“西北煤田地层结构特征”、“采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律”、“水资源保护性采煤机理与控制”是西北煤炭开采中水资源保护基础理论研究中的3个关键科学问题。
这是中国矿业大学张东升团队在新近发表的《我国西北煤炭开采中的水资源保护基础理论研究进展》中凝练出来的。
传统煤炭开采模式下，地下水会流到井下，并外排至地表，造成巨大的资源浪费。在我国西部晋、陕、蒙、宁、甘五个省区，煤炭储量占我国三分之二左右，产量占70%以上，但水资源量仅占3.9%。水资源短缺、浪费的问题一直成为制约煤炭企业可持续发展的关键。
神华集团科技发展部总经理顾大钊曾表示：一般情况下，每开采一吨煤会产生两吨左右的水。我们国家煤炭开采每年损失的矿井水为60亿立方米。若能把每年煤炭开采损失的矿井水全部用上，则可以解决我们国家工业和民用缺水的60%。
我国西部煤田具有煤层厚、埋藏浅、水资源匮乏和生态脆弱等特征，针对大规模机械化开采下的生态环境损害问题，以生态环境容量特别是水资源承载力为约束条件，开展煤炭开采中的水资源保护基础理论研究，实现从“被动恢复”向“主动保护”、从“重开采”向“重协调”的重大转变，是我国西部煤炭资源科学开发面临的迫切任务。
关键科学问题及逻辑关系
研究人员经过调查、卫星图片解释，结合区域地面调查、工程实践等，构建了西北矿区不同生态地质环境类型生态-水-煤系地层空间赋存结构模型。以神南矿区为例，通过统计模拟区428个钻孔资料，采用有限元法模拟天然渗流场特征，揭示天然状态下含水层间水力联系、区域浅层水系统水资源分布、水循环运移规律等，对研究区进行浅层地下水资源评价，并预测在给定条件下(采后5年)矿区地下水流场变化情况。
煤炭开采造成的水资源流失及生态环境损害问题，必须基于水资源承载力从采矿源头上加以控制。主要面对3个层面的问题：
一是从采煤工作面具体条件下的水资源保护的“点”到矿区、煤田大范围内的地下水系统动态平衡的“面”。
二是从已采矿区在水资源容量的约束下如何调整矿区规划、矿井设计和工作面生产能力，到未采矿区如何一步到位、做好顶层规划与设计、采区优化与工作面产量以及采矿方法选择与工艺配置。
三是从现有的保水采煤理论与技术到二次开采或西部新条件下的适用性。
基于此，研究人员建立了单一煤层和煤层群初/复采煤层保水开采技术适用性分类方法体系。
单一煤层保水开采技术适用性分类
煤层群开采保水开采技术适用性分类方法
研究人员提出了宽巷式全采充填保水采煤方法，将开采块段内的所有采场支巷分为多个阶段，形成了“一采一充、采充并行”的保水采煤新模式。
宽巷式全采充填短壁保水开采方案
