淺埋高強(qiáng)度開采礦區(qū)生態(tài)損傷特征與減損實(shí)踐

王常建，徐祝賀，趙 偉，楊國柱，郭俊廷

(1.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2.國能寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000；3.國網(wǎng)通用航空有限公司，北京 102209；4.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102209；5.北京低碳清潔能源研究院，北京 102209)

煤炭是我國的主體能源，西部高強(qiáng)度開采礦區(qū)為我國能源安全提供了重要保障。神東礦區(qū)是典型的高強(qiáng)度開采礦區(qū)[1-3]。高強(qiáng)度開采以非連續(xù)、大變形損傷為主要特征，對(duì)地表及附屬物的影響較連續(xù)變形更為嚴(yán)重。開采導(dǎo)致的覆巖裂隙和地表裂縫[4，5]，改變了地下水資源系統(tǒng)的補(bǔ)、徑、排關(guān)系，造成地下水滲漏和水位下降[6]，并導(dǎo)致地表土壤持水保墑能力降低[7]、植物根系破斷[8]等地表生態(tài)要素的損傷。特別是在典型生態(tài)脆弱區(qū)進(jìn)行淺埋煤層的大規(guī)模、高強(qiáng)度開采使得這一矛盾更加尖銳，開展礦區(qū)生態(tài)減損的系統(tǒng)研究與實(shí)踐是國家生態(tài)文明礦區(qū)建設(shè)的要求，更是生態(tài)本底脆弱煤炭高強(qiáng)度開采區(qū)的現(xiàn)實(shí)需求。

為降低煤炭資源開發(fā)造成的地表生態(tài)損傷程度和影響范圍，相關(guān)專家進(jìn)行了諸多探索。如充填開采[9](井下充填和離層注漿充填)、部分開采(條帶開采)[10]、限高保水開采[11]等技術(shù)。充填開采能有效控制地表沉降，保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)，防止采空區(qū)浮煤自燃等，取得了良好的社會(huì)和生態(tài)效益，但充填開采系統(tǒng)工藝復(fù)雜、效率低、成本高、缺少充填材料，制約了其在煤礦生產(chǎn)中的廣泛使用。部分開采常用的條帶開采或限高保水開采雖能控制巖層沉降，但存在資源回收率和開采效率低的問題。除了井下開采對(duì)生態(tài)的減損措施，也有許多學(xué)者研究了生態(tài)破壞后的重構(gòu)與修復(fù)技術(shù)，如地貌重塑、土壤改良、適生植物篩選等[12]。

上述研究雖在一定程度上可降低生態(tài)損傷，但控制程度有限，均屬于煤炭開采全過程中某一環(huán)節(jié)采取的措施。本文在分析我國具有典型淺埋高強(qiáng)度開采特征的神東礦區(qū)開采及生態(tài)本底基礎(chǔ)上，針對(duì)控制煤炭開采引起的生態(tài)損傷難題，提出了從開采源頭設(shè)計(jì)著手(采前)，其次調(diào)控?fù)p傷傳導(dǎo)影響(采中)，最后進(jìn)行末端治理修復(fù)(采后)的全過程防控技術(shù)，以期最大限度降低此類條件下的生態(tài)損傷。

1 神東礦區(qū)概況

神東礦區(qū)位于榆林市北部和鄂爾多斯市南部地區(qū)，煤田總面積3.12萬km2，探明儲(chǔ)量2236億t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量10000億t。礦區(qū)位于鄂爾多斯高原的東南部及陜北高原的北緣，地處陜北黃土高原北緣與毛烏素沙漠過渡地帶的東段，區(qū)內(nèi)大部分為典型的風(fēng)成沙丘及沙灘地地貌。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干燥少雨，降水集中。礦區(qū)蒸發(fā)一般為降水量的4～5倍。

礦區(qū)風(fēng)積沙分布廣泛，厚0～50m；上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，巖性以中細(xì)砂為主，為主要含水層，厚0～145m；延安組為含煤地層，厚150～280m，含可采煤層13層，主采煤層一般3～6層。地下水包括新生界松散層孔隙潛水、燒變巖潛水和中生界碎屑巖類裂隙潛水及承壓水。主要土壤質(zhì)地較粗，結(jié)構(gòu)不良，肥力較低，抗蝕抗沖能力差。主要植被類型為干草原、落葉闊葉灌叢和沙生類型植被，覆蓋率低。

2 神東礦區(qū)高強(qiáng)度開采特點(diǎn)

礦區(qū)開發(fā)的1-2、2-2、3-1、4-2和5-2等5個(gè)煤組煤層賦存穩(wěn)定，傾角為1°～3°，覆巖結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)造少，適合建設(shè)大型高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井進(jìn)行煤炭資源開發(fā)。高強(qiáng)度開采及破壞特點(diǎn)如下[13，14]：

1)單工作面開采范圍大，神東礦區(qū)大型礦井一般一井一面，在工作面少的情況下為保證產(chǎn)量，推行大工作面開采技術(shù)，即工作面長度大，多分布于200～400m之間，有的甚至超過400m；推進(jìn)距離長，有的可達(dá)6km左右。

2)工作面開采裝備先進(jìn)，神東礦區(qū)高強(qiáng)度開采一般采用大采高綜采或綜放開采方法，配套裝備先進(jìn)、機(jī)械化程度高、生產(chǎn)能力大，其中神東上灣礦12401工作面采用的8.8m大采高綜采成套裝備水平達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

3)工作面回采速度快，煤層賦存條件簡單，裝備水平高，工作面推進(jìn)速度快。例如昌漢溝煤礦15106工作面，推進(jìn)速度為17.2m/d。神東礦區(qū)部分工作面推進(jìn)速度甚至接近20m/d。

4)上覆巖層破壞嚴(yán)重，神東礦區(qū)推行的大工作面快速高強(qiáng)度開采技術(shù)導(dǎo)致上覆巖層破壞劇烈。上覆巖層中產(chǎn)生的裂隙多，上覆巖層破壞直至地表，伴隨出現(xiàn)貫通地表的裂隙。

5)地表變形嚴(yán)重，神東礦區(qū)由于煤層埋深淺、煤層厚度大、開采范圍和速度大等原因，導(dǎo)致地表下沉變形劇烈并出現(xiàn)大量裂縫。

3 生態(tài)損傷特點(diǎn)

井工開采生態(tài)損傷的主要驅(qū)動(dòng)因素為地下水(近地表水)、上覆巖層及地表三個(gè)方面。

3.1 地下水損傷特點(diǎn)

地下水包括近地表土壤水、第四系松散層潛水、燒變巖水及基巖裂隙水。

1)煤炭資源采出后，巖層中產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙在部分區(qū)域發(fā)育到了第四系上部，改變了第四系松散含水層潛水徑流、排泄條件，由原來的水平徑流、排泄為主轉(zhuǎn)化為以垂向滲漏為主，增加了井下的涌水量，造成地下水位下降[15，16]，第四系松散孔隙含水層水位在下降20%～30%時(shí)水位保持平衡[17]。

2)隨著煤炭的回采地下水向開采后形成的采空區(qū)域流動(dòng)，由于大工作面開采范圍較傳統(tǒng)工作面開采范圍大，導(dǎo)致形成沿工作面推進(jìn)方向的地下水帶狀聚集區(qū)，而非漏斗形，且在含水層厚度較小的區(qū)域，開采對(duì)地下水位變化影響更大，地下含水層含水厚度減小近30%[18]。

3.2 上覆巖層損傷特點(diǎn)

1)覆巖下沉量大，并伴有劇烈的破斷、垮落，覆巖內(nèi)縱向、橫向裂隙發(fā)育較多，覆巖損傷從下向上傳導(dǎo)快，局部大裂縫貫通整個(gè)地層。

2)由于煤層埋深較淺，煤層開采后上覆巖層發(fā)生變形、破壞、移動(dòng)，巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，巖層中可能只存在垮落帶和裂隙帶，不存在彎曲下沉帶[19]。

3.3 地表損傷特點(diǎn)

地表損傷主要包括地表連續(xù)變形、非連續(xù)變形、植被以及土壤等方面。

3.3.1 地表下沉

地表下沉劇烈、下沉量大是高強(qiáng)度開采的顯著特征。神東礦區(qū)(采深及覆巖巖性變化不大)18個(gè)工作面采厚、地表最大下沉量及下沉系數(shù)如圖1所示。由圖1可知，采深及巖性變化不大時(shí)，隨采厚增加地表下沉并非線性變化，表明高強(qiáng)度開采因素除采厚影響外，還存在其他影響因素。

圖1 神東礦區(qū)工作面采厚及地表下沉情況

3.3.2 地表非連續(xù)變形

地表非連續(xù)變形在工作面對(duì)應(yīng)地表正上方及邊界位置的不同，變化規(guī)律存在差異，開采邊界附近的影響相對(duì)更大。

按產(chǎn)生位置的差異，一般將地表裂縫分為工作面中部動(dòng)態(tài)裂縫和邊界永久裂縫。其特征表現(xiàn)為：中部動(dòng)態(tài)裂縫隨工作面的推進(jìn)先張開后閉合一部分，然后二次張開再次閉合一部分后保持一定寬度；邊界永久裂縫張開后閉合一部分，后保持一定寬度，不存在二次張開閉合過程。

上灣礦12401工作面地表沉陷區(qū)實(shí)測裂縫及其寬度變化如圖2、圖3所示。實(shí)測表明，中部動(dòng)態(tài)裂縫隨工作面推進(jìn)基本按一定步距逐步產(chǎn)生，裂縫隨著與進(jìn)尺位置距離的變化表現(xiàn)為縫度的動(dòng)態(tài)變化，裂縫第一次張開至最大寬度時(shí)，縫寬為42mm，而后隨開采逐漸減小，縫寬降至25mm后，裂縫再次張開，第二次最大縫寬達(dá)34mm，然后裂縫寬度再次變小，裂縫形成一個(gè)月左右縫寬穩(wěn)定在17mm左右；邊界永久裂縫達(dá)到峰值寬度27.4mm后逐漸減小，經(jīng)歷一個(gè)月時(shí)間裂縫寬度穩(wěn)定在16mm左右。從裂縫寬度伴隨發(fā)生的臺(tái)階落差看，中部動(dòng)態(tài)裂縫落差不大于80mm，裂縫寬度不大于100mm；邊界永久裂縫落差100～300mm，裂縫寬度約100mm。

圖2 地表裂縫類型

圖3 地表裂縫寬度變化

3.3.3 規(guī)模性裂縫

規(guī)模性裂縫的產(chǎn)生，對(duì)周邊植被生長帶來顯著影響，如圖4所示。

圖4 植物根系拉傷[20]

地表產(chǎn)生的裂縫造成植物根系拉傷，同時(shí)地裂縫的產(chǎn)生也增大了土壤與空氣的接觸面積，土壤失水率增大，傷根與失水兩因素的綜合影響致使植物生長退化或死亡。

3.3.4 地表生態(tài)變化

地表生態(tài)要素隨時(shí)間變化，具有一定的自修復(fù)特征。開采引起地表塌陷后，地表沉陷區(qū)土壤含水量在塌陷半年時(shí)間內(nèi)先下降后上升然后逐步恢復(fù)；地表動(dòng)態(tài)裂縫對(duì)其附近的土壤含水量有一定影響，隨距離的增大影響逐漸減弱，裂縫張開時(shí)，土壤暴露面積增大，水分蒸發(fā)增多；隨裂縫的閉合土壤含水量逐步恢復(fù)。沉陷導(dǎo)致土壤土質(zhì)相對(duì)疏松，隨時(shí)間延續(xù)又逐步壓實(shí)。

根據(jù)開采前后相關(guān)土壤相關(guān)參數(shù)的測試(表1)可知，地表產(chǎn)生的裂縫使土壤黏聚力、天然含水量及有機(jī)質(zhì)均有一定程度降低，分別減小48%、24%及28%；土壤內(nèi)摩擦角平均值增大了9%；土壤容重、天然孔隙比及干密度的平均值變化不明顯。在一定程度上土壤濕度相對(duì)未受采動(dòng)影響區(qū)變小；除了土壤的本底條件較差外(神東礦區(qū)土壤肥力較低，主要缺乏有機(jī)質(zhì)、氮肥及磷)，采動(dòng)影響使得生態(tài)的自然修復(fù)更加困難，土壤水分及有機(jī)質(zhì)難以滿足植物的正常生長需要。

表1 開采前后土壤物理性質(zhì)變化情況(均值)[3，21-28]

4 神東礦區(qū)生態(tài)保護(hù)實(shí)踐

根據(jù)開采對(duì)生態(tài)的影響特征，可分為開采影響源(源頭)、影響傳遞媒介(過程)、保護(hù)對(duì)象(末端)，因此，可從開采影響根源、傳播途徑控制、受護(hù)對(duì)象修復(fù)3個(gè)方面實(shí)施生態(tài)減損措施。采動(dòng)損傷的根源在于井下煤炭開采，根據(jù)影響的傳播過程可知，采后直接頂、老頂巖層首先發(fā)生下沉、彎曲、破斷，隨后依次向上發(fā)展，損傷逐步向上傳遞直至地表。故控制煤炭開采引起的采動(dòng)損傷，最有效的措施是進(jìn)行開采源頭控制，結(jié)合調(diào)控?fù)p傷傳遞過程、末端修復(fù)治理，多措并舉降低開采對(duì)生態(tài)的影響程度，目前常用的開采損傷控制途徑如圖5所示。

圖5 生態(tài)保護(hù)措施

4.1 源頭減損

當(dāng)煤層上方地層分布確定的情況下，各基巖層的初次垮落角和周期垮落角以及松散層的內(nèi)摩擦角是固定值，不隨開采范圍大小而變化。那么在埋深較淺的情況下，當(dāng)工作面在走向和傾向的開采范圍還沒有達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，地表沉陷范圍隨開采范圍的增大而增大；在工作面走向和傾向剛剛到達(dá)充分采動(dòng)時(shí)，地表沉陷區(qū)有一點(diǎn)達(dá)到了該地質(zhì)條件下的最大下沉值，而且除了最大下沉點(diǎn)以外的四周區(qū)域也達(dá)到了該地質(zhì)條件下的固有形態(tài)，開采范圍繼續(xù)增大，下沉最大區(qū)域(盆底區(qū))繼續(xù)擴(kuò)大，且盆底區(qū)域在整個(gè)下沉盆地的占比不斷增大，即地表具有一定自修復(fù)能力區(qū)域的比例不斷增大，一定程度上降低了地表采動(dòng)損傷程度[29]。所以在井下開采設(shè)備能力允許的范圍內(nèi)可以采用大工作面開采技術(shù)，即增大工作面寬度和工作面推進(jìn)距離(檸條塔煤礦S1210工作面寬300m，推進(jìn)距離6km)。張建民等[30]通過研究工作面推進(jìn)速度發(fā)現(xiàn)，一定開采條件下增大工作面推進(jìn)速度有利于開采后覆巖趨于穩(wěn)定，可降低上覆巖層的采動(dòng)損傷程度，神東礦區(qū)推行了大工作面快速開采技術(shù)，降低了煤炭開采引起的采動(dòng)損傷程度。雖然條帶開采、留煤柱開采、充填開采、協(xié)調(diào)開采等技術(shù)也能從開采源頭降低采動(dòng)損傷，但是單獨(dú)采用不能滿足神東礦區(qū)煤炭高回收率和高效開采的要求。

4.2 過程控制

煤炭開采后下部巖層首先發(fā)生下沉、彎曲、離層、破斷，并繼續(xù)向上部發(fā)展，若在損傷傳導(dǎo)的過程中進(jìn)行注漿充填，則能有效控制巖層下沉，從而控制或減小損傷的傳導(dǎo)。如上灣礦12401工作面在開切眼及其工作面巷道附近向采空區(qū)注漿，累計(jì)完成8個(gè)鉆孔注漿和15個(gè)工作面巷道聯(lián)路巷注漿，累計(jì)注漿量為16萬m3，避免了開采初期地表大面積的快速下沉垮落。

對(duì)于受覆巖裂隙導(dǎo)通威脅的地下水資源，可以通過修建地下水庫的方式實(shí)現(xiàn)地下水資源的轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存、保護(hù)及利用。截至2016年神東礦區(qū)已建成35座煤礦地下水庫，儲(chǔ)水量超過3000萬m3，在保障礦區(qū)95%以上用水的同時(shí)還使得礦區(qū)地表植被覆蓋率提高了30%左右[31]。

4.3 末端治理

通過源頭減損、過程控制及自修復(fù)[32，33]仍不能達(dá)到損傷控制的預(yù)期效果，需要采取末端治理措施。對(duì)于地表產(chǎn)生的裂縫，可以采用填埋治理，如圖6所示；通過接菌改善土壤特性[34，35]；通過研究地表沉陷區(qū)土壤水分、養(yǎng)分等條件，馴化篩選培養(yǎng)適生植物，增大地表植被覆蓋度，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

圖6 地表裂縫填埋

通過實(shí)施一系列的生態(tài)減損與修復(fù)措施，神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯改善。從2011年至2015年測算的植被覆蓋度來看(圖7)，高分區(qū)植被覆蓋度都高于50%，處在中高植被覆蓋度級(jí)別；2018年神東礦區(qū)地表植被覆蓋度增加到62.4%(圖8)，達(dá)到了植被高覆蓋度水平。

圖7 2011—2018年植被覆蓋度趨勢

圖8 神東礦區(qū)2018年植被覆蓋度分布

5 結(jié) 論

1)神東礦區(qū)開采損傷研究表明，煤炭開采后，地下含水層含水厚度出現(xiàn)一定程度的減??；地表下沉劇烈且下沉量大，平均下沉系數(shù)0.65左右；土壤天然含水量、有機(jī)質(zhì)及黏聚力平均減小1/4～1/2左右，內(nèi)摩擦角平均值略增，容重、天然孔隙比及干密度變化不顯著。

2)通過大工作面快速開采技術(shù)、開采初期注漿充填、填埋地表裂縫、實(shí)施土壤接菌、馴化篩選適生植物等技術(shù)措施，神東礦區(qū)有效降低了生態(tài)損傷程度，提升了植被覆蓋度。高分區(qū)2011—2015年植被覆蓋度均超過50%；2018年神東礦區(qū)植被覆蓋度為62.4%，達(dá)到了高覆蓋度水平，改善了神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

3)為實(shí)現(xiàn)煤炭開采和礦區(qū)生態(tài)文明的協(xié)調(diào)發(fā)展，提出以開采源頭損傷控制為主，結(jié)合損傷傳遞過程控制和受護(hù)對(duì)象的末端修復(fù)，多措并舉降低開采損傷的系統(tǒng)減損思路。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源開發(fā)和生態(tài)保護(hù)提供科技支撐。