黃河中游大型煤炭基地地質環境監測思路和方法

范立民，吳群英，彭 捷，遲寶鎖，孫 魁，王宏科，郭佐寧，寧奎斌，劉 水，李 成，趙小峰，田水豹，李 博，陳建平，高 帥,2，仵撥云,2，姬怡微,2，鄭苗苗,2，杜江麗

(1.陜西省地質調查院 礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054; 2.陜西省地質環境監測總站，陜西 西安 710054; 3.陜西陜煤陜北礦業有限公司，陜西 榆林 719000; 4.西安捷達測控有限公司，陜西 西安 710054)

我國黃河流域分布有9個大型煤炭基地，原煤產量約占全國的70%[1]，其中位于鄂爾多斯盆地北部的神東、陜北煤炭基地地處黃河中游生態脆弱區，減輕煤炭開發中的生態環境損傷，無疑是這一區域的重要任務。近年來，我國學者針對西部煤礦區綠色開采、水資源保護與生態修復開展了大量卓有成效的工作，取得了重要進展[2-7]，初步建立了以水資源保護和利用為核心的煤炭綠色開采技術體系[8-13]，建立了陜西境內3個大型煤炭基地的地下水監測網[14]，促進了水資源與生態環境保護。

煤炭綠色開采，就是以先進的采煤技術最大限度減輕采煤的環境損傷，促進采煤與環境保護協調一致。而自然環境損傷的過程，需要建立監測系統，進行實時監測，根據監測數據，調整煤炭開采方式，淘汰對環境損傷大的采煤技術，推廣對環境損傷小和無損傷的采煤技術。基于這一需求，在黃河中游高強度采煤區，建立包括多參數地質環境監測系統，實時監測、監控礦區地質環境，成為新時代大型煤炭基地健康發展的必然選擇。然而，盡管各礦區都建立了不同參數的監測點，也形成了較為系統的地下水監測網[14]，但有關地質環境監測網的系統報道相對較少。

筆者以黃河中游陜北侏羅紀煤田(包含神東、陜北煤炭基地)為例，探討高強度采煤條件下地質環境監測問題，以促進黃河中游煤炭基地綠色開發和持續發展。

1 地質環境監測指標的選擇

黃河中游的神東、陜北煤炭基地近年來快速發展，形成了以綜采為主的千萬噸級煤礦集群，年生產能力接近5億t，千萬噸級別的礦井有大柳塔、石圪臺、哈拉溝、錦界、榆家梁、檸條塔、紅柳林、張家峁、小保當一號、金雞灘、杭來灣、榆樹灣等近20處煤礦，2020年原煤產量5.17億t，占全國的13%以上，其健康發展和持續開發，對國家能源安全、生態安全具有重要意義。

1.1 黃河中游煤炭基地地質環境特征

地質環境有廣義和狹義之分，廣義上，地質環境是自然環境的一種，指由土壤圈、巖石圈和水圈組成的環境系統。在長期的地質歷史演化過程中，土壤圈和巖石圈之間、巖石圈和水圈之間、土壤圈和水圈之間進行物質遷移和能量轉換，組成了一個相對平衡的開放系統。人類和其他生物依賴地質環境生存發展，同時，人類和其他生物又不斷改變著地質環境。本文所指地質環境是狹義上的，指煤礦區巖石圈(最下部一層可采煤層以上至地表)、水圈(地下水、地表水)、土壤圈組成的環境系統，其中巖石圈(煤)受到人為擾動(高強度開采)，影響到地表并波及水環境、生態環境，研究區地質環境的特點包括煤層及其賦存環境、水環境和生態環境等。

1.1.1煤層賦存的地質環境

研究區煤層賦存于侏羅系碎屑巖中，以往勘查資料證實，本區賦存5層主要可采煤層，即1-2，2-2，3-1，4-2和5-2煤層[15]，其中淺部的1-2,2-2及3-1煤層埋藏深度0～200 m，是目前的主要可采煤層，在窟野河、禿尾河沿岸有出露，各煤層之間的間距20～80 m，一般30～50 m，煤層厚度一般3～5 m，2-2煤層最大厚度可達13 m。煤層頂板為泥巖與砂巖互層組成的隔水巖組，部分地段砂巖厚度大，分布廣泛時可形成弱富水的含水層，上覆是紅土、黃土隔水層及薩拉烏蘇組松散沙含水層，典型煤層～含(隔)水層組合有4種類型，即孤立小型含水盆地型煤水組合、較強含水層下無隔水層型煤水組合、含水層隔水層共生型煤水組合及燒變巖型煤水組合[6]。

1.1.2地下水環境

礦區水資源貧乏，主要含水層是薩拉烏蘇組含水層、燒變巖含水層，西部分布有洛河組含水層，近期研究發現，直羅組含水層在煤炭基地大部分區域分布，厚度大，富水性中等—弱，但在榆神府礦區西部卻是一些大水礦井形成的主要水源[16]。

薩拉烏蘇組含水層分布廣泛，與全新統風積沙形成一個含水層，含水層厚度一般10～50 m，最大175 m，在榆神礦區、神東礦區的部分地段形成強富水含水層，是礦井突水潰沙的主要水動力來源，也是窟野河流域、禿尾河沿岸煤礦突水的主要水源。

燒變巖含水層是地質歷史時期煤層自燃，圍巖受到烘烤形成的裂隙、孔洞發育的特殊類型巖石，在陜北侏羅紀煤田分布于溝谷沿岸，分布面積約1 085 km2，通過沙層接受大氣降水補給，在溝谷西岸往往形成強富水區段，水質良好，礦化度小于0.5 g/L，是部分煤礦突水的主要水源。

洛河組含水層分布于陜蒙邊界一帶，厚度0～222 m，一般100 m，是區域上的主要含水層，目前尚未受煤礦開采擾動的影響。

直羅組含水層分布于活雞兔—檸條塔—錦界—瑤鎮一線以西和榆神礦區大部分地區，厚度30～50 m，富水性中等到弱，但由于分布面積大，補給充分，在煤田東南部邊界一帶形成排泄區，這一帶煤層開采，該含水層受擾動強烈，往往成為礦井涌(突)水的主要水源，我國礦井涌水量最大的煤礦——錦界煤礦礦井涌水水源主要來自該含水層。

1.1.3地表水環境

本區黃河一級支流主要有窟野河、禿尾河和無定河(上游為榆溪河)，各河流支流發育，水源主要來自于薩拉烏蘇組、燒變巖和侏羅系砂巖含水層，部分來自黃土弱含水層，各含水層以泉的形式排泄形成溪流，溪流匯集形成窟野河等一級支流，并最終匯入黃河。

1.1.4生態環境

區內生態環境脆弱，植被覆蓋度低，植被對地下水的依賴性較強，典型植被有沙柳、沙蒿、旱柳、小葉楊、檸條等，長期監測表明，這些植被依賴的地下水位埋深一般1.5～5.0 m，水位埋深大于15 m時，植被基本無法再正常發育生長[17-18]，植被覆蓋度較低。近年來，隨著礦區生態環境恢復治理，植被覆蓋度顯著增加，如紅柳林煤礦2016年植被覆蓋度與2008年相比明顯增大(圖1)。

圖1 紅柳林煤礦2008，2016年植被發育的遙感監測Fig.1 Remote sensing monitoring map of vegetation development in hongliulin coal mine in 2008 and 2016

1.2 黃河中游采煤對地質環境的擾動及體現指標

黃河中游煤炭開采特點是大采高、大開采工作面，開采強度高，單位面積的原煤產量大，煤炭開采對地質環境的擾動強度大，主要體現在頂板損害強度大，導水裂隙帶發育高度大，對主要含水層擾動強度大，造成了地下水位區域性下降，部分區域泉水干涸，植被枯萎或死亡。

1.2.1地下水位持續下降

煤田開發前，筆者所在的陜西省一八五煤田地質勘探隊曾對全區進行了1∶50 000、1∶10 000煤田水文地質測繪，系統調查了區內潛水水位埋深和泉流量，發現潛水位埋深一般小于15 m，這也符合生態水位合理埋深的需求[3，19]，這一水位埋深，涵養了毛烏素沙地并不豐富的植被資源。20世紀八九十年代，煤田開發初期，出現了抽水試驗大降深鉆孔周邊、突水潰沙礦井附近水位下降、植被枯萎死亡的現象[3，5]，該現象引起筆者關注并由此提出了大規模煤炭開發引起生態災難的擔憂，保水采煤理念也正是誕生于這一背景。2015年筆者團隊對礦區潛水位埋深進行了重新調查，534個調查點編繪的潛水埋深等值線圖發現，窟野河、禿尾河沿岸潛水位下降明顯，下降幅度大于8 m的面積達到758.9 km2，占調查區總面積的7.3%，全部位于煤炭高強度開采區，其他73%的未采煤區潛水位未下降，可見煤炭開發對潛水位的擾動是顯著的[20]。近期發現，金雞灘煤礦等煤層埋深較大、第四系下部紅土層厚度大的區域，煤炭開采后，由于地表沉陷導致潛水位埋深相對變小，局部形成了濕地、湖淖，也影響了沙漠植被發育。

1.2.2泉水斷流和干涸

據20世紀90年代的調查數據，榆神府礦區8 971.5 km2范圍內有記錄的泉2 580處，總流量4 997.059 7 L/s，這些泉是黃河中游的主要補給源。2015年對其逐一進行了調查、測流，發現僅存376處有水，總流量996.392 L/s，其余均干涸[21]。

1.2.3河流流量銳減

淺埋煤層高強度開采對地表水系的擾動和影響，20 a前就引起了筆者及團隊關注，并持續關注了20多年，如窟野河1998年曾是CCTV-1天氣預報的洪峰預報點，但從2000年就出現了斷流，以后斷流時間不斷延長，2002年斷流天數達到220 d，2003—2005年斷流天數均超過了150 d。窟野河上游是烏蘭木倫河和悖牛川。烏蘭木倫河水系有朱蓋溝、廟溝、考考烏素溝等支溝，自西向東匯入烏蘭木倫河;悖牛川水系有三不拉溝、烏蘭色太溝、丁其溝等從西北向東處匯入悖牛川，大部分支溝出現了斷流現象(圖2)。例如，雙溝是窟野河上游烏蘭木倫河的一個支流，溝長5.6 km，多年平均泉流量7 344 m3/d。1993年開始對泉域范圍內的地下煤層進行開采，1997年泉眼干枯，河溝間歇性斷流，水澆地變為旱地。煤田開發前，枯水期神木縣永興溝流量為0.2 m3/s、黃羊城溝為0.1 m3/s、西溝為0.3 m3/s、王洛溝為0.15 m3/s，2015年夏季豐水期，調查組對幾大主要支溝進行了流量測定，流量衰減顯著(圖3)[22-24]。

圖2 煤炭開發前后水系變化示意(紅色是2015年調查時的干涸水系)Fig.2 Schematic diagram of water system changes before and after coal development (red is the dry water system at the time of investigation in 2015)

圖3 煤炭開發前、后部分溝谷流量變化Fig.3 Change of flow in some gullies before and after coal development

1.2.4水庫干涸

窟野河上游的石圪臺村，機械化開采2-2上煤，煤層厚度5 m，埋深約50 m，形成塌陷區，原水庫壩頂于2014年2月開始塌陷，發育裂縫群，間隔5～6 m，走向150°～330°，長1～2 m，寬0.2～2.0 m，深1～2 m，水庫于2009年開始漏水，2010年被迫棄用;水庫下游耕地可見多條平行裂縫，走向150°～330°，寬約0.3 m，深1 m，原水流流向為270°，現已倒流;石圪臺村7組居民家中屋頂及墻體均有不同程度開裂，出現時間為2012年11月。該煤礦目前仍在開采。現狀穩定性差，預測趨勢不穩定，威脅46戶、136人、500畝(1 hm2=15畝)耕地、5 000 m公路，險情規模中型，高危險(圖4，5)。

圖4 石圪臺煤礦地面塌陷示意Fig.4 Ground collapse diagram of shigetaicoal mine

1.2.5黃土溝壑、沙漠區地表損害嚴重

2015年榆神府礦區已形成采空區面積421.993 4 km2，引發地面塌陷101處，塌陷面積133.561 8 km2。據不完全統計，截至2015年，已造成48間房屋、1 943.2畝耕地、13 981.75畝林地、113 952.6畝草地、2 701 m公路受損(圖6)和23 631.28畝(1 hm2=15畝)其他土地(圖7)。范立民、侯恩科等[25-26]對區內采煤造成的地裂縫、地面沉降發育規律進行了調查和研究，揭示了其形成機理。

圖5 地面塌陷導致柳根溝水庫干涸Fig.5 Picture of liugengou reservoir drying up due to ground collapse

圖6 煤礦地面塌陷損毀道路、草地、農田和房屋Fig.6 Pictures of road,grassland,farmland and houses damaged by coal mine ground collapse

圖7 沙漠地區煤礦開采地面塌陷損毀植被Fig.7 Pictures of vegetation damaged by ground collapse caused by coal mining in desert area

1.3 黃河中游地質環境監測指標體系

鑒于黃河中游煤炭基地大規模煤炭開發對地質環境擾動情況，確定主要監測指標層為水文水資源、生態環境、地質災害、巖層變形及其他因素等。

(1)水文水資源。主要監測礦區河流的流量、湖淖(水庫)的水位及積水量、地下水水位與水溫水質等。監測點位選擇方面，要充分考慮采煤對其影響規律。河流監測在進入、流出礦區的地方各設置一個測流點。湖淖(水庫)監測要設置一定數量的監測點，監測各點位的水位標高、積水深度等參數，便于計算積水量。地下水監測以能夠控制地下水流場為原則進行布點，并對監測點定期采取水樣，化驗測試水質指標。

(2)生態環境。主要監測植被覆蓋度、植被種群及生長態勢，采用遙感監測、無人機定期監測結合的方法。一般每年監測2次，遙感監測實行全域覆蓋(即監測煤炭基地全部范圍)，無人機監測采用典型區段監測，解剖典型區段，找出植被生態環境發育演化特征。

(3)地質災害。監測參數包括地面變形、地裂縫、地面塌陷、崩塌、滑坡等，采用在線監測，對采煤工作面上方及影響區部署監測儀器，實時監測地面變形、地裂縫、地面沉降的參數，對斜坡地段，部署斜坡變形儀，監測斜坡變形參數。對高陡邊坡，可部署在線實時監測儀器，監測邊坡的變形參數和坡后緣裂縫發育等。

(4)巖層變形。主要監測采空區覆巖裂隙發育形態及其對地下水、地表植被的損傷。

(5)其他要素監測。主要監測礦區道路、工業廣場、排矸場等對土地資源的損毀等。

2 監測區域分級分區

2.1 開采擾動強度分級

根據煤炭開采對地質環境的擾動強度，將監測區域劃分為強烈擾動區、一般擾動區、近期影響區(國家規劃礦區(礦井))和無擾動區(含煤而未規劃的區域)，其中擾動區是在建、生產的煤礦采礦權范圍內，無擾動區是煤炭基地未開采區(表1)。

強烈擾動區，分布于生產礦井正在開采的工作面上方、矸石堆積區域、工業廣場等區域，煤炭開采覆巖損傷最嚴重，地面變形強烈，地下水滲漏現象明顯，對植被的損傷顯著，對土地資源損毀嚴重，是重點監測和防控的區域。

一般擾動區，分布于強烈擾動區以外的生產、在建礦井礦權范圍內，煤炭開采地面變形不明顯，地下水位可能出現下降，對植被有一定的損傷。

無擾動區是指已經經過國家有關部門批準為規劃礦井但尚未開采的區域，是近期可能開發的區域，或者是含煤盆地范圍內，未經國家有關部門規劃開采的含煤區域，是遠期可能開發的區域。

2.2 監測精度分區

根據采煤對地質環境擾動的強度，分別進行不同精度的監測分區，其中強烈擾動區，對應精準監測區，一般擾動區對應核心監測區，無擾動區對應一般監測區(表1)。

表1 黃河中游煤炭綠色開采監測分級方案Table 1 Monitoring and classification scheme for green coal mining in the middle reaches of the Yellow River

(1)精準監測區，監測指標包括所有地質環境參數，監測手段采用實時在線監測獲取連續數據，監測參數多，監測精度高，監測數據直接反應采煤對地質環境的擾動程度。

(2)核心監測區，是精準監測區外圍已經設置了采礦權的區域，受地下開采擾動強度弱，主要是地表煤礦建設對地質環境的影響，因此，監測指標和精度略低于精準監測區。

(3)一般監測區，是沒有開采的含煤區域，屬于無擾動區，因此，只監測生態環境和地面建設情況。

3 監測網建設與實施

地質環境監測建設目標是通過建設覆蓋礦區的多參數監測網，實時監測監控礦區水文水資源動態、生態環境演化、地質災害發育以及礦井排放物及其對環境的影響，為環境保護提供數據。

3.1 建設目標

近期目標是通過建立覆蓋礦區的水資源監測系統、地質災害監測系統、生態環境監測系統、井下開采監測系統;建成集數據獲取、數據儲存、數據分析評價、預警預報為一體的智能化、可視化的綠色開采大數據平臺;形成支撐煤炭開發與生態環境保護的決策系統、風險管控系統的支撐平臺、開采后生態環境時空演化規律的科學研究平臺、政府科學決策和制度出臺的科學支撐平臺。

遠期目標是建立基于資源環境承載力評價的綠色開采指標體系，根據評價結果，找出資源開發和生態環境保護之間的平衡點，以此調整優化資源開發布局和方式，實現礦區生態環境持續向好、產業綠色可持續的良性發展。

3.2 技術路線

在全面搜集地質環境資料、開采資料以及其他資料的基礎上，對礦區礦山環境現狀進行調查，查明目前存在的地質環境問題，建立起礦區地質災害、水資源、生態環境問題等監測體系;以礦山已有智能化數字礦山平臺為基礎，開發集數據采集、數據挖掘、數據分析處理、預警預報、智能化展示為一體的綠色開采大數據平臺(圖8)。

3.3 總體思路及系統設計

3.3.1總體思路

地質環境監測的主要目標是進行數據治理建設，本著以開放式技術為主導，以成熟軟件平臺為依托，以業務融合技術方式開展設計工作。

3.3.2總體設計

(1)平臺架構。為了保證建設完成的系統具有良好的適應性、整體性以及功能的完備性，需要按照先進性和合理性原則，對系統進行總體的規劃和設計，這個規劃的層次是對整個系統在宏觀中的地位的把握。

(2)應用架構設計。系統以數據倉庫建設為基礎，數據治理、數據收集、數據分析技術為主要手段，通過統一訪問門戶為手段，通過統一訪問門戶為用戶提供各類數據應用服務的信息系統。

系統的應用建設可以歸納為元數據管理、數據標準落地、數據質量管控、數據倉庫建設等模塊。系統應用架構如圖9所示。系統采用B/S架構設計，支持集中式部署模式，從系統的技術體系構成和業務應用的角度出發，從邏輯上自底向上可以劃分為數據資源層、數據治理層、應用訪問層：

(1)數據源層是為整個平臺的應用提供數據支撐。主要包括源數據接入區、ODS層、應用匯總層及數據集市層。

(2)數據治理層是進行數據治理工作的核心，主要包括元數據、數據標準、數據質量等。通過對元數據的梳理、數據標準的制定與落地、數據質量的探查與整改，進行各項數據治理工作。同時，數據治理層還可包括主數據管理、數據資產管理等，實現數據的共享，提供數據服務，為數據的應用分析提供有效支撐。

(3)應用訪問層是以報表工具、ETL工具、應用中間件為支撐，提供各類報表分析服務。訪問層面向用戶提供信息訪問服務，支持用戶通過瀏覽器訪問。

3.3.3技術架構設計

整體的技術架構可分為3層，分別是應用層、服務層、數據層(圖10):

圖10 平臺技術架構設計Fig.10 Platform technology architecture design

(1)應用層是系統在面向使用用戶的終端設備提供相應客戶端技術，如AJAX，XML，CSS等。

(2)服務層是系統運行的基礎環境，在應用服務器上搭載新報表系統，其中包含運行中間件，J2EE架構技術。運行中間件可支持主流的java運行的中間件，如Weblogic,WebSphere,Tomcat等;J2EE架構技術是指系統中所應用的J2EE相關技術指標;系統平臺中包含了所使用的基礎組件，如采集組件、分析組件、門戶組件等。

(3)數據層是用于存儲系統所引入和產生數據的，系統支持Oracel，Mysql，Sqlserver，DB2等不同類型的關系型數據庫，能夠滿足用戶不同的數據收集、管理、利用的需求。

3.3.4數據架構設計

主要包括通用數據標準與規范、數據處理應用、數據邏輯分布及對外數據接口設計4部分(圖11)。

圖11 平臺數據架構設計Fig.11 Platform data architecture design

4 結 論

(1)高強度煤炭開采對地質環境損害較大，近年來推廣了保水采煤等新技術，促進了礦區地質環境保護，但煤炭高強度開采區地質環境監測起步較晚，還沒有形成完善的監測監控系統。

(2)提出了開采擾動強度分級、地質環境監測精度分級體系，厘定了不同開采強度條件下監測的參數和監測方法，為科學評價煤炭開采對地質環境的擾動提供技術參數。

(3)提出了煤炭基地地質環境監測網建設思路，設計了監測系統平臺，為礦山地質環境監測網建設提供了基礎。