最近，《煤炭学报》推出“保水采煤的理论与实践”专辑的第二辑，集中发表了27篇论文，在行业引起一定的关注，也有不少行业外朋友问询什么是“保水采煤”，为什么《煤炭学报》对保水采煤如此关注。为此，我们梳理了保水采煤的大量文献，电话采访了有关专家，解读了保水采煤问题，希望有助于社会各界对保水采煤的了解，也期待保水采煤领域取得新成就，促进西部大型煤炭基地绿色开发、科学发展。
保水采煤的概念
2017年1月，范立民在《保水采煤的科学内涵》一文中，给出了保水采煤的概念：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新技术。
保水采煤问题的提出背景
我国西北地区煤炭资源储量约占全国的73%，原煤产量占60%以上，在国家能源安全中具有重要地位，但西北煤矿区水资源贫乏，有限的地下水资源易受到采煤影响而破坏，并导致地下水资源漏失、水位下降和井泉干涸，采煤与水资源供给矛盾突出，同时生态环境对地下水具有较强的敏感性，煤炭开发初期就出现了潜水水位下降并诱发部分植被枯萎等生态问题，典型案例是1990年神木境内某矿井两次发生巷道冒顶，形成突水溃沙事故，造成附近的顺沟渠水库干涸，小流域地下水位下降，一处萨拉乌苏组泉水(饮马泉)断流(后已恢复)，沙柳、沙蒿等植被受到影响。如果这种情况大范围出现，将带来生态灾难。因此，煤炭开发过程中，必须科学保护、合理利用水资源。为此，1992年范立民的《神木矿区的主要环境地质问题》、韩树青等的《开发陕北侏罗纪煤田几个水文地质工程地质问题》两篇短文提出了保水采煤理念，后者还提出利用充填开采方式实现萨拉乌苏组地下水保护的建议，这也是第一次提出充填保水采煤技术路径。
沙漠中的饮马泉溪流(2007年1月6日拍摄)
1996年5月，根据有关文献，按照范立民提出的建议，在叶贵均教授主导下，1996年煤炭工业部同意立项一项重点科研项目，对榆神府矿区水文地质环境地质问题进行综合研究，由中国煤炭地质总局、陕西省一八五煤田地质勘探队和中国矿业大学共同承担，经过几次讨论后，确定了题目是《中国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水采煤与地质环境综合研究》，识别了煤层覆岩结构类型，首次划分了保水采煤分区。这个项目是先有研究内容，后有题目(这在今天是不可想象的)。这是首次使用“保水采煤”一词。1998年后发表的论文中开始出现“保水采煤”一词，与“保水开采”是同义词。
首次划分的榆神府矿区保水采煤分区图(一八五队1998年编绘，范立民提供)
采煤影响下的脆弱生态环境(左) 榆神矿区地表生态现状(右)
保水采煤研究内容
包括含水层、隔水层、煤层的赋存及特征，植被种群及其与地下水的依存关系，确立地下水位控制的阈值，减轻覆岩损伤的采矿技术，即保水采煤技术(保水开采技术)，采动覆岩移动变形过程和损伤程度，研究采动条件下地下水渗流场、应力场、裂隙场演化过程，研究采动过程中地下水位、井泉演化过程及机理。同时，监测监控采动过程中地下水位、水质、水温的变化过程，监测监控采煤工作面及影响区内应力场、裂隙场、渗流场演化过程。
榆神矿区露天煤矿揭露的12米厚煤层(2018年7月拍摄)
保水采煤的实现途径
2005年范立民在《论保水采煤问题》一文中提出了保水采煤的实现途径：一是合理选择开采区域，对于目前技术条件不具备实现含水层保护的区域暂缓开采;二是调整采掘空间尺寸，以降低采高、充填(含局部充填)采空区等方式实现顶板隔水层的隔水稳定性，实现含水层地下水保护。2010年王双明院士等在《煤炭学报》发表论文，提出了基于保水采煤的矿区规划图，划分出四种开采区域，研发了保水采煤技术，并应用于陕西省煤炭工业规划和矿井生产，有效保护了榆神府矿区水资源安全和生态环境。
榆神府矿区保水开采分区规划图(据王双明等，2010)
保水采煤取得的成就
通过我国地质、采矿等科研和产业部门的长期努力，保水采煤取得重要成就，归纳起来，保水采煤的主要成就有：一是厘定了保水采煤的概念和科学内涵，确立了保水采煤面临的科学问题;二是查明了以榆神府矿区为代表的保水采煤区煤层、含水层、隔水层空间形态及组合特征，深入研究了含水层分布及生态价值;三是发现了毛乌素沙漠典型植被与地下水的依存关系，提出了生态水位的概念，确立了保水采煤地下水位控制阈值;四是研究、探测了浅埋煤层开采导水裂隙带发育高度，基于煤层与含(隔)水层空间组合特征及隔水层隔水性，划分了保水采煤地质条件分区，为合理选择开采区域提供了依据;五是研发了保水采煤技术，包括充填保水采煤技术、窄条带保水采煤技术、限高保水采煤技术、采充并行保水采煤技术、近距离多煤层保水开采技术、煤层底板含水层保护的底板注浆加固保水采煤技术等，并得到推广应用;六是保水采煤领域取得了一批知识产权，包括专利、软件著作权、论著及相关标准规范等。
煤层与含(隔)水层组合类型(据范立民，2017)
近距离煤层保水开采技术路线图(据马立强等，2019)
保水采煤有哪些重要文献?
近年来，保水采煤文献虽然一直在增长，但总体上，文献仍然偏少，代表性论文主要发表在《煤炭学报》《煤炭科学技术》《煤田地质与勘探》等期刊，《煤炭学报》先后出版两期“保水采煤的理论与实践”专辑，两次发表了53篇论文。《煤炭科学技术》2016年出版“煤炭开采水害防治及水资源保护利用技术”专辑，发表13篇论文。中国矿业大学、西安科技大学、长安大学等院校在CNKI发表有数十篇保水采煤领域的学位论文。以“保水采煤”为关键词的中文期刊作者群主要有范立民、蒋泽泉、马雄德、李文平等(下图)。
以“保水采煤”为关键词的期刊论文作者群分布
(据CNKI统计，其中图中的4位范立民是同一人，只是工作单位不同)
代表性专著有王双明院士等编著的《生态脆弱矿区煤炭开发与生态水位保护》(2010)，缪协兴、孙亚军等编著的《干旱半干旱矿区保水采煤方法与实践》(2011)及顾大钊院士编著的《晋陕蒙接壤区大型煤炭基地地下水保护利用与生态修复》(2015)、黄庆享教授的《浅埋煤层长壁开采岩层控制》(2018)等，读者可在国家图书馆官网检索。(插图王双明院士、顾大钊院士专著封面)
保水采煤还有哪些科学难题?
最近，《煤炭学报》发表的《保水采煤面临的科学问题》一文，提出了保水采煤面临的以下几个科学与工程难题：一是西部矿区依赖地下水的植被对煤层开采的约束程度的识别、量化及监测;二是大采高和重复采动条件下导水裂隙带高度探测与预测方法;三是有效隔水层厚度的量化与评价方法;四是大采高和重复采动条件下采动岩层(覆岩)控制及矿山生态环境影响机制;五是矿山生态损害监测与评价、矿山土地复垦与生态重建技术、生态修复策略及效果评价等。
保水采煤面临的科学与工程难题(据范立民，2019)
保水采煤技术得到了国家层面的关注
近年来，保水采煤在国家层面及地方政府得到了关注，2013年1月国务院颁布《国家能源发展十二五规划》，将保水采煤技术列为重点推广的新技术;2014年6月7日，国务院办公厅在《关于印发能源发展战略行动计划(2014-2020年)的通知》中，第二部分“主要任务”的第一小点中，明确要求“推广充填、保水等绿色开采技术”;2017年10月19日，中国共产党十九大代表、中国工程院院士康红普研究员在人民大会堂接受中外媒体采访时，针对煤矿区环境问题，指出“煤炭行业采取了一系列预防、控制和修复的措施，包括保水采煤技术、沉降区控制技术等，大大减轻了煤炭开采对生态环境的影响”;2018 年4月自然资源部发布《煤炭行业绿色矿山建设规范》，在资源开发方式中将“保水采煤”列为主要的减排保护开采技术;作为保水采煤发源地的陕西，2018年提出的《保水采煤技术规范》已经列入标准研制计划，将于2019年颁布实施。
我们期待，通过保水采煤技术的成熟和推广，我国西部煤矿区在为国家提供大量煤炭能源的同时，矿区地质环境、生态环境得到维系和改善，促进西部矿区生态文明建设。
