保水采煤面临的科学问题

2019-04-11范立民

煤炭学报 2019年3期

范立民

(陕西省地质环境监测总站矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西西安 710054)

我国煤炭资源与水资源呈现逆向分布的特点，即东部缺煤富水，西部富煤缺水。自20世纪80年代以来，煤炭资源开发逐步向西部(西北)进行战略转移，鄂尔多斯盆地和新疆已经成为我国原煤生产的主要基地。西北地区煤炭资源量占全国的73%，2017年原煤产量占全国的70%左右，而水资源仅占全国的3.9%左右，部分区域极度缺水。众所周知，水资源不仅是煤炭工业赖以发展的先决条件，也是生态环境良性循环的基础。2003年钱鸣高提出了煤矿绿色开采问题[1-2]，将保水采煤作为绿色开采的重要组成部分。由于我国西部地区生态环境脆弱，水资源匮乏，范立民[3]指出保水采煤提倡在煤层开采过程中不仅要防地下水位大幅下降，也要防地下水径流条件变化起的生态环境演变问题[3-8]。这总体上指出了保水采煤技术中的主要科学问题，即地质条件探测识别、岩层移动规律、水与生态约束、保水采煤方法和生态重构等5个方面。

目前，地质条件探测识别方面的研究，主要集中在煤水空间组合关系和地质条件分区两个问题上。如，王双明等[5]研究了煤水地质条件,划分了保水开采技术方法适用分区。范立民等[9]基于无量纲化信息融合建立了突水溃沙分区，马雄德等[10]基于生态水位建立了保水开采分区。邓念东等[11]根据500多个钻孔统计了可采煤层及含、隔水层赋存特征。由此看来，煤矿区地质条件探查和识别方面的研究已进入多元信息综合分析阶段，初步满足了开展保水采煤技术的要求。

岩层移动规律方面，研究者围绕受采煤扰动后覆岩水文地质条件演变机理开展了富有成效的研究，最为关注的问题包括浅埋煤层岩层移动、导水裂隙带发育规律及隔水层有效厚度等。侯忠杰[12]、钱鸣高[13]、黄庆享[14]、张杰[15]、PENG[16]等从理论上揭示了浅埋单煤层顶板非稳态结构滑落失稳动力灾害的机理。除此之外，理论分析、经验公式、数值模拟、物理模拟和钻探验证等方法被广泛应用于导水裂隙带高度计算，为指导矿井安全生产提供了依据。

从地下水与生态环境关系角度，研究者基本认清了地下水分布与植被演替的内在联系。张发旺[17]、宋亚新[18]、毕银丽[19]、胡振琪[20]等探讨了塌陷对地表土壤理化性质、含水率、降水入渗、土壤水力特性，水分运移和植被覆盖度等的影响，研究手段以原位调查、室内分析和遥感监测为主。一致的结论是，与非塌陷区对比，塌陷裂缝使表层土壤容重降低，持水能力变差，植被盖度降低。其中一个重要问题是，依赖地下水的植被遭受采煤塌陷引起水位下降的影响最为明显，因为失去地下水提供的水源后，植被会遭受水分胁迫，从而向旱生植物方向演替[21]。今后重点需要研究的内容主要为识别矿区内植被对地下水的依赖性，因为只有依赖地下水的植被才会遭受地下水位大幅下降的威胁。

保水采煤目标含水层既包括顶板含水层，也包括煤层底板下伏含水层。针对不同的含水层，研究者提出了不同的保水采煤方法。王悦[22]针对厚煤层开采提出了分层限高开采技术。吕文宏[23]采用风积砂高水膨胀材料作为填充材料，运用充填开采技术解决了榆阳煤矿地面沉降问题。马立强等[24]针对神东矿区薄基岩浅埋煤层易发生整体切落问题，采用长壁机械化快速推进技术实现了保水开采。马雄德等[25]采用注浆改造的办法成功采出了受奥灰水影响的煤炭资源。

矿山生态重构与修复方面，研究者开展了地貌重塑、土壤重构、植被重建、景观重现、生物多样性重组等工作，已经形成了挖深垫浅、充填复垦、矸石山绿化等技术[26]，从而有效地支撑了矿山生态环境修复工程。

目前西部矿区的开采条件正在发生重要变化，如，从单一煤层开采转向多煤层重复采动，从中小采高向大采高提升。笔者通过分析保水采煤技术研究已经取得相关成果，探讨未来保水采煤技需要解决的科学问题，如图1所示。

图1 保水采煤技术亟待攻克的科学问题Fig.1 Scientific problems in water-preserved coal mining

1 依赖地下水的生态约束

在干旱半干旱地区，水资源管理面临的主要挑战是确保生态环境用水与饮用水具有同等地位[27]。部分或全部需水量都由地下水供应时，该生态系统就可以被定义为依赖地下水的生态系统(Groundwater-Dependent Ecosystems，GDEs)，如果没有地下水，生态系统功能将受到损害，导致生态系统本身结构的根本改变[28]。GDEs植物吸收利用地下水主要通过根系和毛细上升之间的相互作用来实现的，当植物种类确定后，其根系长度就被限制在一个大致的范围内，因而地下水位对GDEs的根系吸水十分重要。FAN等[29]认为全球22%～32%的陆地受地下水影响，其中7%～17%的区域地下水位接近植被根系带，地下水通过毛细上升对植被生长产生影响。

在我国西部干旱半干旱地区广泛存在GDEs，尤其是毛乌素沙地东南缘的沙漠浅滩，地下水埋深常年保持在1.5～5.0 m，地下水与植被关系十分密切，是典型的GDEs[30-32]。基于旱区植物对地下水的依赖程度很高，学者们从不同侧面提出了适宜植物生长的地下水位阈值，如生态水位、最佳水位、适生水位和警戒水位等概念[33-34]。浅埋煤层开采过程中导水裂隙带会破坏含水层结构，地下水涌入矿井，从而造成水位降低，这将对GDEs产生不可逆的影响[35]。相关研究者将上述有关维系地下水与植被关系的水位阈值的概念引入煤矿区地下水位保护中，形成保水采煤学科中的生态约束条件。王双明等[5]提出了生态水位的合理埋深，指出地下水位埋深1.5～5.0 m为煤矿区维系表生生态环境良性发展的合理水位区间。马雄德等[32]对毛乌素沙漠植被(沙柳)与地下水关系进行下了长期监测，认为合理的生态水位埋深在1.5～5.0 m，当水位埋深大于2.15 m后，地下水不再给沙柳提供水源，且当地下水位埋深大于8 m后，大部分沙漠植被会发育不良，甚至枯死。

不同深度根系对水分的吸收很大程度上与土壤含水率的分布有关。当地下水位在煤层采动的影响下骤降后，就失去了对表层土壤含水率的调节，使根系层土壤逐渐变干，进而使植物根系吸水受阻并遭受干旱胁迫[36-37]。对于地下水位埋深较大，植物很难通过根系提升地下水的生态系统而言，地下水位的变化对生态系统的影响可能较GDEs小的多。此外，对于矿区的GDEs，合理安全的地下水位阈值至关重要。

因此，通过科学开采来实现保水采煤，满足生态环境对水位的约束条件，亟需解决以下5个问题:① 植被对地下水的依赖程度如何量化？② 如何识别一个地区的植被是否依赖地下水？③ 如何确定维系生态系统安全的地下水位阈值？④ GDEs对矿区地下水位骤变的响应机制？⑤ 如何监测GDEs的变化？

2 采动导水裂隙带预测

导水裂隙带是采动覆岩含水层与采空区建立水力联系的主要通道，导水裂隙带高度的预测一直是矿井防治水研究的重点，也是保水采煤研究的一个热点与难点。20世纪80年代，基于大量实测数据，我国煤矿水文地质学家总结了一套经验公式，有效指导了矿井水害预测和防治，如《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(下称“三下规范”)中列举的公式。这些公式以采高和覆岩坚硬程度为变量建立了导水裂隙带高度预测方法，在一定程度上满足我国水体下采煤工程实践的要求[38]。本世纪以来，采煤技术发展迅速，采煤工作面最大采高从20世纪80年代的3.5 m增加到目前的8 m以上，且5～6 m采高已经普遍应用，一次开采8 m以上的大采高工作面正在逐步推广。采煤工作面最大倾斜长度从不足200 m发展到现在的400～500 m;最大推进长度从2 000 m以内，发展到现在的8 000 m以上。采场采出空间的增大，造成顶板的损伤程度的增加，导高也会相应增大。之前总结出的经验公式显然已不再适用，许多矿区按“三下规范”预测的导水裂隙带高度与实测值存在较大差异[39-40]。

目前，用于导水裂隙带分析的主要方法包括理论分析、经验公式、数值模拟、物理模拟和钻探验证等。数值模拟可以计算不同岩性组合下多种开采方案下的导高，方便快捷。但数学模型的校正仍然依赖实际钻孔探测值，鉴于地质条件空间变异性大，基于少数钻孔建立的数值模型一般很难具有可推广性。尽管钻孔探测投资大、施工难，仍不失为一种获取导水裂隙带高度最直接最理想的方法。陕煤集团在榆神及神南矿区开采实践中，与陕西省一八五煤田地质有限公司协作，利用钻孔冲洗液漏失量、井中电视、测井曲线、岩心观察等方法，取得了一批探测数据。据探测，采煤工作面长度300 m左右、推进长度3～6 km，采高4.5～6.0 m时，除神东矿区等特浅埋煤层开采的导高直接发育到地表外，榆神府区导高一般是采高的19～30倍，平均约26倍，而且其空间形态轮廓为“拱形”(图2)，与传统的“马鞍型”完全不同。为此，建议今后的榆神矿区三、四期规划，可参考这一数据，对于煤层上覆隔水岩组厚度小于26倍采高的区域(适当加保护层)，应留作环境保护的缓冲地带，或者推行保水采煤技术，减少对萨拉乌苏组和烧变岩含水层结构的损伤。

图2 导水裂隙带发育形态Fig.2 Morphology of water-conducting fissure zone

现有的导水裂隙带高度探测，是在采高小于6.0 m的条件下实施的，对于采高大于6.0 m的综采工作面(8.8 m大采高工作面已经投产)，还没有实测的导高数据。另外，导水裂隙带高度预测并不能仅停留在通过单因素或多因素统计分析和建立回归分析预测模型。尽管这些模型在一定程度上具有一定的仿真性，但对深刻理解裂隙在基岩中演化发育机理并没有起到指导作用。

因此，如何通过采空区上覆岩体移动变形机理分析，建立理论模型来预测导水裂隙带高度、空间形态和演化过程仍然需要理论突破。

3 有效保护层厚度

3.1 顶板有效保护层

留设防水煤柱的目的是防止导水裂隙带波及到含水层，一般按最大导水裂隙带高度加上有效隔水层厚度给出。在确定了导水裂隙带高度后，有效隔水层厚度就成了实现保水采煤技术的关键所在。“三下规范”针对不同的覆岩岩性和松散层底部黏土隔水层厚度规定了有效隔水层厚度的取值范围，但同时又指出该方法不适用于综放开采。黄庆享认为，在上行裂隙和下行裂隙未贯通时，一定厚度的土层隔水层或基岩隔水层都能起到“保水”作用[10]。他根据“三下规范”指出普采工作面3倍采高的土层隔水层厚度或5倍采高的基岩厚度即可满足隔水的需要。但是在综放开采条件下，该方案是否可行，还需要进一步研究。

许延春[41]通过综采工作面实际观测和计算，认为3 m以上的黏土隔水层就可以阻断含水层与导水裂隙带之间的水力联系，并指出有效隔水层厚度应该根据地质、采矿和含水层等具体要素的综合分析来确定，一般可按3 m的倍数来确定有效隔水层厚度，即，一般的情况下取6 m，条件复杂的矿区，可取12 m或16 m。刘瑞新[42]针对兖州矿区厚煤层综放开采和分层开采中导水裂隙带进行了分析，发现厚煤层整层综放开采和分层综放开采中，有效隔水层厚度按1.5倍采高计算，可实现保水开采。李涛等[43]通过水-电比拟模型分析了有效隔水层厚度与上覆含水层水位变化规律，他认为离石黄土42.6 m或保德红土21.0 m为不造成潜水水位降低的最小有效隔水层厚度。

实际上，不管是离石黄土还是保德红土，在遇水后都具有一定的膨胀性，使裂缝宽度逐渐变小直至弥合，这会有效地减小已破坏隔水岩组的渗透性能，使其恢复隔水性能。如黄庆享发现榆树湾煤矿下行裂隙弥合率能够达到30%[14]，这使有效隔水层厚度的确定有了新的方向。即从模型计算得到的导水裂隙带高度和有效隔水层厚度在确定地质条件下，是否达到了隔水的效果，这需要通过地下水监测的方法来检验。有效隔水层的留设保证开采过程中地下水位的稳定和地表生态系统的维系、改善，因此，建立地下水位监测系统，实时掌控含(隔)水层结构保护效果，是西部煤矿区面临的一项重大工程。目前部分煤矿建立有一些地下水监测点，但没有与水文地质单元和采矿工程结合起来，无法控制地下水流场，也不能实时掌控区域性地下水位变化。

2015年以前，榆神矿区建成了73个地下水位自动化监测点(已纳入国家或省级地下水监测工程)，2018年新建了137个地下水监测井，大中型煤矿至少有1个地下水监测井，同时对泉、地表水体进行定期监测，从区域上全面监控地下水变化。在这样的基础条件支撑下，如何将原位监测的地下水水位动态与实际开采地质条件进行耦合，建立导水裂隙带、有效隔水层厚度等保水采煤关键参数的计算公式，是今后研究的一个新方向。

3.2 底板有效保护层

底板承压水保水开采中的有效隔水层的概念源于20世纪60年代提出的突水系数T计算公式，即

T=P/M

(1)

式中，P为煤层底板承受的水压力;M为煤层底板到承压含水层顶面之间的厚度。

由于在承压水体上开采时“下三带”会扰动破坏一定范围内的底板隔水层，使式(1)中有效的M值减小，因此20世纪七八十年代广大科技工作者基于实际观测和模拟试验，对式(1)进行了修正:

T=P/(M-Cp)

(2)

其中，(M-Cp)为有效隔水层厚度，也就是考虑了矿山开采对底板隔水层扰动后富余的具有隔水性能的隔水层厚度。《煤矿防治水规定》和《矿区水文地质工程地质勘探规范》中推荐采用式(2)计算突水系数。

当然，考虑底板岩层岩性和力学形式的差异[44]，以及奥陶系石灰岩顶部相对隔水层等，式(2)又有相应的改进。但《煤矿防治水细则》(2018)中推荐采用式(1)计算突水系数。其中考虑的主要因素就是有效隔水层厚度M的值要根据实际情况来定，并不是指煤层底板到承压含水层顶面之间的厚度，即隔水层厚度。由于隔水层厚度和有效隔水层厚度有本质的区别，这会造成依据《煤矿防治水细则》计算的突水系数值偏小，不利于保水采煤的进行。一个新的课题是，基于底板突水的保水开采中，底板有效隔水层厚度如何量化及其与众多影响因素之间耦合关系如何刻画，也是需要攻克的难题。

4 浅埋煤层岩层控制

依据矿压显现基本特征来看，浅埋煤层可以定义为埋深小于150 m，基载比小于1，来压具有动载现象[14]。对于浅埋煤层的认识与研究开始于20世纪90年代。西安科技大学对神府矿区大柳塔煤矿首采工作面进行了采前模拟，发现了“台阶下沉”和顶板切落灾害现象，后被生产实践所证实。侯忠杰等[12]揭示了地表厚松散层浅埋煤层组合关键层自身不能形成三铰拱式平衡的机理，建立了浅埋煤层断裂带基本顶判别的理论公式，使20世纪50年代以来长期悬而未解的断裂带基本顶层位问题在理论上得以解决，为浅埋煤层合理开采高度设计提供了依据，实现了安全高效开采。钱鸣高等[1]阐明了关键层破断后形成的砌体梁结构力学模型以及关键层运动对覆岩移动与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响。黄庆享[14]建立了浅埋煤层初次来压的“非对称三铰拱”非稳态力学模型和周期来压期间的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型，揭示了浅埋煤层顶板非稳态结构滑落失稳动力灾害的机理，阐明了浅埋煤层“埋藏浅、压力大”的科学原因。针对薄基岩厚沙土层的覆岩条件，发现了松散层载荷层的“动态载荷传递”现象，提出了载荷传递因子，揭示了顶板结构的动荷条件，促进了顶板灾变研究向动力学方向发展。上述研究，奠定了浅埋煤层采场顶板支护的理论基础，为浅埋煤层采场岩层控制提供了科学依据。

针对陕北侏罗纪煤田浅埋煤层开采岩层移动规律及生态环境破坏特征，黄庆享[14]通过固液耦合物理模拟和地裂缝实测分析，揭示了隔水岩组的隔水性受自下而上发育的“上行裂隙”和自上而下发育的“下行裂隙”发育规律所控制，提出了基于“上行裂隙”和“下行裂隙”导通性的隔水岩组隔水性概念。通过理论分析，给出了“上行裂隙带”发育高度和“下行裂隙带”发育深度的计算公式，建立了以隔水岩组厚度与采高之比(隔采比)为指标的隔水岩组隔水性判据，据此提出了控制导水裂缝不破坏隔水岩组隔水层的保水开采分类方法，基于榆神府矿区条件给出了分类指标范围，形成了浅埋煤层保水开采的岩层控制理论基础。

近年来，榆林、鄂尔多斯市境内的部分矿井首采煤层已开采完毕，逐步进行下部煤层开采。由于煤层间距一般小于40 m，属于浅埋近距煤层开采。该方面存在两大科学问题:① 上煤层采空区下不同间隔层厚度的顶板结构和来压强度不同，上煤柱集中应力对下煤层开采具有显著影响，存在煤层群岩层控制和安全开采问题;② 煤层群重复采动条件下，覆岩损伤及对含水层的影响机理与防控技术。

5 矿山生态重构与修复

保水采煤的目的是保护水资源，利用水资源，建设生态环境优美的矿山环境。长期以来，受高强度煤炭资源开采的影响，我国西部干旱矿区出现了严重的生态系统损害和退化现象，有些区域甚至涉及生态安全格局的核心，如水源保护区，使生态功能区的服务能力普遍下降。地下开采造成的生态损害主要有含水层结构破坏，地表水体、湿地面积缩减，立地条件损伤造成的植被退化的荒漠化风险加剧，弃土场、排矸场、塌陷区等对原有土地生态功能的摧毁，以及地貌景观、生物多样性消失等。

在实施“山水林田湖草命运共同体”战略的前提下，我国矿山生态恢复面临空前机遇和挑战。矿山生态环境影响机制，矿山生态损害监测与评价，矿山土地复垦与生态重建共耦技术，生态修复策略及效果评价等将是矿山生态重构与恢复研究的难点与热点。其中采矿迹地生态修复也是当前国际上生态环境恢复的重点对象之一，其工作内容主要包括矿山生态环境影响的消除和缓解、生态系统功能的重构和恢复等[45]。我国矿山生态系统的修复最初只关注采矿破坏的土地复垦，通过一定的工程措施使其恢复到可供利用的状态。随后，生态重建或生态修复的概念被提出[46]，进而矿山生态修复逐步向提高生态环境可持续利用和生态功能恢复方面过渡。在恢复生态学相关理论的指导下，包括土壤重构、含水层恢复、地貌重塑和植被重建[26，47]等一系列矿山生态系统恢复技术被开发出来。如张发旺[48]针对我国西部干旱区采煤破坏含水层及地下水资源的实际情况，提出了含水层再造的设想。顾大钊[49]提出利用采空区转移储存矿井水，建设地下水库的技术构想，并在大柳塔矿区进行了工程实践。胡振琪等[50]提出采用黄河泥沙充填采煤沉陷区，以达到恢复恢复地貌景观和复垦农田生产力的需要。在排除人工措施修复成本与效益担忧后，一些研究者发现人工修复的结果并不一定优于被破坏生态系统的主动自然修复效果。DOLEŽALOV等[51]对捷克北波西米亚褐煤盆地14个回填区和6个未回填区废石堆的水生境面积、池塘数量及其生境特征进行了比较，认为原生演替比技术复垦更有利于两栖动物的生存环境，应将其视为一种同等类型的采矿迹地恢复方法。因此，关于生态修复方向的争论，即应该营造新的生态系统还是维持生态系统的原生演替始终没有停止。生态重构和修复作为保水采煤的有机组成部分，应该始终在保水采煤理论的指导下开展工作[8]。