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)

苗霖田，夏玉成，段中會，孫學(xué)陽，杜榮軍

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

我國能源稟賦的特點是“缺油、少氣、相對富煤”，這就決定了在未來一定時期內(nèi)煤炭作為我國一次能源的主體地位不會動搖[1]。煤炭在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的戰(zhàn)略地位。然而，煤炭開采不可避免引起煤層上覆巖層變形破損、地下水漏失，擾動地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定，不僅影響安全生產(chǎn)，而且破壞地表生態(tài)平衡。習(xí)近平總書記在“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上的講話”中指出:黃河流域又被稱為“能源流域”，煤炭儲量占全國一半以上，是我國重要的能源、化工、原材料和基礎(chǔ)工業(yè)基地。黃河流域生態(tài)保護(hù)要堅持綠水青山就是金山銀山的理念，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展。彭蘇萍[2]強(qiáng)調(diào):黃河流域煤炭基地的生態(tài)環(huán)境修復(fù)是整個大黃河流域生態(tài)修復(fù)的重要組成部分，必須高度重視黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)與治理。理論和技術(shù)創(chuàng)新是黃河流域生態(tài)環(huán)境修復(fù)戰(zhàn)略實施的迫切需求[3]。榆神府礦區(qū)處于黃河中游，水資源匱乏生態(tài)脆弱，擔(dān)負(fù)著能源供給和生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的雙重戰(zhàn)略重任。

2020-02-25，國家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出:煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，對于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。同時也明確了“實施綠色礦山建設(shè)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，堅持生態(tài)優(yōu)先，推進(jìn)煤炭清潔生產(chǎn)和利用，積極推進(jìn)綠色礦山建設(shè)”是煤礦智能化發(fā)展的重要任務(wù)之一。當(dāng)前，基于數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)的監(jiān)測監(jiān)控在多個行業(yè)悄然興起，對地質(zhì)災(zāi)害的識別與預(yù)警方面也做了嘗試研究與應(yīng)用[4]，但在煤礦區(qū)開采損害與生態(tài)監(jiān)測方面的應(yīng)用鮮有報道，筆者把采礦引起的礦區(qū)生態(tài)問題與開采地質(zhì)條件看作一個整體，梳理榆神府礦區(qū)煤-巖-水-環(huán)組合特征及采煤對生態(tài)損傷的機(jī)理，應(yīng)用大數(shù)據(jù)云計算等技術(shù)挖掘其內(nèi)在聯(lián)系，期望給陜北生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭資源開采-地下水資源保護(hù)-地質(zhì)環(huán)境-生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供借鑒。

1 煤-巖-水-環(huán)空間特征及耦合機(jī)理

榆神府礦區(qū)處于毛烏素沙漠和黃土高原的接壤地帶，屬于干旱半干旱氣候地帶。含煤地層為侏羅系延安組，自下而上有5個沉積旋回，對應(yīng)發(fā)育5個煤組，構(gòu)造單元屬于鄂爾多斯盆地北部伊陜單斜，地層整體傾向為北西西，傾角小于3°，局部有寬緩波狀起伏，煤層埋深由東到西逐漸增大。富煤、貧水、構(gòu)造簡單、生態(tài)脆弱是本區(qū)的基本特征。

1.1 煤-巖-水-環(huán)的含義及賦存特征

所研究的煤，是指煤層賦存特征為:研究區(qū)主要可采煤層有5層，煤層厚度大、埋深淺，結(jié)構(gòu)簡單。巖，代表煤層上覆巖層巖性組合特征、巖石力學(xué)特征及采煤擾動下巖石應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，是采動裂隙發(fā)育的介質(zhì):侏羅系含煤地層延安組以長石石英砂巖、巖屑長石砂巖及鈣質(zhì)砂巖為主，全區(qū)分布;上覆直羅組以長石石英砂巖為主，上部偶夾泥巖，主要分布在礦區(qū)西部;安定組上部以泥巖粉砂巖為主，下部以膠結(jié)疏松的長石石英砂巖及巖屑長石砂巖為主，主要分布在礦區(qū)西部。水，指具有供水意義和生態(tài)價值的第四系薩拉烏蘇組潛水:據(jù)王雙明等[5]研究得出潛水位變化與補(bǔ)徑排條件、植被、氣象等因素有關(guān)，尤其與大氣降水有關(guān)，并對本區(qū)潛水含水層分布及富水性做了分區(qū)。環(huán)，指礦區(qū)內(nèi)依賴潛水的植被發(fā)育特征及采煤對生態(tài)環(huán)境擾動的方式:礦區(qū)內(nèi)主要植被物種有沙柳、旱柳、沙蒿、檸條、小葉楊、臭柏、側(cè)柏、油松等，并隨著潛水位埋深由小到大呈現(xiàn)濕生-中生-旱生植物的演替規(guī)律[6]。王雙明等[5,7]系統(tǒng)研究了采煤引起的表生生態(tài)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)潛水位在1.5～5.0 m最有利于植被發(fā)育;關(guān)于煤-水空間關(guān)系及保水采煤理論，范立民[8-9]開展了近30 a的保水采煤理論研究與工程實踐，夏玉成等[10]深入研究了陜北侏羅紀(jì)煤田采煤對生態(tài)潛水流場的垂向擾動及生態(tài)潛水的優(yōu)化調(diào)控;采煤引起覆巖破壞的研究，錢鳴高等[11]創(chuàng)立了關(guān)鍵層理論，黃慶享等[12-13]研究的淺埋煤層巖層控制最具有代表性。

1.2 采煤對生態(tài)擾動機(jī)理

煤炭開采勢必打破覆巖原有應(yīng)力平衡，覆巖應(yīng)力場發(fā)生變化，同時伴隨著應(yīng)變場的變化，從而引起含(隔)水巖組的結(jié)構(gòu)變化，由此可能引發(fā)地下水和生態(tài)環(huán)境的連鎖變化。采煤對生態(tài)破壞的機(jī)理概括為以下幾種方式:① 采煤引起垮落帶發(fā)育，地下水滲漏，地下水位下降到低于生態(tài)水位;② 地表下沉量大于水位下沉量，潛水位相對上升而造成土地鹽漬化;③ 地表裂縫、塌陷等破壞了土壤結(jié)構(gòu)和植物根系，破壞了包氣帶水和土壤對地下水的毛細(xì)作用而影響植物吸收水分;④ 地裂縫、塌陷以及誘發(fā)的滑坡等損傷或切斷植物根系。都破壞了植被賴以生存的基本條件。

1.3 煤-巖-水-環(huán)空間組合類型及開采損害區(qū)劃

彭蘇萍和畢銀麗[3]系統(tǒng)地闡述了黃河流域煤礦區(qū)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，指出實現(xiàn)黃河中游煤礦區(qū)煤炭開采與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展要重點研究覆巖移動變形破損與地下水運(yùn)移及其對生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理。結(jié)合上述幾方面研究成果，筆者把榆神府礦區(qū)煤-巖-水-環(huán)視作一個連鎖的有機(jī)整體研究。

區(qū)內(nèi)自下而上形成煤-巖-水-環(huán)的空間賦存特征，但實際組合未完全按照此順序。煤-巖-水在空間上的不同耦合作用控制著采煤對地表生態(tài)擾動方式不同。依據(jù)區(qū)內(nèi)520余個鉆孔的地層數(shù)據(jù)，以最上層主要可采煤層為例，根據(jù)煤層深厚比、基巖與煤層厚度比、土層隔水層、薩拉烏蘇組分布及地貌類型的空間組合特征，分析采煤對基巖、薩拉烏蘇組潛水、地表變形的破壞程度，按照基巖厚度特征、能否保水、土地破壞組合類型，把煤-巖-水耦合作用對生態(tài)擾動方式劃分為:Ⅰ厚基巖保水鹽漬型、Ⅱ中厚基巖控水沉降型、Ⅲ薄基巖失水塌陷型、Ⅳ薄基巖無水裂塌型、Ⅴ燒變巖失水裂塌型、Ⅵ燒變巖無水裂塌型6種類型，空間上的耦合如圖1所示。圖1所示的剖面位置分別對應(yīng)于圖2中的剖面線1—1′和2—2′。

圖1 煤-巖-水-環(huán)空間耦合類型剖面Fig.1 Profile of spatial coupling of coal-overlying rock-groundwater-ecological environment

分類指標(biāo)及采煤對生態(tài)擾動方式見表1。Ⅰ型的特點是延安組(含煤層)、直羅組、安定組、保德組、薩拉烏蘇組均有發(fā)育，煤層埋深絕大部分大于300 m，煤層上覆基巖厚度絕大部分大于250 m，風(fēng)沙地貌，基巖與煤層厚度比值大于45，深厚比大于55，與本區(qū)裂采比18～35相比[5]，斷裂帶未波及到土層隔水層，且潛水位埋深小于4.0 m[6]，主要分布在小壕兔、孟家灣、馬合一帶，當(dāng)前開發(fā)程度較低，據(jù)理論研究表明地表植被受采煤擾動的影響很小[14]，在孟家灣勘查區(qū)附近2-2煤層最厚達(dá)9 m，未來多煤層開采重復(fù)擾動有可能采后出現(xiàn)地表沉降，潛水位相對上升使土地鹽漬化影響植被正常生長;Ⅱ型的特點是自下而上依次為延安組(含煤層)、直羅組大部發(fā)育、安定組部分發(fā)育、保德組、薩拉烏蘇組，風(fēng)沙地貌，煤層埋藏160～300 m，基巖厚度100～250 m，基巖與煤層厚度比最小值11.6在曹家灘井田，煤層最厚達(dá)12 m，基巖僅140 m，但此處松散層厚度大，埋深近300 m，最大值在中雞區(qū)-中雞南區(qū)的不可采區(qū)，無意義，采煤對生態(tài)的威脅主要為斷裂帶可能波及到土層隔水層而導(dǎo)致潛水位下降與地表沉降改變土壤結(jié)構(gòu);Ⅲ型的特點是松散層與延安組呈角度不整合接觸，薩拉烏蘇組0～30 m，土層隔水層僅在檸條塔煤礦北部、大柳塔煤礦北部和哈拉溝煤礦厚度40～60 m，其余均小于40 m或缺失，基巖厚度小于100 m，2-2煤層埋藏40～200 m，大部分在40～100 m，活雞兔和中雞南區(qū)在100～200 m，深厚比為10～35，基巖與煤層厚度比為7.5～17.8，一般值12左右，最小值在檸條塔井田，沙蓋黃土梁峁地貌，采煤對生態(tài)的破壞方式主要為潛水位下降和地表塌陷、裂縫及其引發(fā)的滑坡等破壞土壤結(jié)構(gòu)、切斷植物根系;Ⅳ型區(qū)無薩拉烏蘇組，第四系黃土與延安組角度不整合接觸，黃土梁峁地貌，植被主要依賴大氣降水，以旱生灌草為主，煤層埋藏小于100 m，基巖厚度小于60 m，采煤對生態(tài)的破壞方式主要是地表塌陷與裂縫損害了土壤質(zhì)量、植被結(jié)構(gòu)及植物根系損傷[15];Ⅴ型有延安組、直羅組僅西部發(fā)育、保德組、薩拉烏蘇組5～60 m，2-2煤層自燃，3-1煤層為最上可采煤層，由于燒變巖的力學(xué)強(qiáng)度非常低，煤層埋藏淺，采煤易造成潛水漏失和地表裂縫、塌陷等破壞;Ⅵ型在東南緣，延安組第3段以上基巖剝蝕殆盡，松散層角度不整合于延安組第3段剝蝕面之上，薩拉烏蘇組僅有零星分布，植被主要依賴于大氣降水，4-2煤為最上層可采煤層，覆巖厚度小于80 m，受梁峁地貌影響，煤層埋深45～157 m，采煤易形成裂縫和地表塌陷，平面分區(qū)如圖2所示。其中Ⅲ，Ⅳ，Ⅵ區(qū)為黃土梁峁地貌，地表移動變形容易誘發(fā)黃土滑坡而破壞植被生長。

圖2 采煤對生態(tài)擾動類型分區(qū)Fig.2 Zoning map of ecological disturbance caused by coal mining

表1 采煤對生態(tài)影響的分類指標(biāo)Table 1 Classification indexes of the impact of coal mining on ecology

此外，畢銀麗等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)地裂縫能顯著降低植物根生物量、根際的生物活性、根總長度、根尖數(shù)量、植物養(yǎng)分含量，破壞植被根系激素平衡等，影響植被正常發(fā)育。由此得出，Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型是生態(tài)對采煤擾動的敏感區(qū)。

2 生態(tài)現(xiàn)狀及面臨的問題

2.1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

受氣候和地貌的控制，研究區(qū)植被生態(tài)以旱生植被為主[6]，天然植被的分布規(guī)律大體是黃土梁峁區(qū)-沙區(qū)-灘地對應(yīng)旱生灌叢植被-沙生植被-草甸植被、沼澤植被等[18]。據(jù)譚學(xué)玲等[19]研究,2017年榆神府礦區(qū)植被覆蓋分類情況如圖3所示。盡管呈現(xiàn)出煤炭開采與植被覆蓋度總體呈現(xiàn)升高趨勢并存[6,19]，但煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的破壞依然非常嚴(yán)重，如局部地區(qū)潛水位下降導(dǎo)致生態(tài)惡化[20]。

圖3 2017 年榆神府礦區(qū)植被覆蓋度分類[19]Fig.3 Distribution of fractional vegetation coverage in Yushenfu mining area(2017)[19]

采煤引起的一系列地質(zhì)環(huán)境問題直接影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，主要方式有潛水位下降、地裂縫、地表塌陷、沉降、土地利用結(jié)構(gòu)變異等[21]。范立民等[22-23]詳細(xì)統(tǒng)計了本區(qū)內(nèi)泉的變化，由1994年2 580處銳減到2015年的376處，總流量由4 997.059 7 L/s下降到993.392 L/s，地下水位最大下降幅度超過15 m，研究發(fā)現(xiàn)煤炭高強(qiáng)度開采是地下水位下降的主要原因;馬雄德等[24]研究發(fā)現(xiàn)，榆神府礦區(qū)開發(fā)以來水體面積持續(xù)下降，影響因素中煤炭開采的權(quán)重為0.375，為最大權(quán)重;經(jīng)遙感解譯和實地調(diào)查，截至2015年，因采煤引起的地面塌陷區(qū)達(dá)95個，總面積94.47 km2，分布在礦區(qū)煤層埋藏淺開采強(qiáng)度大的地區(qū)，地裂縫1 802條(組)[25]。圖4是范立民2017年依據(jù)衛(wèi)星遙感解譯和實地調(diào)查結(jié)合得出礦區(qū)塌陷嚴(yán)重程度分區(qū)，圖5是譚學(xué)玲2018年用h26v05 的 NDVI 影像數(shù)據(jù)研究得出塌陷區(qū)植被覆蓋度均值，圖5中植被覆蓋度均值數(shù)據(jù)越小代表塌陷破壞越嚴(yán)重。對比圖4,5，發(fā)現(xiàn)塌陷和植被覆蓋度有明顯的相關(guān)關(guān)系，由此看來采煤制約著礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。近年來，關(guān)于礦區(qū)內(nèi)植被覆蓋度總體向好是因為植被覆蓋受多種因素綜合影響，比如降水、人工種植、自然修復(fù)等。

圖4 塌陷程度分區(qū)[21]Fig.4 Zoning of ground collapse severity[21]

圖5 塌陷區(qū)植被覆蓋度均值分布[19]Fig.5 Mean distribution map of fractional vegetation coverage in collapse area[19]

2.2 面臨的問題

可以預(yù)見，未來高強(qiáng)度采煤對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的擾動將會增強(qiáng)，而且多煤層開采使地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境會受到重復(fù)擾動，故礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工作依然任重道遠(yuǎn)。針對這一問題，王雙明[26]強(qiáng)調(diào):如何實現(xiàn)煤炭開采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，是黃河流域煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須破解的重大科學(xué)問題。減損開采成為西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源安全高效開發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然選擇[27]。對榆神府礦區(qū)而言，減損開采的總體目標(biāo)是減少對地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的損害，根據(jù)王雙明的研究可概括為4個方面:減少地表沉降，防止土地鹽漬化;降低垮落帶發(fā)育高度，防止地下水越流;減少塌陷，防止土地與植被破壞;減少地下水資源漏失，降低損失到可接受的程度。

礦區(qū)內(nèi)日益增加的高強(qiáng)度開采與礦區(qū)生態(tài)本底脆弱形成強(qiáng)烈的對比，如何根據(jù)采煤對生態(tài)的擾動機(jī)理和減損開采目標(biāo)，有效應(yīng)用智能技術(shù)求得新形勢下煤炭資源開采與礦區(qū)生態(tài)保護(hù)的最優(yōu)解是我們該思考與實踐的事情，也是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問題。

3 智能一體化建設(shè)

3.1 智能一體化建設(shè)目標(biāo)

煤炭開采與生態(tài)保護(hù)的最優(yōu)解，是指以生態(tài)擾動最小化實現(xiàn)煤炭資源開采效益最大化，保障能源供給與生態(tài)保護(hù) “共贏”。

大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，但在煤炭開采與生態(tài)保護(hù)智能一體化建設(shè)中的應(yīng)用鮮見報道，筆者提出將大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)應(yīng)用于采煤與生態(tài)保護(hù)的關(guān)系研究中，研發(fā)采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境智能一體化系統(tǒng)，探索“共贏”之道。目標(biāo)為:以薩拉烏蘇組生態(tài)潛水含水層和地表生態(tài)環(huán)境為重點保護(hù)對象，以采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境為主線，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，揭示和建立采煤強(qiáng)度、覆巖破壞、地下水流失、生態(tài)環(huán)境受損之間的內(nèi)在聯(lián)系及其量化關(guān)系，確定采煤對生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境損害程度的分級、判據(jù)及其評判標(biāo)準(zhǔn);研發(fā)云計算環(huán)境下的采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境信息一體化的大數(shù)據(jù)分析智慧保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于地質(zhì)勘查、精細(xì)探測、開采揭露和智能監(jiān)測的海量多元異構(gòu)的靜態(tài)與動態(tài)數(shù)據(jù)，深度融合地質(zhì)、水文、生態(tài)信息，搭載時序大數(shù)據(jù)分析+人工智能模塊，實現(xiàn)對煤-巖-水-環(huán)靜態(tài)與動態(tài)信息的高清透視的地質(zhì)保障平臺。從大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘得出的主控因素和誘發(fā)因素入手，根據(jù)應(yīng)力場、應(yīng)變場、滲流場耦合作用對地下水和地表生態(tài)的影響作用，分析在可承載擾動范圍內(nèi)的防治對策，預(yù)測預(yù)警生態(tài)擾動并給出解決方案，為采煤過程中對生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境實施有效保護(hù)提供地質(zhì)保障，系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖6所示。

圖6 采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境智能一體化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Architecture diagram of intelligent integrated system of coal mining-overlying rock-groundwater-ecological environment

當(dāng)前，云計算和大數(shù)據(jù)分析在煤炭地質(zhì)領(lǐng)域研究與應(yīng)用初見成效，例如自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室建成了煤炭地質(zhì)云[28];盧新民等[29]研究了礦山物聯(lián)網(wǎng)中云計算平臺建設(shè)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，論述了基于四維空間的地質(zhì)保障和云計算技術(shù);武強(qiáng)等[30]采用混合云架構(gòu)方式建設(shè)了礦井水害智慧應(yīng)急救援服務(wù)體系;毛善君等[31-32]設(shè)計了基于云平臺的煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化計算系統(tǒng)，提出了基于“一張圖”的智能化煤礦信息共享管理平臺的系統(tǒng)設(shè)計;馬莉等[33]針對煤礦應(yīng)急管理海量多源異構(gòu)動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲管理，設(shè)計了基于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫-NoSQL，以滿足煤礦應(yīng)急云計算的運(yùn)行需求。透明地質(zhì)建模方面，袁亮等[34]指出:在推進(jìn)智能化煤礦建設(shè)中，首先需要解決的問題是地質(zhì)條件的透明化，以確保采掘條件的可視、可預(yù)和可控;劉再斌等[35]研究了基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的透明工作面多屬性動態(tài)建模技術(shù);程建遠(yuǎn)等[36-37]研究了透明工作面由黑箱模型-灰箱模型-白箱模型-透明地質(zhì)模型的梯級優(yōu)化，提出了多層級、遞進(jìn)式、高精度三維地質(zhì)建模的思路。上述研究成果對煤-巖-水-環(huán)智能一體化建設(shè)具有先驅(qū)作用，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和拓展了思路。

3.2 智能一體化建設(shè)思路

煤-巖-水-環(huán)本身是一個復(fù)雜的具有內(nèi)在聯(lián)系的統(tǒng)一的系統(tǒng)?？仗斓丶夹g(shù)和智能傳感器在礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測和煤炭開采中的應(yīng)用，地下水監(jiān)測網(wǎng)的建成[38]，基本解決了數(shù)據(jù)采集的問題，為大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)提供了“素材”，云計算技術(shù)是處理海量多元異構(gòu)靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)的不二選擇。因此，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和云計算技術(shù)分析靜態(tài)與動態(tài)地質(zhì)數(shù)據(jù)，挖掘采煤、覆巖、地下水和生態(tài)環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系，研究采煤與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的智能一體化技術(shù)是可行的。研究與建設(shè)工作可從以下3方面入手。

(1)評判指標(biāo)體系與方法。根據(jù)前文所論述的煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的損傷類型不同，建立不同的評判指標(biāo)體系和評判模型。評判指標(biāo)選取主要考慮能夠引起的生態(tài)潛水位大幅波動和地表移動破壞影響生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)采礦因素，如含水層、隔水層、覆巖特征和開采強(qiáng)度，每個指標(biāo)又包含有2級指標(biāo)，如圖7所示。需要注意的是覆巖特征的2級指標(biāo)里，彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、泊松比、內(nèi)摩擦角互相之間還有關(guān)聯(lián)關(guān)系，且評價指標(biāo)具有分層交錯特點，并將評價模型與透明地質(zhì)模型和智能一體化系統(tǒng)融合，可拓學(xué)和層次分析法對這類問題具有獨特的優(yōu)勢[39-40]，可選擇應(yīng)用層次分析賦權(quán)法結(jié)合可拓學(xué)建立綜合評判模型。

圖7 采煤對生態(tài)損傷類型及評判指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)Fig.7 Hierarchical structure diagram of evaluation indexes and ecological damage types caused by coal mining

(2)透明地質(zhì)建模。根據(jù)前文所述的采煤對生態(tài)損傷不同機(jī)理及分區(qū)，以煤礦或井田為單位構(gòu)建立體動態(tài)透明化地質(zhì)模型，將應(yīng)力場、應(yīng)變場、滲流場耦合關(guān)系及生態(tài)環(huán)境對此的響應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系式植入地質(zhì)模型中，模型中分為靜態(tài)要素和動態(tài)要素，靜態(tài)要素包括:煤層的空間賦存形態(tài)、覆巖厚度及力學(xué)性質(zhì)、含水層厚度、隔水層厚度等;動態(tài)要素包括:工作面推進(jìn)過程、“三帶”發(fā)育過程、上覆基巖應(yīng)力變化過程、上覆巖層移動變形過程、地下水運(yùn)移過程、生態(tài)演化等。

在動態(tài)透明地質(zhì)模型中，構(gòu)建“水文地質(zhì)模型”專題圖層，將各含(隔)水層的厚度、巖性、地層時代、滲透系數(shù)、富水區(qū)位置、靜水水位、抽水井位置、抽水層位、降深、影響半徑、涌水量，單位涌水量等參數(shù)透明展示并賦予全息屬性，全方位動態(tài)展示地下水運(yùn)移過程。

隨著工作面的推進(jìn)，動態(tài)多源數(shù)據(jù)的不斷增加與更新，使得空間對象由灰色狀態(tài)不斷向白色狀態(tài)轉(zhuǎn)移，同時驅(qū)動透明地質(zhì)模型的更新、修正或重構(gòu)，因此，在建模方法上可引入灰色地理信息理論[41]。

(3)智慧平臺建設(shè)。靜態(tài)要素多為地質(zhì)勘查靜態(tài)數(shù)據(jù)所控制，本身為灰色系統(tǒng);而動態(tài)要素多為采煤引發(fā)的“連鎖反應(yīng)”而產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)所控制，且隨著數(shù)據(jù)量的增加在一定程度上自身趨向于白色并改造和白化著靜態(tài)要素。這一過程可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)找到它們之間的內(nèi)在聯(lián)系并展現(xiàn)出來，由此，構(gòu)筑包含動態(tài)透明地質(zhì)模型的“煤—巖—水—環(huán)”信息一體化的數(shù)據(jù)驅(qū)動智慧平臺，智能辨識各項數(shù)據(jù)的異動行為，判斷采煤對應(yīng)力場、應(yīng)變場、滲流場的擾動強(qiáng)度，預(yù)測礦區(qū)生態(tài)的響應(yīng)程度，并植入因果分析算法，根據(jù)因果分析結(jié)果給出在可承載擾動范圍內(nèi)防治方案。

3.3 需攻克的關(guān)鍵技術(shù)

(1)在采煤擾動應(yīng)力場、應(yīng)變場、滲流場的耦合機(jī)理的基礎(chǔ)上，深入研究地下水流場和地表生態(tài)環(huán)境對“三場”耦合作用的響應(yīng)機(jī)理，確定采煤對生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境損害程度的分級、判據(jù)及其評判標(biāo)準(zhǔn)及其算法。

(2)構(gòu)建煤礦采區(qū)動態(tài)立體化透明地質(zhì)模型是實現(xiàn)開采損害智能監(jiān)控的必由之路。能夠綜合反映采煤強(qiáng)度、覆巖破壞、地下水流失、生態(tài)環(huán)境受損之間內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)對煤-水-環(huán)靜態(tài)與動態(tài)信息高清透視的多屬性動態(tài)立體化透明地質(zhì)模型的算法及大數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時更新技術(shù)，尚處于探索階段，有待進(jìn)一步深入研究。

(3)智慧礦區(qū)和智能礦井的建設(shè)離不開大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)支撐，采煤對生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境損害的智能監(jiān)控需要融入人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。如何構(gòu)筑基于大數(shù)據(jù)云計算的煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境信息一體化的，能實現(xiàn)對開采損害進(jìn)行動態(tài)智能監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警，并給出防控技術(shù)建議的數(shù)據(jù)驅(qū)動智慧平臺，仍是需要攻克的多項技術(shù)難題。

4 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)煤-巖-水-環(huán)空間組合特征和耦合機(jī)理的不同，將榆神府礦區(qū)采煤對生態(tài)損害劃分為厚基巖保水鹽漬型、中厚基巖控水沉降型、薄基巖失水塌陷型、薄基巖無水裂塌型、燒變巖失水裂塌型、燒變巖無水裂塌型6個區(qū);采煤對生態(tài)發(fā)育的影響方式為土地鹽漬化、潛水位下降、裂縫和塌陷破壞土壤結(jié)構(gòu)及包氣帶水、地表移動變形及誘發(fā)的滑坡?lián)p傷或切斷。

(2)逐漸增大的開采強(qiáng)度和生態(tài)保護(hù)的戰(zhàn)略要求給我們提出了新的課題——能源保障和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，云計算和大數(shù)據(jù)分析為這一課題提供了新的解決方法和思路，研發(fā)采煤-巖-水-環(huán)智能一體化系統(tǒng)是可行之路，地質(zhì)條件透明化是必由之路，同時也面臨新的技術(shù)難關(guān)需攻克。

(3)理論研究與開采實踐證實榆神府礦區(qū)中東部區(qū)域地質(zhì)條件和生態(tài)條件抵抗開采損害的能力非常低，在開展生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作的同時應(yīng)加強(qiáng)開采損害的監(jiān)測并實時大數(shù)據(jù)分析，加強(qiáng)減損開采技術(shù)研究，將采煤帶來的負(fù)效應(yīng)降到最低。