0 引 言
我国西部干旱半干旱地区大型煤炭基地开发过程中出现了严重的地下水及生态环境问题，造成了含水层结构损伤，地下水位下降，泉流量衰减和河流断流等[1]。而西部沙漠地区地表植被对浅层地下水具有很强的依赖性，煤炭开采必须保护好浅层地下水资源，才能促进生态环境的维系和改善。为此，范立民[2]提出了保水采煤构想，即通过合理规划开采顺序和采煤方法，将采煤过程对地下水资源和生态环境的影响降到最低。这引起了管理、环保、地矿等部门以及规划、设计及开采等各单位的重视，并开展了大量研究工作。
侯忠杰[3]发现了浅埋煤层开采中存在“台阶下沉”和顶板切落现象，分析了厚松散层浅埋煤层关键层自身不能形成三铰拱式平衡的机理，建立了浅埋煤层断裂带基本顶判别的理论公式。黄庆享[4]建立了浅埋煤层初次来压的“非对称三铰拱”非稳态力学模型和周期来压期间的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型。2015年陕西省地质调查院在榆神矿区实施了“三带”调查孔25个，查清了2-2煤层采高5 m左右时的导水裂隙带高度为煤厚的22～28倍，这与之前常用的经验公式预测结果差距较大。范立民等[5]指出这是因为经验公式的适用条件为采高不超过3 m，且工作面尺寸较小，而榆神矿区开采技术参数已经发生了变化。范立民等[6]、马雄德等[7]、李文平等[8]分别基于突水溃沙、生态安全和地质条件划分了保水采煤分区，从宏观上指导了采煤方法的选择。充填开采、窄条带、分层限高开采、注浆改造等技术不断用于大型生产矿井，实现了保水采煤。陕西省地质环境监测总站于2015—2018年在陕西境内建成了省级大型煤炭基地的地下水监测网[9]，并逐步将煤矿企业已有监测站点，纳入统一监测平台。
经过20年发展后[10-12]，保水采煤技术逐步成熟，在指导矿区水资源与生态环境保护方面有了很大的进步，保水采煤理论日臻完善。但煤矿企业在实践中往往不清楚如何做到既保护含水层结构，又能够高强度开采煤炭资源，其主要原因就是没有可遵循的规范和标准。2019年11月27日，陕西省市场监督管理局颁布了《保水采煤技术规范》(下简称《规范》)[12]，这是我国第1个以含水层结构保护为目标的技术标准，为绿色开采技术[13]推行增加了新的内容。笔者主要阐述《保水采煤技术规范》研制背景，对规范的相关要点进行分析，让使用者更易理解和运用，并提出改进和指导意见。
1 保水采煤技术规范编制背景
1)西北干旱半干旱地区成为我国原煤主产地。我国煤炭工业逐渐西移，西北地区的神东、陕北、宁东、黄陇、新疆等成为我国原煤主产地，2018年原煤产量已经占全国的50%左右，加上内蒙古西部，原煤产量占全国70%以上，这5个煤炭基地的科学开采对国家能源安全具有重大战略意义。
2)西北地区水资源贫乏，有限的水资源是生态安全的重要物质基础，也是工农业生产的供水水源，必须倍加珍惜。
3)西北地区煤炭开采对地下水含水层损害明显，主要含水层多赋存于煤层之上，煤层开采产生的导水裂隙带与含水层贯通后，造成地下水渗漏和水位下降。20世纪80年代中后期以来，高强度采煤对萨拉乌苏组潜水、烧变岩潜水、奥陶系承压水都产生了明显的影响[13]，萨拉乌苏组潜水水位下降大于8 m的区域超过758 km2。榆神府矿区煤炭开采前有2 580个泉，2015年调查时，有2 204个干涸断流，总流量衰减了76%[14]。文献[15-16]分别计算了采煤造成的地下水损失量，研究了地下水流场演化的动力学机制，分析了煤炭开采与地下水资源保护的关系，提出了保水采煤的实现途径[2]。
多年来，主管部门始终要求煤矿企业在生产中保护具有生态价值和供水意义的含水层。如：基于对榆神一期、二期项目在开发建设过程中产生的水与生态环境负效应的担忧，国家相关部门在办理榆神三期新开工项目的审批时格外强调“要加强矿区地下水位保护，防止生态环境退化”。尽管科研单位具有很强的理论基础，也提出了一系列技术方案来保护含水层，但煤矿企业在生产中都根据经验开展水与生态保护，具有一定的盲目性，而且常会顾此失彼。出现这种状况的原因是一直没有保水采煤技术规范可遵循。
为此，作者在长期积累的基础上，2018年提出了研制《规范》的建议书，得到了陕西省市场监督管理局的批准立项。之后组织编写小组，几易其稿，多次组织地质勘查、煤炭规划与设计、煤炭开采等领域专家讨论，完成了《规范》制定工作。
2 保水采煤技术规范要点剖析
2.1 范围及总则
《规范》规定了保水采煤总则、水资源保护目标层(体)、基于保水采煤的地质工作要求、导水裂隙带高度确定、保水采煤技术、技术论证报告，适用于陕西境内规划、在建和生产煤矿，也可供宁夏、内蒙古西部、新疆、山西、河北等煤矿区参考使用。
《规范》确定的保水采煤总则，一是坚持“生态优先”的原则，将水资源与生态环境保护贯穿煤炭开发全过程。根据煤-水空间赋存关系，含水层及地表水体保护需求，合理确定开采区域，优化开采顺序和采煤技术方法；二是贯彻煤层开采应坚持采煤与水资源保护协调一致的科学理念，采取有效预防和保护措施，保护具有供水意义和生态价值含水层，避免或减轻煤层开采造成的水资源含水系统损害；三是要求在煤炭资源开发规划、开采阶段，应进行保水采煤技术论证，合理选择开采区域，采用合适的采煤技术方法；四是在煤层开采使地下水位埋深发生变化时，给定了地下水位的最大允许埋深和最小允许埋深；五是在煤层开采过程中，矿区及周边河流流量不小于河流的最小生态需水量(保护河流健康)。
2.2 部分术语
《规范》界定了保水采煤、生态水位等16个术语，其中重要术语如下：
1)保水采煤(Water-Preserved Coal Mining)是指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[5，10]。
2)生态水位(Eco-Water Level)指维持生态系统结构、功能和生态过程所需的潜水水位埋深。
3)自然保水采煤(Natural Water-Preserved Coal Mining)是指没有需要保护的含水层或采煤对含水层(水资源)及生态环境影响小的区域，采煤不受水资源保护的约束。
4)生态敏感区(Ecologically Sensitive Region )是指那些对人类生产、生活活动具有特殊敏感性，极易受到人为的不当开发活动影响而产生生态负效应的地区。
5)最大允许埋深(Maximum Allowable Depth to Groundwater)是指为了防止或者减少对矿区植被的影响，煤层开采使地下水位下降时，采用毛细上升高度与植被根系长度之和确定的水位埋深。
6)最小允许埋深(Minimum Allowable Depth to Groundwater)是指为了减少地下水蒸发，煤层开采使地下水位上升时，采用毛细上升高度确定的水位埋深。
《规范》界定了受保护的含水层，主要包括陕北侏罗纪煤田第四系萨拉乌苏组含水层、烧变岩含水层、地表水体(湖泊、水库)；黄陇侏罗纪煤田白垩系洛河组含水层、地表水体(湖泊、水库)；渭北石炭二叠纪煤田奥陶系岩溶含水层。
2.3 《规范》对地质工作提出新要求
保水采煤是为了保护含水层结构的完整性，也就是保护含水层下伏隔水层的隔水稳定性，隔水层在采煤过程中不失稳、不开裂，仍然保持其隔水性能，就实现了含水层结构保护即保水采煤目标。因此，《规范》提出对含水层、隔水层、煤层及其空间赋存特征、水文地质工程地质条件的勘查新要求。
地质勘探阶段，要加强对含水层、隔水层及其与煤层赋存关系的探查，查明矿区煤炭地质条件、可采煤层及其赋存特征；查明矿区含水层、隔水层及其水文地质工程地质条件；查明矿区及周边饮用水源地及其他生态保护地；查明矿区植被特征，分析地下水与植被关系，评价含水层的供水、生态价值。分析预测煤层开采将会对含水层、地表水体产生的影响，划分保水采煤分区。
矿区规划阶段，要充分分析区域地质、煤层、含水层、地表水体、隔水层及其地质特征，分析矿区内及邻近矿区煤炭开采引起的地质环境、生态环境问题，分析矿区煤炭开采可能引起的水文地质工程地质问题，确定水资源保护目标层(含水层)和目标体(地表水体)，分析饮用水源地、生态保护地与煤层开采区的关系，开展专题研究，提出解决方案。在上述研究基础上，提出煤炭科学开采规划方案，确定矿井井田划分方案和开采顺序，提出采煤技术措施等。
矿井可行性研究阶段，要利用矿井勘查阶段取得的全部地质资料，分析煤层开采对含水层、地表水体的影响程度和影响方式，论证减轻采煤对含水层及地表水体影响的采煤技术方法，提出优化的开采顺序、采煤技术方法。划分煤层开采对含水层、地表水体的影响程度分区，确定各盘区(工作面)采煤技术方法。
煤炭开采阶段，要建立地下水及地表水体(含水库、湖、泉、民井、河流)监测网，监测煤炭开采区及周围地下水水位、泉及河流流量和地表水变化情况，分析其变化原因，如果出现地下水位下降幅度超出生态水位埋深，就要提出防控措施。每个盘区、每个煤层开采结束后，分析长期监测的地下水位、河流流量与植被盖度的变化规律，分析煤层开采对地下水和植被的影响程度，提出含水层及地表水体保护措施。
2.4 《规范》确定的导水裂隙带高度预测方法
导水裂隙带高度是保水采煤研究和工程实践的一个关键参数[17]，有多种预测方法[18-20]，然而，随着采掘空间的不断加大和机械化程度的提高，以往总结的经验公式已经不适合目前的采煤条件，为此，煤炭产业部门在榆神府矿区开展了40多个钻孔的探测，初步总结出适合榆神府矿区的导水裂隙带发育高度预测模型。
2.4.1 探测法
在采空区上方或巷道中，利用钻探的方法，通过观测钻孔不同深度上相关物理量的变化来确定覆岩导水裂隙带高度。钻孔探测法，每个煤矿应在不同开采水平或煤层、不同采煤技术方法的工作面分别施工不少于3个钻孔，且注意钻孔在工作面内分布的合理性和科学性。
钻孔探测法确定导水裂隙带发育高度的方法，主要包括：
1)岩心观察法，利用全孔采取的岩心进行观察，观察裂隙发育的位置，测量岩心完整性，计算RQD值，进行综合判定裂隙带发育顶界。
2)钻孔冲洗液消耗量法，是通过钻孔冲洗液漏失量的观测确定导水裂隙带高度，观测项目、钻孔施工、钻孔测量段要求、测量方法和数据处理方法按有关行业标准执行。
3)孔内窥视法，是利用钻孔智能全景成像测井，将钻孔内的岩壁形成360°数码图像，通过观察图像识别岩层中裂隙的发育情况判定导水裂隙带顶界面位置。
4)地球物理测井，是选用三侧向电阻率、自然电位、密度(长短源距伽玛)、自然伽玛、声波时差等测井参数进行综合解释，从而确定导水裂隙带顶界面位置。
2.4.2 经验公式法
在榆神府矿区，采高小于3.0 m时，导水裂隙带高度可采用有关规范推荐的经验公式；当采高3.0～6.0 m时，导水裂隙带高度可经验公式为HL=(22～28)M，其中：HL为导水裂隙带高度；M为采煤工作面一次开采高度。
值得说明的是，该经验公式的取值范围略大一些，最小22倍采高，最大28倍采高。根据40余个钻孔探测数据，平均值为26.5倍，多数介于22～28倍，所以笔者给出了上述经验公式。
其他矿区或榆神府矿区采高大于6.0 m或重复采动时，导水裂隙带高度应在探测数据基础上综合确定。
2.4.3 模拟法
包括数值模拟法和相似模拟法，数值模拟法是采用专业软件模拟开采条件，确定导水裂隙带高度；相似模拟法是根据煤层及其覆岩物理力学性质，采用相似材料模拟煤层开采过程，确定导水裂隙带高度。
2.5 采煤对含水层影响程度分区方法
2015年作者提出了“三图预测法”[21]，预测煤层开采对上覆含水层的影响程度，这三张图分别是萨拉乌苏组含水层等厚线图(确定保水采煤的保护含水层及其富水性)、主采煤层顶板隔水层厚度等值线图和煤层开采导水裂隙带发育高度等值线图。据此“三图”，结合覆岩物理力学性质及采煤方法，判定煤层开采对萨拉乌苏组含水层的影响程度，称为保水采煤的“三图预测法”。多年来，划分保水采煤地质条件分区，均采用这种方法。
《规范》提出，在系统分析矿区(矿井)水文地质条件的基础上，绘制目标含水层的富水性分区图，根据钻孔资料，采用综合法确导水裂隙带高度，利用导水裂隙带高度与覆岩厚度之差δ绘制隔水层稳定性分区图，分级标准见表1。将富水性分区图与隔水层稳定性分区图进行叠加，并按照表2进行分级，确定煤层开采对含水层影响程度分区。
表1 隔水层稳定性分级标准
Table 1 Classification standard for stability of aquifuge
δ<0δ∈[0,20]δ>20不稳定较稳定稳定
表2 采煤对含水层影响程度分级标准
Table 2 Classification standard for the influence degree of coal mining on aquifer
富水性稳定性不稳定较稳定稳定极强严重较严重较轻强严重较严重较轻中等严重较轻较轻弱较轻较轻较轻
2.6 保水采煤技术适用条件
《规范》对不同保水采煤技术的适用条件进行了界定，其中自然保水采煤技术适用于煤层上覆松散含水层富水性弱-极弱，底部有稳定的厚黏土隔水层，或地下水水质不满足国家标准要求的区域，其目标含水层与设计开采界限之间的最小距离，符合“三下规范”中各水体采动等级要求留设的相应类型安全煤(岩)柱尺寸的要求。
充填保水采煤技术适用于生态敏感区、浅埋煤层上覆目标含水层或地表水体的矿区、目标含水层与设计开采煤层之间的煤(岩)柱厚度小于导水裂隙带高度。
分层保水采煤技术适用于分层开采可以保护目标含水层的区域；短壁保水采煤技术适用于生态敏感区和水体下(含水层或地表水库等)采煤区域。
注浆保水采煤技术适用于几种条件，一是保护烧变岩目标含水层时、露天开采影响目标含水层时、地表水体受开采影响的区域；保护煤层底板目标含水层的开采区等。
2.7 保水采煤的技术论证报告
《规范》提出在矿区规划阶段、煤矿设计阶段均应开展保水采煤技术论证，论证的工作重点有所不同，但都是基于含水层结构保护为原则开展的，其中规划阶段重点论证矿区总体上的适合开发规模、适合的开采区域以及需要采取的采煤方法，确定矿区内需要保护的目标含水层，论证矿区内各煤层开采实行保水采煤必要性和可行性，阐明含水层、隔水层、煤层特征及其空间赋存状态，研究煤层开采对含水层的影响程度，划分保水采煤分区，为矿区总体规划的矿井布局提供依据，论证的基础是矿区煤炭矿区详查地质报告及其他有关资料。
矿井设计阶段应开展保水采煤技术论证应在上述规划阶段论证的基础上，开展详细论证工作，阐明选用采煤方法对含水层破坏情况，预测地下水流场变化规律，提出适宜的保水开采技术方法，最终提出矿井保水开采方案和矿区地下水监测网设计方案[9]，论证的基础是井田勘探地质报告及其他资料，如矿区规划报告等。
3 讨 论
3.1 保水采煤技术的适用性
保水采煤的提出带有很显明的地理及水文地质背景条件的“胎记”。1990年瓷窑湾煤矿发生突水后，范立民分析了该矿的地质和水文地质条件，将其在空间上进行拓展和对比，发现榆神矿区大部分地区地质水文地质条件与瓷窑湾煤矿相类似，基于对未来榆神矿区大规模开发可能会导致地下水位普遍下降并影响生态环境的担忧，呼吁在这些地区开展煤炭资源开发时应先保水，后采煤，即保水采煤。因此，保水采煤研究的范围被界定为西部干旱半旱地区，其特征为生态脆弱、水资源匮乏、煤层厚且埋藏浅。
随着研究的深入，保水采煤研究所涵盖的范围在不断扩大，这主要归功于充填开采、分层开采、短壁开采及注浆开采等保水采煤技术方法的日臻完善。因此，煤层开采过程中只要涉及敏感含水体(含水层或地表水体)时，都可以采用保水采煤技术来解决。如，徐智敏等[22]以吐哈盆地的哈密煤田大南湖矿区为例，开探讨了保水采煤的可行性。姚强岭等[23]分析了宁东煤田鸳鸯湖矿区梅花井矿2—6号煤层间砂岩裂隙孔隙层间承压含水层砂岩力学性质，分析了其保水采煤意义。吕广罗等[24]分析了永陇矿区白垩系含水层受采动影响情况，进一步划分了保水采煤分区。余学义等[25]在孟加拉国巴拉普库利亚矿开展了保水采煤研究，开展了针对新近系Upper Dupi Tila松散富含水层保护的保水采煤方法研究。
由此可以看出，保水采煤为水-煤共生型矿井提供了一种释放煤资源的思路与途径，但必须严格地将地下水作为一种资源对待，煤炭开采过程中应采取积极主动的措施保护水资源不浪费、不污染。尽管本技术规范主要针对西部干旱半干旱矿区开采条件提出，但其外延比较广泛，对于东部或其他涉水矿区的保水采煤实践都是通用的。
3.2 保水采煤技术的可行性
众所周知，保水采煤重点强调环境效益和社会效益，势必会降低产能，增加成本。如，榆阳煤矿开展充填保水开采，吨煤成本增加约100元。渭北煤田澄合矿区实施注浆开采，开采成本增加约2元。榆树湾煤矿采用限高开采，将原设计的7 m采高变更为“7 m适采区、5 m适采区和3 m适采区”。目前而言，开展保水采煤的矿区有2类，一类是迫于环保、水资源政策的压力，主动实施保水采煤技术，解放呆滞煤炭资源。例如：为了释放渭北煤田澄合矿区承压水威胁的5号煤层，王苏健等[26]研制了改性黄土基浆液并实施了注浆开采，主要目的是保护黄河生态湿地；另一类是为了预防顶底板突涌水的需要而被动实施保水采煤技术，这是目前开展绿色开采，实施保水采煤技术的主要类型，总体而言，保水采煤技术从经济和技术两方面都具备可行性,应大力推广。
4 结 语
煤-水资源共生是我国西部大型煤炭基地煤炭资源赋存的主要特征，其煤层开采广泛受水与生态的约束。笔者简要介绍了保水采煤技术规范编制的历史背景，以及保水采煤技术规范的关键技术要点。本次编制的主要依据是陕西省主要煤炭赋存区工程实践经验及科学技术研究成果，能够为陕西煤炭管理部门、煤矿企业和研究者提供一套开展保水采煤的基本思路。下一步工作中，将继续拓展规范的涵盖范围，力争在总结我国各主要矿区的煤水赋存特征及开采响应机制后，修订规范，以便使规范的应用范围更广泛。
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致谢：《保水采煤技术规范》起草过程中，靳德武、孙亚军、段中会、代革联、朱桦、王新、杜锋、徐智敏、张廷会、钱建峰等专家提出了宝贵意见和建议，在此一并表示衷心致谢！
