绿色开采定量分析与深部仿生绿色开采模式

张建民，李全生,2，曹志国,2，郭洋楠，郭俊亭

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100021; 2.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100021)

针对我国煤炭规模化开采引发的生态环境问题，如何依靠技术进步，通过煤炭资源与环境协调开采，将采矿活动对生态环境的影响降低到最小程度是煤炭开发亟待解决的重大实践问题。前人根据科学与实践的需要，相继提出促进煤炭资源与环境协调开发的先进理念及一系列面向不同情景的开采理念与集成技术体系，包括:煤炭资源与环境协调开采[1]、绿色开采[2-3]、保水开采[4-6]、仿生共采[7]、精准开采[8]、科学开采[9-10]等;同时结合具体开采实践也提出了针对性技术模式和解决方案，如绿色开采技术体系[11]、煤与瓦斯共采技术[12]、保水开采[13]、煤-水仿生共采模式、煤-铀共采模式[14]和煤矿地下水库模式与关键技术[15]。为客观评价煤炭开采的科学性，相继提出了协调度评价方法[16]、科学开采产能评价方法[10]、科学采矿评价指标体系和指数评价模型[17]。

绿色开采作为一种先进的开采理念和技术，是在煤炭安全高效开采技术发展基础上，针对开采引发的生态问题而提出的技术愿景和实践解决技术途径。前人提出的各种绿色开采模式及集成技术极大丰富了我国煤炭现代开采技术的内涵，而特色各异的绿色开采评价指标体系和方法又为定量分析绿色开采水平提出了有益的方法。然而，绿色开采本质上也是涵盖自然资源、生态、采矿等要素和复杂耦合关系的系统工程，笔者则秉承“绿色开采”理念，试图从系统工程和生态学视角，将开采过程与生态系统响应相结合，探究绿色开采内涵与“边界”、绿色开采定量评价方法、控制绿色开采水平的主要因素及顺应自然生态规律的深部煤炭绿色开采模式，为深部煤炭绿色开采实践提供适宜的理论与方法。

1 采矿生态复合系统及损伤

1.1 采矿生态复合系统

煤炭绿色开采是在安全高效保障和生态环境要素约束下的采矿工程，从系统学看它包含了采矿工程要素(采矿装备、工艺、煤岩体等)和自然生态系统要素(水、土、植被等)、开采“激励”作用过程中各种要素间动态耦合关系和生态要素(地下水系统、土壤和地表植被等)的开采响应，是采矿系统和自然生态系统组成的复合系统(简称为“采矿生态系统”)。系统的空间域是自然生态系统受采矿影响的范围，时间域是采矿对生态系统的持续作用时间，生态要素外在表象则反映了采矿作用下生态系统状态变化。

如以S表达采矿生态系统的状态，S0为无开采激励作用时系统原态(或“自然”状态)，St为开采激励作用时系统响应状态，Mt为开采激励，则系统状态可表述为

St=M(x,mc,…,t)⊗S0(x,c,w,v,……)

(1)

式中，M包括状态点空间位置x及开采参数组mc(采高hc、采宽Lx、采深H0和推进速度等);S0函数包括煤、水、气和生态(c,w，g,v)等资源要素及状态参量;t代表时间;⊗为耦合关系算子，且有St=S0(t=0)。

1.2 采动“激励”生态响应机制

煤炭开采是持续对煤岩体施加作用(简称为采动激励)，周围生态要素受到影响并发生变化的过程(简称为生态响应)。该过程中，采矿生态系统不同要素之间耦合作用方式(如水-岩、水-土等)决定了生态要素变化尺度、变化强度和显现范围(或生态“异常”响应)。根据采动激励与生态系统要素(水、土、植被等)相互作用和彼此影响方式，耦合作用(图1)主要显现为:

(1)采动耦合作用。该作用是指采动“激励源”(使用开采装备持续挖掘)与煤岩体间相互作用现象。采动耦合作用中，采动应力致使原岩破碎或产生裂隙构造，导致采动煤层覆岩原岩的直接损伤，形成的采动覆岩“导水裂隙带”为地下水流动提供了异常通道。

图1 采动“激励”生态响应机制

(2)水-岩耦合作用。该作用是指地下水系统与采动岩体间的相互作用现象。由于导水裂隙带建立了采区地下水(含水层岩石空隙水)泄漏通道，驱动地下水区域流场重新分布，破坏了原有地下水系统补-径-排原态平衡关系，造成自然含水层失水和地下水系统失衡。

(3)水-土耦合作用。该作用是指浅层地下水(土壤水和潜水)与近地表受采动影响岩土间相互作用现象。采动作用下地下潜水流失(地表蒸发或地下渗流)，致使地表土壤水蒸发，且缺失地下潜水补给，改变了植物生长的水分条件，提高了地表水土流失和植被退化程度，导致原态地表土壤功能下降。

(4)采动传递耦合作用。该作用是指采动“激励源”与地表层岩土相互作用现象。该作用通过岩体介质将采动应力作用传递至地表，造成地表生态载体—地表层岩土结构破碎，引发地表裂缝和沉陷、植物根系拉伤、土壤含水性和养分降低等，造成水土流失和植被退化等生态响应现象。

(5)传导耦合作用。该作用是指采矿生态系统与外部生态系统的相互影响现象。采矿过程中无法处理或“消纳”的废弃物(废矸、废水、废气等)外排，通过地表堆积、流域排放和空气传播形式将采动影响“传导”至系统外部，致使原态区域生态环境(土壤、水域、大气等)产生“污染”现象。

由于各生态要素(水、土、植被等)的空间赋存位置和空间耦合方式差异，生态“异常”响应具有显著的时空特点。如果将采矿生态系统状态空间St中采动覆岩概化为含两个含水层的5层介质，采动激励生态响应可概化为 “台柱状”采动耦合效应区(Vr)、“台柱+盆”状水-岩耦合效应区(Vw1+Vw2)、“曲面态”水-土-植被耦合效应区(Sk+Sc+Sw)及扩散态外部传导区(图2)。

图2 采动激励耦合空间概化模型

1.3 生态损伤

采动激励引发的生态“异常”响应，反映了生态系统各要素原始状态与采动激励作用状态相比发生的负面变化(或受损)，各要素受损的集合即为采矿作用下生态系统的损伤(简称为生态损伤)，或是生态系统各要素与采动“激励”耦合响应结果的总和。生态“异常”响应也是采矿生态系统的重要特征。

基于采矿生态系统中岩、水、地表生态三大基本类型和内在耦合关系，结合以往相关研究与认识[18-20]，按照科学性、代表性、可操作性原则，优选反映“受损”状态的主要参数，通过比较原态与受损态时相对变化描述生态损伤程度。

(1)采动覆岩。采动覆岩泛指采动煤层之上至地表的一套地层，也是地下水赋存和地表生态要素的载体，导水裂隙带和地表塌陷等是采动覆岩原岩响应的主要标志。导水裂隙带越高和裂隙越发育，采动覆岩受损程度越大;当导水裂隙带延伸至含水层时，裂隙越发育则渗流性越好，含水层受损程度越大;导水裂隙带距地表越近，地表层结构破坏越强烈，对地表生态要素影响也越大;采动固体废弃物(如矸石)排出量越大，对外部生态环境影响越大。据此提出可描述采动覆岩受损状态的主要参数为

(2)

式中，φrr为采动覆岩裂隙发育因子;φrw为含水层损伤因子;φre为地表结构损伤因子;φrd为传导因子;下标r,w，e和d分别代表采动覆岩、地下水、地表生态要素和损伤扩散作用;∑ΔHwc和∑ΔHw为导水裂隙带中含水层厚度及采动覆岩中含水层总厚度;C0和Ct为产矸量和排矸量。

(2)地下水系统。地下水系统泛指自然赋存的含水层及相互间的补-径-排关系。采动激励引发的采区涌水(或矿井涌水)和地下水“漏斗”扩散，导致地下水自然系统“失水”和补-径-排原态关系紊乱，也是地下水系统的采动响应主要标志。矿井水涌出量与自然含水层失水量相对呈正比，自然含水层受损厚度越大，其储水功能越差;第四系潜水含水层水位下降越大，补给地表生态能力越差，且对自然地表生态影响越大;相同矿井水涌水量时，采深越小和含水层厚度越大，地下水漏斗范围和地表生态受影响面积越大。据此提出可描述地下水系统受损状态的主要参数为

(3)

(3)地表生态。地表生态涵盖土壤、包气带水、植物等要素及内在耦合关系。植被退化是采动地表生态响应的宏观显现，土壤结构碎裂化(地表裂缝)、土壤水(包气带水)流失和植物根系损伤是地表生态响应重要标志。植被覆盖度降低越大，意味着地表生态退化越严重;地表裂缝密度越大，包气带含水率降低越大，对土壤和植物根系破坏越强，则地表植物受损程度越强。据此提出可描述地表生态受损状态的主要参数为

(4)

式中，φev为植被覆盖度因子;φes为土壤损伤因子;φew为包气带失水率;φeg为植物根系损伤因子;下标v,s和g分别代表植被、土壤和植物根系;N0为自然植被覆盖度;Nt为采后植被覆盖度;Sc为单位开采面积;Dt和Lt分别为平均裂缝宽度和裂缝总长度;ρ0为包气带采前自然含水率;ρt为采后含水率;γg为单位面积植物根系损伤率。

(4)区域生态。区域生态泛指影响区域人类生存与发展的水、土地、生物及气候资源等。开采主要废弃物(如矸石、废水、废气)通过固态堆积、流域辐射、气体扩散等途径向采矿生态系统外部区域输出，造成区域生态自然状态的“紊乱”。废弃物外排是对外部生态损伤的主要方式，当系统内形成的废弃物总量一定时，排弃比例越大，对区域生态影响程度也越大，而外排废弃物与周围传导介质的深度耦合作用(如矸石与废弃水、煤泥等)都增加了采矿对区域生态的影响程度。据此提出可描述外部生态受损状态的主要参数为

(5)

式中，φpr为固体废物排弃率;φpw为废水排放率;φpg为废气(有害气体)排放率;φpd为耦合影响因子;Rt为固体废弃物排弃量;R0为固体废弃物产出总量;Qt，Q0分别为矿井水排弃量和产出总量;Vt，V0分别为有害气体排放量和产出总量。

此时，如以St代表系统的受损状态，t为时间，则St与原态S0比较，其相对变化λt为

(6)

其中，λt为采动激励作用下采矿生态系统的受损状态，可定义为“生态损伤系数”，采用各因子描述

λt=f(λ1,λ2,λ3,λ4,t)(λt≥0)

(7)

式中，f为由fr，fw，fe，fp因子共同决定的函数，fr，fw，fe，fp代表了生态损伤相互独立的要素(采动覆岩、地下水系统、地表生态、区域生态)层函数，而φij(i,j=r,w,e,p)则代表相互独立要素间耦合关系。

当λt=0时，系统相对无损伤，系统状态维持原态或优于原态;当0<λt<1时，系数越大，系统受损状态与原态差异越大，生态损伤程度也越大，当生态损伤系数λt=1时，系统为颠覆性破坏状态。

2 绿色开采定义及度量

2.1 绿色开采定义

绿色开采是人们借用自然绿色描述一种煤炭开采与自然和谐的情景。自然界中绿色则是代表安全、自然、环保等深意的颜色，从生态学角度则代表一种稳定、平衡且可持续的自然生态系统状态，而开采扰动导致生态损伤，破坏了生态系统原态的稳定与平衡状态。从采矿生态系统视角，绿色开采则可定义为:遵从自然生态规律和煤炭开采生态约束机制，依托先进与适用的开采技术控制和降低生态损伤程度，最大限度保持生态系统原态自然稳定关系，实现采矿与生态环境相协调的特殊采掘活动。其内涵包括:

(1)绿色开采是一种受自然生态规律约束的采掘活动。当采掘活动与自然生态环境耦合作用时，突破自然资源和生态环境约束将导致生态系统不可修复。只有遵从自然规律，采用适宜的开采方式有效控制生态损伤程度，建立开采扰动和自然生态环境间协调平衡，才能达到开采与生态的“和谐”状态。

(2)绿色开采也是一种先进的开采方式。开采效率最佳、采出率最好和采矿环境扰动最小是现代开采的基本目标。而绿色开采顺应了自然生态规律，强化自然资源和生态环境承载力约束，突破传统开采方式的局限，集成先进和适用的开采及生态保护技术，通过优化组织开采过程，建立煤炭开采与生态环境之间的最佳耦合关系，确保生态要素基本性质和关系变化最小。

(3)绿色开采还是一个减少排放与“消纳”废弃物的过程。采矿生态系统与外部环境能量交换过程中，废弃物(废矸、废水和废气等)通过空气传播、水域流动和土壤迁移等途径扩散，造成生态受损的区域影响辐射。绿色开采通过调整传递耦合基本关系和排弃的物料性质，最大限度消纳利用废弃物，追求系统的“零排放”或“有效”输出，降低煤炭开采对区域生态的辐射影响。

因此，绿色开采本质上是在安全高效开采基础上，顺应自然生态规律，依靠技术进步重构开采过程或优化开采程序，协同煤炭开采与生态环境保护，实现煤炭规模开采的高安全度和生态系统原态的高保真度。

2.2 绿色开采度量

绿色开采核心是最大限度降低生态损伤程度与保持生态系统原态自然稳定关系，而降低损伤程度和原态保真程度则表征了开采的绿色水平。如果采用绿色的纯度(简称为“绿度”)代表开采的绿色水平，则绿度越大，意味着开采损伤程度越小、生态系统原态保真度越高。针对采矿生态系统的复杂结构、动态特性及环境不确定性，以采前自然稳定状态作为参考基点，通过采前与采后状态比较，度量开采绿色水平，两种不同开采方案的绿度比较可度量绿色开采的相对水平，评价绿色开采的先进性和生态保护效果。

如S0代表生态系统自然稳定状态(或原态)，设Sa代表安全高效开采“激励”方式的系统状态，λa为生态损伤系数，代入式(6)则得

Sa=(1-λa)S0

系数1-λa与生态损伤系数相比，意味着开采激励作用降低了与系统原态一致性水平，或采后生态系统原态保真程度。若将原态保真程度定义为“绿度”G，则a开采模式的绿度为

Ga=1-λa

(8)

可见，绿色开采的生态学意义就是通过调整开采激励方式和控制开采激励过程，降低开采对系统的生态损伤水平或提高生态系统原态保真水平。

如Sg代表绿色开采“激励”时系统状态，则

Sg=(1-λg)S0

将绿色开采与安全高效开采两种“激励”方式间的绿度比较，其绿度差异ΔG为

采用η代表绿度相对差异，则有

(9)

式(9)表明，绿色开采水平η是与绿色开采和安全高效开采之间的生态损伤差异成正比，它反映了绿色开采降低生态损伤的本质特征和要求，即，通过精准控制开采过程，最大限度降低开采对生态系统损伤程度。同样可以比较任意两种开采“激励”方式之间开采绿色相对水平。

3 绿色开采数学模型

3.1 模型假设

3.1.1采矿生态系统情景

基于煤炭规模化开采区域和主流开采工艺，模型构建选择简单开采地质条件，兼顾东部和西部生态特点选择基本参数和取值范围。其中：

(1)煤、岩层呈水平层状且均匀分布，岩性以中硬岩为主，开采煤层深度300～1 200 m，涵盖浅部与深部开采状态;含水层n层，总厚度100 m，第四系含水层潜水面深度为5～10 m;地表植被自然覆盖度30%～50%，土壤包气带自然含水率7%～15%。

(2)开采优选超大工作面布局(如工作面宽度Lx≥300 m，推进长度Ly>1 000 m)，采高3～15 m，一次采全高综采或放采工艺，平均推进速度3～15 m/d，采用顶板全部垮落式管理方式。

(3)采动响应参数中，导水裂隙带高度一般取15～21倍采高距，含水层失水厚度与总厚度比为0.20～0.70;矿井水涌出量5 000～10 000 m3/d;采前植被覆盖度为30%～60%，采后相对变化为10%～50%;采前包气带含水率为0.05～0.20，采后相对变化为0.2～0.9;地表裂缝密度为单位推进距离产生的裂缝平均宽度与长度之积与推进面积之比;植物根系损伤率控制在0.01～0.40。

3.1.2系统的空间耦合关系与时间特征

(1)耦合关系及算法设定。假设采矿生态系统中岩、水、地表生态等均为相互独立要素、具有独立状态和相互依存关系，每个状态中包括了自耦合与互耦合作用(图3)，其中自耦合反映了要素内部(岩体、水体等)作用，互耦合代表两种要素(水-岩、水-土)的互影响作用。该状态中所有耦合的平均水平近似代表了独立要素的受损状态。因此，独立要素可取和(+)算子，互耦合作用取积(×)算子。

图3 采矿生态系统耦合响应与绿度评价

(2)生态自修复。安全高效开采模式下，采动覆岩裂隙具有一定程度的自闭合趋势，而软岩泥化作用又逐步降低了裂隙渗流性，地表裂缝、土壤水分和养分、植被根系等均有向采前状态恢复趋势，意味着采后生态系统有自修复趋势[20]。生态自修复程度和时间t为与各要素受损程度和其自身特性有关，随着t增加，自修复程度达到相对稳定状态，此时可用指数衰减函数e-at表征时间特性，a为要素的衰减因子。

(3)排放废弃物自然扩散与降解。排放废弃物通过地表土壤、水体和气体流动途径形成自然扩散，如露天堆放煤矸石经风化与淋溶作用使污染组分降解并通过土壤沉积和地下水流动迁移[21]，排放至流经河流的污染水体，经吸附、吸收、沉淀等作用逐步“降解”在河流底泥中并达到稳定状态[22-23],排放的大量瓦斯经大气“稀释”作用后污染物浓度随扩散距离增加而逐步低于国家二级排放标准[24-25]。表明，排放废弃物的污染强度随与污染源距离增加而衰减，超过一定距离时污染水平低于排放标准，意味着其外部生态影响被“降解”在一定空间范围内。

如设污染物p(废矸、废水和废气等)的输出率为φpd，环境影响扩散衰减系数ap，初始浓度kp，传播距离Dp，污染作用时间Tp，环境影响强度呈指数衰减，则环境影响系数σp可表征为

σp=φpde-apt

(10)

式中，ap=kp/Dp/Tp为环境影响衰减系数。

式(10)表明，污染衰减速度与污染源强度成正比，与传播距离和作用时间成反比。污染衰减速度越快，污染影响距离和影响时间越小，意味着区域生态环境“降解”能力越强;污染物排放对区域生态的影响系数与输出率呈正比，即排放强度越大，生态损伤外部输出强度越大，对区域生态环境影响越大。反之，“零排放”也意味着绿色开采的外部最优生态响应。

排放废弃物情形选取矸石排弃率0.10～0.50，周围影响距离2 km;矿井水排放率0～0.8，沿水系影响距离10 km;废气扩散率0～0.5，传播影响半径100 km。

3.1.3系统主要边界条件

采矿生态系统开采激励作用发生在一定空间范围内，岩、水、土、植被等的自耦合作用与互耦合作用随时间推移逐步达到稳定状态。因此，在采矿生态系统的空间Ω中，包含了采动覆岩受损空间Ωr、地下水系统受损空间Ωw、地表生态受损空间Ωe和区域生态受损空间Ωp;岩、水、土等要素的耦合作用发生在其空间交集中(如Ωw×Ωe)。

此时，系统的空间边界条件可简化为

(11)

式中，t1,t2,t3,t4分别为受损空间达到稳定状态的时间，相应的损伤因子值为趋于稳定值。

3.2 数学模型

依据采矿生态系统耦合空间关系和受损时间变化特征，将岩、水、地表生态和外排因子作为系统内独立状态因子，生态损伤表征为3种形式，即:自损伤(如采动覆岩、地下水系统失水等)、耦合损伤(采动覆岩与含水层地下水、地下水与地表土壤和植物互作用等)、扩散损伤(如矸石排放污染、矿井污水外排污染等)形式。

设3种损伤形式相对独立且独立状态中各种损伤形式具有可加性，代入式(7)时，系统的生态损伤度可表达为

(12)

式中，n为损伤状态类型总数;m为损伤形式总数;a为时间衰减系数，由自修复周期实验或研究确定;τij为因子权重。

鉴于各独立要素是生态系统不可或缺的组成部分，设各要素对生态损伤和各耦合作用对生态要素损伤都具有同等贡献，且损伤状态为最大时(a=0),则

(13)

基于式(13)获得岩、水、地表生态因子和外排因子的损伤程度(n=1,2,3,4时)和系统损伤程度，其中的耦合损伤项(岩-水、岩-土等耦合)取积算子(如岩-水耦合为φrw×φwr)。应用式(8)和(9)，进一步计算获得系统的绿度和绿色开采相对水平。

3.3 结果分析

3.3.1生态损伤因子分析

(1)采动覆岩。

模型分析表明，采动覆岩损伤与采高、采深和回采推进速度密切相关，同时覆岩损伤后水-岩耦合作用增加了损伤程度(表1)。在一定的开采环境条件下，随采高增加和采深变浅，覆岩自损伤程度和对地表生态影响程度相对增加，岩-水耦合作用程度相对下降，总体上覆岩损伤绝对值增加。与采高3 m比较，采高6 m和10 m时覆岩损伤程度增加31%和93%;随采深增加，覆岩自损伤程度和对地表生态影响程度下降，岩-水耦合作用相对增强，覆岩损伤程度总体呈下降趋势。与采深300 m时比较，500,800和1 200 m时损伤程度仅为其82%,73%和68%;回采推进速度增加时，采动覆岩损伤的绝对值下降，自损伤和水-岩耦合作用程度相对增加，但对地表生态影响程度降低。与推进速度6 m/d相比，推进速度9 m/d和12 m/d时采动覆岩损伤绝对值分别为其95%和92%。

(2)地下水系统。

模拟分析中将矿井水涌水强度作为系统自损量，与含水层储水功能有关的总厚度和失水厚度、与地表生态密切相关的第四系含水层深度和失水厚度作为耦合因素。结果表明(表2)，随着矿井水涌出量和含水层失水厚度相对增加，地下水系统绝对损伤强度增加，其中，自损强度相对增加，水-岩耦合作用强度呈弱增加，而第四系含水层降深稳定时对地表生态影响作用相对呈弱减趋势，矿井废水零外排时损伤扩散影响为0。与矿井涌水量2 000 m3/d时损伤程度相比，5 000 m3/d和10 000 m3/d时系统损伤程度增加0.56倍和1.44倍;相同矿井涌水量时，随着含水层失水厚度比和第四系含水层下降深度增加，系统损伤强度总体呈微增趋势，其中，水-岩耦合作用影响增加，水土耦合作用微增。随着采深增加，覆岩自损伤程度和对地表生态影响程度下降，岩-水耦合作用程度相对增加。可见，地下水系统原态关系的保护对降低开采生态损伤具有重要的控制作用。

表1 采动覆岩损伤因子计算样例

Table 1 Damage comparison of mining strata

工况采深/m采高/m自损伤作用岩-水耦合作用岩-土耦合作用损伤扩散作用总损伤度Ⅰ30030.220.730.020.020.17Ⅱ30060.340.560.090.010.22Ⅲ300100.390.380.2300.32Ⅳ50060.250.680.050.020.18Ⅴ80060.170.760.040.030.16Ⅵ120060.120.810.020.040.15

(3)地表生态损伤。

模拟分析中将地表植被盖度变化作为地表生态自损伤直观反映，与采动作用有关的地表裂缝和根系损伤、土壤包气带含水性、对地表植被影响较大的第四系潜水层实际水位与生态水位的差异等作为耦合因素。结果表明(表3):采前包气带含水性与采后相同时，采后植被盖度微减(5%)时，随地表裂缝体密度和植物根系损伤率增加，地表生态损伤强度呈增加趋势。其中，自损作用和土-水耦合作用影响占比逐步降低，土-岩耦合作用影响占比逐步增大;当地表裂缝体密度不变时，随着植被盖度微减和根系损伤率微增，地表生态损伤程度相对变化较小，其中土-岩耦合作用影响降低幅度较大。

表2 地下水系统损伤因子计算样例

Table 2 Damage comparison of groundwater system

工况矿井水涌水量/(m3·d-1)含水层失水厚度比Q含水层降深/m自损伤作用水-岩耦合作用水-土耦合作用损伤扩散作用总损伤度Ⅰ20000.350.300.240.190.270.09Ⅱ50000.450.500.290.130.090.14Ⅲ100000.550.630.290.080.000.22Ⅳ50000.350.260.080.560.090.27Ⅴ50000.4100.260.150.550.050.27Ⅵ50000.5150.250.220.530.000.28

表3 地表生态损伤因子计算样例

Table 3 Comparison of surface ecological damage factors

工况植被盖度变化/%裂缝体密度根系损伤率/%自损伤作用土-水耦合作用土-岩耦合作用根系损伤比总损伤度Ⅰ0.150.300.200.260.520.110.100.14Ⅱ0.250.200.300.380.460.070.090.16Ⅲ0.350.150.400.470.400.040.080.19Ⅳ0.300.300.300.370.370.160.110.20Ⅴ0.200.200.250.330.490.100.080.15Ⅵ0.100.150.200.220.650.070.060.12

注:包气带含水率采后比采前相对降低40%。

3.3.2绿度分析

绿度反映了采矿生态系统受损状态与原状态的差异，绿度越高代表生态损伤越小。研究选择对系统损伤影响较大的参数和生态自修复影响，模拟分析系统绿度变化及生态独立要素的原态“保真度”。其中，G为绿度，Gr,Gw和Ge分别代表采动覆岩、地下水系统和地表生态的原态保真度。

(1)开采强度影响。在确定的开采工艺技术条件下，通过增加回采推进速度提高开采强度时，绿度呈现相对增加趋势。与推进速度5 m/d比较，10 m/d和15 m/d时生态损伤强度降低18.6%和24.8%，绿度相对提升3.6%和4.8%(图4(a))。其中，因单位时间回采量增加和矿井涌水量相对降低，采动覆岩损伤程度相对增加，但地下水系统损伤程度逐步降低，地表生态损伤程度也相对降低。由于开采强度增加导致废弃物外排总量增加，外部生态损伤强度相对增加。与推进速度5 m/d比较，10 m/d和15 m/d时采动覆岩损伤相对增加7.7%和11.2%，地下水系统损伤相对降低13.2%和18.9%，地表生态损伤相对降低2.8%和4.0%。

图4 推进速度、矿井涌水量和“自修复作用”对绿度影响趋势

(2)矿井涌水量影响。在确定的开采工艺和开采强度时，随着矿井涌水量增加，绿度呈下降趋势(图4(b))。与涌水量2 000 m3/d相比，涌水量为5 000 m3/d和10 000 m3/d时系统绝对损伤强度增加8.5%和22.7%，绿度相对降低1.2%和3.2%。其中，因单位开采量的矿井涌水量相对增加，地下水系统损伤影响程度相对增加22.6%和53.4%，采动覆岩损伤程度相对下降7.8%和18.5%，地表生态损伤程度相对下降且与其相近。

(3)自修复作用影响。采后导水裂隙带局部自然闭合、植被盖度自然增加、包气带含水率恢复等都体现了生态自修复趋势。设采后与采前相比，自然盖度由40%下降到20%，包气带含水率由15%下降到7.5%，根系损伤率30%。根据研究[20]设定2 a渐进式自修复过程，若设自修复作用导致采动覆岩损伤程度降低20%，植被盖度相对增加24%，包气带含水率相对提升25%，根系损伤率下降到18%。模拟结果表明(图4(c))，自修复作用后与采后直接损伤状态相比，系统绝对损伤强度相对降低21.2%，绿度相对提升4.3%。其中，采动覆岩损伤程度相对下降16.6%，地下水系统损伤程度相对降低6.5%，地表生态损伤强度相对下降48.2%。

3.3.3绿色开采水平比较

绿色开采水平分析是基于安全高效开采工艺和集成技术，以安全高效开采绿度为参考基准，系统比较不同绿色开采技术的绿色开采提升水平。为此，设计4级阶梯式优化绿色开采分析模型及参数，即:Ⅰ—开采工艺优化;Ⅱ—地下水系统损伤控制;Ⅲ—地表生态系统修复;Ⅳ—外排减排控制。

将各阶段改进效果与以安全高效开采的基准水平比较，获得各阶段控制后绿色开采提升水平，见表4。其中，安全高效高效开采模型参数取:采高7 m，采深500 m，导水裂隙带高度分别为15,18,21倍采高，其他开采地质环境参数相同。各阶段参数变化如图5所示。

表4 绿色开采水平计算结果

Table 4 Comparison of green mining level

工况编号GI开采工艺GⅡ地下水保护GⅢ地表生态修复GⅣ减排控制10.7630.8500.9000.95520.7900.8690.9170.95930.8050.8810.9320.96040.8120.8850.9480.962(G-Ga)/Ga6.4%16.0%24.2%26.1%

注:1～4为分级(Ⅰ～Ⅳ)优化改进的4种工况。

(1)优化开采工艺。开采工艺确定后，通过控制回采推进速度(5～15 m/d)降低开采生态损伤程度时，与安全高效高效开采相比，推进速度15 m/d与5 m/d时比较，绿色开采水平相对提升 6.4%。其中，采动覆岩受损程度相对下降14.1%，地下水系统受损程度相对下降约30%，地表生态受损程度相对下降8.8%。

(2)地下水系统保护方法应用。在优化开采工艺基础上，通过进一步控制导水裂隙带高度、矿井水涌水量和第四系失水深度，降低开采对地下水系统损伤程度。当矿井涌水量10 000 m3/d减少到1 000 m3/d时，地下水系统保护水平相对提高38.4%，在优化开采工艺基础上提高20.7%，绿色开采水平也提高9.4%，达到16%。其中，采动覆岩受损程度相对降低26%，地下水系统受损程度相对降低64%，地表生态受损程度相对降低39%。

(3)地表生态修复。地表生态修复是将人工快速修复措施与生态自修复能力相结合，提高修复效率。人工快速修复采用随采随填，降低地表裂缝发育度和保持土壤包气带自然含水率方法，促进植物根系破坏部分恢复，确保地表植被盖度尽快恢复到采前水平。分析表明，当自然覆盖度相对影响由25%降低到10%时，地表生态保护水平相对提高29.7%，在优化开采工艺和地下水保护基础上又提高16.2%，绿色开采水平进一步又相对提高8.0%，总体相对提高24.2%。其中，采动覆岩、地下水系统和地表生态的受损程度分别相对降低30.2%,78%和86%。

图6显示了绿色开采水平相对提升效果，其中Ga和GL分别代表安全高效开采和绿色开采时的总绿度，GLr,GLw,GLe和GLp分别代表采动覆岩、地下水系统、地表生态和区域生态部分保真程度相对提升效果。结果表明，优化开采工艺后绿色开采水平相对提高6.4%，与保水开采措施相结合时相对提高1.5倍，进一步与生态修复相结合时又相对提高0.51倍。其中，针对地下水系统保护(Gw)和地表生态修复(Ge)所采取的集成技术应用对较大幅度提高绿色开采水平有显著作用。

3.4 实例应用

神东矿区位于鄂尔多斯高原东南部及陕北黄土高原北缘，区内广泛覆盖着现代风积沙及第四系黄土，多为典型风积沙和黄土沟壑地貌，属于西部典型生态脆弱区。该区含煤地层中下侏罗统延安组分布广泛，主采煤层包括5层，其上覆基岩主要由砂岩和泥岩组成，总体上具有浅埋深(30～230 m)、薄基岩、厚松沙、富潜水的赋存特点和易开采优势。

研究选择该矿区12个正在开发的井田，分析数据采用现场收集与经验估计相结合方法。全区数据统计表明，目前煤炭开采均采用超大工作面综采工艺和顶板全垮落管理方式，平均采深达243 m，采高4.4 m，工作面宽度304 m，回采推进长度3 700 m，推进速度9.7 m/d。开采煤层距顶板含水层距离为53 m，第四系含水层深度为25 m，矿井涌水量8 368 m3/d。

全区绿色分析比较表明(图7)，煤炭开采对地下水系统损伤最大，地表生态次之。其中，补连塔矿、锦界矿、石圪台矿、柳塔矿等矿开采对地下水系统损伤相对较大，原因是开采导水裂隙带发育高度相对较大、回采工作面推进速度慢且矿井涌水量大等;各矿开采绿度(Gk)和全区平均开采绿度(GQ)比较发现，大柳塔矿、寸二矿、宝德矿、上湾矿、榆家梁矿的开采水平优于全区平均水平，而榆家梁矿所有指标均优于全区水平。柳塔矿、补连塔矿、锦界矿、石圪台矿则低于全区平均水平。其中，补连塔矿、锦界矿和石圪台矿至因是地下水系统受损程度相对较大，而柳塔矿则是地表生态受损程度相对较大，而大柳塔矿浅埋藏煤层开采时地表生态修复问题仍需引起高度重视。

图7 神东矿区各矿绿色开采相对水平比较

4 深部仿生绿色开采模式

4.1 深部开采特点

(1)深部采动煤岩处于高应力状态区。深部开采与浅部开采相比，是在具有高应力环境和非线性力学响应的煤岩体空间实施的特殊采矿活动[26]。此时，深部开采区域煤岩处于准静水压力环境或激发准静水压力状态，采动应力响应由浅部构造应力为主转变为垂直应力作用为主，岩石力学响应由完全的弹性形变过渡到脆塑性形变—塑性流动状态，出现煤体片帮、冲击地压、动力灾害、围岩大规模动力失稳等现象，顶底板附近易形成塑性大变形带。西部矿区含水层赋水性较强区和软岩类采动覆岩层发育区，深部状态在深度500 m左右时就显现强烈[27]。

(2)地下含水层丰富。深部开采区域与浅部相比，相对采深增大，采动覆岩中含水层和第四系地层含水层厚度也相对较大。如，鄂尔多斯红庆河煤矿主采侏罗纪延安组3-1煤，采深超过600 m，煤层顶板覆岩厚度含水层约占74%，其中软岩、中硬岩和硬岩中含水层厚度分别占14%,45%和15%。同时，由于含水层极易损伤，大量低位地下水渗流涌入矿井，而高位地下水垂直向下补充，致使矿井涌水量较大且外排周期长。

(3)地表生态的采动损伤敏感性差。深部开采极不充分致使地表下沉值和下沉速率均较小，地表通常呈现一定范围内整体下沉，当采深不变时随工作面长度增加，沉陷影响范围扩大[28]。与浅部开采相比地表裂缝不发育，对地表土壤和植物损伤程度相对较低。

4.2 深部仿生绿色开采模式

仿生绿色开采是以自然稳定的生态系统原态为参照，将安全高效开采与生态保护有机融合，通过协同控制开采全过程，实现 “高保低损”(生态系统的高保真度和低损伤度)。深部仿生绿色开采模式则是深部开采情境下对仿生绿色开采的规律性、内在机制和基本特征的概括描述，是基于深部开采情景，按照安全高效、经济可行、生态有效原则构建的绿色适用型解决方案(图8)。

图8 深部“仿生”绿色开采模式

(1)仿生绿色开采原理[29]。

采动生态损伤是采后生态系统自然内在关系(覆岩、地下水系统和地表生态间)的变化响应，其损伤程度取决于采动激励源和“岩-水-土”动态耦合关系。“仿生”绿色开采就是参照自然生态系统中采动覆岩、地下水系统和地表生态等要素之间的原态结构及内在基本关系，通过辨识开采过程中响应规律和主要控制因子，集成先进和适用的技术，协同控制开采全过程，最大限度的保持原态或重构与原态相近的结构与关系，实现“高保低损”的绿色开采目标。

(2)深部仿生绿色开采调控机制。

深部开采中地下水系统补-径-排关系紊乱是生态损伤的主要特征。根据采动影响主要参数(涌水量、渗流通道、失水含水层等)，采用“降高、减水、快治、少排”等方法，协同调整采动覆岩损伤程度(导水裂隙带发育高度、裂隙发育程度)、控制地下水渗流通道、隔离失水含水层与导水裂隙带联通关系等，降低地下水系统“紊乱”程度，重构与原态相近的生态系统要素关系。

(3)深部仿生绿色开采模式特点。

强调遵从自然规律。生态系统诸要素在自然力作用下逐步形成的基本关系具有稳定性和合理性。该模式参照自然稳定状态，根据采动生态损伤状态与生态原态差别集成适宜的开采工艺与技术，旨在稳定诸要素的自然合理关系、或改进生态要素间的合理关系，提升生态系统稳定性和健康状态。

突出深部开采生态损伤重点问题。深部与浅部开采比较表明，地下水系统关系紊乱是深部开采的突出问题。该模式通过确定控制导水裂隙带高度、或隔离导水裂隙带渗流途径等有效控制含水层的失水量，并通过降低矿井水涌出量和稳定控制地表潜水高度，达到地下水系统和地表生态损伤与损伤输出最小的生态目标。

着眼系统稳定和过程协同调控。煤炭开采与生态保护相协调是绿色开采的系统控制目标。该模式针对生态损伤过程关键环节和“岩-水-土”耦合作用可控制程度，优化集成适用的仿生绿色开采技术体系，通过导水裂隙带“限高”(如协同规模化开采与条带充填)、矿井涌水“限失”(如含水层渗流隔离技术和煤矿地下水库储水技术)、地表生态“减损”(如分区修复技术、煤矸石利用)等技术协同实施，提升采后生态系统保真度。

4.3 深部仿生绿色开采关键技术

(1)“仿生开采”工艺。“仿生开采”工艺是基于煤层不充分采动(如房柱式开采)时导水裂隙带高度发育规律，将超大工作面综采与非连续柱式充填工艺[30]相结合，构建控制性“波浪面”状导水裂隙带结构，最大限度保持地下水原态系统结构与循环关系。一是较大幅度降低导水裂隙带发育高度，控制采动覆岩含水层损伤程度和含水层失水量;二是控制对地表土壤和植被等生态要素影响，降低地表生态损伤程度;三是通过非连续柱式充填，使超大工作面开采效率与充填效率相匹配，同时充分利用了外排矸石，降低固体废弃物损伤输出。

(2)含水层渗流控制技术。含水层隔离是基于”原态”浅层地下水与地表生态的关系，在地下含水层与导水裂隙带间构筑“柔性隔离层”。该技术基于超大工作面和顶板全部跨落法开采工艺，将超大工作面回采与地表(或地下)压裂和注浆工艺相结合，按照水平压裂—工作面回采—隔离层注浆流程进行周期异步循环实施[29]。一是利用隔离层阻断含水层地下水向导水裂隙带渗流，保护导水裂隙带上部“原态”地下水流场形态和补-径-排关系;二是利用导水裂隙带释放基岩裂隙水，增加可用水资源量;三是利用隔离层阻断渗流，显著降低矿井水涌出量和外排水区域损伤程度。

(3)煤矿地下水库储水技术。该技术基于地下水“引导-储存-利用”思路，利用规模化开采形成的采空区域的导水裂隙带空隙储水，用人工坝体链接安全煤柱构筑坝体，配置矿井水入库和取水设施，形成具有水库功能和自净化作用的地下水库，实现矿井水储存、调节和利用，避免外排蒸发损失和地面污水处理厂建设和运行成本高等问题，大幅度降低开采生态损伤输出。

(4)地表生态分区治理技术。提高生态修复效率是煤炭规模开采中面临的实际问题。该技术是基于超大工作面开采地表生态损伤的分区特点(边缘裂缝区与中心沉降区)，采用裂缝区人工修复和中心沉降区自然修复的方式，按照地表原态快速治理裂缝区，形成与超大工作面开采相匹配的地表生态修复模式，抑制开采地表生态损伤扩大，借助于大气降水，促进控制地表植被发育的重要水源—土壤包气带水向原态快速恢复。

5 结 论

(1)从生态学视角建立了采矿系统和自然生态系统组成的复合系统(简称为“采矿生态系统”)，界定了系统的时空范围，分析了生态系统各要素(采动覆岩、地下水系统和地表生态)的原始状态与采动“激励”生态响应机制(采动耦合、水-岩耦合、水-土耦合和采动传导耦合及损伤外传导效应)及状态变化，参照生态系统原始状态提出反映生态状态变化的4个因子和16个比较参数，确定了采矿生态系统的“生态损伤系数”及计算模型。

(2)从采矿学范畴进一步提出绿色开采的定义和内涵，绿色开采是一种通过控制采动“激励”的生态响应水平，最大限度降低生态损伤的先进开采方式;引入“绿度”(G)进一步度量绿色开采保持自然生态系统原态的水平，绿度越高则原态保真程度越好，开采方式也越先进;采用G还可进一步定量比较不同绿色开采方式的相对先进水平和实际效果。

(3)建立了绿色开采数学模型(生态损伤系数→绿度→绿色开采水平)，分析发现:控制导水裂隙带高度和矿井水涌出量、含水层保护、近零排放等途径对提高开采绿度水平贡献较大;绿色开采方式四级优化工况生态效果模拟分析表明，绿色开采水平与安全高效开采模式相比逐步提升，其中原态地下水保护对降低生态损伤作用更大。神东矿区15个生产矿绿度比较表明，大柳塔矿、上湾矿、榆家梁矿等优于全区平均绿度水平，在地表生态修复效果较好的矿，地下水系统保护是提升绿色开采水平的关键因素，污染排放也是绿色开采水平降低的重要因素。

(4)根据煤炭深部开采的高应力环境、多含水层且补-径-排关系复杂、地表生态响应灵敏度低的特点，按照“源头减损与过程控制”思路，着力“降高、减失、快治、零排”，集成以“仿生”开采工艺为核心、非连续开采充填、含水层渗流隔离、地下水库储水等技术协同的深部仿生绿色开采模式，形成深部安全绿色开采适用解决方案。

(5)绿色开采评价是建立绿色开采实践适用的模式与应用效果检验的重要方法。笔者尝试提出的绿色开采定量分析结果尽管与实践认知相近，但评价采用的描述参数是否适宜和全面、内在关系是否合理、采动覆岩与地表生态自修复等内在作用和大气降水等外在影响对生态损伤影响程度等，还需进一步探索和完善，以期为我国绿色开采实践提供更加适用的科学方法。