摘 要：受“缺油，少氣，相對富煤”能源資源稟賦制約，煤炭開發(fā)是中國能源安全的兜底保障。當前，煤炭開發(fā)中，碳排放增加、水資源損害和水質(zhì)污染、生態(tài)環(huán)境損害等是制約煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“碳、水、環(huán)”三重約束難題，如何協(xié)調(diào)煤炭資源的安全開采和綠色開采，保障“碳達峰、碳中和”、生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國的戰(zhàn)略需求，成為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展亟待破解的瓶頸。圍繞煤炭開采地質(zhì)條件演化和多圈層結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提出了破解煤炭安全開采、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展問題的“6R”（可恢復(fù)“Recover”、可再用“Reuse”、可減損“Reduce”、可再儲“Restore”、可循環(huán)“Recycle”、可再生“Renewable”）開發(fā)理念和煤礦區(qū)資源安全、綠色開采和減損地質(zhì)保障的科學(xué)內(nèi)涵和研究思路，主要內(nèi)容包括：明晰煤炭開采地質(zhì)條件的演化規(guī)律，厘清安全開采與綠色開采的關(guān)系，建立煤炭安全開采和綠色開采的協(xié)調(diào)機制，應(yīng)用地質(zhì)工程手段保障煤炭安全減損開采和綠色開采，形成煤炭開發(fā)、多資源利用、水土保護、生態(tài)屏障、土地安全等一體化的全鏈條調(diào)控策略和開發(fā)理念；基于安全開采和綠色開采協(xié)調(diào)的“碳、水、環(huán)”約束下煤炭開采區(qū)采動影響地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件功能再利用理念，建立基于煤炭開采區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)保護與煤炭安全、綠色開采的多方位、全時空監(jiān)測-預(yù)測-預(yù)警體系，剖析減損開采的地質(zhì)主控因素，提出關(guān)鍵巖層組合關(guān)系和隔水封閉層位的動態(tài)評價和保護與修復(fù)方法，形成基于關(guān)鍵巖層和隔水層損害程度、宏觀裂隙形態(tài)與地下水導(dǎo)流能力控制的減損開采理論與模式；推進“煤炭安全、綠色開發(fā)→地質(zhì)條件保護、修復(fù)、利用→資源再利用和可持續(xù)發(fā)展”全周期和全鏈條減損保障研究，通過開采調(diào)控、巖層控制、工程防治和修復(fù)重構(gòu)，形成多圈層功能服務(wù)的煤礦區(qū)地質(zhì)條件保護和重構(gòu)技術(shù)及理論，打造“碳、水、環(huán)”約束下地質(zhì)條件再利用的煤炭開采區(qū)“碳-水-生態(tài)-能源”的儲蓄庫，發(fā)展人地和諧和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)開發(fā)模式。“碳、水、環(huán)”約束下的煤炭減損開采地質(zhì)保障研究，服務(wù)于煤炭安全、綠色開采和地質(zhì)環(huán)境保護、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)煤炭開采區(qū)地表生態(tài)和諧與地下空間功能利用，形成能源安全牽引、減碳低碳驅(qū)動、水資源和水環(huán)境保護、生態(tài)環(huán)境和諧下的煤礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的全鏈條開發(fā)減損地質(zhì)保障格局。

關(guān)鍵詞：“碳、水、環(huán)”三重約束；多圈層響應(yīng)；減損機制；煤炭開采地質(zhì)保障；全鏈條綜合開發(fā)

中圖分類號：TD 12""" 文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2025）01-0001-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0101

Geological guarantee for coal damage reduction mining under the restriction of “Carbon-Water-Environment”

WANG Shuangming LI Shibo SUN Qiang HOU Enke GENG Jishi

SHI Qingmin WANG Shengquan ZHOU Shutao ZHENG Xinchao^1，2

（1.Shaanxi Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，

Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

3.Geological Research Institute for Coal Green Mining，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：Constrained by the energy resource endowment of “poor oil，less gas，and relatively rich coal”，coal mining is the bottom guarantee of China’s energy security.At present，in the mining of coal，the triple restriction of “Carbon-Water-Environment”，such as increased carbon emissions，water resource damage and water pollution，and ecological environment damage，which restricts the high-quality development of the coal industry.How to coordinate the safe and green mining of coal resources and support the strategic needs of “carbon peak and carbon neutrality”，ecological civilization construction，and the Beautiful China has become the bottleneck that needs to be urgently resolved for the high-quality development of the coal industry.Focusing on the evolution of geological conditions for coal mining and the response of multi-layer geological structures，the “6R”（Recover，Reuse，Reduce，Restore，Recycle and Renewable）safe and green mining and damage reduction geological guarantee connotation and research ideas for unlock the problems of safe coal mining，environmental protection and sustainable development are proposed.The main contents include：Elucidate the evolution law of geological conditions for coal mining，clarify the relationship between safe mining and green mining，establish a coordination mechanism for safe mining and green mining，apply geological engineering methods to support safe damage reduction mining and green mining，and form the entire chain of regulation measures and mining concepts integrating coal mining，multi-resource utilization，soil and water conservation，ecological barrier and land security.Based on the concept of functional reuse of the geological structure and geological conditions in the coal mining area affected by mining under the “Carbon-Water-Environment” constraints coordinated by safe mining and green mining，a multi-azimuth，full-time monitoring-prediction-early warning system were established based on the protection of geological structure and safety and green coal mining in coal mining areas，that can analyze the main geological factors of damage reduction，propose dynamic evaluation and protection and restoration methods for the combination relationship of key strata and aquicludes，and develop a theory and model of damage reduction based on the deformation degree，macro-fracture morphology and groundwater conductivity control of key strata and aquicludes.Promote research on damage reduction guarantee for the full cycle and entire chain of “coal safety and green mining→geological condition protection，restoration and utilization→resource recycling and sustainable development”.Form geological condition protection and reconstruction technologies and theories for coal mining areas with multi-layer functional services through mining regulation，strata control，engineering prevention and reconstruction，to create a “Carbon-Water-Ecology-Energy” reservoir for the reuse of geological conditions in coal mining areas under the constraints of “Carbon-Water-Environment”，and develop a model of harmonious human-land relations and sustainable industrial development.The research on geological guarantee for coal mining under the triple restriction of “Carbon-Water-Environment” serves the purposes of coal safety，green mining，geological environmental protection and sustainable economic and social development.It achieves ecological harmony on the surface and functional use of underground space in coal mining areas，forming the entire chain development of geological guarantee pattern for sustainable development of coal mining areas under the traction of energy security，driven by carbon reduction and low-carbon，protection of water resources and water environment，and ecological harmony.

Key words：triple restriction of “Carbon-Water-Environment”;multi-geosphere response; mechanism of damage reduction mining; geological guarantee for coal mining; comprehensive development of the entire chain

0 引 言

受“缺油、少氣、相對富煤”的資源能源稟賦制約，煤炭在中國的能源主體地位短期內(nèi)難以改變，是能源安全的兜底保障。據(jù)年中煤炭市場報告〔2024〕和中國礦產(chǎn)資源報告〔2024〕，煤炭在中國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中仍占六成以上，消費占一次能源消費總量的比重一半以上^[1-2]。因此，煤炭的安全高效開發(fā)利用，是筑牢中國能源安全的基石^[3-5]。

目前，西部礦區(qū)已經(jīng)成為中國煤炭開發(fā)的主戰(zhàn)場。然而，西部煤礦區(qū)煤層覆巖膠結(jié)程度低、地表生態(tài)環(huán)境脆弱^[6-7]。大規(guī)模、高強度開采下巖層結(jié)構(gòu)和地下水賦存條件會強烈擾動地質(zhì)條件變化^[8]。一方面出現(xiàn)了影響煤炭安全開采的頂板水害、動壓和冒頂?shù)葐栴}，另一方面也誘發(fā)了地面沉陷、水土流失、地表生態(tài)損害等環(huán)境問題^[8-9]。同時，隨著“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的實施、“綠水青山”和“美麗中國”生態(tài)文明建設(shè)的推進、基于地球系統(tǒng)科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展理念的深入，煤炭開發(fā)利用中如何實現(xiàn)安全開采與綠色開采的協(xié)調(diào)^{[4，10]}，破解“碳、水、環(huán)”三重制約下的煤炭開采困境，成為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要議題^{[3，5，11-14]}。

當前，煤-水雙資源開發(fā)^[15]、煤-水協(xié)調(diào)共采^[16-17]、保水采煤^[18-20]、煤水共采^[21]、低碳、零碳、負碳開采^[22]等開采觀念和工程實踐已經(jīng)深入煤炭開發(fā)活動。但從科學(xué)認識來看，“碳、水、環(huán)”三重制約的破解需要立足地球系統(tǒng)科學(xué)，從“煤炭資源勘查→安全、綠色開發(fā)→地質(zhì)條件保護、修復(fù)、利用→資源再利用和礦區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展”角度進行全生命周期和全鏈條的規(guī)劃和協(xié)調(diào)，形成考慮資源稟賦、地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境、人口經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展等一體化的資源能源開發(fā)策略^[23-27]。

基于此，以煤炭開采地質(zhì)條件變化及巖石圈、水圈、土壤圈、生態(tài)圈等多圈層響應(yīng)與減損地質(zhì)保障

為出發(fā)點，針對煤炭安全、綠色開采和“碳、水、環(huán)”三重制約的破解為目標，闡述基于煤炭開采地質(zhì)條件功能再利用和開采全過程減損地質(zhì)保障思路，探討了在煤炭開采區(qū)構(gòu)建“水庫、碳庫、生態(tài)庫”的理念和模式，構(gòu)建煤炭開采區(qū)生態(tài)碳匯和地下碳封存（碳庫）、水資源涵養(yǎng)和調(diào)蓄（水庫）、生態(tài)資源恢復(fù)和固廢地下消納（生態(tài)庫），并在此基礎(chǔ)上推進和形成煤炭開采區(qū)多途徑蓄能（蓄能庫）、食物產(chǎn)出與供給（糧庫）、產(chǎn)業(yè)可持續(xù)（錢庫）發(fā)展路徑，實現(xiàn)煤炭開采區(qū)人地和諧和經(jīng)濟發(fā)展。

1 “碳、水、環(huán)”三重約束下的減損地質(zhì)保障科學(xué)內(nèi)涵

煤炭資源的大規(guī)模和高強度開采打破了原有地層中的應(yīng)力平衡^[8]，引起地質(zhì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)地質(zhì)條件的變化^[28]，在局部引起近地表巖石圈、土壤圈、水圈、生態(tài)圈、大氣圈等多圈層聯(lián)動響應(yīng)^{[16-17，29]}。一方面引起煤礦水害、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等影響煤炭安全開發(fā)的問題^[8，30-31]，另一方面也是導(dǎo)致碳排放增加^{[22，32]}、水資源損害和水質(zhì)污染^{[20-21，33-37]}、生態(tài)環(huán)境損害^[6，38]等制約煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“碳、水、環(huán)”三重約束難題。因此，從地球系統(tǒng)科學(xué)角度理解煤炭大規(guī)模、高強度開采下地質(zhì)條件的變化，厘清煤炭開采過程中煤-碳關(guān)系、煤-水關(guān)系、煤-環(huán)關(guān)系是破解“碳、水、環(huán)”三重制約的基礎(chǔ)。

采前，煤炭在地質(zhì)結(jié)構(gòu)上承受著上覆巖體自重應(yīng)力，維系著近地表巖土層的穩(wěn)定，也是煤層頂、底板隔水巖層（泥巖、砂質(zhì)泥巖或黏性土層）和含水層（砂巖、灰?guī)r等）以及導(dǎo)水通道穩(wěn)定賦存的支撐體，進而維系著地表土壤圈和生物圈的地球關(guān)鍵帶功能。隨著煤炭資源采出，煤巖及地層應(yīng)力的平衡遭到破壞，地質(zhì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)條件發(fā)生變化，引發(fā)了煤-水、煤-巖、煤-環(huán)、水-環(huán)、水-土等關(guān)系的變化，導(dǎo)致近地表范圍巖石圈、土壤圈、水圈、生態(tài)圈、大氣圈的物質(zhì)循環(huán)、地質(zhì)功能顯著改變，在影響煤炭的安全開采和綠色開采的同時，也制約著煤礦區(qū)經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展以及人地關(guān)系的和諧性（圖1）。

針對煤炭開采的“碳、水、環(huán)”三重制約，提出了基于地質(zhì)條件保護和再利用，協(xié)調(diào)煤炭安全開采和綠色開采，充分開發(fā)采后地質(zhì)結(jié)構(gòu)的潛在服務(wù)功能的煤炭減損開采模式和地質(zhì)保障“6R”（可恢復(fù)“Recover”、可再用“Reuse”、可減損“Reduce”、可再儲“Restore”、可循環(huán)“Recycle”、可再生“Renewable”）理念（圖2），包括：①以“低碳減碳”為理念的煤炭開采區(qū)地表生態(tài)碳匯和采空區(qū)地下碳封存，形成地表碳匯增量和地下封存減碳的煤炭開采區(qū)碳庫；②以“煤水協(xié)調(diào)”為思路的煤炭開采區(qū)淺層水資源涵養(yǎng)與采空區(qū)儲蓄水，實現(xiàn)淺層和采空區(qū)工程相結(jié)合的水資源保護和再利用；③以“綠色和諧”為目標的地表生態(tài)恢復(fù)和固廢地下消納模式，實現(xiàn)地表生態(tài)修復(fù)重構(gòu)和采空區(qū)廢棄資源存儲消納及資源再利用模式下的煤炭采空區(qū)生態(tài)庫構(gòu)建。因此，基于地質(zhì)工程技術(shù)的減損地質(zhì)保障，進行地球系統(tǒng)科學(xué)下的煤炭開采區(qū)“采前、采中、采后”地質(zhì)條件動態(tài)演化過程認知和關(guān)鍵地質(zhì)結(jié)構(gòu)保護及修復(fù)下功能再利用是破解“碳、水、環(huán)”三重約束的重要途徑。

2 “碳、水、環(huán)”三重約束下的減損地質(zhì)保障模式

通過煤炭開采區(qū)煤-水、煤-巖、煤-環(huán)、水-環(huán)等多重關(guān)系研究，開展地質(zhì)保障技術(shù)形成煤炭安全、綠色、低碳和生態(tài)協(xié)調(diào)的“采、保、蓄”煤炭減損開采模式探索（圖3），形成煤炭開采區(qū)淺層涵蓄水^[39]、生態(tài)修復(fù)與碳匯和地下空間的儲水^[40]、碳封存、儲能（儲氫、儲油、儲熱等）庫^[41-42]等結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)重構(gòu)和地表生態(tài)環(huán)境修復(fù)^[43]的地質(zhì)減損保障策略和技術(shù)與理論，對于煤炭開采的“碳、水、環(huán)”三重約束，具有重要的探索意義和科學(xué)價值。同時，推進地表生態(tài)和諧與地下空間功能利用的“碳庫、水庫、生態(tài)庫、儲能庫”開發(fā)模式，有利于保障煤炭開采區(qū)的人地和諧和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)，推動煤礦區(qū)的“糧庫”和“錢庫”建設(shè)，支撐國家的能源安全、“雙碳”戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設(shè)。

2.1 生態(tài)碳匯和地下碳封存（碳庫）

生態(tài)碳匯和地下碳封存（碳庫）包括2個方面的主要內(nèi)容（圖4）：①根據(jù)煤炭開采區(qū)生態(tài)環(huán)境自然恢復(fù)的規(guī)律和主要控制因素，實施開采區(qū)土壤修復(fù)、水份涵養(yǎng)、有機質(zhì)調(diào)控等措施，監(jiān)測地下水位、水質(zhì)、土壤養(yǎng)分、生物群落等變化，形成煤炭開采區(qū)的生態(tài)碳匯功能；②利用煤炭開采區(qū)地下空間，通過充填可以礦化CO2的固體廢棄物（如粉煤灰、氣化渣、鋼渣、赤泥等）和廢水（高礦化度、難處理污染水或廢水），以化學(xué)反應(yīng)固化和物理吸附等方式將CO2封存在采空區(qū)內(nèi)，形成基于煤炭開發(fā)空間碳封存的低碳、減碳開發(fā)地質(zhì)保障策略和模式。

2.2 水資源涵養(yǎng)和采空區(qū)儲蓄水（水庫）

煤炭開采區(qū)水資源涵養(yǎng)和采空區(qū)儲蓄水包括2個方面的主要內(nèi)容（圖5）：①通過在近地表地質(zhì)條件下的關(guān)鍵隔水層保護、修復(fù)以及地層結(jié)構(gòu)再造，修復(fù)和保護潛水層的水資源涵養(yǎng)功能；②利用煤炭開采后遺留或廢棄的井巷、采空區(qū)，進行地下空間儲蓄水，基于礦井水資源保護和循環(huán)利用理念，通過抽放水實現(xiàn)電能與水體勢能相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)蓄水和發(fā)電；同時，通過將強降雨引入地下空間，實現(xiàn)水資源的跨季節(jié)儲蓄利用。

2.3 地表生態(tài)恢復(fù)和固廢地下消納（生態(tài)庫）

地表生態(tài)恢復(fù)和固廢地下消納包括2個方面的主要內(nèi)容（圖6）：①根據(jù)開采區(qū)地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境特征，開展建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地、景觀用地等利用模式及分類治理工作，通過實施充填、注漿修復(fù)、淺層地層結(jié)構(gòu)重構(gòu)等技術(shù)手段，實現(xiàn)煤炭開采區(qū)生態(tài)修復(fù)治理；②從綠色、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，利用煤炭開采后地下空間（如井筒、巷道、硐室、采空區(qū)等），通過地質(zhì)工程技術(shù)，實現(xiàn)煤矸石、粉煤灰、富有機質(zhì)垃圾等廢棄物的規(guī)?；①Y源化、無害化消納，探索集地下空間利用、固廢處置、生態(tài)環(huán)境修復(fù)于一體的地質(zhì)保障路徑，形成集生態(tài)修復(fù)與可持續(xù)發(fā)展于一體的廢棄物處理與資源再利用模式。

3 “碳、水、環(huán)”約束下煤炭減損開采地質(zhì)保障理論和技術(shù)體系

破解“碳、水、環(huán)”約束下煤炭開采難題的關(guān)鍵，需立足地質(zhì)條件和資源稟賦特征，厘清煤炭開發(fā)前、開發(fā)過程中、開采結(jié)束后的地質(zhì)條件演化規(guī)律，基于多圈層（巖石圈、土壤圈、水圈、生態(tài)圈、大氣圈）響應(yīng)的理念，理解煤炭開采下地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)能演化的影響因素、狀態(tài)參量和驅(qū)動機制，結(jié)合生態(tài)環(huán)境與人口經(jīng)濟條件，從煤炭安全綠色開發(fā)→地質(zhì)條件保護、修復(fù)、利用→資源再利用和礦區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的角度，探索煤炭資源開發(fā)生命周期條件下的煤炭資源區(qū)地質(zhì)調(diào)查戰(zhàn)略和開發(fā)策略，構(gòu)建考慮煤炭開發(fā)、多資源利用、能源存儲、水資源保護、生態(tài)屏障、土地安全、經(jīng)濟可持續(xù)等一體化全鏈條開發(fā)模式、開發(fā)策略與時空格局的采前、采中、采后的減損地質(zhì)保障理論和技術(shù)體系（圖7）。因此，圍繞著“碳、水、環(huán)”三重約束下的煤炭開采減損地質(zhì)保障和煤礦區(qū)地質(zhì)條件資源化再利用，迫切需要開展如下科學(xué)難題研究。

3.1 基于“6R”理念的地質(zhì)條件評價方法

查明煤層、巖層、地下水賦存及循環(huán)規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育及組合特征，基于地球關(guān)鍵帶多圈層角度剖析煤礦區(qū)地質(zhì)條件的主控因素和時空變化，揭示包含巖石圈、水圈、土壤圈響應(yīng)的煤炭安全開采地質(zhì)條件和綠色開采地質(zhì)條件的總體結(jié)構(gòu)特征。充分理解煤-巖-土-水-生物空間結(jié)構(gòu)及界面特征，厘清不同界面的物質(zhì)和能量交換通量以及相關(guān)信息響應(yīng)，揭示煤層、巖層、地下水和生態(tài)環(huán)境的空間配置關(guān)系，進行多圈層空間結(jié)構(gòu)和煤炭開采地質(zhì)條件要素及其時空關(guān)系的精細表征，建立多圈層結(jié)構(gòu)和煤層開采地質(zhì)條件的三維可視化模型，形成基于“可恢復(fù)、可再用、可減損、可再儲、可循環(huán)、可再生”理念下的煤炭開采地質(zhì)條件評價方法。

3.2 “碳、水、環(huán)”約束的地質(zhì)條件功能再利用理論

研究跨尺度（區(qū)域尺度、煤田尺度、礦區(qū)尺度、工作面尺度、鉆孔尺度）下煤-巖-土空間配置關(guān)系下的煤-巖關(guān)系、煤-水關(guān)系、巖-水關(guān)系、水-土關(guān)系，獲得煤-巖（土）礦物組分和孔裂隙和滲透性等參數(shù)特征，分析不同尺度地表水、地下水、大氣水的賦存狀態(tài)和轉(zhuǎn)化關(guān)系，剖析關(guān)鍵巖層（控制巖土變形程度）和關(guān)鍵隔水層（控制地下水流場）的空間分布特征，解析巖（土）層裂隙場與“三水轉(zhuǎn)化”及水文循環(huán)的耦合關(guān)系與聯(lián)系強度，厘清水動力場（滲流場）、溫度場、化學(xué)場對地質(zhì)條件變化的響應(yīng)，闡述地下水補給、存儲、徑流和排泄等對地質(zhì)條件變化的響應(yīng)規(guī)律，解析開采作用下巖層組合關(guān)系、封閉能力、地下水流場等地質(zhì)條件參量變化與其功能再利用的特征，形成基于采前地質(zhì)環(huán)境和采動影響的煤炭開采區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件功能再利用理論。

3.3 煤炭采動下多圈層響應(yīng)規(guī)律與損害機制

圍繞“煤炭開采模式→地質(zhì)條件采動變化→多圈層結(jié)構(gòu)響應(yīng)與功能演化→安全開采與綠色開采的地質(zhì)損害機制”的研究思路，在明晰地質(zhì)結(jié)構(gòu)、資源賦存、多圈層關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究不同煤炭開采模式和開采擾動程度下，覆巖移動變形與裂隙分布、水循環(huán)模式和通量、生態(tài)環(huán)境要素等之間的互饋關(guān)系，解析多圈層物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)體系、組分分配、生態(tài)架構(gòu)對煤炭開采的響應(yīng)規(guī)律及損害效應(yīng)，剖析影響煤炭安全開采的圍巖大變形、沖擊地壓、涌突水、煤與瓦斯突出等難題與地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化和多圈層響應(yīng)的耦合關(guān)系，闡明地質(zhì)賦存-開發(fā)擾動-水土（巖）變形-生態(tài)損害的互饋影響及演化模式，揭示地質(zhì)稟賦條件、煤炭開采模式及強度與基巖、土壤、水文、生態(tài)環(huán)境多圈層系統(tǒng)功能之間的關(guān)聯(lián)響應(yīng)與尺度效應(yīng)，建立煤炭安全開采和綠色開采的協(xié)調(diào)機制。

3.4 “碳、水、環(huán)”約束的減損開采理論與模式

在厘清安全開采與綠色開采關(guān)系的基礎(chǔ)上，圍繞煤炭開發(fā)中的“碳排放與碳封存、水排放及污染與水保護、生態(tài)環(huán)境損害與保護及修復(fù)”等重大需求，厘清煤炭開采模式和開采規(guī)模對巖石（土壤）變形、地下水滲流、地表變形等影響，根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息、地球物理信息、水文信息、土壤信息和生態(tài)信息等建立采動條件下煤礦區(qū)多要素、多場景、多模態(tài)下多圈層的物質(zhì)循環(huán)、能量交換模型，分析地質(zhì)條件配置和開采效應(yīng)下巖（土）差異變形和裂隙發(fā)育及地下水滲流特征，剖析減損開采的地質(zhì)主控因素，建立開發(fā)空間尺度和時間效應(yīng)下，考慮地層關(guān)鍵結(jié)構(gòu)損害模式及損害程度的地質(zhì)結(jié)構(gòu)定量判識標準，提出對關(guān)鍵巖層組合關(guān)系和隔水封閉層位的動態(tài)評價和保護與修復(fù)方法，形成基于關(guān)鍵巖層和隔水層的變形程度、宏觀裂隙形

態(tài)與地下水導(dǎo)流能力控制的減損開采理論與模式。

3.5 “碳、水、環(huán)”約束的減損地質(zhì)保障技術(shù)與理論

基于煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與人口經(jīng)濟條件，以采后地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)功能充分利用為原則，圍繞“煤炭安全綠色開發(fā)→地質(zhì)條件保護、修復(fù)、利用→資源再利用和可持續(xù)發(fā)展”全周期和全鏈條減損保障理念，利用應(yīng)變場、溫度場、地電場、波速場、電磁場、化學(xué)場等多源信息，建立開采區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的多方位、全時空監(jiān)測體系，實現(xiàn)對影響安全開采的圍巖大變形、沖擊地壓、涌突水等災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警和影響綠色開采的巖石圈（巖層變形、結(jié)構(gòu)、封閉性等）、水圈（水質(zhì)、水量、水循環(huán)等）、土壤圈（結(jié)構(gòu)、含水率、有機質(zhì)等）和生態(tài)圈的監(jiān)測監(jiān)控。通過開采調(diào)控（模式、規(guī)模、次序）、巖層控制（充填、支護等）、工程防治（阻水-控滲、加固-增強、抽放-疏導(dǎo)等）和修復(fù)重構(gòu)（污染防治、水資源再利用、生態(tài)修復(fù)、功能重構(gòu)）一體化工程技術(shù)，形成煤炭開采規(guī)?；叵驴臻g的地下水庫、碳封存、地下儲能（儲氫、儲油、儲熱等）庫等結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)重構(gòu)和地表生態(tài)環(huán)境修復(fù)的地質(zhì)減損保障策略和技術(shù)與理論，實現(xiàn)地表生態(tài)和諧與地下空間功能利用，打造“碳、水、環(huán)”約束下地質(zhì)條件再利用的煤炭開采區(qū)“水庫、碳庫、生態(tài)庫、儲能庫”發(fā)展模式，進而保障人地和諧和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)，推動煤礦區(qū)的“糧庫”和“錢庫”建設(shè)。

4 結(jié) 論

1）當前煤炭開發(fā)受到“碳、水、環(huán)”三重制約，如何保障煤炭資源安全開采，服務(wù)“雙碳”戰(zhàn)略、生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展亟待破解的難題?；诿禾块_采多圈層響應(yīng)的理念，提出了充分認識煤炭開采地質(zhì)條件的演化規(guī)律，通過地質(zhì)工程手段保障煤炭安全減損開采，同時規(guī)劃和構(gòu)筑煤炭資源開采區(qū)條件下的“碳庫”“水庫”和“生態(tài)庫”，形成煤炭開發(fā)、多資源利用、水土保護、生態(tài)屏障、土地安全等一體化的全鏈條調(diào)控措施和開發(fā)理念與開發(fā)策略，建立安全開采和綠色開采的協(xié)調(diào)機制。

2）煤礦區(qū)資源開采、生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵是理解煤炭開采下地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)能演化的影響因素、狀態(tài)參量和驅(qū)動機制。提出了結(jié)合煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與人口經(jīng)濟條件，從煤炭安全綠色開發(fā)→地質(zhì)條件保護、修復(fù)、利用→資源再利用和可持續(xù)發(fā)展的角度，圍繞著“碳、水、環(huán)”三重約束下的煤炭減損地質(zhì)保障和煤礦區(qū)地質(zhì)條件資源化再利用，形成基于多圈層功能服務(wù)的煤礦區(qū)地質(zhì)條件保護和重構(gòu)技術(shù)體系，打造煤礦區(qū)特色的“碳-水-生態(tài)-能源”的儲蓄庫，實現(xiàn)人地和諧和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式。

3）基于“可恢復(fù)（Recover）、可再用（Reuse）、可減損（Reduce）、可再儲（Restore）、可循環(huán)（Recycle）、可再生（Renewable）”的“6R”煤礦區(qū)資源安全綠色開采和減損地質(zhì)保障理念，明確了多資源稟賦、生態(tài)環(huán)境、人口經(jīng)濟等于一體的地質(zhì)調(diào)查、資源開發(fā)和可持續(xù)利用的煤炭開采減損地質(zhì)保障思路和主要內(nèi)容，提出了能源安全牽引、減碳低碳驅(qū)動、水資源和水環(huán)境保護、生態(tài)環(huán)境和諧下的煤礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的全鏈條開發(fā)減損地質(zhì)保障格局。

參考文獻（References）：

[1] 國際能源署.2024年年中煤炭市場報告（英文版）[R].2024.International Energy Agency.Coal mid-year update in 2024[R].2024.

[2]中華人民共和國自然資源部.中國礦產(chǎn)資源報告2024[M].北京：地質(zhì)出版社，2024.

[3]王國法，任世華，龐義輝，等.煤炭工業(yè)“十三五”發(fā)展成效與“雙碳”目標實施路徑[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49（9）：1-8.

WANG Guofa，REN Shihua，PANG Yihui，et al.Development achievements of China’s coal industry during the 13th Five-Year Plan period and implementation path of “dual carbon” target[J].Coal Science and Technology，2021，49（9）：1-8.

[4]王雙明，孫強，谷超，等.煤炭開發(fā)推動地學(xué)研究發(fā)展[J].中國煤炭，2024，50（1）：2-8.WANG Shuangming，SUN Qiang，GU Chao，et al.The development of geoscientific research promoted by coal exploitation[J].China Coal，2024，50（1）：2-8.

[5]武強，涂坤，曾一凡，等.打造我國主體能源（煤炭）升級版面臨的主要問題與對策探討[J].煤炭學(xué)報，2019，44（6）：1625-1636.

WU Qiang，TU Kun，ZENG Yifan，et al.Discussion on the main problems and countermeasures for building an upgrade version of main energy（coal）industry in China[J].Journal of China Coal Society，2019，44（6）：1625-1636.

[6]彭蘇萍，畢銀麗.西部干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損傷特征及修復(fù)機制[J].煤炭學(xué)報，2024，49（1）：57-64.

PENG Suping，BI Yinli.Properties of ecological environment damage and their mechanism of restoration in arid and semi-arid coal mining area of western China[J].Journal of China Coal Society，2024，49（1）：57-64.

[7]畢銀麗，武超，彭蘇萍，等.西部煤礦區(qū)微生物修復(fù)促進植物水分高效利用策略[J].煤炭學(xué)報，2024，49（2）：1003-1010.

BI Yinli，WU Chao，PENG Suping，et al.Strategies of high efficiency water usage promoted by microbial remediation in coal mining areas of western China[J].Journal of China Coal Society，2024，49（2）：1003-1010.

[8]王雙明，孫強，耿濟世，等.西部礦區(qū)采動損害及減損開采的地質(zhì)保障技術(shù)框架體系[J].煤田地質(zhì)與勘探，2024，52（9）：1-13.

WANG Shuangming，SUN Qiang，GENG Jishi，et al.Geological support technology framework system for mining induced hazards and damage reduction mining of geological conditions in western mining area[J].Coal Geology amp; Exploration，2024，52（9）：1-13.

[9]李全生，郭俊廷，張凱，等.西部煤炭集約化開采損傷傳導(dǎo)機理與源頭減損關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報，2021，46（11）：3636-3644.

LI Quansheng，GUO Junting，ZHANG Kai，et，al.Damage conduction mechanism and key technologies of damage reduction in sources for intensive coal mining in Western China[J].Journal of China Coal Society，2021，46（11）：3636-3644.

[10]王雙明，劉浪，朱夢博，等.“雙碳”目標下煤炭綠色低碳發(fā)展新思路[J].煤炭學(xué)報，2024，49（1）：152-171.

WANG Shuangming，LIU Lang，ZHU Mengbo，et al.New way for green and low-carbon development of coal industry under the target of “daul-carbon”[J].Journal of China Coal Society，2024，49（1）：152-171.

[11]ZHANG J X，LI B Y，XIE Y C，et al.Carbon negative backfill mining in coal mines for carbon neutralization：Chemical carbon fixation performances with mineralized gangue[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2025，186：106016.

[12]謝克昌.面向2035年我國能源發(fā)展的思考與建議[J].中國工程科學(xué)，2022，24（6）：1-7.

XIE Kechang.China’s energy development for 2035：Strategic thinking and suggestions[J].Strategic Study of CAE，2022，24（6）：1-7.

[13]中國工程院.中國能源中長期（2030、2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究：節(jié)能，煤炭卷[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[14]范立民，孫魁，李成，等.榆神礦區(qū)煤礦防治水的幾點思考[J].煤田地質(zhì)與勘探，2021，49（1）：182-188.

FAN Limin，SUN Kui，LI Cheng，et al.Thoughts on mine water control and treatment in Yushen mining area[J].Coal Geology amp; Exploration，2021，49（1）：182-188.

[15]吳群英，彭捷，遲寶鎖，等.神南礦區(qū)煤炭綠色開采的水資源監(jiān)測研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49（1）：304-311.

WU Qunying，PENG Jie，CHI Baosuo，et al.Research on water resources monitoring of green coal mining in Shennan Ming Area[J].Coal Science and Technology，2021，49（1）：304-311.

[16]曹志國，張建民，王皓，等.西部礦區(qū)煤水協(xié)調(diào)開采物理與情景模擬實驗研究[J].煤炭學(xué)報，2021，46（2）：638-651.

CAO Zhiguo，ZHANG Jianmin，WANG Hao，et al.Physical modelling and scenario simulation of coal amp; water co-mining in coal mining areas in western China[J].Journal of China Coal Society，2021，46（2）：638-651.

[17]劉曉民，王震宇，劉廷璽，等.煤炭資源富集區(qū)煤-水協(xié)調(diào)共采影響因素研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，

2024，52（S2）：1-13.

LIU Xiaomin，WANG Zhenyu，LIU Tingxi，et al.Study on influencing factors of coal-water coordinated co-mining in coal resource rich area[J].Coal Science and Technology，2024，52（S2）：1-13.

[18]繆協(xié)興，陳榮華，白海波.保水開采隔水關(guān)鍵層的基本概念及力學(xué)分析[J].煤炭學(xué)報，2007，32（6）：561-564．

MIAO Xiexing，CHEN Ronghua，BAI Haibo.Fundamental concepts and mechanical analysis of water-resisting key strata in water-preserved mining[J].Journal of China Coal Society，2007，32（6）：561-564.

[19]王雙明，黃慶享，范立民，等.生態(tài)脆弱礦區(qū)含（隔）水層特征及保水開采分區(qū)研究[J].煤炭學(xué)報，2010，35（1）：7-14．

WANG Shuangming，HUANG Qingxiang，F(xiàn)AN Limin，et al.Study on overburden aquiclude and water protection mining regionazation in the ecological fragile mining area[J].Journal of China Coal Society，2010，35（1）：7-14.

[20]徐智敏，孫亞軍，高尚，等.干旱礦區(qū)采動頂板導(dǎo)水裂隙的演化規(guī)律及保水采煤意義[J].煤炭學(xué)報，2019，44（3）：767-776．

XU Zhimin，SUN Yajun，GAO Shang，et al.Law of mining induced water conduction fissure in arid mining area and its significance in water-preserved coal mining[J].Journal of China Coal Society，2019，44（3）：767-776.

[21]白海波，茅獻彪，姚邦華，等.潞安礦區(qū)煤水共采技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（2）：395-402.

BAI Haibo，MAO Xianbiao，YAO Banghua，et al.Research on simultaneous exploitation of coal and groundwater in Lu’an coal field[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（2）：395-402.

[22]謝和平，張吉雄，高峰，等.煤礦負碳高效充填開采理論與技術(shù)構(gòu)想[J].煤炭學(xué)報，2024，49（1）：36-46.

XIE Heping，ZHANG Jixiong，GAO Feng，et al.Theory and technical conception of carbon-negative and high-efficient backfill mining in coal mines[J].Journal of China Coal Society，2024，49（1）：36-46.

[23]王雙明，耿濟世，李鵬飛，等.煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障體系的構(gòu)建[J].煤田地質(zhì)與勘探，2023，51（1）：33-43.

WANG Shuangming，GENG Jishi，LI Pengfei，et al.Construction of geological guarantee system for green coal mining[J].Coal Geology amp; Exploration，2023，51（1）：33-43.

[24]錢鳴高，許家林，王家臣.再論煤炭的科學(xué)開采[J].煤炭學(xué)報，2018，43（1）：1-13．

QIAN Minggao，XU Jialin，WANG Jiachen.Further on the sustainable mining of coal[J].Journal of China Coal Society，2018，43（1）：1-13.

[25]武強，涂坤.我國發(fā)展面臨能源與環(huán)境的雙重約束分析及對策思考[J].科學(xué)通報，2019，64（15）：1535-1544.

WU Qiang，TU Kun.Analysis on the dual constraints of energy and environment in China’s development[J].Chinese Science Bulletin，2019，64（15）：1535-1544.

[26]趙平，譚克龍，韓效忠，等.新形勢下我國能源與生態(tài)安全保障研究[J].中國煤炭地質(zhì)，2021，33（1）：1-7.

ZHAO Ping，TAN Kelong，HAN Xiaozhong，et al.Research for energy and ecological security in China under new situation[J].Coal Geology of China，2021，33（1）：1-7.

[27]王雙明，孫強，喬軍偉，等.論煤炭綠色開采的地質(zhì)保障[J].煤炭學(xué)報，2020，45（1）：8-15.

WANG Shuangming，SUN Qiang，QIAO Junwei，et al.Geological guarantee of coal green mining[J].Journal of China Coal Society，2020，45（1）：8-15.

[28]馬建全，吳鈳橋，彭昊，等.煤巖采動應(yīng)力-裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2022，42（1）：107-115.

MA Jianquan，WU Keqiao，PENG Hao，et al.Development law of mining-induced stress-fracture field in coal seam overburden[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2022，42（1）：107-115．

[29]王雙明，孫強，胡鑫，等.煤炭原位開發(fā)地質(zhì)保障[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2024，44（1）：1-11.

WANG Shuangming，SUN Qiang，HU Xin，et al.Geological guarantee for in situ development of coal[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（1）：1-11.

[30]苗霖田，夏玉成，段中會，等.黃河中游榆神府礦區(qū)煤-巖-水-環(huán)特征及智能一體化技術(shù)[J].煤炭學(xué)報，2021，46（5）：1521-1531.

MIAO Lintian，XIA Yucheng，DUAN Zhonghui，et al.Coupling characteristics and intelligent integration technology of coal-overlying rock-groundwater-ecological environment in Yu-Shen-Fu mining area in the middle reaches of the Yellow River[J].Journal of China Coal Society，46（5）：1521-1531.

[31]王雙明，孫強，袁士豪，等.論煤-水-土多資源協(xié)調(diào)開發(fā)[J].西北地質(zhì)，2024，57（5）：1-10.

WANG Shuangming，SUN Qiang，YUAN Shihao，et al.On the coordinated development of coal-water-soil multiple resources[J].Northwestern Geology，2024，57（5）：1-10.

[32]鄭建偉，鞠文君，趙曦，等.采場全生命周期及其應(yīng)力的時空演化特征分析[J].煤炭學(xué)報，2019，44（4）：995-1002.

ZHENG Jianwei，JU Wenjun，ZHAO Xi，et al.Dynamic evolution characteristic on stope pressure in whole life cycle of stope[J].Journal of China Coal Society，2019，44（4）：995-1002.

[33]王雙明，魏江波，宋世杰，等.黃河流域陜北煤炭開采區(qū)厚砂巖對覆巖采動裂隙發(fā)育的影響及采煤保水建議[J].煤田地質(zhì)與勘探，2022，50（12）：1-11.

WANG Shuangming，WEI Jiangbo，SONG Shijie，et al.Influence of thick sandstone on development of overburden mining fissures in northern Shaanxi coal mining area of Yellow River Basin and suggestions on water-preserved coal mining[J].Coal Geology amp; Exploration，2022，50（12）：1-11.

[34]武強.我國礦井水防控與資源化利用的研究進展、問題和展望[J].煤炭學(xué)報，2014，39（5）：795-805.

WU Qiang.Progress，problems and prospects of prevention and control technology of mine water and reutilization in China[J].Journal of China Coal Society，2014，39（5）：795-805.

[35]王雙明，范立民，黃慶享，等.榆神礦區(qū)煤水地質(zhì)條件及保水開采[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2010，30（1）：1-6.

WANG Shuangming，F(xiàn)AN Limin，HUANG Qingxiang，et al.Coal water geological conditions and water conserving mining for Yushen coal mine area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30（1）：1-6.

[36]董書寧，姬亞東，王皓，等.鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田典型頂板水害防控技術(shù)與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2020，45（7）：2367-2375

DONG Shuning，JI Yadong，WANG Hao，et al.Prevention and control technology and application of roof water disaster in Jurassic coal field of Ordos Basin[J].Joural of China Coal Society，2020，45（7）：2367-2375.

[37]張東升，李文平，來興平，等.我國西北煤炭開采中的水資源保護基礎(chǔ)理論研究進展[J].煤炭學(xué)報，2017，42（1）：36-43.

ZHANG Dongsheng，LI Wenping，LAI Xingping，et al.Development on basic theory of water protection during coal mining in Northwest of China[J].Journal of China Coal Society，2017，42（1）：36-43.

[38]PENG S P，F(xiàn)ENG F S，DU W F，et al.Analysis of water chemical characteristics and application around large opencast coal mines in grassland：A case study of the North Power Shengli coal mine[J].Desalination and Water Treatment，2019，141：149-162.

[39]于貴瑞，徐興良，王秋風.全球變化對生態(tài)脆弱區(qū)資源環(huán)境承載力影響的研究進展[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2020，22（5）：16-20.

YU Guirui，XU Xingliang，WANG Qiufeng.Progress of the effects of global changes on the resource and environmental carrying capacity of the ecologically fragile areas[J].China Basic Science，2020，22（5）：16-20.

[40]孫強，張衛(wèi)強，耿濟世，等.利用煤炭開發(fā)地下空間儲能的技術(shù)路徑與地質(zhì)保障[J].煤田地質(zhì)與勘探，2023，51（2）：229-242.

SUN Qiang，ZHANG Weiqiang，GENG Jishi，et al.Technological path and geological guarantee for energy storage in underground space formed by coal mining[J].Coal Geology amp; Exploration，2023，51（2）：229-242.

[41]于貴瑞，朱劍興，徐麗，等.中國生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能提升的技術(shù)途徑：基于自然解決方案[J].中國科學(xué)院院刊，2022，37（4）：490-501.

YU Guirui，ZHU Jianxing，XU Li，et al.Technological approaches to enhance ecosystem carbon sink in China：Nature-based solutions[J].Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2022，37（4）：490-501.

[42]于貴瑞，楊萌，郝天象.統(tǒng)籌生態(tài)系統(tǒng)五庫功能，筑牢國家生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施——新時代我國生態(tài)建設(shè)理念、任務(wù)和目標[J].中國科學(xué)院院刊，2022，37（11）：1534-1538.

YU Guirui，YANG Meng，HAO Tianxiang.Coordinate the five-pool functions of ecosystem and buildstrong national ecological infrastructures：Ecological construction ideology，tasks and goals in the new developing era of China[J].Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2022，37（11）：1534-1538.

[43]于貴瑞，郝天象，楊萌.中國區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境治理的生態(tài)系統(tǒng)原理及若干學(xué)術(shù)問題[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2023，34（2）：289-340.

YU Guirui，HAO Tianxiang，YANG Meng.Ecosystem principles and main issues in regional ecological restoration and enviromental governance in China[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2023，34（2）：289-340.

（責任編輯：劉潔）