第1 章 緒 論

煤炭現代開采地下水資源保護利用和地表生態修復是我國煤炭科學開發面臨的重大難題， 該問題在我國西部生態脆弱區域尤為突出。大型煤炭基地是我國煤炭開發的主戰場，晉陝蒙接壤區是我國大型煤炭基地的集中區， 生態脆弱是該區域煤炭科學開發的主要制約因素。如何立足晉陝蒙接壤區大型煤炭基地的煤炭賦存和生態條件， 將煤炭安全高效開采與地下水保護利用及地表生態保護相結合， 突破傳統的技術思路， 開展黃土溝壑區和風積沙區生態立地條件下的地下水保護利用和地表生態修復關鍵技術研究與示範， 對推進我國大型煤炭基地的科學開發具有重要意義。

1.1 研究背景及意義

晉陝蒙接壤區是我國西部生態脆弱區大型煤炭基地的集中區， 地下水保護利用和地表生態修復是大型煤炭基地可持續開發的基本要求。典型生態立地條件下地下水保護利用和地表生態修復技術研發與工程示範， 將為西部生態脆弱區大型煤炭基地科學開發提供技術支撐。

1.1.1 研究背景

晉陝蒙接壤區是我國現代化煤礦的集聚區， 煤炭現代開采與生態脆弱的矛盾是制約該區域煤炭科學開發的關鍵問題。

1.煤炭科學開發是我國經濟社會協調發展的必然要求

煤炭是我國的主體能源， 在國民經濟發展中一直具有重要的戰略地位。根據我國?能源發展戰略行動計劃(2014—2020)?， 2020 年煤炭在我國一次能源中仍將占62%。

煤炭開采的生態負效應對地下水和地表生態造成影響是煤炭開發面臨的突出問題。我國每采1t 煤平均產生約2t 礦井水， 目前年產生礦井水約80 億t， 礦井水利用率僅為25%左右， 使得每年損失的礦井水量達60 億t (謝克昌， 2014、 謝和平?王金華， 2014)。同時， 煤炭開采對地表生態的影響亟待解決。據統計， 我國因采煤導致土地破壞和退化的面積超過300 萬hm2， 土地復墾率不足30%。

國家十分重視大型能源基地建設的生態環境保護問題， 相繼頒布了一繫列的規劃和政策， 包括: ?國務院關於促進煤炭工業健康發展的若干意見???國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)???煤炭行業十二五規劃???礦山生態環境保護與污染防治技術政策? 等。

2.大型煤炭基地地下水和地表生態保護是煤炭科學開發的重要基礎

大型能源基地是我國煤炭開發的主戰場， ?中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要? 提出: 從“十二五” 開始， 我國將逐步形成山西?鄂爾多斯盆地?西南和蒙東?新疆五大國家綜合能源基地， 建設安全高效煤礦， 推進煤炭資源整合和煤礦企業兼並重組， 發展大型煤炭企業集團。?規劃? 還明確要加快陝北?黃隴?神東?蒙東?寧東等大型煤炭基地建設， 穩步推進晉北?晉東?雲貴大型煤炭基地建設， 啟動新疆煤炭基地建設。

晉陝蒙寧甘地區是我國大型煤炭基地的聚集地， 該地區2013 年煤炭產量占全國的71%， 表明西部已成為我國煤炭的主產區。但該地區水資源短缺和地表生態脆弱的客觀條件已嚴重制約煤炭的可持續開發。

3.晉陝蒙接壤區煤炭現代開采地下水保護利用和地表生態修復問題尤為突出

晉陝蒙接壤區域是典型的生態脆弱區， 該區域煤炭資源儲量大?煤層埋藏較淺?地質條件和水文條件相對簡單， 開發條件好。作為我國煤炭資源開發的重點區域， 已建成我國生產規模大?安全高效礦井集中?機械化水平高的煤炭生產集中區域。其中， 神東礦區已成為擁有14 個千萬噸礦井的世界的2 億噸級礦區。由於晉陝蒙接壤區地處干旱半干旱地區和沙漠邊緣， 地貌破碎?植被稀疏?水資源匱乏， 煤炭資源大規模開采產生的地表生態退化和地下水繫統破壞， 加劇了地下水資源短缺和地表生態脆弱。

4.晉陝蒙接壤區亟待建立煤炭現代開采的地下水保護利用和地表生態修復新模式

晉陝蒙接壤區是山西省?陝西省和內蒙古自治區接壤地帶， 位於鄂爾多斯高原東南部及陝北黃土高原北緣和毛烏素沙漠的東南邊緣。黃土高原區內溝壑縱橫， 形成梁峁?溝壑和土塬三種地貌， 侵蝕活躍， 水土流失嚴重。毛烏素沙漠的東南邊緣區內散布著大小不等的沙灘地， 不少為繼續流動沙及半固定沙所覆蓋， 一般沙層厚為幾米到十幾米， 有的地方厚達幾十米。而在黃土高原區—毛烏素沙漠過渡區， 地形相對平緩開闊， 區內土地貧瘠，水土流失嚴重， 土地沙化尚未完全控制， 黃土溝壑與風積沙兩種生態立地特征顯著。

由於該區煤炭資源豐富， 開采條件簡單， 特別適宜於煤炭規模化開采。近年來， 以安全?高效?高回收率為特點的煤炭現代開采大幅度提升了煤炭產量， 但也加劇了大規模高效率開采與地下水保護利用及地表生態修復的矛盾。因此， 針對西部生態脆弱區的黃土溝壑與風積沙地貌兩種典型生態立地條件， 探索煤炭現代開采過程中地下水保護利用與生態修復模式， 對西部生態脆弱區煤炭科學開發具有重要意義。

1.1.2 研究意義

晉陝蒙接壤區煤炭現代開采地下水保護利用及生態修復技術研究與示範是在我國西部生態脆弱區， 將煤炭開采?地下水保護利用和生態修復相結合， 通過繫統研究， 建立適應於西部生態脆弱區典型立地條件的地下水保護利用與生態修復模式， 支撐我國西部生態脆弱區大型煤炭基地的科學開發。

1.提高地下水資源保護利用水平是緩解大型煤炭基地水資源短缺矛盾的重要途徑

地下水資源是煤炭現代開采中影響直接的生態環境要素， 也是修復地表生態繫統的重要資源。煤炭現代開采形成大範圍的導水裂隙帶， 導通第四繫含水層和基岩裂隙含水層， 形成了大量礦井水。長期以來， 為保障生產安全， 礦井水通常外排地表， 由於西部生態脆弱區地表蒸發量大， 礦井水外排後很快蒸發損失， 這是西部生態脆弱區煤炭開采地下水損失的主要原因。

因此， 針對西部生態脆弱區大型煤炭基地的地下水資源特點， 研究煤炭開采三類地下水(地表土壤水?第四繫孔隙水?基岩裂隙水) 的運移規律， 建立有效的煤炭現代開采地下水保護利用模式， 提高大型煤炭基地的地下水資源保護利用水平， 對緩解西部大型煤炭基地水資源短缺矛盾具有重大意義。

2.建立煤炭現代開采生態修復模式是大型煤炭基地生態繫統恢復重建的關鍵

煤炭現代開采以安全高效高回收率為特征， 是我國未來大型煤炭基地煤炭開發的主要方式。與傳統的煤炭開采方式相比， 現代開采對地表生態影響範圍大， 但地表沉陷穩定時間短。因此， 采用傳統的土地復墾方式難以實現現代開采條件下地表生態的快速修復。根據西部大型煤炭基地地表生態的特點， 研究不同立地條件下現代開采對采動覆岩?地下水繫統?地表生態的影響規律， 建立有效的現代開采生態修復模式， 對實現大型煤炭基地可持續開發具有重要意義。

3.煤炭現代開采生態減損是煤炭科學開采的重要內容

煤炭現代開采是應用現代化管理繫統， 進行規模化高強度連續生產的過程。如神東礦區普遍采用的超大工作面(顧大釗， 2013b) 開采工藝， 工作面長度達到300m 以上， 推進距離超過4000m， 推進速度達到15m/ d。

煤炭現代開采對地下水和地表生態的影響程度(或損傷程度) 與煤炭開采條件及開采工藝方法密切相關。煤炭現代開采對地下水和地表生態的影響， 可分為采前?采中?采後狀態。針對大型煤炭基地的煤炭資源賦存特點， 研究不同開采工藝參數下的開采影響程度， 優化開采工藝與方法， 限度地減少煤炭現代開采對地下水繫統和地表生態的損傷程度， 對西部大型煤炭基地可持續開發具有重大意義。

4.生態修復技術是提高西部大型煤炭基地生態修復效率的重要支撐

我國每年煤炭開采沉陷區的治理面積不足開采影響面積的30%。與東部地區相比， 西部生態脆弱區的地表生態自我維持及持續恢復能力差， 煤炭開采作用下的生態承載能力低。

根據煤炭現代開采對地表生態影響的特點， 針對西部大型煤炭基地的煤炭賦存和地表生態約束特點， 進一步研究煤炭現代開采對地表生態的影響途徑和方式?生態脆弱性及生態承載力的關繫?生態修復技術的作用程度和采後自然作用力等問題， 突破生態修復關鍵技術， 尋求自然作用與人類作用的結合， 積極探索現代開采條件下低成本?高效率和高效益的地表生態保護和修復途徑， 對提高地表生態修復效率具有重要意義。

1.2 國內外相關研究與實踐現狀

煤炭開采對地下水和地表生態影響是人們長期關注的問題， 特別是進入21 世紀， 生態環境問題對社會發展的影響日趨嚴重， 使得人們對煤炭資源大規模開發帶來的生態環境問題更加關注， 推動了該領域的研究與實踐。

1.2.1 煤炭開采地表沉陷規律與控制

煤炭開采形成采動覆岩導水裂隙和地表沉陷， 改變了地下水賦存環境和地表層結構，也改變了地下水循環和地表植物生長條件。

在開采沉陷規律研究方面， 國外較早的有比利時的“垂線理論”?Gonot 的“法線理論”?Jicinsky 的“二等分線理論”?哥爾哈的“自然斜面理論”?Fayol 的“圓拱理論”?Hausse 的“分帶理論” 等。進入20 世紀以後， Halbaum 提出了懸臂梁模型， 即將采空區上方岩層看作懸臂梁， 由此推導得出地表應變與曲率半徑成反比，Korten 由實測數據總結出水平移動與變形的分布規律、Fckardt 視岩層移動過程為各岩層的逐層彎曲、Lehmann 認為地表沉陷類似一個褶皺過程。Schmitz?Keinhorst?Bals 等人提出和發展了開采沉陷影響分布的幾何理論、 原蘇聯學者阿維爾申?柯洛特科夫?柯爾檳科夫以及卡查柯夫斯基等先後采用彈性力學?塑性力學及地表移動觀測等方法建立了岩層移動的“三帶理論”。

英國?德國?土耳其?原蘇聯等國家的學者， 在山區地表移動和采動坡體的穩定性研究中， 初步掌握了邊坡破壞的基本規律及治理技術(Peng， 1989、 Bahuguna， 1991)， 采用數值模擬(Watson， 2004)?神(Singh et al.， 2008) 等方法研究了采動引起的山體滑坡機理及規律。如Donnlly 等通過對Pennines 滑坡與South Wales 滑坡的分析對比， 得出軟弱夾層降低了邊坡的穩定性， 並提出了山體滑坡具有蠕變特性(Donnelly etal.， 2002)、 Ghose (2004)?Greco (1996)?Homoud (1999) 等利用斷裂力學和塑性力學理論研究了采動滑坡力學機理、 Chamine 和Bravo (2003)?Luo 和Peng (1999) 等應用計算機模擬技術研究了采動斜坡體的動態變形計算模型。此外， 英國曾進行過山區地表移動的相似材料模擬實驗研究， 美國設置了山區地表移動觀測站， 但少有山區地表移動理論方面的研究(Bauer， 1966、 Nova， 2006)。

我國在地表沉陷規律方面研究較早， 具有代表性的研究成果包括: 錢鳴高的“砌體梁理論” 和“關鍵層理論” (錢鳴高等， 1996， 2000， 2003)、 何國清的地表下沉盆地剖面的偏態表達式“威布爾分布” (何國清等， 1982)、 李增琪的基於“層梁板的彎曲理論”岩層與地表移動模式(李增琪， 1982)、 楊倫的岩層二次壓縮模型(楊倫?於光明，1987)、 張玉卓的岩層移動位錯模型(張玉卓等， 1987)、 宋振琪的傳遞岩梁假說(宋振琪， 1988)、 鄧喀中的岩體開采沉陷結構效應(鄧喀中， 1998)、 吳立新?王金莊的條帶開采覆岩破壞的托板模型(吳立新?王金莊， 1994)、 黃慶享的淺埋煤層“砌體梁模型” 和 “臺階岩梁模型” (黃慶享， 2000)、 吳侃等的采空區上覆岩層移動破壞動態力學模型(吳侃等， 2000) 等。

我國在開采裂縫研究方面也取得了一繫列的研究成果(何萬龍等， 1991、 湯伏全?梁明， 1995、 餘學義等， 2003、 惠東旭等， 2003、 Tang， 2009)， 特別是加強了西部礦區采動岩層破斷及地裂縫災害的研究(任偉中等， 2005、 黃森林等， 2006)。其中， 在西部生態脆弱區研究發現了地表高角度裂縫和臺階下沉等現像(孫洪星， 2008、 康建榮， 2008)。基於現場觀測數據， 分析了采動裂縫發育的四個階段及形成機制， 模擬研究了厚砂土層條件下的地表裂縫發育。

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