矿山采动损害关键科学问题及发展趋势探析

李 磊，李凤明，李宏艳，刘 学

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

综述

矿山采动损害关键科学问题及发展趋势探析

李 磊1，2，3，李凤明1，2，李宏艳1，2，刘 学1，2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

从开采沉陷学科的研究历程出发，比较全面地总结了采动损害领域发展现状，结合国家社会环境发展趋势，提出在当前煤炭产业布置由中东部向西部转移，“三下”采煤进入延伸性时期，老矿区采空塌陷进入加速高发危险期以及物联网+大数据技术应用爆发期等新常态下，采动损害领域面临的新挑战与新机遇。基于采动力学与岩层移动的理论基础，从多尺度力学行为角度思考采动损害领域需要进一步研究的科学问题，并提出“地层修复”概念，探讨采动损害防控技术研究的新思路。

采动损害；新常态；岩层与地表移动；多尺度；地层修复

随着人类社会工业化进程对能源和原材料的巨大需求，大规模的矿床开采损坏了地球自然环境，扰动与破坏了地层和岩石圈的自然平衡，造成地表沉陷、地下水枯竭、土壤砂化等不可自行恢复的生态环境恶化现象，同时对铁路、城市建筑、南水北调等重大工程造成公共安危，严重影响了社会经济的可持续发展。因此，采动损害研究是构成绿色开采理论体系的重要组成部分，是保障人类社会与环境协调发展的理论基础。

1 矿山采动损害发展历程

地表沉陷是矿山开采对地层造成损害的一种最直观的灾害形式，对人类的生产发展和生活环境产生了深远的影响，促使大批国内外学者不断探索研究采动损害机理与地表沉陷防治技术，取得了丰硕的成果[1-2]。发展历程主要科研归结为3个阶段：

(1)认知阶段 20世纪以前，采矿活动对铁路、地面建筑、地下水产生的破坏开始引起人们对开采沉陷的高度重视，并专门进行了一些初步的探索与研究。

(2)开采沉陷理论发展阶段 20世纪中叶，在对地表移动观测和规律研究的基础上，形成开采沉陷这一实用性较强的学科方向，并在我国高校测量专业内引入“矿山岩层与地表移动”课程。随着第三次工业革命的迅猛发展，更多的科研人员及科技工作者投入大量的精力和时间，推动开采沉陷学的理论不断突破并逐步形成了开采沉陷防治的技术、装备基础。至20世纪末，我国以唐山矿山测量研究室以及北京开采所矿压室为代表的研究机构开展了大规模的建筑物、铁路、水体下的采煤研究与试验，取得了瞩目的成就，为新中国初期的稳定发展提供了坚实的能源保障。同时，“三下采煤”这种特殊的采煤方法得到矿业界的共同认可，并成为培养矿业类学生的一种新的学科方向。

(3)矿山采动损害领域理论丰富阶段 进入21世纪，在我国一批前苏联留学回国的老一辈科学家(刘宝琛、刘天泉、范学理等)的耕耘引领下[3]，矿山开采沉陷领域取得了丰富的理论、试验成果并成功应用，并且已经形成测绘、采矿、力学、数学、土木、计算机、环境、经济、管理等专业组成的工、农、经、管等多学科参与研究的学术盛况，培养了一批采动损害领域的专家学者及管理人才。采动损害领域的研究不断丰富和创新，包括采动岩层破坏的积极利用(煤与瓦斯共采、CO2封存)、采动沉陷防治(充填开采、建筑物、铁路下开采等)以及与采动损害相关的环境问题研究(保水开采、采动边坡治理、沉陷预测、土地复垦等)。逐渐形成研究方向多元化、学科专业交叉化、研究视角深入化、工程技术实用化的采动损害理论体系及科技方法。由此，随着社会发展与需求，采动损害领域的研究不仅仅局限于为采矿业服务，也逐步进入一个与社会环境和人类发展息息相关的新阶段。

2 新常态下采动损害领域面临挑战

2002年至2011年，随着制造业、房地产等行业飞速发展，造就了煤炭产业的黄金十年。2012年以后煤炭经济形势逐渐低迷，一方面是煤炭燃烧碳排放带来的大气污染问题日渐凸显，另一方面是煤炭资源粗犷式扩张开采所付出的地表沉陷、滑坡、水资源枯竭、农田及建筑设施损害、煤矸石污染、饮用水恶化等环境代价越来越大[4]。绿色开发将是煤炭产业新常态的主要特征，采动损害领域属于绿色开采范畴，以矿山采动影响对象的变化和程度为研究领域，随着煤炭产业进入新常态阶段，采动损害领域将面临着新的挑战。

(1)煤炭产业布局由中东部逐步向西部转移 我国煤炭资源西多东少，西部地区占全国煤炭资源总量的80%，除了西南(云、贵、川)地区外，西部大部分区域(蒙、陕、甘、宁、新)煤层赋存条件简单、埋深较浅，发展潜力巨大，但同时西部地区脆弱的生态环境经受着严峻的考验。西部属于全国水土流失重点区域，大规模开采后将会引起新的水土大量流失和水环境恶化，形成不可逆的土壤碱化、砂化问题。同时矿井生产、生活需要大量水源，因此，采动影响下的地下水资源的科学保护和合理利用成为与环境相协调的可持续发展所面临的课题。

(2)“三下”采煤进入延伸性时期 近10年的煤矿建设投资加速增长，造成我国煤炭生产能力过剩局面已经形成，“十三五”期间积极推动淘汰落后产能、关闭自然灾害严重矿井、发展建设中西部大型现代化矿井的战略实施，必将减少社会对传统意义的建筑物、铁路、水体下煤炭回采的能源需求[2，5]。在当代煤炭经济新常态发展模式下，“三下”采煤应突破以“采出”为主的理论体系，结合国家重大工程建设如南水北调、西气东输、兰新高铁等，延伸并构建以“采动损害影响”为目标的指标评价、防控技术体系。

同时，在煤价下行，矿企亏损生存的艰难形势下，“三下”采煤体系中“充填开采”工艺与技术的推行令煤炭企业负重加大甚至难以承担，简单、实用、合理的充填材料及充填设备有待解决。

(3)老矿区采空塌陷进入加速高发危险期 当前，我国东北、东部沿海及中部一大批煤矿城市和矿区均进入“老龄化”及衰退期，如双鸭山、抚顺、阜新、开滦、徐州、两淮等，资源逐渐枯竭乃至停产闭坑[6-7]。早期落后的采煤工艺及简单的顶板垮落处理方式加之矿区周边乱采滥挖现象普遍存在，造成老矿区城市下遗留有大量的老窑、采空区，致使近些年发生的天坑、地陷事件成为新闻热点，严重影响了城市发展建设所塑造的形象。采空区的流变特征可诱发地表沉陷、塌陷坑、山体滑坡等地质灾害，在自然环境影响和人类活动的干扰下，灾害的孕育、产生及发展可以持续几十年乃至上百年，成为资源枯竭型城市产业转型路程中随时爆发的“定时炸弹”。因此，针对这种老矿区城市的“老年病”，需要引起采动损害领域的学者和科技工作者的关注，并以社会使命感推动、发展和突破地层精确勘探与沉陷控制关键理论和技术，高效、科学地为老矿区城市“诊断治疗”。

(4)物联网+大数据技术应用爆发期 科技的进步和信息化的飞速发展产生了难以想象的数据量，而随机分析的数据精度远远满足不了人类对自然规律的认知需求，物联网和大数据技术即将成为矿山安全、高效、绿色开发的重大武器。当前由于矿山地质条件的复杂性和采动损害影响因素的多样性和不确定性，难以对潜在及已防治的损害的时空演化规律加以准确把握和评价。因而，借鉴地质灾害监控管理手段[8]，利用井上下监测仪器，如地应力传感器、顶板离层传感器、地表遥感、物理探测、三维激光等数据采集手段，结合大数据处理程序，高效地收集、分析和处理采动损害的多样多量数据，通过优化搜索算法，对损害发生机制和趋势进行正反演化，最终对地表沉降、土壤沙化、水土流失、植被退化等单一损害或多元损害进行定量描述，并采取有效防控措施(图1)。

图1 大数据在采动损害领域应用

3 采动损害关键科学问题

矿山采动损害领域涉及的围岩稳定性控制、覆岩沉降预测、采动边坡失稳、充填开采、保水开采等一系列开采安全和环境损害问题，都是有关力、介质(固、液、气)和运动的力学行为问题[9]。由此，作者从采动损害细观力学行为角度出发，就当前了解和认知的方向进行了查阅与思考，提出如下需要进一步深入研究的关键科学问题，以供同行探讨。

3.1 岩层移动与沉陷流变特征规律与预测

(1)非连续介质块体力学行为 根据采动覆岩破坏的“砌体梁”理论，断裂梁堆砌结构的块体力学行为属于非连续介质范畴，岩层沉降在采动、自重、构造应力等作用下进行再破坏及再稳定，基质岩块和裂隙介质耦合行为需要进一步研究。

(2)高强度开采扰动与岩层稳定性影响 煤层开挖破坏初始平衡的地应力状态，从而造成地应力释放与重新分布，进而造成矿压显现、覆岩离层、地表沉陷等岩层失稳现象。由于现代化综采工艺带来的工作面推进速度快、一次采全高以及多煤层重复采动等高强度开采行为对稳定采空区进行了二次扰动[10]，对沉陷地表的沉降量、倾角、曲率等形变参数产生了影响，在时间效应下的地表沉降的稳定性值得深究。

(3)外在环境影响下的沉降演化规律研究 不同地质条件(构造应力、岩性、煤层埋深等)下的沉降区的演化规律不一样，同时外界降水侵浸、冻融损伤的环境作用如何对地层沉降的稳定性产生影响，需要从细观力学行为角度进行机理探究。

3.2 岩层破坏裂隙中水土流失(溃水溃砂)规律研究

(1)液固耦合作用机理研究 采动区的水土流失问题归结为液固两相流的耦合作用，当水的容积远远大于砂、土的固体的容积，就表现为裂隙场中的渗流问题；当砂、土的固体容积大于或相当水的容积，就表现为两相流问题[11]，这种典型的现象如“泥石流”，需要深入对水土流失的评价准则、裂隙场内运移规律进行研究，进一步摸索水土流失防控技术。

(2)溃水溃砂诱发机制与治理技术 在我国西部矿区(如神东矿区)浅埋深煤层回采过程中，部分工作面难以避免地发生不同程度的溃砂事故，目前对采动损害导致顶板溃水溃砂的认识还不够深入、治理手段粗略，判断溃水溃砂的方法及防治技术手段仍停留在经验层次上。受地质构造、覆岩组成、土层性质、含水层组合、开采条件等复杂因素的影响，溃水溃砂的诱发机制、灾变的临界条件、灾害范围预测还需要进一步研究，并结合实际情况来优化防治技术手段。

3.3 不同环境采动覆岩稳定性控制研究

(1)应力场-裂隙场-渗流场时空演化规律与识别方法“三场”的演化规律是描述采动损害影响的核心研究对象[12-14]，不同地质条件、开采深度、采煤工艺等环境下的“三场”演化机理和规律大有不同，至今大多数学者都在此领域做了较深入的理论研究，但只有定性的模型和试验结果，没有定量理论模型和评价体系，由于裂隙场属于“黑箱”问题，裂隙场不断孕育、产生、扩展、贯通的演化规律缺乏分析方法和计算手段，如何高精度的对裂隙场的监测与识别成为攻关的难题，随着开采深度的增加，更是需要研究“三场”耦合的理论体系指导工程实践。

(2)充水充气离层带失稳机制与防控技术 矿山开采造成顶板形成致密的离层空间，裂隙内的水、瓦斯在地层压力的驱动下涌入，形成充水(气)的离层带，这是一种潜在的继生灾害，极易发生顶板突水或瓦斯突出事故。当前对灾害的成因一直没有得到更多的认识和解释，还停留在经验探索阶段。对充水(气)离层带的储水(气)空间、动态力学性质、离层裂隙发育程度、失稳准则等关键问题还需要深入研究，并探究开采扰动下充水(气)离层带发育演化规律与离层固化技术。

(3)充填技术——“地层修复” 资源是推动人类发展的动力，但无休止地对地层挖掘、开采造成了地球表层难以自行恢复的损害，近年来，人类赖以生存的地球出现了“千疮百孔”，同时淡水资源的匮乏造成地表不断沙化，这些触目惊心的场景唤醒了人类对可持续发展和造福子孙后代的关注和思考。

“地层修复”即是通过对采前—采中—采后全过程进行统筹规划，通过科学的工程技术减少开采中对地层的损害，同时对产生的损害进行修复，最终实现地表沉降稳定、地层压力协调、地下水自然循环的一种“近”原始地层状态(图2)。

图2 地层修复技术体系

当前的井下充填材料主要有矸石、(近)膏体、(超)高水等，但是在充填工艺和充填材料上还需要不断探索[15-16]，实现井下密闭空间高效充填和“预应力”充填，最终控制顶板下沉趋稳。

含水层的损害形成降水漏斗，造成地层的有效应力降低，进而造成地表沉陷。因此，深入研究地下水在地层中的补给、运移、渗透、存储的细观行为，通过人工钻孔注入引水、疏水、堵水等特殊材料进而修复含水层，使地下水自然补给与涵养，维持含水层的自然强度和岩土体的固结应力。

覆岩离层带使地层从完整连续结构成为非连续状态，而且随着扰动处于非稳态，通过离层注浆减缓离层发育的同时使地层成为整体从而实现应力传递，控制地层沉陷的流变特征。充填材料要有一定的粘结强度，同时具有透水性，防止阻断地下水的自然运移。

4 结 论

矿山开采造成的岩层失稳、地表沉陷、水土流失等环境损害，逐渐威胁到了人类的可持续发展。在我国社会经济发展进入新常态阶段，与环境相协调的绿色开采技术越来越受到重视，并逐步推动采动损害领域的研究进入到理论多尺度、学科多交叉、应用多实践的新局面。

(1)矿山采动损害与环境相协调发展的多学科交叉领域逐渐成为趋势。

(2)采动损害机理逐步向多场、多相、多尺度耦合方向深入，并积极推动采动能、采动空间正向转化利用。

(3)针对不同地区的复杂地层条件及水文环境，绿色生态开采范畴的“地层修复”技术有待探索。

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ExplorationofKeyScienceProblemsandDevelopmentTendencyofMiningDamage

LI Lei1，2，3，LI Feng-ming1，2，LI Hong-yan1，2，LIU Xue1，2

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China；3.School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Starting from the studying process of mining subsidence science，then development status of mining damage field were summarized overall，with development tendency of national social environment，and coal industry distribution should be transferred from mid-east region to western region was put forward，“three unders”mining enter into extensible period，gob area and collapse of old mine area accessed speedy and danger time，under new normal of internet of things and large data technique application outbreak，and mining damage field would faced new challenge and new chances.Based on mining mechanics and stratum movement theory，then some sciences problems of mining damage field need be studied were studied from multiple spatial-scale mechanics behavior aspects，and ‘stratum repairing’ notion was put forward，new ideas of mining damage prevention and control technique were discussed.

mining damage；new normal；strata and surface movement；multiple spatial-scale，stratum repair

2017-07-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.001

国家自然科学基金面上项目(51674143)

李 磊(1985-)，男，北京密云人，助理研究员，博士研究生，主要从事矿山动力灾害防治与应急管理。

李 磊，李凤明，李宏艳，等.矿山采动损害关键科学问题及发展趋势探析[J].煤矿开采，2017，22(6)：1-4.

TD712

A

1006-6225(2017)06-0001-04

邹正立]