張建民,李全生,南清安,曹志國(guó)，張 凱

(1.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；2.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 科技發(fā)展部，北京 100011)

西部生態(tài)脆弱區(qū)現(xiàn)代煤-水仿生共采理念與關(guān)鍵技術(shù)

張建民1,2,李全生1,2,南清安1,2,曹志國(guó)1,2，張 凱1,2

(1.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；2.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 科技發(fā)展部，北京 100011)

針對(duì)西部生態(tài)脆弱礦區(qū)富煤貧水特征和原生態(tài)保護(hù)要求，建立集開(kāi)采和生態(tài)保護(hù)為一體的“現(xiàn)代開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)”；基于采前地下水及地表生態(tài)的穩(wěn)定性關(guān)系或生態(tài)“原態(tài)”約束，提出煤水資源開(kāi)發(fā)中的“煤-水仿生共采”理念、煤炭開(kāi)采與水資源開(kāi)發(fā)及地表生態(tài)保護(hù)同步的“煤-水仿生共采”模式；按照“隔離-導(dǎo)流-控制”的仿生共采新思路、提出“隔離層控制”原理和開(kāi)采“地下水漏斗聚集”調(diào)控效應(yīng)；構(gòu)建了集分區(qū)設(shè)計(jì)、隔離重構(gòu)、仿生控制為核心的煤-水仿生共采保護(hù)控制關(guān)鍵技術(shù)體系；開(kāi)發(fā)了“壓裂-開(kāi)采-注漿”開(kāi)采隔離保護(hù)工藝、地下水匯集調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)。

煤水共采；仿生保護(hù)；隔離重構(gòu)；壓-采-注工藝；地下水匯集；地下水庫(kù)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)生產(chǎn)力作用凸顯，西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開(kāi)采引發(fā)的水資源破壞與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題引起社會(huì)廣泛關(guān)注。統(tǒng)計(jì)表明，全國(guó)96個(gè)國(guó)有重點(diǎn)礦區(qū)中，缺水礦區(qū)占71%，嚴(yán)重缺水礦區(qū)占40%[1-2]；我國(guó)每年因煤炭開(kāi)采形成的廢污水占全國(guó)總廢污水量的25%左右[2]；山西省煤炭過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致水資源破壞面積已占全省國(guó)土面積的13%，全省69%的河段失去使用功能。特別是在富煤貧水的西部生態(tài)脆弱礦區(qū)造成的地下水資源大量流失，加劇了水資源短缺困境和地表生態(tài)退化[3]。據(jù)綜合測(cè)算，山西省2003年因煤炭開(kāi)采造成的直接經(jīng)濟(jì)損失以及由此產(chǎn)生的治理費(fèi)用和生態(tài)環(huán)境潛在損失平均達(dá)到50元/t煤[4-5]，考慮到煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理力度加大和價(jià)格因素，2015年治理成本超過(guò)100元/t煤。

煤炭安全高效高采出率開(kāi)采(簡(jiǎn)稱現(xiàn)代開(kāi)采)已成為我國(guó)煤炭規(guī)模開(kāi)采的主要方式。然而，現(xiàn)代開(kāi)采引發(fā)的一系列地下水和地表生態(tài)環(huán)境影響機(jī)理尚未完全掌握，地下水保護(hù)利用和地表生態(tài)修復(fù)工程化技術(shù)成為煤炭開(kāi)發(fā)的主要瓶頸之一。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量理論研究與工程實(shí)踐，其中，以關(guān)鍵層理論[6-7]及采動(dòng)覆巖滲流理論等為支撐的煤炭綠色開(kāi)采技術(shù)[8-11]，探討了基于開(kāi)采方法和覆巖結(jié)構(gòu)的保水方法；以“煤水共存”和“生態(tài)水位”為特征的保水采煤[12-16]理念與方法，形成了基于地下水賦存規(guī)律的分區(qū)采煤保水方法；以煤炭開(kāi)采對(duì)地下水和地表生態(tài)影響規(guī)律及協(xié)同理論為支撐的特大型礦區(qū)群資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采[17-20]和以“導(dǎo)儲(chǔ)用”的地下水保護(hù)利用理念為核心的煤礦地下水庫(kù)技術(shù)[21-22]，則從礦井水資源保護(hù)利用角度創(chuàng)造了協(xié)調(diào)開(kāi)采與水資源有效利用的技術(shù)途徑?！熬G色開(kāi)采”、“保水采煤”、“協(xié)調(diào)開(kāi)采”、“導(dǎo)-儲(chǔ)-用”等思路分別從煤炭開(kāi)采的自然、資源、利用等不同角度提出水資源保護(hù)的有效技術(shù)途徑，為西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開(kāi)采和地下水及地表生態(tài)保護(hù)提供了技術(shù)支撐。

研究表明，我國(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)現(xiàn)代安全高效開(kāi)采是煤炭規(guī)模開(kāi)發(fā)的主要方式，地下水和地表生態(tài)保護(hù)是綠色開(kāi)采的難點(diǎn)。地下水(包括地表土壤水、松散層孔隙水和基巖裂隙水)是礦區(qū)水資源的重要來(lái)源、控制“原態(tài)”地表生態(tài)的關(guān)鍵因子和維護(hù)地表生態(tài)可持續(xù)的基本條件，而協(xié)調(diào)煤炭開(kāi)采與生態(tài)約束之間關(guān)系也是提高生態(tài)生產(chǎn)力和實(shí)現(xiàn)煤炭資源可持續(xù)開(kāi)采的關(guān)鍵[19]。本研究試圖突破傳統(tǒng)的開(kāi)采學(xué)研究視角和煤炭開(kāi)采→地下水和地表生態(tài)破壞作用→地下水保護(hù)利用與地表生態(tài)修復(fù)的思路，將開(kāi)采學(xué)與生態(tài)學(xué)相結(jié)合，通過(guò)創(chuàng)建適合于生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開(kāi)采地下水和地表生態(tài)基本規(guī)律的“開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)”，探索安全高效開(kāi)采與地下水和地表生態(tài)保護(hù)相互協(xié)調(diào)的新理念、煤-水資源協(xié)同開(kāi)采新模式及關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)原生態(tài)地表環(huán)境和開(kāi)發(fā)利用有限的地下水資源的煤-水共采目標(biāo)。

1 煤-水仿生共采理念

生態(tài)生產(chǎn)力可持續(xù)是我國(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)維護(hù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本條件。按照系統(tǒng)論觀點(diǎn)和生態(tài)學(xué)視角，煤炭開(kāi)采是生態(tài)環(huán)境要素及安全效率約束下的生產(chǎn)活動(dòng)，本質(zhì)要求是煤炭開(kāi)采與生態(tài)生產(chǎn)的內(nèi)在協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。因此，理論上可將煤炭開(kāi)采、地下水與地表生態(tài)簡(jiǎn)化為一個(gè)集煤、水(地下水和大氣降水)資源要素，采動(dòng)覆巖、地表土壤和植物等環(huán)境要素為一體的“現(xiàn)代開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)”(圖1)，包含了多場(chǎng)(采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)覆巖滲流場(chǎng)、影響區(qū)地下水流場(chǎng)等)、多樣性動(dòng)態(tài)關(guān)系(采動(dòng)-覆巖-土壤關(guān)系、地下水補(bǔ)-徑-排循環(huán)關(guān)系、植物-土壤-水關(guān)系等)和多類型變化過(guò)程(采動(dòng)覆巖巖石結(jié)構(gòu)變化、地下水—礦井水轉(zhuǎn)化、地表植物和土壤退化等)。從空間上可分為采煤破壞帶、破壞傳遞帶和環(huán)境影響帶。其中，采煤破壞帶是開(kāi)采直接作用區(qū)，覆巖結(jié)構(gòu)和滲流特性變化較強(qiáng)，巖石空隙和導(dǎo)水能力顯著增加，形成淺部含水層的向下滲流通道，可“釋放”采動(dòng)基巖裂隙水；影響傳遞帶是間接作用區(qū)域，覆巖結(jié)構(gòu)和滲流特性變化較弱，但直接影響淺層地下水補(bǔ)-徑-排循環(huán)關(guān)系，地下水位下降使地表土壤處于“失水”狀態(tài)；環(huán)境影響帶是地表植被、土壤、大氣降水和自然環(huán)境與開(kāi)采相互作用區(qū)域，開(kāi)采、蒸發(fā)與補(bǔ)給作用對(duì)地表生態(tài)生產(chǎn)的影響凸顯。

圖1 煤炭現(xiàn)代開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)

顯然，破壞傳遞帶是開(kāi)采破壞轉(zhuǎn)化為對(duì)地下水和地表生態(tài)影響的關(guān)鍵層位，而水是控制地下水環(huán)境和地表生態(tài)可持續(xù)的關(guān)鍵要素。因此，充分利用煤炭開(kāi)采對(duì)地下水和地表生態(tài)影響規(guī)律，仿照地表生態(tài)采前狀態(tài)(或“原態(tài)”)關(guān)系和生態(tài)可持續(xù)要求，通過(guò)集成創(chuàng)新煤炭開(kāi)采工藝，改造開(kāi)采破壞傳遞帶，控制開(kāi)采裂隙影響范圍，維護(hù)或重構(gòu)滿足淺層地下水自然循環(huán)和地表生態(tài)的水環(huán)境條件，使采后地下水和地表生態(tài)能保持或優(yōu)于“原態(tài)”，同時(shí)利用開(kāi)采裂隙“解放”深層基巖裂隙水資源，則是實(shí)現(xiàn)安全高效高采出率開(kāi)采、地下水開(kāi)發(fā)利用和地表生態(tài)保護(hù)的綠色開(kāi)采目標(biāo)的有效途徑。

在神華實(shí)施的“千萬(wàn)噸礦井群資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采”、“大型煤炭基地生態(tài)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與示范”、“神東礦區(qū)水資源保護(hù)性開(kāi)采與綜合利用技術(shù)”、“神東礦區(qū)現(xiàn)代煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源和地表生態(tài)影響規(guī)律研究”、及保水采煤等研究和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，借鑒“綠色開(kāi)采”、“科學(xué)開(kāi)采”、“保水開(kāi)采”等理念，針對(duì)研究區(qū)煤、水資源共存條件，按照原生態(tài)(地下水與地表生態(tài))規(guī)律，提出以“隔離-引導(dǎo)-調(diào)控”為核心的“煤-水仿生共采”的地下水與地表生態(tài)保護(hù)和控制的理念，即基于煤炭現(xiàn)代開(kāi)采工藝，利用現(xiàn)代開(kāi)采及對(duì)地下水和地表生態(tài)的影響規(guī)律，通過(guò)采前分區(qū)設(shè)計(jì)、采中重構(gòu)和采后控制等技術(shù)的系統(tǒng)集成，控制地下水流場(chǎng)分布，構(gòu)建符合地下水循環(huán)與地表生態(tài)環(huán)境原生狀態(tài)的支撐條件，保持開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)的“原生”關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“煤炭安全高效開(kāi)采—地下水與地表生態(tài)保護(hù)—水資源利用一體化”。其主要內(nèi)涵是：

(1) 保持地表生態(tài)“原態(tài)”穩(wěn)定型關(guān)系是地下水和開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)的基本要求。地表生態(tài)采前狀態(tài)(“原態(tài)”)是自然形成的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)，而地下水和大氣降水是地表生態(tài)的關(guān)鍵支撐條件。煤炭開(kāi)采裂隙導(dǎo)致基巖裂隙水和含水層滲流、原態(tài)地下水位下降和地表裂縫，引發(fā)了礦區(qū)地表生態(tài)問(wèn)題。為保護(hù)地表生態(tài)，仿“原態(tài)”的水、土、植被之間的關(guān)系，通過(guò)開(kāi)采過(guò)程控制，使淺部地下水補(bǔ)-徑-排循環(huán)系統(tǒng)不變、地表土壤和植物的原生水補(bǔ)給關(guān)系不變，構(gòu)造符合淺層地下水循環(huán)和地表生態(tài)“原態(tài)”支撐條件，使采后地表生態(tài)與“原態(tài)”基本一致或有所改進(jìn)。

(2) 煤炭開(kāi)采全過(guò)程與地下水和生態(tài)保護(hù)協(xié)同是控制開(kāi)采影響的關(guān)鍵。大面積開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙帶形成了地下水漏斗，隨著開(kāi)采面積增加漏斗范圍及地表生態(tài)影響擴(kuò)大。生態(tài)水位是地表生態(tài)“原態(tài)”的重要標(biāo)志，淺層地下水補(bǔ)-徑-排循環(huán)系統(tǒng)是維持生態(tài)水位的支撐條件，導(dǎo)水裂隙帶高度確定了地下水和地表生態(tài)影響范圍。開(kāi)采影響過(guò)程中，協(xié)同實(shí)施人工構(gòu)筑“柔性隔離層”方法，控制導(dǎo)水裂隙帶實(shí)際影響高度和范圍，保持“生態(tài)水位”及原生地表土壤和植物的原生水補(bǔ)給關(guān)系，利用開(kāi)采裂隙效應(yīng)“釋放”深部基巖裂隙水，引導(dǎo)淺層地下水定量向地下水庫(kù)匯集，實(shí)現(xiàn)煤炭安全高效開(kāi)采與地下水和地表生態(tài)保護(hù)。

(3) 煤炭生產(chǎn)與生態(tài)生產(chǎn)關(guān)系協(xié)調(diào)是實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采目標(biāo)的本質(zhì)要求。開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)集成了煤炭開(kāi)采與地下水和地表生態(tài)保護(hù)相關(guān)的資源與環(huán)境要素，煤炭開(kāi)采對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)作用影響了原態(tài)生態(tài)的系統(tǒng)平衡。通過(guò)煤炭開(kāi)采全過(guò)程與地下水和地表生態(tài)保護(hù)的一體化，仿照“原態(tài)”穩(wěn)定型生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系設(shè)計(jì)開(kāi)采與地下水和地表生態(tài)保護(hù)的協(xié)同關(guān)系，控制煤炭開(kāi)采的擾動(dòng)作用的空間范圍和時(shí)間，盡快引導(dǎo)采后生態(tài)系統(tǒng)向原態(tài)或優(yōu)于原態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，建立適于生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的平衡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)煤炭安全高效開(kāi)采與生態(tài)生產(chǎn)力保護(hù)等多重目標(biāo)。

2 煤水仿生共采原理與技術(shù)體系

2.1 煤-水仿生共采原理

研究表明，采用以超大工作面為標(biāo)志的現(xiàn)代開(kāi)采工藝時(shí)，采動(dòng)覆巖形成滲流性良好的導(dǎo)水裂隙帶，影響了地下水原始水平徑流和垂直滲漏狀態(tài)[1]。如以補(bǔ)連塔井田32201工作面(長(zhǎng)3 800 m，寬240 m)開(kāi)采前后地下水流場(chǎng)變化為例，采前大部分區(qū)域地下潛水原始水位在30 m以上，為了回采工作面安全，采前疏放了采動(dòng)影響區(qū)地下水，剩余含水層厚為0～10.25 m，平均6.41 m，含水層厚度平均減小4.54 m，局部區(qū)域地下水被全部疏干?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)過(guò)程中，采動(dòng)裂隙逐步發(fā)育→向上貫通→普遍發(fā)育并趨于穩(wěn)定，形成裂采比12～18倍的導(dǎo)水裂隙帶(圖2)。

圖2 補(bǔ)連塔32201工作面導(dǎo)水裂隙帶及地下水位變化

煤炭開(kāi)采增加了采動(dòng)覆巖滲流特性，通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通松散層含水層與采空區(qū)(圖3(a))，含水層滲流導(dǎo)致區(qū)域地下水流場(chǎng)重新分布，形成以采場(chǎng)區(qū)域?yàn)榈叵滤奂?、?dǎo)水裂隙區(qū)(帶)為滲流中心的地下水漏斗(圖3(b))。地下水位下降引起地表生態(tài)問(wèn)題，且隨著采動(dòng)范圍增加，地下水漏斗區(qū)域和地表生態(tài)影響范圍增加。

圖3 補(bǔ)連塔井田煤炭開(kāi)采環(huán)境影響效應(yīng)

煤-水仿生共采保護(hù)控制原理是以影響地下水和地表生態(tài)變化的關(guān)鍵因素——水為核心，基于“三水”(土壤水、松散層孔隙水和基巖裂隙水)的“原態(tài)”特征，著眼“開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)”內(nèi)部協(xié)調(diào)，通過(guò)構(gòu)筑“隔離層”，隔斷地下開(kāi)采對(duì)地表生態(tài)的影響，有效釋放基巖裂隙水和定向匯集利用大氣降水資源，仿生重構(gòu)開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)的“原生”基本關(guān)系，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)的”原態(tài)”可持續(xù)演化。

煤-水仿生共采保護(hù)控制方法主要包括：一是通過(guò)在導(dǎo)水裂隙帶和含水層間重構(gòu)隔離層，維持淺部地下水(土壤水、松散層孔隙水)補(bǔ)-徑-排循環(huán)“原態(tài)”關(guān)系，同時(shí)釋放開(kāi)采裂隙帶所在巖層的基巖裂隙水；二是通過(guò)控制保護(hù)區(qū)域(即隔離層重構(gòu)區(qū)域)范圍和調(diào)整裂隙帶的導(dǎo)水高度，引導(dǎo)區(qū)域地下水向匯集區(qū)域聚集(即非隔離層重構(gòu)區(qū)域)和向地下水庫(kù)流動(dòng)；三是通過(guò)匯集區(qū)域?qū)ǖ绤?shù)(導(dǎo)水裂隙高度和滲透性)的工程調(diào)控及地下水庫(kù)泄水量調(diào)整，控制第四系松散含水層的地下水位變化，保持“原態(tài)生態(tài)水位” (圖4)。

圖4 煤-水仿生共采保護(hù)控制原理示意

采用煤-水仿生共采原理，一是可基本保持原態(tài)“生態(tài)水位”和地下水與地表土壤和植被的“原生”基本關(guān)系，保護(hù)原態(tài)地下水和地表生態(tài)；二是控制地下水定向匯集，有效利用了基巖裂隙水和大氣降水資源；三是降低了地下水→礦井水轉(zhuǎn)化過(guò)程的污染風(fēng)險(xiǎn)和地表生態(tài)的開(kāi)采損傷作用。即，通過(guò)煤-水仿生共采對(duì)地下水和地表生態(tài)的顯著保護(hù)與控制作用，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)中煤炭開(kāi)采與生態(tài)生產(chǎn)的內(nèi)在協(xié)調(diào)和系統(tǒng)可持續(xù)。

2.2 煤-水仿生共采技術(shù)體系

“煤-水仿生共采控制”技術(shù)體系基于開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)，著眼整個(gè)開(kāi)采區(qū)域和地下水單元，采用開(kāi)采區(qū)域分區(qū)設(shè)計(jì)、分層隔離重構(gòu)、參數(shù)仿生調(diào)控等技術(shù)，調(diào)整開(kāi)采區(qū)域地下水平衡，確保淺部地下水與地表生態(tài)的“原態(tài)”關(guān)系和開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)中水資源的有效利用(圖5)。

圖5 現(xiàn)代煤-水仿生共采技術(shù)體系框架

3 煤-水仿生共采關(guān)鍵技術(shù)

3.1 導(dǎo)水裂隙帶隔離與控制技術(shù)

基于煤-水仿生共采保護(hù)控制是采用水平壓裂-工作面回采-隔離層注漿的聯(lián)合工藝，在地下含水層與導(dǎo)水裂隙帶間重構(gòu)阻隔地下水下滲的隔離層，控制“原態(tài)”地下水流場(chǎng)形態(tài)和補(bǔ)-徑-排關(guān)系，同時(shí)釋放基巖裂隙水并加以利用。

(1)隔離層選擇。隔離層參數(shù)主要是高度與巖性組合。其中，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度(Hl,m)低于受保護(hù)含水層高度(Hm,m)且距離較遠(yuǎn)時(shí)(Hl?Hm)，隔水層可不設(shè)計(jì)或選擇在導(dǎo)水裂隙帶頂部位置；當(dāng)Hl>Hm，隔離層選擇在導(dǎo)水裂隙帶上部且滿足距受保護(hù)含水層的安全距離位置ΔH；當(dāng)Hl≈Hm，即隔離層選擇在導(dǎo)水裂隙帶中且低于受保護(hù)含水層下安全距離的位置。隔離層的巖性組合宜選可壓性好和隔離性有利的巖性層，有助于形成網(wǎng)狀裂隙，阻礙采動(dòng)裂隙向上發(fā)育，增大注漿控制強(qiáng)度，提高隔離效果。

(2) 壓-采-注工藝。該工藝是基于超大工作面和頂板全部跨落法開(kāi)采工藝，將工作面回采與地表(或地下)壓裂和注漿工藝相結(jié)合，按照一定的周期異步循環(huán)實(shí)施，分別完成隔離層壓裂、工作面回采、隔離層注漿(簡(jiǎn)稱為壓-采-注)，形成阻斷含水層地下水向?qū)严稁B流的隔離層(圖6)。

圖6 壓-采-注工藝示意

壓裂階段采用的壓裂工藝與裝備選擇綜合考慮高效率、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。依據(jù)壓裂可控半徑和長(zhǎng)度布設(shè)壓裂井，其壓裂控制區(qū)域S(Wy×Ly)和高度應(yīng)滿足：

式中，Wg和Lg分別為回采工作面寬度和水平壓裂井控制長(zhǎng)度；n為沿工作面推進(jìn)方向的設(shè)計(jì)壓裂井?dāng)?shù)；Hx為含水層高度；Hd為導(dǎo)水裂隙帶高度；Hg為隔離層高度；ΔH為安全控制距離，m。

回采階段形成了導(dǎo)水裂隙帶高度相對(duì)穩(wěn)定的裂隙發(fā)育區(qū)，為確保壓裂的隔離層與導(dǎo)水裂隙帶的連通性和注漿阻斷控制效果，隔離層高度按式(1)優(yōu)選；注漿階段是通過(guò)向壓裂控制的水平隔離層中壓裂裂隙注漿并驅(qū)動(dòng)漿液向鄰近導(dǎo)水裂隙帶指定層位流動(dòng)，漿液凝固后形成柔性隔離層。漿液要求流動(dòng)性好、有黏性和無(wú)污染，且在固化后具有一定的柔韌性，確保隔離層承壓功能。

壓-采-注聯(lián)合工藝是按一定的周期在空間上分段，時(shí)間上異步，分段循環(huán)往復(fù)實(shí)施。周期來(lái)壓步距與時(shí)間是同步協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)施中按照早期來(lái)壓、勻速推進(jìn)、快速注漿的原則協(xié)同推進(jìn)，注漿時(shí)間選擇在采動(dòng)頂板跨落后當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶初步形成時(shí)，確保開(kāi)采安全和防滲流效果。

(3) 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。按照采前—采中—采后全過(guò)程監(jiān)測(cè)要求，采用地表水文鉆孔觀測(cè)法、井下礦井水流量觀測(cè)法、井下鉆孔觀測(cè)法等，開(kāi)展采前本底、采中導(dǎo)水裂隙帶滲流、采后隔離效果的監(jiān)測(cè)，分析評(píng)價(jià)隔離和保護(hù)含水層效果。

3.2 地下水資源匯集與調(diào)控技術(shù)

西部生態(tài)修復(fù)研究表明，大氣降雨是西部地區(qū)稀缺的水資源補(bǔ)給渠道，大面積的開(kāi)采沉陷和裂隙提高了地表層土壤滲流和大氣降水匯聚能力，大氣降雨向地下含水層的滲流量增加。如以每年降雨量300～400 mm計(jì)算，井田面積為100 km2的礦區(qū)(如大柳塔井田)，地下滲流量占35%，每年可有1 000萬(wàn)～1 400萬(wàn)t大氣降雨滲入含水層，按照傳統(tǒng)開(kāi)采模式直接滲入采空區(qū)，不僅生態(tài)水位難以保持“原態(tài)”，同時(shí)流經(jīng)采空區(qū)的地下水還需凈化處理，也降低了地下水庫(kù)的集水效率和可調(diào)控性。該技術(shù)依托導(dǎo)水裂隙帶隔離與控制關(guān)鍵技術(shù)，調(diào)控開(kāi)采地下水漏斗范圍和地下水變化梯度，維持開(kāi)采區(qū)域生態(tài)水位和地下水潔凈收集利用。

(1) 分區(qū)分層設(shè)計(jì)。重點(diǎn)是基于礦區(qū)3D-GIS開(kāi)采地質(zhì)和水文地質(zhì)模型，確定地下水流場(chǎng)凸區(qū)和煤層賦存較高區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)，凹區(qū)與煤層賦存較低區(qū)域?yàn)榈叵滤畢R集區(qū)，開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶和采空區(qū)為地下水導(dǎo)水和儲(chǔ)存區(qū)(或地下水庫(kù))(圖7)；分層設(shè)計(jì)是在保護(hù)區(qū)根據(jù)采動(dòng)覆巖組合及物性特點(diǎn)和開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶與含水層的空間關(guān)系，優(yōu)選隔離帶層位，實(shí)現(xiàn)隔離層上確保含水層地下水不下滲和層下最大限度的“釋放”基巖裂隙水；隔離帶是保護(hù)區(qū)與匯水區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶之間相互封閉的采動(dòng)覆巖帶。其寬度Wy(m)滿足：

式中,θ為開(kāi)采沉陷角；ΔL為水平安全距離，m，根據(jù)隔離帶巖性及地下水庫(kù)壩體要求綜合確定。

圖7 地下水匯集控制

(2) 分區(qū)回采與功能重構(gòu)。主要包括保護(hù)區(qū)隔離和匯水區(qū)重構(gòu)。前者是在保護(hù)區(qū)域內(nèi)，采用前述的壓-采-注工藝，確保含水層地下水不滲流，最大限度的維持地下水位“原態(tài)”位置和地表生態(tài)原始功能，利用地表層開(kāi)采裂隙對(duì)土壤的疏松作用，提高大氣降水滲流作用；后者是在匯水區(qū)域內(nèi)，采用安全高效開(kāi)采方法，形成均勻發(fā)育的導(dǎo)水裂隙帶，采用垂直壓裂方法貫通(圖8)導(dǎo)水裂隙帶與保護(hù)含水層，且根據(jù)開(kāi)采區(qū)域大氣降水和含水層地下水可供給量和地表生態(tài)要求，確定垂直壓裂控制參數(shù)和匯水區(qū)能力。

圖8 地下水匯水區(qū)剖面及仿生控制

(3) 地下水監(jiān)測(cè)與調(diào)控。通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的大氣降雨、地下水、礦井水流量、地下水庫(kù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集，綜合分析評(píng)價(jià)開(kāi)采區(qū)域地下水保護(hù)效果、大氣降水匯集量和地下水庫(kù)可補(bǔ)給量；地下水調(diào)控則是根據(jù)“原態(tài)”地下水位要求和大氣降雨滲流量等約束參數(shù)，適時(shí)調(diào)整地下水庫(kù)泄流量，且滿足：

式中，Vs為地下水庫(kù)泄水量；Vd為開(kāi)采區(qū)域大氣降雨滲流量；Vkh為開(kāi)采區(qū)域匯水量；Hd為實(shí)際觀測(cè)地下水高度；Hs為“原態(tài)”水位高度；f(x,y,z)為地下含水層含水量變化函數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)從生態(tài)學(xué)和采礦學(xué)相融合視角提出的“開(kāi)采生態(tài)系統(tǒng)”和“煤-水仿生共采”理念，充分利用現(xiàn)代開(kāi)采對(duì)地下水及地表生態(tài)的影響規(guī)律和煤礦地下水庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)，重構(gòu)符合區(qū)域淺層地下水循環(huán)與地表生態(tài)的支撐條件，有助于實(shí)現(xiàn)“安全高效開(kāi)采—地下水與地表生態(tài)保護(hù)—水資源利用一體化”的煤-水協(xié)調(diào)共采目標(biāo)。

(2)以“隔離-導(dǎo)流-調(diào)控”技術(shù)思路為核心，“壓裂→回采→注漿”導(dǎo)水裂隙帶隔離控制和地下水資源匯集與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，可有效利用大氣降水和開(kāi)采基巖裂隙水資源，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用。

(3)煤-水仿生共采中壓裂—回采—注漿是保護(hù)控制的關(guān)鍵。目前壓裂和注漿技術(shù)比較成熟，有待突破壓裂系統(tǒng)裝置的輕型化和井下作業(yè)模式、壓裂—回采—注漿聯(lián)合工藝的合理參數(shù)、抗壓性及柔韌性較好的新型注漿液等實(shí)施難點(diǎn)。依據(jù)目前市場(chǎng)價(jià)格測(cè)算，實(shí)施需要增加成本約為生態(tài)影響綜合成本的10%～15%，通過(guò)優(yōu)化工藝、壓裂裝置輕型化和提高作業(yè)效率，能進(jìn)一步降低實(shí)施成本。

(4)生態(tài)脆弱性是西部富煤貧水區(qū)煤-水共采的自然制約，保護(hù)生態(tài)生產(chǎn)力又是煤炭科學(xué)開(kāi)采的當(dāng)務(wù)之急。筆者提出的煤-水仿生共采理念及技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)，可為系統(tǒng)解決西部煤炭開(kāi)采區(qū)域的地下水資源保護(hù)區(qū)(如陜北紅堿淖保護(hù)區(qū))、煤-水資源共采區(qū)(陜北錦界礦區(qū))、煤-鈾資源共采區(qū)等煤炭開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的難點(diǎn)問(wèn)題提供新的解決技術(shù)途徑。

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Study on the bionic coal & water co-mining and its technological system in the ecological fragile region of west China

ZHANG Jian-min1,2,LI Quan-sheng1,2，NAN Qing-an1，2，CAO Zhi-guo1,2,ZHANG Kai1,2

(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourceProtectionandUtilizationinCoalMining,ShenhuaGroupCorporationLimited,Beijing100011,China;2.ScienceandTechnologyDevelopmentDepartment,ShenhuaGroupCorporationLimited,Beijing100011,China)

The fragile ecological setting is a challenge for large scale coal mining in west China,where is a coal-rich and water-poor area.The study constructs a “mining eco-system”,integrated coal mining & groundwater & ecology protection,from eco-perspective.Based on the original eco-system constraint,it proposes a protection concept of “bionic coal & water co-mining” and the coordinated mode of coal-mining and groundwater exploitation and ecological protection;Following new roadmap including “isolation-diversion-control”technology,the “isolation-layer control” mechanism and “the groundwater funnel aggregation” effect are discussed.The bionic coal-water co-mining technology system has been set,which contains the partite-area design,reconstruction by isolation method and bionic-controlling.And the key technologies have been developed,involving layer fracturing-working face mining-layer grouting method and groundwater collection & management.The bionic control concept and roadmap of coal-water co-mining,as a green-mining solution,will be helpful to improve the ecological productivity for the ecological fragile areas of western China.

coal & water mining;bionic co-mining;isolated protection;fracturing-mining-grouting method;groundwater convergence;underground reservoir

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5012

2016-09-23

2017-10-25責(zé)任編輯:韓晉平

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0600708)；煤炭開(kāi)采水資源與生態(tài)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究課題資助項(xiàng)目

張建民(1957—)，男，河北張家口人，教授級(jí)高級(jí)工程師。Tel：010-58133320，E-mail:zhangjm@shenhua.cc

TD823

A

0253-9993(2017)01-0066-07

張建民,李全生,南清安，等.西部生態(tài)脆弱區(qū)現(xiàn)代煤-水仿生共采理念與關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):66-72.

Zhang Jianmin,Li Quansheng，Nan Qingan,et al.Study on the bionic coal & water co-mining idea and key technological system in the ecological fragile region of west China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):66-72.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5012