西部脆弱礦區(qū)綠色開采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及方向

谷海靜

(陜西華彬煤業(yè)股份有限公司，陜西 咸陽 713500)

關(guān)健詞：綠色開采；保水采煤；導(dǎo)水裂隙帶；生態(tài)環(huán)境；資源保護(hù)

0 引言

我國東部地區(qū)的開發(fā)經(jīng)驗告訴我們，煤礦開車會造成井田內(nèi)農(nóng)田發(fā)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(yán)重。因此造成了很多村莊搬遷、甚至有的地區(qū)土地沙漠化非常嚴(yán)重。另外，由于礦物質(zhì)中的有害物質(zhì)進(jìn)入地下水，使得地下水資源受到了污染。

西部地區(qū)煤礦所處地區(qū)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(tài)環(huán)境十分脆弱。伴隨著西部地區(qū)的快速發(fā)展，由煤礦開采所引發(fā)的水資源破壞而造成整個生態(tài)環(huán)境惡化的問題引起了全社會的關(guān)注與重視。

1 西部地區(qū)煤礦綠色開采核心技術(shù)的發(fā)展方向

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

傳統(tǒng)的開采模式引起的采動損害與環(huán)境問題日益突出，攻關(guān)“綠色開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)”已成為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展趨勢。為實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，需著重研究煤礦低損傷開采基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)，研發(fā)井下采選充一體化開采技術(shù)、裝備及井下精準(zhǔn)局部充填開采技術(shù)與裝備[15]，開展無煤柱連續(xù)開采、保水開采、西部淺埋煤層開采覆巖移動與控制等技術(shù)的研究。

2 西部地區(qū)保水采煤開采技術(shù)

2.1 加強(qiáng)地質(zhì)基礎(chǔ)的研究

保水采煤的基礎(chǔ)條件就是客觀的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)，其是保水采煤的先天條件，因此開展西部地區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件的詳細(xì)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(zhì)條件的變化規(guī)律

揭示采動工程及水文地質(zhì)條件的變化規(guī)律，特別是隔水巖組的隔水性變化是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵。因此，隔水(層)巖組是保證保水采煤最重要的地質(zhì)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(chǎn)生導(dǎo)水裂隙。當(dāng)導(dǎo)水裂隙穿透隔水巖組時，隔水層的隔水性被破壞；當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)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(wěn)定。煤層上覆隔水巖組巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、厚度、力學(xué)性質(zhì)以及煤礦開采工藝、開采高度是影響裂隙發(fā)育的主要因素。根據(jù)西部地區(qū)的經(jīng)驗，導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度之上是保護(hù)含水層不受破壞的基本地質(zhì)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(zhì)、水文地質(zhì)條件，即含水層、隔水層、地層產(chǎn)狀、隔水巖組巖性結(jié)構(gòu)等與煤、水作為系統(tǒng)工程進(jìn)行整體的研究。含水層主要研究其范圍分布特點(diǎn)、厚度和富水性變化規(guī)律、水力聯(lián)系、地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系；隔水層不僅研究隔水層在礦區(qū)及井田的范圍分布特點(diǎn)、厚度的變化規(guī)律，更重要的是要研究隔水巖組巖性的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、力學(xué)性質(zhì)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(zhì)條件分區(qū)預(yù)測方法

2.2.1 經(jīng)驗公式法

當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度位于目標(biāo)含水層之下，則不必采取保水采煤的相關(guān)技術(shù)及措施，反之，則必須采取。因此如何確定導(dǎo)水裂隙帶高度成了研究的主要對象。在20世紀(jì)80年代，一些學(xué)者通過總結(jié)得出了相關(guān)的計算公式，通常稱之為經(jīng)驗公式法。

2.2.2 三圖預(yù)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等值線圖這3張圖，結(jié)合覆巖物理力學(xué)性質(zhì)及采煤工藝進(jìn)行綜合判定的方法稱之為“三圖預(yù)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(jìn)行地質(zhì)調(diào)查和條件地質(zhì)分區(qū)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(dǎo)水裂隙帶高度的準(zhǔn)確探測主要采用鉆孔沖洗液法。隨著煤炭科學(xué)探測技術(shù)的不斷進(jìn)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(xué)探測手段和技術(shù)也在煤礦中得到了應(yīng)用。探測手段的豐富,為煤礦導(dǎo)水裂隙帶的準(zhǔn)確探測奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3 西部地區(qū)保水采煤工程實踐

巖層控制是保護(hù)含水層穩(wěn)定不被破壞的關(guān)鍵，即控制開采引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，使其完全位于含水層之下，從而達(dá)到對含水層水位的控制與保護(hù)。我國保水采煤的工程實踐是基于不同的工程及水文地質(zhì)條件和開采條件而形成的，因此出現(xiàn)了多樣化，并快速發(fā)展，具體有充填、短壁機(jī)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(shù)進(jìn)行控頂?shù)姆椒▽ι鷳B(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)是十分有效的，而且有利于煤礦的安全生產(chǎn)。在東部地區(qū)其被廣泛應(yīng)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(guī)律與巖層控制等于一體的完整的采煤充填系統(tǒng)及理論。為巖層的有效控制與含水層的有效保護(hù)提供了解決辦法。

由于榆陽煤礦井田與榆林新的城市規(guī)劃區(qū)發(fā)生了重疊，為了保證城市建設(shè)的繼續(xù)進(jìn)行，更好地達(dá)到保護(hù)好薩拉烏蘇組含水層和整個地質(zhì)環(huán)境的目的，榆陽煤礦通過調(diào)研并在開采實踐中采用了局部充填材料開采的工程設(shè)計方案，實現(xiàn)了局部保水采煤的目標(biāo)。該礦以風(fēng)積沙為骨料的膏體充填材料，充填率達(dá)到了50%～70%，地面下沉量減少到了50%以下。 該礦區(qū)其他部分煤礦也開展了局部充填開采的工程實踐，達(dá)到了局部充填保水采煤的目的。由于該技術(shù)噸煤成本達(dá)到了100元/t，因此嚴(yán)重影響了該技術(shù)的大范圍的推廣。

3.2 短壁連采技術(shù)

我國于1979年從美國引進(jìn)了短壁連采設(shè)備及技術(shù)，經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，形成了適應(yīng)我國地質(zhì)特征的高效的短壁機(jī)械化連續(xù)開采技術(shù)和方法。2003年神東煤炭集團(tuán)公司在中厚偏薄煤層中應(yīng)用了短壁連采技術(shù)，大大提高了資源回收率，取得了顯著的效果。該技術(shù)主要應(yīng)用在“三下”開采、不規(guī)則區(qū)域回采、殘煤區(qū)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(shù)

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(chǎn)高效，但上覆巖層破壞嚴(yán)重，壓力顯現(xiàn)劇烈，而分層開采可以在前期有效降低導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。實踐證明，通過控制初次采煤高度，可以減小導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，有利于安全生產(chǎn)、保水采煤的順利實現(xiàn)。

榆樹灣煤礦就放頂煤開采和分層開采2種技術(shù)條件下的保水采煤的可行性進(jìn)行了研究，認(rèn)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(qū)域的保水開采目標(biāo)的實現(xiàn)。經(jīng)過鉆孔探測驗證，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度未波及到薩拉烏蘇組含水層，實現(xiàn)了該條件下保水采煤的目標(biāo)。

杭來灣301盤區(qū)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(qū)地下水位及民用水井以及采空區(qū)地表水體的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)范圍內(nèi)水井未發(fā)生干涸、河水沒有斷流、植物沒有發(fā)生大面積枯死、未發(fā)生水土流失和土地沙漠化等生態(tài)問題。實踐結(jié)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)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(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以達(dá)到了保水采煤的目的。

3.4 窄條帶開采技術(shù)

范立民等[7]針對榆神礦區(qū)地方煤礦不規(guī)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(tǒng)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(jìn)行開采。通過對榆卜界等礦井的“窄條帶”開采技術(shù)的研究，為確保煤層上覆富含水層保持穩(wěn)定,不被破壞，條帶煤柱能夠維持長期的穩(wěn)定，得出了各技術(shù)參數(shù)確定的原則和方法。

對于“采12留8”，邵小平等[89]運(yùn)用相似模擬實驗分別與留6 m及留4 m進(jìn)行了對比模擬研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)條帶煤柱尺寸減小到4 m后，會使得采空區(qū)中部局部條帶煤柱首先失穩(wěn)破壞，最終導(dǎo)致上覆巖層的垮落。當(dāng)條帶煤柱尺寸為8 m時，煤柱可達(dá)到長期的穩(wěn)定，達(dá)到保水采煤的目的。

目前，“采12留8”采煤方法已在榆神礦區(qū)推廣應(yīng)用，該技術(shù)40%的煤炭遺留在工作面內(nèi)，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(jì)煤田榆神礦區(qū)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(zhuǎn)移儲存保水采煤工程實踐

地下水轉(zhuǎn)移儲存也是地下水的一種利用方式，神華集團(tuán)共設(shè)計實施了35座地下水庫，形成了以轉(zhuǎn)移儲存地下水保護(hù)利用為理念的煤礦地下水庫技術(shù)，該技術(shù)在石圪臺、大柳塔等礦井的應(yīng)用，為該地區(qū)提供了95%的礦區(qū)生產(chǎn)和生活用水，實現(xiàn)了礦區(qū)內(nèi)水資源的良性循環(huán)利用[10]，取得了顯著的社會及經(jīng)濟(jì)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(dāng)作一種有效資源進(jìn)行開發(fā)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(fā)利用與地表生態(tài)保護(hù)三個方面齊頭并進(jìn)，以達(dá)到相互協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的目的。

3.7 主動型礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理與防治技術(shù)體系

楊俊哲等[12]通過神東礦區(qū)的工程實踐與創(chuàng)新，提出了該技術(shù)體系。該技術(shù)體系主要包括采前生態(tài)防護(hù)功能圈的建立技術(shù)、采中煤礦的清潔利用相關(guān)技術(shù)、采后生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與功能優(yōu)化技術(shù)體系。

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

4 結(jié)語

西部水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，實現(xiàn)煤炭綠色開采尤其保水采煤是我國西部地區(qū)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須破解的重大科學(xué)難題。雖然現(xiàn)階段已經(jīng)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(huán)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(lián)合下達(dá)了《煤矸石綜合利用管理辦法》，且隨著充填材料的創(chuàng)新，目前噸煤成本已達(dá)到50～60元/噸。因此，綠色高效充填開采技術(shù)將迎來新的發(fā)展階段。