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保水采煤研究30年回顾与展望

2019-12-13

  煤炭是我国工业化过程中最重要的能源,在我国经济发展中一直发挥着重要作用。但所有工业化国家所面临的一个主要问题是矿区环境退化,短期的经济利益都是以巨大的环境损失为代价获得的。保水采煤是针对陕北侏罗纪煤田开发过程中出现的环境问题而提出的科学采矿思路与方法,在过去20多年的时间中有了长足的发展。


  保水采煤问题提出后,主要针对我国西北干旱、半干旱地区开展研究,旨在实现高强度煤炭开采与含水层结构保护的统一,以保护西北稀缺的水资源和含水系统完整性。因此,陕西省地质环境监测总站矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室范立民、马雄德等研究人员给出了保水采煤的概念是:在干旱半干旱地区煤层开采过程中,通过控制岩层移动维持具有供水意义和生态价值含水层(岩组)结构稳定或水位变化在合理范围内,寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术。


  针对这一概念,保水采煤研究区主要在西北地区,包括我国建设的神东、陕北、黄陇、宁东、新疆等5个大型煤炭基地。保水采煤着眼于西部干旱半干旱地区具有供水意义和生态价值的含水层,除此之外的各类含水层均不在保水采煤研究的范畴之中。保水采煤实现途径是以岩层控制理论和技术为基础而研发具有抑制导水裂隙发育的采煤技术。保水采煤实现对象为含水层结构和水位埋深,要求含水层结构稳定,或短暂失稳后造成的水位下降在一定时间后能恢复至不影响其供水能力的范围。保水采煤实现结果为优化煤炭资源开采和水资源供需平衡之间的矛盾,达到资源开发与水环境保护协调统一。


  研究人员以CNKI文献检索结果为准,详细梳理了围绕保水采煤问题而开展的科研项目、发表的论文、论著及学术会议,并指出了该领域主要关键科学问题。进一步介绍了矿区生态水位及阈限研究、浅埋煤层岩层控制、导水裂隙带发育高度、保水开采条件分区、保水采煤技术及地下水监测网建设等方面取得的主要成果。保水采煤是维护和提升矿山生态系统功能和环境质量的重要手段,必须长期坚持,持续实施。今后保水采煤技术工程实施,需要深入贯彻落实“山水林田湖草是一个生命共同体”重要理念,推广试点工程成功经验和实践模式,全方位推进国土空间的生态保护修复。


  保水采煤研究30年来,虽然取得了突出成就,理论研究和工程实践都有很大进展,但还有很多科学问题没有解决,如覆岩移动过程中裂隙场、应力场和渗流场演化规律,沙漠植被的需水量与水资源来源、大采高(采高大于8 m)及多煤层开采条件下导水裂隙带发育高度与预测模型,榆神府矿区开发的科学布局与科学产能等,以及大规模开采条件下地质环境的实时监测监控问题,虽然近期科学家们做了大量探索,但一些问题并没有得到很好的解决。


  1)合理规划布局,设置开发阈限。范立民及靳德武等针对榆神府矿区窟野河流域开发初期出现的水资源渗漏和生态环境问题,研究了高强度采煤过程中地下水渗漏损失过程和水量损失预测结果,呼吁适度开采煤炭资源,关闭窟野河流域的小煤矿,秃尾河沿岸的浅埋煤层不宜大规模开采,榆神矿区深部可适当建设大型煤矿的建议,并提出了陕北侏罗纪煤田可持续发展的开发思路。谢克昌等针对榆林、鄂尔多斯、宁东煤炭基地发展问题,也进行了战略研究,提出了在没有彻底解决水资源问题之前,区域原煤产能不宜超过10亿t/a的科学产能方案,2018年该区域的原煤产量约11.46亿t,已经超过了环境承载力,而且还在快速增长。因此,基于保水采煤的榆神府矿区合理开发规模、科学布局,至今没有一个清晰的蓝图。


  2)强化煤水关系研究,制定环境约束红线。范立民、王双明研究了土隔水层厚度,分析了采空区水位恢复过程,研究了矿区地下水与植被、土壤(裸土)水分运移规律,研究了20年来高强度开采等因素对水体湿地变化的驱动作用,形成了一些初步认识。下一步重点需要研究榆神府矿区典型植被对地下水的依赖性,研究采煤引起的地下水位下降过程中饱气带水分变化规律及其植被响应机理,研究矿区地下水位骤降条件下植被的响应机理及控制技术,研究适宜于采空区水分变化的植被种群,为煤矿区生态恢复和保护提供理论和技术支撑。


  另外,神东矿区(含窟野河流域所有煤矿)重点需要研究浅埋煤层多煤层开采后水位恢复机理及调控方法,研究沙漠淡水湖(如红碱淖)水域面积的演化规律及与煤炭开发的关系、调控技术,实现煤炭的精准开采和科学开采,划定地下水位和植被盖度红线,确保矿区环境的维系和改善。榆神、榆横矿区,需要研究深埋煤层开采后,潜水位相对上升机理及其环境效应,最大限度的保护脆弱环境的原始状态并使其好转。


  3)持续开展钻孔验证,总结导水裂隙带发育规律。目前施工的导水裂隙带探测钻孔都是针对一次开采高度3.5~5.5 m的采煤工作面,针对7 m大采高工作面,杨俊哲论述了神东矿区大柳塔煤矿5-2煤层开采的探测结果,工作面长度分别为147 m和301 m,3个钻孔实测导水裂隙带高度分别为137.32m(裂采比为20.2)和121.7~134.0 m(裂采比为17.9~19.7)。2018年2月神东矿区第1个8.8m大采高工作面已经完成,榆神矿区部分煤矿8.8 m大采高工作面也将投产,部分煤矿还采用放顶煤开采方式,这种高强度开采,势必对覆岩的扰动范围更大,损伤强度更严重,导水裂隙带发育高度会更大。因此,研究8 m以上大采高条件下以及多煤层重复采动条件下导水裂隙带预测模型,进行准确预测,无疑是保水采煤一个重要的研究方向。


  4)加强岩层移动机理研究,丰富保水采煤技术体系。煤炭开采中的岩层移动是一个“黑箱”,目前仅仅在控制原理上得到解释,达到“灰箱”程度,完全掌握和控制开采过程中的岩层移动还有很多工作。围绕浅埋煤层保水开采,重点研究“等效直接顶”的载荷效应与初撑力的关系,“高位台阶岩梁”与砌体梁组合结构及合理的支架工作阻力确定,大采高煤壁片帮机理与控制技术,系统解决浅埋煤层群采场顶板支护技术难题。开展浅埋煤层6~9 m大采高顶板开采装备与回采工艺优化研究,重点研究特殊保水开采区的“局部充填开采”隔水层动力灾害控制难题,研究采动覆岩“上行裂隙”发育高度和“下行裂隙”发育深度,建立保水开采隔水层稳定性控制理论和技术,研究局部充填条件下隔水层稳定性的判据。研究区域隔水关键层在采动影响下引起的潜水运移致灾机理,揭示裂隙发育规律和潜水渗流规律,确定隔水关键层保护层厚度准则,创建陕北矿区煤层采空区协同利用与绿色开采新技术。研发浅埋煤层充填(局部充填)保水开采技术,开发新型廉价的充填材料,研究充填条件下的隔水层稳定性,确定合理的充填参数,研发先进的充填工艺,创新浅埋煤层充填保水开采技术,如果高效、低成本、绿色充填保水采煤技术得到突破,王双明院士提出“提高绿色煤炭资源的勘查精度、创建采煤保水技术体系、提升煤炭清洁利用地质保障程度”等是未来西部煤炭绿色矿区地质工作的重要研究方向。


  这项研究得到了陕西省科学技术推广计划、陕西省公益性地质科研专项的资金支持。研究成果以《保水采煤研究30年回顾与展望》发表于《煤炭科学技术》2019年第7期。

  责任编辑:宫在芹
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