生态脆弱区保水采煤矿井(区)等级类型

李文平，王启庆，刘士亮，王苏健

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116; 2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065)

当前煤炭在我国一次能源消耗中占比60%以上(据预测，到2030年煤炭仍占一次能源消费总量的50%左右[1])，在未来相当长时间内仍占据支配地位。随着东部矿区煤炭资源的枯竭，我国煤炭资源开发重心已快速转移到西部生态环境脆弱的干旱半干旱地区。陕、蒙、宁、甘、新是国家未来重点建设的五大煤炭开发省(区)，煤炭探明储量7 769亿t(截止2012年)，约占全国的54%;2016年煤炭产量达到16.2亿t，占全国的48%。然而，西北地区年均降水量在400 mm以下，水资源量仅占全国的3.9%[2]，在区域地形地貌和地层条件适宜时，形成的浅表层水(松散砂层潜水、地表径流水及海子等)更是非常值得珍惜的水资源。十多年来，西北煤炭资源的大规模、高强度、粗放型开采，使本就脆弱的生态环境遭受严重破坏，如何实现大规模煤炭开采下水资源的保护(保水采煤)是西北干旱区面临的重大科学技术问题。

多年来相关领域的专家学者围绕“保水采煤”开展了多方面卓有成效的研究工作。范立民等[3-6]早在20世纪90年代初提出陕北煤炭开采过程中的地下水保护理念，之后围绕“保水采煤”进行了长期研究，提出了保水采煤基本框架。原煤炭部“九·五”重点科研项目“我国西部侏罗系煤田(榆神府矿区)保水采煤及地质环境综合研究”(叶贵钧，张莱，李文平，段中会等，1995—1999年)，对榆神府矿区保水采煤条件、保水区及失水区、采动生态地质环境变化等进行了宏观研究和分区，提出了区域性防治对策[7-8]。王双明等[9]提出了基于生态水位保护下煤层开采理念，提出了榆神府矿区生态水位保护开采区域地质条件分区。李文平等[10-11]以地质条件为基础，对榆神府矿区工程地质条件进行了分区，研究了保水采煤关键隔水层釆动隔水性变化规律，提出了“隔水层再造”，解释了N2红土隔水性自然恢复机理。黄庆享等[12]研究了隔水层特性及其采动隔水性，给出了隔水层稳定性判据，建立了保水开采的分类指标。马雄德等[13-14]研究了采煤对上覆水体及湿地动态影响，确定了沙柳对榆神矿区地下水位变化的阈限。一些学者针对西部煤层覆岩破断、导水断裂带高度等方面也进行了研究，分析了侏罗系煤层覆岩结构特征，建立了导水裂缝带高度预计模型[15-18]。关于保水采煤技术方法，目前主要还是通过控制导水断裂带高度发育，包括分层(限高)开采、窄条带开采、充填开采、短壁房柱开采等采煤法[4,19-21]。虽然，针对保水采煤的地质基础、理论及工程实践等方面已取得较多成果，但矿井开采前，如何进行科学产能矿井的规划设计？依据是什么？目前还没有解决。

笔者以陕北榆神矿区为例，在分析研究区地质条件的基础上，分析了研究区生态-水-煤系地层空间赋存地质结构及浅表层水资源量分布特征;划分了研究区保水采煤环境工程地质模式，进行了基于浅表层水资源量及环境工程地质模式类型的保水采煤矿井等级类型划分。研究成果对陕北矿井规划设计提供科学依据，对生态脆弱区保水采煤、生态地质环境保护具有重要意义。

1 生态-水-煤系地层空间赋存地质结构特征

1.1 生态脆弱区保水采煤生态地质环境类型

西北生态脆弱区天然生态地质条件差异性大，保水采煤实践过程中面临的关键问题有所区别，因此有必要开展天然生态地质条件的划分，保水采煤生态地质环境类型是考虑以保水采煤实践为目的的天然生态地质条件的分析，其划分依据主要综合考虑水资源类型、地形地貌、地表岩性、植被覆盖等因素。通过对区域地形地貌、植被、地表水体等生态-水-地质信息的调查分析，将陕北生态脆弱区划分为4种保水采煤生态地质环境类型(图1):

(1)潜水沙漠滩地绿洲型:该类型地貌以风沙滩地为主，地下水主要为萨拉乌苏组砂层潜水和基岩风化带水，地表水以海子、沙漠湿地、湖泊为主，植被以沙蒿和沙柳灌木为主。

(2)地表水沟谷河流绿洲型:该类型地貌以河流阶地为主，地下水主要为萨拉乌苏组潜水、烧变岩水、风化带裂隙水和第四系冲积层水，地表水以常年性沟谷流水和泉水为主，如研究区内的榆溪河、秃尾河、考考乌素沟、芦草沟等常年性河流，植被以乔木为主，植被覆盖极好。

(3)地表径流(黄土)沟壑型:该类型地貌以黄土梁峁为主，地下水以基岩风化带水为主，地表水以季节性径流为主，植被主要为稀疏的草本植物和沟谷少量乔木，植被覆盖较差。

(4)区域性(深埋)地下水富集型:该类型地貌以丘陵和风沙滩地为主，水资源类型主要为巨厚白垩系洛河组砂岩水、基岩风化带水和山前大型洪积扇水，植被在丘陵区以乔木和灌木为主，在风沙滩地区以灌木和草本植物为主。

选取研究区地形地貌、萨拉乌苏组潜水含水层富水性、洛河组含水层厚度、地表高程、坡度、地表岩性、蒸发量、降雨量及植被覆盖指数等作为评价因子，基于层次分析法确定其权重。通过改进的模糊C均值聚类算法，首先对样本数据点和聚类中心之间的欧式距离dki=‖xk-ci‖乘以相应的权重加以修正，形成如下的属性加权欧式距离:

dw-ij=d‖xj-ci‖w=[(xj-ci)TW2(xj-ci)]1/2

(1)

相应的评价聚类性能的误差平方和准则函数改变成新的加权目标函数，即

(2)

式中，xk为第k个样本数据点;ci为第i个族类的初始簇中心;dki为数据点和初始簇中心的欧氏距离;dw-ij为数据点和初始簇中心的属性加权欧式距离;n为样本数据点个数;c为从样本数据点中任意选出的作为每个簇类的初始簇中心的个数;xj为第j个样本数据点;W为属性权重向量;JWFCM为加权目标函数;uij为第j个数据点归于Gi簇类的隶属度，数值介于0到1之间;m为权指标，即模糊控制参数、加权参数，一般取值为2。

该算法的求解过程和标准模糊C均值聚类算法类似，利用拉格朗日乘子法求解。通过迭代求解最终获得研究区保水采煤类型区划图(图2)。由图2可以得出，潜水沙漠滩地绿洲型主要分布在榆神矿区中部大片区域，约占研究区总面积的59%。地表水沟谷河流绿洲型主要分布在沙漠边缘地下水溢出带，约占研究区总面积的3%。地表径流(黄土)沟壑型主要分布在研究区东北部，约占研究区总面积的15%。区域性(深埋)地下水富集型主要分布在研究区西部，约占研究区总面积的23%。

图1 生态地质环境类型示意Fig.1 Sketch map of eco-geological environment type

图2 研究区生态地质环境类型分布Fig.2 Distribution of eco-geological environment types in the study area

1.2 研究区煤层与含(隔)水层空间组合特征

榆神矿区煤层与含(隔)水层空间组合的总体特征为:煤水共生，水在上，煤在下。区内主要含水层包括萨拉乌苏组砂层含水层、洛河组砂层含水层等;隔水层包括红土、黄土和侏罗系组合隔水岩组。研究区内煤层与含水层之间的间隔变化较大，且煤层顶板基岩厚度与含水层厚度呈负相关，具体表现为基岩薄，含水层厚度大，富水性较强;基岩厚(多分布在地下水分水岭附近)，含水层厚度小、富水性较弱。通过对含隔水层分布，以及含水层间的水力联系分析，考虑煤层开采对含(隔)水层结构的影响，将研究区的含隔水层空间组合类型分为10类(图3)。由图3可知，研究区保水采煤生态地质环境类型区内煤层与含(隔)水层空间组合特征为:潜水沙漠滩地绿洲型的多分布Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ类，局部分布Ⅵ类;地表水沟谷河流绿洲型多分布Ⅰ和Ⅵ类;地表径流(黄土)沟壑型以分布Ⅱ类为主;区域性(深埋)地下水富集型主要分布Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ和Ⅹ类。

图3 生态地质环境类型区内煤层与含(隔)水层空间组合特征Fig.3 Spatial combination characteristics of coal seam and the aquifer (aquifuge) interval in eco-geological environment type area

1.3 研究区浅表层水资源量分布特征

研究区主要水资源有地表水、萨拉乌苏组砂层潜水、侏罗系风化基岩裂隙承压水、白垩系洛河组承压水及烧变岩裂隙水等。其中，风化基岩承压水和白垩系下统洛河组承压水由于相对埋深较大，且普遍上覆红土和黄土隔水层，不能直接被植被生态所利用。只有在局部沟谷深切处基岩出露，通过上升泉和排泄的方式补给地表径流，对工农业和植被生态有直接影响。而地表水、萨拉乌苏组砂层潜水等浅表层水对西部生态脆弱区具有直接的供水意义和生态价值，也是西部生态脆弱区采煤水资源保护的主要对象。因此，对浅表层水资源量的分析，是开展保水采煤的重要环节。为此，根据地表水动态监测点数据和钻孔揭露的含水层资料，分别计算确定地表水和萨拉乌苏潜水单位面积(1 km2)储存量分布，采用ArcGIS空间分析叠加方法，叠加计算研究区浅表层水资源单位面积总储量(图4);按等效砂层潜水厚度(给水度取0.2)，应用自然分级法将浅表层水资源量分布划分为3种类型:水资源贫乏区(等效砂层潜水厚度<5 m))、水资源中等区(5 m≤等效砂层潜水厚度<25 m)和水资源丰富区(等效砂层潜水厚度≥25 m)。

图4 研究区浅表层水资源单位面积总储存量分布Fig.4 Distribution of total amount per unit area of shallow water resources in the study area

2 保水采煤环境工程地质模式

保水采煤环境工程地质模式是采矿扰动覆岩土影响浅表层水系统进而诱发浅表层生态地质环境变化的方式，是一矿井(区)环境工程地质条件与采动环境工程地质问题的结合表现形式，是条件和问题结合的模式。研究保水采煤环境工程地质模式是确定保水采煤矿井等级(类型)的重要基础和前提。

2.1 保水采煤环境工程地质模式类型

根据煤层开采对生态层及浅表层水(保水目的含水层)的影响程度，结合实际调查理论分析，提出4种保水采煤环境工程地质模式(图5):

(1)环境友好型。煤层开采后，导水断裂带在基岩内发育或发育到隔水黏土层(红土、黄土)，且基岩或隔水黏土层较厚的区域，浅表层水基本不受煤层采动的影响，地表生态环境基本不受影响(图5(a))。

(2)环境渐变恢复型。煤层开采后，导水断裂带在基岩内发育或发育到隔水黏土层(红土、黄土)，基岩或隔水黏土层相对较薄的区域，由于受煤层采动的影响，浅表层水会通过较薄的隔水层发生轻微渗漏，水位恢复缓慢，地表生态环境受到轻微影响(图5(b))。

(3)环境渐变恶化型。煤层开采后，导水断裂带在基岩内发育或发育到隔水黏土层(红土、黄土)，基岩或隔水黏土层相对较薄的区域，隔水层尚有一定的有效隔水性，但砂层潜水会出现较大量漏失，砂层潜水水位持续缓慢下降，地表生态环境缓慢持续恶化(图5(c))。

(4)环境灾变型。煤层开采后，导水断裂带导穿基岩或隔水黏土层(红土、黄土)，波及砂层潜水含水层，砂层潜水完全漏失，地下水位迅速下降，地表生态环境短期内发生明显恶化(图5(d))。

图5 环境工程地质模式典型剖面示意Fig.5 Environmental engineering geological patterns

2.2 关键指标的确定

2.2.1 残余隔水层釆动隔水性

环境工程地质模式划分标准的确定主要依据浅表层水的漏失量，而影响浅表层水漏失量的主要因素为残余隔水层厚度。为确定有效隔水层厚度，必须分析研究采动对岩土体隔水性的影响。对于残余(位于弯曲下沉带内)隔水岩土层，虽总体上未有宏观竖向贯通裂缝，但隔水性能也会受不同程度影响，通过现场采前、采后压水试验及室内卸载试验均发现隔水层渗透性增加约1个数量级[8,22]，然而，采后应力恢复对残余隔水层渗透性仍有较大影响。

本次采用损伤岩土试样进行加载试验(模拟弯曲下沉带内隔水岩土层在采后应力恢复过程中渗透性变化特征)，其中对岩样首先进行三轴卸载损伤，损伤后的岩样未发生明显变形或破坏，首先获取岩样应力-应变特征曲线，在TAW-1000岩石伺服岩石力学实验系统上，对应图6(a)所示的曲线特征点(P1,P2试样为残余隔水岩样、P3为裂隙试样)，利用位移控制分别对岩石样品进行卸载试验，从而对预制不同损伤岩样。以1 MPa/min的速度对试样施加围压，每组测试包括从1 MPa到5 MPa共5个水平，图6(b)为泥质砂岩测试结果。

图6 损伤岩样蠕变渗透试验Fig.6 Creep permeability test of damaged rock samples

由图6(b)可得，在恢复应力达到5 MPa时，残余隔水岩样的隔水性已恢复到了开采前的水平，采动损伤程度越小，应力恢复后的岩石渗透系数越小，恢复的程度越大，越接近完整状态。结合文献[22]可得，位于弯曲下沉带内的隔水岩土层采后渗透性虽然有所增加，但在采后应力恢复过程中，隔水性基本能够恢复到开采前状态，因此，确定保水采煤环境工程地质模式标准时，可采用残余隔水岩土层天然隔水性计算。

2.2.2 侏罗系煤层开采导水断裂带高度

导水断裂带高度是影响保水采煤环境工程地质模式的一个重要指标，由于侏罗系煤田地质条件、覆岩结构及其组合类型与东部相比差异较大，侏罗系煤田导水断裂带发育实际高度与现有规程公式[23]计算的结果不相符。本次通过收集侏罗系煤田导水断裂带高度实测数据(综放/综采，采厚2～12m)，采用多元回归分析，建立适用于侏罗系煤层开采导水断裂带发育高度预测的多元非线性公式[24]:

(3)

式中，Hli为导水断裂带高度，m;M为采厚，m;s为采深，m;b为工作面宽度，m。

2.3 环境工程地质模式分区阈值确定

2.3.1 环境友好型与环境渐变恢复型阈值

煤层开采后，浅表层水漏失量QL小于沉降引起的侧向补给增加流量QC时，认为砂层潜水基本不受影响，以此确定的保护层厚度作为环境友好型与环境渐变恢复型阈值，即QL=QC。可得保护层厚度:

(4)

式中，Hb为保护层厚度，m;Kb为保护层渗透系数，m/d;ΔH为渗透水压力差;F为渗透面积，m2;t为渗透时间，d;Kq为砂层渗透系数，m/d;A为潜水侧向补给增量的面积，m2;J为潜水侧向补给增量的水力梯度。

以陕北为例，Kq取3.73 m/d;潜水补给增量的面积A=4×b×0.7×M;J=(0.7M)/(b/2);ΔH=3 m;漏失面积F=b2;其中，b为工作面宽度，M为开采煤层厚度;代入式(4)中得:Hb=7 189.363 7Kb。通过压水试验可得出隔水土层渗透系数，计算隔水土层保护层厚度(表1)。因此，取隔水土层厚度40 m;参考基岩平均渗透系数为隔水土层的3倍的关系，取基岩厚度为120 m。

表1 隔水土层渗透系数及其保护层厚度计算Table 1 Permeability coefficient and thickness calculation of protection water soil layer

2.3.2 环境渐变恢复型与环境渐变恶化型阈值

将浅表层水渗漏量是否超过区域一个水文年平均补给量QS作为两者阈值确定的标准，当QL=QS时，得保护层厚度:

(5)

式中，Hb为保护层厚度，m;Kb为保护层渗透系数，m/d;ΔH为渗透水压力差;t为渗透时间，d;ΔS为水文年中区域的丰水期与枯水期水位差，m;μ为含水介质给水度。

根据神南矿区柠条塔煤矿长观孔SK1两年砂层潜水水位观测，一水文年中区域的丰水期(水位标高:1 262.6 m)与枯水期(水位标高:1 261.0 m)水位差为1.6，取ΔS=1.6 m;μ=0.15;得:Hb=5 214.4Kb。计算结果见表1，取隔水土层厚度30 m;基岩厚度为90 m。

2.3.3 环境渐变恶化型与环境灾变型阈值

考虑到计算导水断裂带高度可能存在的误差值，取隔水土层厚度5 m，基岩厚度15 m作为环境渐变恶化型与环境灾变型的阈值。

3 保水采煤矿井等级(类型)划分

西北生态脆弱区在保水采煤实践过程中，不仅要考虑煤层开采对浅表层水的影响程度，还要分析浅表层水资源量的分布，将两者结合才能更直观的指导矿井规划设计。本文考虑浅表层水资源量的分布和煤层开采对浅表层水的影响，划分矿井保水采煤等级类型。

根据提出的4种环境工程地质模式，将煤层开采对浅表层水和生态环境的影响，后期可自行恢复的类型，即环境渐变恢复型和环境友好型划归为正常开采矿井类型;将煤层开采对浅表层水和生态环境的影响，后期无法自行恢复的类型，即环境渐变恶化型和环境灾变型划归为保水开采矿井。基于浅表层水资源量的分布规律，进一步将保水开采矿井划分为:保水采煤一级矿井、保水采煤二级矿井和保水采煤三级矿井(表2)。根据表2标准，将图8和图4叠加，获得研究区保水采煤矿井等级类型分布图(图9)。由图9可知，研究区西部大部分为正常开采矿井，局部出现保水采煤一级矿井和保水采煤二级矿井类型，这主要因为该区域首采煤层厚度较大、埋深较小，煤层开采后导水断裂带以上残余隔水层厚度普遍较小，环境工程地质模式为渐变恶化型，且水资源相对丰富。研究区东部由于煤层开采环境工程地质模式主要为环境渐变恶化型和环境灾变型，另外浅表层水资源属于相对贫乏区，因此主要分布保水采煤三级矿井类型。

表2 保水采煤矿井等级类型划分标准Table 2 Zoning standard of grade types of water-preserved-mining coalmines

图9 研究区保水采煤矿井等级类型Fig.9 Grade types of water-preserved-mining coalmines in the study area

保水采煤一级矿井是指在水资源储存量最丰富的区域，环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型的矿井，这种矿井类型必须采取强制的措施才能进行开采;保水采煤二级矿井是指在水资源储存量中等丰富的区域，环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型，这种矿井类型需要采取一定的措施方可开采;保水采煤三级矿井是指在水资源储存量贫乏的区域，环境工程地质模式为灾变型或者渐变恶化型，这种矿井类型采后可人为进行生态环境修复。

4 保水采煤矿井(区)等级划分的应用方向

保水采煤矿井等级(类型)的划分，使得矿井“科学产能”(据钱鸣高[25-26])的规划设计成为可能。对于正常开采矿井，可以主要按煤炭资源储量大小等，规划设计产能。对于不同保水采煤等级的矿井，应根据其煤炭资源量和保水采煤矿井等级类型，确定不同的科学产能。一级保水采煤矿井，应指定采用分层开采、充填开采、隔离水体开采等保水采煤技术方法，限定其产能规模(资源储量条件相同时，科学产能小于正常开采矿井);二级保水采煤矿井，应采用限高开采、分层开采、集中导水通道封闭等保水采煤技术方法，限定其产能规模(科学产能大于一级保水采煤矿井，小于正常开采矿井);三级保水采煤矿井，由于浅表层水资源量贫乏，天然生态环境差(主要为黄土沟壑区)，在确保实施采后生态环境修复、采空区储水等措施后，可以按正常开采矿井，规划较大的科学产能。

5 结 论

(1)提出了西北生态脆弱区基于以保水采煤为目的的4种天然生态地质环境类型:潜水沙漠滩地绿洲型、地表水沟谷河流绿洲型、地表径流(黄土)沟壑型及区域性(深埋)地下水富集型，将研究区保水采煤生态地质环境类型区内的煤层与含隔水层空间组合分为十类。

(2)分析了研究区煤层上覆水资源类型，计算确定了浅表层水资源(保水采煤目的层)单位面积总储存量分布特征，将浅表层水资源量分布划分为:水资源贫乏区、水资源中等区和水资源丰富区。

(3)基于煤层开采对生态层及浅表层水的影响程度，提出4种保水采煤环境工程地质模式:环境友好型、环境渐变恢复型、环境渐变恶化型及环境灾变型，建立了环境工程地质模式分区标准。

(4)根据研究区浅表层水资源量和保水采煤环境工程地质模式分布，将研究区划分为正常开采矿井和保水开采矿井，进一步将保水开采矿井划分为保水采煤一级矿井、保水采煤二级矿井及保水采煤三级矿井，为矿井科学规划设计提供了可操作的依据。