基于資源和地質環境特征的河東煤田煤炭綠色開采戰略研究

劉漢斌，程芳琴

(1.山西大學 資源與環境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省煤炭地質局，山西 太原 030006)

煤炭綠色開采是指用最小的環境擾動換取最大的煤炭資源開采效益，實現煤炭開采與生態環境保護協調發展[1]。煤炭綠色開采技術主要有充填開采、保水開采、煤與瓦斯共采、矸石不升井等開采技術[2]。煤礦綠色開采技術的應用能夠最大限度減少煤炭開采對礦區環境的擾動，在滿足區域環境容量前提下，實現資源開發利用最優化和生態環境影響最小化。河東煤田作為我國黃河流域重要的含煤盆地與煉焦煤生產基地，也是我國生態環境、地質環境脆弱區，如何從整個煤田的角度分析和優化全煤田煤炭綠色開采戰略，最大限度地減少采煤引起的生態地質環境破壞，對于實現黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略，保護黃河中游生態地質環境具有重要的戰略和現實意義。彭建兵等[3]針對黃河流域高質量發展面臨的地球科學問題，提出包括安全黃河、綠色黃河、生態黃河在內的“宜居黃河”科學構想,認為應黃河流域開發應以特殊地質環境、地貌特征和脆弱的生態環境為出發點，構建人地協調的地質安全保障策略。彭蘇萍等[4]從黃河流域煤礦區所處的戰略地位出發，剖析了黃河流域生態環境面臨的主要問題，提出水的保護與利用是黃河流域中上游煤礦區生態環境修復的關鍵。胡海峰[5]針對山西黃土丘陵地貌的特點，分析和總結了山西黃土丘陵區采煤沉陷區地表、水資源、植被破壞類型，提出山西黃土丘陵區采煤后生態環境修復技術。河東煤田是黃河中游的一個重要煤炭能源基地，面臨著煤炭開采和生態環境保護的雙重任務。傳統的“事后”修復老路顯然不能滿足新的黃河流域生態保護和高質量發展的要求，因此，亟需從宏觀戰略角度來提前預判并規避或最大程度減輕或減緩因煤炭開采所造成的生態地質環境、水資源破壞。筆者從河東煤田地質環境、地質地貌特征和水文地質條件出發，分析并提出河東煤田未來煤炭綠色開采的戰略路徑。

1 煤炭資源特征

河東煤田位于黃河中游呂梁山西麓鄂爾多斯盆地東緣，為南北走向、傾向西的隱伏煤田，整體呈東西窄南北長的長條狀展布[6](圖1)。地域上跨越忻州、呂梁、臨汾、運城 4 個地級市，含煤面積16 228 km2，是我國重要的煉焦煤產地[7]，也是我國重要的煤炭資源后備基地[8]，從南到北擁有4 個國家煤炭規劃礦區(圖2)，跨越晉北、晉中2 個國家煤炭生產基地。主要含煤地層為石炭–二疊系太原組和山西組，煤類主要有氣煤、肥煤、瘦煤、焦煤、長焰煤等，共含煤11 層[8]。

圖1 河東煤田地理位置與礦區分布Fig.1 Geographical location and mining area distribution of Hedong Coalfield

1.1 資源總量

河東煤田保有煤炭資源總量為579.61 億t，占山西省保有煤炭資源總量的21.4%(表1)。其中，河東煤田煉焦用煤、非煉焦用煤分別占河東煤田煤炭資源總量的74.4%和25.6%。煉焦用煤中64.2%的煤炭資源為稀缺煉焦煤，占河東煤田保有煤炭資源總量的47.8%，占全國稀缺煉焦煤總量的17.6%。而稀缺煉焦煤中焦煤和肥煤分別占比河東煤田、山西和全國焦煤和肥煤保有煤炭資源總量的26.6%、34.7%和20.3%。河東煤田是我國稀缺煉焦煤焦煤和肥煤中的重要產地，離柳礦區4 號主焦煤被譽為“國寶”。河東煤田稀缺煉焦煤的長期穩定供應對于我國乃至世界的焦炭和鋼鐵產業的安全具有重要意義，如何提高煉焦煤的回采率應成為河東煤田煤炭綠色開采的戰略任務之一。

表1 河東煤田煤炭資源總量和稀缺煉焦煤資源Table 1 Total coal resources and scarce coking coal in Hedong Coalfield

1.2 煤類及資源分布

河東煤田的煤類主要有氣煤、焦煤、瘦煤、長焰煤等。其中，瘦煤、焦煤主要分布于離柳和鄉寧礦區，保有資源量分別占全省瘦煤、焦煤資源量的37.9%和48.2%。1/3 焦煤、肥煤主要分布于離柳礦區，分別占比全省1/3 焦煤、肥煤資源量的27.8%和16.0%(表2)。

表2 河東煤田不同礦區煤類及資源分布Table 2 Coal types and distribution in different mining areas of Hedong Coalfield

2 可采煤層分布與開發利用現狀

2.1 可采煤層分布

河東煤田各個礦區可采煤層整體分布特征見表3。河東煤田可采煤層數目整體具有中部多，南北兩端少的特征；可采煤層總厚具有由北向南遞減的特征。其中，中厚及以上可采煤層、煤層總數與可采煤層總厚度整體由北向南逐漸遞減?？刹杀∶簩又饕植荚诿禾镏胁康碾x柳礦區和石隰礦區，具有層數多、總厚度大的顯著特征；可采薄煤層總層數平均占到全部可采煤層總層數的50%以上，可采薄煤層的總厚度占全部可采煤層的25%以上。其中，柳林北區和離石區的可采薄煤層層數占其總可采煤層數的60%以上，柳林北區和離石區、蒲縣區的可采薄煤層總厚度占其總可采煤層總厚度的30%以上。

表3 河東煤田不同礦區可采煤層分布Table 3 Distribution of mineable coal seams in different mining areas of Hedong Coalfield

2.2 開發利用現狀

為對比分析河東煤田不同礦區的煤炭開發利用程度，分析整理不同礦區的煤炭已勘查開發面積、礦區保有資源儲量、煤礦占用資源量數據，見表4。

表4 河東煤田已勘查區煤炭資源開發利用占比Table 4 Proportion of coal resource development and utilization in the explored areas of Hedong Coalfield 單位：%

河東煤田作為我國重要的煤炭后備礦區，整體開發利用程度(36%)小于全省平均值(45%)，保有煤炭資源儲量(57%)和未占用煤炭資源量(65%)占比均高于全省六大煤田平均值，充分顯示河東煤田煤炭資源開發利用潛力巨大，綠色開采技術的應用前景廣闊。特別是石隰礦區整體未開發利用，具有很高的整裝綠色開發潛力。中部離柳礦區和北部河保偏礦區已開發利用面積占比接近全省平均值，說明河東煤田離柳礦區和河保偏礦區的煤炭資源開發利用程度最高，保有資源量占比全煤田最低。

3 地質環境脆弱性分析

河東煤田所處的呂梁山西麓廣大地區，地處黃土高原腹地，地表支離破碎，水土流失嚴重，植被稀疏，地質環境整體較差。煤田4 個國家煤炭規劃礦區的地質環境穩定性評價均為差等級，煤田整體以中等和較低環境承載力為主[10]，其中，石隰礦區的承載力以較低承載力和低承載力為主的地區合計占礦區總面積的97%。

3.1 水土流失嚴重

我國14 個大型煤炭基地中，黃河流域有9 個煤炭基地，其中，5 個位于黃土區，黃土區占黃河流域總面積的85%[4]。河東煤田即位于這5 個黃土區煤炭基地中的晉北和晉中煤炭基地。黃土區先天氣候和環境條件惡劣，水土流失嚴重，煤炭開采又加劇水土流失。河東煤田所在的黃河晉陜峽谷兩岸地表溝壑縱橫，土壤侵蝕模數大，流域面積僅及黃河的15%，但來沙量占全黃河的56%，年產泥沙量占整個黃土高原土壤流失量的26%，是全球生態環境脆弱區和重點治理地區[11]。如河東煤田北區河保偏–離柳北地區，地表為自重濕陷性黃土，黃土喀斯特地貌發育，水土流失嚴重，地面高程900～1 500 m，高差200～300 m，土壤侵蝕模數5 000～10 000 t/(km2·a)。南部離柳南–鄉寧礦區，地面高程1 000～1 300 m，高差100～200 m；地貌上表現為黃土梁和黃土峁。地表廣泛出露風積及洪積黃土，沖溝發育，切割密度5 km/km2，土壤侵蝕模數大于10 000 t/(km2·a)，為山西省水土流失最嚴重的地區之一[12]。

3.2 地質災害頻發

黃土地質災害是黃土區一種廣泛分布的突發性地質災害[13]。河東煤田是晉西黃土高原的主體部分，黃土地質災害頻發。據山西省地質環境監測中心統計，河東煤田所在的晉西地區，黃土崩塌和滑坡地質災害占比晉西黃土區災害總數的83%，地質災害總數占全省地質災害總數的17%，地質災害點密度是全省平均災害點密度是1.26 倍[12](圖2 和表5)。脆弱的生態環境和強烈的采礦活動導致河東煤田地質災害與地質環境破壞事件頻發[14]，黃土崩塌、滑坡等黃土地質災害導致的群死群傷事件時有發生[15](表 6)，給人民群眾生產生活安全帶來嚴重危害。發生概率高、危害嚴重的煤礦區黃土邊坡變形地質災害，為河東煤田地質災害的典型特征[16-17]。

表5 河東煤田所在的晉西地區地質災害特征Table 5 Characteristics of geological hazards in Western Shanxi

表6 河東煤田2003 年以來黃土崩滑地質災害Table 6 Geological disasters of loess collapse and landslide in Hedong Coalfield since 2003

圖2 河東煤田地貌與河流及黃土地質災害(地質災害點據彭建兵等[3])Fig.2 Hedong coalfield landform and river and loess disasters(geological disaster points according to Peng Jianbing et al[3])

3.3 水文地質條件復雜

河東煤田位于呂梁山西麓向鄂爾多斯盆地深部地區過渡地帶，東部煤層露頭地區石灰巖廣泛分布，巖溶地下水活動強烈，由北到南分布天橋泉、柳林泉、龍子祠泉3 個寒武–奧陶紀巖溶大泉(圖3)，導致煤田東緣地區下組煤大多為強帶壓區。其中，尤以河東煤田中部的柳林泉帶壓區范圍最大，占泉域面積的27%[17](表7)。由于河東煤田整體為走向SN、傾向W 的隱伏狀煤田，煤田東緣一帶從南到北埋藏較淺，導致河東煤田目前的生產煤礦大部均集中于此帶壓區域內，水文地質條件復雜多變，下組煤大多帶壓開采，長期以來一直采取排水降壓方式開采下組煤，導致巖溶水資源大量損失，巖溶泉水位持續下降[18]。

表7 河東煤田巖溶大泉泉域面積和下組煤帶壓區Table 7 Areas of karst springs and lower coal belt pressure zones in Hedong Coalfield

圖3 河東煤田巖溶大泉分布范圍Fig.3 Distribution range of karst springs in Hedong Coalfield

4 綠色開采戰略

河東煤田是我國黃河流域的一個重要能源基地，同時也是生態脆弱區、水土流失嚴重區，面臨著能源開發、生態環境保護、黃河中游水土涵養等多重戰略任務。因此，未來河東煤田煤炭資源的開發首先必須在頂層設計和戰略選擇上，從煤礦的全生命周期出發，從煤炭的開采模式、地質環境的保護和恢復治理上因地制宜、分類施策，統籌謀劃，兼顧煤炭資源開發與生態環境和水資源保護，以水定產，在開發金山銀山的同時最大限度地實現并保住綠水青山。

4.1 開發程度控制與薄煤層開采

我國煤炭資源豐富，但煉焦煤資源不足，僅占我國煤炭資源儲量的18.9%[19]。其中，優質的焦煤和肥煤占比不到10%[20-21]。稀缺煉焦煤作為煉焦用煤的主力煤種，儲量稀少但需求量巨大[22]。河東煤田稀缺煉焦煤占全省稀缺煉焦煤資源的34.7%。其中，離柳礦區煤炭資源總量占全煤田的51.2%，煉焦用煤占全煤田的63.4%，稀缺煉焦煤占比全煤田的70.8%，焦煤和肥煤占全煤田的83.3%。合理開發離柳礦區稀缺煉焦用煤，科學統籌河東煤田煉焦煤資源的開發利用，對于山西乃至全國焦化、鋼鐵行業的持續穩定發展具有重要的現實意義。但從表4可以看出，離柳礦區開發利用面積占比、已利用資源量，煤礦占用資源量均顯著高于煤田平均值，表明離柳礦區的開發強度高于其他礦區。因此，為了保證全省乃至全國稀缺煉焦煤的長期連續供應，未來必須適度控制離柳礦區的開發強度，從開發戰略上重視和正視這一問題。

薄煤層開采不僅能提高煤炭資源利用率，還可以延長煤礦生命周期。我國薄煤層資源豐富，但受開采技術條件的限制，薄煤層往往被忽視，導致我國薄煤層的開采量僅占煤炭總產量的10%左右[23-24]。山西是我國的煤炭大省，薄煤層資源占全省煤炭資源總量的19.2%，但采收率卻只有30%左右[25]。河東煤田薄煤層資源豐富，礦區薄煤層厚度平均占煤田可采煤層總厚的17.0%，中部的離柳和石隰礦區薄煤層厚度占其煤層總厚的近25.0%，并且煤類主要以焦煤為主。河東煤田為我國的煉焦煤生產基地，尤其離柳礦區為我國主焦煤生產基地，石隰礦區開發蓄勢待發。為充分和高效利用河東煤田的煉焦煤資源，提高稀缺煉焦煤資源的采收率，在宏觀開發戰略上，急需對河東煤田薄層可采煤層予以充分的重視，尤其是煤田中部的薄層煉焦煤資源。這樣既可以提高礦產資源利用效率，延長煤礦生命周期，提高煤炭利潤率，還可以在宏觀上提高煉焦煤的采收率，節約煉焦煤資源，客觀上也延長了煉焦煤的供應期。

4.2 充填開采

充填開采是近年發展起來的生態保護性開采技術，能從源頭防止地表沉陷，實現煤炭開采和生態環境協調發展[26]。河東煤田作為黃河中游重要的水土涵養區和地質災害易發區，有責任和義務在煤炭資源的開發上充分運用充填開采技術，在開采煤炭資源的同時最大限度地減少采煤引發的地表生態環境損害和水土流失。

首先，充填開采是保證居民生產生活用水的需要。河東煤田所在的呂梁山西麓地區，居民的生活區主要位于溝谷區和梁峁區，尤其以沿著河道的河谷區為主。而這些地方居民的生產生活用水主要來源于三疊系砂巖的裂隙水和第三系紅黏土隔水層水。采煤引發的“上三帶”裂隙帶將導通三疊系砂巖隔水層和第三系保德靜樂組的紅黏土層，進而漏失這兩層主要的居民生產生活用水，必須采取切實有效的措施，以阻止采煤裂隙帶延伸導通三疊系砂巖隔水層和含水層。因此，在客觀上要求河東煤田必須進行充填開采。

其次，河東煤田特殊的黃土地貌地質條件要求充填可采。調查發現，晉西黃土地區采礦引發的黃土滑坡地質災害占全省礦山滑坡地質災害總數的45%[10]。筆者在保德礦區野外調查發現，煤礦開采導致山頂和山坡產生大量地裂縫，山坡臨近溝谷端產生大量黃土滑坡，導致大量黃土堆積于溝谷底部，坡面上產生大片裸露黃土面。即形成煤礦開采→地裂縫→黃土滑坡與崩塌→溝谷坡積物增加→入黃河泥沙量增大的鏈式反應。而此處為黃河的一級支流，距黃河入口直線距離不超過9 km。在雨季來臨之后，這些新生的黃土堆積物無疑會增加流入黃河的泥沙量，進而整體削弱區域植樹造林水土保持的效果。利用這些地表新產生的黃土堆積物，對地下深部煤炭資源進行充填式開采[27]，一方面可消除因采煤引發的黃土崩滑產生的大量黃土堆積，減少雨季流入黃河泥沙量，另一方面還可緩解充填注漿材料緊張，大幅降低注漿充填材料成本，提高煤礦噸煤利潤率。

因此，在煤炭開采方式上，未來河東煤田的煤炭開采須大力發展充填開采，以最大限度減少地表塌陷和黃土邊坡的滑坡與崩塌等地質災害[28]，最大限度地減少采煤引發的水土流失和地表生態環境損害。充填材料的選擇上，可以充分利用當地的黃土資源與煤炭開采產生的煤矸石等材料[29-30]?？紤]到河東煤田，尤其是中北部的動力煤生產煤礦大部配套坑口電廠，充填材料也可進一步使用煤礦坑口燃煤電廠產生的粉煤灰[31]。

4.3 峰峰組上部地層保水采煤

保水采煤最早是在鄂爾多斯盆地榆神府礦區基于保護煤層上覆晚更新世薩拉烏蘇組砂層潛水而提出[32]，后來逐漸成為以保護生態水位為目標的保水開采體系[33]。目前已在我國華北和新疆廣泛應用，效果顯著。不同于陜北榆林等地煤層埋深淺的侏羅紀煤田，黃河以東的河東煤田石炭–二疊紀煤層埋深大，煤層上覆地層砂巖裂隙水相對少，水壓低，但與下部的奧陶系巖溶水距離近、水壓大，大部分地區為帶壓開采區。“疏水降壓”是該區域煤礦針對帶壓區常見的煤層開采方式。但由于河東煤田的巖溶泉地下水是當地人民群眾生產生活的重要水源地，故傳統的排水降壓式煤炭開采方式將極大破壞巖溶水資源，進而威脅區域供水穩定與安全。因此，從煤炭的綠色開采戰略上，河東煤田必須大力發展保水采煤技術[34-35]，以減少奧陶系灰巖巖溶水的排采，保證巖溶大泉的水源穩定。充分利用奧陶系灰巖頂部相對隔水層及煤層底板注漿加固改造是華北石炭–二疊紀煤田保水采煤的2 種常見方式，后者在邯邢礦區應用廣泛，但大規模注漿改造具有區域地下水環境安全風險。而充分利用和評價奧陶系頂部峰峰組的富水性和隔水性能，可降低下組煤突水系數，提高煤炭資源采收率[36]。河東煤田北部河保偏礦區保德煤礦位于天橋泉巖溶排泄區，在開采太原組11 號煤時，充分利用峰峰組頂部灰巖的相對隔水性，10 a 安全帶壓開采[37]。中部離柳礦區賀西煤礦，屬于柳林泉巖溶水系統，10 號煤底板承受奧灰水最高壓力約6 MPa，但奧陶系峰峰組頂部地層富水性差，頂部10 m 左右古風化殼可以作為相對隔水層處理[38]。興縣斜溝煤礦位于天橋泉西南部徑流區，主采的13 號煤層屬于帶壓開采煤層，但抽水試驗發現，峰峰組頂部約30 m 風化層富水性微弱，可作為相對隔水層[39]。鄉寧礦區王家嶺煤礦位于禹門口泉域徑流帶，下組煤帶壓風險大，但抽水試驗發現，峰峰組含水性弱，而隔水性強，可作為相對隔水層[40-41]。綜合來看，河東煤田絕大部分地區峰峰組上段頂部地層富水性較差，在無構造導通的情況下，可視為煤系與下部馬家溝組的相對隔水層[42]，充分評價和利用峰峰組上部地層的富水性和隔水性能，可有效保護帶壓區巖溶泉資源，保障巖溶泉的正常供應。

5 結論

a.河東煤田稀缺煉焦煤占比其總煤炭資源量的47.8%，其中尤以離柳礦區占比最大，為70.8%，但開發強度遠高于煤田其他礦區，應從戰略上重視河東煤田離柳礦區的稀缺煉焦煤資源，進行保護性與節約式開采；河東煤田薄煤層平均占比煤田煤層總厚的17.0%，離柳和石隰礦區薄煤層占比其煤層總厚近25.0%，在進行礦區整體規劃時，應從戰略上重視河東煤田的薄煤層開發，尤其是離柳礦區和石隰礦區的薄層煉焦煤資源。

b.充填開采是一種環境友好型的采煤方式，特別適用于河東煤田生態和地質環境脆弱區，充分利用河東煤田地表的黃土資源與煤炭開采產生的煤矸石、電廠粉煤灰等煤基固廢材料進行充填式開采，可減緩因采煤導致的崩塌滑坡等地質災害和水土流失，減少流入黃河泥沙量，保護黃河流域生態環境。

c.在無構造導通的情況下，河東煤田含煤地層下伏的峰峰組頂部地層具有一定的隔水性能，準確全面評價河東煤田下伏峰峰組上部地層的富水性和隔水性能，可大幅降低河東煤田下組煤的突水系數，最大限度地減少采煤引發的地下巖溶水破壞，保護帶壓區巖溶大泉水資源。

d.河東煤田是黃河中游重要的能源基地和稀缺煉焦煤生產基地，同時也是黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略主戰場。煤炭綠色開采技術能夠實現河東煤田煤炭開發利用最優化和生態環境影響最小化，未來發展前景廣闊，應用價值巨大，需要地質、采礦和水土保持等多專業多學科學者共同參與。

致謝：河南理工大學郭紅玉教授和中國礦業大學(北京)魏迎春副教授對文章結構提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心感謝。