煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障體系的構(gòu)建

王雙明，耿濟(jì)世，李鵬飛，孫 強(qiáng)，范章群，李 丹

(1.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054；4.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

煤炭作為我國(guó)主體能源，在我國(guó)能源安全中發(fā)揮著壓艙石的作用[1-4]。隨著煤炭不斷開(kāi)采，我國(guó)東部淺部煤炭資源趨于枯竭，西部地區(qū)儼然已成為我國(guó)煤炭資源的主產(chǎn)區(qū)[5-6]。然而，西北地區(qū)為生態(tài)脆弱區(qū)，在煤炭開(kāi)采深度、強(qiáng)度不斷提高的同時(shí)，給當(dāng)?shù)貛?lái)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[7-10]。為實(shí)現(xiàn)習(xí)近平總書(shū)記提出的“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明發(fā)展理念，綠色安全開(kāi)發(fā)成為我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路[11-14]。

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，誘發(fā)了眾多生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，如地表沉陷、植被損害、水資源污染等[15-19]，這與我國(guó)綠色發(fā)展理念嚴(yán)重相悖。眾多學(xué)者也在煤炭及其共伴生資源開(kāi)采利用與環(huán)境保護(hù)等方面開(kāi)展了大量研究，提出了煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障的內(nèi)涵、科學(xué)問(wèn)題以及研究框架，為破解國(guó)家能源需求與環(huán)境保護(hù)之間矛盾提供戰(zhàn)略思路[17]。錢(qián)鳴高院士提出了煤炭資源綠色開(kāi)采的理念、基礎(chǔ)理論和技術(shù)框架，為煤炭開(kāi)采和自然之間建立起復(fù)合的生態(tài)平衡機(jī)制[20-23]。袁亮院士[24]提出了煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采的科學(xué)理念，為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+科學(xué)開(kāi)采的未來(lái)少人(無(wú)人)采礦提出了技術(shù)路徑。在煤炭綠色安全高效生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)背景下，我國(guó)研究人員提出了深地煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采理論與技術(shù)和“地上無(wú)煤、井下無(wú)人”的開(kāi)發(fā)途徑[25-26]，為實(shí)現(xiàn)深地煤炭資源開(kāi)采的顛覆性變革奠定了基礎(chǔ)。此外保水開(kāi)采[27-28]、煤與瓦斯共采[29-30]、煤與熱共采[31]、煤礦生態(tài)修復(fù)[32-33]等科學(xué)構(gòu)想也為煤炭工業(yè)綠色發(fā)展提供了相應(yīng)的理論保障。

綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障是煤炭資源合理開(kāi)發(fā)與利用的前提。筆者通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和理論分析，闡明了煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障的科學(xué)內(nèi)涵，構(gòu)建了煤炭開(kāi)采、地質(zhì)工程、生態(tài)環(huán)境與人文經(jīng)濟(jì)四位一體的綠色安全開(kāi)發(fā)知識(shí)體系，提出了全生命周期煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障理論和實(shí)施技術(shù)。

1 煤炭綠色研究背景及當(dāng)前研究現(xiàn)狀

在新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義背景下，中國(guó)共產(chǎn)黨第二十次全國(guó)代表大會(huì)明確提出，必須牢固樹(shù)立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發(fā)展[34-35]，這對(duì)我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。因此，亟需開(kāi)展煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障理論與技術(shù)研究[16,36-38]。筆者在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)分別以主題“煤炭+地質(zhì)+環(huán)境”“煤炭+綠色”和“煤炭+地質(zhì)+保障”為檢索詞，搜集并整理了自2008?2021 年間的相關(guān)文獻(xiàn)，如圖1 所示。根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況可知，自2017 年開(kāi)始，關(guān)于煤炭綠色開(kāi)發(fā)的相關(guān)研究顯然成為當(dāng)下關(guān)注的熱點(diǎn)。

圖1 2008?2021 年不同關(guān)鍵詞文獻(xiàn)年發(fā)文量Fig.1 Annual volume of articles published by different keywords in 2008?2021

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀是“缺油、少氣、相對(duì)富煤”，是以煤炭作為主要燃料的少數(shù)國(guó)家。盡管近些年來(lái)國(guó)家已經(jīng)大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能、生物質(zhì)能等清潔能源，能源結(jié)構(gòu)得到明顯優(yōu)化，但短期內(nèi)煤炭的主體能源地位難以改變。因此，從煤炭的資源屬性角度來(lái)看，如何高效開(kāi)發(fā)利用煤炭資源依然是煤炭行業(yè)的重要課題，包括煤系稀土元素、煤系金屬礦產(chǎn)資源以及煤系非常規(guī)油氣資源。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2022 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示(圖2)，近十年來(lái)，我國(guó)煤炭生產(chǎn)總量占比從2012 年的72.6% 降低到2021 年的67.0%，非化石能源從11.2% 提升到20.3%。同時(shí)，煤炭消費(fèi)總量從2012 年的68.5% 降低到2021 年的56.0%，非化石能源從9.7%提升到16.6%。盡管我國(guó)煤炭生產(chǎn)總量和消費(fèi)總量占比逐年下降，但其生產(chǎn)總量和消費(fèi)總量仍超過(guò)能源總量的65%和55%。這些研究成果在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了巨大的作用。然而，目前的煤炭綠色開(kāi)發(fā)理念主要關(guān)注于“水資源保護(hù)、土地和建筑物保護(hù)、減少礦井災(zāi)害(煤礦塌陷、瓦斯爆炸、地下煤氣化等)、降低大氣污染”等方面。事實(shí)上，煤炭綠色開(kāi)發(fā)與其賦存地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。實(shí)現(xiàn)全生命周期煤炭綠色開(kāi)發(fā)，防止地質(zhì)環(huán)境損害，協(xié)調(diào)煤炭開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)尤為必要。

圖2 2012?2021 年我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)Fig.2 Energy production and consumption structure of China in 2012?2021

2 煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障的科學(xué)內(nèi)涵

隨著煤炭開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移，地下巖土層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致地表系統(tǒng)的水、土壤、大氣和生物等資源的分布狀態(tài)和演化過(guò)程都發(fā)生了顯著變化[39-40]。在生態(tài)脆弱區(qū)，煤炭資源開(kāi)采已經(jīng)造成了地面塌陷、地表開(kāi)裂、水土流失、水位下降與植被枯死等諸多生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

煤炭開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障體系的科學(xué)研究主要表現(xiàn)為5個(gè)方面：(1) 突出深部資源采動(dòng)條件下的地質(zhì)條件變化；(2) 強(qiáng)調(diào)地下采動(dòng)與地表生態(tài)環(huán)境的整體研究；(3) 理解采動(dòng)引起時(shí)空效應(yīng)范疇的物理–化學(xué)–生物之間的耦合機(jī)制；(4) 揭示采動(dòng)效應(yīng)下巖石圈–大氣圈–水圈–土壤圈–生物圈的相互作用和物質(zhì)循環(huán)機(jī)理；(5) 總結(jié)基于可持續(xù)生態(tài)承載力的人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)同演化特征，找出破解資源開(kāi)發(fā)與地質(zhì)環(huán)境脆弱之間矛盾的鑰匙。

目前，煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障研究將從以下3 個(gè)方面開(kāi)展工作。

2.1 煤炭采前精準(zhǔn)探查

煤炭開(kāi)采過(guò)程中，地質(zhì)條件的變化必然對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境損害[41-43]。因此，采前掌握煤炭開(kāi)采范圍內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境地質(zhì)條件尤為重要(圖3)，這是煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障的重要內(nèi)容[44-45]。研究主要分為以下3 個(gè)方面。

圖3 地質(zhì)條件與地質(zhì)功能Fig.3 Geological conditions and functions

(1) 煤炭采前地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查。利用地球物理探測(cè)等技術(shù)手段對(duì)影響煤炭開(kāi)采的地質(zhì)因素，如地形地貌、巖土體工程性質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)勘測(cè)。采用三維一體化勘查技術(shù)和高度自動(dòng)化、智能化的快速高效分析技術(shù)，構(gòu)建高精度“綠色開(kāi)采”三維地質(zhì)模型。

(2) 煤炭采前環(huán)境地質(zhì)體構(gòu)建。根據(jù)煤炭開(kāi)采區(qū)地質(zhì)條件和相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建煤炭開(kāi)采環(huán)境地質(zhì)體溫度(T)、滲流(H)、應(yīng)力(M)、化學(xué)(C)耦合條件下的地質(zhì)體多尺度性能演化模型，實(shí)現(xiàn)采前煤炭綜合勘查與評(píng)價(jià)。

(3) 煤炭采前生態(tài)環(huán)境類(lèi)型劃分。通過(guò)對(duì)煤炭采前生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，建立礦山生態(tài)環(huán)境地質(zhì)模型，制定煤炭開(kāi)發(fā)生態(tài)地質(zhì)保護(hù)對(duì)策。利用遙感探測(cè)等技術(shù)手段調(diào)查分析勘查區(qū)自然地理、地質(zhì)條件與生態(tài)環(huán)境特征，對(duì)勘查區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分區(qū)分類(lèi)，并制定相應(yīng)的煤炭資源開(kāi)發(fā)模式，盡量減少對(duì)地表生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)與破壞，實(shí)現(xiàn)煤炭資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.2 煤炭采中地質(zhì)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境演化

煤炭資源的大規(guī)模、高強(qiáng)度開(kāi)采對(duì)生態(tài)脆弱礦區(qū)地下水環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致開(kāi)采區(qū)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，引發(fā)煤層及圍巖形變，煤層所處區(qū)域的地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境發(fā)生惡劣變化[4,46-48](圖4)。研究主要分為以下3 個(gè)方面。

圖4 煤炭采動(dòng)前地質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)Fig.4 Response of geological structure before coal mining

(1) 煤炭采中地質(zhì)條件變化與環(huán)境損害研究。精準(zhǔn)探測(cè)與評(píng)估開(kāi)采過(guò)程中地質(zhì)條件變化，揭示開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用下生態(tài)環(huán)境的時(shí)空演化特征和損害機(jī)制，闡明煤炭開(kāi)采多物理場(chǎng)演化過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)、損害機(jī)理，查明生態(tài)環(huán)境損害類(lèi)型及特點(diǎn)，分析誘發(fā)生態(tài)環(huán)境損害的主控因素。

(2) 煤炭采中礦井災(zāi)害防控。基于地質(zhì)條件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采區(qū)域覆巖變形及沉降的控制，評(píng)價(jià)水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件變化，對(duì)煤礦突水、沖擊地壓和煤與瓦斯突出等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

(3) 煤炭采中地質(zhì)結(jié)構(gòu)–生態(tài)環(huán)境響應(yīng)分析。煤炭采動(dòng)過(guò)程中應(yīng)對(duì)開(kāi)采擾動(dòng)后的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境特征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，評(píng)估地質(zhì)結(jié)構(gòu)–地下水環(huán)境–生態(tài)環(huán)境的多尺度損害程度，提出地質(zhì)結(jié)構(gòu)–生態(tài)環(huán)境的損害修復(fù)技術(shù)。

2.3 煤炭采后地質(zhì)保障

煤炭開(kāi)采后巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化，采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)逐步壓實(shí)、垮落帶逐漸整合、地表沉降趨于穩(wěn)定[49-50]。因此，煤炭采后地質(zhì)保障功能的重新建立尤為重要。研究主要分為以下3 個(gè)方面。

(1) 煤炭采后地表生態(tài)與地質(zhì)條件分析?？紤]到煤炭開(kāi)采條件下覆巖結(jié)構(gòu)巖與地質(zhì)環(huán)境的相互作用，提出生態(tài)脆弱礦區(qū)損害防控與修復(fù)技術(shù)。分析充填技術(shù)、充填模式和充填時(shí)間對(duì)煤層覆巖變形、損害的控制效果。

(2) 煤炭采后地表環(huán)境監(jiān)測(cè)與修復(fù)。利用無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、地面物探等手段，對(duì)煤炭開(kāi)采影響范圍的覆巖變形情況詳細(xì)探測(cè)。根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性和生態(tài)環(huán)境特征，提出土地最佳利用途徑和分類(lèi)治理方案。提出地表生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)和地表生態(tài)環(huán)境自然恢復(fù)及修復(fù)技術(shù)。

(3) 煤炭采后地下資源開(kāi)發(fā)利用。采用物探、化探、鉆探等手段查明煤炭開(kāi)采后地下遺留資源，分析地下空間資源的利用前景，建立地下遺留資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。提出遺留礦產(chǎn)資源探測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)、地下空間探測(cè)技術(shù)和地下空間資源綜合評(píng)價(jià)方法與利用技術(shù)。

3 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)保障理論體系

“煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障理論體系”以地質(zhì)科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合采礦學(xué)相關(guān)理論，同時(shí)考慮生態(tài)環(huán)境和人文經(jīng)濟(jì)等因素的影響，破解煤炭綠色開(kāi)發(fā)中的難題，構(gòu)建以煤炭開(kāi)采、地質(zhì)工程技術(shù)、生態(tài)環(huán)境與人文經(jīng)濟(jì)四位一體的綠色安全開(kāi)采體系(圖5)，為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供相應(yīng)的理論[51-53]。

圖5 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)理論體系Fig.5 Geological theory system of green coal mining

3.1 基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)

煤炭的儲(chǔ)存和開(kāi)采取決于多種地質(zhì)因素[54-55]。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，近代地質(zhì)學(xué)的各個(gè)部分已形成獨(dú)立的學(xué)科體系，并衍生出很多相關(guān)分支學(xué)科，如：礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)、古生物學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、地層學(xué)、地史學(xué)、地貌學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)理論[56-57]。此外，隨著煤炭開(kāi)采規(guī)模和深度越來(lái)越大，從地質(zhì)到采礦以及相關(guān)的環(huán)境要求都面臨著新的挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)地質(zhì)科學(xué)對(duì)影響煤炭開(kāi)采的地質(zhì)因素如地形地貌、巖土體工程性質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)歸納，篩選出開(kāi)采場(chǎng)地的主要影響指標(biāo)與控制因素。同時(shí)，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)和地球物理勘探等技術(shù)手段，對(duì)煤層覆巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)、垮落帶裂隙發(fā)育情況和煤層頂板的封閉性等做出具體評(píng)價(jià)。

3.2 采礦學(xué)

煤炭資源的安全高效綠色開(kāi)采是煤炭行業(yè)亟待解決的突出問(wèn)題。如今，煤炭資源開(kāi)采逐漸向自動(dòng)化、智能化、環(huán)?；姆较虬l(fā)展[58-59]。近年來(lái)采礦工程與自動(dòng)控制、系統(tǒng)論、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)密切關(guān)聯(lián)，與礦業(yè)系統(tǒng)、爆破工程、井巷工程、通風(fēng)工程、安全工程、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、充填理論等學(xué)科緊密結(jié)合，較大地促進(jìn)了煤炭工程基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)展，同時(shí)也在煤炭開(kāi)采過(guò)程中極大地促進(jìn)了煤炭工程向安全、高效、綠色、智能化方向邁進(jìn)[60-61]。

采礦學(xué)理論對(duì)煤炭開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障體系的建立具有重要意義。結(jié)合采礦工程理論深入分析煤炭開(kāi)采過(guò)程中覆巖結(jié)構(gòu)與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用，揭示煤炭開(kāi)采過(guò)程中覆巖變形和損害的擾動(dòng)機(jī)理，進(jìn)而提出生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 生態(tài)學(xué)

煤炭開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障是生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的地質(zhì)技術(shù)與地質(zhì)工程[62]。煤炭開(kāi)采過(guò)程中巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈之間的相互作用對(duì)生態(tài)環(huán)境影響巨大。引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、農(nóng)田受損、水土流失加劇、河水流量減少，甚至引發(fā)斷流、地下水位下降、淺層地下水疏干、大氣污染和溫室效應(yīng)等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[63-65]。

為減少因煤炭開(kāi)采而導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，需結(jié)合土壤學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、氣候?qū)W、生物化學(xué)、污染生態(tài)學(xué)等相關(guān)生態(tài)學(xué)科理論，制定綠色、安全、可持續(xù)發(fā)展的煤炭開(kāi)采計(jì)劃。結(jié)合相關(guān)生態(tài)學(xué)理論，揭示煤炭開(kāi)采后生態(tài)環(huán)境自然恢復(fù)規(guī)律和主控因素，為地表生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論支撐。

3.4 人文經(jīng)濟(jì)學(xué)

煤炭作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主體，對(duì)我國(guó)人文經(jīng)濟(jì)(會(huì)計(jì)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、金融學(xué)、人文科學(xué)、財(cái)政學(xué))的發(fā)展起到重要作用[66]。煤炭企業(yè)亟需加強(qiáng)人員素質(zhì)培養(yǎng)、能力培訓(xùn)、人文關(guān)懷。因此，結(jié)合國(guó)家能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，立足市場(chǎng)需求，制定完善的煤炭開(kāi)采計(jì)劃，方能最大程度推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[67]。

人文經(jīng)濟(jì)學(xué)理論對(duì)解決煤炭資源環(huán)境問(wèn)題具有良好的針對(duì)性和適用性，想要實(shí)現(xiàn)煤炭資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧可持續(xù)發(fā)展，需運(yùn)用人文經(jīng)濟(jì)學(xué)原理分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題與煤炭開(kāi)采的關(guān)系，建立健全煤炭開(kāi)采過(guò)程中生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出解決相應(yīng)問(wèn)題的對(duì)策與建議。

4 煤炭綠色開(kāi)采總體研究思路

從研究層次和煤炭開(kāi)采結(jié)構(gòu)的角度分析，煤炭綠色開(kāi)采研究主要包括基礎(chǔ)地質(zhì)條件、煤炭采動(dòng)損害機(jī)制、損害演化過(guò)程、生態(tài)環(huán)境影響和減損與修復(fù)技術(shù)5 個(gè)方面(圖6)。

圖6 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究?jī)?nèi)容之間相互關(guān)系Fig.6 Relationship between geological researches for green coal mining

4.1 基礎(chǔ)地質(zhì)條件

煤炭賦存地質(zhì)環(huán)境的精準(zhǔn)識(shí)別是探查煤炭賦存和開(kāi)采范圍內(nèi)的三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)單元和生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)[68-69]。借助地球物理探測(cè)、鉆探和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，查明煤炭開(kāi)采區(qū)域的主要地質(zhì)條件。煤炭賦存的地質(zhì)條件包括煤層厚度、埋深、儲(chǔ)量、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造、煤層與圍巖接觸關(guān)系、巖土體基本物理力學(xué)指標(biāo)等重要信息。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、巖土層物理力學(xué)參數(shù)和植被信息等進(jìn)行不同區(qū)塊和深度上的工程巖組劃分，確定煤炭開(kāi)采影響范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)關(guān)系，提出基于地層巖土力學(xué)特性和地層結(jié)構(gòu)變化的反演分析方法，構(gòu)建三維可視化地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，提出煤炭綠色開(kāi)采的科學(xué)方案(圖7)。準(zhǔn)確獲取地質(zhì)力學(xué)和水文地質(zhì)特性參數(shù)，為后續(xù)研究提供重要依據(jù)。

圖7 煤炭綠色開(kāi)采科學(xué)方案Fig.7 Scientific program of green coal mining

4.2 煤炭采動(dòng)損害機(jī)制

煤炭資源開(kāi)采的主要特點(diǎn)是在近地表形成地下空間，導(dǎo)致開(kāi)采區(qū)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，引發(fā)煤層和周?chē)鷰r體的形變，導(dǎo)致煤層所處的地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境發(fā)生持續(xù)變化[70-71]。根據(jù)地層幾何特征、地層類(lèi)型、巖土體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)等變化規(guī)律，研究煤炭采動(dòng)后地層結(jié)構(gòu)變形的損害模式及其主控因素。構(gòu)建煤炭綠色開(kāi)采三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化的精細(xì)化分析模型和可快速查詢(xún)地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為評(píng)估開(kāi)采過(guò)程中地質(zhì)條件的變化規(guī)律提供相應(yīng)技術(shù)保障(圖8)。

圖8 煤炭采動(dòng)過(guò)程中地層結(jié)構(gòu)損害機(jī)制與主控因素Fig.8 Mechanism and main controlling factors of formation structure damage during coal mining

煤炭開(kāi)采過(guò)程中，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程和時(shí)空結(jié)構(gòu)秩序，主要解決地層地質(zhì)功能結(jié)構(gòu)變遷演化的階段性特征問(wèn)題和時(shí)空有序結(jié)構(gòu)形成與轉(zhuǎn)化問(wèn)題[72-73]。通過(guò)協(xié)同論、耗散結(jié)構(gòu)論、突變論、系統(tǒng)論、控制論和信息論等方法，總結(jié)地層地質(zhì)功能結(jié)構(gòu)變化的影響因素、宏觀(guān)變形損害的空間結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。構(gòu)建煤炭安全開(kāi)采條件下覆巖變形的演化模型，揭示采動(dòng)條件下地質(zhì)系統(tǒng)損害的時(shí)空演化機(jī)理(圖9)。

圖9 煤炭采動(dòng)過(guò)程覆巖變形損害的演化過(guò)程Fig.9 Evolution of overburden deformation and damage during coal mining

4.3 煤炭采動(dòng)過(guò)程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

煤炭開(kāi)采過(guò)程中地質(zhì)條件的變化必然會(huì)影響地質(zhì)環(huán)境，從而引發(fā)地面塌陷、地裂縫、水位下降等地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境損害問(wèn)題[74]。通過(guò)研究煤炭采動(dòng)過(guò)程中覆巖變形破壞演化過(guò)程和損害臨界條件，歸納煤炭賦存環(huán)境和采動(dòng)損害的主控因素，如地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)條件、采礦工藝與規(guī)模、充填支護(hù)形式和覆巖微–宏觀(guān)性質(zhì)等，進(jìn)而對(duì)不同演化階段的工程影響和環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估，并對(duì)可能面臨的工程地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題提出針對(duì)性的解決措施(圖10)。

圖10 煤炭采動(dòng)過(guò)程覆巖變形損害演化過(guò)程Fig.10 Evolution of overburden deformation and damage during coal mining

4.4 煤炭采動(dòng)后減損控制與修復(fù)技術(shù)

煤炭采動(dòng)后減損控制與生態(tài)環(huán)境修復(fù)的研究主要針對(duì)生態(tài)環(huán)境損害前和損害后的變化特點(diǎn)開(kāi)展防治工作[75-76]。煤炭采動(dòng)后，實(shí)施充填技術(shù)，對(duì)隔水頂板導(dǎo)水裂隙通道實(shí)施注漿修復(fù)等技術(shù)手段，對(duì)已發(fā)生損害的煤礦區(qū)采用煤矸石回填和生態(tài)系統(tǒng)再造等，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)治理。分析預(yù)測(cè)修復(fù)后生態(tài)環(huán)境前景，構(gòu)建煤炭采動(dòng)后生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理綜合評(píng)價(jià)技術(shù)體系(圖11)。

圖11 煤炭采動(dòng)后減損控制與生態(tài)環(huán)境修復(fù)Fig.11 Loss reduction control and restoration of geological ecological environment after coal mining

4.5 煤炭采動(dòng)地質(zhì)研究總體要求

煤炭綠色開(kāi)采過(guò)程中，在“精細(xì)勘查”“有效減損”和“生態(tài)修復(fù)”理念的指導(dǎo)下，通過(guò)地質(zhì)手段在煤炭綠色開(kāi)采過(guò)程中構(gòu)建三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化的精細(xì)化模型，建立系統(tǒng)完備的煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)科學(xué)體系(圖12)，實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開(kāi)采和清潔高效利用，為我國(guó)煤炭能源綠色可持續(xù)發(fā)展提供保障。煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)科學(xué)系統(tǒng)研究包括3 個(gè)重要階段(圖13)。

圖12 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)系統(tǒng)措施Fig.12 Measures of geological system for green coal mining

圖13 煤炭開(kāi)采地質(zhì)研究階段劃分與總體要求Fig.13 Overall requirements and stage division of geology research for coal mining

(1) 煤炭開(kāi)采全過(guò)程(采前、采中和采后)地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能演化的科學(xué)分析。通過(guò)監(jiān)測(cè)采集煤炭開(kāi)采前后的地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)變化信息，準(zhǔn)確闡述煤炭開(kāi)采中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化過(guò)程及覆巖變形損害規(guī)律，進(jìn)而采取科學(xué)技術(shù)手段保障煤炭綠色安全開(kāi)采。

(2) 針對(duì)開(kāi)采過(guò)程中存在的地質(zhì)損害問(wèn)題采取相應(yīng)的解決措施。通過(guò)綠色地質(zhì)勘查技術(shù)精準(zhǔn)探測(cè)地形地貌，掌握相關(guān)地質(zhì)開(kāi)采條件等重要信息。開(kāi)發(fā)完善的科學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤炭采動(dòng)引起的圍巖變形、巖爆、冒頂片幫和高壓突水等礦井災(zāi)害問(wèn)題，并對(duì)可能面臨的工程實(shí)際問(wèn)題提出針對(duì)性解決措施。

(3) 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)科學(xué)研究成果科學(xué)歸納，開(kāi)放共享。對(duì)煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)體系進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)(采前精準(zhǔn)地質(zhì)勘查，采中智能化、信息化、綠色安全科學(xué)開(kāi)采，采后生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及效益評(píng)估)。及時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)，將最新參數(shù)和信息添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完善模型。

5 結(jié)論

a.煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障以煤炭綠色安全開(kāi)采和生態(tài)環(huán)境保護(hù)為核心目標(biāo)，以煤炭采前、采中和采后的地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境響應(yīng)特征為重要研究對(duì)象，重建煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障技術(shù)與生態(tài)環(huán)境功能。結(jié)合煤炭開(kāi)采條件下覆巖結(jié)構(gòu)與地質(zhì)環(huán)境相互作用機(jī)理，提出生態(tài)脆弱礦區(qū)損害防控與修復(fù)技術(shù)。構(gòu)建生態(tài)脆弱區(qū)煤炭資源開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的分析研究平臺(tái)，尋求系統(tǒng)解決資源開(kāi)采與生態(tài)文明建設(shè)矛盾的新途徑。

b.隨著煤炭開(kāi)采進(jìn)程逐漸加快，國(guó)家對(duì)煤炭開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障工作的要求越來(lái)越高。明確煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障的研究目標(biāo)，為煤炭全生命周期的綠色安全開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供支持，實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開(kāi)采和能源清潔高效利用，保護(hù)礦山生態(tài)環(huán)境。

c.根據(jù)我國(guó)能源優(yōu)化趨勢(shì)和煤炭開(kāi)采現(xiàn)狀，提出了“煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障科學(xué)系統(tǒng)”理念，并指出該系統(tǒng)應(yīng)從科學(xué)分析、科學(xué)對(duì)待、科學(xué)歸納3 個(gè)方面出發(fā)，發(fā)展基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)、采礦學(xué)、生態(tài)學(xué)、人文經(jīng)濟(jì)學(xué)多學(xué)科交叉的煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障理論與技術(shù)，發(fā)揮地質(zhì)科學(xué)在煤炭綠色安全開(kāi)采中的重要作用。

致謝：感謝西安科技大學(xué)侯恩科教授和《煤田地質(zhì)與勘探》編輯部晉香蘭執(zhí)行主編的大力支持和幫助，感謝董志浩、趙飛、胡建軍博士對(duì)本文圖表編輯的幫助。