生態脆弱區保水采煤礦井(區)等級類型

李文平，王啟慶，劉士亮，王蘇健

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116; 2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065)

當前煤炭在我國一次能源消耗中占比60%以上(據預測，到2030年煤炭仍占一次能源消費總量的50%左右[1])，在未來相當長時間內仍占據支配地位。隨著東部礦區煤炭資源的枯竭，我國煤炭資源開發重心已快速轉移到西部生態環境脆弱的干旱半干旱地區。陜、蒙、寧、甘、新是國家未來重點建設的五大煤炭開發省(區)，煤炭探明儲量7 769億t(截止2012年)，約占全國的54%;2016年煤炭產量達到16.2億t，占全國的48%。然而，西北地區年均降水量在400 mm以下，水資源量僅占全國的3.9%[2]，在區域地形地貌和地層條件適宜時，形成的淺表層水(松散砂層潛水、地表徑流水及海子等)更是非常值得珍惜的水資源。十多年來，西北煤炭資源的大規模、高強度、粗放型開采，使本就脆弱的生態環境遭受嚴重破壞，如何實現大規模煤炭開采下水資源的保護(保水采煤)是西北干旱區面臨的重大科學技術問題。

多年來相關領域的專家學者圍繞“保水采煤”開展了多方面卓有成效的研究工作。范立民等[3-6]早在20世紀90年代初提出陜北煤炭開采過程中的地下水保護理念，之后圍繞“保水采煤”進行了長期研究，提出了保水采煤基本框架。原煤炭部“九·五”重點科研項目“我國西部侏羅系煤田(榆神府礦區)保水采煤及地質環境綜合研究”(葉貴鈞，張萊，李文平，段中會等，1995—1999年)，對榆神府礦區保水采煤條件、保水區及失水區、采動生態地質環境變化等進行了宏觀研究和分區，提出了區域性防治對策[7-8]。王雙明等[9]提出了基于生態水位保護下煤層開采理念，提出了榆神府礦區生態水位保護開采區域地質條件分區。李文平等[10-11]以地質條件為基礎，對榆神府礦區工程地質條件進行了分區，研究了保水采煤關鍵隔水層釆動隔水性變化規律，提出了“隔水層再造”，解釋了N2紅土隔水性自然恢復機理。黃慶享等[12]研究了隔水層特性及其采動隔水性，給出了隔水層穩定性判據，建立了保水開采的分類指標。馬雄德等[13-14]研究了采煤對上覆水體及濕地動態影響，確定了沙柳對榆神礦區地下水位變化的閾限。一些學者針對西部煤層覆巖破斷、導水斷裂帶高度等方面也進行了研究，分析了侏羅系煤層覆巖結構特征，建立了導水裂縫帶高度預計模型[15-18]。關于保水采煤技術方法，目前主要還是通過控制導水斷裂帶高度發育，包括分層(限高)開采、窄條帶開采、充填開采、短壁房柱開采等采煤法[4,19-21]。雖然，針對保水采煤的地質基礎、理論及工程實踐等方面已取得較多成果，但礦井開采前，如何進行科學產能礦井的規劃設計？依據是什么？目前還沒有解決。

筆者以陜北榆神礦區為例，在分析研究區地質條件的基礎上，分析了研究區生態-水-煤系地層空間賦存地質結構及淺表層水資源量分布特征;劃分了研究區保水采煤環境工程地質模式，進行了基于淺表層水資源量及環境工程地質模式類型的保水采煤礦井等級類型劃分。研究成果對陜北礦井規劃設計提供科學依據，對生態脆弱區保水采煤、生態地質環境保護具有重要意義。

1 生態-水-煤系地層空間賦存地質結構特征

1.1 生態脆弱區保水采煤生態地質環境類型

西北生態脆弱區天然生態地質條件差異性大，保水采煤實踐過程中面臨的關鍵問題有所區別，因此有必要開展天然生態地質條件的劃分，保水采煤生態地質環境類型是考慮以保水采煤實踐為目的的天然生態地質條件的分析，其劃分依據主要綜合考慮水資源類型、地形地貌、地表巖性、植被覆蓋等因素。通過對區域地形地貌、植被、地表水體等生態-水-地質信息的調查分析，將陜北生態脆弱區劃分為4種保水采煤生態地質環境類型(圖1):

(1)潛水沙漠灘地綠洲型:該類型地貌以風沙灘地為主，地下水主要為薩拉烏蘇組砂層潛水和基巖風化帶水，地表水以海子、沙漠濕地、湖泊為主，植被以沙蒿和沙柳灌木為主。

(2)地表水溝谷河流綠洲型:該類型地貌以河流階地為主，地下水主要為薩拉烏蘇組潛水、燒變巖水、風化帶裂隙水和第四系沖積層水，地表水以常年性溝谷流水和泉水為主，如研究區內的榆溪河、禿尾河、考考烏素溝、蘆草溝等常年性河流，植被以喬木為主，植被覆蓋極好。

(3)地表徑流(黃土)溝壑型:該類型地貌以黃土梁峁為主，地下水以基巖風化帶水為主，地表水以季節性徑流為主，植被主要為稀疏的草本植物和溝谷少量喬木，植被覆蓋較差。

(4)區域性(深埋)地下水富集型:該類型地貌以丘陵和風沙灘地為主，水資源類型主要為巨厚白堊系洛河組砂巖水、基巖風化帶水和山前大型洪積扇水，植被在丘陵區以喬木和灌木為主，在風沙灘地區以灌木和草本植物為主。

選取研究區地形地貌、薩拉烏蘇組潛水含水層富水性、洛河組含水層厚度、地表高程、坡度、地表巖性、蒸發量、降雨量及植被覆蓋指數等作為評價因子，基于層次分析法確定其權重。通過改進的模糊C均值聚類算法，首先對樣本數據點和聚類中心之間的歐式距離dki=‖xk-ci‖乘以相應的權重加以修正，形成如下的屬性加權歐式距離:

dw-ij=d‖xj-ci‖w=[(xj-ci)TW2(xj-ci)]1/2

(1)

相應的評價聚類性能的誤差平方和準則函數改變成新的加權目標函數，即

(2)

式中，xk為第k個樣本數據點;ci為第i個族類的初始簇中心;dki為數據點和初始簇中心的歐氏距離;dw-ij為數據點和初始簇中心的屬性加權歐式距離;n為樣本數據點個數;c為從樣本數據點中任意選出的作為每個簇類的初始簇中心的個數;xj為第j個樣本數據點;W為屬性權重向量;JWFCM為加權目標函數;uij為第j個數據點歸于Gi簇類的隸屬度，數值介于0到1之間;m為權指標，即模糊控制參數、加權參數，一般取值為2。

該算法的求解過程和標準模糊C均值聚類算法類似，利用拉格朗日乘子法求解。通過迭代求解最終獲得研究區保水采煤類型區劃圖(圖2)。由圖2可以得出，潛水沙漠灘地綠洲型主要分布在榆神礦區中部大片區域，約占研究區總面積的59%。地表水溝谷河流綠洲型主要分布在沙漠邊緣地下水溢出帶，約占研究區總面積的3%。地表徑流(黃土)溝壑型主要分布在研究區東北部，約占研究區總面積的15%。區域性(深埋)地下水富集型主要分布在研究區西部，約占研究區總面積的23%。

圖1 生態地質環境類型示意Fig.1 Sketch map of eco-geological environment type

圖2 研究區生態地質環境類型分布Fig.2 Distribution of eco-geological environment types in the study area

1.2 研究區煤層與含(隔)水層空間組合特征

榆神礦區煤層與含(隔)水層空間組合的總體特征為:煤水共生，水在上，煤在下。區內主要含水層包括薩拉烏蘇組砂層含水層、洛河組砂層含水層等;隔水層包括紅土、黃土和侏羅系組合隔水巖組。研究區內煤層與含水層之間的間隔變化較大，且煤層頂板基巖厚度與含水層厚度呈負相關，具體表現為基巖薄，含水層厚度大，富水性較強;基巖厚(多分布在地下水分水嶺附近)，含水層厚度小、富水性較弱。通過對含隔水層分布，以及含水層間的水力聯系分析，考慮煤層開采對含(隔)水層結構的影響，將研究區的含隔水層空間組合類型分為10類(圖3)。由圖3可知，研究區保水采煤生態地質環境類型區內煤層與含(隔)水層空間組合特征為:潛水沙漠灘地綠洲型的多分布Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ類，局部分布Ⅵ類;地表水溝谷河流綠洲型多分布Ⅰ和Ⅵ類;地表徑流(黃土)溝壑型以分布Ⅱ類為主;區域性(深埋)地下水富集型主要分布Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ和Ⅹ類。

圖3 生態地質環境類型區內煤層與含(隔)水層空間組合特征Fig.3 Spatial combination characteristics of coal seam and the aquifer (aquifuge) interval in eco-geological environment type area

1.3 研究區淺表層水資源量分布特征

研究區主要水資源有地表水、薩拉烏蘇組砂層潛水、侏羅系風化基巖裂隙承壓水、白堊系洛河組承壓水及燒變巖裂隙水等。其中，風化基巖承壓水和白堊系下統洛河組承壓水由于相對埋深較大，且普遍上覆紅土和黃土隔水層，不能直接被植被生態所利用。只有在局部溝谷深切處基巖出露，通過上升泉和排泄的方式補給地表徑流，對工農業和植被生態有直接影響。而地表水、薩拉烏蘇組砂層潛水等淺表層水對西部生態脆弱區具有直接的供水意義和生態價值，也是西部生態脆弱區采煤水資源保護的主要對象。因此，對淺表層水資源量的分析，是開展保水采煤的重要環節。為此，根據地表水動態監測點數據和鉆孔揭露的含水層資料，分別計算確定地表水和薩拉烏蘇潛水單位面積(1 km2)儲存量分布，采用ArcGIS空間分析疊加方法，疊加計算研究區淺表層水資源單位面積總儲量(圖4);按等效砂層潛水厚度(給水度取0.2)，應用自然分級法將淺表層水資源量分布劃分為3種類型:水資源貧乏區(等效砂層潛水厚度<5 m))、水資源中等區(5 m≤等效砂層潛水厚度<25 m)和水資源豐富區(等效砂層潛水厚度≥25 m)。

圖4 研究區淺表層水資源單位面積總儲存量分布Fig.4 Distribution of total amount per unit area of shallow water resources in the study area

2 保水采煤環境工程地質模式

保水采煤環境工程地質模式是采礦擾動覆巖土影響淺表層水系統進而誘發淺表層生態地質環境變化的方式，是一礦井(區)環境工程地質條件與采動環境工程地質問題的結合表現形式，是條件和問題結合的模式。研究保水采煤環境工程地質模式是確定保水采煤礦井等級(類型)的重要基礎和前提。

2.1 保水采煤環境工程地質模式類型

根據煤層開采對生態層及淺表層水(保水目的含水層)的影響程度，結合實際調查理論分析，提出4種保水采煤環境工程地質模式(圖5):

(1)環境友好型。煤層開采后，導水斷裂帶在基巖內發育或發育到隔水黏土層(紅土、黃土)，且基巖或隔水黏土層較厚的區域，淺表層水基本不受煤層采動的影響，地表生態環境基本不受影響(圖5(a))。

(2)環境漸變恢復型。煤層開采后，導水斷裂帶在基巖內發育或發育到隔水黏土層(紅土、黃土)，基巖或隔水黏土層相對較薄的區域，由于受煤層采動的影響，淺表層水會通過較薄的隔水層發生輕微滲漏，水位恢復緩慢，地表生態環境受到輕微影響(圖5(b))。

(3)環境漸變惡化型。煤層開采后，導水斷裂帶在基巖內發育或發育到隔水黏土層(紅土、黃土)，基巖或隔水黏土層相對較薄的區域，隔水層尚有一定的有效隔水性，但砂層潛水會出現較大量漏失，砂層潛水水位持續緩慢下降，地表生態環境緩慢持續惡化(圖5(c))。

(4)環境災變型。煤層開采后，導水斷裂帶導穿基巖或隔水黏土層(紅土、黃土)，波及砂層潛水含水層，砂層潛水完全漏失，地下水位迅速下降，地表生態環境短期內發生明顯惡化(圖5(d))。

圖5 環境工程地質模式典型剖面示意Fig.5 Environmental engineering geological patterns

2.2 關鍵指標的確定

2.2.1 殘余隔水層釆動隔水性

環境工程地質模式劃分標準的確定主要依據淺表層水的漏失量，而影響淺表層水漏失量的主要因素為殘余隔水層厚度。為確定有效隔水層厚度，必須分析研究采動對巖土體隔水性的影響。對于殘余(位于彎曲下沉帶內)隔水巖土層，雖總體上未有宏觀豎向貫通裂縫，但隔水性能也會受不同程度影響，通過現場采前、采后壓水試驗及室內卸載試驗均發現隔水層滲透性增加約1個數量級[8,22]，然而，采后應力恢復對殘余隔水層滲透性仍有較大影響。

本次采用損傷巖土試樣進行加載試驗(模擬彎曲下沉帶內隔水巖土層在采后應力恢復過程中滲透性變化特征)，其中對巖樣首先進行三軸卸載損傷，損傷后的巖樣未發生明顯變形或破壞，首先獲取巖樣應力-應變特征曲線，在TAW-1000巖石伺服巖石力學實驗系統上，對應圖6(a)所示的曲線特征點(P1,P2試樣為殘余隔水巖樣、P3為裂隙試樣)，利用位移控制分別對巖石樣品進行卸載試驗，從而對預制不同損傷巖樣。以1 MPa/min的速度對試樣施加圍壓，每組測試包括從1 MPa到5 MPa共5個水平，圖6(b)為泥質砂巖測試結果。

圖6 損傷巖樣蠕變滲透試驗Fig.6 Creep permeability test of damaged rock samples

由圖6(b)可得，在恢復應力達到5 MPa時，殘余隔水巖樣的隔水性已恢復到了開采前的水平，采動損傷程度越小，應力恢復后的巖石滲透系數越小，恢復的程度越大，越接近完整狀態。結合文獻[22]可得，位于彎曲下沉帶內的隔水巖土層采后滲透性雖然有所增加，但在采后應力恢復過程中，隔水性基本能夠恢復到開采前狀態，因此，確定保水采煤環境工程地質模式標準時，可采用殘余隔水巖土層天然隔水性計算。

2.2.2 侏羅系煤層開采導水斷裂帶高度

導水斷裂帶高度是影響保水采煤環境工程地質模式的一個重要指標，由于侏羅系煤田地質條件、覆巖結構及其組合類型與東部相比差異較大，侏羅系煤田導水斷裂帶發育實際高度與現有規程公式[23]計算的結果不相符。本次通過收集侏羅系煤田導水斷裂帶高度實測數據(綜放/綜采，采厚2～12m)，采用多元回歸分析，建立適用于侏羅系煤層開采導水斷裂帶發育高度預測的多元非線性公式[24]:

(3)

式中，Hli為導水斷裂帶高度，m;M為采厚，m;s為采深，m;b為工作面寬度，m。

2.3 環境工程地質模式分區閾值確定

2.3.1 環境友好型與環境漸變恢復型閾值

煤層開采后，淺表層水漏失量QL小于沉降引起的側向補給增加流量QC時，認為砂層潛水基本不受影響，以此確定的保護層厚度作為環境友好型與環境漸變恢復型閾值，即QL=QC。可得保護層厚度:

(4)

式中，Hb為保護層厚度，m;Kb為保護層滲透系數，m/d;ΔH為滲透水壓力差;F為滲透面積，m2;t為滲透時間，d;Kq為砂層滲透系數，m/d;A為潛水側向補給增量的面積，m2;J為潛水側向補給增量的水力梯度。

以陜北為例，Kq取3.73 m/d;潛水補給增量的面積A=4×b×0.7×M;J=(0.7M)/(b/2);ΔH=3 m;漏失面積F=b2;其中，b為工作面寬度，M為開采煤層厚度;代入式(4)中得:Hb=7 189.363 7Kb。通過壓水試驗可得出隔水土層滲透系數，計算隔水土層保護層厚度(表1)。因此，取隔水土層厚度40 m;參考基巖平均滲透系數為隔水土層的3倍的關系，取基巖厚度為120 m。

表1 隔水土層滲透系數及其保護層厚度計算Table 1 Permeability coefficient and thickness calculation of protection water soil layer

2.3.2 環境漸變恢復型與環境漸變惡化型閾值

將淺表層水滲漏量是否超過區域一個水文年平均補給量QS作為兩者閾值確定的標準，當QL=QS時，得保護層厚度:

(5)

式中，Hb為保護層厚度，m;Kb為保護層滲透系數，m/d;ΔH為滲透水壓力差;t為滲透時間，d;ΔS為水文年中區域的豐水期與枯水期水位差，m;μ為含水介質給水度。

根據神南礦區檸條塔煤礦長觀孔SK1兩年砂層潛水水位觀測，一水文年中區域的豐水期(水位標高:1 262.6 m)與枯水期(水位標高:1 261.0 m)水位差為1.6，取ΔS=1.6 m;μ=0.15;得:Hb=5 214.4Kb。計算結果見表1，取隔水土層厚度30 m;基巖厚度為90 m。

2.3.3 環境漸變惡化型與環境災變型閾值

考慮到計算導水斷裂帶高度可能存在的誤差值，取隔水土層厚度5 m，基巖厚度15 m作為環境漸變惡化型與環境災變型的閾值。

3 保水采煤礦井等級(類型)劃分

西北生態脆弱區在保水采煤實踐過程中，不僅要考慮煤層開采對淺表層水的影響程度，還要分析淺表層水資源量的分布，將兩者結合才能更直觀的指導礦井規劃設計。本文考慮淺表層水資源量的分布和煤層開采對淺表層水的影響，劃分礦井保水采煤等級類型。

根據提出的4種環境工程地質模式，將煤層開采對淺表層水和生態環境的影響，后期可自行恢復的類型，即環境漸變恢復型和環境友好型劃歸為正常開采礦井類型;將煤層開采對淺表層水和生態環境的影響，后期無法自行恢復的類型，即環境漸變惡化型和環境災變型劃歸為保水開采礦井。基于淺表層水資源量的分布規律，進一步將保水開采礦井劃分為:保水采煤一級礦井、保水采煤二級礦井和保水采煤三級礦井(表2)。根據表2標準，將圖8和圖4疊加，獲得研究區保水采煤礦井等級類型分布圖(圖9)。由圖9可知，研究區西部大部分為正常開采礦井，局部出現保水采煤一級礦井和保水采煤二級礦井類型，這主要因為該區域首采煤層厚度較大、埋深較小，煤層開采后導水斷裂帶以上殘余隔水層厚度普遍較小，環境工程地質模式為漸變惡化型，且水資源相對豐富。研究區東部由于煤層開采環境工程地質模式主要為環境漸變惡化型和環境災變型，另外淺表層水資源屬于相對貧乏區，因此主要分布保水采煤三級礦井類型。

表2 保水采煤礦井等級類型劃分標準Table 2 Zoning standard of grade types of water-preserved-mining coalmines

圖9 研究區保水采煤礦井等級類型Fig.9 Grade types of water-preserved-mining coalmines in the study area

保水采煤一級礦井是指在水資源儲存量最豐富的區域，環境工程地質模式為災變型或者漸變惡化型的礦井，這種礦井類型必須采取強制的措施才能進行開采;保水采煤二級礦井是指在水資源儲存量中等豐富的區域，環境工程地質模式為災變型或者漸變惡化型，這種礦井類型需要采取一定的措施方可開采;保水采煤三級礦井是指在水資源儲存量貧乏的區域，環境工程地質模式為災變型或者漸變惡化型，這種礦井類型采后可人為進行生態環境修復。

4 保水采煤礦井(區)等級劃分的應用方向

保水采煤礦井等級(類型)的劃分，使得礦井“科學產能”(據錢鳴高[25-26])的規劃設計成為可能。對于正常開采礦井，可以主要按煤炭資源儲量大小等，規劃設計產能。對于不同保水采煤等級的礦井，應根據其煤炭資源量和保水采煤礦井等級類型，確定不同的科學產能。一級保水采煤礦井，應指定采用分層開采、充填開采、隔離水體開采等保水采煤技術方法，限定其產能規模(資源儲量條件相同時，科學產能小于正常開采礦井);二級保水采煤礦井，應采用限高開采、分層開采、集中導水通道封閉等保水采煤技術方法，限定其產能規模(科學產能大于一級保水采煤礦井，小于正常開采礦井);三級保水采煤礦井，由于淺表層水資源量貧乏，天然生態環境差(主要為黃土溝壑區)，在確保實施采后生態環境修復、采空區儲水等措施后，可以按正常開采礦井，規劃較大的科學產能。

5 結 論

(1)提出了西北生態脆弱區基于以保水采煤為目的的4種天然生態地質環境類型:潛水沙漠灘地綠洲型、地表水溝谷河流綠洲型、地表徑流(黃土)溝壑型及區域性(深埋)地下水富集型，將研究區保水采煤生態地質環境類型區內的煤層與含隔水層空間組合分為十類。

(2)分析了研究區煤層上覆水資源類型，計算確定了淺表層水資源(保水采煤目的層)單位面積總儲存量分布特征，將淺表層水資源量分布劃分為:水資源貧乏區、水資源中等區和水資源豐富區。

(3)基于煤層開采對生態層及淺表層水的影響程度，提出4種保水采煤環境工程地質模式:環境友好型、環境漸變恢復型、環境漸變惡化型及環境災變型，建立了環境工程地質模式分區標準。

(4)根據研究區淺表層水資源量和保水采煤環境工程地質模式分布，將研究區劃分為正常開采礦井和保水開采礦井，進一步將保水開采礦井劃分為保水采煤一級礦井、保水采煤二級礦井及保水采煤三級礦井，為礦井科學規劃設計提供了可操作的依據。