40]，因此，科學(xué)開采、保水開采、適度開發(fā)西北生態(tài)脆弱區(qū)的煤炭資源，仍然是煤炭工業(yè)調(diào)整面臨的難題。

6 結(jié)論

近年來，保水采煤在理論與實踐方面都取得了新進展：一是厘定了保水采煤的概念和科學(xué)內(nèi)涵，使保水采煤的理論體系得到完善；二是針對西北沙漠區(qū)保水采煤的水位埋深控制，有了新認識，其中水位埋深大于215 cm后，地下水對沙柳不再有水源供給；三是研究了保水采煤地質(zhì)條件分區(qū)，分別對榆神礦區(qū)、神南礦區(qū)、神東礦區(qū)、哈密煤田等區(qū)域的保水采煤地質(zhì)條件進行了分區(qū)，劃分了榆神府礦區(qū)突水潰沙危險性分區(qū)；四是給出了保水采煤的關(guān)鍵參數(shù)——導(dǎo)水裂縫帶高度的預(yù)測、探測方法和探測結(jié)果；五是豐富了淺埋煤層巖層控制理論，開展了以風(fēng)積沙（采空區(qū)充填用）、黃土（煤層底板注漿加固用）為骨料的充填材料研究，進行了充填保水采煤工程實踐，并取得成功；六是完善了淺埋煤層區(qū)煤-水共采的理念和技術(shù)體系，對隔水層再造問題進行了深入研究；七是對高強度采煤條件下淺層地下水漏失量、礦井涌水量進行了定量預(yù)測和計算，分析了西北生態(tài)脆弱礦區(qū)采煤引起的環(huán)境效應(yīng)。

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Water-preserved Mining Status Quo in Northwest China Intensively Coal Exploited Area

Fan Limin
(1.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring,Xian,Shaanxi 710054；2.)

To summarize water-preserved mining status quo in northwest China,on the basis of updated research paper analysis,fully expounded progress on aspects of water-preserved mining concept and its geological partitioning,mining technology,techniques and environmental effect.In water-preserved mining has tendency to study thresholds of groundwater and ecological environment;prospect?ing method for water conducted zone height is still going on;seismic prospecting,drilling and numerical simulation are all developing; stoping-and-filling method is widely applied on roof and floor preservation;although mining area groundwater level has violently var?ied,but fundamental changes of regional geological environment have not yet taken place.The water-preserved coal mining study is theoretical principle and basis for coal mining and water resource protection in the country’s arid and semi-arid mining areas.

water-preserved mining;ecological water level;water conducted zone;stoping-and-filling mining

TD821；X14

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.09

1674-1803(2017)03-0044-06

陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計劃項目《陜北保水采煤技術(shù)示范推廣》（2011TG-01）資助；陜西省公益性地質(zhì)調(diào)查項目《榆神礦區(qū)采動地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)》資助

范立民（1965—），男，山西曲沃人，教授級高級工程師。

2017-02-15

責(zé)任編輯：樊小舟