保水采煤面臨的科學(xué)問題

范 立 民

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

我國煤炭資源與水資源呈現(xiàn)逆向分布的特點(diǎn)，即東部缺煤富水，西部富煤缺水。自20世紀(jì)80年代以來，煤炭資源開發(fā)逐步向西部(西北)進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，鄂爾多斯盆地和新疆已經(jīng)成為我國原煤生產(chǎn)的主要基地。西北地區(qū)煤炭資源量占全國的73%，2017年原煤產(chǎn)量占全國的70%左右，而水資源僅占全國的3.9%左右，部分區(qū)域極度缺水。眾所周知，水資源不僅是煤炭工業(yè)賴以發(fā)展的先決條件，也是生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的基礎(chǔ)。2003年錢鳴高提出了煤礦綠色開采問題[1-2]，將保水采煤作為綠色開采的重要組成部分。由于我國西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源匱乏，范立民[3]指出保水采煤提倡在煤層開采過程中不僅要防地下水位大幅下降，也要防地下水徑流條件變化起的生態(tài)環(huán)境演變問題[3-8]。這總體上指出了保水采煤技術(shù)中的主要科學(xué)問題，即地質(zhì)條件探測(cè)識(shí)別、巖層移動(dòng)規(guī)律、水與生態(tài)約束、保水采煤方法和生態(tài)重構(gòu)等5個(gè)方面。

目前，地質(zhì)條件探測(cè)識(shí)別方面的研究，主要集中在煤水空間組合關(guān)系和地質(zhì)條件分區(qū)兩個(gè)問題上。如，王雙明等[5]研究了煤水地質(zhì)條件,劃分了保水開采技術(shù)方法適用分區(qū)。范立民等[9]基于無量綱化信息融合建立了突水潰沙分區(qū)，馬雄德等[10]基于生態(tài)水位建立了保水開采分區(qū)。鄧念東等[11]根據(jù)500多個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)了可采煤層及含、隔水層賦存特征。由此看來，煤礦區(qū)地質(zhì)條件探查和識(shí)別方面的研究已進(jìn)入多元信息綜合分析階段，初步滿足了開展保水采煤技術(shù)的要求。

巖層移動(dòng)規(guī)律方面，研究者圍繞受采煤擾動(dòng)后覆巖水文地質(zhì)條件演變機(jī)理開展了富有成效的研究，最為關(guān)注的問題包括淺埋煤層巖層移動(dòng)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及隔水層有效厚度等。侯忠杰[12]、錢鳴高[13]、黃慶享[14]、張杰[15]、PENG[16]等從理論上揭示了淺埋單煤層頂板非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)動(dòng)力災(zāi)害的機(jī)理。除此之外，理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬、物理模擬和鉆探驗(yàn)證等方法被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算，為指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

從地下水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系角度，研究者基本認(rèn)清了地下水分布與植被演替的內(nèi)在聯(lián)系。張發(fā)旺[17]、宋亞新[18]、畢銀麗[19]、胡振琪[20]等探討了塌陷對(duì)地表土壤理化性質(zhì)、含水率、降水入滲、土壤水力特性，水分運(yùn)移和植被覆蓋度等的影響，研究手段以原位調(diào)查、室內(nèi)分析和遙感監(jiān)測(cè)為主。一致的結(jié)論是，與非塌陷區(qū)對(duì)比，塌陷裂縫使表層土壤容重降低，持水能力變差，植被蓋度降低。其中一個(gè)重要問題是，依賴地下水的植被遭受采煤塌陷引起水位下降的影響最為明顯，因?yàn)槭サ叵滤峁┑乃春?，植被?huì)遭受水分脅迫，從而向旱生植物方向演替[21]。今后重點(diǎn)需要研究的內(nèi)容主要為識(shí)別礦區(qū)內(nèi)植被對(duì)地下水的依賴性，因?yàn)橹挥幸蕾嚨叵滤闹脖徊艜?huì)遭受地下水位大幅下降的威脅。

保水采煤目標(biāo)含水層既包括頂板含水層，也包括煤層底板下伏含水層。針對(duì)不同的含水層，研究者提出了不同的保水采煤方法。王悅[22]針對(duì)厚煤層開采提出了分層限高開采技術(shù)。呂文宏[23]采用風(fēng)積砂高水膨脹材料作為填充材料，運(yùn)用充填開采技術(shù)解決了榆陽煤礦地面沉降問題。馬立強(qiáng)等[24]針對(duì)神東礦區(qū)薄基巖淺埋煤層易發(fā)生整體切落問題，采用長壁機(jī)械化快速推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了保水開采。馬雄德等[25]采用注漿改造的辦法成功采出了受奧灰水影響的煤炭資源。

礦山生態(tài)重構(gòu)與修復(fù)方面，研究者開展了地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組等工作，已經(jīng)形成了挖深墊淺、充填復(fù)墾、矸石山綠化等技術(shù)[26]，從而有效地支撐了礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程。

目前西部礦區(qū)的開采條件正在發(fā)生重要變化，如，從單一煤層開采轉(zhuǎn)向多煤層重復(fù)采動(dòng)，從中小采高向大采高提升。筆者通過分析保水采煤技術(shù)研究已經(jīng)取得相關(guān)成果，探討未來保水采煤技需要解決的科學(xué)問題，如圖1所示。

圖1 保水采煤技術(shù)亟待攻克的科學(xué)問題Fig.1 Scientific problems in water-preserved coal mining

1 依賴地下水的生態(tài)約束

在干旱半干旱地區(qū)，水資源管理面臨的主要挑戰(zhàn)是確保生態(tài)環(huán)境用水與飲用水具有同等地位[27]。部分或全部需水量都由地下水供應(yīng)時(shí)，該生態(tài)系統(tǒng)就可以被定義為依賴地下水的生態(tài)系統(tǒng)(Groundwater-Dependent Ecosystems，GDEs)，如果沒有地下水，生態(tài)系統(tǒng)功能將受到損害，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的根本改變[28]。GDEs植物吸收利用地下水主要通過根系和毛細(xì)上升之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)植物種類確定后，其根系長度就被限制在一個(gè)大致的范圍內(nèi)，因而地下水位對(duì)GDEs的根系吸水十分重要。FAN等[29]認(rèn)為全球22%～32%的陸地受地下水影響，其中7%～17%的區(qū)域地下水位接近植被根系帶，地下水通過毛細(xì)上升對(duì)植被生長產(chǎn)生影響。

在我國西部干旱半干旱地區(qū)廣泛存在GDEs，尤其是毛烏素沙地東南緣的沙漠淺灘，地下水埋深常年保持在1.5～5.0 m，地下水與植被關(guān)系十分密切，是典型的GDEs[30-32]。基于旱區(qū)植物對(duì)地下水的依賴程度很高，學(xué)者們從不同側(cè)面提出了適宜植物生長的地下水位閾值，如生態(tài)水位、最佳水位、適生水位和警戒水位等概念[33-34]。淺埋煤層開采過程中導(dǎo)水裂隙帶會(huì)破壞含水層結(jié)構(gòu)，地下水涌入礦井，從而造成水位降低，這將對(duì)GDEs產(chǎn)生不可逆的影響[35]。相關(guān)研究者將上述有關(guān)維系地下水與植被關(guān)系的水位閾值的概念引入煤礦區(qū)地下水位保護(hù)中，形成保水采煤學(xué)科中的生態(tài)約束條件。王雙明等[5]提出了生態(tài)水位的合理埋深，指出地下水位埋深1.5～5.0 m為煤礦區(qū)維系表生生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的合理水位區(qū)間。馬雄德等[32]對(duì)毛烏素沙漠植被(沙柳)與地下水關(guān)系進(jìn)行下了長期監(jiān)測(cè)，認(rèn)為合理的生態(tài)水位埋深在1.5～5.0 m，當(dāng)水位埋深大于2.15 m后，地下水不再給沙柳提供水源，且當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥? m后，大部分沙漠植被會(huì)發(fā)育不良，甚至枯死。

不同深度根系對(duì)水分的吸收很大程度上與土壤含水率的分布有關(guān)。當(dāng)?shù)叵滤辉诿簩硬蓜?dòng)的影響下驟降后，就失去了對(duì)表層土壤含水率的調(diào)節(jié)，使根系層土壤逐漸變干，進(jìn)而使植物根系吸水受阻并遭受干旱脅迫[36-37]。對(duì)于地下水位埋深較大，植物很難通過根系提升地下水的生態(tài)系統(tǒng)而言，地下水位的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響可能較GDEs小的多。此外，對(duì)于礦區(qū)的GDEs，合理安全的地下水位閾值至關(guān)重要。

因此，通過科學(xué)開采來實(shí)現(xiàn)保水采煤，滿足生態(tài)環(huán)境對(duì)水位的約束條件，亟需解決以下5個(gè)問題:① 植被對(duì)地下水的依賴程度如何量化？② 如何識(shí)別一個(gè)地區(qū)的植被是否依賴地下水？③ 如何確定維系生態(tài)系統(tǒng)安全的地下水位閾值？④ GDEs對(duì)礦區(qū)地下水位驟變的響應(yīng)機(jī)制？⑤ 如何監(jiān)測(cè)GDEs的變化？

2 采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶預(yù)測(cè)

導(dǎo)水裂隙帶是采動(dòng)覆巖含水層與采空區(qū)建立水力聯(lián)系的主要通道，導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)一直是礦井防治水研究的重點(diǎn)，也是保水采煤研究的一個(gè)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，我國煤礦水文地質(zhì)學(xué)家總結(jié)了一套經(jīng)驗(yàn)公式，有效指導(dǎo)了礦井水害預(yù)測(cè)和防治，如《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(下稱“三下規(guī)范”)中列舉的公式。這些公式以采高和覆巖堅(jiān)硬程度為變量建立了導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)方法，在一定程度上滿足我國水體下采煤工程實(shí)踐的要求[38]。本世紀(jì)以來，采煤技術(shù)發(fā)展迅速，采煤工作面最大采高從20世紀(jì)80年代的3.5 m增加到目前的8 m以上，且5～6 m采高已經(jīng)普遍應(yīng)用，一次開采8 m以上的大采高工作面正在逐步推廣。采煤工作面最大傾斜長度從不足200 m發(fā)展到現(xiàn)在的400～500 m;最大推進(jìn)長度從2 000 m以內(nèi)，發(fā)展到現(xiàn)在的8 000 m以上。采場(chǎng)采出空間的增大，造成頂板的損傷程度的增加，導(dǎo)高也會(huì)相應(yīng)增大。之前總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式顯然已不再適用，許多礦區(qū)按“三下規(guī)范”預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測(cè)值存在較大差異[39-40]。

目前，用于導(dǎo)水裂隙帶分析的主要方法包括理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬、物理模擬和鉆探驗(yàn)證等。數(shù)值模擬可以計(jì)算不同巖性組合下多種開采方案下的導(dǎo)高，方便快捷。但數(shù)學(xué)模型的校正仍然依賴實(shí)際鉆孔探測(cè)值，鑒于地質(zhì)條件空間變異性大，基于少數(shù)鉆孔建立的數(shù)值模型一般很難具有可推廣性。盡管鉆孔探測(cè)投資大、施工難，仍不失為一種獲取導(dǎo)水裂隙帶高度最直接最理想的方法。陜煤集團(tuán)在榆神及神南礦區(qū)開采實(shí)踐中，與陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司協(xié)作，利用鉆孔沖洗液漏失量、井中電視、測(cè)井曲線、巖心觀察等方法，取得了一批探測(cè)數(shù)據(jù)。據(jù)探測(cè)，采煤工作面長度300 m左右、推進(jìn)長度3～6 km，采高4.5～6.0 m時(shí)，除神東礦區(qū)等特淺埋煤層開采的導(dǎo)高直接發(fā)育到地表外，榆神府區(qū)導(dǎo)高一般是采高的19～30倍，平均約26倍，而且其空間形態(tài)輪廓為“拱形”(圖2)，與傳統(tǒng)的“馬鞍型”完全不同。為此，建議今后的榆神礦區(qū)三、四期規(guī)劃，可參考這一數(shù)據(jù)，對(duì)于煤層上覆隔水巖組厚度小于26倍采高的區(qū)域(適當(dāng)加保護(hù)層)，應(yīng)留作環(huán)境保護(hù)的緩沖地帶，或者推行保水采煤技術(shù)，減少對(duì)薩拉烏蘇組和燒變巖含水層結(jié)構(gòu)的損傷。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育形態(tài)Fig.2 Morphology of water-conducting fissure zone

現(xiàn)有的導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)，是在采高小于6.0 m的條件下實(shí)施的，對(duì)于采高大于6.0 m的綜采工作面(8.8 m大采高工作面已經(jīng)投產(chǎn))，還沒有實(shí)測(cè)的導(dǎo)高數(shù)據(jù)。另外，導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)并不能僅停留在通過單因素或多因素統(tǒng)計(jì)分析和建立回歸分析預(yù)測(cè)模型。盡管這些模型在一定程度上具有一定的仿真性，但對(duì)深刻理解裂隙在基巖中演化發(fā)育機(jī)理并沒有起到指導(dǎo)作用。

因此，如何通過采空區(qū)上覆巖體移動(dòng)變形機(jī)理分析，建立理論模型來預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度、空間形態(tài)和演化過程仍然需要理論突破。

3 有效保護(hù)層厚度

3.1 頂板有效保護(hù)層

留設(shè)防水煤柱的目的是防止導(dǎo)水裂隙帶波及到含水層，一般按最大導(dǎo)水裂隙帶高度加上有效隔水層厚度給出。在確定了導(dǎo)水裂隙帶高度后，有效隔水層厚度就成了實(shí)現(xiàn)保水采煤技術(shù)的關(guān)鍵所在?！叭乱?guī)范”針對(duì)不同的覆巖巖性和松散層底部黏土隔水層厚度規(guī)定了有效隔水層厚度的取值范圍，但同時(shí)又指出該方法不適用于綜放開采。黃慶享認(rèn)為，在上行裂隙和下行裂隙未貫通時(shí)，一定厚度的土層隔水層或基巖隔水層都能起到“保水”作用[10]。他根據(jù)“三下規(guī)范”指出普采工作面3倍采高的土層隔水層厚度或5倍采高的基巖厚度即可滿足隔水的需要。但是在綜放開采條件下，該方案是否可行，還需要進(jìn)一步研究。

許延春[41]通過綜采工作面實(shí)際觀測(cè)和計(jì)算，認(rèn)為3 m以上的黏土隔水層就可以阻斷含水層與導(dǎo)水裂隙帶之間的水力聯(lián)系，并指出有效隔水層厚度應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)、采礦和含水層等具體要素的綜合分析來確定，一般可按3 m的倍數(shù)來確定有效隔水層厚度，即，一般的情況下取6 m，條件復(fù)雜的礦區(qū)，可取12 m或16 m。劉瑞新[42]針對(duì)兗州礦區(qū)厚煤層綜放開采和分層開采中導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)厚煤層整層綜放開采和分層綜放開采中，有效隔水層厚度按1.5倍采高計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)保水開采。李濤等[43]通過水-電比擬模型分析了有效隔水層厚度與上覆含水層水位變化規(guī)律，他認(rèn)為離石黃土42.6 m或保德紅土21.0 m為不造成潛水水位降低的最小有效隔水層厚度。

實(shí)際上，不管是離石黃土還是保德紅土，在遇水后都具有一定的膨脹性，使裂縫寬度逐漸變小直至彌合，這會(huì)有效地減小已破壞隔水巖組的滲透性能，使其恢復(fù)隔水性能。如黃慶享發(fā)現(xiàn)榆樹灣煤礦下行裂隙彌合率能夠達(dá)到30%[14]，這使有效隔水層厚度的確定有了新的方向。即從模型計(jì)算得到的導(dǎo)水裂隙帶高度和有效隔水層厚度在確定地質(zhì)條件下，是否達(dá)到了隔水的效果，這需要通過地下水監(jiān)測(cè)的方法來檢驗(yàn)。有效隔水層的留設(shè)保證開采過程中地下水位的穩(wěn)定和地表生態(tài)系統(tǒng)的維系、改善，因此，建立地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌控含(隔)水層結(jié)構(gòu)保護(hù)效果，是西部煤礦區(qū)面臨的一項(xiàng)重大工程。目前部分煤礦建立有一些地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但沒有與水文地質(zhì)單元和采礦工程結(jié)合起來，無法控制地下水流場(chǎng)，也不能實(shí)時(shí)掌控區(qū)域性地下水位變化。

2015年以前，榆神礦區(qū)建成了73個(gè)地下水位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)(已納入國家或省級(jí)地下水監(jiān)測(cè)工程)，2018年新建了137個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井，大中型煤礦至少有1個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井，同時(shí)對(duì)泉、地表水體進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，從區(qū)域上全面監(jiān)控地下水變化。在這樣的基礎(chǔ)條件支撐下，如何將原位監(jiān)測(cè)的地下水水位動(dòng)態(tài)與實(shí)際開采地質(zhì)條件進(jìn)行耦合，建立導(dǎo)水裂隙帶、有效隔水層厚度等保水采煤關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式，是今后研究的一個(gè)新方向。

3.2 底板有效保護(hù)層

底板承壓水保水開采中的有效隔水層的概念源于20世紀(jì)60年代提出的突水系數(shù)T計(jì)算公式，即

T=P/M

(1)

式中，P為煤層底板承受的水壓力;M為煤層底板到承壓含水層頂面之間的厚度。

由于在承壓水體上開采時(shí)“下三帶”會(huì)擾動(dòng)破壞一定范圍內(nèi)的底板隔水層，使式(1)中有效的M值減小，因此20世紀(jì)七八十年代廣大科技工作者基于實(shí)際觀測(cè)和模擬試驗(yàn)，對(duì)式(1)進(jìn)行了修正:

T=P/(M-Cp)

(2)

其中，(M-Cp)為有效隔水層厚度，也就是考慮了礦山開采對(duì)底板隔水層擾動(dòng)后富余的具有隔水性能的隔水層厚度?！睹旱V防治水規(guī)定》和《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中推薦采用式(2)計(jì)算突水系數(shù)。

當(dāng)然，考慮底板巖層巖性和力學(xué)形式的差異[44]，以及奧陶系石灰?guī)r頂部相對(duì)隔水層等，式(2)又有相應(yīng)的改進(jìn)。但《煤礦防治水細(xì)則》(2018)中推薦采用式(1)計(jì)算突水系數(shù)。其中考慮的主要因素就是有效隔水層厚度M的值要根據(jù)實(shí)際情況來定，并不是指煤層底板到承壓含水層頂面之間的厚度，即隔水層厚度。由于隔水層厚度和有效隔水層厚度有本質(zhì)的區(qū)別，這會(huì)造成依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》計(jì)算的突水系數(shù)值偏小，不利于保水采煤的進(jìn)行。一個(gè)新的課題是，基于底板突水的保水開采中，底板有效隔水層厚度如何量化及其與眾多影響因素之間耦合關(guān)系如何刻畫，也是需要攻克的難題。

4 淺埋煤層巖層控制

依據(jù)礦壓顯現(xiàn)基本特征來看，淺埋煤層可以定義為埋深小于150 m，基載比小于1，來壓具有動(dòng)載現(xiàn)象[14]。對(duì)于淺埋煤層的認(rèn)識(shí)與研究開始于20世紀(jì)90年代。西安科技大學(xué)對(duì)神府礦區(qū)大柳塔煤礦首采工作面進(jìn)行了采前模擬，發(fā)現(xiàn)了“臺(tái)階下沉”和頂板切落災(zāi)害現(xiàn)象，后被生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)。侯忠杰等[12]揭示了地表厚松散層淺埋煤層組合關(guān)鍵層自身不能形成三鉸拱式平衡的機(jī)理，建立了淺埋煤層斷裂帶基本頂判別的理論公式，使20世紀(jì)50年代以來長期懸而未解的斷裂帶基本頂層位問題在理論上得以解決，為淺埋煤層合理開采高度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了安全高效開采。錢鳴高等[1]闡明了關(guān)鍵層破斷后形成的砌體梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型以及關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)覆巖移動(dòng)與地表沉陷及采動(dòng)裂隙場(chǎng)分布的影響。黃慶享[14]建立了淺埋煤層初次來壓的“非對(duì)稱三鉸拱”非穩(wěn)態(tài)力學(xué)模型和周期來壓期間的“短砌體梁”和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型，揭示了淺埋煤層頂板非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)動(dòng)力災(zāi)害的機(jī)理，闡明了淺埋煤層“埋藏淺、壓力大”的科學(xué)原因。針對(duì)薄基巖厚沙土層的覆巖條件，發(fā)現(xiàn)了松散層載荷層的“動(dòng)態(tài)載荷傳遞”現(xiàn)象，提出了載荷傳遞因子，揭示了頂板結(jié)構(gòu)的動(dòng)荷條件，促進(jìn)了頂板災(zāi)變研究向動(dòng)力學(xué)方向發(fā)展。上述研究，奠定了淺埋煤層采場(chǎng)頂板支護(hù)的理論基礎(chǔ)，為淺埋煤層采場(chǎng)巖層控制提供了科學(xué)依據(jù)。

針對(duì)陜北侏羅紀(jì)煤田淺埋煤層開采巖層移動(dòng)規(guī)律及生態(tài)環(huán)境破壞特征，黃慶享[14]通過固液耦合物理模擬和地裂縫實(shí)測(cè)分析，揭示了隔水巖組的隔水性受自下而上發(fā)育的“上行裂隙”和自上而下發(fā)育的“下行裂隙”發(fā)育規(guī)律所控制，提出了基于“上行裂隙”和“下行裂隙”導(dǎo)通性的隔水巖組隔水性概念。通過理論分析，給出了“上行裂隙帶”發(fā)育高度和“下行裂隙帶”發(fā)育深度的計(jì)算公式，建立了以隔水巖組厚度與采高之比(隔采比)為指標(biāo)的隔水巖組隔水性判據(jù)，據(jù)此提出了控制導(dǎo)水裂縫不破壞隔水巖組隔水層的保水開采分類方法，基于榆神府礦區(qū)條件給出了分類指標(biāo)范圍，形成了淺埋煤層保水開采的巖層控制理論基礎(chǔ)。

近年來，榆林、鄂爾多斯市境內(nèi)的部分礦井首采煤層已開采完畢，逐步進(jìn)行下部煤層開采。由于煤層間距一般小于40 m，屬于淺埋近距煤層開采。該方面存在兩大科學(xué)問題:① 上煤層采空區(qū)下不同間隔層厚度的頂板結(jié)構(gòu)和來壓強(qiáng)度不同，上煤柱集中應(yīng)力對(duì)下煤層開采具有顯著影響，存在煤層群巖層控制和安全開采問題;② 煤層群重復(fù)采動(dòng)條件下，覆巖損傷及對(duì)含水層的影響機(jī)理與防控技術(shù)。

5 礦山生態(tài)重構(gòu)與修復(fù)

保水采煤的目的是保護(hù)水資源，利用水資源，建設(shè)生態(tài)環(huán)境優(yōu)美的礦山環(huán)境。長期以來，受高強(qiáng)度煤炭資源開采的影響，我國西部干旱礦區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)損害和退化現(xiàn)象，有些區(qū)域甚至涉及生態(tài)安全格局的核心，如水源保護(hù)區(qū)，使生態(tài)功能區(qū)的服務(wù)能力普遍下降。地下開采造成的生態(tài)損害主要有含水層結(jié)構(gòu)破壞，地表水體、濕地面積縮減，立地條件損傷造成的植被退化的荒漠化風(fēng)險(xiǎn)加劇，棄土場(chǎng)、排矸場(chǎng)、塌陷區(qū)等對(duì)原有土地生態(tài)功能的摧毀，以及地貌景觀、生物多樣性消失等。

在實(shí)施“山水林田湖草命運(yùn)共同體”戰(zhàn)略的前提下，我國礦山生態(tài)恢復(fù)面臨空前機(jī)遇和挑戰(zhàn)。礦山生態(tài)環(huán)境影響機(jī)制，礦山生態(tài)損害監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，礦山土地復(fù)墾與生態(tài)重建共耦技術(shù)，生態(tài)修復(fù)策略及效果評(píng)價(jià)等將是礦山生態(tài)重構(gòu)與恢復(fù)研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。其中采礦跡地生態(tài)修復(fù)也是當(dāng)前國際上生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重點(diǎn)對(duì)象之一，其工作內(nèi)容主要包括礦山生態(tài)環(huán)境影響的消除和緩解、生態(tài)系統(tǒng)功能的重構(gòu)和恢復(fù)等[45]。我國礦山生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)最初只關(guān)注采礦破壞的土地復(fù)墾，通過一定的工程措施使其恢復(fù)到可供利用的狀態(tài)。隨后，生態(tài)重建或生態(tài)修復(fù)的概念被提出[46]，進(jìn)而礦山生態(tài)修復(fù)逐步向提高生態(tài)環(huán)境可持續(xù)利用和生態(tài)功能恢復(fù)方面過渡。在恢復(fù)生態(tài)學(xué)相關(guān)理論的指導(dǎo)下，包括土壤重構(gòu)、含水層恢復(fù)、地貌重塑和植被重建[26，47]等一系列礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)被開發(fā)出來。如張發(fā)旺[48]針對(duì)我國西部干旱區(qū)采煤破壞含水層及地下水資源的實(shí)際情況，提出了含水層再造的設(shè)想。顧大釗[49]提出利用采空區(qū)轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存礦井水，建設(shè)地下水庫的技術(shù)構(gòu)想，并在大柳塔礦區(qū)進(jìn)行了工程實(shí)踐。胡振琪等[50]提出采用黃河泥沙充填采煤沉陷區(qū)，以達(dá)到恢復(fù)恢復(fù)地貌景觀和復(fù)墾農(nóng)田生產(chǎn)力的需要。在排除人工措施修復(fù)成本與效益擔(dān)憂后，一些研究者發(fā)現(xiàn)人工修復(fù)的結(jié)果并不一定優(yōu)于被破壞生態(tài)系統(tǒng)的主動(dòng)自然修復(fù)效果。DOLE?ALOV等[51]對(duì)捷克北波西米亞褐煤盆地14個(gè)回填區(qū)和6個(gè)未回填區(qū)廢石堆的水生境面積、池塘數(shù)量及其生境特征進(jìn)行了比較，認(rèn)為原生演替比技術(shù)復(fù)墾更有利于兩棲動(dòng)物的生存環(huán)境，應(yīng)將其視為一種同等類型的采礦跡地恢復(fù)方法。因此，關(guān)于生態(tài)修復(fù)方向的爭論，即應(yīng)該營造新的生態(tài)系統(tǒng)還是維持生態(tài)系統(tǒng)的原生演替始終沒有停止。生態(tài)重構(gòu)和修復(fù)作為保水采煤的有機(jī)組成部分，應(yīng)該始終在保水采煤理論的指導(dǎo)下開展工作[8]。

6 結(jié) 論

(1)保水采煤是西北煤礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的基石，也是科學(xué)開采的重要組成部分，保水采煤理念自1992年提出后，已形成初步的理論和技術(shù)體系，推廣應(yīng)用取得了顯著效果。

(2)依賴地下水的生態(tài)約束條件識(shí)別和量化，大采高和重復(fù)采動(dòng)情況下導(dǎo)水裂隙帶高度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，有效隔水層厚度預(yù)設(shè)和驗(yàn)證，淺埋煤層群開采條件下的巖層移動(dòng)控制和礦山生態(tài)恢復(fù)與重構(gòu)等，是目前保水采煤面臨的科學(xué)難題。

致謝本文部分思路得益于錢鳴高院士、王雙明院士的啟發(fā)，中國礦業(yè)大學(xué)馬立強(qiáng)教授、西安科技大學(xué)張杰教授提出了寶貴意見，陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院王蘇健教授提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)，審稿專家提出了很好的意見，在此一并表示衷心感謝！