岩层采动裂隙演化规律与生态治理技术研究进展

李全生, 李晓斌, 许家林, 徐祝贺, 张 村

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京 102209；2.国家能源投资集团有限责任公司,北京 100011；3.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083；4.北京低碳清洁能源研究院,北京 102211；5.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤炭在地下开采会引起岩层回转运动和塑性屈服破坏，形成一系列张拉裂隙与压剪裂隙，是地下水、瓦斯及浆液提供主要流动通道[1]。采动裂隙演化规律不仅与保水开采、瓦斯抽采和地裂缝治理等采矿工程问题有关，而且受岩层力学性质、覆岩结构型式、采煤方法及开采工艺参数、开采强度及时间等多种因素影响[2-3]。采动裂隙发育规律较为复杂，有时伴随发生各种灾害事故，对工作面安全生产及地表生态环境产生巨大影响。如哈拉沟煤矿22402工作面由于关键层发生破断，覆岩采动裂隙直接导通含水层，含水层带动砂粒涌入工作面发生突水溃沙事故，导致液压支架与刮板输送机无法正常前移[4]。早在1993年陕西榆神府矿区就因煤炭开采产生大量地裂缝及塌陷坑，造成地面建筑损毁、植被破坏、水土流失、滑坡等采动损害问题[5]。由此可见，研究采动裂隙演化规律对于实现我国经济、社会及生态保护等方面的和谐协调发展具有深刻意义。

目前我国煤炭科技工作者针对采动裂隙进行了一系列研究，主要包括：运用弹塑性力学、断裂力学等理论并结合数值模拟与实测资料研究底板采动裂隙破坏深度及分布特征[6]；基于关键层理论、非线性数学方法、模拟分析等手段预测覆岩导水裂隙带发育高度，最后结合地面钻孔、井下钻孔与钻孔电视等实测资料进行现场验证[7]；利用探地雷达技术、GPS-RTK技术等分析地裂缝分布特征与发育规律，结果表明随着工作面推进，首先在开切眼外侧出现地裂缝，然后在平行回采巷道方向和超前工作面一定距离处也有地裂缝产生，在推进距离达到一定程度，地裂缝发育最大，工作面继续推进，地裂缝减小甚至闭合，开采结束后在地表形成“O”型圈[8]；探究采动裂隙在保水开采、瓦斯抽采、减沉开采、地表建筑变形等方面的工程应用，并研发含水层修复技术、地下水库保水技术、卸压增透瓦斯抽采技术、离层区注浆充填技术、条带开采及协调开采等，实现采煤同时兼顾对地下水、瓦斯、矸石等资源的合理利用[9]；明晰不同开采方式扰动产生的裂隙场与应力场、渗流场、温度场部分耦合关系，得到地层应力、水流、瓦斯、温度等变化规律，从而为现场工程问题提供科学指导；揭示采动裂隙(缝)对含水层水位、地表土壤与植被的影响规律，研究表明采动裂隙造成含水层水位下降，但在一定时间后恢复至采前状态，同时裂缝周边区域土壤氮磷钾含量、有机质含量、水含量均降低，在12～18个月后恢复到采前水平，在植被覆盖率方面，开采扰动区域地表植被覆盖率普遍低于周围未开采区[10-11]；针对采动裂隙引发的一系列损害问题，提出采动裂隙(缝)防治技术，如合理优化工作面开采参数(采高、推进速度、支架工作阻力等)、开采工艺选择(综采、综放开采、分层开采等)、地裂缝自修复及人工填埋等措施[12-13]。

从我国能源发展战略、生态修复、煤矿智能化与绿色化发展等角度考虑，对采动裂隙有待进行深入研究。鉴于此，笔者在总结归纳前人研究基础上，提出了采动裂隙研究方法综合运用、力学演化机制及定量描述、深部多物理场耦合、新应用领域及控制、采动损伤科学内涵及评价方法、生态修复科学理念、智能化调控系统等有待解决的热点科学问题，以期为控制覆岩与地表裂隙发育、保护生态环境，裂隙动态演化、渗流规律及裂隙发育程度进行调控，提供创新性技术支撑。

1 采动裂隙形成过程与分类

由于结构面的存在，岩体内部本身存在大量节理裂隙，本质上采动裂隙是岩体内部微裂隙受开采扰动影响后的宏观表现。煤层地下开采后导致岩土体应力改变，应力超过岩石强度，岩层发生变形破断，产生各种采动裂隙，当开采强度达到一定程度时，地表损伤控制层失稳，力的不平衡状态传导到地表，地表土层因所受应力大于其极限强度而发生变形形成地裂缝，故将地裂缝形成过程分为岩层破断运移阶段与表土层变形阶段[14]，对于普通地质条件采矿活动只发生岩层的破断运移，地裂缝在我国西部煤炭集约化开采矿区较为常见。

采动裂隙是矿井水与瓦斯流动的主要通道，而采动裂隙的贯通度、发育高度、闭合程度与许多采矿问题密切相关，具体如图1所示。根据采动裂隙层位形态分布特征，将其分为竖向破断裂隙、层间离层裂隙和活化的断层面，按照采动裂隙出现位置，将其分为煤层采动裂隙、顶板岩层采动裂隙、底板岩层采动裂隙和地裂缝[2]。其中煤层采动裂隙与综放工作面顶煤冒放性有关；竖向破断裂隙是影响井下安全与地表生态环境的关键性因素；离层裂隙是软硬岩层间不同步移动变形的结果，通过向离层区填充外来材料可以提高覆岩承载能力；采动诱发断层活化容易引发突水事故。

图1 采动裂隙分类及相关采矿工程问题[2]

从形态特征和力学角度，地裂缝分为拉伸裂缝、滑动裂缝、台阶裂缝和塌陷裂缝[15]。拉伸裂缝是由于拉应力超出地表土体抗拉强度产生，位于沉陷拉伸区；滑动裂缝是由于坡体发生滑移造成，一般位于沟谷地貌；台阶裂缝与塌陷裂缝与地表损伤控制层稳定性有关。按照分布位置和闭合程度，地裂缝分为边界永久裂缝与中部动态裂缝，边界永久裂缝长期处于被拉伸状态，形成后迅速扩展，平行于开采边界，不能自行闭合。中部动态裂缝随着工作面推进经历“产生—扩展—闭合”3个阶段，整体形态呈“C”形，开口朝向开切眼，根据岩层运动的不同，有时会出现双周期效应，具有自修复特征。

根据地裂缝是否与导水裂隙带沟通，地裂缝分为贯通型裂缝与非贯通型裂缝，贯通型裂缝分布在工作面后方地表且在工作面推进过程中周期性出现，多出现在无弯曲下沉带的矿井与部分特殊条件开采区域。非贯通型裂缝出现在采空区外侧区域，此区裂缝因土体发生拉伸变形而形成拉伸裂缝，裂缝是由上向下发展的，在地表一定深度出现尖灭现象。故从裂隙发展方向，又可分为上行裂隙与下行裂隙[16]，下行裂隙出现地表土层，上行裂隙是煤层开采后，顶板上方由下向上发展的裂隙，主要分布在导水裂隙带区域。明晰采动裂隙形成过程及类型，为采动损伤分区治理奠定坚实的基础。

2 采动裂隙的研究手段

煤层开采引起采场围岩及地表形成采动裂隙，为探讨采动裂隙分布特征及时空演化规律，必须具备精确的研究手段与描述方法。目前对采动裂隙的研究主要通过现场实测、模拟分析和理论分析进行。

2.1 现场实测

在现场实测方面，主要通过井上下钻孔法、钻孔电视摄像系统、地球物理法、光纤与微震监测等手段。井上钻孔法是通过在采空区上方对应地面位置布置部分钻孔，根据分析打钻过程中水位及冲洗液漏失量变化情况，确定导水裂隙带高度的方法，是目前最常用且结果比较可靠的方法。井下钻孔法是在采空区以一定角度布置仰孔，通过注水法观察覆岩破坏高度。在埋深较浅情况下，通常采用井上钻孔法研究导水裂隙带高度，随着开采深度的增加，从地面打钻孔成本较高，井下钻孔也成为主要观察手段。与此同时，结合钻孔电视摄像系统、声速测井等方法，为采动岩层裂隙量化表征奠定基础。

地球物理探测法是根据地下岩石破裂后在能量、密度、导电性等方面的差异性实现对采动裂隙分析的方法，目前主要以瞬变电磁法、高密度电阻率法、地震监测及电导率法为主。虽然该方法存在较多干扰因素，且降噪能力有限，有时运算速度较慢，但成本相对较低、操作简单、对地层结构影响较小，易获取近地裂隙信息，同时能够较好地反映采动裂隙的空间分布特征，弥补钻孔法不足，因此在多个矿井也进行了相关探测研究。张彬等[17]采用瞬变电磁法对宁夏红柳煤矿1121工作面覆岩导水裂隙带高度进行探测，实现覆岩破坏高度的量化分析。张平松等[18]基于立体直流电法，通过开采进度得到不同时间岩层电场变化情况，探究从超前阶段到后期覆岩受采动影响变化特征，研究表明该方法具有探测成本低、结果可靠、动态效应强等优势。彭苏萍等[19]首次采用地震CT技术进行综放工作面煤层中隐伏断层与裂隙探测研究。张华兴等[20]利用EH4电导率成像系统与钻孔电视相结合的手段，明晰了岩层裂隙位置、形态以及宽度等特征，为进一步开展离层注浆技术提供了科学的指导依据。

近年来，随着地质条件复杂性与国家重大科技攻关问题研究的急迫性的提升，对采动裂隙监测手段的要求越来越高，井上下联合微震监测、光纤传感器监测与示踪气体法等新手段也被广泛应用到现场实践中。微震监测是基于在井上下安装传感器采集岩层发生破断时引发的微震信号，通过对信号处理得到震源位置及震级大小等信息，结合覆岩埋深等情况达到分析采动裂隙的动态监测。虎维岳等[21]利用井-地联合微震监测与井下仰孔注水法，实现高家堡矿首采面顶板覆岩破坏和变形的时空动态四维监测。柴敬等[22]通过在三维立体模型试验中布置分布式光纤传感器，探究了在工作面开采过程中覆岩变形破坏特征与顶板来压情况。齐庆新等[23]以沙曲矿为工程背景，采用示踪气体法对底板贯穿型裂隙发育位置、时间及程度进行实测研究，结论与底板破坏深度理论分析结果相吻合。张东升等[24]通过研发一种氦气地表探测覆岩裂隙的试验系统，得到氦气浓度与采动裂隙动态演化之间的对应关系，并在大柳塔煤矿11203工作面得到验证。

分析认为当前国内对各种监测手段研究热度较高，在各个方面也取得很大突破，但依然存在较多问题值得思考与解决，其在基础理论与关键技术、多维数据反演方法与算法优化、仪器信号采集、抗干扰能力、探测精度、传感器布置工艺等方面仍需加强，同时在实际工程问题中裂隙发育杂乱无章，很难精确监测，且每种手段都有其优缺点及适用条件，因此应综合运用多种监测手段，取长补短，互相验证，不仅可以降低成本投入，还可以提高监测效果和精确度，使得观察结果更加可靠。

目前采动地裂缝监测主要通过GPS技术、激光扫描技术与InSAR/D-InSAR等，只能得到地裂缝的空间分布特征，对于发育过程中地裂缝数据获取及其定量表述难以实现。对于西部风沙区存在局部区域降水、工作面推进速度快、动态地裂缝初始尺寸变化微弱等影响因素，加剧了动态地裂缝监测难度。鉴于此，李亮等[25]基于三维激光扫描技术与Matlab平台，运用小波分析精确识别地裂缝位置，用来指导现场实践，但小波分析精确度取决于分析尺度与小波函数。王新静等[26]研发一种便携简易式监测装置，实测数据表明补连塔12406工作面动态地裂缝宽度变化呈现M型。由于浅埋煤层在沟道底部极易发生地表水沿着贯通裂缝流入工作面，侯恩科等[27]综合采用无人机航拍技术与现场实测手段，获取了复杂地质条件下地裂缝的平面分布特征、发育规律与工作面推进度的动态演化过程。针对西部开采强度大、煤层埋藏浅、复杂地貌、地表植被影响等问题以及传统观测手段在数据融合、成本投入、监测精度等方面的弊端，李全生等[28]采用空天地一体化监测技术实现对覆岩及地表损伤精准化监测(图2)，并在神东上湾煤矿12401工作面得到推广与应用。以上这些研究表明精准获取地裂缝位置及其发育规律对控制地表损伤和生态修复起到一定促进作用。

图2 空天地一体化监测体系

2.2 模拟分析

模拟分析是通过模拟原岩应力状态实现对开采问题的研究。主要通过采用离散元、有限差分、有限元等数值模拟软件与不同维度物理相似模型，着重研究在工作面开采过程中裂隙演化过程、形态分布特征、导水裂隙带发育高度及其影响因素等，尤其模拟分析在特殊地质条件下煤层开采为导水裂隙带高度的确定提供一个重要的参考依据。但物理模拟各个岩层材料配比、时间因素、应力位移测试都会影响模型的原始条件，且存在模型制作工序复杂、耗时、费力等弊端。与物理模拟相比，数值模拟操作简单、参数易更改，但由于缺乏理想的本构模型，加之地应力、岩体参数等均难以准确测定，研究结果只能定性参考。鉴于此，需结合多种手段开展研究才使得模拟结果更具有说服力。张东升等[29]综合运用UDEC模拟软件与关键层理论阐明了关键层厚度与基岩厚度对采动裂隙发育的影响规律。文献[30-31]通过采用物理模拟与数值模拟方法给出了复杂地质条件下(采动断层活化、软岩急倾斜煤层)导水裂隙带分布特征。李全生等[32]以神东上湾煤矿8.8 m大采高工作面为工程背景，利用物理相似模型探究了在推进速度分别5 m/d和15 m/d采动裂隙扩展规律(图3)，得到加快工作面推进速度会引起周期来压步距与动载系数增大，但在一定条件下可以减小采动损伤程度和范围。

图3 相似模拟不同推进速度下裂隙扩展规律

2.3 理论分析

目前理论分析主要包括力学分析法、非线性分析法、工程类比法与定量描述法等。在力学分析方面，黄炳香等[33]基于对岩层破断裂隙进行受力分析，并给出裂隙贯通度的计算式(1)。由于岩土体本身复杂，求解过程中只能将岩土体进行简化，导致有时理论分析结果与实际情况差别较大，难以应用到现场工程。刘辉等[34]通过薄板理论的基本顶O—X破断与关键层理论，深刻解析了沟壑地区塌陷型采动地裂缝形成机理，给出该地裂缝是由于关键层破断引起，但未涉及关键层种类与层数对地裂缝的影响规律。此外，许家林等[35]提出采用关键层位置预测导水裂隙带高度的新方法；高延法等[36]通过引入岩层中间层概念，从拉伸变形视角来研究导水裂隙带发育规律；杜时贵等[37]提出采用应力重分布图确定中、缓倾斜煤层覆岩三带高度，进一步完善采动裂隙在力学方面的研究成果。在非线性分析方面，文献[38-42]借助主成分分析法、概率积分法、模糊聚类分析法、BP神经网络、量纲分析法、支持向量机及专家评分系统等，重点分析导水裂隙带高度影响因素，如工作面长度、采高、埋深、岩层性质等，确定各影响因素敏感性，并建立导水裂隙带高度预测模型，有利于科学指导水体下安全采煤。目前国内科技工作者基于大量现场实测统计与理论分析，系统地总结了不同采厚与覆岩硬度条件下导水裂隙带高度的经验公式。在现场应用过程中，对于实测数据差异性较大的矿井，采用工程类比法可以为导水裂隙带预判提供重要的参考依据。从定量分析角度来看，借助图像分析技术获取裂隙密度分布情况[43]，为量化研究采动裂隙提供一种新的途径。应用分形几何理论分析煤岩体采动裂隙的自相似性[44]，表明分形维数不仅可以定量描述采动裂隙发育程度，还可以预测地表沉陷值。目前裂隙定量研究较多通过采用统计学研究，过程繁琐复杂，笔者认为当前急需研发采动裂隙数据快速获取的方法、技术与装置。

(1)

式中：Di为第i层基本顶破断裂隙贯通度；δci为第i层基本顶断裂过程中，裂纹尖端张开位移临界值，m；hi为下位第i层基本顶岩层厚度，m；rp为塑性转动因子，反映了中性轴偏离形心的程度，可由试验确定；ΔSi为以第i层基本顶为研究对象，在采空区该岩层下的自由空间，m；Li为第i层基本顶的周期断裂步距，m。

3 采动裂隙演化规律及分布特征

在煤层开采过程中，采空区顶板逐渐处于悬空状态，顶板在断裂过程中产生大量采动裂隙，采动裂隙不仅是瓦斯气体、水运移的主要通道，并且对巷道围岩稳定性也有极大影响。同时开采产生的贯通裂隙，引起地表水沙涌入工作面，致使井下设备被淹没，生产停滞不前，井下人员无法正常通行，且地表水资源的流失，加剧生态环境进一步恶化。因此深入开展采动裂隙演化规律研究对于保障工作面安全生产、维护巷道围岩稳定性及保护生态环境具有重要的意义。

众多采矿学者对采动裂隙演化规律进行深入探索，钱鸣高院士提出橫“三区”、竖“三带”的采动裂隙分布特征与“O”形圈理论[45]。三下规程中通过大量现场实测指出导水裂隙带呈现“马鞍形”[46]。余学义等[47]认为在条带充填开采条件下导水裂隙带形态为“拱形”。李树刚等[48]发现采动裂隙形态为“椭抛带”。杨科等[49]认为覆岩裂隙发育形态为“梯形椎体”。张通等[50]指出薄基岩厚松散层煤层开采后裂隙带形态特征为“帽”状。后续袁亮[51]给出“顶板环形裂隙圈”的概念，并提出将瓦斯抽采钻孔布置在环形裂隙圈。林柏泉[52]将其称为回形圈。林海飞等[53]提出“采动裂隙圆角矩形梯台带”简化模型，并阐述其动态演化规律，得到采动裂隙带发育高度、走向与倾向方向断裂角等参数，认为关键层层位及砌体梁结构是影响梯台高度的主要因素。

在覆岩裂隙方面，考虑时间因素与工作面推进速度，分析覆岩采动裂隙在横向与纵向的扩展和分布规律，认为工作面推进速度越快，裂隙发育时间越短，裂隙闭合越快[54]。张勇等[55]从煤层厚度、倾角和工作面长度角度，得出裂隙发育呈现不对称性。许家林等[56]提出离层裂隙主要分布于关键层下方，最大发育高度不超过主关键层，最大离层量在采空区中部，并探究了覆岩卸荷碎胀累积效应对离层空间的抑制作用。在底板岩层采动裂隙方面，李白英[57]提出下三带理论。武强等[58]认为煤层采深与底板破坏深度成正比例关系，底板采动原生裂隙经历闭合-张开-闭合的过程，新生裂隙产生后逐渐闭合的演化规律，底板初始破坏位置和裂隙发育程度与岩层性质、受力环境等有关。白海波等[59]发现底板岩层在受到顶板垮落冲击后出现采动裂隙滞后加深现象，在之后周期来压过程中也有此规律，但破坏深度减小，坚硬底板采动裂隙发育程度大于软弱底板岩层。在地裂缝方面，数值模拟与现场实测结果表明，工作面开采结束后在地表形成椭圆形的采动裂缝带，裂缝几何尺寸、产生位置与工作面开采参数、开采工艺及松散层力学性质、厚度等因素有关，地裂缝一般呈楔形出现，在地表一定深度发生尖灭，且地裂缝的演化过程受关键层的破断影响。针对神东上湾煤矿12401大采高工作面，笔者首次提出基本顶破断距、主关键层破断距与地表主裂缝间距呈现“331”周期性传导关系[32]，如图4所示。

图4 基本顶、关键层与地裂缝之间的关系

实测结果表明3次基本顶的断裂回转下沉引起1次主关键层破断，3次主关键层的破断运移产生1组地表主裂缝，深刻揭示了西部高强度开采损伤传导规律。分析认为影响采动裂隙发育因素较多，亟需建立多因素耦合力学模型，同时关于覆岩裂隙研究应着重从三维角度再现横向与纵向裂隙密度、形态及分布特征，重点探讨深部开采和西部沟壑区高强度开采地裂缝力学演化机制，有利于实现矿区生态修复与采动损害控制。

4 煤矿区生态治理技术发展现状

煤炭地下开采必然引起覆岩发生破断和运移，产生一系列宏观与微观裂隙，从而使得地下水资源沿采动裂隙发生流失，与此同时，采动诱发的矿山压力作用在煤岩体上，使其孔隙率、渗透率等特性发生变化，进而影响瓦斯运移规律。此外，特殊地质条件下采动裂隙的快速传导进一步加剧地表生态环境的恶化，激化了煤炭开发与生态保护的突出矛盾，为矿山生态文明建设带来巨大挑战。因此，基于岩层采动裂隙演化规律，并在此基础上研发有效的生态治理技术，成为煤炭行业绿色发展亟需解决的重大科学难题。

4.1 保水采煤技术

在煤层开采过程中，采动裂隙不仅造成含水层发生破坏，致使水位降低，甚至水被完全疏干，还会导致地表水沿着采动裂隙进入矿井，影响工作面安全正常生产，因此迫切需要通过降低导水裂隙发育高度或直接进行含水层保护以期达到保水采煤的目的。对此，许多专家学者开展了一系列相关研究，钱鸣高院士在煤矿绿色开采中就涉及到保水采煤部分，其包括水资源保护、利用及井下水害治理等[60]。1995年范立民针对榆神府矿区首次使用“保水采煤”一词，认为采煤一定会造成地下水渗漏，并提出保水采煤的目标是不足于引起水流大幅度衰减，同时对植被的生长环境不造成大的影响[61]。缪协兴等[62]根据关键层理论和渗流理论，采用“保水”方法进行顶底板水害治理，并阐明隔水关键层的定义与原理。黄庆享等[63]基于浅埋煤层“上行裂隙”和“下行裂隙”及隔水层性质，给出隔水关键层稳定性判别依据，提出保水开采的岩层控制理论；后续许家林等[64]较全面系统地提出保水采煤4个科学内涵：① 避免水害，保障工作面的安全高效生产；② 通过采取控制措施，降低煤炭开采对地下水资源产生的影响；③ 通过采用含水层自修复或人工修复的方法促使其保持原始状态。④ 实现地下水资源的保护利用，在一定程度上实现煤水共采。基于以上理论分析，形成了一系列保水采煤技术，主要概括为以下4个方面：水害防治技术、含水层原位保护技术、含水层修复(人工修复、自修复)技术和煤水共采技术[65]。

4.1.1 水害防治技术

煤矿水害是地下岩层在受到采动影响后改变水的最初流动状态，致使矿井涌水量超出排水量产生的灾害事故。可见只有当矿井涌水量与采动影响达到一定程度才会引起矿井水害。其中，采动影响直接表现为导水裂隙带的产生，故水害防治技术应从水害评价与导水裂隙带高度确定两方面入手。对于地质条件简单的富水性及突水危险性评价，传统方法多采用解析法、比拟法等，但对于复杂地质条件的矿井，这种研究方法往往与实际有很大差别。目前大多数研究采用数值模拟法来预测矿井突水量，利用Visual Modflow软件建立地下水分布数值模型，可以立体直观反映矿井水文地质条件，该方法简单方便，评价准确度高，适用于复杂非均质条件下矿井涌水量预测[66]。针对目前矿井关于勘探水文地质资料的分散性，简单利用已有分散信息不能深刻分析解决问题，无法挖掘这些资料潜在价值，武强等提出了基于GIS的多源信息融合的富水性指数法，有效指导了平朔井工一矿4号煤层顶板的富水性分区[67]；针对我国顶底板突水严重问题，提出了“三图-双预测法”、“脆弱性指数法”和“五图双系数法”等综合评价法，并在开滦、台格庙等矿区得到良好的应用效果[68]。这些方法基本原理是利用勘察手段获得大量数据建立数学评价模型进行统计分析，最后得到与实际情况相吻合的结果。总之，水害评价方法经历了从单因素到多因素、平面到立体、均质到非均质、定性到定量的发展规律。

对于导水裂隙带高度的确定，目前主要利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式与现场观测的钻孔冲洗液漏失量，然而不同矿区开采地质条件复杂多变，运用经验公式计算导水裂隙带高度往往与实际差别很大，而现场钻孔观测存在成本投入高、测点布置密度稀疏等缺点。鉴于此，基于关键层位置的覆岩导水裂隙带高度预测方法被提出，这种方法一方面能够适应不同采厚变化，另一方面对由于关键层结构变化造成的导水高度表现异常情况给出判断，为特殊地质条件的突水防治奠定了基础[2]。如：陕西崔木煤矿在巨厚煤层综放开采条件下发生顶板离层区突水事故，由于在井下钻孔排放离层区积水遇到泥岩，一方面泥岩遇水容易软化崩解，封闭导水通道，不利于排水，另一方面在泥岩中钻孔难度大，容易发生塌孔、埋钻现象。鉴于此，提出了地面直通式导流孔、优化采高与推进速度等措施，有效控制了矿井离层区突水事故[69]；安徽祁东煤矿由于顶板上方存在具有载荷传递作用的松散承压含水层，致使关键层发生复合破断，上下岩层破断裂隙贯通，导水裂隙带高度陡增而联通含水层，最终发生压架突水事故，基于此分析，提出水害预警、顶板预裂爆破与调控开采工艺等手段，实现突水区域的安全开采[70]。后续笔者提出基于导水裂隙带高度的地下水库适应性评价方法，用来判别导水裂隙是否与含水层发生水力联系，是否满足地下水库通道条件，并在多个现场案例中得到验证，同时有效指导了李家壕煤矿地下水库的建设选址与适应性评价[71]。

我国东部煤炭开采逐渐向深部发展，且华北煤田奥陶系岩溶水害比较严重，深部开采导水陷落柱比较隐伏，地质构造识别与井下探测难度大，部分区域无法探查，一旦误判，将发生突水事故，同时井下治理影响工作面生产进度。基于此，水害防治从井下治理转变为地面治理，具体施工表现为在地面打垂直钻孔，到某个深度开始倾斜进入注浆目标层，然后顺着岩层施工多个水平钻孔，通过地面注浆阻止底板突水，实现了对水害的主动、超前、地面、区域性治理[66]。对于底板突水的研究，主要采用底板破坏深度理论计算与突水系数法实现突水危险性评价，同时传统的留设防水保护煤柱、改变开采参数等治理思路逐渐向底板注浆加固含水层等手段发展，并在我国华北、华东与西北地区得到良好的应用效果[72]。

4.1.2 含水层原位保护技术

含水层原位保护技术主要是通过采取相关措施降低覆岩破坏高度进而保证含水层不发生破坏。因此预先了解矿井水文地质条件、优化设计矿井与工作面相关参数、合理控制导水裂隙带高度，可以有效实现含水层的原位保护。范立民等[61]从水文地质角度深刻分析了顶板物理力学性质、隔水层性能与导水裂隙带高度，提出保水采煤要保护含水层结构不被破坏，并认为根据不同区域选择不同开采方法是实现保水采煤的重要途径。张东升等[73]提出在矿区规划设计、整体布局与工作面开采工艺、生产能力等方面必须考虑水资源承载能力。孙亚军等[74]以神东矿区为例，先将水文地质情况分为弱富(无)水区和富水区，其次富水区又分为泉域水源地区、烧变岩富水区、厚基岩区和薄基岩区，给出当含水层富水性弱，基岩厚度小时，即使没有隔水层也要注浆加固基岩，增强其抗压能力，确保保护层的强度与厚度；当基岩厚度足够大时，可采取充填开采、房柱式开采、条带开采、限高(分层)开采等方法降低导水裂隙带高度以实现保水开采，并在补连塔、巴图塔等煤矿得到较好的推广和应用。当前主要通过采用改变采煤方法、调整开采参数与留设煤柱等手段降低导水裂隙带高度，对于开采强度不大的矿井，这些方法可以实现含水层原位保护，但对于一些西部高强度开采的集约化生产矿井，由于煤层埋深浅，上覆基岩较薄，工作面开采强度高，导水裂隙带极易贯通地表，含水层很难保证不受破坏，故研究含水层破坏后的保水采煤技术很有必要。

4.1.3 含水层修复技术

采矿活动引起含水层破坏后会导致地下水位降低，地表植被及水循环系统受到严重影响，恶化生态环境，引发一系列社会经济与生态文明问题。如果通过人为采取相关措施或近自然状态下将采空区与含水层之间的导水裂隙通道封堵，将对煤矿安全、水资源保护与含水层修复起到促进作用。现场工程实践表明，在我国西部富含煤炭资源的高强度开采矿区，导水裂隙带高度发育直至地表，含水层原位保护技术已不再适用，注浆封堵法成为实现含水层修复的重要途径，但该方法关键在于确定导水严重区域，才能有针对性地进行注浆封堵。曹志国等[1]基于分析覆岩破断形态、裂隙分布特征及水流特性，指出导水裂隙主要通道位于开采边界两侧，对于开采区域中部处于压实状态，裂隙接近闭合，导水能力很弱，重点封堵导水主通道区域，可以极大地提高实施效率与节省成本投入。许家林教授在《岩层采动裂隙演化规律与应用》中也提到通过选取覆岩破断裂隙张开度较大区域，如终采线、开切眼、关键层破断线等进行人工注浆封堵(图5)，实现含水层的再造。鞠金峰等[75]提出采用化学沉淀物封堵导水通道方法来实现含水层的再修复。

图5 人工注浆封堵导水裂隙带再造含水层示意[2]

已有研究表明，煤层开采引起的导水裂隙在一定条件下会出现自修复现象，文献[64]提到神东补连塔煤矿12401工作面钻孔水位变化情况，由于采动裂隙贯通至基岩界面，刚开始观测孔内水位处于降低状态，而后随着工作面的推进，破断岩块的胶结成岩特性及松散层中砂土的弥合作用，导致裂隙导水能力降低，水位出现回升现象。事实上，岩层采动破坏的自修复机理是水-气-岩相互作用的结果。鉴于此，笔者开展了裂隙岩石在不同酸碱度条件下水-CO2-岩相互作用试验[76]，如图6所示，结果表明无论在酸性还是碱性条件下，该试件都呈现绝对渗透率降低的自修复能力；后续以神东矿区万利一矿为工程背景，采用原位钻孔观测单一煤层采动与多煤层重复采动下覆岩裂隙特征及自修复规律，得到经过8～12 a的垮落裂隙岩体的自修复效应明显,表现为钻孔冲洗液漏失量小、孔内水位下降缓的低渗透现象[77]。这些研究都进一步验证了岩层采动裂隙存在自修复现象的客观事实。总之，根据具体地质条件，合理选择岩层采动破坏的修复技术(人为注浆封堵或裂隙自我弥合)，对于实现含水层的再恢复具有积极的促进意义。

图6 裂隙岩石的绝对渗透率变化规律

4.1.4 煤水共采技术

神东矿区是我国最大的煤炭开采地，浅埋高强度开采特征致使采动裂隙极易贯通至地表，引发含水层水资源沿采动裂隙流入采空区。传统处理思路是把矿井水抽到地面直接排放或净化后循环利用，但存在蒸发严重、利用率低等缺点，同时在地面上建水库涉及因素较多，难度较大。鉴于此，提出基于矿井水资源转移储存与利用的“采空区地下水库”概念[78]，在一定程度上实现煤水共采。具体是将通过采动裂隙渗漏的水源储存在采空区，根据采空区冒落岩体的过滤、吸附和离子交换等固液耦合作用净化矿井水，再利用相关设备实现采空区水资源的补给与利用，经过净化处理的水源可以满足井下生产用水、生态用水与生活用水等，最终在神东矿区大柳塔等煤矿完成35座地下水库，解决了西部干旱矿区煤炭开采与水资源浪费之间的矛盾，实现双赢局面，建成一批国家级绿色矿山，促使西部矿区由耗水大户变为供水基地[79]。在此基础上，从生态学与采矿学角度出发，提出煤-水仿生共采理念[80]，如图7所示，构建了以区域设计、隔离重构和仿生调控为关键技术的煤-水仿生共采技术体系，不仅考虑煤炭开采与水资源保护的协调发展，还有利于实现地表生态环境的原位保护，进一步完善煤水共采理论与技术体系。

图7 煤-水仿生共采技术体系[80]

4.2 煤与瓦斯共采技术

瓦斯被认为煤矿五大灾害之一，瓦斯达到一定浓度容易使人窒息死亡，同时受井下采掘扰动行为会发生爆炸，产生设备毁坏、巷道破坏、人员伤亡等问题。此外，瓦斯也是一种温室气体，排入大气中引起环境污染，但瓦斯因不含硫，燃烧产生污染物较少，也被当作是一种优质的高效、清洁资源。因此亟需开展煤与瓦斯共采研究，对于兼顾煤矿安全生产与环境保护具有重要意义。

煤与瓦斯共采应该先考虑瓦斯抽放才能实现煤层安全开采。20世纪40年代末，我国在辽宁抚顺煤田进行瓦斯抽采试验，50年代末逐渐应用生产，后续采用瓦斯抽放系统的煤矿数量在增加，包括阳泉、包头、北票、天府等矿区，到2006年，我国煤矿安装瓦斯抽采系统308套，瓦斯抽采量达32.4亿m3，利用率为35.5%，与美国、澳大利亚等国家相比，我国的煤矿瓦斯抽采利用率较低。根据瓦斯抽采顺序与来源，煤与瓦斯共采主要分为采前瓦斯抽采、采动卸压瓦斯抽采和采后瓦斯抽采，其中采动卸压瓦斯抽采包括本煤层采动卸压瓦斯抽采与邻近层采动卸压瓦斯抽采。

1)采前瓦斯抽采。采煤之前进行瓦斯预抽，可以消除突出危险性，提高采煤安全性。由于我国含瓦斯煤层渗透性差、吸附性强，导致瓦斯抽采难度大，效果差。鉴于此，从物理和力学作用两个方面着手改变含瓦斯煤体裂隙发育程度，进而提高煤层渗透率和瓦斯抽采效率，其中力学作用方面主要有水力冲孔法、水力压裂法、水力割缝法、爆破预裂增透法和液氮压裂法，物理作用有微波法、声震法。所有这些方法为解决含瓦斯煤层低渗透率问题提供了创新性技术支撑。

2)采动卸压瓦斯抽采。由于开采扰动和支承压力作用会引起煤壁附近煤体出现卸压增透现象，瓦斯含量瞬间增加，在工作面前方卸压带抽采瓦斯，边采边抽，可以保证工作面安全生产。根据钻孔布置方式，本煤层工作面瓦斯抽采可分为顺层钻孔瓦斯抽采与穿层钻孔瓦斯抽采，其中顺层钻孔抽采已在淮南矿区得到成功应用[81]。邻近层采动卸压瓦斯抽采技术是运用保护层开采的采动卸压作用，促使被保护层即邻近煤层的透气性增大，进而提高瓦斯抽采效果。邻近层瓦斯抽采要求钻孔需进入卸压带，同时还要避免钻孔布置在极其破碎区域，以防止发生钻孔漏气现象。故在邻近层瓦斯抽采布置钻孔时，只有合理设置钻孔直径、钻孔角度、钻孔间距等参数，才能保证瓦斯抽采效果。为解决工作面瓦斯超限问题，降低瓦斯事故发生概率，基于采动裂隙的“O”形圈和瓦斯卸压运移的“三带”理论，提出穿层钻孔、走向高抽巷等邻近层卸压瓦斯抽采技术，同时实现在地面钻井抽采卸压解吸带瓦斯，并在阳泉矿区得到了良好应用效果[9]。

3)采后瓦斯抽采。由于采空区具有空间大、分布范围广、裂隙发育程度高，残留煤多等特征，是矿井瓦斯涌出的主要来源，为降低采空区瓦斯涌出量以实现资源的合理利用，需对采后的采空区进行瓦斯抽采。密闭采空区瓦斯抽采方法主要有地面钻孔抽采与密闭墙内接管抽采[82]，相比于德国、英国等国家，我国封闭采空区瓦斯抽采技术发展缓慢。近年来，随着我国能源结构不断调整，加大清洁能源利用和环境保护的力度，实施废弃矿井瓦斯资源化利用与综合治理项目，为进一步开展采空区瓦斯资源储量评估、瓦斯运移规律及高效抽采技术等方面研究奠定了基础。针对老采空区瓦斯渗流规律、地面井位选择等重要科学问题，建立了地面钻井抽采情况下瓦斯渗流数学模型，得到采空区瓦斯流动状态及合理的抽采参数、地面钻井的控制范围，并在阳泉矿区采空区瓦斯抽采工程实践中得到了良好的应用效果[83]。

4.3 开采减损技术

随着我国中东部煤炭资源逐渐枯竭，同时由于开采条件差、生产成本高、矿井威胁性大等问题，西部矿区已成为我国主要煤炭生产基地，加之西部是我国向西开放及发展丝绸之路的关键点，是我国众多大型煤炭基地聚集区，未来发展潜力很大，具有煤炭发展战略西移的根基。但西部浅埋高强度开采特征造成地表建筑设施与生态环境(植被、土壤、水)的损伤。目前从改变工作面开采方法或参数、调控损伤传导过程、提高受影响对象的抗开采扰动能力等方面分析，提出了充填开采、协调开采、条带开采、离层注浆充填、限厚开采等减损技术。随着生产力的发展，许多方法不能满足现代煤炭集约化高效开采需求，有些方法虽简单易行，但存在煤炭采出率低、充填成本高等弊端。故亟需改变传统思路，由控制损伤改变为降低损伤程度，充分运用受影响对象的抗变形能力，调控采动损害与保护对象之间的矛盾问题。鉴于此，笔者提出以下减损技术[32]：

1)基于开采参数优化的源头减损技术。采动损伤因素包括开采与地质2个方面，其中地质条件无法人为干涉，故从开采参数优化入手是最佳减损途径。由于目前开采参数对减损的评价研究仍处于经验确定或定性分析阶段，为量化开采参数对覆岩的损伤程度，笔者引入损伤比概念(覆岩塑性区总体积占采动影响区覆岩体积的比例)，以上湾煤矿12401工作面为工程背景，运用数值分析得到损伤比与工作面长度、采高和推进速度的关系。如图8所示，可看出损伤比与工作面长度、采高和推进速度均呈“S”型增长，当工作面长度小于304 m，采高小于7.8 m、推进速度大于11.9 m/d(采煤装备限制，推进速度一般不超过18 m/d)可以将损伤比控制在合理范围，超出该范围地表损伤控制层将发生破断，导致损伤比大幅度增加。

图8 损伤比与工作面开采参数的关系

3)变形调控减损技术。该减损技术主要通过减小开采影响范围内对变形敏感且下沉影响小的地表附属物位置的地表变形量，进而实现降低损伤程度和保护地表植被、建筑设施的目标。其核心思想是采用超大工作面开采或拉压变形抵消法来调控地表整体变形量，实现小变形区域扩大，大变形区域缩小。超大工作面开采技术是机械化水平较高条件下的减损开采方法，其工作面长度(通常为300～500 m)是普通工作面的3～4倍，在开采影响范围内地表大多位于变形理论值为零的移动盆地平底部分，同时加快工作面推进速度，更加有利于减小地表受动态变形影响程度。与常规开采相比，超大工作面开采技术可降低大变形区域达50%以上。当工作面无法进行超大开采时，可采用两次或多次协调开采实现对保护区工作面的布置和开采时间的确定，通过首次开采控制保护区变形量，将其拉压变形量控制在保护对象允许范围，2次开采时调控保护区拉伸变形区受压缩变形，压缩变形区域受拉伸变形，从而减小整体开采损伤影响范围。此外，在技术与管理允许条件下也可基于动态预测结果，采用厚煤层(多煤层)的2个分层(煤层)同时开采方式，使地表保护区在前后影响的同一时间受到相反的变形，将整体叠加变形量控制在保护对象的允许变形范围内。

4)覆岩离层注浆减损技术。覆岩离层注浆是一种有效降低覆岩及地表损伤程度的减损方法，其核心思想是通过钻孔向离层空间注浆充填外来材料，进而起到支撑覆岩和阻止采动损伤向地表传导的作用。该技术具有操作简单，容易实施，可实现开采与注浆平行作业等优点，不仅能减小地表下沉，还能保护地表环境及建筑物。许家林等[84]基于关键层理论得到采动离层裂隙演化规律，提出离层注浆减沉技术。针对该技术存在因浆液难充满离层空间而不能阻止关键层破断的问题，提出在非充分采动条件下采用留设煤柱与离层区充填相结合的覆岩离层分区隔离充填减沉法控制地表下沉，即离层区充填体+关键层+煤柱3者共同承载上覆载荷[85]。针对西部高强度开采矿区存在地表生态损伤严重、修复困难等问题，如图9所示，笔者提出“两带”结构转“三带”结构的垮落带与离层裂隙带注浆减损技术[86]，通过垮落带注浆减小顶板下沉量，离层带注浆阻止损伤向上传导，最终有效降低上湾煤矿12401地表损伤程度。

图9 垮落带与离层裂隙带注浆减损技术

4.4 生态修复技术

煤炭大规模高强度开发产生大量采动裂隙，进一步造成土地破坏、植被退化、土壤沙化、地下水位下降、景观破坏等生态问题，探究生态修复技术进展，有利于改善矿区生态环境并实现水资源保护及经济可持续发展。生态修复技术是以恢复土地生产能力为基础，综合采用各种工程技术、生物修复等手段，实现多生态系统要素(植被、土壤、水、景观)的恢复。

针对生态保护问题，国家能源集团研发团队与国内各大高校协同攻关，经过持续技术研发和工程实践，在西部干旱半干旱的神东矿区开展了“晋陕蒙接壤区煤炭基地生态建设关键技术与示范”等国家科技计划项目，在采复一体化、土壤重构、植被恢复、采煤沉陷区综合治理等方面取得了阶段性成果。关于主要生态修复技术总结如下：

1)采复一体化技术。关于井工矿采复一体化技术是基于综合考虑煤层开采与地表沉陷耦合作用，通过选择合理的修复方式与时机，实现开采与复垦协同进行的生态修复手段，主要应用在东部高潜水位地区，在中西部低潜水位地区相对较少[87]。如文献[88]针对高潜水位矿区存在开采沉陷区域积水严重、治理难度大、生态环境恶劣等难题，通过采用动态预复垦方法，实现淮北、唐山等生态文明城市的建设。

2)土壤改良与植物修复技术。土壤改良技术是通过采取相关工程技术及生物、化学、水利等措施，改善土壤肥力、结构、酸碱度等性质，继而重构出适合植被生长发育的环境条件。针对西部风沙区超大工作面开采地质条件，通过探究开采沉降区和裂缝发育程度对植物根系影响规律与自修复时间，提出植物分区差异化修复技术。在均匀沉降区实施以沙蒿为主要植物，配合速生豆科植物的修复模式，在非均匀沉降区优选侧柏、樟子松、紫穗槐、沙棘及紫花苜蓿，采用(樟子松)侧柏与紫穗槐间作密度1∶2、紫花苜蓿与沙棘混作方法，联合生物改良技术可以促进植被生长[89]。此外，对于根系损伤严重问题，采取矿井循环水生态浇灌模式，同时结合以丛枝菌根为主的微生物修复技术改良土壤理化性质，修复损伤根系，促进养分循环吸收，实现西部干旱区生态系统多样性与生态环境的改善[10]。神东矿区通过采用植物分区差异化修复技术，建成了上湾、大柳塔等沉陷区生态治理示范工程基地，实现煤炭开采与环境保护的协调发展。

3)采煤沉陷区综合修复技术。针对地上煤矸石存在占用土地严重，易自燃，并产生有毒气体、粉尘等危害，基于采用煤矸石和地表土层充填复垦技术，将采煤沉陷地作为工业建设用地，不仅实现煤矸石的有效利用，同时还能解决生态污染严重、土地供需矛盾突出等问题。通过疏排沉陷区积水和平整地表高低不平区域，将采煤沉陷地作为农田复垦用地，对于积水严重、土壤贫瘠、土地肥力差，不适合农作物生长且土地复垦成本大的沉陷区，可以直接作为人工湿地，进行水产养殖等活动。因此，根据采煤沉陷的具体情况，合理选择修复方式，是实现煤矿区生态治理的有效保障。

5 讨 论

总结分析目前针对岩层采动裂隙演化规律及生态保护取得了很大进步，但采动裂隙出现位置、形成机理、演化形态及影响因素复杂多样化，关于采动损伤监测体系、生态减损技术等方面尚不完善。鉴于此，笔者认为仍存在一些关键科学问题值得研究与探讨。

1)基于物理相似模拟和数值模拟研究采动裂隙演化规律的弊端。采用物理相似模拟只能大致观测岩层垮落情况，不能准确呈现裂隙动态演化过程，同时垮落结果受岩层配比、晒干时间及人工操作等影响。未受到采动影响之前，由于岩体受到地质构造作用存在原生裂隙是随机分布的，数值模拟方面往往采用离散元法预制裂隙，使得覆岩按照理想状态进行垮落，不能很好地反映现场实际情况。同时数值模拟方法存在多种本构关系，如何选取合适本构模型才能较好地表征岩体固有特征并应用于现场，有待进一步商榷。因此，有必要开展数值模拟方法中本构模型研究，并将多种研究手段互相结合，互相验证，才能保证研究结果的可靠性与准确性。

2)采动裂隙形成机理及时空演化规律有待进一步研究。目前主要借助现场探测与相似模拟等手段研究采动裂隙形成机理与演化规律，只能粗略反映其动态变化过程，缺乏精确性与科学性，研究方法较为单一，不具有可靠性和说服力。对采动裂隙的定量研究一直是困扰采矿工程的科学问题。因此亟需从微观、细观和宏观等角度，采用分形理论、损伤力学以及断裂力学等理论分析采动裂隙形成力学机制及时空演化规律。

3)多物理场耦合仍需加强研究。现阶段开展研究主要侧重于裂隙场、应力场和渗流场部分耦合，而裂隙场是随着时间和工作面推进动态变化，且具有一定自修复能力，进而影响地下水分布规律。因此，有必要基于多场耦合理论对工作面覆岩动态演化特征、裂隙场发育机理及裂隙渗流特征开展研究，为有效控制覆岩及地表裂隙发育、保护地表生态，进行裂隙动态演化、渗流规律以及裂隙发育程度调控，提供创新性的技术支撑。

4)采动裂隙应用及控制方面有待突破。采动裂隙应用主要集中在保水开采、瓦斯抽采和注浆充填开采等方面。保水开采方面，采动破坏后含水层自修复机理及条件以及人工再造含水层技术的创新研究仍是需突破的关键核心问题。瓦斯抽采方面，应加强相关瓦斯抽采技术的理论科学研究，如卸压增透技术在理论方面的突破仍是当前的研究重点。注浆充填方面，如何提出新颖且可行的注浆方法和针对不同地质条件提高注浆效率以及注浆压力、注浆位置、注浆时机等影响因素的选择是值得思考的问题。如图10所示，采动裂隙控制研究方面应重点关注新材料、新工艺以及新技术的研发[90]。

图10 采动裂隙控制途径

5)结合生态学理念，提出采动损伤科学内涵及评价方法。煤炭地下开采会引起岩层移动与地表沉降，传统观念认为采动损伤是地下开采岩层移动引起的覆岩破坏与地表沉陷，然而从生态学角度来，高强度开采还会进一步影响土壤质量、植被覆盖度、地表水位、大气环境等。与此同时，矿区生态环境要素的采动破坏特征呈现出相对于地表变形的时滞性、累加性(如裂缝越来越大、扭曲变形加剧等)、抵偿特性(如采动区房屋先经受拉伸变形后经受压缩变形，或者经受相反过程)、多样性和多元化发展趋势以及直接作用和间接影响(由地下污水排放、有毒气体挥发及矸石压占导致的地表水、空气和堆放地土壤污染等现象)并存等特点。因此，从生态学角度，提出采动损伤科学内涵及评价方法具有刻不容缓的紧迫性和重要的科学价值。

6)矿区生态修复理念需进一步加强。随着煤炭大规模开发基地逐渐转向西部，以往适用于东部的生态修复理论与技术不一定有效，故矿山生态修复要重视因地制宜，不能生搬硬套，此外应树立源头治理，主动治理，采矿全生命周期治理、边采边治理观念。矿山生态修复是受多因素影响的动态过程，需对各个变化阶段生态治理效果进行综合评估，同时应完善生态修复方面的法律法规，主管部门应确保相关政策落实到位，对违规企业单位加大处罚力度，这样才可以提高生态修复效率，缩短治理周期，加快我国生态文明建设。

7)亟需建立采动裂隙引起的损害问题与生态保护智能化评估系统。当前，采动裂隙监测手段已逐渐趋于成熟化与精确化，如何通过现有采动裂隙监测数据反馈到井下工人和地面专家系统，实现工作面安全高效开采与地表生态保护评估，如何建立采动损害与生态保护相协调的智能化调控系统是解决煤炭开采与生态矿区建设矛盾的关键问题。鉴于此，笔者结合已有研究(图2)提出以下评估系统，如图11—图13所示。

图11 采动损害与生态保护评估系统

图12 生态保护评价子系统

图13 决策分析子系统

6 结论与展望

目前研究在一定程度上揭示了采动裂隙时空演化规律及形成机理，但从现场应用角度以及未来我国煤炭绿色开采与生态环境保护和谐发展的战略方面，有以下认识：

1)综合采用多种研究方法，优势互补，互相验证。岩层采动裂隙形成机理及演化规律研究方法多样化，每一种方法在应用过程中都能起到一定程度作用，但各自都有其局限性，未来应综合采用数值模拟、相似模拟、理论分析及现场实测等多种技术手段，尽量避免单一手段的不足，增加其理论分析和实验室试验达到与现场实际情况的吻合，但应注意各种方法之间基本理论力学模型和假设条件的一致性。

2)基于分形理论、损伤力学和断裂力学等理论实现采动裂隙的科学定量化研究。当前针对采动裂隙进行钻孔成像及物理模拟等已经不能适应采矿工程科学发展的需要，未来对采动裂隙的理论研究有待进一步加强。笔者认为岩层采动裂隙随工作面推进动态变化，应结合裂隙分形理论，得到分形维数与各种开采工艺参数的关系式，同时基于损伤力学与断裂力学等理论，建立覆岩采动裂隙张开—闭合模型，科学阐述采动裂隙自修复机理及时空演化规律，是当前以及未来采动裂隙研究热点之一。

3)建立深部多物理场耦合模型。煤炭地下开采环境复杂，有裂隙、水、瓦斯等复杂地质条件，同时随着浅部煤炭资源的开采枯竭，逐渐向地下深部转移，深部矿井温度场、应力场也在发生变化，为更好地反映现场实际情况以及指导深部矿井安全生产的需求，开展多物理耦合模型研究是很有必要的。笔者认为可以利用大型试验设备进行岩石力学实验，研究在不同条件下多场变化情况，构建多物理场耦合模型，并对围岩多物理场分布特征进行数值模拟研究。

4)探索采动裂隙新的应用及控制方法。目前采动裂隙应用主要体现在保水开采，瓦斯抽采及注浆充填等方面，这些方面都有待解决的理论技术难题。从国家战略角度分析认为可以探索采动裂隙在碳减排方面的应用，如根据具体地质环境判断是否可以进行CO2的地质封存等，采动裂隙控制方面应重视新材料、新工艺以及新技术的研发，深入开展采动地裂缝发育扩展机理及控制研究也是目前众多学者关注问题，这对于地表生态修复及土地复垦等具有重要意义。

5)基于生态学理念厘清采动损伤科学内涵及评价方法。我国西部矿区煤炭资源的大规模高强度开采加剧了对地下水资源和地表生态环境的影响，加之西部矿区生态本底脆弱，使得经济社会发展对煤炭资源的需求与生态环境保护之间的矛盾日益凸显。因此，从生态学角度，突破传统观念厘清采动损伤科学内涵及评价方法迫在眉睫，有利于实现煤炭资源开采与生态环境保护协调发展的目的。分析认为采动损伤的评价方法，应包括采动影响区生态稳定性评价、生态自修复能力评价、土壤质量退化程度评价等。

6)明晰矿区生态修复的科学理念。矿山生态修复要注重因地制宜，不能生搬硬套，针对西部生态脆弱区采煤沉陷地与东部高潜水位采煤沉陷地应采取不同的生态治理模式，此外应树立源头修复、主动修复、边采边修复、采矿全生命周期(采前、采中、采后、闭坑)修复的科学理念，并研发其相应的生态修复技术。矿山生态修复是受自然地质条件、经济社会等多因素影响的动态过程，未来亟需构建不同修复阶段的评价指标体系，同时加强完善生态治理方面的法律法规，相关部门应确保政策落实到位，加大对违规企业单位的惩罚力度。

7)基于5 G技术构建采动损伤与生态保护相协调的智能化调控系统。当前采动裂隙监测手段多种多样，已经相对成熟化和精确化，如国家能源集团与中国矿业大学(北京)联合提出的西部矿区空天地一体化监测体系，同时也能较好地实现采动裂隙的数据化处理。但是如何建立一种采动损伤与生态保护相协调的智能化调控系统是当前我国建造绿色矿山任务亟需探讨的问题。分析认为可以利用5 G技术，使得井下现场与远程会议同时同步，专家根据采动裂隙监测数据并结合现场情况给出建议，工人采取相应生态修复措施，同时可以利用手机app应用，及时准确发布有关资讯信息，远程实现专家与井下工人的直接对接。

致谢：文中引用参考文献数量较多，如有疏忽漏注在此表示歉意，并对所有文献作者表示诚挚的感谢! 感谢审稿专家提出宝贵的意见和曾康生老师的悉心指导! 限于作者水平和阅历，不足之处敬请读者批评指正!