基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力研究

孫 魁，范立民，夏玉成，李 成，陳建平，仵撥云，彭 捷

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

隨著我國能源發(fā)展重心的西移，西部干旱半干旱地區(qū)已經(jīng)成為我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，科學(xué)開采西部煤炭資源已經(jīng)得到全面認(rèn)可和推廣[1]，而西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源匱乏，煤炭高強(qiáng)度開采引起的水環(huán)境問題突出[2-4]。尤其是榆神府礦區(qū)中部窟野河、禿尾河沿岸北東向煤炭開采帶，煤層埋藏淺，且薩拉烏蘇組沙層含水層豐富、地表水(泉)集中出露，采煤引起的含水層破壞及水資源漏失問題觸目驚心[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陜北榆神府礦區(qū)在大規(guī)模煤炭開采前(1994年)分布有泉(群)2 580處，總流量為4 997.059 7 L/s，經(jīng)過20余年的煤炭開采，目前殘存泉(群)376處，總流量996.392 L/s，泉(群)數(shù)量和流量衰減了84%和76%;區(qū)內(nèi)黃河中游的重要補(bǔ)給河流窟野河徑流量由開采前的17.54 m3/s，衰減至目前的2.80 m3/s，流域內(nèi)68處泉目前殘存13處;1990年全區(qū)水體面積162.63 km2，2001年減少至133.80 km2，2011年繼續(xù)減少至85.69 km2，前后兩個10年的減少率分別為17.73%和35.96%;1995—2014年，整個榆神府礦區(qū)地下水位變幅大于8 m的區(qū)域面積達(dá)658 km2，以給水度0.18計(jì)，區(qū)域損失的水資源儲量高達(dá)1.19×108m3[6-8]。高強(qiáng)度的采煤活動引起的礦區(qū)地下水位下降，地表水(體)干涸，濕地面積銳減，生態(tài)植被枯死等環(huán)境問題，給礦區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水帶了嚴(yán)重的災(zāi)難。

2016-09-26，國家發(fā)改委、中國科學(xué)院等13部委聯(lián)合下發(fā)“關(guān)于印發(fā)《資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方法(試行)》的通知”(發(fā)改規(guī)劃[2016]2043號)，2017-05-23，中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組第35次會議審議通過了《關(guān)于建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警長效機(jī)制的若干意見》，資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警工作已經(jīng)趨于規(guī)范化、常態(tài)化和制度化。而煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力作為資源環(huán)境承載能力的一部分，其評價和監(jiān)測預(yù)警已經(jīng)成為全面深化改革和生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)創(chuàng)新性工作。

因此，探索采煤與水資源保護(hù)共贏的可持續(xù)發(fā)展途徑，深入研究地質(zhì)環(huán)境承載力理論，已經(jīng)成為西部煤炭科學(xué)開采亟需解決的科學(xué)問題。筆者通過梳理歸納近年來水資源保護(hù)及地質(zhì)環(huán)境承載力的最新研究進(jìn)展，提出針對西部生態(tài)脆弱煤炭開采區(qū)“基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力”概念及監(jiān)測預(yù)警思路，以期為西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源開發(fā)與水資源保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論與技術(shù)支持。

1 保水采煤研究進(jìn)展

1.1 保水采煤理念的形成與發(fā)展

“保水采煤”是針對陜北生態(tài)脆弱區(qū)，煤炭資源開采引起的第四系地下水滲漏及生態(tài)環(huán)境惡化的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，提出的以生態(tài)水位保護(hù)和煤炭資源開采“雙贏”為目標(biāo)的科學(xué)采礦理念。1992年范立民在論述陜北煤炭資源開發(fā)過程中地下水資源及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)問題時，提出了“保水采煤”的研究思路和方法[9]，1994年初，范立民提出“陜北侏羅紀(jì)煤田水文地質(zhì)工程地質(zhì)綜合研究”的建議，開展以采煤對地下水影響的地質(zhì)背景和突水潰砂為主要內(nèi)容的基礎(chǔ)研究。1995—1998年，由中國煤炭地質(zhì)總局牽頭，陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)、中國礦業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合承擔(dān)的“中國西部侏羅紀(jì)煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤與地質(zhì)環(huán)境綜合研究”項(xiàng)目，明確了“保水采煤”理念和方法，對榆神府礦區(qū)高強(qiáng)度采煤過程中水資源保護(hù)進(jìn)行了卓有成效的研究[10]。

針對陜北的煤炭資源優(yōu)勢和生態(tài)環(huán)境脆弱、地下水資源貧乏的矛盾，王雙明院士團(tuán)隊(duì)完成的“鄂爾多斯盆地生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)”等成果，查明了陜北煤炭資源開采引起的生態(tài)效應(yīng)，揭示了區(qū)域合理的生態(tài)水位，提出了以保護(hù)生態(tài)水位為核心的保水采煤技術(shù)思路，提出了采煤必須保護(hù)生態(tài)水位的新理念[11]。此后，經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，初步形成了以地質(zhì)條件識別[12-14]、隔水層穩(wěn)定性控制[15-17]、水與生態(tài)約束、保水采煤技術(shù)方法[18-19]為研究內(nèi)容，以保護(hù)生態(tài)水位為目標(biāo)的保水采煤技術(shù)體系，并概括了保水采煤的核心概念[20]:以經(jīng)濟(jì)和社會效益最大化為目標(biāo)，在干旱半干旱地區(qū)煤層開采過程中，通過控制巖層移動維持具有供水意義和生態(tài)價值含水層(巖組)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或水位變化在合理范圍內(nèi)，尋求煤炭開采量與水資源承載力之間最優(yōu)解的煤炭開采技術(shù)。

1.2 保水采煤技術(shù)方法研究進(jìn)展

(1)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度抑制技術(shù)。

保水采煤技術(shù)方法是通過巖層控制來抑制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，有效減少和控制采煤對含水層的擾動破壞程度。如果能將采煤引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度控制在受保護(hù)的目標(biāo)含水層底界之下，就能實(shí)現(xiàn)保水采煤技術(shù)方法的選擇。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括采煤方法和關(guān)鍵開采技術(shù)參數(shù)。

在采煤方法方面，多數(shù)研究者認(rèn)為條帶跳采有利于減小對地下水資源的影響和破壞[21]，通過分析條帶煤柱穩(wěn)定性[22]，探討實(shí)現(xiàn)保水采煤的條帶開采技術(shù)參數(shù)[23]，該方法在陜西榆陽區(qū)10余個地方煤礦獲得了成功應(yīng)用。此外，神東礦區(qū)在探索保水采煤技術(shù)方法的實(shí)踐中，摸索了一套工作面快速推進(jìn)和支架合理配置相結(jié)合的長壁工作面保水采煤技術(shù)[18]。在充填保水采煤方面，陜西榆陽煤礦在4 a的充填保水開采實(shí)踐中，工作面水位最大下降幅度僅2.76 m，有效控制了礦區(qū)生態(tài)水位，基本達(dá)到了保水采煤的目的。而針對充填時間和充填空間不足的問題，將開采段內(nèi)的所有采場支巷分為多個階段，形成“一采一充、采充并行”的充填開采模式，有效抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，實(shí)現(xiàn)了保水采煤[19]。

在關(guān)鍵開采參數(shù)方面，目前主要采用數(shù)值模擬、相似材料模擬等手段，通過研究不同工作面尺寸、采高等開采條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律及其對生態(tài)潛水的影響程度，進(jìn)而提取合理的保水開采技術(shù)參數(shù)。劉洋等[24]通過模擬不同工作面采寬條件下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，建立了陜西彬長礦區(qū)不同水文地質(zhì)條件下采寬與裂采比之間的關(guān)系，為保水采煤條件下工作面尺寸的選擇提供了理論依據(jù)。而針對榆神礦區(qū)厚煤層分布區(qū)，則是以限制采高或分層開采來實(shí)現(xiàn)降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的保水采煤技術(shù)[25]。

(2)關(guān)鍵隔水層再造與含水層再造技術(shù)。

能否維持關(guān)鍵隔水層的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)保水采煤的關(guān)鍵。在關(guān)鍵隔水層穩(wěn)定性研究方面，在分析隔水紅土層物理-水理-力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，探究紅土層受采動破壞后的自我彌合性，進(jìn)而提出隔水層再造應(yīng)具備的主要工程地質(zhì)屬性[26]，為陜北煤礦區(qū)分層限高大采高保水開采提供了理論支撐。對于離層水害發(fā)育的煤礦區(qū)，在分析離層發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，確定離層空間位置[27-28]，通過對關(guān)鍵隔水層上部離層空間的定向注漿改造，彌合離層裂隙，消除離層空間大量積水隱患，保證底部關(guān)鍵隔水層穩(wěn)定，也能達(dá)到保水采煤的效果[29-30];此外，針對陜北煤礦區(qū)薩拉烏蘇組含水層的滲漏問題，有學(xué)者提出在關(guān)鍵隔水層位置，采用“壓—采—注”工藝再造一個可以保持地下水系統(tǒng)正常循環(huán)的弱透水層。這樣既可以有效控制上部含水層的滲漏，維持生態(tài)水位穩(wěn)定，又能使上下各含水層之間保持一定的水力聯(lián)系[31]。

對于含水層再造的研究，有學(xué)者認(rèn)為采空區(qū)頂板巖層破裂后，會形成類似于燒變巖的地下水儲存空間，通過人為隔離或改造采空區(qū)內(nèi)的破碎巖體，使之成為一個新的封閉儲水體。該理念經(jīng)過大量的理論和實(shí)踐探索，目前已經(jīng)演化為地下水庫技術(shù)，并在神東礦區(qū)大柳塔煤礦得到了成功實(shí)踐[32]。

2 煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力研究進(jìn)展

2.1 煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力理論與評價

夏玉成等[33-35]基于煤礦開采和礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)提出了“煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力”的概念，以“構(gòu)造控災(zāi)”理論為支撐，從地質(zhì)環(huán)境本身的抗擾動能力、地下煤炭資源的開發(fā)強(qiáng)度以及當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)條件3個方面搭建了煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力評價指標(biāo)框架。認(rèn)為地質(zhì)環(huán)境抗擾動能力是由地質(zhì)條件本身所決定，是地質(zhì)環(huán)境承載力的根本，它與地表自然生態(tài)條件共同決定了地質(zhì)環(huán)境承載能力的大小。基于這種思路，唐利君[36]、李旭[37]分別對烏魯木齊硫磺溝礦區(qū)和銅川礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行了評價。

而承載力的大小如何定量計(jì)算，李煥同[38]引入了“承載力指數(shù)”和“壓力指數(shù)”的概念。主張從地質(zhì)環(huán)境本身屬性和外部開采壓力2個方面來衡量地質(zhì)環(huán)境是否發(fā)生災(zāi)變或失衡。地質(zhì)環(huán)境本身屬性是地質(zhì)環(huán)境承載力的基礎(chǔ)，即抗擾動能力。而開采壓力考慮的是人類采礦活動對地表環(huán)境的破壞程度。基于這種思路，關(guān)英斌等[39]采用基于AHP的綜合評價方法對邯鄲礦區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境承載力評價。

另一些礦山地質(zhì)環(huán)境承載力研究關(guān)注的是地質(zhì)災(zāi)害[40]，通常選取地層巖性條件、地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌條件、巖溶發(fā)育條件、氣象及植被發(fā)育條件等各項(xiàng)反映地質(zhì)環(huán)境本身的指標(biāo)因素。通過探討不同因素對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的影響程度，對地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行預(yù)測。該類研究主要關(guān)注的是采礦活動引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境外在演化狀態(tài)，本質(zhì)上是對礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的評估和預(yù)測。

閆旭騫[41]、吳見[42]等將生態(tài)彈性力、生態(tài)條件或生態(tài)脆弱性作為衡量礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要評價指標(biāo)，指標(biāo)選取上側(cè)重于水資源、土地資源、大氣環(huán)境等礦區(qū)基本地質(zhì)環(huán)境背景條件，以生態(tài)環(huán)境正負(fù)演化來衡量生態(tài)環(huán)境承載能力的強(qiáng)弱。雖然這類研究多是對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價，但某種程度上也是對礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中地質(zhì)環(huán)境承載力研究的一種探索。

2.2 煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力監(jiān)測和預(yù)警方法

煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力監(jiān)測的對象是一定時空區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)，通過開展煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，進(jìn)一步認(rèn)識煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題，掌握地質(zhì)環(huán)境動態(tài)變化，預(yù)測煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境發(fā)展趨勢，進(jìn)而建立預(yù)警體系。

在煤礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面，主要為變形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測。變形監(jiān)測包括位移監(jiān)測和傾斜監(jiān)測，主要以GPS監(jiān)測為主，可建立監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全天候自動化監(jiān)測。應(yīng)力監(jiān)測通過應(yīng)力傳感器獲取坡體應(yīng)力變換，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)力學(xué)平衡分析，從而達(dá)到監(jiān)測目的。近年來，礦區(qū)地面塌陷及伴生塌陷裂縫的無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)，也得到了廣泛應(yīng)用[43-44]。

在煤礦區(qū)植被監(jiān)測方面，主要是依賴于遙感技術(shù)，對礦區(qū)的環(huán)境變化位置和速率的監(jiān)測，主要采用了干涉 SAR 遙感技術(shù)和 GPS 測量技術(shù);隨著衛(wèi)星遙感影像技術(shù)的發(fā)展，Landsat TM 和SPOT衛(wèi)星遙感影像在礦區(qū)的土地利用狀況和植被覆蓋監(jiān)測方面得到了發(fā)展;在國內(nèi)，遙感技術(shù)在土地利用狀況、植被覆蓋率、植被污染等方面也得到了廣泛應(yīng)用[45-46]。

煤礦區(qū)地下水監(jiān)測主要是通過建設(shè)監(jiān)測井，安裝自動化遙測儀器，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)完成地下水位、水質(zhì)、水溫等特性的監(jiān)測，利用移動網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)平臺等客戶端匯總。2018年陜西省采取“政府指導(dǎo)、企業(yè)主導(dǎo)”的方式，利用礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理基金，在神東、陜北、黃隴3個大型煤炭基地的174處大中型煤礦先期布置225口示范井，同時對現(xiàn)有監(jiān)測井進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測。目前該項(xiàng)監(jiān)測工程正在積極推進(jìn)中[47]。

在覆巖移動破壞監(jiān)測方面，傳統(tǒng)方法是打“觀測孔”，通過鉆孔沖洗液消耗量判斷覆巖變形破壞范圍和裂隙帶高度。隨著探測技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了聲速法、超聲成像法、鉆孔電視系統(tǒng)等現(xiàn)場實(shí)測技術(shù)。此外，電法探測、雷達(dá)探測、地震波探測、瞬變電磁法、光纖傳感技術(shù)的綜合利用，彌補(bǔ)了單一觀測方法短板，為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供了準(zhǔn)確的一手基礎(chǔ)資料[48-49]。

3 基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力

保水采煤、地質(zhì)環(huán)境承載力理論作為2個單獨(dú)的命題，其研究成果為西部煤礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)做出了重大貢獻(xiàn)。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合西部干旱半干旱區(qū)富煤缺水的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，將保水采煤與地質(zhì)環(huán)境承載力2個命題有機(jī)融合，初步提出并探討基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力內(nèi)涵及基本研究思路，以期豐富保水采煤和煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力的理論內(nèi)涵，為西部生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)煤炭資源開發(fā)與水資源保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論與技術(shù)支持。

3.1 基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力內(nèi)涵

西北干旱半干旱的富煤、缺水地區(qū)，煤炭開采引起的生態(tài)水位下降及其誘發(fā)的地表生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅礦區(qū)居民的飲水安全及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。保水采煤是維持煤礦區(qū)生態(tài)水位的基本途徑，煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境是礦區(qū)開發(fā)活動和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然依托，人類的采礦活動一旦超出了地下水位、地表環(huán)境演化所能承受的極限，就會引起災(zāi)變。為此，基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力內(nèi)涵可以概括為:維持地下水位變化在合理范圍及地表生態(tài)環(huán)境不發(fā)生災(zāi)變或?yàn)?zāi)變可控的前提下，煤礦區(qū)可以承受的采礦活動對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的擾動強(qiáng)度最大值，即煤礦區(qū)可承受的最大開采強(qiáng)度或規(guī)模。

基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力，是通過揭示“采煤活動—水資源破壞—地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)”機(jī)理，深入研究承載力評價、監(jiān)測、預(yù)警相關(guān)理論與技術(shù)方法，尋求煤炭開采、水資源保護(hù)、地表生態(tài)環(huán)境保護(hù)3者之間的最優(yōu)解?；狙芯靠蚣苋鐖D1所示。

圖1 基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力研究框架Fig.1 Research framework for bearing capacity of geological environment based on water conservation mining concept

3.2 承載力的組成

承載能力首先受原始地質(zhì)因素抗擾動能力的本質(zhì)屬性特征所決定，抗擾動能力越強(qiáng)，承載能力越大。其次，采煤擾動后地表環(huán)境的敏感程度決定了地表環(huán)境的災(zāi)變程度，敏感程度越小，承載能力越大。因此，將地質(zhì)環(huán)境抗擾動能力和地表環(huán)境對采動的敏感程度作為地質(zhì)環(huán)境承載力的組成。

3.3 承載力評價指標(biāo)體系及其量化方法

3.3.1 主控因素的選擇和評價指標(biāo)體系的建立

地質(zhì)環(huán)境抗擾動能力首先受構(gòu)造應(yīng)力控制，當(dāng)煤礦區(qū)處于擠壓構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)時，巖體的力學(xué)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會顯著增強(qiáng)。而拉張構(gòu)造應(yīng)力將顯著降低導(dǎo)致巖體失穩(wěn)的臨界重力，在采動影響下很容易發(fā)生煤層上部巖層的移動破壞以及地表彎曲下沉或不連續(xù)塌陷;不同的構(gòu)造應(yīng)力作用下，促發(fā)了不同構(gòu)造界面的形成，拉張應(yīng)力條件下，往往會發(fā)育張節(jié)理、正斷層等張性構(gòu)造面，較容易遭受采煤引起的擾動損害，因此構(gòu)造界面也是影響地質(zhì)環(huán)境抗擾動能力的主要因素之一;關(guān)鍵層性質(zhì)和位置是影響和控制地質(zhì)環(huán)境災(zāi)變程度的重要地質(zhì)因素，特別是關(guān)鍵層的存在，在覆巖中形成“托板”效應(yīng)，可以減緩地下巖層的移動破壞，從而增強(qiáng)煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的承載能力;含隔水層組合類型及其性質(zhì)控制著采動導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和含水層的破壞程度，當(dāng)被破壞的含水層富水性較好時，采動引起的水資源漏失量越大，引起的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害越突出。因此初步選擇構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造界面、構(gòu)造形態(tài)、關(guān)鍵層性質(zhì)和位置、含隔水層組合類型、含隔水層性質(zhì)等作為地質(zhì)環(huán)境抗擾動能力的主要地質(zhì)因素。

地下含水層破壞造成的地下水位下降，直接導(dǎo)致表水體及濕地面積縮小甚至干枯，生態(tài)植被長勢變差甚至枯死。其次，巖層的運(yùn)移破斷，引起地表沉陷，繼而誘發(fā)地面塌陷、崩滑流災(zāi)害、地表建筑損毀等。這些因素都能直觀的顯示地表環(huán)境對采動的敏感程度，可以作為反映地表土地利用單元對采動敏感程度的主要環(huán)境因素。

3.3.2 評價指標(biāo)的量化

通過提取各指標(biāo)本身的屬性值，對指標(biāo)進(jìn)行量化。例如，構(gòu)造形態(tài)通過地層傾角、背向斜翼間角進(jìn)行量化，崩滑流災(zāi)害危險性可以通過地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失程度進(jìn)行量化，地下水位變化可通過地表植被對地下水位的約束范圍值進(jìn)行量化等。

3.4 承載力評價技術(shù)方法

(1)評價技術(shù)方法。

根據(jù)評價指標(biāo)量化結(jié)果，結(jié)合煤礦區(qū)的實(shí)際情況篩選出符合地區(qū)實(shí)際的指標(biāo)體系，篩選方法目前較為常見的有灰色關(guān)聯(lián)分析、逐步回歸分析、主成分分析等數(shù)值分析方法。評價方法的選擇，要充分考慮地質(zhì)環(huán)境承載能力的動態(tài)性和突變性，根據(jù)篩選后的指標(biāo)體系，可以采用“突變理論”方法建立基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力評價模型。

突變理論認(rèn)為，初等突變現(xiàn)象通常遵循多模態(tài)、不可達(dá)、突跳、發(fā)散和滯后5個基本特征[50]，通常情況下滿足上述2個以上特征時，就可以運(yùn)用突變模型進(jìn)行分析。煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力系統(tǒng)是一個比較特殊的動態(tài)系統(tǒng)，常處于自我調(diào)節(jié)的動態(tài)變化過程中，呈現(xiàn)出不同狀態(tài)。當(dāng)外界因素的影響，自我調(diào)節(jié)功能被打破，將會引起失調(diào)，導(dǎo)致承載能力的超載。這些狀態(tài)與突變現(xiàn)象中的不可達(dá)性和突跳性基本一致，因此采用突變理論進(jìn)行承載力的評價，將更符合承載力動態(tài)性的特點(diǎn)。

評價過程中，可將地質(zhì)環(huán)境承載狀態(tài)作為勢函數(shù)，將地質(zhì)環(huán)境抗擾動能力(u)和地表環(huán)境因素(v)作為控制變量，狀態(tài)參數(shù)為地質(zhì)環(huán)境承載狀態(tài)(x)，建立地質(zhì)環(huán)境承載狀態(tài)的突變模型(圖2)，然后根據(jù)不同突變類型歸一化公式，對每個指標(biāo)(c)進(jìn)行無量綱歸一化，根據(jù)不同突變評價規(guī)則，求取突變隸屬函數(shù)值，然后進(jìn)行遞歸運(yùn)算求取總的隸屬度函數(shù)值。

圖2 地質(zhì)環(huán)境承載力狀態(tài)突變級數(shù)評價結(jié)構(gòu)Fig.2 Geological environmental carrying capacity state catastrophe series evaluation early warning structure

(2)承載能力分級。

承載能力由各控制指標(biāo)的閾值所決定，可以以國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合西北煤礦區(qū)的實(shí)際情況確定閾值，根據(jù)突變基數(shù)計(jì)算出總突變隸屬函數(shù)值，確定出強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、較弱、弱等5種承載能力等級的總函數(shù)值范圍。然后根據(jù)函數(shù)值，劃分研究區(qū)的不同承載能力等級。

(3)承載狀態(tài)等級。

承載狀態(tài)等級要和承載能力分級相區(qū)分，是否處在超載狀態(tài)，可通過每個環(huán)境因素指標(biāo)對采煤活動的承受狀態(tài)來確定。將不同環(huán)境指標(biāo)確定的閾值作為該指標(biāo)的承載狀態(tài)閾值，對于區(qū)域的承載狀態(tài)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)可采用:當(dāng)任意一個指標(biāo)超載或者兩個及以上指標(biāo)臨界超載的確定為超載等級區(qū)，將任意一個指標(biāo)臨界超載的確定為臨界超載等級區(qū)，其余為不超載等級區(qū)。

3.5 承載力目標(biāo)下煤炭開采強(qiáng)度計(jì)算

開采強(qiáng)度計(jì)算是為了確定開采規(guī)模。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境抗擾動能力和地表環(huán)境對采動的敏感程度，確定承載狀態(tài)，然后給定指標(biāo)，反演開采強(qiáng)度。開采強(qiáng)度計(jì)算可采用相似材料模擬、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展實(shí)驗(yàn)研究。通過給定維持地表生態(tài)植被生長的地下水水位變化閾值、控制地質(zhì)災(zāi)害和地表建筑損害的地表沉陷閾值，反演不同承載能力下，地質(zhì)環(huán)境與開采強(qiáng)度的臨界關(guān)系值，進(jìn)而取得控制和減輕煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題的合理開采參數(shù)，即開采方式、開采厚度、開采速度、采空區(qū)幾何尺寸等。

3.6 承載力監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方法

(1)監(jiān)測指標(biāo)。根據(jù)保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力評價指標(biāo)，選擇易于獲取，且能夠反映煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題的代表性指標(biāo)建立監(jiān)測體系，重點(diǎn)監(jiān)測煤炭開采引起的地表巖移、地質(zhì)災(zāi)害、地表建筑物損害、地下水位變化、地表水體(泉)流量變化、地表濕地面積變化、生態(tài)植被長勢等指標(biāo)。

(2)監(jiān)測方法。監(jiān)測指標(biāo)體系中，各環(huán)境因素之間多是此消彼長、相輔相成，為了更好的反應(yīng)環(huán)境因素間的相互影響和作用關(guān)系，探索承載力的環(huán)境因素協(xié)同監(jiān)測方法，將對承載力評價閾值的修正和承載力整體發(fā)展趨勢的研判和預(yù)警起到重要的作用。所謂協(xié)同監(jiān)測，就是在同一時空維度下，同時對多種環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測。比如，在其他條件不變的情況，地表植被長勢主要受地下生態(tài)水位的約束。通常情況下，采煤引起的地下水位變化往往是大幅度驟降，而引起的地表植被長勢變化卻是在地下水位驟降后一段時間內(nèi)的漸變過程。通過同一時空維度地下水的不同降幅及其不同降幅條件下地表植被不同長勢的協(xié)同監(jiān)測，將對承載力預(yù)警起到事半功倍的作用。

(3)預(yù)警方法。基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力預(yù)警的對象不是承載能力，而是利用地質(zhì)環(huán)境承載能力同承載狀態(tài)存在良好耦合關(guān)系的特點(diǎn)，綜合確定其預(yù)警等級，預(yù)判其發(fā)展趨勢。承載能力與承載狀態(tài)之間存在一定的反相關(guān)關(guān)系，承載能力強(qiáng)，越不容易超載。因此根據(jù)承載能力、承載狀態(tài)的評價結(jié)果綜合判定預(yù)警等級，判定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 地質(zhì)環(huán)境承載能力預(yù)警等級判定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for early warning classification of geological environment bearing capacity

4 討論與展望

“保水采煤”、“煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力”均是解決煤礦區(qū)采礦活動與環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展理念，兩者有機(jī)融合，將對西部生態(tài)脆弱區(qū)，特別是水資源缺乏的煤礦區(qū)具有較為重要的研究意義。筆者從承載力內(nèi)涵、評價、監(jiān)測、預(yù)警等方面提出了基本研究思路，但這些研究問題仍需細(xì)致思考。

(1)理論融合研究方面?！氨Ｋ擅骸崩砟钭鳛閷?shí)現(xiàn)西部煤炭開采與水資源保護(hù)和諧共贏的創(chuàng)新性理念，經(jīng)過20余年的發(fā)展，研究成果有效緩解和控制了西部干旱半干旱地區(qū)由于煤炭開采引起的生態(tài)環(huán)境惡化。但其理論研究成果側(cè)重在基于生態(tài)水位保護(hù)的保水采煤技術(shù)方法，對于地表環(huán)境在資源開發(fā)過程中的地質(zhì)環(huán)境約束條件研究較少。而煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力研究則是更多的側(cè)重于地表環(huán)境本身所能承受的外界擾動強(qiáng)度，強(qiáng)調(diào)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源開發(fā)過程中的地質(zhì)環(huán)境約束。理論上，兩者互補(bǔ)所長，深入研究“采煤活動-水資源破壞-地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)”的作用機(jī)理，將豐富“保水采煤”和“地質(zhì)環(huán)境承載力”的科學(xué)內(nèi)涵。但理論研究涉及到地質(zhì)、采礦、環(huán)境等不同學(xué)科，如何能從不同的學(xué)科交叉中深層次的分析煤炭開采對含水結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，含水結(jié)構(gòu)破壞對地表環(huán)境的影響機(jī)理，地表環(huán)境對煤炭開采的約束機(jī)理，煤炭開采、水資源、地表環(huán)境的閉合互饋機(jī)理，仍是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(2)評價體系建立方面。將承載能力分為地質(zhì)環(huán)境的抗擾動能力和地表環(huán)境敏感程度兩大組成部分。但承載能力的影響因素因地、因時而表現(xiàn)各異，特別是定性指標(biāo)的量化，也仍在嘗試探索階段。因此，在評價指標(biāo)的選擇方面，要建立在研究區(qū)域充分地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和情景分析的基礎(chǔ)上，在指標(biāo)量化上，一定要重視指標(biāo)本質(zhì)屬性值的提取。

(3)評價方法選擇方面。地質(zhì)環(huán)境承載能力評價的研究起步較早，前人提出的評價方法較多。例如，層次分析法、模糊綜合評價法等。但筆者認(rèn)為，地質(zhì)環(huán)境承載力是一個動態(tài)、突變的發(fā)展過程，在評價的過程中，盡量減少人為主觀干預(yù)，評價的結(jié)果要有一定的預(yù)測研判性?；诖?，筆者提出基于“突變理論”的地質(zhì)環(huán)境承載力評價方法。但深入探索體現(xiàn)動態(tài)、客觀、合理的評價方法，仍是地質(zhì)環(huán)境承載力評價研究中亟待解決的難點(diǎn)。

(4)承載能力下開采強(qiáng)度的計(jì)算方面。基于保水采煤的地質(zhì)環(huán)境承載能力研究的落腳點(diǎn)，就是探索承載能力所能承受的煤炭開采強(qiáng)度，為煤炭資源合理規(guī)劃提供支撐。承載能力的計(jì)算，需要依據(jù)前期承載能力的評價結(jié)果，給定承載狀態(tài)，反演有效減小和控制煤礦開采對地表生態(tài)環(huán)境破壞程度的地下開采技術(shù)參數(shù)，探索減小和控制水資源及地質(zhì)環(huán)境破壞的保水采煤技術(shù)方法，得出承載能力下較為合理的煤炭資源開采規(guī)模。筆者提出了給定承載狀態(tài)參數(shù)，采用數(shù)值模擬和相似模擬相結(jié)合模擬方法反演，但目前固液耦合的模擬試驗(yàn)的限定條件和實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜，是目前模擬研究的難點(diǎn)。此外，也可以依據(jù)研究區(qū)域承載能力范圍內(nèi)已有的開采強(qiáng)度進(jìn)行類比，但需要大量的實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)作支撐。

(5)承載能力監(jiān)測預(yù)警方面。監(jiān)測體系的建立，是地質(zhì)環(huán)境承載能力研究的基礎(chǔ)，但目前礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作整體較為薄弱，且監(jiān)測指標(biāo)較為單一，監(jiān)測手段較為落后。筆者提出同一時空維度的多指標(biāo)協(xié)同監(jiān)測，將對承載力評價閾值的修正和承載力整體發(fā)展趨勢的研判和預(yù)警起到事半功倍的作用，在監(jiān)測方法上，自動化監(jiān)測手段和集成的協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)，是承載能力監(jiān)測的重點(diǎn)研究方向。承載能力預(yù)警方面，筆者認(rèn)為，預(yù)警的對象不是承載能力，而是利用地質(zhì)環(huán)境承載能力同承載狀態(tài)存在良好耦合性的特點(diǎn)，綜合確定其預(yù)警等級。筆者根據(jù)承載能力和承載狀態(tài)之間的內(nèi)在關(guān)系，初步給出了預(yù)警等級判定標(biāo)準(zhǔn)，但預(yù)警級別需要充分結(jié)合研究區(qū)域的承載能力動態(tài)發(fā)展變化趨勢來劃分和確定。

5 結(jié) 論

(1)“保水采煤”與“地質(zhì)環(huán)境承載力”融合，深入研究“采煤活動—水資源破壞—地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)”的相互作用機(jī)理，探索煤炭開采、水資源保護(hù)、地表生態(tài)環(huán)境保護(hù)3者之間的最優(yōu)解，將豐富“保水采煤”和“地質(zhì)環(huán)境承載力”的科學(xué)內(nèi)涵。

(2)采用“突變理論”建立基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載能力評價模型，符合地質(zhì)環(huán)境承載能力的動態(tài)、突變特征。承載能力等級和承載狀態(tài)應(yīng)該區(qū)分對待。承載能力的計(jì)算，需要給定承載狀態(tài)，反演有效減小和控制煤礦開采對地表生態(tài)環(huán)境破壞程度的地下開采技術(shù)參數(shù)，探索減小和控制水資源及地質(zhì)環(huán)境破壞的保水采煤技術(shù)方法，得出承載能力下較為合理的煤炭資源開采規(guī)模。

(3)基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力監(jiān)測方法，應(yīng)探索反映環(huán)境因素間相互影響和作用關(guān)系指標(biāo)的協(xié)同監(jiān)測方法。地質(zhì)環(huán)境承載能力預(yù)警，是利用地質(zhì)環(huán)境承載能力同承載狀態(tài)之間的良好耦合關(guān)系，綜合判定其預(yù)警等級，預(yù)判其發(fā)展趨勢。

(4)基于保水采煤理念的地質(zhì)環(huán)境承載力是一個綜合性問題，“保水采煤”與“地質(zhì)環(huán)境承載力”融合后，其理論內(nèi)涵、評價方法和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等方面的研究仍存在諸多不足，需要進(jìn)一步研究探索。