典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践

孙亚军，张梦飞，高 尚，徐智敏，邵飞燕，姜 素

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践

孙亚军，张梦飞，高 尚，徐智敏，邵飞燕，姜 素

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

神东矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区，同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区，矿区高强度煤炭生产与生态环境的协调发展是该区的重要研究课题。针对神东矿区干旱半干旱地区水资源贫乏、生态环境脆弱等特点，通过研究矿区水文地质结构特征、煤层覆岩结构类型等，提出了矿区的水文地质结构分区和保水采煤分区；以此为基础，针对不同的水文地质结构类型，提出了神东矿区的保水采煤的基本原则，以及矿区重要水源地、厚基岩含水层、烧变岩含水层、水资源转移存贮、矿井水资源化利用等保水采煤的关键技术；最后，结合典型矿井，开展了上述关键技术的现场工程实践，并取得了良好的应用效果。

神东矿区；保水采煤；水源地保护；烧变岩；转移存储；矿井水资源化

据悉，近年来颁布的《能源发展战略行动计划 (2014—2020年)》确定将重点建设晋北、晋中、晋东、神东、陕北、黄陇、宁东、鲁西、两淮、云贵、冀中、河南、内蒙古东部、新疆等14个亿吨级大型煤炭基地。其中，西部地区是中国的煤炭主产区，约占全国煤炭产量的70%，但该区水资源十分匮乏，水资源占有量仅为全国的3.9%[1]。面对西部煤田这种富煤缺水的现状，范立民等[2]早在20世纪90年代初便提出了“保水采煤”的观点，即通过控制开采范围及选择合适的采煤方法来达到保护水资源的目的。另外，从能源战略来讲，保水采煤亦属于绿色开采[3]的重要范畴，其中包含对水资源的保护、合理利用以及对矿井水害的有效防治等。

神东矿区位于鄂尔多斯盆地毛乌素沙漠的过度地带，属干旱半干旱区。区域蒸发强烈、干旱少雨，水资源较为短缺且生态环境比较脆弱。神东矿区地质构造简单，以风积沙漠为主，水土流失严重，地表径流量小，地下水主要含水层为萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层。同时神东矿区是我国首个亿吨煤炭生产基地，高强度开采对水资源需求较大，且在开采过程中会破坏萨拉乌苏组含水层，进一步破坏水资源[4]。可见，结合神东矿区干旱半干旱区生态极其脆弱的现状，在上述高强度开采条件下，保水采煤势在必行。

近年来，针对陕北浅埋地层保水采煤问题研究成果丰硕，范立民等对该区煤田开发的环境地质问题进行了深入研究，提出了保水采煤的技术措施[1-2]。缪协兴等[5]通过陕北突水案例，从水文地质、岩相古地理等角度分析神东矿区煤矿水害类型及水文地质特征，并在此基础上，建立了保水采煤的隔水关键层模型[6-7]。韩冬梅等[8]通过群孔抽水试验对西部地区烧变岩水文地质参数进行了研究，初步获取了烧变岩区富水性规律。同时，针对神东矿区缺水问题，部分学者对神东矿井水开发利用潜力[9]、矿区水资源的可持续利用问题[10]等进行了研究。另外，针对神东矿区特殊水文地质结构，郑琳等[11]还对含水层中水资源的转移存储方案进行了初步探讨。

中国矿业大学自20世纪90年代初，针对保水采煤的水文地质结构、工程地质结构等亦开展了相关基础研究，并在两个国家“973计划”项目的支持下，对神东矿区的水文地质结构类型与保水采煤分区，采动覆岩裂隙演化、贯通、渗流规律与隔水关键层的稳定性等方面开展了诸多深入的研究。在此基础上，结合前期研究成果，笔者将重点以神东矿区为例，针对该区干旱半干旱的自然地理特征，以不同的水文地质结构类型为依据，提出矿区重要水源地、厚基岩含水层、烧变岩含水层、水资源转移存储以及矿井水资源化利用等保水采煤的关键技术，并结合典型矿井开展上述关键技术的现场工程实践，总结神东矿区保水采煤的基本模式。

1 神东矿区区域地质背景

1.1 神东矿区地质条件

神东矿区地处鄂尔多斯盆地毛乌素沙漠的过渡地带，区域发育地层受鄂尔多斯盆地成因的影响。鄂尔多斯盆地为中生代大型内陆盆地，发育时限为中晚三叠世—早白垩世，叠加于早中三叠世不同时代的大华北克拉通盆地之上。该地区除上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统缺失外，显生宙地层发育较为齐全。整个盆地白垩纪地层分布广泛，全系陆相沉积。大部分地区被第四系松散风积沙覆盖，基岩露头很少，只在部分沟谷中零星分布。神东矿区大地构造属于华北地台鄂尔多斯台向斜，东胜隆起的东南部。区内地质构造简单，煤层赋存稳定，属近水平煤层，总体以单斜构造为主，发育宽缓波状褶曲，地层倾角平缓，一般为3°～5°，断裂构造不发育，只有小落差的断层。

神东矿区地形总体上西北高东南低，海拔一般1 100～1 850 m，其地貌形态中部为黄土梁峁丘陵区，沟壑纵横，地形支离破碎，南部和北部为风沙地，沙丘连绵，地形波状起伏，矿区水文地质条件各地差异甚大，风沙区有许多大泉出露，梁茆区泉水少，水量小，乌兰木伦河，秃尾河，考考乌素沟等均起源于萨拉乌苏组泉水。矿区东部黄丘区地形破碎，但基岩裂隙发育，有利于地下水储存，矿区西部的风积沙区，表层风积沙不含水，但透水性极强，对地下水的补给非常有利。根据地勘资料，该矿区水文地质条件属于简单类型。矿区内主要含水层包括孔隙潜水含水层、碎屑岩类孔隙-裂隙含水层和烧变岩孔隙裂隙含水层。其中第四系上更新统萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层组资源量相对丰富，是当地居民与工农业用水的主要水源。但两含水层均位于浅部主采煤层附近，萨拉乌苏组覆盖在主采煤层上部，与下部可采煤层间距仅30～50 m。在煤炭开采过程中，由于采动导水裂隙的影响，一方面会在一定程度上破坏上覆含水层，使含水层水位下降，甚至被全部疏干;另一方面地表水体或地下水沿采动裂隙进入矿井后，又产生矿井水害，对矿井生产安全造成不良影响。

1.2 神东矿区水文地质结构分区

煤矿开采过程中，由于煤炭采出后采空区的形成，煤层上覆岩层中形成导水裂缝带，当含水层与煤层的距离小于导水裂缝带高度时，将导通上覆含水层，使煤层覆岩含水层中地下水流入矿井而形成矿井涌水。因此，要进行保水采煤，首先必须确定是否有水可保，即查明煤层顶板含水层的赋存状况，另外，则需确定何处具备保水开采的条件。

通过对神东矿区含水层和隔水层的分布、地下水赋存特征、主要富水区与主采煤层的关系等研究，提出了神东矿区的水文地质结构系统分区。总体上划分为弱富(无)水区和富水区。进一步将富水区分为泉域水源地区、烧变岩富水区、厚基岩区和薄基岩区，相关成果已在前期成果中发表[12]，此处仅简要述之，各分区的简要介绍如下：

(1) 弱富(无)水区：此类型区域由于无水可保或地下水资源无开采利用价值，无保水意义，可实行直接开采。

(2) 泉域水源地区：泉域水源地区通常具有良好的赋存及储存地下水的构造及介质，富水性强。因此，水源地是进行保水的首要目标，要采取适当的保水措施。

(3) 烧变岩富水区：作为西部地区典型的富水或相对富水的烧变岩含水层，虽然分布面积不大，但在神东矿区富水性较强、循环条件好、水量丰富。因此，需要采取一定的措施保护。

(4) 厚基岩区：即煤层上覆基岩较厚(>70 m)的地区，根据覆岩岩性及隔水层特征的不同，采取的保水采煤方法也不同。

(5) 薄基岩区：基岩厚度小于70 m的区域称为薄基岩区，在这类地区进行煤层开采，导水裂缝带可直接到达地表，提出“转移存储”的技术思路实现保水采煤。

2 神东矿区保水采煤的关键技术

根据神东矿区干旱半干旱的地貌特征以及覆岩结构具有浅埋深、薄基岩、厚风积沙的特点，在前期研究获取神东矿区水文地质结构特征的基础上，笔者认为，在神东矿区开展保水采煤，首先必须采用科学合理的技术方法，在煤炭开采过程中最大限度地保护区内任何可利用的水资源；同时，保水采煤并非在任何条件下都不影响、破坏含水层，而是以保护水资源的可利用性为基本原则。

根据上述原则，结合神东矿区各类具有开发利用潜力的水资源(包括地表水体、各类地下水及矿井水等)分布及埋藏条件，笔者重点研究重要水源地保护、覆岩上层含水层保护、烧变岩水保护、含水层转移存储、矿井水资源化等保水开采关键技术，以形成神东矿区特有的保水采煤基本模式。

2.1 神东矿区重要水源地的保护

神东矿区的水源地属于鄂尔多斯盆地北部地区的水质良好(Ⅱ类)的第四系萨拉乌苏组孔隙水。由于这种类型的水源地分布于地表浅部，在煤矿开采过程中极易受到采动影响而导致水源地破坏，浅部含水层中的地下水以矿井涌水的形式转入井下，甚至造成含水层局部被疏干，从而对矿区供水产生重要影响。对神东地区具有重要供水意义的现有地下水水源地，如哈拉沟，考考赖沟、公捏儿盖沟和小柳塔等水源地，可通过留设保水煤柱等保水措施，即使损失一些可采煤炭资源，也必须进行保护，否则将对区域供水造成重大影响。

目前上述具有重要供水意义的水源地影响的井田包括石圪台井田，巴图塔井田、前石畔井田、大柳塔井田，见表1。其中巴图塔井田范围内有3个重要水源地——考考赖沟、公捏儿盖沟和小柳塔水源地，因此，该井田可认为是泉域水源地的保水类型。上述水源地，如哈拉沟、考考赖沟和柳根沟，因为河流的下切作用，沟谷距离主采煤层较近，煤层上覆基岩厚度较薄，河流在导水裂缝带的影响范围之内。因此，受到影响的4个井田均需要在井田内水源地保护区留设防水煤柱。

表1 受水源地影响的井田

Table 1 Mines affected by water

受水源地保护区影响的井田涉及泉域水源地石圪台井田小柳塔水源地巴图塔井田考考赖沟、公捏儿盖沟和小柳塔水源地前石畔井田哈拉沟水源地大柳塔井田哈拉沟水源地、小柳塔水源地

2.2 厚基岩上覆含水层保水技术

神东矿区水文地质结构系统的分区，将矿区水文地质结构系统分为煤层上覆岩层有水区和无水区两个大类。在基岩中的有水区，以70 m的保水煤岩柱高度为临界值，将有水区分成厚基岩区和薄基岩区。由于部分矿井基岩厚度大，上覆含水层不易导通导水裂缝带，因此针对厚基岩区可采取主动性措施保护开采过程中不破坏上覆含水层，保水开采对于厚基岩上覆含水层来说可以有效保护区域内宝贵的地下水资源及含水层结构不受到破坏。

根据不同地区覆岩岩性特征及主要隔水关键层赋存条件的差异，将厚基岩区隔水层结构划分为3种类型，不同的类型其适用的保水采煤方法也不同。

(1)双隔水层厚基岩结构

双隔水层厚基岩结构是指在煤层上覆地层中具有相对稳定的隔水层1和隔水层2，其中，隔水层1为位于直罗组中上部泥质粉砂岩层，该层泥质胶结，层状结构，隔水层2主要是位于直罗组底部粉砂质泥岩层，成分以泥质矿物为主，两层主要隔水层在矿区厚基岩区范围内相对较稳定发育。它们距煤层的垂直距离分别为H1和H2。在一定采高条件下形成的导水裂缝带高度为Hmax，其结构模型如图1所示。

图1 双隔水关键层结构示意

通过图1可以发现导水裂缝带高度Hmax与H1,H2存在3种关系：

①Hmax

②H2

③H1

(2)上覆单隔水层结构

上覆单隔水层指煤层上覆地层中只有具有相对稳定的隔水层H1，其结构如图2所示。

图2 上位隔水关键层结构示意

通过图2可以发现导水裂缝带高度Hmax与H1存在两种关系：

①H1

②H1>Hmax。导水裂缝带未穿过含水层下面稳定的隔水层。当基岩厚度大于70 m，且在距煤层70 m以上有一稳定隔水层时，将有助于保水实施。

(3)上覆隔水层缺失结构

煤层上覆含水层的富水性较弱时，即便上覆基岩中没有隔水层，而基岩厚度相对较小的地区则可采用注浆加固技术对上覆基岩进行注浆加固，以增强其阻水抗水压的能力，保证导水裂缝带与含水层有足够厚度和强度的保护层存在，以抑制水资源的流失；但是厚度足够大时，可采用分层间歇式开采，或采用充填、房柱式开采方法来降低冒裂带的发育高度，实现保水开采，当厚度不足、含水层富水性强时，不具备水资源保护性开采的条件，其结构模式如图3所示。

图3 隔水关键层缺失结构示意

根据神东矿区厚基岩特征，巴图塔、补连塔等矿上覆软岩厚度平均10 m左右，部分地区需要进行充填开采；而在石圪台、哈拉沟等矿，偶见薄层泥质岩，部分地区缺失，在局部区域必须采用限制煤层开采厚度，改变工作面尺寸等方法，以有效地控制导水裂缝带的发育高度。

2.3 浅部烧变岩保水技术

烧变岩是由煤层燃烧产生的高温使顶底板岩石的结构、构造、矿化成分物理性质、化学成份都发生较大的变化，而变质为新的岩石[13]。在我国西部许多缺水矿区，烧变岩是该区重要的富水或相对富水类型之一。神东矿区内的烧变岩含水层虽然分布面积不大，但富水性极强，循环条件好、储存有丰富的水资源，且水质好。通过采取适当的保水采煤技术，充分保护烧变岩中的宝贵的地下水，并能有效的开发利用，对神东矿区将具有重要意义。

由于烧变岩只赋存于浅部露头附近，水平侧向分布范围相对较小，因而可能通过留设侧向保水煤柱的方法对烧变岩含水层进行保护。保水煤柱的形式类似于矿井防治水的防水煤柱，但其留设的意义更注重于保水而非防水。

针对神东矿区烧变岩含水层保水煤柱的留设，取决于烧变岩含水层的地下水在区域地下水流动系统中的所处的位置：

(1)当烧变岩含水层处于区域地下水系统的排泄位置(如乌兰木伦河沿岸)，烧变岩含水层中的潜水排泄到乌兰木伦河，此类型烧变岩含水层大多为强透水弱含水层。这类烧变岩提供了地下水径流的场所，烧变岩内部富水性较弱，因此，留设保水煤柱时，不用考虑烧变岩地下水的补给源，根据《煤矿防治水规定》进行保水煤柱的留设。

(2)当烧变岩含水层所处位置低洼，其倾向与地形坡向相反，易形成良好的储水构造，上面存在第四系松散层覆盖，补给条件良好时，则烧变岩含水层的富水性较好，往往成为当地的临时水源地。对于烧变岩含水层的保护，需考虑矿井安全开采的需要，同时考虑保护含水层的补给条件，在常规的保护煤柱的留设范围基础上将需要扩大。

神东矿区烧变岩含水层主要涉及的矿井有石圪台矿、乌兰木伦矿、哈拉沟煤矿、大柳塔矿。其中石圪台矿烧变岩区富水性较弱，分布零星但矿区大部分处于开采失水的危险中；乌兰木伦矿烧变岩区分布于沟谷地段两侧。以束会川两岸最多，有的被第四系掩埋，有的直接出露，局部地区甚至形成地下河；哈拉沟煤矿烧变岩区位于井田西部乌兰木伦河东部两岸及东部七概沟两岸，在地形坡向与地层倾向相反地段或烧变岩底板位于当地侵蚀基准面以下时，易形成富水区；大柳塔矿1-2煤烧变岩主要分布在哈拉构、母河沟、王渠、五当沟的沟边地带，呈曲折连片，2-2煤烧变岩分布与斯令渠、活朱态沟、双沟、王渠、五当沟、三不拉沟的沟头和沟边，局部为强—极强富水区，富水地区具重要保水意义。

2.4 上覆含水层预疏放转移存贮技术

地下储水空间可以利用地下含水层的调蓄功能,丰蓄旱用、稳定地下水位、缩小地下水降落漏斗、控制地面沉降[14]。神东矿区水资源贫乏，集中高强度开采，采空区大量裂隙的存在，为地下水的存储和径流创造了良好条件，沟通或加强了与上覆含水层的水力联系，并成为这些含水层水进入矿井采空区的通道，裂隙以及顶板冒落岩块间的孔隙，成为储存地下水的巨大空间。转移存贮正是地下储水空间在缺水矿区实施水资源保护性开采的关键体现。

综合矿井的生产资料及实际调查，神东矿区主要生产矿井的采空区面积见表2。由表2可以看出，神东矿区主要井田采空区面积分布广泛，为转移存贮提供了巨大地下空间。

表2 神东矿区主要井田采空区投影面积

Table 2 Projection area of main mine goaf in Shendong mining area

矿名采空区水平投影面积/万m2面积百分比/%大柳塔矿5396.741.3活鸡兔井1094.98.4补连塔矿2977.022.8上湾矿2115.516.2石圪台矿486.93.7哈拉沟矿436.23.3乌兰木伦矿555.64.3合计13062.8100

采空区转移存贮时，为保证存贮的水资源不会流失，实现保水的目的，必须在采空区周围进行帷幕注浆或修筑水闸墙，阻止其与外界含水层发生水力联系。但是，转移至采空区时，地下水很可能会受采空区影响而被污染，所以存贮的采空区水源在使用前必须进行相应处理，确保水资源水质满足一定标准要求。另外，采空区转移存贮工程需要施工大量的抽水孔对受到开采影响的含水层进行疏干，另外铺设一定的排水管路转移水资源，修建注水孔转移水资源，工程投资较大，耗费时间较长，经济与技术手段可行性较差，故对采空区的转移存贮仅仅讨论其自然条件下的存水能力，以及把采空区作为地下水库，设计相应的蓄排水方案。

据统计，神东矿区可以进行下覆含水层转移存贮的矿井有哈拉沟井田、补连塔井田、石圪台井田、大柳塔井田、巴图塔井田。其中哈拉沟井田拟选择2-2煤层底板至3-1煤顶板含水岩段作为转移存贮的目的含水层；补连塔井田2-2中煤至3号煤承压裂隙含水岩组厚度为21.11 m，可以考虑作为含水层的转移存贮空间；石圪台井田选取2-2煤,3-1煤含水岩段，拟作为转移存贮的目标含水层；大柳塔井田选取中下侏罗统裂隙承压水含水层作为转移存贮空间；巴图塔井田选取2-2煤下部C段含水层拟作为上部含水层的转移贮存空间。

2.5 矿井水资源化与恢复利用技术

在神东矿区高强度煤炭开采条件下，矿井水的产生及矿区总体缺水的现状构成了一对基本矛盾。为了尽可能地提高水资源的利用率，从矿井水处理、排供结合等方面，研究相应矿井水资源化技术，该技术亦是神东矿区保水采煤的关键技术之一。

矿井水资源化的方法很多，针对不同的矿井水质特点可采用混凝、吸附、过滤、沉淀、消毒、除盐、软化等方法回收利用矿井水[15]。而矿井水的处理工艺技术，决定于矿井水的性质和处理后的用途。根据研究区水质特点及用水要求，矿井水处理主要针对于含悬浮物矿井水的处理。含悬浮物矿井水的处理一般采用混凝、沉淀、过滤、消毒的工艺进行处理。结合研究区的实际情况，确定了含悬浮物矿井水处理方法，流程如图4所示。

图4 矿井水处理的一般工艺流程

根据矿井水质和采空区充填物的矿物与物理特征，从经济角度考虑，经过综合分析，可以利用采空区来净化矿井水。矿井水采空区处理是矿井水处理的一种较新工艺。煤层采过后，留下的空间即采空区。因压力变化造成上部岩体下移、垮落、破碎、填充下部空间，这就使采空区内填充了大量的碎石；采空区内岩石粒度大小不均匀，具有一定的空隙度，具备了渗透、过滤矿井水的天然条件；含悬浮物矿井水流经采空区，经沉淀、吸附、拦截等一系列过程被去除。采空区处理矿井水要因地制宜，满足本采区、本地区用水要求，配合地表矿井水处理的前期工作，根据采空区的实际地形、地质条件和处理后矿井水的用途，确定主要去除的指标，达到净化矿井水的目的。其工艺流程如图5所示。

图5 工艺流程

目前，神东矿区大柳塔煤矿、活鸡兔煤矿和榆家梁煤矿等先后进行了矿井水井下处理工艺的应用，取得了较好的处理效果。同时，矿区主要井田都具有较大的采空区，这为采空区水处理提供了空间前提。

3 神东矿区保水采煤实践

3.1 重要水源地保护区保水采煤实践

以巴图塔井田内公捏尔盖沟水源地为例，该水源地地下水的补给来源主要为大气降水入渗补给，地下水由四周分水岭向公捏尔盖沟径流，下游水力坡度平均为0.6%，地下水均以泉和泉形群式排泄。按照其水源地补给条件、汇水面积和分水岭的位置，划分水源地的保护区域。

同时，根据地下水动力学计算水源地抽水影响半径R。计算公式为

式中，R为抽水井的影响半径，m；s为抽水井中水位降深，m；H为水源地含水层的厚度，m；K为含水层的渗透系数，m/d。

根据《内蒙古自治区东胜煤田巴图塔井田勘探地质报告》，水源地附近第四系孔隙潜水含水层平均厚度为20.22 m，平均渗透系数为8.67 m/d。矿区煤层倾角较平缓，煤层底板近水平，因此水位降深采用含水层厚度值22 m，根据公式计算影响半径R为589.6 m。影响半径计算数值与水质保护的划分半径基本相一致。为了与分水岭比较，同时计算了影响半径0.8倍、1.5倍的数值和压煤量，见表3，4。

表3 公捏尔盖沟影响半径计算数值

Table 3 Results of influence radius in Nieergai ditch water source protection area

倍数0.6～0.81.01.2～1.5影响半径/m353.76～471.68589.60707.52～884.40

表4 公涅尔盖沟水源地保护区面积与压煤量对比

Table 4 Nieergai ditch water source protection area and coal quantity comparison

影响半径倍数0.81.01.5保护区面积/km219.328.249.6估算压煤量/万t112196290

水源地保护区划分的主要依据有：压煤总量可接受，经济上可行；合理保护水资源。根据表3,4的数据，按照1.5倍影响半径所划分的保护区区域大增加煤炭储量，同时，也将超越水资源存储量，使得保水采煤的意义得不偿失。在0.8倍影响半径的保护区范围内，水源地的补给源地受到影响。综和技术与经济上的考虑，采用1倍的影响半径作为研究区的划分水源地的保护区域。

3.2 厚基岩保水开采技术实践

厚基岩保水采煤技术主要有改变开采方式，改变工作面尺寸，分层间歇式开采，或采用充填、房柱式开采，顶板注浆等来降低冒裂带的发育高度，保护上覆含水层安全。以巴图塔井田为例，进行黄土充填保水开采技术，并拟合得出两井田充填厚度,见表5。

表5 神东矿区可采及充填厚度控制点统计

Table 5 Recoverable and filling thickness control point statistics in Shendong Mining area

矿别孔号坐标xy采厚/m可采厚度/m充填厚度/m建议充填厚度/mZK15064372341.3437429297.054.023.720.30ZK25344370763.1137423526.563.742.111.63ZK29154371846.0337423270.313.612.051.56ZK29334372137.0537423609.714.021.322.70ZK31064375450.2937426773.883.521.142.38巴图塔井田ZK35144374286.4137423808.213.712.261.451.49ZK39064376972.6337425487.803.421.002.42ZK47074377227.5137422716.861.771.440.33ZK55094376179.5737418316.553.050.972.08ZK55144378112.7337420596.820.830.730.10ZK15064372341.3437429297.054.023.720.30

采空区的黄土充填依靠黄土充填刮板输送机来自动完成：充填时黄土充填刮板输送机的上刮板向下运输充填黄土；下刮板向上推平漏土孔下堆积的黄土，并使黄土充填密实、均匀。黄土充填过程可分为“自由落体”阶段、“自充自压”阶段、“充分压实”阶段[12]。

黄土充填工艺是在采煤工作面割完两刀煤后进行，其工艺过程如下：

① 每班按照正规循环割两刀煤，然后停止割煤，移直黄土充填刮板输送机的机头与机尾。检查充填系统的完好情况，准备充填工作。

② 首先起动工作面黄土充填刮板输送机，然后依次起动轨道巷可缩桥式中间驱动胶带输送机等设备，进行采空区黄土充填。

③ 充填时采用黄土充填刮板输送机机头向机尾方向依次充填，也即先打开黄土充填刮板输送机机头的第1个插板进行“自由落体”充填阶段、“自充自压”阶段，待此段黄土输送机升至离支架尾梁200 mm时，关闭第1个插板，打开第2个插板，重复上述工作，待所有插板全部完成上述两个阶段后，再同时打开黄土充填刮板输送机的全部插板，进行“充分压实”阶段的工作。

采用上述黄土充填开采的保水开采技术措施，可有效抑制采动形成的导水裂缝带发育高度，从而实现矿区水资源的保护。

3.3 烧变岩保水开采实践

神东矿区烧变岩主要分布在乌兰木伦河沿岸，面积约485 km2(包括露头和埋藏烧变岩)。神东矿区石圪台、乌兰木伦、哈拉沟和大柳塔等井田内都分布。烧变岩含水层渗透性非常好，渗透系数一般不大于100 m/d，最大可达1 631.30 m/d。

烧变岩含水带水资源的保护主要通过留设保水煤柱实现，其技术关键主要是考虑烧变岩带地下水的补径排条件，确定合理的保水煤柱尺寸。根据神东矿区烧变岩水文地质结构特点，在确定含水层降落漏斗影响半径的基础上，适当扩大煤柱范围，以保护烧变岩的补给条件，其结构如图6所示。

图6 强富水性烧变岩保水煤柱结构示意

烧变岩保水煤柱的留设尺寸按下式进行计算：

式中，a为煤柱距烧变岩含水层的水平距离，m；A为安全系数，一般取2～5；L为工作面跨度(宽或高取其最大值)，m；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗张强度，MPa。

根据式(2)，计算结果见表6。通过留设侧向保水煤柱，实现了烧变岩水的有效保护。

3.4 矿井水资源转移存贮技术实践

在薄基岩区赋存区，当煤矿开采不可避免对上覆含水层的破坏时，可以通过研究含水层转移存贮的可行性、适用条件及其保水效果，形成相应的技术理论体系，不失为神东矿区，乃至其他开采条件类似的矿区探索出了一条新的保水之路。

表6 保水煤柱留设计算

Table 6 Calculation results of coal pillar for water-protection

AL/mP/MPaKp/MPaa/m影响半径/m扩大的保水煤柱/m22000.051.56012022000.101.59020015022000.201.5120180

以补连塔矿作为烧变岩上覆含水层转移存贮的实例，拟考虑将第四系松散层中的潜水和处理后的矿井水转移到2-2煤层与3煤之间的承压含水层中，从而达到水资源保护性开采的目的。

(1)补连塔矿转移存贮条件分析

目标含水层：裂隙承压含水层共分为6层，在2-2煤与3煤之间的第3承压含水层，岩性为中粗砂砾，厚度平均为20 m，为地下水的转移提供了良好的存储空间；

边界条件：东北部边界是乌兰木伦河的一级阶地，阶面微倾于河床，主要由中细砂、粉细砂组成，河水渗透补给该承压含水层，为补给边界。西南部边界为相对隔水边界。上、下边界由该承压含水层顶板、底板主要由砂质泥岩、泥岩组成，厚度大于4 m，其存在使承压含水层间的水力联系非常微弱，为隔水边界；

水位差：被转含水层水位高于目标含水层水位，水头差为30～110 m，可以实现两个含水层之间的自流转移；

目标含水层蓄水能力计算：最大蓄水能力为1.287×107m3，最小蓄水能力为5.15×106m3，最大调蓄能力为7.72×106m3。

(2)补连塔矿转移存贮工程布置

转移存贮工程布置包括疏放孔、观测孔结构设计和工程平面布置。

回灌孔的结构包括孔深、孔径(开孔和终孔)、井径直径及其连接方式等，共布置6个回灌孔，分布在山麓地带，编号为HG1～HG6。结构如图7(a)所示。

观测孔的孔径和回灌孔的相同，其结构如图7(b)所示。特别之处在于：第四系含水层的滤水管直径取273 mm；不需要填充滤料，套管通向地表，可以完全将两个目标含水层分隔。

3.5 矿井水资源化的应用

采空区矿井水处理机理：利用采空区处理矿井水，主要利用了采空区孔隙、裂隙介质，根据实际或人为施加的地形条件，在矿井水的运移过程中，主要通过自身所含颗粒物的沉淀、介质的过滤、吸附等作用，从而达到净化矿井水的目的。目前，神东矿区普遍实施了采空区存贮和水资源化的应用，以大柳塔为例说明该项技术和应用。

大柳塔矿现开采2-2煤层，12601工作面由于具有良好的储水构造和储水条件，选择其采空区作为2-2煤层采空区矿井水的集水区域，并对12601采空区集水区进行了防水密闭，一是防止采空区透水事故的发生，二是保证采空区集水不泄漏。12601工作面煤层底板标高1 130～1 140 m，为矿井低洼区域。煤层直接底板为砂质泥岩，厚316 m，蒙脱石含量较高，易泥化，含有一定的高岭石，基本底岩层为粉砂岩，厚9 m。因此，煤层底板及其下伏岩层构成了良好的隔水层，构成了12601工作面采空区作为储集矿井水的理想条件。

大柳塔煤矿矿井水经过采空区净化处理后，处理效果较好，其水质完全可以满足工业和绿化用水要求，可以直接作为工业用水，经进一步净化后可作为饮用水并入水网。

4 实施效果

结合上述保水采煤关键技术在神东矿区巴图塔、大柳塔、补连塔、哈拉沟、石圪台、乌兰木伦等矿开展的保水采煤实践，实现了对各矿水资源的有效保护。同时，也对保障当地工农业生产与生活起到了重要作用。具体的实施效果如下：

(1)应用保水开采技术有效地保护了水资源，通过划分重要水源地保护区保护，主要含水层地下水位明显恢复，采前采后水位差仅1～6 m。保护了神东矿区地下水资源1.688×107m3。

(2)应用厚基岩区工作面调整保水开采技术新增了煤炭产量，加大工作面尺寸、加快推进速度、减少防止突水压煤等技术，神东矿区累计新增煤炭产量4 468万t。

(3)应用矿井水资源化技术恢复利用了矿井水资源，应用采空区转移贮存和矿井水资源化处理及恢复利用技术，累计利用了矿井水4.2×107m3，同时减少了矿井水排污。

(4)通过水资源保护改善了区域生态环境在神东等矿区实施了保水开采技术后，主要含水层水位有了明显恢复，不仅有效地保护了水资源，同时也极大地改善了地表植被生存条件，改善了区域生态环境，取得了显著的环境效益。

5 结 论

(1)总结提出了神东矿区保水采煤的基本原则，即在研究区分不同水文地质结构的基础上，首先必须采用科学合理的技术方法，在煤炭开采过程中最大限度地保护区内任何可利用的水资源；同时，保水采煤并非在任何条件下都不影响、破坏含水层，而是以保护水资源的可利用性为基本原则。

(2)针对研究区内厚度>70 m的厚基岩区，提出了以开采过程中控制采厚不破坏含水层为基础的保水采煤技术，并分别依据上覆隔水层发育及埋藏条件提出了上覆双隔水层结构、单隔水层结构以及隔水层缺失结构等多种保水模式。

(3)根据神东矿区的水文地质结构特征和开采条件，论文在前期研究成果的基础上，提出了5种保水开采模式及其关键技术，即：重要水源地保护技术、厚基岩区保水开采技术、烧变岩区保水技术、薄基岩区预疏放水资源转移存贮技术和矿井水资源化技术。

(4)结合典型矿井，开展了上述关键技术的现场工程实践，并取得了良好的应用效果。论文的研究成果对于指导神东矿区，以及我国整个西部干旱半干矿区水资源保护性开采具有一定的理论及实践意义。

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Water-preserved mining technology and practice in typical high intensity mining area of China

SUN Ya-jun,ZHANG Meng-fei,GAO Shang,XU Zhi-min，SHAO Fei-yan,JIANG Su

(CollegeofResourcesandEarthSciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116，China)

Shendong mining area is a China’s important coal production base and a typical high intensity mining field，which is also a typical fragile ecological environment of arid and semi-arid areas.The coordinated development of coal production and ecological environment in high intensity mining area is an important research topic in the area.Aiming at the lack of water resource in arid and semi-arid,fragile ecological environment in Shendong mining area,this paper puts forward the partition of hydrogeological structure and the water-preserved mining by studying the structure characteristics of hydrological geology,coal strata structure type,etc.On this basis,according to different hydrogeological structure types,it puts forward the key technologies of water-preserved mining such as coal mining important water source area in mining area,thick bedrock aquifer,burning rocks aquifer and thin bedrock aquifer and the use of mine water resources.Finally,combining with the typical mine,it applies the key technologies into engineering practice and achieves a good application effect.

Shendong mining area;water-preserved mining;water source area protection;burnt rock;water transfer & storage ;reclamation of mine water

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5043

2016-07-02

2017-12-20责任编辑:韩晋平

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB227901);国家自然科学基金资助项目(41502282);江苏高校优势学科建设工程资助项目

孙亚军(1963—)，男，安徽涡阳人,教授，博士生导师，博士。E-mail：syj@cumt.edu.cn

TD823

A

0253-9993(2017)01-0056-10

孙亚军，张梦飞，高尚,等.典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践[J].煤炭学报,2017,42(1):56-65.

Sun Yajun,Zhang Mengfei,Gao Shang,et al.Water-preserved mining technology and practice in typical high intensity mining area of China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):56-65.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5043