李文平，王啟慶，劉士亮，王蘇健

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

當(dāng)前煤炭在我國(guó)一次能源消耗中占比60%以上(據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年煤炭仍占一次能源消費(fèi)總量的50%左右[1])，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍占據(jù)支配地位。隨著東部礦區(qū)煤炭資源的枯竭，我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)重心已快速轉(zhuǎn)移到西部生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)。陜、蒙、寧、甘、新是國(guó)家未來(lái)重點(diǎn)建設(shè)的五大煤炭開(kāi)發(fā)省(區(qū))，煤炭探明儲(chǔ)量7 769億t(截止2012年)，約占全國(guó)的54%;2016年煤炭產(chǎn)量達(dá)到16.2億t，占全國(guó)的48%。然而，西北地區(qū)年均降水量在400 mm以下，水資源量?jī)H占全國(guó)的3.9%[2]，在區(qū)域地形地貌和地層條件適宜時(shí)，形成的淺表層水(松散砂層潛水、地表徑流水及海子等)更是非常值得珍惜的水資源。十多年來(lái)，西北煤炭資源的大規(guī)模、高強(qiáng)度、粗放型開(kāi)采，使本就脆弱的生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模煤炭開(kāi)采下水資源的保護(hù)(保水采煤)是西北干旱區(qū)面臨的重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。

多年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者圍繞“保水采煤”開(kāi)展了多方面卓有成效的研究工作。范立民等[3-6]早在20世紀(jì)90年代初提出陜北煤炭開(kāi)采過(guò)程中的地下水保護(hù)理念，之后圍繞“保水采煤”進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，提出了保水采煤基本框架。原煤炭部“九·五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目“我國(guó)西部侏羅系煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤及地質(zhì)環(huán)境綜合研究”(葉貴鈞，張萊，李文平，段中會(huì)等，1995—1999年)，對(duì)榆神府礦區(qū)保水采煤條件、保水區(qū)及失水區(qū)、采動(dòng)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化等進(jìn)行了宏觀研究和分區(qū)，提出了區(qū)域性防治對(duì)策[7-8]。王雙明等[9]提出了基于生態(tài)水位保護(hù)下煤層開(kāi)采理念，提出了榆神府礦區(qū)生態(tài)水位保護(hù)開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)條件分區(qū)。李文平等[10-11]以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)榆神府礦區(qū)工程地質(zhì)條件進(jìn)行了分區(qū)，研究了保水采煤關(guān)鍵隔水層釆動(dòng)隔水性變化規(guī)律，提出了“隔水層再造”，解釋了N2紅土隔水性自然恢復(fù)機(jī)理。黃慶享等[12]研究了隔水層特性及其采動(dòng)隔水性，給出了隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，建立了保水開(kāi)采的分類指標(biāo)。馬雄德等[13-14]研究了采煤對(duì)上覆水體及濕地動(dòng)態(tài)影響，確定了沙柳對(duì)榆神礦區(qū)地下水位變化的閾限。一些學(xué)者針對(duì)西部煤層覆巖破斷、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊确矫嬉策M(jìn)行了研究，分析了侏羅系煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征，建立了導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)模型[15-18]。關(guān)于保水采煤技術(shù)方法，目前主要還是通過(guò)控制導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨劝l(fā)育，包括分層(限高)開(kāi)采、窄條帶開(kāi)采、充填開(kāi)采、短壁房柱開(kāi)采等采煤法[4,19-21]。雖然，針對(duì)保水采煤的地質(zhì)基礎(chǔ)、理論及工程實(shí)踐等方面已取得較多成果，但礦井開(kāi)采前，如何進(jìn)行科學(xué)產(chǎn)能礦井的規(guī)劃設(shè)計(jì)？依據(jù)是什么？目前還沒(méi)有解決。

筆者以陜北榆神礦區(qū)為例，在分析研究區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，分析了研究區(qū)生態(tài)-水-煤系地層空間賦存地質(zhì)結(jié)構(gòu)及淺表層水資源量分布特征;劃分了研究區(qū)保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式，進(jìn)行了基于淺表層水資源量及環(huán)境工程地質(zhì)模式類型的保水采煤礦井等級(jí)類型劃分。研究成果對(duì)陜北礦井規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 生態(tài)-水-煤系地層空間賦存地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

1.1 生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型

西北生態(tài)脆弱區(qū)天然生態(tài)地質(zhì)條件差異性大，保水采煤實(shí)踐過(guò)程中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題有所區(qū)別，因此有必要開(kāi)展天然生態(tài)地質(zhì)條件的劃分，保水采煤生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型是考慮以保水采煤實(shí)踐為目的的天然生態(tài)地質(zhì)條件的分析，其劃分依據(jù)主要綜合考慮水資源類型、地形地貌、地表巖性、植被覆蓋等因素。通過(guò)對(duì)區(qū)域地形地貌、植被、地表水體等生態(tài)-水-地質(zhì)信息的調(diào)查分析，將陜北生態(tài)脆弱區(qū)劃分為4種保水采煤生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型(圖1):

(1)潛水沙漠灘地綠洲型:該類型地貌以風(fēng)沙灘地為主，地下水主要為薩拉烏蘇組砂層潛水和基巖風(fēng)化帶水，地表水以海子、沙漠濕地、湖泊為主，植被以沙蒿和沙柳灌木為主。

(2)地表水溝谷河流綠洲型:該類型地貌以河流階地為主，地下水主要為薩拉烏蘇組潛水、燒變巖水、風(fēng)化帶裂隙水和第四系沖積層水，地表水以常年性溝谷流水和泉水為主，如研究區(qū)內(nèi)的榆溪河、禿尾河、考考烏素溝、蘆草溝等常年性河流，植被以喬木為主，植被覆蓋極好。

(3)地表徑流(黃土)溝壑型:該類型地貌以黃土梁峁為主，地下水以基巖風(fēng)化帶水為主，地表水以季節(jié)性徑流為主，植被主要為稀疏的草本植物和溝谷少量喬木，植被覆蓋較差。

(4)區(qū)域性(深埋)地下水富集型:該類型地貌以丘陵和風(fēng)沙灘地為主，水資源類型主要為巨厚白堊系洛河組砂巖水、基巖風(fēng)化帶水和山前大型洪積扇水，植被在丘陵區(qū)以喬木和灌木為主，在風(fēng)沙灘地區(qū)以灌木和草本植物為主。

選取研究區(qū)地形地貌、薩拉烏蘇組潛水含水層富水性、洛河組含水層厚度、地表高程、坡度、地表巖性、蒸發(fā)量、降雨量及植被覆蓋指數(shù)等作為評(píng)價(jià)因子，基于層次分析法確定其權(quán)重。通過(guò)改進(jìn)的模糊C均值聚類算法，首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)和聚類中心之間的歐式距離dki=‖xk-ci‖乘以相應(yīng)的權(quán)重加以修正，形成如下的屬性加權(quán)歐式距離:

dw-ij=d‖xj-ci‖w=[(xj-ci)TW2(xj-ci)]1/2

(1)

相應(yīng)的評(píng)價(jià)聚類性能的誤差平方和準(zhǔn)則函數(shù)改變成新的加權(quán)目標(biāo)函數(shù)，即

(2)

式中，xk為第k個(gè)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn);ci為第i個(gè)族類的初始簇中心;dki為數(shù)據(jù)點(diǎn)和初始簇中心的歐氏距離;dw-ij為數(shù)據(jù)點(diǎn)和初始簇中心的屬性加權(quán)歐式距離;n為樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù);c為從樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)中任意選出的作為每個(gè)簇類的初始簇中心的個(gè)數(shù);xj為第j個(gè)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn);W為屬性權(quán)重向量;JWFCM為加權(quán)目標(biāo)函數(shù);uij為第j個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)歸于Gi簇類的隸屬度，數(shù)值介于0到1之間;m為權(quán)指標(biāo)，即模糊控制參數(shù)、加權(quán)參數(shù)，一般取值為2。

該算法的求解過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)模糊C均值聚類算法類似，利用拉格朗日乘子法求解。通過(guò)迭代求解最終獲得研究區(qū)保水采煤類型區(qū)劃圖(圖2)。由圖2可以得出，潛水沙漠灘地綠洲型主要分布在榆神礦區(qū)中部大片區(qū)域，約占研究區(qū)總面積的59%。地表水溝谷河流綠洲型主要分布在沙漠邊緣地下水溢出帶，約占研究區(qū)總面積的3%。地表徑流(黃土)溝壑型主要分布在研究區(qū)東北部，約占研究區(qū)總面積的15%。區(qū)域性(深埋)地下水富集型主要分布在研究區(qū)西部，約占研究區(qū)總面積的23%。

圖1 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型示意Fig.1 Sketch map of eco-geological environment type

圖2 研究區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型分布Fig.2 Distribution of eco-geological environment types in the study area

1.2 研究區(qū)煤層與含(隔)水層空間組合特征

榆神礦區(qū)煤層與含(隔)水層空間組合的總體特征為:煤水共生，水在上，煤在下。區(qū)內(nèi)主要含水層包括薩拉烏蘇組砂層含水層、洛河組砂層含水層等;隔水層包括紅土、黃土和侏羅系組合隔水巖組。研究區(qū)內(nèi)煤層與含水層之間的間隔變化較大，且煤層頂板基巖厚度與含水層厚度呈負(fù)相關(guān)，具體表現(xiàn)為基巖薄，含水層厚度大，富水性較強(qiáng);基巖厚(多分布在地下水分水嶺附近)，含水層厚度小、富水性較弱。通過(guò)對(duì)含隔水層分布，以及含水層間的水力聯(lián)系分析，考慮煤層開(kāi)采對(duì)含(隔)水層結(jié)構(gòu)的影響，將研究區(qū)的含隔水層空間組合類型分為10類(圖3)。由圖3可知，研究區(qū)保水采煤生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型區(qū)內(nèi)煤層與含(隔)水層空間組合特征為:潛水沙漠灘地綠洲型的多分布Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ類，局部分布Ⅵ類;地表水溝谷河流綠洲型多分布Ⅰ和Ⅵ類;地表徑流(黃土)溝壑型以分布Ⅱ類為主;區(qū)域性(深埋)地下水富集型主要分布Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ和Ⅹ類。

圖3 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型區(qū)內(nèi)煤層與含(隔)水層空間組合特征Fig.3 Spatial combination characteristics of coal seam and the aquifer (aquifuge) interval in eco-geological environment type area

1.3 研究區(qū)淺表層水資源量分布特征

研究區(qū)主要水資源有地表水、薩拉烏蘇組砂層潛水、侏羅系風(fēng)化基巖裂隙承壓水、白堊系洛河組承壓水及燒變巖裂隙水等。其中，風(fēng)化基巖承壓水和白堊系下統(tǒng)洛河組承壓水由于相對(duì)埋深較大，且普遍上覆紅土和黃土隔水層，不能直接被植被生態(tài)所利用。只有在局部溝谷深切處基巖出露，通過(guò)上升泉和排泄的方式補(bǔ)給地表徑流，對(duì)工農(nóng)業(yè)和植被生態(tài)有直接影響。而地表水、薩拉烏蘇組砂層潛水等淺表層水對(duì)西部生態(tài)脆弱區(qū)具有直接的供水意義和生態(tài)價(jià)值，也是西部生態(tài)脆弱區(qū)采煤水資源保護(hù)的主要對(duì)象。因此，對(duì)淺表層水資源量的分析，是開(kāi)展保水采煤的重要環(huán)節(jié)。為此，根據(jù)地表水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和鉆孔揭露的含水層資料，分別計(jì)算確定地表水和薩拉烏蘇潛水單位面積(1 km2)儲(chǔ)存量分布，采用ArcGIS空間分析疊加方法，疊加計(jì)算研究區(qū)淺表層水資源單位面積總儲(chǔ)量(圖4);按等效砂層潛水厚度(給水度取0.2)，應(yīng)用自然分級(jí)法將淺表層水資源量分布劃分為3種類型:水資源貧乏區(qū)(等效砂層潛水厚度<5 m))、水資源中等區(qū)(5 m≤等效砂層潛水厚度<25 m)和水資源豐富區(qū)(等效砂層潛水厚度≥25 m)。

圖4 研究區(qū)淺表層水資源單位面積總儲(chǔ)存量分布Fig.4 Distribution of total amount per unit area of shallow water resources in the study area

2 保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式

保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式是采礦擾動(dòng)覆巖土影響淺表層水系統(tǒng)進(jìn)而誘發(fā)淺表層生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化的方式，是一礦井(區(qū))環(huán)境工程地質(zhì)條件與采動(dòng)環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題的結(jié)合表現(xiàn)形式，是條件和問(wèn)題結(jié)合的模式。研究保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式是確定保水采煤礦井等級(jí)(類型)的重要基礎(chǔ)和前提。

2.1 保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式類型

根據(jù)煤層開(kāi)采對(duì)生態(tài)層及淺表層水(保水目的含水層)的影響程度，結(jié)合實(shí)際調(diào)查理論分析，提出4種保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式(圖5):

(1)環(huán)境友好型。煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞г诨鶐r內(nèi)發(fā)育或發(fā)育到隔水黏土層(紅土、黃土)，且基巖或隔水黏土層較厚的區(qū)域，淺表層水基本不受煤層采動(dòng)的影響，地表生態(tài)環(huán)境基本不受影響(圖5(a))。

(2)環(huán)境漸變恢復(fù)型。煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞г诨鶐r內(nèi)發(fā)育或發(fā)育到隔水黏土層(紅土、黃土)，基巖或隔水黏土層相對(duì)較薄的區(qū)域，由于受煤層采動(dòng)的影響，淺表層水會(huì)通過(guò)較薄的隔水層發(fā)生輕微滲漏，水位恢復(fù)緩慢，地表生態(tài)環(huán)境受到輕微影響(圖5(b))。

(3)環(huán)境漸變惡化型。煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞г诨鶐r內(nèi)發(fā)育或發(fā)育到隔水黏土層(紅土、黃土)，基巖或隔水黏土層相對(duì)較薄的區(qū)域，隔水層尚有一定的有效隔水性，但砂層潛水會(huì)出現(xiàn)較大量漏失，砂層潛水水位持續(xù)緩慢下降，地表生態(tài)環(huán)境緩慢持續(xù)惡化(圖5(c))。

(4)環(huán)境災(zāi)變型。煤層開(kāi)采后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞?dǎo)穿基巖或隔水黏土層(紅土、黃土)，波及砂層潛水含水層，砂層潛水完全漏失，地下水位迅速下降，地表生態(tài)環(huán)境短期內(nèi)發(fā)生明顯惡化(圖5(d))。

圖5 環(huán)境工程地質(zhì)模式典型剖面示意Fig.5 Environmental engineering geological patterns

2.2 關(guān)鍵指標(biāo)的確定

2.2.1 殘余隔水層釆動(dòng)隔水性

環(huán)境工程地質(zhì)模式劃分標(biāo)準(zhǔn)的確定主要依據(jù)淺表層水的漏失量，而影響淺表層水漏失量的主要因素為殘余隔水層厚度。為確定有效隔水層厚度，必須分析研究采動(dòng)對(duì)巖土體隔水性的影響。對(duì)于殘余(位于彎曲下沉帶內(nèi))隔水巖土層，雖總體上未有宏觀豎向貫通裂縫，但隔水性能也會(huì)受不同程度影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采前、采后壓水試驗(yàn)及室內(nèi)卸載試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)隔水層滲透性增加約1個(gè)數(shù)量級(jí)[8,22]，然而，采后應(yīng)力恢復(fù)對(duì)殘余隔水層滲透性仍有較大影響。

本次采用損傷巖土試樣進(jìn)行加載試驗(yàn)(模擬彎曲下沉帶內(nèi)隔水巖土層在采后應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中滲透性變化特征)，其中對(duì)巖樣首先進(jìn)行三軸卸載損傷，損傷后的巖樣未發(fā)生明顯變形或破壞，首先獲取巖樣應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線，在TAW-1000巖石伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，對(duì)應(yīng)圖6(a)所示的曲線特征點(diǎn)(P1,P2試樣為殘余隔水巖樣、P3為裂隙試樣)，利用位移控制分別對(duì)巖石樣品進(jìn)行卸載試驗(yàn)，從而對(duì)預(yù)制不同損傷巖樣。以1 MPa/min的速度對(duì)試樣施加圍壓，每組測(cè)試包括從1 MPa到5 MPa共5個(gè)水平，圖6(b)為泥質(zhì)砂巖測(cè)試結(jié)果。

圖6 損傷巖樣蠕變滲透試驗(yàn)Fig.6 Creep permeability test of damaged rock samples

由圖6(b)可得，在恢復(fù)應(yīng)力達(dá)到5 MPa時(shí)，殘余隔水巖樣的隔水性已恢復(fù)到了開(kāi)采前的水平，采動(dòng)損傷程度越小，應(yīng)力恢復(fù)后的巖石滲透系數(shù)越小，恢復(fù)的程度越大，越接近完整狀態(tài)。結(jié)合文獻(xiàn)[22]可得，位于彎曲下沉帶內(nèi)的隔水巖土層采后滲透性雖然有所增加，但在采后應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中，隔水性基本能夠恢復(fù)到開(kāi)采前狀態(tài)，因此，確定保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可采用殘余隔水巖土層天然隔水性計(jì)算。

2.2.2 侏羅系煤層開(kāi)采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?/p>

導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仁怯绊懕Ｋ擅涵h(huán)境工程地質(zhì)模式的一個(gè)重要指標(biāo)，由于侏羅系煤田地質(zhì)條件、覆巖結(jié)構(gòu)及其組合類型與東部相比差異較大，侏羅系煤田導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育實(shí)際高度與現(xiàn)有規(guī)程公式[23]計(jì)算的結(jié)果不相符。本次通過(guò)收集侏羅系煤田導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)(綜放/綜采，采厚2～12m)，采用多元回歸分析，建立適用于侏羅系煤層開(kāi)采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度預(yù)測(cè)的多元非線性公式[24]:

(3)

式中，Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，m;M為采厚，m;s為采深，m;b為工作面寬度，m。

2.3 環(huán)境工程地質(zhì)模式分區(qū)閾值確定

2.3.1 環(huán)境友好型與環(huán)境漸變恢復(fù)型閾值

煤層開(kāi)采后，淺表層水漏失量QL小于沉降引起的側(cè)向補(bǔ)給增加流量QC時(shí)，認(rèn)為砂層潛水基本不受影響，以此確定的保護(hù)層厚度作為環(huán)境友好型與環(huán)境漸變恢復(fù)型閾值，即QL=QC。可得保護(hù)層厚度:

(4)

式中，Hb為保護(hù)層厚度，m;Kb為保護(hù)層滲透系數(shù)，m/d;ΔH為滲透水壓力差;F為滲透面積，m2;t為滲透時(shí)間，d;Kq為砂層滲透系數(shù)，m/d;A為潛水側(cè)向補(bǔ)給增量的面積，m2;J為潛水側(cè)向補(bǔ)給增量的水力梯度。

以陜北為例，Kq取3.73 m/d;潛水補(bǔ)給增量的面積A=4×b×0.7×M;J=(0.7M)/(b/2);ΔH=3 m;漏失面積F=b2;其中，b為工作面寬度，M為開(kāi)采煤層厚度;代入式(4)中得:Hb=7 189.363 7Kb。通過(guò)壓水試驗(yàn)可得出隔水土層滲透系數(shù)，計(jì)算隔水土層保護(hù)層厚度(表1)。因此，取隔水土層厚度40 m;參考基巖平均滲透系數(shù)為隔水土層的3倍的關(guān)系，取基巖厚度為120 m。

表1 隔水土層滲透系數(shù)及其保護(hù)層厚度計(jì)算Table 1 Permeability coefficient and thickness calculation of protection water soil layer

2.3.2 環(huán)境漸變恢復(fù)型與環(huán)境漸變惡化型閾值

將淺表層水滲漏量是否超過(guò)區(qū)域一個(gè)水文年平均補(bǔ)給量QS作為兩者閾值確定的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)QL=QS時(shí)，得保護(hù)層厚度:

(5)

式中，Hb為保護(hù)層厚度，m;Kb為保護(hù)層滲透系數(shù)，m/d;ΔH為滲透水壓力差;t為滲透時(shí)間，d;ΔS為水文年中區(qū)域的豐水期與枯水期水位差，m;μ為含水介質(zhì)給水度。

根據(jù)神南礦區(qū)檸條塔煤礦長(zhǎng)觀孔SK1兩年砂層潛水水位觀測(cè)，一水文年中區(qū)域的豐水期(水位標(biāo)高:1 262.6 m)與枯水期(水位標(biāo)高:1 261.0 m)水位差為1.6，取ΔS=1.6 m;μ=0.15;得:Hb=5 214.4Kb。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，取隔水土層厚度30 m;基巖厚度為90 m。

2.3.3 環(huán)境漸變惡化型與環(huán)境災(zāi)變型閾值

考慮到計(jì)算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨瓤赡艽嬖诘恼`差值，取隔水土層厚度5 m，基巖厚度15 m作為環(huán)境漸變惡化型與環(huán)境災(zāi)變型的閾值。

3 保水采煤礦井等級(jí)(類型)劃分

西北生態(tài)脆弱區(qū)在保水采煤實(shí)踐過(guò)程中，不僅要考慮煤層開(kāi)采對(duì)淺表層水的影響程度，還要分析淺表層水資源量的分布，將兩者結(jié)合才能更直觀的指導(dǎo)礦井規(guī)劃設(shè)計(jì)。本文考慮淺表層水資源量的分布和煤層開(kāi)采對(duì)淺表層水的影響，劃分礦井保水采煤等級(jí)類型。

根據(jù)提出的4種環(huán)境工程地質(zhì)模式，將煤層開(kāi)采對(duì)淺表層水和生態(tài)環(huán)境的影響，后期可自行恢復(fù)的類型，即環(huán)境漸變恢復(fù)型和環(huán)境友好型劃歸為正常開(kāi)采礦井類型;將煤層開(kāi)采對(duì)淺表層水和生態(tài)環(huán)境的影響，后期無(wú)法自行恢復(fù)的類型，即環(huán)境漸變惡化型和環(huán)境災(zāi)變型劃歸為保水開(kāi)采礦井?；跍\表層水資源量的分布規(guī)律，進(jìn)一步將保水開(kāi)采礦井劃分為:保水采煤一級(jí)礦井、保水采煤二級(jí)礦井和保水采煤三級(jí)礦井(表2)。根據(jù)表2標(biāo)準(zhǔn)，將圖8和圖4疊加，獲得研究區(qū)保水采煤礦井等級(jí)類型分布圖(圖9)。由圖9可知，研究區(qū)西部大部分為正常開(kāi)采礦井，局部出現(xiàn)保水采煤一級(jí)礦井和保水采煤二級(jí)礦井類型，這主要因?yàn)樵搮^(qū)域首采煤層厚度較大、埋深較小，煤層開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞б陨蠚堄喔羲畬雍穸绕毡檩^小，環(huán)境工程地質(zhì)模式為漸變惡化型，且水資源相對(duì)豐富。研究區(qū)東部由于煤層開(kāi)采環(huán)境工程地質(zhì)模式主要為環(huán)境漸變惡化型和環(huán)境災(zāi)變型，另外淺表層水資源屬于相對(duì)貧乏區(qū)，因此主要分布保水采煤三級(jí)礦井類型。

表2 保水采煤礦井等級(jí)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Zoning standard of grade types of water-preserved-mining coalmines

圖9 研究區(qū)保水采煤礦井等級(jí)類型Fig.9 Grade types of water-preserved-mining coalmines in the study area

保水采煤一級(jí)礦井是指在水資源儲(chǔ)存量最豐富的區(qū)域，環(huán)境工程地質(zhì)模式為災(zāi)變型或者漸變惡化型的礦井，這種礦井類型必須采取強(qiáng)制的措施才能進(jìn)行開(kāi)采;保水采煤二級(jí)礦井是指在水資源儲(chǔ)存量中等豐富的區(qū)域，環(huán)境工程地質(zhì)模式為災(zāi)變型或者漸變惡化型，這種礦井類型需要采取一定的措施方可開(kāi)采;保水采煤三級(jí)礦井是指在水資源儲(chǔ)存量貧乏的區(qū)域，環(huán)境工程地質(zhì)模式為災(zāi)變型或者漸變惡化型，這種礦井類型采后可人為進(jìn)行生態(tài)環(huán)境修復(fù)。

4 保水采煤礦井(區(qū))等級(jí)劃分的應(yīng)用方向

保水采煤礦井等級(jí)(類型)的劃分，使得礦井“科學(xué)產(chǎn)能”(據(jù)錢鳴高[25-26])的規(guī)劃設(shè)計(jì)成為可能。對(duì)于正常開(kāi)采礦井，可以主要按煤炭資源儲(chǔ)量大小等，規(guī)劃設(shè)計(jì)產(chǎn)能。對(duì)于不同保水采煤等級(jí)的礦井，應(yīng)根據(jù)其煤炭資源量和保水采煤礦井等級(jí)類型，確定不同的科學(xué)產(chǎn)能。一級(jí)保水采煤礦井，應(yīng)指定采用分層開(kāi)采、充填開(kāi)采、隔離水體開(kāi)采等保水采煤技術(shù)方法，限定其產(chǎn)能規(guī)模(資源儲(chǔ)量條件相同時(shí)，科學(xué)產(chǎn)能小于正常開(kāi)采礦井);二級(jí)保水采煤礦井，應(yīng)采用限高開(kāi)采、分層開(kāi)采、集中導(dǎo)水通道封閉等保水采煤技術(shù)方法，限定其產(chǎn)能規(guī)模(科學(xué)產(chǎn)能大于一級(jí)保水采煤礦井，小于正常開(kāi)采礦井);三級(jí)保水采煤礦井，由于淺表層水資源量貧乏，天然生態(tài)環(huán)境差(主要為黃土溝壑區(qū))，在確保實(shí)施采后生態(tài)環(huán)境修復(fù)、采空區(qū)儲(chǔ)水等措施后，可以按正常開(kāi)采礦井，規(guī)劃較大的科學(xué)產(chǎn)能。

5 結(jié) 論

(1)提出了西北生態(tài)脆弱區(qū)基于以保水采煤為目的的4種天然生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型:潛水沙漠灘地綠洲型、地表水溝谷河流綠洲型、地表徑流(黃土)溝壑型及區(qū)域性(深埋)地下水富集型，將研究區(qū)保水采煤生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型區(qū)內(nèi)的煤層與含隔水層空間組合分為十類。

(2)分析了研究區(qū)煤層上覆水資源類型，計(jì)算確定了淺表層水資源(保水采煤目的層)單位面積總儲(chǔ)存量分布特征，將淺表層水資源量分布劃分為:水資源貧乏區(qū)、水資源中等區(qū)和水資源豐富區(qū)。

(3)基于煤層開(kāi)采對(duì)生態(tài)層及淺表層水的影響程度，提出4種保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式:環(huán)境友好型、環(huán)境漸變恢復(fù)型、環(huán)境漸變惡化型及環(huán)境災(zāi)變型，建立了環(huán)境工程地質(zhì)模式分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)根據(jù)研究區(qū)淺表層水資源量和保水采煤環(huán)境工程地質(zhì)模式分布，將研究區(qū)劃分為正常開(kāi)采礦井和保水開(kāi)采礦井，進(jìn)一步將保水開(kāi)采礦井劃分為保水采煤一級(jí)礦井、保水采煤二級(jí)礦井及保水采煤三級(jí)礦井，為礦井科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了可操作的依據(jù)。