姚強(qiáng)嶺，湯傳金，劉梓昌

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.諾丁漢大學(xué) 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(jì)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(fèi)量的34%、煤炭約占27%、核能和水電分別占4%和7%，而在我國(guó)能源消費(fèi)總量中煤炭占比達(dá)58%[1]，預(yù)計(jì)在未來(lái)10 a內(nèi)我國(guó)能源消費(fèi)仍以煤炭為主(50%以上)[2]。煤礦大規(guī)模、高強(qiáng)度開(kāi)采對(duì)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(lái)不同程度的擾動(dòng)影響，當(dāng)超過(guò)該區(qū)域環(huán)境的承載能力時(shí)將會(huì)使區(qū)域平衡的環(huán)境條件遭到破壞[3]。煤炭開(kāi)采破壞頂板覆巖結(jié)構(gòu)與完整性，導(dǎo)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(shí)誘發(fā)礦區(qū)地表下沉、工作面涌水等問(wèn)題[4]。中國(guó)每年因煤炭開(kāi)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(chǔ)存和利用。尤其在西北地區(qū)進(jìn)行煤炭開(kāi)采時(shí)，部分區(qū)域由于覆巖結(jié)構(gòu)及開(kāi)采強(qiáng)度超過(guò)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(xí)近平總書(shū)記對(duì)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(shí)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(qiáng)調(diào)堅(jiān)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(kāi)采的條件下，合理保護(hù)、控制和利用水資源已成為我國(guó)主要大型煤炭基地實(shí)現(xiàn)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1 我國(guó)煤炭開(kāi)采的優(yōu)勢(shì)及生態(tài)限制

煤炭資源是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要能源基礎(chǔ)。如圖1所示(數(shù)據(jù)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局)，21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)煤炭產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)能源生產(chǎn)總量的比例n持續(xù)超過(guò)68%，占比在2011年到達(dá)階段性頂峰之后出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，這與新時(shí)代背景下國(guó)家在煤炭產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略布局有關(guān)，對(duì)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新能力、生態(tài)效益、國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)供需平衡等方面都有更高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)煤炭資源基礎(chǔ)儲(chǔ)量占國(guó)內(nèi)化石能源基礎(chǔ)儲(chǔ)量的93.17%，如圖2所示(數(shù)據(jù)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局)，仍然是支持我國(guó)社會(huì)工業(yè)發(fā)展和滿足人民對(duì)美好生活向往的重要戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源。

圖1 2000—2018年中國(guó)能源結(jié)構(gòu)及煤炭占比

圖2 2018年中國(guó)化石能源結(jié)構(gòu)

我國(guó)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(shè)大型煤炭基地是長(zhǎng)期以來(lái)加強(qiáng)能源保障的重要措施。到2011年為止，我國(guó)“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(gè)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(guó)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(kāi)采，是中國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)地。如圖3所示(數(shù)據(jù)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局)，在2000年時(shí)，西部礦區(qū)煤炭開(kāi)采強(qiáng)度較弱，煤炭年產(chǎn)量?jī)H占全國(guó)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(kāi)采重心開(kāi)始向西部生態(tài)脆弱礦區(qū)轉(zhuǎn)移，2008年時(shí)西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量首次超過(guò)50%，此后西部礦區(qū)煤炭產(chǎn)量占比持續(xù)增加，2014年時(shí)超過(guò)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(guó)名副其實(shí)的煤炭戰(zhàn)略生產(chǎn)基地。

圖3 2000—2018年中國(guó)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(guó)國(guó)土總面積的46.1%，該地區(qū)大部分處于缺水帶、少水帶和過(guò)渡帶，水資源僅占我國(guó)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(kāi)發(fā)與各環(huán)境要素之間產(chǎn)生明顯的相互影響和互饋?zhàn)饔?，采礦過(guò)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(bǔ)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(wèn)題，嚴(yán)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(xué)者對(duì)2003年陜北地區(qū)煤炭開(kāi)采造成的生態(tài)環(huán)境損失進(jìn)行評(píng)估，估算每開(kāi)采1 t煤會(huì)造成36.23元生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(chǔ)備問(wèn)題成為西部生態(tài)脆弱礦區(qū)土地、大氣、生態(tài)等恢復(fù)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。

2 西部礦區(qū)煤-水共采關(guān)鍵技術(shù)

西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開(kāi)采規(guī)劃、礦井水資源保護(hù)與利用、地表生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源利用與儲(chǔ)備等具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)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(kāi)采活動(dòng)應(yīng)以保護(hù)當(dāng)?shù)厮沫h(huán)境及生態(tài)為前提，不以水資源破壞為代價(jià)。面對(duì)如何在科學(xué)合理開(kāi)采煤炭資源的前提下又兼顧區(qū)域生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)期安全的問(wèn)題，在“保水開(kāi)采”“綠色開(kāi)采”“科學(xué)開(kāi)采”“精準(zhǔn)開(kāi)采”等理念的指導(dǎo)下，相關(guān)學(xué)者在礦區(qū)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、開(kāi)采技術(shù)方法、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與修復(fù)等多方面展開(kāi)了卓有成效的研究與討論[13-16]。

西部礦區(qū)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)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(guò)公式計(jì)算、物理模擬、數(shù)值模擬結(jié)合微震監(jiān)測(cè)、超聲成像、鉆孔電視法、氡氣監(jiān)測(cè)法等方法探究覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律，進(jìn)而做出合理的設(shè)計(jì)[17-19]。伍艷麗等[20]根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對(duì)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(fù)型、環(huán)境漸變惡化型和環(huán)境災(zāi)變型，對(duì)設(shè)計(jì)保護(hù)及利用生態(tài)水資源的開(kāi)采方案提供了重要參考。根據(jù)覆巖破斷形態(tài)和裂隙擴(kuò)展規(guī)律，基本形成了礦區(qū)地下水資源處理技術(shù)理論框架。保水采煤的核心思想是保護(hù)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(kāi)采后自行修復(fù)或有所下降但不會(huì)對(duì)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成大的影響，該技術(shù)已在西部礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[21-24]。但同時(shí)要認(rèn)識(shí)到，煤炭開(kāi)采過(guò)程中水資源發(fā)生轉(zhuǎn)移是一個(gè)客觀現(xiàn)象，煤炭開(kāi)采會(huì)不可避免地破壞含水層的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的大量裂隙導(dǎo)致地下水滲漏和滲流，水資源儲(chǔ)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(yuǎn)高于煤炭，不論煤層開(kāi)采期間能否實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶的有效控制，都要將已轉(zhuǎn)移的水資源合理儲(chǔ)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(kù)儲(chǔ)水的技術(shù)思路并展開(kāi)了相關(guān)的工程實(shí)踐研究，即利用煤礦采空區(qū)作為儲(chǔ)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(chǔ)水水庫(kù)，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(kāi)采與水資源保護(hù)的矛盾。

2.1 保水開(kāi)采理論

煤炭開(kāi)采將導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法目前普遍采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中根據(jù)覆巖堅(jiān)硬程度推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，煤層、含水層、隔水關(guān)鍵層以及(結(jié)構(gòu))關(guān)鍵層之間的物理力學(xué)特性和空間位置關(guān)系是開(kāi)采方法選擇的主要依據(jù)[26]。常用的保水開(kāi)采方法有條帶開(kāi)采、房柱式開(kāi)采、限高開(kāi)采和充填開(kāi)采等[27-30]，通過(guò)設(shè)計(jì)方法預(yù)留一定量的煤體或充填材料來(lái)承載上覆巖層的應(yīng)力，使含(隔)水巖層采動(dòng)裂隙在煤炭開(kāi)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(jìn)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(fù)[31]。除此之外，部分煤礦采用注漿加固的方法封閉導(dǎo)水通道(即采動(dòng)裂隙)、增大圍巖強(qiáng)度，也具有一定效果[32]。但目前這些開(kāi)采方法存有一定缺陷，例如：部分開(kāi)采煤炭資源采出率低，充填開(kāi)采成本高，充填原料獲取較為困難，工作面推進(jìn)速度慢，條帶開(kāi)采及房柱式開(kāi)采在上覆巖層中造成的協(xié)調(diào)變形很難預(yù)計(jì)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(kù)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(jiǎn)單，煤層開(kāi)采后，采動(dòng)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(guò)采動(dòng)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(yán)重，造成水資源的極大浪費(fèi)。為了改變這種現(xiàn)狀，提出了“采空區(qū)地下水庫(kù)”的概念[25]，即將通過(guò)采動(dòng)裂隙流失的水儲(chǔ)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(fù)提供保障，國(guó)家能源集團(tuán)大柳塔煤礦、烏蘭木倫等煤礦已進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，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(dòng)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、沉淀、吸附、離子交換、自生礦物生成等復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程而得到凈化，再通過(guò)自然壓差或機(jī)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)采空區(qū)水資源的抽采利用和補(bǔ)給。經(jīng)過(guò)凈化的水可以滿足礦山生活及生產(chǎn)用水，同時(shí)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)西北礦區(qū)的環(huán)境恢復(fù)，推進(jìn)西部煤炭資源可持續(xù)性開(kāi)采。

圖5 煤礦地下水庫(kù)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(wèn)題是含水層賦存形態(tài)的改變，無(wú)論是通過(guò)一定措施控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度還是使其自由發(fā)展。煤炭開(kāi)采導(dǎo)致部分水資源流失，水位下降，影響地表生態(tài)平衡。有學(xué)者研究了地下水位與地表植被發(fā)育的關(guān)系，將適宜地表植物正常生長(zhǎng)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(kāi)采活動(dòng)所導(dǎo)致的水位下降范圍，指出了生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，卻沒(méi)有從宏觀戰(zhàn)略配置的層面明確水資源的利用方案和評(píng)價(jià)體系。西部礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)存量巨大，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的開(kāi)采價(jià)值，在技術(shù)層面上必須將水環(huán)境平衡作為開(kāi)采方法的設(shè)計(jì)依據(jù)，探索快速推進(jìn)、少留煤柱等特殊開(kāi)采方法及利用采空區(qū)碎裂巖體儲(chǔ)存地下水資源的技術(shù)體系。目前礦區(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中保護(hù)地下水的技術(shù)思路存在許多共性問(wèn)題，如圖6所示。含水層或人造含水層的動(dòng)態(tài)水源補(bǔ)給是水資源儲(chǔ)備的基礎(chǔ)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(lái)源。在水的轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存過(guò)程中，煤炭開(kāi)采引起的巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)移、覆巖裂隙動(dòng)態(tài)變化及不同巖性巖層的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，更重要的是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試地應(yīng)力和裂隙發(fā)育規(guī)律，以便在自然或人工干預(yù)下能夠長(zhǎng)期維持(人造)含水層的補(bǔ)給和利用。多數(shù)情況下，含水層保持或人造含水層建設(shè)使用期間，仍然受到附近開(kāi)采活動(dòng)的擾動(dòng)影響，受保護(hù)水資源區(qū)域的邊界防護(hù)設(shè)施的穩(wěn)定性和安全性需要格外重視，需要探索不同時(shí)期不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形上限進(jìn)行有效預(yù)警。在被保護(hù)區(qū)域的基礎(chǔ)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(chǔ)備利用的宏觀規(guī)劃進(jìn)行可持續(xù)性利用。

圖6 煤水共采理論的共性問(wèn)題

從國(guó)家戰(zhàn)略布局的角度出發(fā)(圖7)，煤礦開(kāi)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(guó)家西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)中心，促進(jìn)宏觀調(diào)節(jié)和各級(jí)部門(mén)、單位的密切配合，由國(guó)家發(fā)改國(guó)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(dǎo)向，地方部門(mén)、科研單位和煤炭企業(yè)認(rèn)真落實(shí)、積極攻關(guān)，形成方向鮮明、制度具體、措施到位、意識(shí)超前、技術(shù)先進(jìn)的科學(xué)煤炭開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，以滿足煤炭行業(yè)健康長(zhǎng)足發(fā)展的需要，為國(guó)家發(fā)展提供充足能源儲(chǔ)備和友好的生態(tài)環(huán)境。

圖7 煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

目前中國(guó)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(kāi)采水資源保護(hù)與利用是我國(guó)建設(shè)西部煤炭基地必須面臨的巨大挑戰(zhàn)，也是實(shí)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(kāi)采過(guò)程中水資源的保護(hù)應(yīng)優(yōu)先于煤炭資源的地位，是我國(guó)科研工作者及政府部門(mén)、煤礦相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)等應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。筆者分析總結(jié)了目前煤炭開(kāi)采與地下水資源保護(hù)之間的理論關(guān)系，從技術(shù)層面上探討了不同狀態(tài)下煤炭開(kāi)采與水資源保護(hù)利用面臨的共性問(wèn)題，從宏觀層面上指出要建立國(guó)家西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)中心，協(xié)調(diào)各級(jí)相關(guān)單位、部門(mén)，在政策上牽引，在行動(dòng)上落實(shí)，明確制度管理，加強(qiáng)科技創(chuàng)新投入，推廣先進(jìn)技術(shù)手段，切實(shí)促進(jìn)中國(guó)西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開(kāi)采與生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。