基于资源和地质环境特征的河东煤田煤炭绿色开采战略研究

刘汉斌，程芳琴

(1.山西大学 资源与环境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省煤炭地质局，山西 太原 030006)

煤炭绿色开采是指用最小的环境扰动换取最大的煤炭资源开采效益，实现煤炭开采与生态环境保护协调发展[1]。煤炭绿色开采技术主要有充填开采、保水开采、煤与瓦斯共采、矸石不升井等开采技术[2]。煤矿绿色开采技术的应用能够最大限度减少煤炭开采对矿区环境的扰动，在满足区域环境容量前提下，实现资源开发利用最优化和生态环境影响最小化。河东煤田作为我国黄河流域重要的含煤盆地与炼焦煤生产基地，也是我国生态环境、地质环境脆弱区，如何从整个煤田的角度分析和优化全煤田煤炭绿色开采战略，最大限度地减少采煤引起的生态地质环境破坏，对于实现黄河流域生态保护和高质量发展国家战略，保护黄河中游生态地质环境具有重要的战略和现实意义。彭建兵等[3]针对黄河流域高质量发展面临的地球科学问题，提出包括安全黄河、绿色黄河、生态黄河在内的“宜居黄河”科学构想,认为应黄河流域开发应以特殊地质环境、地貌特征和脆弱的生态环境为出发点，构建人地协调的地质安全保障策略。彭苏萍等[4]从黄河流域煤矿区所处的战略地位出发，剖析了黄河流域生态环境面临的主要问题，提出水的保护与利用是黄河流域中上游煤矿区生态环境修复的关键。胡海峰[5]针对山西黄土丘陵地貌的特点，分析和总结了山西黄土丘陵区采煤沉陷区地表、水资源、植被破坏类型，提出山西黄土丘陵区采煤后生态环境修复技术。河东煤田是黄河中游的一个重要煤炭能源基地，面临着煤炭开采和生态环境保护的双重任务。传统的“事后”修复老路显然不能满足新的黄河流域生态保护和高质量发展的要求，因此，亟需从宏观战略角度来提前预判并规避或最大程度减轻或减缓因煤炭开采所造成的生态地质环境、水资源破坏。笔者从河东煤田地质环境、地质地貌特征和水文地质条件出发，分析并提出河东煤田未来煤炭绿色开采的战略路径。

1 煤炭资源特征

河东煤田位于黄河中游吕梁山西麓鄂尔多斯盆地东缘，为南北走向、倾向西的隐伏煤田，整体呈东西窄南北长的长条状展布[6](图1)。地域上跨越忻州、吕梁、临汾、运城 4 个地级市，含煤面积16 228 km2，是我国重要的炼焦煤产地[7]，也是我国重要的煤炭资源后备基地[8]，从南到北拥有4 个国家煤炭规划矿区(图2)，跨越晋北、晋中2 个国家煤炭生产基地。主要含煤地层为石炭–二叠系太原组和山西组，煤类主要有气煤、肥煤、瘦煤、焦煤、长焰煤等，共含煤11 层[8]。

图1 河东煤田地理位置与矿区分布Fig.1 Geographical location and mining area distribution of Hedong Coalfield

1.1 资源总量

河东煤田保有煤炭资源总量为579.61 亿t，占山西省保有煤炭资源总量的21.4%(表1)。其中，河东煤田炼焦用煤、非炼焦用煤分别占河东煤田煤炭资源总量的74.4%和25.6%。炼焦用煤中64.2%的煤炭资源为稀缺炼焦煤，占河东煤田保有煤炭资源总量的47.8%，占全国稀缺炼焦煤总量的17.6%。而稀缺炼焦煤中焦煤和肥煤分别占比河东煤田、山西和全国焦煤和肥煤保有煤炭资源总量的26.6%、34.7%和20.3%。河东煤田是我国稀缺炼焦煤焦煤和肥煤中的重要产地，离柳矿区4 号主焦煤被誉为“国宝”。河东煤田稀缺炼焦煤的长期稳定供应对于我国乃至世界的焦炭和钢铁产业的安全具有重要意义，如何提高炼焦煤的回采率应成为河东煤田煤炭绿色开采的战略任务之一。

表1 河东煤田煤炭资源总量和稀缺炼焦煤资源Table 1 Total coal resources and scarce coking coal in Hedong Coalfield

1.2 煤类及资源分布

河东煤田的煤类主要有气煤、焦煤、瘦煤、长焰煤等。其中，瘦煤、焦煤主要分布于离柳和乡宁矿区，保有资源量分别占全省瘦煤、焦煤资源量的37.9%和48.2%。1/3 焦煤、肥煤主要分布于离柳矿区，分别占比全省1/3 焦煤、肥煤资源量的27.8%和16.0%(表2)。

表2 河东煤田不同矿区煤类及资源分布Table 2 Coal types and distribution in different mining areas of Hedong Coalfield

2 可采煤层分布与开发利用现状

2.1 可采煤层分布

河东煤田各个矿区可采煤层整体分布特征见表3。河东煤田可采煤层数目整体具有中部多，南北两端少的特征；可采煤层总厚具有由北向南递减的特征。其中，中厚及以上可采煤层、煤层总数与可采煤层总厚度整体由北向南逐渐递减。可采薄煤层主要分布在煤田中部的离柳矿区和石隰矿区，具有层数多、总厚度大的显著特征；可采薄煤层总层数平均占到全部可采煤层总层数的50%以上，可采薄煤层的总厚度占全部可采煤层的25%以上。其中，柳林北区和离石区的可采薄煤层层数占其总可采煤层数的60%以上，柳林北区和离石区、蒲县区的可采薄煤层总厚度占其总可采煤层总厚度的30%以上。

表3 河东煤田不同矿区可采煤层分布Table 3 Distribution of mineable coal seams in different mining areas of Hedong Coalfield

2.2 开发利用现状

为对比分析河东煤田不同矿区的煤炭开发利用程度，分析整理不同矿区的煤炭已勘查开发面积、矿区保有资源储量、煤矿占用资源量数据，见表4。

表4 河东煤田已勘查区煤炭资源开发利用占比Table 4 Proportion of coal resource development and utilization in the explored areas of Hedong Coalfield 单位：%

河东煤田作为我国重要的煤炭后备矿区，整体开发利用程度(36%)小于全省平均值(45%)，保有煤炭资源储量(57%)和未占用煤炭资源量(65%)占比均高于全省六大煤田平均值，充分显示河东煤田煤炭资源开发利用潜力巨大，绿色开采技术的应用前景广阔。特别是石隰矿区整体未开发利用，具有很高的整装绿色开发潜力。中部离柳矿区和北部河保偏矿区已开发利用面积占比接近全省平均值，说明河东煤田离柳矿区和河保偏矿区的煤炭资源开发利用程度最高，保有资源量占比全煤田最低。

3 地质环境脆弱性分析

河东煤田所处的吕梁山西麓广大地区，地处黄土高原腹地，地表支离破碎，水土流失严重，植被稀疏，地质环境整体较差。煤田4 个国家煤炭规划矿区的地质环境稳定性评价均为差等级，煤田整体以中等和较低环境承载力为主[10]，其中，石隰矿区的承载力以较低承载力和低承载力为主的地区合计占矿区总面积的97%。

3.1 水土流失严重

我国14 个大型煤炭基地中，黄河流域有9 个煤炭基地，其中，5 个位于黄土区，黄土区占黄河流域总面积的85%[4]。河东煤田即位于这5 个黄土区煤炭基地中的晋北和晋中煤炭基地。黄土区先天气候和环境条件恶劣，水土流失严重，煤炭开采又加剧水土流失。河东煤田所在的黄河晋陕峡谷两岸地表沟壑纵横，土壤侵蚀模数大，流域面积仅及黄河的15%，但来沙量占全黄河的56%，年产泥沙量占整个黄土高原土壤流失量的26%，是全球生态环境脆弱区和重点治理地区[11]。如河东煤田北区河保偏–离柳北地区，地表为自重湿陷性黄土，黄土喀斯特地貌发育，水土流失严重，地面高程900～1 500 m，高差200～300 m，土壤侵蚀模数5 000～10 000 t/(km2·a)。南部离柳南–乡宁矿区，地面高程1 000～1 300 m，高差100～200 m；地貌上表现为黄土梁和黄土峁。地表广泛出露风积及洪积黄土，冲沟发育，切割密度5 km/km2，土壤侵蚀模数大于10 000 t/(km2·a)，为山西省水土流失最严重的地区之一[12]。

3.2 地质灾害频发

黄土地质灾害是黄土区一种广泛分布的突发性地质灾害[13]。河东煤田是晋西黄土高原的主体部分，黄土地质灾害频发。据山西省地质环境监测中心统计，河东煤田所在的晋西地区，黄土崩塌和滑坡地质灾害占比晋西黄土区灾害总数的83%，地质灾害总数占全省地质灾害总数的17%，地质灾害点密度是全省平均灾害点密度是1.26 倍[12](图2 和表5)。脆弱的生态环境和强烈的采矿活动导致河东煤田地质灾害与地质环境破坏事件频发[14]，黄土崩塌、滑坡等黄土地质灾害导致的群死群伤事件时有发生[15](表 6)，给人民群众生产生活安全带来严重危害。发生概率高、危害严重的煤矿区黄土边坡变形地质灾害，为河东煤田地质灾害的典型特征[16-17]。

表5 河东煤田所在的晋西地区地质灾害特征Table 5 Characteristics of geological hazards in Western Shanxi

表6 河东煤田2003 年以来黄土崩滑地质灾害Table 6 Geological disasters of loess collapse and landslide in Hedong Coalfield since 2003

图2 河东煤田地貌与河流及黄土地质灾害(地质灾害点据彭建兵等[3])Fig.2 Hedong coalfield landform and river and loess disasters(geological disaster points according to Peng Jianbing et al[3])

3.3 水文地质条件复杂

河东煤田位于吕梁山西麓向鄂尔多斯盆地深部地区过渡地带，东部煤层露头地区石灰岩广泛分布，岩溶地下水活动强烈，由北到南分布天桥泉、柳林泉、龙子祠泉3 个寒武–奥陶纪岩溶大泉(图3)，导致煤田东缘地区下组煤大多为强带压区。其中，尤以河东煤田中部的柳林泉带压区范围最大，占泉域面积的27%[17](表7)。由于河东煤田整体为走向SN、倾向W 的隐伏状煤田，煤田东缘一带从南到北埋藏较浅，导致河东煤田目前的生产煤矿大部均集中于此带压区域内，水文地质条件复杂多变，下组煤大多带压开采，长期以来一直采取排水降压方式开采下组煤，导致岩溶水资源大量损失，岩溶泉水位持续下降[18]。

表7 河东煤田岩溶大泉泉域面积和下组煤带压区Table 7 Areas of karst springs and lower coal belt pressure zones in Hedong Coalfield

图3 河东煤田岩溶大泉分布范围Fig.3 Distribution range of karst springs in Hedong Coalfield

4 绿色开采战略

河东煤田是我国黄河流域的一个重要能源基地，同时也是生态脆弱区、水土流失严重区，面临着能源开发、生态环境保护、黄河中游水土涵养等多重战略任务。因此，未来河东煤田煤炭资源的开发首先必须在顶层设计和战略选择上，从煤矿的全生命周期出发，从煤炭的开采模式、地质环境的保护和恢复治理上因地制宜、分类施策，统筹谋划，兼顾煤炭资源开发与生态环境和水资源保护，以水定产，在开发金山银山的同时最大限度地实现并保住绿水青山。

4.1 开发程度控制与薄煤层开采

我国煤炭资源丰富，但炼焦煤资源不足，仅占我国煤炭资源储量的18.9%[19]。其中，优质的焦煤和肥煤占比不到10%[20-21]。稀缺炼焦煤作为炼焦用煤的主力煤种，储量稀少但需求量巨大[22]。河东煤田稀缺炼焦煤占全省稀缺炼焦煤资源的34.7%。其中，离柳矿区煤炭资源总量占全煤田的51.2%，炼焦用煤占全煤田的63.4%，稀缺炼焦煤占比全煤田的70.8%，焦煤和肥煤占全煤田的83.3%。合理开发离柳矿区稀缺炼焦用煤，科学统筹河东煤田炼焦煤资源的开发利用，对于山西乃至全国焦化、钢铁行业的持续稳定发展具有重要的现实意义。但从表4可以看出，离柳矿区开发利用面积占比、已利用资源量，煤矿占用资源量均显著高于煤田平均值，表明离柳矿区的开发强度高于其他矿区。因此，为了保证全省乃至全国稀缺炼焦煤的长期连续供应，未来必须适度控制离柳矿区的开发强度，从开发战略上重视和正视这一问题。

薄煤层开采不仅能提高煤炭资源利用率，还可以延长煤矿生命周期。我国薄煤层资源丰富，但受开采技术条件的限制，薄煤层往往被忽视，导致我国薄煤层的开采量仅占煤炭总产量的10%左右[23-24]。山西是我国的煤炭大省，薄煤层资源占全省煤炭资源总量的19.2%，但采收率却只有30%左右[25]。河东煤田薄煤层资源丰富，矿区薄煤层厚度平均占煤田可采煤层总厚的17.0%，中部的离柳和石隰矿区薄煤层厚度占其煤层总厚的近25.0%，并且煤类主要以焦煤为主。河东煤田为我国的炼焦煤生产基地，尤其离柳矿区为我国主焦煤生产基地，石隰矿区开发蓄势待发。为充分和高效利用河东煤田的炼焦煤资源，提高稀缺炼焦煤资源的采收率，在宏观开发战略上，急需对河东煤田薄层可采煤层予以充分的重视，尤其是煤田中部的薄层炼焦煤资源。这样既可以提高矿产资源利用效率，延长煤矿生命周期，提高煤炭利润率，还可以在宏观上提高炼焦煤的采收率，节约炼焦煤资源，客观上也延长了炼焦煤的供应期。

4.2 充填开采

充填开采是近年发展起来的生态保护性开采技术，能从源头防止地表沉陷，实现煤炭开采和生态环境协调发展[26]。河东煤田作为黄河中游重要的水土涵养区和地质灾害易发区，有责任和义务在煤炭资源的开发上充分运用充填开采技术，在开采煤炭资源的同时最大限度地减少采煤引发的地表生态环境损害和水土流失。

首先，充填开采是保证居民生产生活用水的需要。河东煤田所在的吕梁山西麓地区，居民的生活区主要位于沟谷区和梁峁区，尤其以沿着河道的河谷区为主。而这些地方居民的生产生活用水主要来源于三叠系砂岩的裂隙水和第三系红黏土隔水层水。采煤引发的“上三带”裂隙带将导通三叠系砂岩隔水层和第三系保德静乐组的红黏土层，进而漏失这两层主要的居民生产生活用水，必须采取切实有效的措施，以阻止采煤裂隙带延伸导通三叠系砂岩隔水层和含水层。因此，在客观上要求河东煤田必须进行充填开采。

其次，河东煤田特殊的黄土地貌地质条件要求充填可采。调查发现，晋西黄土地区采矿引发的黄土滑坡地质灾害占全省矿山滑坡地质灾害总数的45%[10]。笔者在保德矿区野外调查发现，煤矿开采导致山顶和山坡产生大量地裂缝，山坡临近沟谷端产生大量黄土滑坡，导致大量黄土堆积于沟谷底部，坡面上产生大片裸露黄土面。即形成煤矿开采→地裂缝→黄土滑坡与崩塌→沟谷坡积物增加→入黄河泥沙量增大的链式反应。而此处为黄河的一级支流，距黄河入口直线距离不超过9 km。在雨季来临之后，这些新生的黄土堆积物无疑会增加流入黄河的泥沙量，进而整体削弱区域植树造林水土保持的效果。利用这些地表新产生的黄土堆积物，对地下深部煤炭资源进行充填式开采[27]，一方面可消除因采煤引发的黄土崩滑产生的大量黄土堆积，减少雨季流入黄河泥沙量，另一方面还可缓解充填注浆材料紧张，大幅降低注浆充填材料成本，提高煤矿吨煤利润率。

因此，在煤炭开采方式上，未来河东煤田的煤炭开采须大力发展充填开采，以最大限度减少地表塌陷和黄土边坡的滑坡与崩塌等地质灾害[28]，最大限度地减少采煤引发的水土流失和地表生态环境损害。充填材料的选择上，可以充分利用当地的黄土资源与煤炭开采产生的煤矸石等材料[29-30]。考虑到河东煤田，尤其是中北部的动力煤生产煤矿大部配套坑口电厂，充填材料也可进一步使用煤矿坑口燃煤电厂产生的粉煤灰[31]。

4.3 峰峰组上部地层保水采煤

保水采煤最早是在鄂尔多斯盆地榆神府矿区基于保护煤层上覆晚更新世萨拉乌苏组砂层潜水而提出[32]，后来逐渐成为以保护生态水位为目标的保水开采体系[33]。目前已在我国华北和新疆广泛应用，效果显著。不同于陕北榆林等地煤层埋深浅的侏罗纪煤田，黄河以东的河东煤田石炭–二叠纪煤层埋深大，煤层上覆地层砂岩裂隙水相对少，水压低，但与下部的奥陶系岩溶水距离近、水压大，大部分地区为带压开采区。“疏水降压”是该区域煤矿针对带压区常见的煤层开采方式。但由于河东煤田的岩溶泉地下水是当地人民群众生产生活的重要水源地，故传统的排水降压式煤炭开采方式将极大破坏岩溶水资源，进而威胁区域供水稳定与安全。因此，从煤炭的绿色开采战略上，河东煤田必须大力发展保水采煤技术[34-35]，以减少奥陶系灰岩岩溶水的排采，保证岩溶大泉的水源稳定。充分利用奥陶系灰岩顶部相对隔水层及煤层底板注浆加固改造是华北石炭–二叠纪煤田保水采煤的2 种常见方式，后者在邯邢矿区应用广泛，但大规模注浆改造具有区域地下水环境安全风险。而充分利用和评价奥陶系顶部峰峰组的富水性和隔水性能，可降低下组煤突水系数，提高煤炭资源采收率[36]。河东煤田北部河保偏矿区保德煤矿位于天桥泉岩溶排泄区，在开采太原组11 号煤时，充分利用峰峰组顶部灰岩的相对隔水性，10 a 安全带压开采[37]。中部离柳矿区贺西煤矿，属于柳林泉岩溶水系统，10 号煤底板承受奥灰水最高压力约6 MPa，但奥陶系峰峰组顶部地层富水性差，顶部10 m 左右古风化壳可以作为相对隔水层处理[38]。兴县斜沟煤矿位于天桥泉西南部径流区，主采的13 号煤层属于带压开采煤层，但抽水试验发现，峰峰组顶部约30 m 风化层富水性微弱，可作为相对隔水层[39]。乡宁矿区王家岭煤矿位于禹门口泉域径流带，下组煤带压风险大，但抽水试验发现，峰峰组含水性弱，而隔水性强，可作为相对隔水层[40-41]。综合来看，河东煤田绝大部分地区峰峰组上段顶部地层富水性较差，在无构造导通的情况下，可视为煤系与下部马家沟组的相对隔水层[42]，充分评价和利用峰峰组上部地层的富水性和隔水性能，可有效保护带压区岩溶泉资源，保障岩溶泉的正常供应。

5 结论

a.河东煤田稀缺炼焦煤占比其总煤炭资源量的47.8%，其中尤以离柳矿区占比最大，为70.8%，但开发强度远高于煤田其他矿区，应从战略上重视河东煤田离柳矿区的稀缺炼焦煤资源，进行保护性与节约式开采；河东煤田薄煤层平均占比煤田煤层总厚的17.0%，离柳和石隰矿区薄煤层占比其煤层总厚近25.0%，在进行矿区整体规划时，应从战略上重视河东煤田的薄煤层开发，尤其是离柳矿区和石隰矿区的薄层炼焦煤资源。

b.充填开采是一种环境友好型的采煤方式，特别适用于河东煤田生态和地质环境脆弱区，充分利用河东煤田地表的黄土资源与煤炭开采产生的煤矸石、电厂粉煤灰等煤基固废材料进行充填式开采，可减缓因采煤导致的崩塌滑坡等地质灾害和水土流失，减少流入黄河泥沙量，保护黄河流域生态环境。

c.在无构造导通的情况下，河东煤田含煤地层下伏的峰峰组顶部地层具有一定的隔水性能，准确全面评价河东煤田下伏峰峰组上部地层的富水性和隔水性能，可大幅降低河东煤田下组煤的突水系数，最大限度地减少采煤引发的地下岩溶水破坏，保护带压区岩溶大泉水资源。

d.河东煤田是黄河中游重要的能源基地和稀缺炼焦煤生产基地，同时也是黄河流域生态保护和高质量发展国家战略主战场。煤炭绿色开采技术能够实现河东煤田煤炭开发利用最优化和生态环境影响最小化，未来发展前景广阔，应用价值巨大，需要地质、采矿和水土保持等多专业多学科学者共同参与。

致谢：河南理工大学郭红玉教授和中国矿业大学(北京)魏迎春副教授对文章结构提出了宝贵的意见和建议，在此表示衷心感谢。