西部生态脆弱区现代煤-水仿生共采理念与关键技术

张建民,李全生,南清安,曹志国，张 凯

(1.神华集团有限责任公司 煤炭开采水资源保护利用国家重点实验室，北京 100011；2.神华集团有限责任公司 科技发展部，北京 100011)

西部生态脆弱区现代煤-水仿生共采理念与关键技术

张建民1,2,李全生1,2,南清安1,2,曹志国1,2，张 凯1,2

(1.神华集团有限责任公司 煤炭开采水资源保护利用国家重点实验室，北京 100011；2.神华集团有限责任公司 科技发展部，北京 100011)

针对西部生态脆弱矿区富煤贫水特征和原生态保护要求，建立集开采和生态保护为一体的“现代开采生态系统”；基于采前地下水及地表生态的稳定性关系或生态“原态”约束，提出煤水资源开发中的“煤-水仿生共采”理念、煤炭开采与水资源开发及地表生态保护同步的“煤-水仿生共采”模式；按照“隔离-导流-控制”的仿生共采新思路、提出“隔离层控制”原理和开采“地下水漏斗聚集”调控效应；构建了集分区设计、隔离重构、仿生控制为核心的煤-水仿生共采保护控制关键技术体系；开发了“压裂-开采-注浆”开采隔离保护工艺、地下水汇集调控关键技术。

煤水共采；仿生保护；隔离重构；压-采-注工艺；地下水汇集；地下水库

随着我国社会经济发展及生态生产力作用凸显，西部生态脆弱区煤炭开采引发的水资源破坏与生态环境问题引起社会广泛关注。统计表明，全国96个国有重点矿区中，缺水矿区占71%，严重缺水矿区占40%[1-2]；我国每年因煤炭开采形成的废污水占全国总废污水量的25%左右[2]；山西省煤炭过度开采导致水资源破坏面积已占全省国土面积的13%，全省69%的河段失去使用功能。特别是在富煤贫水的西部生态脆弱矿区造成的地下水资源大量流失，加剧了水资源短缺困境和地表生态退化[3]。据综合测算，山西省2003年因煤炭开采造成的直接经济损失以及由此产生的治理费用和生态环境潜在损失平均达到50元/t煤[4-5]，考虑到煤矿区生态环境综合治理力度加大和价格因素，2015年治理成本超过100元/t煤。

煤炭安全高效高采出率开采(简称现代开采)已成为我国煤炭规模开采的主要方式。然而，现代开采引发的一系列地下水和地表生态环境影响机理尚未完全掌握，地下水保护利用和地表生态修复工程化技术成为煤炭开发的主要瓶颈之一。对此，国内外学者开展了大量理论研究与工程实践，其中，以关键层理论[6-7]及采动覆岩渗流理论等为支撑的煤炭绿色开采技术[8-11]，探讨了基于开采方法和覆岩结构的保水方法；以“煤水共存”和“生态水位”为特征的保水采煤[12-16]理念与方法，形成了基于地下水赋存规律的分区采煤保水方法；以煤炭开采对地下水和地表生态影响规律及协同理论为支撑的特大型矿区群资源与环境协调开采[17-20]和以“导储用”的地下水保护利用理念为核心的煤矿地下水库技术[21-22]，则从矿井水资源保护利用角度创造了协调开采与水资源有效利用的技术途径。“绿色开采”、“保水采煤”、“协调开采”、“导-储-用”等思路分别从煤炭开采的自然、资源、利用等不同角度提出水资源保护的有效技术途径，为西部生态脆弱区煤炭开采和地下水及地表生态保护提供了技术支撑。

研究表明，我国西部生态脆弱区现代安全高效开采是煤炭规模开发的主要方式，地下水和地表生态保护是绿色开采的难点。地下水(包括地表土壤水、松散层孔隙水和基岩裂隙水)是矿区水资源的重要来源、控制“原态”地表生态的关键因子和维护地表生态可持续的基本条件，而协调煤炭开采与生态约束之间关系也是提高生态生产力和实现煤炭资源可持续开采的关键[19]。本研究试图突破传统的开采学研究视角和煤炭开采→地下水和地表生态破坏作用→地下水保护利用与地表生态修复的思路，将开采学与生态学相结合，通过创建适合于生态脆弱区煤炭开采地下水和地表生态基本规律的“开采生态系统”，探索安全高效开采与地下水和地表生态保护相互协调的新理念、煤-水资源协同开采新模式及关键技术，实现有效保护原生态地表环境和开发利用有限的地下水资源的煤-水共采目标。

1 煤-水仿生共采理念

生态生产力可持续是我国西部生态脆弱区维护区域经济可持续发展的基本条件。按照系统论观点和生态学视角，煤炭开采是生态环境要素及安全效率约束下的生产活动，本质要求是煤炭开采与生态生产的内在协调与统一。因此，理论上可将煤炭开采、地下水与地表生态简化为一个集煤、水(地下水和大气降水)资源要素，采动覆岩、地表土壤和植物等环境要素为一体的“现代开采生态系统”(图1)，包含了多场(采动应力场、采动覆岩渗流场、影响区地下水流场等)、多样性动态关系(采动-覆岩-土壤关系、地下水补-径-排循环关系、植物-土壤-水关系等)和多类型变化过程(采动覆岩岩石结构变化、地下水—矿井水转化、地表植物和土壤退化等)。从空间上可分为采煤破坏带、破坏传递带和环境影响带。其中，采煤破坏带是开采直接作用区，覆岩结构和渗流特性变化较强，岩石空隙和导水能力显著增加，形成浅部含水层的向下渗流通道，可“释放”采动基岩裂隙水；影响传递带是间接作用区域，覆岩结构和渗流特性变化较弱，但直接影响浅层地下水补-径-排循环关系，地下水位下降使地表土壤处于“失水”状态；环境影响带是地表植被、土壤、大气降水和自然环境与开采相互作用区域，开采、蒸发与补给作用对地表生态生产的影响凸显。

图1 煤炭现代开采生态系统

显然，破坏传递带是开采破坏转化为对地下水和地表生态影响的关键层位，而水是控制地下水环境和地表生态可持续的关键要素。因此，充分利用煤炭开采对地下水和地表生态影响规律，仿照地表生态采前状态(或“原态”)关系和生态可持续要求，通过集成创新煤炭开采工艺，改造开采破坏传递带，控制开采裂隙影响范围，维护或重构满足浅层地下水自然循环和地表生态的水环境条件，使采后地下水和地表生态能保持或优于“原态”，同时利用开采裂隙“解放”深层基岩裂隙水资源，则是实现安全高效高采出率开采、地下水开发利用和地表生态保护的绿色开采目标的有效途径。

在神华实施的“千万吨矿井群资源与环境协调开采”、“大型煤炭基地生态建设关键技术与示范”、“神东矿区水资源保护性开采与综合利用技术”、“神东矿区现代煤炭开采对地下水资源和地表生态影响规律研究”、及保水采煤等研究和工程实践基础上，借鉴“绿色开采”、“科学开采”、“保水开采”等理念，针对研究区煤、水资源共存条件，按照原生态(地下水与地表生态)规律，提出以“隔离-引导-调控”为核心的“煤-水仿生共采”的地下水与地表生态保护和控制的理念，即基于煤炭现代开采工艺，利用现代开采及对地下水和地表生态的影响规律，通过采前分区设计、采中重构和采后控制等技术的系统集成，控制地下水流场分布，构建符合地下水循环与地表生态环境原生状态的支撑条件，保持开采生态系统的“原生”关系，实现“煤炭安全高效开采—地下水与地表生态保护—水资源利用一体化”。其主要内涵是：

(1) 保持地表生态“原态”稳定型关系是地下水和开采生态系统的基本要求。地表生态采前状态(“原态”)是自然形成的稳定生态系统，而地下水和大气降水是地表生态的关键支撑条件。煤炭开采裂隙导致基岩裂隙水和含水层渗流、原态地下水位下降和地表裂缝，引发了矿区地表生态问题。为保护地表生态，仿“原态”的水、土、植被之间的关系，通过开采过程控制，使浅部地下水补-径-排循环系统不变、地表土壤和植物的原生水补给关系不变，构造符合浅层地下水循环和地表生态“原态”支撑条件，使采后地表生态与“原态”基本一致或有所改进。

(2) 煤炭开采全过程与地下水和生态保护协同是控制开采影响的关键。大面积开采形成的导水裂隙带形成了地下水漏斗，随着开采面积增加漏斗范围及地表生态影响扩大。生态水位是地表生态“原态”的重要标志，浅层地下水补-径-排循环系统是维持生态水位的支撑条件，导水裂隙带高度确定了地下水和地表生态影响范围。开采影响过程中，协同实施人工构筑“柔性隔离层”方法，控制导水裂隙带实际影响高度和范围，保持“生态水位”及原生地表土壤和植物的原生水补给关系，利用开采裂隙效应“释放”深部基岩裂隙水，引导浅层地下水定量向地下水库汇集，实现煤炭安全高效开采与地下水和地表生态保护。

(3) 煤炭生产与生态生产关系协调是实现绿色开采目标的本质要求。开采生态系统集成了煤炭开采与地下水和地表生态保护相关的资源与环境要素，煤炭开采对生态系统的扰动作用影响了原态生态的系统平衡。通过煤炭开采全过程与地下水和地表生态保护的一体化，仿照“原态”稳定型生态系统内部关系设计开采与地下水和地表生态保护的协同关系，控制煤炭开采的扰动作用的空间范围和时间，尽快引导采后生态系统向原态或优于原态状态转化，建立适于生态系统可持续发展的平衡关系，实现煤炭安全高效开采与生态生产力保护等多重目标。

2 煤水仿生共采原理与技术体系

2.1 煤-水仿生共采原理

研究表明，采用以超大工作面为标志的现代开采工艺时，采动覆岩形成渗流性良好的导水裂隙带，影响了地下水原始水平径流和垂直渗漏状态[1]。如以补连塔井田32201工作面(长3 800 m，宽240 m)开采前后地下水流场变化为例，采前大部分区域地下潜水原始水位在30 m以上，为了回采工作面安全，采前疏放了采动影响区地下水，剩余含水层厚为0～10.25 m，平均6.41 m，含水层厚度平均减小4.54 m，局部区域地下水被全部疏干。回采工作面推进过程中，采动裂隙逐步发育→向上贯通→普遍发育并趋于稳定，形成裂采比12～18倍的导水裂隙带(图2)。

图2 补连塔32201工作面导水裂隙带及地下水位变化

煤炭开采增加了采动覆岩渗流特性，通过导水裂隙带导通松散层含水层与采空区(图3(a))，含水层渗流导致区域地下水流场重新分布，形成以采场区域为地下水聚集地、导水裂隙区(带)为渗流中心的地下水漏斗(图3(b))。地下水位下降引起地表生态问题，且随着采动范围增加，地下水漏斗区域和地表生态影响范围增加。

图3 补连塔井田煤炭开采环境影响效应

煤-水仿生共采保护控制原理是以影响地下水和地表生态变化的关键因素——水为核心，基于“三水”(土壤水、松散层孔隙水和基岩裂隙水)的“原态”特征，着眼“开采生态系统”内部协调，通过构筑“隔离层”，隔断地下开采对地表生态的影响，有效释放基岩裂隙水和定向汇集利用大气降水资源，仿生重构开采生态系统的“原生”基本关系，实现开采生态系统的”原态”可持续演化。

煤-水仿生共采保护控制方法主要包括：一是通过在导水裂隙带和含水层间重构隔离层，维持浅部地下水(土壤水、松散层孔隙水)补-径-排循环“原态”关系，同时释放开采裂隙带所在岩层的基岩裂隙水；二是通过控制保护区域(即隔离层重构区域)范围和调整裂隙带的导水高度，引导区域地下水向汇集区域聚集(即非隔离层重构区域)和向地下水库流动；三是通过汇集区域导水通道参数(导水裂隙高度和渗透性)的工程调控及地下水库泄水量调整，控制第四系松散含水层的地下水位变化，保持“原态生态水位” (图4)。

图4 煤-水仿生共采保护控制原理示意

采用煤-水仿生共采原理，一是可基本保持原态“生态水位”和地下水与地表土壤和植被的“原生”基本关系，保护原态地下水和地表生态；二是控制地下水定向汇集，有效利用了基岩裂隙水和大气降水资源；三是降低了地下水→矿井水转化过程的污染风险和地表生态的开采损伤作用。即，通过煤-水仿生共采对地下水和地表生态的显著保护与控制作用，实现开采生态系统中煤炭开采与生态生产的内在协调和系统可持续。

2.2 煤-水仿生共采技术体系

“煤-水仿生共采控制”技术体系基于开采生态系统，着眼整个开采区域和地下水单元，采用开采区域分区设计、分层隔离重构、参数仿生调控等技术，调整开采区域地下水平衡，确保浅部地下水与地表生态的“原态”关系和开采生态系统中水资源的有效利用(图5)。

图5 现代煤-水仿生共采技术体系框架

3 煤-水仿生共采关键技术

3.1 导水裂隙带隔离与控制技术

基于煤-水仿生共采保护控制是采用水平压裂-工作面回采-隔离层注浆的联合工艺，在地下含水层与导水裂隙带间重构阻隔地下水下渗的隔离层，控制“原态”地下水流场形态和补-径-排关系，同时释放基岩裂隙水并加以利用。

(1)隔离层选择。隔离层参数主要是高度与岩性组合。其中，当导水裂隙带高度(Hl,m)低于受保护含水层高度(Hm,m)且距离较远时(Hl≫Hm)，隔水层可不设计或选择在导水裂隙带顶部位置；当Hl>Hm，隔离层选择在导水裂隙带上部且满足距受保护含水层的安全距离位置ΔH；当Hl≈Hm，即隔离层选择在导水裂隙带中且低于受保护含水层下安全距离的位置。隔离层的岩性组合宜选可压性好和隔离性有利的岩性层，有助于形成网状裂隙，阻碍采动裂隙向上发育，增大注浆控制强度，提高隔离效果。

(2) 压-采-注工艺。该工艺是基于超大工作面和顶板全部跨落法开采工艺，将工作面回采与地表(或地下)压裂和注浆工艺相结合，按照一定的周期异步循环实施，分别完成隔离层压裂、工作面回采、隔离层注浆(简称为压-采-注)，形成阻断含水层地下水向导水裂隙带渗流的隔离层(图6)。

图6 压-采-注工艺示意

压裂阶段采用的压裂工艺与装备选择综合考虑高效率、环保性和经济性。依据压裂可控半径和长度布设压裂井，其压裂控制区域S(Wy×Ly)和高度应满足：

式中，Wg和Lg分别为回采工作面宽度和水平压裂井控制长度；n为沿工作面推进方向的设计压裂井数；Hx为含水层高度；Hd为导水裂隙带高度；Hg为隔离层高度；ΔH为安全控制距离，m。

回采阶段形成了导水裂隙带高度相对稳定的裂隙发育区，为确保压裂的隔离层与导水裂隙带的连通性和注浆阻断控制效果，隔离层高度按式(1)优选；注浆阶段是通过向压裂控制的水平隔离层中压裂裂隙注浆并驱动浆液向邻近导水裂隙带指定层位流动，浆液凝固后形成柔性隔离层。浆液要求流动性好、有黏性和无污染，且在固化后具有一定的柔韧性，确保隔离层承压功能。

压-采-注联合工艺是按一定的周期在空间上分段，时间上异步，分段循环往复实施。周期来压步距与时间是同步协调控制的关键参数。实施中按照早期来压、匀速推进、快速注浆的原则协同推进，注浆时间选择在采动顶板跨落后当导水裂隙带初步形成时，确保开采安全和防渗流效果。

(3) 动态监测评价。按照采前—采中—采后全过程监测要求，采用地表水文钻孔观测法、井下矿井水流量观测法、井下钻孔观测法等，开展采前本底、采中导水裂隙带渗流、采后隔离效果的监测，分析评价隔离和保护含水层效果。

3.2 地下水资源汇集与调控技术

西部生态修复研究表明，大气降雨是西部地区稀缺的水资源补给渠道，大面积的开采沉陷和裂隙提高了地表层土壤渗流和大气降水汇聚能力，大气降雨向地下含水层的渗流量增加。如以每年降雨量300～400 mm计算，井田面积为100 km2的矿区(如大柳塔井田)，地下渗流量占35%，每年可有1 000万～1 400万t大气降雨渗入含水层，按照传统开采模式直接渗入采空区，不仅生态水位难以保持“原态”，同时流经采空区的地下水还需净化处理，也降低了地下水库的集水效率和可调控性。该技术依托导水裂隙带隔离与控制关键技术，调控开采地下水漏斗范围和地下水变化梯度，维持开采区域生态水位和地下水洁净收集利用。

(1) 分区分层设计。重点是基于矿区3D-GIS开采地质和水文地质模型，确定地下水流场凸区和煤层赋存较高区域为保护区，凹区与煤层赋存较低区域为地下水汇集区，开采导水裂隙带和采空区为地下水导水和储存区(或地下水库)(图7)；分层设计是在保护区根据采动覆岩组合及物性特点和开采导水裂隙带与含水层的空间关系，优选隔离带层位，实现隔离层上确保含水层地下水不下渗和层下最大限度的“释放”基岩裂隙水；隔离带是保护区与汇水区的导水裂隙带之间相互封闭的采动覆岩带。其宽度Wy(m)满足：

式中,θ为开采沉陷角；ΔL为水平安全距离，m，根据隔离带岩性及地下水库坝体要求综合确定。

图7 地下水汇集控制

(2) 分区回采与功能重构。主要包括保护区隔离和汇水区重构。前者是在保护区域内，采用前述的压-采-注工艺，确保含水层地下水不渗流，最大限度的维持地下水位“原态”位置和地表生态原始功能，利用地表层开采裂隙对土壤的疏松作用，提高大气降水渗流作用；后者是在汇水区域内，采用安全高效开采方法，形成均匀发育的导水裂隙带，采用垂直压裂方法贯通(图8)导水裂隙带与保护含水层，且根据开采区域大气降水和含水层地下水可供给量和地表生态要求，确定垂直压裂控制参数和汇水区能力。

图8 地下水汇水区剖面及仿生控制

(3) 地下水监测与调控。通过长期实时的大气降雨、地下水、矿井水流量、地下水库监控数据采集，综合分析评价开采区域地下水保护效果、大气降水汇集量和地下水库可补给量；地下水调控则是根据“原态”地下水位要求和大气降雨渗流量等约束参数，适时调整地下水库泄流量，且满足：

式中，Vs为地下水库泄水量；Vd为开采区域大气降雨渗流量；Vkh为开采区域汇水量；Hd为实际观测地下水高度；Hs为“原态”水位高度；f(x,y,z)为地下含水层含水量变化函数。

4 结 论

(1)从生态学和采矿学相融合视角提出的“开采生态系统”和“煤-水仿生共采”理念，充分利用现代开采对地下水及地表生态的影响规律和煤矿地下水库关键技术，重构符合区域浅层地下水循环与地表生态的支撑条件，有助于实现“安全高效开采—地下水与地表生态保护—水资源利用一体化”的煤-水协调共采目标。

(2)以“隔离-导流-调控”技术思路为核心，“压裂→回采→注浆”导水裂隙带隔离控制和地下水资源汇集与调控关键技术，可有效利用大气降水和开采基岩裂隙水资源，实现水资源高效利用。

(3)煤-水仿生共采中压裂—回采—注浆是保护控制的关键。目前压裂和注浆技术比较成熟，有待突破压裂系统装置的轻型化和井下作业模式、压裂—回采—注浆联合工艺的合理参数、抗压性及柔韧性较好的新型注浆液等实施难点。依据目前市场价格测算，实施需要增加成本约为生态影响综合成本的10%～15%，通过优化工艺、压裂装置轻型化和提高作业效率，能进一步降低实施成本。

(4)生态脆弱性是西部富煤贫水区煤-水共采的自然制约，保护生态生产力又是煤炭科学开采的当务之急。笔者提出的煤-水仿生共采理念及技术体系和关键技术，可为系统解决西部煤炭开采区域的地下水资源保护区(如陕北红碱淖保护区)、煤-水资源共采区(陕北锦界矿区)、煤-铀资源共采区等煤炭开采与生态环境协调的难点问题提供新的解决技术途径。

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Study on the bionic coal & water co-mining and its technological system in the ecological fragile region of west China

ZHANG Jian-min1,2,LI Quan-sheng1,2，NAN Qing-an1，2，CAO Zhi-guo1,2,ZHANG Kai1,2

(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourceProtectionandUtilizationinCoalMining,ShenhuaGroupCorporationLimited,Beijing100011,China;2.ScienceandTechnologyDevelopmentDepartment,ShenhuaGroupCorporationLimited,Beijing100011,China)

The fragile ecological setting is a challenge for large scale coal mining in west China,where is a coal-rich and water-poor area.The study constructs a “mining eco-system”,integrated coal mining & groundwater & ecology protection,from eco-perspective.Based on the original eco-system constraint,it proposes a protection concept of “bionic coal & water co-mining” and the coordinated mode of coal-mining and groundwater exploitation and ecological protection;Following new roadmap including “isolation-diversion-control”technology,the “isolation-layer control” mechanism and “the groundwater funnel aggregation” effect are discussed.The bionic coal-water co-mining technology system has been set,which contains the partite-area design,reconstruction by isolation method and bionic-controlling.And the key technologies have been developed,involving layer fracturing-working face mining-layer grouting method and groundwater collection & management.The bionic control concept and roadmap of coal-water co-mining,as a green-mining solution,will be helpful to improve the ecological productivity for the ecological fragile areas of western China.

coal & water mining;bionic co-mining;isolated protection;fracturing-mining-grouting method;groundwater convergence;underground reservoir

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5012

2016-09-23

2017-10-25责任编辑:韩晋平

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600708)；煤炭开采水资源与生态保护国家重点实验室研究课题资助项目

张建民(1957—)，男，河北张家口人，教授级高级工程师。Tel：010-58133320，E-mail:zhangjm@shenhua.cc

TD823

A

0253-9993(2017)01-0066-07

张建民,李全生,南清安，等.西部生态脆弱区现代煤-水仿生共采理念与关键技术[J].煤炭学报,2017,42(1):66-72.

Zhang Jianmin,Li Quansheng，Nan Qingan,et al.Study on the bionic coal & water co-mining idea and key technological system in the ecological fragile region of west China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):66-72.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5012