王震宇，劉曉民,2，劉廷璽，王文娟，薛 蓮

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古黃河生態(tài)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古金華源環(huán)境資源工程咨詢有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4.呼倫貝爾水利局 綜合保障中心，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

0 引 言

大規(guī)模、高強度開采煤礦破壞了頂板覆巖結(jié)構(gòu)與完整性，不可避免對礦區(qū)特殊的生態(tài)環(huán)境和資源賦存地質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來擾動影響?！懊?水”相關(guān)問題逐漸成為制約礦區(qū)高質(zhì)量發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵因素[1]。針對西部礦區(qū)水資源匱乏、生態(tài)脆弱現(xiàn)狀，探究煤礦綠色開采技術(shù)、重視礦井水資源化利用研究，由“含水層保護”向“水資源保護”轉(zhuǎn)變思維，將采礦活動對生態(tài)環(huán)境的影響程度降到最低[2]，實現(xiàn)煤炭資源與水資源協(xié)調(diào)開采，是亟待解決的重大科學(xué)技術(shù)問題，尤其對緩解西部地區(qū)水資源供需矛盾、推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。隨著環(huán)保意識的增強，學(xué)者們開始關(guān)注煤-水共采相關(guān)問題，在綠色開采[3]、保水采煤[4]、精準(zhǔn)開采[5]、減損開采[6]等理論引導(dǎo)下開展了大量研究。曹志國等[7]基于特殊生態(tài)地質(zhì)條件開展多種工況下煤水協(xié)調(diào)開采物理模擬試驗，發(fā)現(xiàn)在關(guān)鍵部位建造人工隔水層對覆巖滲流特性影響顯著，可以有效阻隔上覆含水層水滲入采空區(qū)，有利于保護地下水體。采煤對地下水系統(tǒng)的擾動機理復(fù)雜、影響因素眾多，張建民等[8]提出以“隔離-引導(dǎo)-調(diào)控”為核心的煤-水仿生共采理念，針對采煤生態(tài)系統(tǒng)中不同元素間的耦合關(guān)系及作用方式進行深入研究，判別影響煤-水共采的若干關(guān)鍵因素[9]。現(xiàn)有研究成果主要探討了煤-水共采效益提升的影響因素，在此基礎(chǔ)上，筆者秉承綠色開采理念，根據(jù)西部生態(tài)脆弱礦區(qū)特殊生態(tài)資源條件，從系統(tǒng)工程與全生命周期角度出發(fā)，統(tǒng)籌考慮礦區(qū)地質(zhì)條件、自然資源、采動影響、生態(tài)環(huán)境、煤礦災(zāi)害、社會經(jīng)濟等6個系統(tǒng)的影響因子，探究不同階段煤-水協(xié)調(diào)共采影響因子的敏感度，并闡明其作用方式，期望為煤水共采綜合效益的提高與開采技術(shù)的改進提供參考。

1 煤-水協(xié)調(diào)共采全生命周期理論

1.1 煤礦全生命周期理論

煤炭資源的不可再生性決定煤礦具有獨特的生命周期機理，儲量決定了其生命周期總長度，礦井使用周期和開采規(guī)模會影響其生命周期中各階段的長度。針對煤-水協(xié)調(diào)共采影響因素繁多、作用關(guān)系復(fù)雜的特點，片面關(guān)注單一階段無法對開采效益準(zhǔn)確評估，只有將其融入煤礦生命周期，結(jié)合不同階段開發(fā)特點，才能厘清不同因子間的作用方式，準(zhǔn)確計算出各因子權(quán)重分布。

我國學(xué)者對煤礦生命周期研究深入，秦翥[10]提出基于WSRF的礦用裝備生命周期服務(wù)系統(tǒng)，有效提高裝備資源利用率。姚西龍等[11]以大柳塔煤礦地下水庫為例，利用生命周期理論，研究廢棄井巷抽水儲能的綜合成本。安英莉等[12]基于我國煤炭資源開發(fā)利用特征，將煤炭全生命周期劃分為開采、加工、運輸、利用、廢棄物處理5大階段?，F(xiàn)有研究已經(jīng)能十分成熟地將生命周期理論應(yīng)用于煤炭開發(fā)工作，但是對煤-水協(xié)調(diào)共采生命周期的研究，目前還尚未形成一套切實可行的理論體系。

1.2 煤-水耦合機理

實現(xiàn)煤-水共采效益最大化的前提，是明晰采煤驅(qū)動下煤-水相互作用的演化規(guī)律。采煤引起的巖層移動與破壞不可避免會對地下水體產(chǎn)生擾動，產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙。由于導(dǎo)水裂隙建立了地下水滲流通道，破壞地下水系統(tǒng)補-徑-排平衡關(guān)系，造成含水層失水及滲流場重新分布。當(dāng)裂隙導(dǎo)通富水性、滲透性較強的含水層，地下水由水平徑流轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜驈搅?，?dǎo)致礦井涌水量過大，引發(fā)突(透)水事故；同時地下水位快速下降，礦區(qū)局部出現(xiàn)地表沉降、地裂縫等現(xiàn)象，對區(qū)域土地資源造成破壞；當(dāng)?shù)叵滤坏陀谏鷳B(tài)水位，造成植被退化、水土流失，更加速了沙漠化進程，形成資源開采與生態(tài)破壞的惡性循環(huán)。

2 煤-水協(xié)調(diào)共采生命周期階段劃分

2.1 煤-水協(xié)調(diào)共采生命周期理論

煤-水共采作為煤炭資源開發(fā)的子系統(tǒng)，其生命周期節(jié)點與煤礦開發(fā)生命周期緊密結(jié)合，根據(jù)西部生態(tài)脆弱礦區(qū)特殊生態(tài)環(huán)境特征，以煤炭開采對地下水體擾動的不同影響，將煤-水協(xié)調(diào)共采生命周期劃分為規(guī)劃設(shè)計階段、建設(shè)開采階段、閉坑整治階段。

2.2 規(guī)劃設(shè)計階段

規(guī)劃設(shè)計階段，礦井尚未動工建設(shè)。此階段煤水協(xié)調(diào)共采的重點是摸清煤層與關(guān)鍵層工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件，為煤礦開采對區(qū)域地下水資源與地表生態(tài)的擾動影響提供災(zāi)害防治和生態(tài)修復(fù)參數(shù)。辨識區(qū)域地下水補徑排條件與上覆巖層滲透性的相互作用，明晰“四水(大氣降水-地表水-地下水-礦井水)”轉(zhuǎn)化機制。依據(jù)生態(tài)脆弱礦區(qū)煤水賦存關(guān)系，結(jié)合區(qū)域生態(tài)環(huán)境、含煤巖系地質(zhì)構(gòu)造等特點，以區(qū)域水資源承載力為基準(zhǔn)，地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡為原則，貫徹源頭減損理念，科學(xué)合理地制定保水采煤方案，實現(xiàn)煤水雙資源協(xié)調(diào)開發(fā)，達到社會經(jīng)濟效益最大化的目標(biāo)(圖1)。

圖1 煤-水共采三維分析

2.3 建設(shè)開采階段

建設(shè)開采階段，采煤驅(qū)動下三場(應(yīng)力場-滲流場-裂隙場)發(fā)生變化。提高煤-水共采綜合效益的前提是重視上覆含水層的富水性及滲透性，以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，避免礦井水害的發(fā)生。受采動影響，礦井涌水大量增加、礦井水量精準(zhǔn)預(yù)測與礦井水高效利用技術(shù)是當(dāng)前階段提升煤-水共采綜合效益的關(guān)鍵。在開采過程中，綜合統(tǒng)籌煤礦減沉開采、地表減損開采、固廢減排、礦井水處理與利用等方面，將開采強度控制在區(qū)域生態(tài)環(huán)境可承受范圍之內(nèi)，變“損后治理”為“損前防范”，避免超出生態(tài)自我恢復(fù)能力之外，造成生態(tài)不可逆的損害(圖2)。摒棄末端治理觀念，采用“邊采邊復(fù)”環(huán)境修復(fù)技術(shù)[13]，準(zhǔn)確把握修復(fù)時機，實現(xiàn)地下開采與地表復(fù)墾的動態(tài)耦合。

圖2 開采強度與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系

2.4 閉坑整治階段

隨著煤炭開采設(shè)備撤出礦井，礦山內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境、覆巖水文地質(zhì)條件、地下水環(huán)境質(zhì)量及重金屬污染物分布相較于原生狀態(tài)發(fā)生重大變化。專家研究表明，部分特殊裂隙在采煤停止后一段時間將自然閉合[14]，但是對于礦山整體生態(tài)重建來說，人工干預(yù)與自然恢復(fù)應(yīng)當(dāng)同步進行，避免由于井下排水停止、潛水位回升，原生裂隙與采動裂隙為井下液(固)相廢棄物相互滲透、淋濾提供通道，從而降低地下水體串層污染的可能性。

通過工程措施提高覆蓋巖層強度，為后期采空區(qū)與廢棄巷道的空間利用奠定基礎(chǔ)。顧大釗[15]對采空區(qū)和礦井水利用現(xiàn)狀進行了深入的研究，結(jié)合多年實踐經(jīng)驗，提出以“導(dǎo)儲用”為核心的地下水庫理論體系，為煤礦地下水保護提供了重要路徑?；羧降萚16]對國外廢棄煤礦地下空間資源化利用現(xiàn)狀進行了深入的研究，分析抽水蓄能、風(fēng)能、太陽能等多種再生能源在我國廢棄礦井實施的可行性，總結(jié)國外廢棄礦井再生資源高效利用特點，為我國廢棄煤礦地下空間利用提供了新思路。采動影響下地表生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，地表生態(tài)重建是當(dāng)前時期的重要問題。以地區(qū)生態(tài)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展需要，利用微生物土地復(fù)墾等[17]先進技術(shù)，科學(xué)合理制定土地復(fù)墾計劃，對不同廢棄煤礦進行差異化治理[18]，確定符合地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的治理目標(biāo)，達到最終土地利用最優(yōu)化并與周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的目的。總之，閉坑煤礦的生態(tài)整治要重點考慮地方生態(tài)環(huán)境特性與社會經(jīng)濟發(fā)展需要，將煤礦關(guān)閉帶來的影響最小化，同時通過理論創(chuàng)新與技術(shù)提升促進煤-水共采生態(tài)效應(yīng)最大化。

2.5 各階段影響因子選取

查閱水資源與能源協(xié)同開發(fā)研究成果、煤炭綠色開采技術(shù)匯總、現(xiàn)行國家規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、煤礦生命周期相關(guān)的文獻分析并咨詢專家意見，立足于西部礦區(qū)特殊生態(tài)條件，考慮區(qū)域水資源承載力現(xiàn)狀，統(tǒng)籌地質(zhì)條件、生態(tài)自然、采動影響、災(zāi)害防治、社會經(jīng)濟等方面因素，建立煤-水共采不同階段主要影響因子庫(圖3)?；谏芷诶碚?，將煤-水協(xié)調(diào)共采生命周期劃分為3個不同階段，根據(jù)不同階段煤-水共采重點不同選定相應(yīng)指標(biāo)。

圖3 煤-水協(xié)調(diào)共采不同階段主要影響因子

3 基于Cone-ANP確定權(quán)重分布

作為煤炭資源開采的子系統(tǒng)，煤-水協(xié)調(diào)共采受到眾多因素影響，因此在充分考慮多種因素相關(guān)性的基礎(chǔ)上，重點把握煤-水協(xié)調(diào)共采影響因子間依賴、反饋關(guān)系，關(guān)注其源發(fā)性、過渡性特征，弱化決策者主觀判斷的隨意武斷性，以此利用尖錐網(wǎng)絡(luò)分析法(Cone-ANP)[19]，構(gòu)建尖錐網(wǎng)絡(luò)分析模型，實現(xiàn)對影響因子權(quán)重分布的計算，以不同影響因子的權(quán)重分布來衡量對煤-水共采綜合效益的影響作用。

3.1 尖錐元素集劃分

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)元素不同的是，尖錐元素更重視元素間相互支配關(guān)系，以此來劃分錐頂元素及錐底元素。錐頂元素指只對本元素集內(nèi)其他元素具有支配關(guān)系，并且不受其他元素支配的元素，與SAATY[21]提出的源發(fā)性元素類似，在尖錐結(jié)構(gòu)中只存在出于它的箭線，而沒有指向它的箭線；而錐底元素受到其他元素支配，依據(jù)支配關(guān)系的不同，進而可以劃分為“既進又出”的過渡性錐底元素以及“只進不出”的接受性錐底元素[20-21]。由任意個錐頂元素與錐底元素構(gòu)成的尖錐元素集稱為一般性尖錐元素集，尖錐元素集結(jié)構(gòu)如圖4所示。

e0—錐頂元素；e1、e2、en—錐底元素

3.2 煤-水協(xié)調(diào)共采Cone-ANP結(jié)構(gòu)建立

3.2.1 典型煤礦的選取

考慮不同地質(zhì)條件、煤水賦存狀態(tài)、技術(shù)水平、開發(fā)階段對煤-水協(xié)調(diào)共采的影響，在西部生態(tài)脆弱礦區(qū)分別選取6座典型煤礦進行研究，研究區(qū)概況圖如圖5所示。根據(jù)煤礦實際情況，結(jié)合階段劃分思路，對不同煤礦劃分階段，見表1。上述所選6座煤礦均位于毛烏素沙地周邊，自然、生態(tài)條件類似，煤水賦存狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造存在差異，同時開發(fā)狀態(tài)不同，煤礦相互之間存在對比關(guān)系，易于判別不同開發(fā)階段下煤水共采影響因素的作用方式及作用程度。

圖5 研究區(qū)概況

表1 典型煤礦概況

3.2.2 Cone-ANP結(jié)構(gòu)的建立

收集生態(tài)脆弱礦區(qū)典型煤礦相關(guān)資料，查閱相關(guān)文獻，咨詢領(lǐng)域?qū)＜?，針對煤礦不同開發(fā)階段特點請教煤礦一線生產(chǎn)人員，確定煤-水協(xié)調(diào)共采不同階段相關(guān)影響因素間的復(fù)雜支配關(guān)系，以“0”表征2元素間不存在直接的支配關(guān)系，以“1”表征2元素間存在直接的支配關(guān)系，以此建立元素判斷關(guān)系矩陣，進一步劃定不同階段錐頂元素與錐底元素，同時根據(jù)各階段的判斷關(guān)系矩陣建立各階段Cone-ANP結(jié)構(gòu)圖。

將6大系統(tǒng)不同指標(biāo)分別劃分為不同尖錐元素集，明確各元素集內(nèi)部指標(biāo)間支配關(guān)系，繼而確定不同系統(tǒng)間依賴、反饋關(guān)系，得到不同階段Cone-ANP結(jié)構(gòu)圖(圖6—圖8)。由圖6—圖8可知，各階段Cone-ANP結(jié)構(gòu)圖中不存在“只進不出”型錐底元素。

圖6 規(guī)劃設(shè)計階段Cone-ANP結(jié)構(gòu)

圖7 建設(shè)生產(chǎn)階段Cone-ANP結(jié)構(gòu)

圖8 閉坑整治階段Cone-ANP結(jié)構(gòu)

3.3 煤-水協(xié)調(diào)共采影響因子權(quán)重的計算

在煤-水協(xié)調(diào)共采Cone-ANP結(jié)構(gòu)建立的基礎(chǔ)上，對不同階段相關(guān)影響因子進行權(quán)重計算，需按以下步驟進行。以閉坑整治階段為例。

1)對影響因子分別編號e01，e02，e03，…，e18(e01，e02分別為2個錐頂元素)，根據(jù)上述尖錐結(jié)構(gòu)確定錐頂元素以及錐底元素，邀請專家對錐底元素相對于錐頂元素的相對重要性進行打分，同時利用其它學(xué)者所研究的依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對煤礦開發(fā)相關(guān)因素進行劃等分級[22]，并根據(jù)劃分結(jié)果對專家打分結(jié)果進行優(yōu)化，以弱化主觀因素對結(jié)果的影響?；诖?，構(gòu)造判斷矩陣，利用層次分析法的權(quán)重計算原理得到同一尖錐元素集中錐底元素相對于不同錐頂元素的相對權(quán)重β1、β2，對于尖錐元素集中的所有錐頂元素，“既進又出”型錐底元素對于錐頂元素的相對權(quán)重可以表示成偏好矩陣βm=[β1，β2]。

矩陣βm的第j列(j=1，2)表示某錐底元素相對于錐頂元素e01、e02的相對權(quán)重。若將所有的錐頂元素看成整體的錐頂元素e0，則在t(t=1，2，…)時刻，錐頂元素的權(quán)重可以表示為:

(1)

矩陣βm的第i行(i=1，2，…，16)之和表示某錐底元素相對于錐頂元素e0的相對權(quán)重。對βm按行求和并歸一化處理得到各錐底元素相對于錐頂元素的綜合權(quán)重：

(2)

2)根據(jù)上述原理計算相對于每個錐底元素，所有其他錐底元素的相對權(quán)重，如果2個元素間不存在依賴關(guān)系，則相對權(quán)重為0。對于某個錐底元素，其相對權(quán)重之和為1。以此得到所有錐底元素的相對權(quán)重矩陣A。

(3)

由此可知：

W(t-1)=B×W(t-1)，(t=1，2，…)

(4)

(5)

W(0)各分量權(quán)重非負(fù)且和為1。根據(jù)式(4)，假設(shè)(t-1)時刻錐底元素權(quán)重已知，根據(jù)層次分析法復(fù)合權(quán)重原理可知：

(6)

因此得到：

W(t-1)=A×W(t-1),(t=1，2，…)

(7)

則

Q=AB,(t=1，2，…)

(8)

矩陣Q即為加權(quán)超矩陣，對其進行矩陣極限化后得到Q(+∞)極限矩陣，進而得到各錐底元素權(quán)重，利用式(3)的計算方法，最終得到錐頂元素的權(quán)重大小。需要注意的是，此時尖錐元素集內(nèi)元素權(quán)重之和勢必大于1，需要經(jīng)過歸一化后得到各元素混合權(quán)重。

3.4 權(quán)重計算

基于上述計算方法，將6座典型煤礦煤-水共采不同階段的指標(biāo)權(quán)重分別算出，為使結(jié)果在一定程度上代表西部礦區(qū)平均水平，將不同開發(fā)階段的煤礦權(quán)重結(jié)果平均化，并梳理整合，得到以下權(quán)重分布雷達圖(圖9)與不同階段影響因子權(quán)重分布表(表2)。由圖9可知：

圖9 權(quán)重結(jié)果雷達圖

1)在煤礦規(guī)劃設(shè)計階段，排在前3位的分別是地質(zhì)、采動及社會影響，含水層性質(zhì)影響作用最大。含水層的性質(zhì)將直接影響礦區(qū)水文地質(zhì)條件，從而改變開采方案。因此，該階段煤-水共采側(cè)重于摸清煤礦地層特點及煤層參數(shù)，明確礦床工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等相關(guān)條件，考慮煤礦經(jīng)濟效益以及煤礦項目對社會產(chǎn)生的影響，從而有針對性地制定煤礦保水開采技術(shù)方案。

2)在煤礦建設(shè)開采階段，排在前3位的分別是采動、生態(tài)環(huán)境以及礦區(qū)災(zāi)害，影響權(quán)重較大的指標(biāo)是采煤方法與開采工藝、塌陷土地治理率。根據(jù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、水資源承載力，選定合適的開采方式將有助于煤礦降低礦井水害、地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險，加之礦井水精準(zhǔn)預(yù)測與高效利用技術(shù)的應(yīng)用，將有利于煤-水共采綜合效益的提高；同時重視煤礦生態(tài)修復(fù)，貫徹“邊采邊復(fù)”的生態(tài)治理思想，以期達到經(jīng)濟效益與生態(tài)效益共同提高的目的。

3)在煤礦閉坑整治階段，排在前3位的分別是生態(tài)環(huán)境、自然以及社會影響，老空水量、水質(zhì)以及廢棄井巷利用率的指標(biāo)權(quán)重最大。生態(tài)環(huán)境治理是煤礦閉坑整治階段的重要工作，統(tǒng)籌含(隔)水層再修復(fù)、土地復(fù)墾、廢棄地下空間資源化利用等方面，根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活需要制定生態(tài)治理目標(biāo)，力求修復(fù)效果與周邊自然環(huán)境一致，同時將煤礦閉坑對社會經(jīng)濟的影響最小化。

4 結(jié) 論

1)煤-水協(xié)調(diào)共采對維護西部礦區(qū)生態(tài)平衡、緩解區(qū)域水資源短缺、提升水資源利用效率、促進地方社會發(fā)展具有重要作用，其開發(fā)過程受多種因素共同影響，將各影響因子系統(tǒng)分析、整合梳理，劃分為地質(zhì)、自然、采動、生態(tài)環(huán)境、礦區(qū)災(zāi)害、社會影響六大方面。從煤-水協(xié)調(diào)共采全生命角度出發(fā)，系統(tǒng)性地構(gòu)建了包含規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)開采、閉坑整治三大階段的影響因子庫，對煤水共采影響因子的研究有一定借鑒意義。

2)采用Cone-ANP分析法構(gòu)建了煤-水協(xié)調(diào)共采全生命周期的不同階段Cone-ANP結(jié)構(gòu)，綜合分析了不同指標(biāo)元素間依賴、反饋關(guān)系，同時根據(jù)煤礦開發(fā)不同階段對地下水系統(tǒng)擾動程度的不同，將煤-水協(xié)調(diào)共采生命周期劃分為三大階段，分別闡述了不同階段煤水共采側(cè)重點，并計算了各影響因素的權(quán)重，為后續(xù)煤-水協(xié)調(diào)共采綜合效益評價提供了借鑒。

3)通過分析權(quán)重計算結(jié)果可知，影響煤水協(xié)調(diào)共采的因素存在于其生命周期內(nèi)的各個階段，片面關(guān)注單一階段無法實現(xiàn)從總體上把握煤水共采的主要影響因素。含水層性質(zhì)、采煤方法與開采工藝、老空水利用率及水質(zhì)、廢棄井巷利用率是影響煤-水協(xié)調(diào)共采的關(guān)鍵因素。因此，需要在規(guī)劃設(shè)計階段注意礦區(qū)主要含水層性質(zhì)的同時，在建設(shè)開采階段注意采煤方法與開采工藝的實際應(yīng)用，還應(yīng)做好煤礦閉坑后的老空水高效利用、水質(zhì)監(jiān)測、廢棄井巷再利用等后續(xù)工作，確保煤-水協(xié)調(diào)共采的生態(tài)社會效益最大化。