保水采煤面臨的科學問題

范 立 民

(陜西省地質環境監測總站 礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

我國煤炭資源與水資源呈現逆向分布的特點，即東部缺煤富水，西部富煤缺水。自20世紀80年代以來，煤炭資源開發逐步向西部(西北)進行戰略轉移，鄂爾多斯盆地和新疆已經成為我國原煤生產的主要基地。西北地區煤炭資源量占全國的73%，2017年原煤產量占全國的70%左右，而水資源僅占全國的3.9%左右，部分區域極度缺水。眾所周知，水資源不僅是煤炭工業賴以發展的先決條件，也是生態環境良性循環的基礎。2003年錢鳴高提出了煤礦綠色開采問題[1-2]，將保水采煤作為綠色開采的重要組成部分。由于我國西部地區生態環境脆弱，水資源匱乏，范立民[3]指出保水采煤提倡在煤層開采過程中不僅要防地下水位大幅下降，也要防地下水徑流條件變化起的生態環境演變問題[3-8]。這總體上指出了保水采煤技術中的主要科學問題，即地質條件探測識別、巖層移動規律、水與生態約束、保水采煤方法和生態重構等5個方面。

目前，地質條件探測識別方面的研究，主要集中在煤水空間組合關系和地質條件分區兩個問題上。如，王雙明等[5]研究了煤水地質條件,劃分了保水開采技術方法適用分區。范立民等[9]基于無量綱化信息融合建立了突水潰沙分區，馬雄德等[10]基于生態水位建立了保水開采分區。鄧念東等[11]根據500多個鉆孔統計了可采煤層及含、隔水層賦存特征。由此看來，煤礦區地質條件探查和識別方面的研究已進入多元信息綜合分析階段，初步滿足了開展保水采煤技術的要求。

巖層移動規律方面，研究者圍繞受采煤擾動后覆巖水文地質條件演變機理開展了富有成效的研究，最為關注的問題包括淺埋煤層巖層移動、導水裂隙帶發育規律及隔水層有效厚度等。侯忠杰[12]、錢鳴高[13]、黃慶享[14]、張杰[15]、PENG[16]等從理論上揭示了淺埋單煤層頂板非穩態結構滑落失穩動力災害的機理。除此之外，理論分析、經驗公式、數值模擬、物理模擬和鉆探驗證等方法被廣泛應用于導水裂隙帶高度計算，為指導礦井安全生產提供了依據。

從地下水與生態環境關系角度，研究者基本認清了地下水分布與植被演替的內在聯系。張發旺[17]、宋亞新[18]、畢銀麗[19]、胡振琪[20]等探討了塌陷對地表土壤理化性質、含水率、降水入滲、土壤水力特性，水分運移和植被覆蓋度等的影響，研究手段以原位調查、室內分析和遙感監測為主。一致的結論是，與非塌陷區對比，塌陷裂縫使表層土壤容重降低，持水能力變差，植被蓋度降低。其中一個重要問題是，依賴地下水的植被遭受采煤塌陷引起水位下降的影響最為明顯，因為失去地下水提供的水源后，植被會遭受水分脅迫，從而向旱生植物方向演替[21]。今后重點需要研究的內容主要為識別礦區內植被對地下水的依賴性，因為只有依賴地下水的植被才會遭受地下水位大幅下降的威脅。

保水采煤目標含水層既包括頂板含水層，也包括煤層底板下伏含水層。針對不同的含水層，研究者提出了不同的保水采煤方法。王悅[22]針對厚煤層開采提出了分層限高開采技術。呂文宏[23]采用風積砂高水膨脹材料作為填充材料，運用充填開采技術解決了榆陽煤礦地面沉降問題。馬立強等[24]針對神東礦區薄基巖淺埋煤層易發生整體切落問題，采用長壁機械化快速推進技術實現了保水開采。馬雄德等[25]采用注漿改造的辦法成功采出了受奧灰水影響的煤炭資源。

礦山生態重構與修復方面，研究者開展了地貌重塑、土壤重構、植被重建、景觀重現、生物多樣性重組等工作，已經形成了挖深墊淺、充填復墾、矸石山綠化等技術[26]，從而有效地支撐了礦山生態環境修復工程。

目前西部礦區的開采條件正在發生重要變化，如，從單一煤層開采轉向多煤層重復采動，從中小采高向大采高提升。筆者通過分析保水采煤技術研究已經取得相關成果，探討未來保水采煤技需要解決的科學問題，如圖1所示。

圖1 保水采煤技術亟待攻克的科學問題Fig.1 Scientific problems in water-preserved coal mining

1 依賴地下水的生態約束

在干旱半干旱地區，水資源管理面臨的主要挑戰是確保生態環境用水與飲用水具有同等地位[27]。部分或全部需水量都由地下水供應時，該生態系統就可以被定義為依賴地下水的生態系統(Groundwater-Dependent Ecosystems，GDEs)，如果沒有地下水，生態系統功能將受到損害，導致生態系統本身結構的根本改變[28]。GDEs植物吸收利用地下水主要通過根系和毛細上升之間的相互作用來實現的，當植物種類確定后，其根系長度就被限制在一個大致的范圍內，因而地下水位對GDEs的根系吸水十分重要。FAN等[29]認為全球22%～32%的陸地受地下水影響，其中7%～17%的區域地下水位接近植被根系帶，地下水通過毛細上升對植被生長產生影響。

在我國西部干旱半干旱地區廣泛存在GDEs，尤其是毛烏素沙地東南緣的沙漠淺灘，地下水埋深常年保持在1.5～5.0 m，地下水與植被關系十分密切，是典型的GDEs[30-32]。基于旱區植物對地下水的依賴程度很高，學者們從不同側面提出了適宜植物生長的地下水位閾值，如生態水位、最佳水位、適生水位和警戒水位等概念[33-34]。淺埋煤層開采過程中導水裂隙帶會破壞含水層結構，地下水涌入礦井，從而造成水位降低，這將對GDEs產生不可逆的影響[35]。相關研究者將上述有關維系地下水與植被關系的水位閾值的概念引入煤礦區地下水位保護中，形成保水采煤學科中的生態約束條件。王雙明等[5]提出了生態水位的合理埋深，指出地下水位埋深1.5～5.0 m為煤礦區維系表生生態環境良性發展的合理水位區間。馬雄德等[32]對毛烏素沙漠植被(沙柳)與地下水關系進行下了長期監測，認為合理的生態水位埋深在1.5～5.0 m，當水位埋深大于2.15 m后，地下水不再給沙柳提供水源，且當地下水位埋深大于8 m后，大部分沙漠植被會發育不良，甚至枯死。

不同深度根系對水分的吸收很大程度上與土壤含水率的分布有關。當地下水位在煤層采動的影響下驟降后，就失去了對表層土壤含水率的調節，使根系層土壤逐漸變干，進而使植物根系吸水受阻并遭受干旱脅迫[36-37]。對于地下水位埋深較大，植物很難通過根系提升地下水的生態系統而言，地下水位的變化對生態系統的影響可能較GDEs小的多。此外，對于礦區的GDEs，合理安全的地下水位閾值至關重要。

因此，通過科學開采來實現保水采煤，滿足生態環境對水位的約束條件，亟需解決以下5個問題:① 植被對地下水的依賴程度如何量化？② 如何識別一個地區的植被是否依賴地下水？③ 如何確定維系生態系統安全的地下水位閾值？④ GDEs對礦區地下水位驟變的響應機制？⑤ 如何監測GDEs的變化？

2 采動導水裂隙帶預測

導水裂隙帶是采動覆巖含水層與采空區建立水力聯系的主要通道，導水裂隙帶高度的預測一直是礦井防治水研究的重點，也是保水采煤研究的一個熱點與難點。20世紀80年代，基于大量實測數據，我國煤礦水文地質學家總結了一套經驗公式，有效指導了礦井水害預測和防治，如《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(下稱“三下規范”)中列舉的公式。這些公式以采高和覆巖堅硬程度為變量建立了導水裂隙帶高度預測方法，在一定程度上滿足我國水體下采煤工程實踐的要求[38]。本世紀以來，采煤技術發展迅速，采煤工作面最大采高從20世紀80年代的3.5 m增加到目前的8 m以上，且5～6 m采高已經普遍應用，一次開采8 m以上的大采高工作面正在逐步推廣。采煤工作面最大傾斜長度從不足200 m發展到現在的400～500 m;最大推進長度從2 000 m以內，發展到現在的8 000 m以上。采場采出空間的增大，造成頂板的損傷程度的增加，導高也會相應增大。之前總結出的經驗公式顯然已不再適用，許多礦區按“三下規范”預測的導水裂隙帶高度與實測值存在較大差異[39-40]。

目前，用于導水裂隙帶分析的主要方法包括理論分析、經驗公式、數值模擬、物理模擬和鉆探驗證等。數值模擬可以計算不同巖性組合下多種開采方案下的導高，方便快捷。但數學模型的校正仍然依賴實際鉆孔探測值，鑒于地質條件空間變異性大，基于少數鉆孔建立的數值模型一般很難具有可推廣性。盡管鉆孔探測投資大、施工難，仍不失為一種獲取導水裂隙帶高度最直接最理想的方法。陜煤集團在榆神及神南礦區開采實踐中，與陜西省一八五煤田地質有限公司協作，利用鉆孔沖洗液漏失量、井中電視、測井曲線、巖心觀察等方法，取得了一批探測數據。據探測，采煤工作面長度300 m左右、推進長度3～6 km，采高4.5～6.0 m時，除神東礦區等特淺埋煤層開采的導高直接發育到地表外，榆神府區導高一般是采高的19～30倍，平均約26倍，而且其空間形態輪廓為“拱形”(圖2)，與傳統的“馬鞍型”完全不同。為此，建議今后的榆神礦區三、四期規劃，可參考這一數據，對于煤層上覆隔水巖組厚度小于26倍采高的區域(適當加保護層)，應留作環境保護的緩沖地帶，或者推行保水采煤技術，減少對薩拉烏蘇組和燒變巖含水層結構的損傷。

圖2 導水裂隙帶發育形態Fig.2 Morphology of water-conducting fissure zone

現有的導水裂隙帶高度探測，是在采高小于6.0 m的條件下實施的，對于采高大于6.0 m的綜采工作面(8.8 m大采高工作面已經投產)，還沒有實測的導高數據。另外，導水裂隙帶高度預測并不能僅停留在通過單因素或多因素統計分析和建立回歸分析預測模型。盡管這些模型在一定程度上具有一定的仿真性，但對深刻理解裂隙在基巖中演化發育機理并沒有起到指導作用。

因此，如何通過采空區上覆巖體移動變形機理分析，建立理論模型來預測導水裂隙帶高度、空間形態和演化過程仍然需要理論突破。

3 有效保護層厚度

3.1 頂板有效保護層

留設防水煤柱的目的是防止導水裂隙帶波及到含水層，一般按最大導水裂隙帶高度加上有效隔水層厚度給出。在確定了導水裂隙帶高度后，有效隔水層厚度就成了實現保水采煤技術的關鍵所在。“三下規范”針對不同的覆巖巖性和松散層底部黏土隔水層厚度規定了有效隔水層厚度的取值范圍，但同時又指出該方法不適用于綜放開采。黃慶享認為，在上行裂隙和下行裂隙未貫通時，一定厚度的土層隔水層或基巖隔水層都能起到“保水”作用[10]。他根據“三下規范”指出普采工作面3倍采高的土層隔水層厚度或5倍采高的基巖厚度即可滿足隔水的需要。但是在綜放開采條件下，該方案是否可行，還需要進一步研究。

許延春[41]通過綜采工作面實際觀測和計算，認為3 m以上的黏土隔水層就可以阻斷含水層與導水裂隙帶之間的水力聯系，并指出有效隔水層厚度應該根據地質、采礦和含水層等具體要素的綜合分析來確定，一般可按3 m的倍數來確定有效隔水層厚度，即，一般的情況下取6 m，條件復雜的礦區，可取12 m或16 m。劉瑞新[42]針對兗州礦區厚煤層綜放開采和分層開采中導水裂隙帶進行了分析，發現厚煤層整層綜放開采和分層綜放開采中，有效隔水層厚度按1.5倍采高計算，可實現保水開采。李濤等[43]通過水-電比擬模型分析了有效隔水層厚度與上覆含水層水位變化規律，他認為離石黃土42.6 m或保德紅土21.0 m為不造成潛水水位降低的最小有效隔水層厚度。

實際上，不管是離石黃土還是保德紅土，在遇水后都具有一定的膨脹性，使裂縫寬度逐漸變小直至彌合，這會有效地減小已破壞隔水巖組的滲透性能，使其恢復隔水性能。如黃慶享發現榆樹灣煤礦下行裂隙彌合率能夠達到30%[14]，這使有效隔水層厚度的確定有了新的方向。即從模型計算得到的導水裂隙帶高度和有效隔水層厚度在確定地質條件下，是否達到了隔水的效果，這需要通過地下水監測的方法來檢驗。有效隔水層的留設保證開采過程中地下水位的穩定和地表生態系統的維系、改善，因此，建立地下水位監測系統，實時掌控含(隔)水層結構保護效果，是西部煤礦區面臨的一項重大工程。目前部分煤礦建立有一些地下水監測點，但沒有與水文地質單元和采礦工程結合起來，無法控制地下水流場，也不能實時掌控區域性地下水位變化。

2015年以前，榆神礦區建成了73個地下水位自動化監測點(已納入國家或省級地下水監測工程)，2018年新建了137個地下水監測井，大中型煤礦至少有1個地下水監測井，同時對泉、地表水體進行定期監測，從區域上全面監控地下水變化。在這樣的基礎條件支撐下，如何將原位監測的地下水水位動態與實際開采地質條件進行耦合，建立導水裂隙帶、有效隔水層厚度等保水采煤關鍵參數的計算公式，是今后研究的一個新方向。

3.2 底板有效保護層

底板承壓水保水開采中的有效隔水層的概念源于20世紀60年代提出的突水系數T計算公式，即

T=P/M

(1)

式中，P為煤層底板承受的水壓力;M為煤層底板到承壓含水層頂面之間的厚度。

由于在承壓水體上開采時“下三帶”會擾動破壞一定范圍內的底板隔水層，使式(1)中有效的M值減小，因此20世紀七八十年代廣大科技工作者基于實際觀測和模擬試驗，對式(1)進行了修正:

T=P/(M-Cp)

(2)

其中，(M-Cp)為有效隔水層厚度，也就是考慮了礦山開采對底板隔水層擾動后富余的具有隔水性能的隔水層厚度。《煤礦防治水規定》和《礦區水文地質工程地質勘探規范》中推薦采用式(2)計算突水系數。

當然，考慮底板巖層巖性和力學形式的差異[44]，以及奧陶系石灰巖頂部相對隔水層等，式(2)又有相應的改進。但《煤礦防治水細則》(2018)中推薦采用式(1)計算突水系數。其中考慮的主要因素就是有效隔水層厚度M的值要根據實際情況來定，并不是指煤層底板到承壓含水層頂面之間的厚度，即隔水層厚度。由于隔水層厚度和有效隔水層厚度有本質的區別，這會造成依據《煤礦防治水細則》計算的突水系數值偏小，不利于保水采煤的進行。一個新的課題是，基于底板突水的保水開采中，底板有效隔水層厚度如何量化及其與眾多影響因素之間耦合關系如何刻畫，也是需要攻克的難題。

4 淺埋煤層巖層控制

依據礦壓顯現基本特征來看，淺埋煤層可以定義為埋深小于150 m，基載比小于1，來壓具有動載現象[14]。對于淺埋煤層的認識與研究開始于20世紀90年代。西安科技大學對神府礦區大柳塔煤礦首采工作面進行了采前模擬，發現了“臺階下沉”和頂板切落災害現象，后被生產實踐所證實。侯忠杰等[12]揭示了地表厚松散層淺埋煤層組合關鍵層自身不能形成三鉸拱式平衡的機理，建立了淺埋煤層斷裂帶基本頂判別的理論公式，使20世紀50年代以來長期懸而未解的斷裂帶基本頂層位問題在理論上得以解決，為淺埋煤層合理開采高度設計提供了依據，實現了安全高效開采。錢鳴高等[1]闡明了關鍵層破斷后形成的砌體梁結構力學模型以及關鍵層運動對覆巖移動與地表沉陷及采動裂隙場分布的影響。黃慶享[14]建立了淺埋煤層初次來壓的“非對稱三鉸拱”非穩態力學模型和周期來壓期間的“短砌體梁”和“臺階巖梁”結構模型，揭示了淺埋煤層頂板非穩態結構滑落失穩動力災害的機理，闡明了淺埋煤層“埋藏淺、壓力大”的科學原因。針對薄基巖厚沙土層的覆巖條件，發現了松散層載荷層的“動態載荷傳遞”現象，提出了載荷傳遞因子，揭示了頂板結構的動荷條件，促進了頂板災變研究向動力學方向發展。上述研究，奠定了淺埋煤層采場頂板支護的理論基礎，為淺埋煤層采場巖層控制提供了科學依據。

針對陜北侏羅紀煤田淺埋煤層開采巖層移動規律及生態環境破壞特征，黃慶享[14]通過固液耦合物理模擬和地裂縫實測分析，揭示了隔水巖組的隔水性受自下而上發育的“上行裂隙”和自上而下發育的“下行裂隙”發育規律所控制，提出了基于“上行裂隙”和“下行裂隙”導通性的隔水巖組隔水性概念。通過理論分析，給出了“上行裂隙帶”發育高度和“下行裂隙帶”發育深度的計算公式，建立了以隔水巖組厚度與采高之比(隔采比)為指標的隔水巖組隔水性判據，據此提出了控制導水裂縫不破壞隔水巖組隔水層的保水開采分類方法，基于榆神府礦區條件給出了分類指標范圍，形成了淺埋煤層保水開采的巖層控制理論基礎。

近年來，榆林、鄂爾多斯市境內的部分礦井首采煤層已開采完畢，逐步進行下部煤層開采。由于煤層間距一般小于40 m，屬于淺埋近距煤層開采。該方面存在兩大科學問題:① 上煤層采空區下不同間隔層厚度的頂板結構和來壓強度不同，上煤柱集中應力對下煤層開采具有顯著影響，存在煤層群巖層控制和安全開采問題;② 煤層群重復采動條件下，覆巖損傷及對含水層的影響機理與防控技術。

5 礦山生態重構與修復

保水采煤的目的是保護水資源，利用水資源，建設生態環境優美的礦山環境。長期以來，受高強度煤炭資源開采的影響，我國西部干旱礦區出現了嚴重的生態系統損害和退化現象，有些區域甚至涉及生態安全格局的核心，如水源保護區，使生態功能區的服務能力普遍下降。地下開采造成的生態損害主要有含水層結構破壞，地表水體、濕地面積縮減，立地條件損傷造成的植被退化的荒漠化風險加劇，棄土場、排矸場、塌陷區等對原有土地生態功能的摧毀，以及地貌景觀、生物多樣性消失等。

在實施“山水林田湖草命運共同體”戰略的前提下，我國礦山生態恢復面臨空前機遇和挑戰。礦山生態環境影響機制，礦山生態損害監測與評價，礦山土地復墾與生態重建共耦技術，生態修復策略及效果評價等將是礦山生態重構與恢復研究的難點與熱點。其中采礦跡地生態修復也是當前國際上生態環境恢復的重點對象之一，其工作內容主要包括礦山生態環境影響的消除和緩解、生態系統功能的重構和恢復等[45]。我國礦山生態系統的修復最初只關注采礦破壞的土地復墾，通過一定的工程措施使其恢復到可供利用的狀態。隨后，生態重建或生態修復的概念被提出[46]，進而礦山生態修復逐步向提高生態環境可持續利用和生態功能恢復方面過渡。在恢復生態學相關理論的指導下，包括土壤重構、含水層恢復、地貌重塑和植被重建[26，47]等一系列礦山生態系統恢復技術被開發出來。如張發旺[48]針對我國西部干旱區采煤破壞含水層及地下水資源的實際情況，提出了含水層再造的設想。顧大釗[49]提出利用采空區轉移儲存礦井水，建設地下水庫的技術構想，并在大柳塔礦區進行了工程實踐。胡振琪等[50]提出采用黃河泥沙充填采煤沉陷區，以達到恢復恢復地貌景觀和復墾農田生產力的需要。在排除人工措施修復成本與效益擔憂后，一些研究者發現人工修復的結果并不一定優于被破壞生態系統的主動自然修復效果。DOLE?ALOV等[51]對捷克北波西米亞褐煤盆地14個回填區和6個未回填區廢石堆的水生境面積、池塘數量及其生境特征進行了比較，認為原生演替比技術復墾更有利于兩棲動物的生存環境，應將其視為一種同等類型的采礦跡地恢復方法。因此，關于生態修復方向的爭論，即應該營造新的生態系統還是維持生態系統的原生演替始終沒有停止。生態重構和修復作為保水采煤的有機組成部分，應該始終在保水采煤理論的指導下開展工作[8]。

6 結 論

(1)保水采煤是西北煤礦區生態文明建設的基石，也是科學開采的重要組成部分，保水采煤理念自1992年提出后，已形成初步的理論和技術體系，推廣應用取得了顯著效果。

(2)依賴地下水的生態約束條件識別和量化，大采高和重復采動情況下導水裂隙帶高度的準確預測，有效隔水層厚度預設和驗證，淺埋煤層群開采條件下的巖層移動控制和礦山生態恢復與重構等，是目前保水采煤面臨的科學難題。

致謝本文部分思路得益于錢鳴高院士、王雙明院士的啟發，中國礦業大學馬立強教授、西安科技大學張杰教授提出了寶貴意見，陜西煤業化工技術研究院王蘇健教授提供了部分數據，審稿專家提出了很好的意見，在此一并表示衷心感謝！