李 濤，高 穎，艾德春，楊軍偉

(1.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防控重點實驗室,陜西 西安 710065; 2.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

2018年4月我國自然資源部對外公示了《煤炭行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》，該規(guī)范明確在資源開發(fā)方式中將 “保水采煤”列為主要的減排保護開采技術(shù)。其中，認為“保水采煤”技術(shù)主要適用區(qū)域為我國西部生態(tài)脆弱地區(qū)，既包括西北地區(qū)也包括西南地區(qū)。

“保水采煤”最早就是在我國西北煤田大開發(fā)時期孕育并提出的，范立民等在《我國西部侏羅紀(jì)煤田(榆神府礦區(qū))保水采煤及地質(zhì)環(huán)境綜合研究》項目第一子課題中首次提出了“保水采煤”一詞[1];隨著西北煤炭開采規(guī)模的擴大，這一問題受到了多個研究團隊和專家的關(guān)注，錢鳴高院士等將其納入“科學(xué)采礦”的內(nèi)涵[2-4]后，明確了其研究的任務(wù)和方向。在理論方面，采礦地質(zhì)條件的研究[5-7]旨在構(gòu)建保水采煤地質(zhì)模型;淺埋煤層礦山壓力與巖層移動規(guī)律的研究[8-10]旨在解決采煤擾動的問題;關(guān)鍵隔水巖土層的采動滲透性變化研究[11-13]旨在解決采動滲流的問題;采動淺表土壤結(jié)構(gòu)、含水率的研究[14-16]旨在解決采動生態(tài)影響的問題。在實踐方面，為構(gòu)建保水采煤地質(zhì)模型，對研究區(qū)的地質(zhì)條件進行了大量的補充勘察、測試及監(jiān)測[17-19];為明確采煤擾動和滲流規(guī)律，進行了大量的試采和觀測[20-22]，并在此基礎(chǔ)上提出了保護層留設(shè)方法[23]、保水煤柱留設(shè)方法[24];為解決可用水資源量保護的問題，提出了采空區(qū)儲水供水技術(shù)[25]、含水層轉(zhuǎn)移存儲技術(shù)[26]等;為解決生態(tài)環(huán)境保護的問題，提出了基于生態(tài)水位保護的保水采煤方法[27]、微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)[28]等。我國西北地區(qū)的研究成果十分豐碩，在此基礎(chǔ)上又有學(xué)者將我國石炭二疊紀(jì)帶壓開采區(qū)納入保水采煤范疇，初步形成了保水采煤的技術(shù)體系[29-31]。但是很少有學(xué)者關(guān)注到同樣是西部生態(tài)脆弱區(qū)的華南地區(qū)，特別是六盤水地區(qū)的保水采煤問題。貴州是我國第四大產(chǎn)煤基地，且喀斯特地貌分布面積巨大(占貴州省面積70%以上)，存在著石漠化的風(fēng)險。已有的研究表明，采煤會促進石漠化的發(fā)生，但其中地質(zhì)模式少有人開展系統(tǒng)研究。

筆者在剖析西南巖溶山區(qū)煤-水關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建西南巖溶山區(qū)保水采煤地質(zhì)模型，并分析采煤對生態(tài)影響的途徑及機理，提出針對性保水采煤措施。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)屬于貴州省六盤水煤田發(fā)耳礦區(qū)(圖1)，六盤水煤田是我國規(guī)劃的14個億噸級煤炭基地中云貴煤炭基地的核心煤炭產(chǎn)區(qū)，煤炭儲量約500億t，是華南最大的煤田，2017年六盤水市煤炭產(chǎn)量居貴州省第1。研究區(qū)龍?zhí)督M可采煤層15層，各煤層總體薄，主采煤層集中在1～3 m，煤層傾角集中在15°～25°，煤層上覆地層由新到老依次是:第四系(Q)、三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)和飛仙關(guān)組(T1f)和二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤系地層(P3l)。

研究區(qū)屬于云貴高原地區(qū)，年平均降水量1 223.6 mm(約是我國西北生態(tài)脆弱地區(qū)降雨量的3倍)，多集中于下半年。但由于研究區(qū)主要是喀斯特地區(qū)，降水絕大多數(shù)產(chǎn)生地表徑流，因此研究區(qū)多為雨季澇，旱季缺水，2009年就出現(xiàn)了大面積的干旱災(zāi)害。

在生態(tài)方面，本地區(qū)由于降雨量豐富，有喬、灌、竹、草等類型植被，植被覆蓋率和長勢較我國西北地區(qū)明顯更好(調(diào)查結(jié)果如圖2(a)所示)。但是，研究區(qū)為喀斯特地區(qū)，已有的研究證明該地區(qū)灰?guī)r風(fēng)化成土壤的速度十分緩慢(據(jù)對貴州133個樣點分析，貴州地區(qū)每形成1 cm厚的風(fēng)化土層需要4 000余年，慢者需要8 500 a[32])，且雨季降雨會產(chǎn)生大量的水土流失，因此雖然本區(qū)降雨量豐富，但是一旦水土流失，喀斯特巖石暴露地表(圖2(b)暴露地表的石筍)，生態(tài)環(huán)境將大規(guī)模退化，因此本區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，特別是煤炭開采必然進一步使脆弱的生態(tài)環(huán)境退化，甚至石漠化，已有數(shù)據(jù)表明六盤水地區(qū)是我國西南石漠化最嚴(yán)重區(qū)域之一。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

圖2 研究區(qū)生態(tài)對比Fig.2 Ecological contrast photos in the study area

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析

研究區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，大氣降水、地表水和地下水3者聯(lián)系緊密，其中地表水和地下水以大氣降水補給為主，結(jié)合地質(zhì)觀測結(jié)果，地下各含水層之間的水力聯(lián)系、淺表水與采煤工作面的水力聯(lián)系剖析如下：

(1)地下水含水層特征。

礦區(qū)內(nèi)出露的與礦床充水有關(guān)的地層除第四系外，主要為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組、飛仙關(guān)組，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M。各含水層(段)特征見表1，可以看出煤層上覆各含水層除第四系和永寧鎮(zhèn)組外，其余導(dǎo)水性較差。通過勘探階段同一鉆孔揭露不同地層水位觀測情況(鉆孔水位驟升驟降，如在飛仙關(guān)組1個鉆孔揭露30余個含水段，相鄰含水層段鉆孔水位相差100 m左右)，可以看出各基巖含水層水力垂向聯(lián)系不密切，即煤層上覆隔水層天然狀態(tài)下隔水性好。

(2)采煤工作面與淺表水聯(lián)系。

前已述及，研究區(qū)各基巖含水層垂向聯(lián)系不緊密，但煤炭開采過程中，發(fā)現(xiàn)礦井涌水中多有第四系松散層及大氣降水參與(圖3，降雨之后立刻工作涌水量立刻有所響應(yīng))。

綜上，可以看出研究區(qū)地下水含水層之間垂向聯(lián)系不緊密，但采煤后淺表水與工作面聯(lián)系十分緊密，說明必然存在其他水力聯(lián)系通道。為此，對研究區(qū)構(gòu)造分析如下。

1.2 研究區(qū)構(gòu)造概況分析

研究區(qū)為構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，礦區(qū)都有大型背斜和向斜背景，但由于井田范圍相對較小，煤礦基本處于1個單斜范圍內(nèi)，并有大量的斷層發(fā)育，以研究區(qū)1個煤礦的構(gòu)造為例說明如下。

表1 含水層(段)劃分Table 1 Chart of aquifer (section) division

圖3 研究區(qū)降雨與采煤涌水的關(guān)系Fig.3 Relationship between rainfall and coal gushing in study area

1.2.1 褶 皺

研究區(qū)米籮煤礦處于一單斜構(gòu)造范圍內(nèi)。地層走向50°～119°，傾向320°～29°，傾角15°～30°，次一級褶皺不發(fā)育，但斷層產(chǎn)生的牽引小褶曲局部發(fā)育。單斜構(gòu)造是各基巖含水層與第四系含水層側(cè)向接觸的原因(圖4(a))。

圖4 研究區(qū)典型構(gòu)造Fig.4 Typical geological structure in study area

1.2.2 斷 層

研究區(qū)米籮煤礦斷層較為發(fā)育，影響煤系地層的斷層有27條，其中斷層落差大于30 m的有7條，小于30 m的有20條，89%的斷層為正斷層，有一定導(dǎo)水性，但斷層規(guī)模不大，沒有貫穿煤系地層的斷層，說明在礦區(qū)范圍內(nèi)無斷層導(dǎo)水通道直接溝通煤層和第四系生態(tài)潛水含水層。由此可見，斷層產(chǎn)生裂隙雖然沒有垂向溝通第四系含水層與煤層，但其可為地下水的側(cè)向?qū)ǖ?圖4(b))。

2 研究區(qū)煤-水組合關(guān)系

2.1 研究區(qū)采煤驅(qū)動生態(tài)石漠化過程

綜合以上地質(zhì)條件分析，可以看出研究區(qū)煤炭開采前植被主要依靠淺表水、土壤養(yǎng)分生存，但由于降雨和地形地貌原因，會產(chǎn)生一定的水土流失，但植被覆蓋率高、喬灌木多的地區(qū)，水土流失相對較小。水土流失會導(dǎo)致下伏基巖裸露，進而產(chǎn)生石漠化，會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，這一過程相對比較漫長。但是，當(dāng)煤炭開采后，植被所依存的生態(tài)潛水會有不同程度的影響，一般表現(xiàn)為潛水位下降，水位的下降會導(dǎo)致植被不同程度的退化(數(shù)量和類群的變化)，這會新增一部分水土流失，水土流失又會造成生態(tài)進一步退化，惡性循環(huán)，就加快了研究區(qū)的石漠化進程(圖5)。就煤炭開采與生態(tài)潛水的關(guān)系闡釋如2.2節(jié)。

圖5 采煤水位變化驅(qū)動石漠化流程Fig.5 Flow chart of rocky desertification driven by water level change with mining

2.2 研究區(qū)煤-水組合關(guān)系

依據(jù)前述地質(zhì)條件分析，構(gòu)建研究區(qū)煤炭開采前“煤”與“水的”關(guān)系如圖6所示，主要特征如下:

圖6 研究區(qū) 煤-水組合關(guān)系示意Fig.6 Schematic diagram of the combination of “coal”-“water” in study area

(1)研究區(qū)支撐生態(tài)植被生長的水源為第四系松散孔隙含水層。

由于研究區(qū)降雨較為集中，非雨季的植被生存是該區(qū)“保水采煤”的關(guān)鍵。第四系為孔隙含水層，相對裂隙和巖溶含水層，有調(diào)節(jié)水資源時空分布不均勻的機能。通過鉆孔顯微高速攝像技術(shù)(圖6中通過高速攝像捕捉地下水中懸浮的顆粒的運動)，探測到第四系松散層流速為1.2～101.5 μm/s，即松散層1 a的徑流路徑長度只有37.8～3 200.9 m，可以看出大氣降水一旦入滲到松散層，1個小的水文地質(zhì)單元就可以保持水資源1個水文周期內(nèi)不會因為排泄而大量流失。

(2)煤層及上覆巖層與第四系地層側(cè)向接觸是生態(tài)潛水下降的主要通道。

研究區(qū)煤層與我國陜北地區(qū)不同，煤層有一定的傾角，這使得煤層與松散層可以直接在煤層露頭出接觸，形成側(cè)向接觸。而煤層上覆基巖厚度十分巨大，約在800～1 000 m厚，而研究區(qū)煤層厚度僅1～3 m，即便在小規(guī)模斷層活化的基礎(chǔ)上，采動裂隙也極難垂向?qū)ɑ鶐r。因此，煤炭開采產(chǎn)生的裂隙帶與原生裂隙或與松散層溝通，襲奪第四系生態(tài)潛水是導(dǎo)致生態(tài)潛水下降的主要方式。

3 研究區(qū)煤炭開采對生態(tài)水位影響

3.1 煤炭開采導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律

前述煤-水關(guān)系表明，煤炭開采直接影響生態(tài)水的關(guān)鍵在于采動導(dǎo)水裂隙帶。已有的研究表明，影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的因素很多，結(jié)合本地區(qū)的采礦、地質(zhì)條件，認為主要影響因素應(yīng)該包括采厚、煤層傾角、構(gòu)造、地形及采礦方法等。研究區(qū)及周邊礦區(qū)已有的研究證明見表2。由表2可以看出導(dǎo)水層高度集中在采厚的10.24～17.08倍，導(dǎo)水層高度與煤層傾角正相關(guān)。依據(jù)此可以看出研究區(qū)最大導(dǎo)高發(fā)育到飛仙關(guān)組。

表2 研究區(qū)導(dǎo)高統(tǒng)計Table 2 Statistics of height of the water conducting fissure zone in study area

3.2 采動相對隔水層變化特征

前已述及，研究區(qū)基巖厚度較大，煤炭開采產(chǎn)生的裂隙場僅能溝通煤層一定范圍內(nèi)的基巖厚度，但整體移動帶中巖體也會受到卸載作用，發(fā)生一定滲透性變化，這種變化對水害防治意義不大，但對于含水較少的潛水含水層的生態(tài)意義較大。因此，對研究區(qū)煤層主要巖性(白云質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖)取樣進行了三軸卸載實驗(采用MTS測試)，結(jié)果如圖7所示，可以看出:粉砂巖和白云質(zhì)灰?guī)r在卸壓作用下滲透系數(shù)上升，約上升1個數(shù)量級，但由于白云質(zhì)灰?guī)r在無裂隙條件下抗?jié)B性能突出，卸載作用影響不顯著。因此，煤炭開采造成導(dǎo)水裂隙帶以上的部分粉砂巖弱透水，但白云質(zhì)灰?guī)r厚度較大，在無構(gòu)造導(dǎo)水時，垂向滲流微弱。

圖7 研究區(qū)相對隔水巖性卸載滲透性變化Fig.7 Permeability change of relative aquifers with unload in study area

3.3 采煤側(cè)向滲流模擬

3.1和3.2節(jié)研究發(fā)現(xiàn)本區(qū)區(qū)別于我國西北地區(qū)，煤炭開采垂向滲流微弱，因此煤炭開采主要通過采動裂隙范圍間接側(cè)向襲奪生態(tài)潛水導(dǎo)致水位下降。采用水-電相似模擬技術(shù)開展相關(guān)的研究如下。

3.3.1 模型的構(gòu)建

本次模擬軟件選用Matlab中的simulink，依據(jù)的原理是地下水動力學(xué)中的水-電相似定律，相關(guān)的模型設(shè)置基本方法參考文獻[23],R-C網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建具體如下:

將前述地質(zhì)條件進行簡化，簡化為3層(表3)，即:第四系生態(tài)潛水層、關(guān)鍵基巖隔水層和煤層上覆弱裂隙含水層。其中第四系生態(tài)潛水層實際厚度取30 m，用2層電阻進行模擬，由于其為含水層，因此在垂向和水平向均設(shè)置電阻來模擬;關(guān)鍵基巖隔水層在800 m，為簡化模型，將其等價為1層電阻數(shù)值巨大的電路;煤層上覆弱裂隙含水層實際厚度取40 m，用2層電阻進行模擬，由于其為含水層因此在垂向和水平向均設(shè)置電阻，其中水平電阻從露頭向下電阻逐漸增加(由0.05 Ω降低到0.005 Ω，降低幅度由不同深度地層滲透性確定)來模擬。以上總共設(shè)計10個節(jié)點，節(jié)點10處為煤層上覆弱裂隙含水層與第四系生態(tài)潛水層側(cè)向露頭處，因此直接跨越中間的關(guān)鍵基巖隔水層設(shè)置1個側(cè)向連接電阻(電阻值依據(jù)風(fēng)化帶

滲透系數(shù)確定取0.001 Ω)直接連接。第四系潛水層由右到左電壓由90 V升至100 V(代表水由左向右滲流)，至煤層上覆弱裂隙含水層接地，由此構(gòu)成電路邊界條件。模型網(wǎng)格劃分為10個，從左到右依次設(shè)置，模型概化如圖8所示。

表3 模型對照Table 3 Compare of model and actuality

圖8 側(cè)向補給的電路模型概化Fig.8 R-C model of lateral recharge

3.3.2 模型運行及結(jié)果分析

(1)模型運行方式

模型運行方式是:煤層從左到右開采(煤柱留設(shè)分別為180,160,140,120,100,80,60,40,20 m)，相當(dāng)于逐步接近于側(cè)向露頭處(相鄰節(jié)點煤柱留設(shè)差20 m)。將煤層開采導(dǎo)水裂隙范圍內(nèi)的電阻短路處理，導(dǎo)水裂隙范圍外依據(jù)卸載實驗電阻下降0～1個數(shù)量級處理。模擬開采過程中，對節(jié)點10處的電壓進行觀測，依據(jù)模型建設(shè)相似比(本次取1∶1)，反算該點的水位降深(即不同煤柱留設(shè)下的水位降深響應(yīng))。

(2)模擬結(jié)果及分析

由圖9可以看出，采煤造成潛水位下降的突變點在100 m，煤柱留設(shè)超過100 m潛水含水層水位下降在0.5 m以內(nèi);煤柱留設(shè)為80 m時，潛水位下降3 m;煤柱留設(shè)20 m時，潛水位下降15 m。另外，影響水位下降的另一個因素是側(cè)向與潛水連接的含水層的風(fēng)化程度，研究區(qū)風(fēng)化帶多受侵蝕基準(zhǔn)面控制，侵蝕基準(zhǔn)面以上煤炭資源開會導(dǎo)致潛水位下降更多，而侵蝕基準(zhǔn)面以下煤炭資源開采對生態(tài)水位影響不大。本次模擬的結(jié)果驗證了這一點。

圖9 研究區(qū)采煤對生態(tài)水位影響Fig.9 Influence of coal mining on the ecological water level in study area

4 研究區(qū)保水采煤措施

4.1 研究區(qū)生態(tài)適生水位

王雙明院士團隊研究認為，生態(tài)是否會受到采煤影響，關(guān)鍵在于煤炭開采后水位是否保持在生態(tài)適生水位范圍內(nèi)。本次研究區(qū)域在華南地區(qū)，而已有的研究成果大多數(shù)集中在西北，認為潛水位埋深1.5～5.0 m為西北生態(tài)適生水位范圍，低于上限容易發(fā)生土壤鹽漬化，高于下限容易造成土壤含水量下降，達到植被凋萎系統(tǒng)，發(fā)生植被退化[12-13]。

由此可見，生態(tài)適生水位主要與土壤類型、植被類型及氣候條件相關(guān)。在土壤類型方面，同一區(qū)域地質(zhì)條件下，黏性土比沙土的含水量要高，植被長勢更好，需要的生態(tài)潛水位埋深更深。在植被類型方面，華南地區(qū)植被覆蓋率高，潛水位下降主要造成喬灌木類的退化，這類植被相比草本類植被的土壤附著力更大，其退化過程促進水土流失，因此華南地區(qū)保水采煤應(yīng)以保護喬灌木類植被的生態(tài)需水為主。在氣象方面，華南地區(qū)降雨量較西北地區(qū)大的多。由表4中國的西北和華南的3個因素的對比，結(jié)合文獻[33]中研究結(jié)果認為，華南地區(qū)保水采煤生態(tài)適生水位下限大于西北地區(qū)的下限。由于各影響因素復(fù)雜多變(華南松散層除黏性土外還含有不同程度的碎石、沙等)，本次研究為了偏生態(tài)安全，仍然取5 m。結(jié)合前述模擬結(jié)果，典型地質(zhì)條件下煤柱留設(shè)至少應(yīng)該達到80 m才能有效保持生態(tài)水位。

表4 生態(tài)適生水位對比Table 4 Compare of ecological water level

4.2 側(cè)向滲流防治措施

前已述及潛水位下降的主要原因是，潛水含水層通過煤層上覆基巖含水層滲流入采空區(qū)，已有的探測成果顯示，煤層上覆基巖含水層特點為:含隔水層互層(含水層層數(shù)大于10層)、強非均質(zhì)灰?guī)r含水層(滲透性差異巨大)、滲透性相對較低(大型巖溶區(qū)不適合采用本方法)，對這一類含水層的滲流控制，下面以工程案例的步驟開展簡述如下:① 在煤炭開采到煤柱垂高剩余80 m時，在地面實施鉆孔，鉆孔沿工作面走向排列，每隔10 m布置1個鉆孔，共計7個鉆孔;② 在鉆孔中采用鉆孔高速攝像技術(shù)，對導(dǎo)高影響范圍內(nèi)的基巖含水層段分別進行地下水流速流向測定;③ 確定地下水主要滲流層位:基于鉆孔流速和水力坡度，結(jié)合達西定律計算的滲透系數(shù)大于0.01 m/d層位即為主要滲流層位;④ 對主要的滲流層位進行帷幕注漿封堵(封堵的方向可依據(jù)鉆孔流向的觀測結(jié)果，在來水方向進行封堵)，不同的水文地質(zhì)條件可提高的上限有差異，本次研究可縮短40 m煤柱，經(jīng)計算經(jīng)濟上合理。

5 結(jié) 論

(1)我國西南巖溶山區(qū)喀斯特覆蓋面積大、生態(tài)環(huán)境脆弱，但煤炭儲量巨大(僅六盤水煤田儲量約500億t)。該地區(qū)煤炭開采造成生態(tài)潛水位下降，進而造成水土流失，促使該地區(qū)石漠化發(fā)展，西南巖溶山區(qū)保水采煤意義重大。

(2)西南巖溶山區(qū)煤層開采厚度小(1～3 m)，上覆基巖厚度大(800～1 000 m)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育有限(無法直接溝通生態(tài)潛水)，隔水層性能好(導(dǎo)高以上相對隔水巖層卸載后仍能有效隔水)，垂向滲流微弱。煤層有一定的傾角，側(cè)向與松散層接觸，存在明顯的側(cè)向滲流，煤-水關(guān)系為側(cè)向滲流型。

(3)該地區(qū)煤炭開采需合理留設(shè)保水煤柱，研究區(qū)典型地質(zhì)條件下模擬顯示煤柱留設(shè)80 m時能達到保水采煤效果，生態(tài)潛水可以控制在生態(tài)適生埋深。而工作面完成回采后超前注漿可以最大限度協(xié)調(diào)煤炭開采和生態(tài)環(huán)境保護的矛盾。