姚強嶺，湯傳金，劉梓昌

(1.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.諾丁漢大學 土木工程系，諾丁漢 NG7 2RD)

0 引 言

據(jù)《2019年BP世界能源統(tǒng)計年鑒》，世界能源供給目前仍以化石能源為主，其中石油占全球一次能源消費量的34%、煤炭約占27%、核能和水電分別占4%和7%，而在我國能源消費總量中煤炭占比達58%[1]，預計在未來10 a內(nèi)我國能源消費仍以煤炭為主(50%以上)[2]。煤礦大規(guī)模、高強度開采對礦區(qū)特殊的自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和資源賦存地質(zhì)環(huán)境帶來不同程度的擾動影響，當超過該區(qū)域環(huán)境的承載能力時將會使區(qū)域平衡的環(huán)境條件遭到破壞[3]。煤炭開采破壞頂板覆巖結(jié)構(gòu)與完整性，導致含水層從層間徑流向以垂向徑流為主的新水循環(huán)模式轉(zhuǎn)變，使得大部分基巖裂隙承壓水含水層和第四系潛水含水層中的地下水滲(潰)入礦井采空區(qū)，同時誘發(fā)礦區(qū)地表下沉、工作面涌水等問題[4]。中國每年因煤炭開采破壞地下水約80億t，但利用率僅25%左右[5]，外排地表的礦井水不能被有效儲存和利用。尤其在西北地區(qū)進行煤炭開采時，部分區(qū)域由于覆巖結(jié)構(gòu)及開采強度超過生態(tài)承載能力后，生態(tài)水位遭到破壞，加劇了地表植被的衰減、地表荒漠化及生物群落的衰退甚至滅亡，給沙塵暴及生態(tài)荒漠化創(chuàng)造了客觀條件[6]。習近平總書記對煤炭行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展多次做出重要批示，在2017年實地考察徐州市賈汪潘安區(qū)采煤塌陷區(qū)整治工程后，更加強調(diào)堅定不移走生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展道路[7]。因此，在確保煤炭資源安全高效開采的條件下，合理保護、控制和利用水資源已成為我國主要大型煤炭基地實現(xiàn)健康持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。

1 我國煤炭開采的優(yōu)勢及生態(tài)限制

煤炭資源是我國國民經(jīng)濟健康發(fā)展的重要能源基礎。如圖1所示(數(shù)據(jù)源于國家統(tǒng)計局)，21世紀以來我國煤炭產(chǎn)量占國內(nèi)能源生產(chǎn)總量的比例n持續(xù)超過68%，占比在2011年到達階段性頂峰之后出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，這與新時代背景下國家在煤炭產(chǎn)業(yè)的長遠戰(zhàn)略布局有關，對煤炭行業(yè)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新能力、生態(tài)效益、國內(nèi)外市場供需平衡等方面都有更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國煤炭資源基礎儲量占國內(nèi)化石能源基礎儲量的93.17%，如圖2所示(數(shù)據(jù)源于國家統(tǒng)計局)，仍然是支持我國社會工業(yè)發(fā)展和滿足人民對美好生活向往的重要戰(zhàn)略儲備資源。

圖1 2000—2018年中國能源結(jié)構(gòu)及煤炭占比

圖2 2018年中國化石能源結(jié)構(gòu)

我國煤炭資源賦存在地理上具有典型的“西多東少、北裕南瘠”的分布格局，建設大型煤炭基地是長期以來加強能源保障的重要措施。到2011年為止，我國“十二五”規(guī)劃基本確定了神東、陜北、黃隴、晉北、晉中、晉東、魯西、兩淮、冀中、河南、云貴、蒙東(東北)、寧東、新疆等14個大型煤炭基地[8]。目前的煤炭基地劃分主要是根據(jù)煤炭資源的富集程度，但是較少考慮到生態(tài)、水文等綜合因素。以生態(tài)水資源為主線，根據(jù)地域特性可將我國煤炭生產(chǎn)地區(qū)劃分為西部富煤缺水區(qū)、東部多煤少水區(qū)、中部少煤多水區(qū)和南部缺煤富水區(qū)。西部礦區(qū)(主要包括晉、陜、蒙、新、寧等)煤炭資源豐富，煤層厚度大、埋藏淺、可采煤層層數(shù)較多、煤質(zhì)優(yōu)良、易于開采，是中國重要的煤炭生產(chǎn)地。如圖3所示(數(shù)據(jù)源于國家統(tǒng)計局)，在2000年時，西部礦區(qū)煤炭開采強度較弱，煤炭年產(chǎn)量僅占全國的30%左右，隨著東部煤炭資源枯竭和煤炭需求量增加，煤炭開采重心開始向西部生態(tài)脆弱礦區(qū)轉(zhuǎn)移，2008年時西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量首次超過50%，此后西部礦區(qū)煤炭產(chǎn)量占比持續(xù)增加，2014年時超過70%，從2000年至今西部礦區(qū)已生產(chǎn)原煤約333.4億t，成為我國名副其實的煤炭戰(zhàn)略生產(chǎn)基地。

圖3 2000—2018年中國各區(qū)域原煤產(chǎn)量及西部產(chǎn)煤占比

西部富煤缺水區(qū)約占我國國土總面積的46.1%，該地區(qū)大部分處于缺水帶、少水帶和過渡帶，水資源僅占我國的10.2%[9]。西部礦區(qū)具有特殊的自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和采礦地質(zhì)環(huán)境，煤炭開發(fā)與各環(huán)境要素之間產(chǎn)生明顯的相互影響和互饋作用，采礦過程中煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)的破壞改變了含水層的賦存狀態(tài)，地下水賦存與補給、循環(huán)模式發(fā)生改變，地下水位下降，植物養(yǎng)分流失，喜水植物退化，濕生植被向旱生植被演變，甚至加劇土壤鹽漬化和荒漠化問題，嚴重影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[10]。以該地區(qū)內(nèi)蒙古神木縣為例，1987—2003年，因采煤造成神木縣的水資源衰減至少在50%以上，20多處泉眼干枯[11]。有學者對2003年陜北地區(qū)煤炭開采造成的生態(tài)環(huán)境損失進行評估，估算每開采1 t煤會造成36.23元生態(tài)經(jīng)濟損失，環(huán)境污染占12.46%，生態(tài)破壞占87.54%，生態(tài)損失總量占陜北地區(qū)GDP的9.9%[12]。因此，水資源的戰(zhàn)略儲備問題成為西部生態(tài)脆弱礦區(qū)土地、大氣、生態(tài)等恢復面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。

2 西部礦區(qū)煤-水共采關鍵技術

西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開采規(guī)劃、礦井水資源保護與利用、地表生態(tài)保護與恢復對我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護、水資源利用與儲備等具有重大的現(xiàn)實意義和長遠的戰(zhàn)略意義?？紤]到該區(qū)域水資源短缺及生態(tài)脆弱情況，煤炭開采活動應以保護當?shù)厮沫h(huán)境及生態(tài)為前提，不以水資源破壞為代價。面對如何在科學合理開采煤炭資源的前提下又兼顧區(qū)域生態(tài)環(huán)境長期安全的問題，在“保水開采”“綠色開采”“科學開采”“精準開采”等理念的指導下，相關學者在礦區(qū)開發(fā)設計、開采技術方法、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與修復等多方面展開了卓有成效的研究與討論[13-16]。

西部礦區(qū)的規(guī)劃與設計要與礦區(qū)水文地質(zhì)條件緊密結(jié)合，較為常用的方法是通過公式計算、物理模擬、數(shù)值模擬結(jié)合微震監(jiān)測、超聲成像、鉆孔電視法、氡氣監(jiān)測法等方法探究覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律，進而做出合理的設計[17-19]。伍艷麗等[20]根據(jù)導水裂隙帶發(fā)育高度對地表生態(tài)的影響，將地質(zhì)模式分為環(huán)境友好型、環(huán)境漸變恢復型、環(huán)境漸變惡化型和環(huán)境災變型，對設計保護及利用生態(tài)水資源的開采方案提供了重要參考。根據(jù)覆巖破斷形態(tài)和裂隙擴展規(guī)律，基本形成了礦區(qū)地下水資源處理技術理論框架。保水采煤的核心思想是保護含水層結(jié)構(gòu)和生態(tài)水位埋深的穩(wěn)定性，使含水層水位能夠在煤炭開采后自行修復或有所下降但不會對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成大的影響，該技術已在西部礦區(qū)得到了廣泛應用[21-24]。但同時要認識到，煤炭開采過程中水資源發(fā)生轉(zhuǎn)移是一個客觀現(xiàn)象，煤炭開采會不可避免地破壞含水層的儲水結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的大量裂隙導致地下水滲漏和滲流，水資源儲存位置及形式發(fā)生改變。而在生態(tài)脆弱礦區(qū)，水資源的重要性遠高于煤炭，不論煤層開采期間能否實現(xiàn)導水裂隙帶的有效控制，都要將已轉(zhuǎn)移的水資源合理儲存并加以利用。據(jù)此，顧大釗等[25]提出了利用煤礦采空區(qū)建立地下水庫儲水的技術思路并展開了相關的工程實踐研究，即利用煤礦采空區(qū)作為儲水載體，將煤礦采空區(qū)邊界煤柱、巖柱用人工壩體連接，利用地理特征形成儲水水庫，提供了礦區(qū)95%以上的工業(yè)用水，有效緩解了西部礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的矛盾。

2.1 保水開采理論

煤炭開采將導致頂板裂隙不斷向上發(fā)育，直至貫通含水層，引起水體從裂隙處向下滲流，含水層水體大量流失。導水裂隙帶高度預計方法目前普遍采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中根據(jù)覆巖堅硬程度推薦的經(jīng)驗公式，煤層、含水層、隔水關鍵層以及(結(jié)構(gòu))關鍵層之間的物理力學特性和空間位置關系是開采方法選擇的主要依據(jù)[26]。常用的保水開采方法有條帶開采、房柱式開采、限高開采和充填開采等[27-30]，通過設計方法預留一定量的煤體或充填材料來承載上覆巖層的應力，使含(隔)水巖層采動裂隙在煤炭開采后能夠自行閉合或使其不能發(fā)展至地表含(隔)水巖層，如圖4所示。加快采煤工作面推進速度等措施可以有助于裂隙閉合，從而利于含(隔)水巖層的恢復[31]。除此之外，部分煤礦采用注漿加固的方法封閉導水通道(即采動裂隙)、增大圍巖強度，也具有一定效果[32]。但目前這些開采方法存有一定缺陷，例如：部分開采煤炭資源采出率低，充填開采成本高，充填原料獲取較為困難，工作面推進速度慢，條帶開采及房柱式開采在上覆巖層中造成的協(xié)調(diào)變形很難預計和控制等。

圖4 斷裂帶及潛在水資源轉(zhuǎn)移路徑示意[33]

2.2 地下水庫理論

西部礦區(qū)可采煤層數(shù)較多、煤層厚、埋藏淺、地質(zhì)條件簡單，煤層開采后，采動裂隙將迅速發(fā)展至地表，上覆含水層水資源大部分將通過采動裂隙滲入采空區(qū)，傳統(tǒng)的處理方法是將礦井水直接抽送到地面，凈化后再利用或直接排放，該方法利用率低且蒸發(fā)損失嚴重，造成水資源的極大浪費。為了改變這種現(xiàn)狀，提出了“采空區(qū)地下水庫”的概念[25]，即將通過采動裂隙流失的水儲備在采空區(qū)中，從而為西北礦區(qū)水文環(huán)境及生態(tài)的恢復提供保障，國家能源集團大柳塔煤礦、烏蘭木倫等煤礦已進行了工業(yè)性試驗，如圖5所示。利用采空區(qū)矸石的凈化污水能力，使得礦井污水在采空區(qū)流動，經(jīng)過過濾、沉淀、吸附、離子交換、自生礦物生成等復雜的物理和化學過程而得到凈化，再通過自然壓差或機器設備實現(xiàn)采空區(qū)水資源的抽采利用和補給。經(jīng)過凈化的水可以滿足礦山生活及生產(chǎn)用水，同時可用來實現(xiàn)西北礦區(qū)的環(huán)境恢復，推進西部煤炭資源可持續(xù)性開采。

圖5 煤礦地下水庫示意[34]

3 礦區(qū)水資源利用與挑戰(zhàn)

現(xiàn)有的煤-水共采理論的共性問題是含水層賦存形態(tài)的改變，無論是通過一定措施控制導水裂隙帶發(fā)育高度還是使其自由發(fā)展。煤炭開采導致部分水資源流失，水位下降，影響地表生態(tài)平衡。有學者研究了地下水位與地表植被發(fā)育的關系，將適宜地表植物正常生長的水位定義為生態(tài)水位[22]，這一定義從生態(tài)角度限定了煤炭開采活動所導致的水位下降范圍，指出了生態(tài)環(huán)境評價的一個重要指標，卻沒有從宏觀戰(zhàn)略配置的層面明確水資源的利用方案和評價體系。西部礦區(qū)煤炭資源儲存量巨大，具有長遠的開采價值，在技術層面上必須將水環(huán)境平衡作為開采方法的設計依據(jù)，探索快速推進、少留煤柱等特殊開采方法及利用采空區(qū)碎裂巖體儲存地下水資源的技術體系。目前礦區(qū)開發(fā)過程中保護地下水的技術思路存在許多共性問題，如圖6所示。含水層或人造含水層的動態(tài)水源補給是水資源儲備的基礎要素，地表水域、大氣降水和地下水的轉(zhuǎn)移是重要的水和物質(zhì)交換來源。在水的轉(zhuǎn)移和儲存過程中，煤炭開采引起的巖層結(jié)構(gòu)運移、覆巖裂隙動態(tài)變化及不同巖性巖層的物理力學性質(zhì)對水的連通、滲透和體積產(chǎn)生重要影響，不僅需要理論推算、實驗室試驗和數(shù)值模擬預測，更重要的是通過現(xiàn)場原位測試地應力和裂隙發(fā)育規(guī)律，以便在自然或人工干預下能夠長期維持(人造)含水層的補給和利用。多數(shù)情況下，含水層保持或人造含水層建設使用期間，仍然受到附近開采活動的擾動影響，受保護水資源區(qū)域的邊界防護設施的穩(wěn)定性和安全性需要格外重視，需要探索不同時期不同結(jié)構(gòu)的應力和變形上限進行有效預警。在被保護區(qū)域的基礎架構(gòu)組建完成之后，再根據(jù)井下生產(chǎn)、地表生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求及水資源戰(zhàn)略儲備利用的宏觀規(guī)劃進行可持續(xù)性利用。

圖6 煤水共采理論的共性問題

從國家戰(zhàn)略布局的角度出發(fā)(圖7)，煤礦開采的必要性和與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾迫切要求建立國家西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)中心，促進宏觀調(diào)節(jié)和各級部門、單位的密切配合，由國家發(fā)改國家委能源局、生態(tài)環(huán)境部制定宏觀政策和提供發(fā)展導向，地方部門、科研單位和煤炭企業(yè)認真落實、積極攻關，形成方向鮮明、制度具體、措施到位、意識超前、技術先進的科學煤炭開發(fā)技術體系，以滿足煤炭行業(yè)健康長足發(fā)展的需要，為國家發(fā)展提供充足能源儲備和友好的生態(tài)環(huán)境。

圖7 煤炭開采與環(huán)境保護統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)

4 結(jié) 語

目前中國煤炭產(chǎn)量的70%以上主要集中在西部生態(tài)脆弱礦區(qū)，煤炭開采水資源保護與利用是我國建設西部煤炭基地必須面臨的巨大挑戰(zhàn)，也是實現(xiàn)西部生態(tài)脆弱礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。在西部生態(tài)礦區(qū)煤炭開采過程中水資源的保護應優(yōu)先于煤炭資源的地位，是我國科研工作者及政府部門、煤礦相關生產(chǎn)企業(yè)等應予以重點關注的問題。筆者分析總結(jié)了目前煤炭開采與地下水資源保護之間的理論關系，從技術層面上探討了不同狀態(tài)下煤炭開采與水資源保護利用面臨的共性問題，從宏觀層面上指出要建立國家西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)中心，協(xié)調(diào)各級相關單位、部門，在政策上牽引，在行動上落實，明確制度管理，加強科技創(chuàng)新投入，推廣先進技術手段，切實促進中國西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開采與生態(tài)保護的協(xié)調(diào)發(fā)展。