張建民，李全生,2，曹志國(guó),2，郭洋楠，郭俊亭

(1.煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100021; 2.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100021)

針對(duì)我國(guó)煤炭規(guī)?；_(kāi)采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如何依靠技術(shù)進(jìn)步，通過(guò)煤炭資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采，將采礦活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響降低到最小程度是煤炭開(kāi)發(fā)亟待解決的重大實(shí)踐問(wèn)題。前人根據(jù)科學(xué)與實(shí)踐的需要，相繼提出促進(jìn)煤炭資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)理念及一系列面向不同情景的開(kāi)采理念與集成技術(shù)體系，包括:煤炭資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采[1]、綠色開(kāi)采[2-3]、保水開(kāi)采[4-6]、仿生共采[7]、精準(zhǔn)開(kāi)采[8]、科學(xué)開(kāi)采[9-10]等;同時(shí)結(jié)合具體開(kāi)采實(shí)踐也提出了針對(duì)性技術(shù)模式和解決方案，如綠色開(kāi)采技術(shù)體系[11]、煤與瓦斯共采技術(shù)[12]、保水開(kāi)采[13]、煤-水仿生共采模式、煤-鈾共采模式[14]和煤礦地下水庫(kù)模式與關(guān)鍵技術(shù)[15]。為客觀(guān)評(píng)價(jià)煤炭開(kāi)采的科學(xué)性，相繼提出了協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)方法[16]、科學(xué)開(kāi)采產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法[10]、科學(xué)采礦評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和指數(shù)評(píng)價(jià)模型[17]。

綠色開(kāi)采作為一種先進(jìn)的開(kāi)采理念和技術(shù)，是在煤炭安全高效開(kāi)采技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，針對(duì)開(kāi)采引發(fā)的生態(tài)問(wèn)題而提出的技術(shù)愿景和實(shí)踐解決技術(shù)途徑。前人提出的各種綠色開(kāi)采模式及集成技術(shù)極大豐富了我國(guó)煤炭現(xiàn)代開(kāi)采技術(shù)的內(nèi)涵，而特色各異的綠色開(kāi)采評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法又為定量分析綠色開(kāi)采水平提出了有益的方法。然而，綠色開(kāi)采本質(zhì)上也是涵蓋自然資源、生態(tài)、采礦等要素和復(fù)雜耦合關(guān)系的系統(tǒng)工程，筆者則秉承“綠色開(kāi)采”理念，試圖從系統(tǒng)工程和生態(tài)學(xué)視角，將開(kāi)采過(guò)程與生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)相結(jié)合，探究綠色開(kāi)采內(nèi)涵與“邊界”、綠色開(kāi)采定量評(píng)價(jià)方法、控制綠色開(kāi)采水平的主要因素及順應(yīng)自然生態(tài)規(guī)律的深部煤炭綠色開(kāi)采模式，為深部煤炭綠色開(kāi)采實(shí)踐提供適宜的理論與方法。

1 采礦生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)及損傷

1.1 采礦生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)

煤炭綠色開(kāi)采是在安全高效保障和生態(tài)環(huán)境要素約束下的采礦工程，從系統(tǒng)學(xué)看它包含了采礦工程要素(采礦裝備、工藝、煤巖體等)和自然生態(tài)系統(tǒng)要素(水、土、植被等)、開(kāi)采“激勵(lì)”作用過(guò)程中各種要素間動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系和生態(tài)要素(地下水系統(tǒng)、土壤和地表植被等)的開(kāi)采響應(yīng)，是采礦系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)組成的復(fù)合系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)為“采礦生態(tài)系統(tǒng)”)。系統(tǒng)的空間域是自然生態(tài)系統(tǒng)受采礦影響的范圍，時(shí)間域是采礦對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)作用時(shí)間，生態(tài)要素外在表象則反映了采礦作用下生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化。

如以S表達(dá)采礦生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，S0為無(wú)開(kāi)采激勵(lì)作用時(shí)系統(tǒng)原態(tài)(或“自然”狀態(tài))，St為開(kāi)采激勵(lì)作用時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)，Mt為開(kāi)采激勵(lì)，則系統(tǒng)狀態(tài)可表述為

St=M(x,mc,…,t)?S0(x,c,w,v,……)

(1)

式中，M包括狀態(tài)點(diǎn)空間位置x及開(kāi)采參數(shù)組mc(采高h(yuǎn)c、采寬Lx、采深H0和推進(jìn)速度等);S0函數(shù)包括煤、水、氣和生態(tài)(c,w，g,v)等資源要素及狀態(tài)參量;t代表時(shí)間;?為耦合關(guān)系算子，且有St=S0(t=0)。

1.2 采動(dòng)“激勵(lì)”生態(tài)響應(yīng)機(jī)制

煤炭開(kāi)采是持續(xù)對(duì)煤巖體施加作用(簡(jiǎn)稱(chēng)為采動(dòng)激勵(lì))，周?chē)鷳B(tài)要素受到影響并發(fā)生變化的過(guò)程(簡(jiǎn)稱(chēng)為生態(tài)響應(yīng))。該過(guò)程中，采礦生態(tài)系統(tǒng)不同要素之間耦合作用方式(如水-巖、水-土等)決定了生態(tài)要素變化尺度、變化強(qiáng)度和顯現(xiàn)范圍(或生態(tài)“異常”響應(yīng))。根據(jù)采動(dòng)激勵(lì)與生態(tài)系統(tǒng)要素(水、土、植被等)相互作用和彼此影響方式，耦合作用(圖1)主要顯現(xiàn)為:

(1)采動(dòng)耦合作用。該作用是指采動(dòng)“激勵(lì)源”(使用開(kāi)采裝備持續(xù)挖掘)與煤巖體間相互作用現(xiàn)象。采動(dòng)耦合作用中，采動(dòng)應(yīng)力致使原巖破碎或產(chǎn)生裂隙構(gòu)造，導(dǎo)致采動(dòng)煤層覆巖原巖的直接損傷，形成的采動(dòng)覆巖“導(dǎo)水裂隙帶”為地下水流動(dòng)提供了異常通道。

圖1 采動(dòng)“激勵(lì)”生態(tài)響應(yīng)機(jī)制

(2)水-巖耦合作用。該作用是指地下水系統(tǒng)與采動(dòng)巖體間的相互作用現(xiàn)象。由于導(dǎo)水裂隙帶建立了采區(qū)地下水(含水層巖石空隙水)泄漏通道，驅(qū)動(dòng)地下水區(qū)域流場(chǎng)重新分布，破壞了原有地下水系統(tǒng)補(bǔ)-徑-排原態(tài)平衡關(guān)系，造成自然含水層失水和地下水系統(tǒng)失衡。

(3)水-土耦合作用。該作用是指淺層地下水(土壤水和潛水)與近地表受采動(dòng)影響巖土間相互作用現(xiàn)象。采動(dòng)作用下地下潛水流失(地表蒸發(fā)或地下滲流)，致使地表土壤水蒸發(fā)，且缺失地下潛水補(bǔ)給，改變了植物生長(zhǎng)的水分條件，提高了地表水土流失和植被退化程度，導(dǎo)致原態(tài)地表土壤功能下降。

(4)采動(dòng)傳遞耦合作用。該作用是指采動(dòng)“激勵(lì)源”與地表層巖土相互作用現(xiàn)象。該作用通過(guò)巖體介質(zhì)將采動(dòng)應(yīng)力作用傳遞至地表，造成地表生態(tài)載體—地表層巖土結(jié)構(gòu)破碎，引發(fā)地表裂縫和沉陷、植物根系拉傷、土壤含水性和養(yǎng)分降低等，造成水土流失和植被退化等生態(tài)響應(yīng)現(xiàn)象。

(5)傳導(dǎo)耦合作用。該作用是指采礦生態(tài)系統(tǒng)與外部生態(tài)系統(tǒng)的相互影響現(xiàn)象。采礦過(guò)程中無(wú)法處理或“消納”的廢棄物(廢矸、廢水、廢氣等)外排，通過(guò)地表堆積、流域排放和空氣傳播形式將采動(dòng)影響“傳導(dǎo)”至系統(tǒng)外部，致使原態(tài)區(qū)域生態(tài)環(huán)境(土壤、水域、大氣等)產(chǎn)生“污染”現(xiàn)象。

由于各生態(tài)要素(水、土、植被等)的空間賦存位置和空間耦合方式差異，生態(tài)“異?！表憫?yīng)具有顯著的時(shí)空特點(diǎn)。如果將采礦生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)空間St中采動(dòng)覆巖概化為含兩個(gè)含水層的5層介質(zhì)，采動(dòng)激勵(lì)生態(tài)響應(yīng)可概化為 “臺(tái)柱狀”采動(dòng)耦合效應(yīng)區(qū)(Vr)、“臺(tái)柱+盆”狀水-巖耦合效應(yīng)區(qū)(Vw1+Vw2)、“曲面態(tài)”水-土-植被耦合效應(yīng)區(qū)(Sk+Sc+Sw)及擴(kuò)散態(tài)外部傳導(dǎo)區(qū)(圖2)。

圖2 采動(dòng)激勵(lì)耦合空間概化模型

1.3 生態(tài)損傷

采動(dòng)激勵(lì)引發(fā)的生態(tài)“異?！表憫?yīng)，反映了生態(tài)系統(tǒng)各要素原始狀態(tài)與采動(dòng)激勵(lì)作用狀態(tài)相比發(fā)生的負(fù)面變化(或受損)，各要素受損的集合即為采礦作用下生態(tài)系統(tǒng)的損傷(簡(jiǎn)稱(chēng)為生態(tài)損傷)，或是生態(tài)系統(tǒng)各要素與采動(dòng)“激勵(lì)”耦合響應(yīng)結(jié)果的總和。生態(tài)“異?！表憫?yīng)也是采礦生態(tài)系統(tǒng)的重要特征。

基于采礦生態(tài)系統(tǒng)中巖、水、地表生態(tài)三大基本類(lèi)型和內(nèi)在耦合關(guān)系，結(jié)合以往相關(guān)研究與認(rèn)識(shí)[18-20]，按照科學(xué)性、代表性、可操作性原則，優(yōu)選反映“受損”狀態(tài)的主要參數(shù)，通過(guò)比較原態(tài)與受損態(tài)時(shí)相對(duì)變化描述生態(tài)損傷程度。

(1)采動(dòng)覆巖。采動(dòng)覆巖泛指采動(dòng)煤層之上至地表的一套地層，也是地下水賦存和地表生態(tài)要素的載體，導(dǎo)水裂隙帶和地表塌陷等是采動(dòng)覆巖原巖響應(yīng)的主要標(biāo)志。導(dǎo)水裂隙帶越高和裂隙越發(fā)育，采動(dòng)覆巖受損程度越大;當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶延伸至含水層時(shí)，裂隙越發(fā)育則滲流性越好，含水層受損程度越大;導(dǎo)水裂隙帶距地表越近，地表層結(jié)構(gòu)破壞越強(qiáng)烈，對(duì)地表生態(tài)要素影響也越大;采動(dòng)固體廢棄物(如矸石)排出量越大，對(duì)外部生態(tài)環(huán)境影響越大。據(jù)此提出可描述采動(dòng)覆巖受損狀態(tài)的主要參數(shù)為

(2)

式中，φrr為采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育因子;φrw為含水層損傷因子;φre為地表結(jié)構(gòu)損傷因子;φrd為傳導(dǎo)因子;下標(biāo)r,w，e和d分別代表采動(dòng)覆巖、地下水、地表生態(tài)要素和損傷擴(kuò)散作用;∑ΔHwc和∑ΔHw為導(dǎo)水裂隙帶中含水層厚度及采動(dòng)覆巖中含水層總厚度;C0和Ct為產(chǎn)矸量和排矸量。

(2)地下水系統(tǒng)。地下水系統(tǒng)泛指自然賦存的含水層及相互間的補(bǔ)-徑-排關(guān)系。采動(dòng)激勵(lì)引發(fā)的采區(qū)涌水(或礦井涌水)和地下水“漏斗”擴(kuò)散，導(dǎo)致地下水自然系統(tǒng)“失水”和補(bǔ)-徑-排原態(tài)關(guān)系紊亂，也是地下水系統(tǒng)的采動(dòng)響應(yīng)主要標(biāo)志。礦井水涌出量與自然含水層失水量相對(duì)呈正比，自然含水層受損厚度越大，其儲(chǔ)水功能越差;第四系潛水含水層水位下降越大，補(bǔ)給地表生態(tài)能力越差，且對(duì)自然地表生態(tài)影響越大;相同礦井水涌水量時(shí)，采深越小和含水層厚度越大，地下水漏斗范圍和地表生態(tài)受影響面積越大。據(jù)此提出可描述地下水系統(tǒng)受損狀態(tài)的主要參數(shù)為

(3)

(3)地表生態(tài)。地表生態(tài)涵蓋土壤、包氣帶水、植物等要素及內(nèi)在耦合關(guān)系。植被退化是采動(dòng)地表生態(tài)響應(yīng)的宏觀(guān)顯現(xiàn)，土壤結(jié)構(gòu)碎裂化(地表裂縫)、土壤水(包氣帶水)流失和植物根系損傷是地表生態(tài)響應(yīng)重要標(biāo)志。植被覆蓋度降低越大，意味著地表生態(tài)退化越嚴(yán)重;地表裂縫密度越大，包氣帶含水率降低越大，對(duì)土壤和植物根系破壞越強(qiáng)，則地表植物受損程度越強(qiáng)。據(jù)此提出可描述地表生態(tài)受損狀態(tài)的主要參數(shù)為

(4)

式中，φev為植被覆蓋度因子;φes為土壤損傷因子;φew為包氣帶失水率;φeg為植物根系損傷因子;下標(biāo)v,s和g分別代表植被、土壤和植物根系;N0為自然植被覆蓋度;Nt為采后植被覆蓋度;Sc為單位開(kāi)采面積;Dt和Lt分別為平均裂縫寬度和裂縫總長(zhǎng)度;ρ0為包氣帶采前自然含水率;ρt為采后含水率;γg為單位面積植物根系損傷率。

(4)區(qū)域生態(tài)。區(qū)域生態(tài)泛指影響區(qū)域人類(lèi)生存與發(fā)展的水、土地、生物及氣候資源等。開(kāi)采主要廢棄物(如矸石、廢水、廢氣)通過(guò)固態(tài)堆積、流域輻射、氣體擴(kuò)散等途徑向采礦生態(tài)系統(tǒng)外部區(qū)域輸出，造成區(qū)域生態(tài)自然狀態(tài)的“紊亂”。廢棄物外排是對(duì)外部生態(tài)損傷的主要方式，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)形成的廢棄物總量一定時(shí)，排棄比例越大，對(duì)區(qū)域生態(tài)影響程度也越大，而外排廢棄物與周?chē)鷤鲗?dǎo)介質(zhì)的深度耦合作用(如矸石與廢棄水、煤泥等)都增加了采礦對(duì)區(qū)域生態(tài)的影響程度。據(jù)此提出可描述外部生態(tài)受損狀態(tài)的主要參數(shù)為

(5)

式中，φpr為固體廢物排棄率;φpw為廢水排放率;φpg為廢氣(有害氣體)排放率;φpd為耦合影響因子;Rt為固體廢棄物排棄量;R0為固體廢棄物產(chǎn)出總量;Qt，Q0分別為礦井水排棄量和產(chǎn)出總量;Vt，V0分別為有害氣體排放量和產(chǎn)出總量。

此時(shí)，如以St代表系統(tǒng)的受損狀態(tài)，t為時(shí)間，則St與原態(tài)S0比較，其相對(duì)變化λt為

(6)

其中，λt為采動(dòng)激勵(lì)作用下采礦生態(tài)系統(tǒng)的受損狀態(tài)，可定義為“生態(tài)損傷系數(shù)”，采用各因子描述

λt=f(λ1,λ2,λ3,λ4,t)(λt≥0)

(7)

式中，f為由fr，fw，fe，fp因子共同決定的函數(shù)，fr，fw，fe，fp代表了生態(tài)損傷相互獨(dú)立的要素(采動(dòng)覆巖、地下水系統(tǒng)、地表生態(tài)、區(qū)域生態(tài))層函數(shù)，而φij(i,j=r,w,e,p)則代表相互獨(dú)立要素間耦合關(guān)系。

當(dāng)λt=0時(shí)，系統(tǒng)相對(duì)無(wú)損傷，系統(tǒng)狀態(tài)維持原態(tài)或優(yōu)于原態(tài);當(dāng)0<λt<1時(shí)，系數(shù)越大，系統(tǒng)受損狀態(tài)與原態(tài)差異越大，生態(tài)損傷程度也越大，當(dāng)生態(tài)損傷系數(shù)λt=1時(shí)，系統(tǒng)為顛覆性破壞狀態(tài)。

2 綠色開(kāi)采定義及度量

2.1 綠色開(kāi)采定義

綠色開(kāi)采是人們借用自然綠色描述一種煤炭開(kāi)采與自然和諧的情景。自然界中綠色則是代表安全、自然、環(huán)保等深意的顏色，從生態(tài)學(xué)角度則代表一種穩(wěn)定、平衡且可持續(xù)的自然生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，而開(kāi)采擾動(dòng)導(dǎo)致生態(tài)損傷，破壞了生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)的穩(wěn)定與平衡狀態(tài)。從采礦生態(tài)系統(tǒng)視角，綠色開(kāi)采則可定義為:遵從自然生態(tài)規(guī)律和煤炭開(kāi)采生態(tài)約束機(jī)制，依托先進(jìn)與適用的開(kāi)采技術(shù)控制和降低生態(tài)損傷程度，最大限度保持生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)自然穩(wěn)定關(guān)系，實(shí)現(xiàn)采礦與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的特殊采掘活動(dòng)。其內(nèi)涵包括:

(1)綠色開(kāi)采是一種受自然生態(tài)規(guī)律約束的采掘活動(dòng)。當(dāng)采掘活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境耦合作用時(shí)，突破自然資源和生態(tài)環(huán)境約束將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)不可修復(fù)。只有遵從自然規(guī)律，采用適宜的開(kāi)采方式有效控制生態(tài)損傷程度，建立開(kāi)采擾動(dòng)和自然生態(tài)環(huán)境間協(xié)調(diào)平衡，才能達(dá)到開(kāi)采與生態(tài)的“和諧”狀態(tài)。

(2)綠色開(kāi)采也是一種先進(jìn)的開(kāi)采方式。開(kāi)采效率最佳、采出率最好和采礦環(huán)境擾動(dòng)最小是現(xiàn)代開(kāi)采的基本目標(biāo)。而綠色開(kāi)采順應(yīng)了自然生態(tài)規(guī)律，強(qiáng)化自然資源和生態(tài)環(huán)境承載力約束，突破傳統(tǒng)開(kāi)采方式的局限，集成先進(jìn)和適用的開(kāi)采及生態(tài)保護(hù)技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化組織開(kāi)采過(guò)程，建立煤炭開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境之間的最佳耦合關(guān)系，確保生態(tài)要素基本性質(zhì)和關(guān)系變化最小。

(3)綠色開(kāi)采還是一個(gè)減少排放與“消納”廢棄物的過(guò)程。采礦生態(tài)系統(tǒng)與外部環(huán)境能量交換過(guò)程中，廢棄物(廢矸、廢水和廢氣等)通過(guò)空氣傳播、水域流動(dòng)和土壤遷移等途徑擴(kuò)散，造成生態(tài)受損的區(qū)域影響輻射。綠色開(kāi)采通過(guò)調(diào)整傳遞耦合基本關(guān)系和排棄的物料性質(zhì)，最大限度消納利用廢棄物，追求系統(tǒng)的“零排放”或“有效”輸出，降低煤炭開(kāi)采對(duì)區(qū)域生態(tài)的輻射影響。

因此，綠色開(kāi)采本質(zhì)上是在安全高效開(kāi)采基礎(chǔ)上，順應(yīng)自然生態(tài)規(guī)律，依靠技術(shù)進(jìn)步重構(gòu)開(kāi)采過(guò)程或優(yōu)化開(kāi)采程序，協(xié)同煤炭開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)煤炭規(guī)模開(kāi)采的高安全度和生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)的高保真度。

2.2 綠色開(kāi)采度量

綠色開(kāi)采核心是最大限度降低生態(tài)損傷程度與保持生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)自然穩(wěn)定關(guān)系，而降低損傷程度和原態(tài)保真程度則表征了開(kāi)采的綠色水平。如果采用綠色的純度(簡(jiǎn)稱(chēng)為“綠度”)代表開(kāi)采的綠色水平，則綠度越大，意味著開(kāi)采損傷程度越小、生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)保真度越高。針對(duì)采礦生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)特性及環(huán)境不確定性，以采前自然穩(wěn)定狀態(tài)作為參考基點(diǎn)，通過(guò)采前與采后狀態(tài)比較，度量開(kāi)采綠色水平，兩種不同開(kāi)采方案的綠度比較可度量綠色開(kāi)采的相對(duì)水平，評(píng)價(jià)綠色開(kāi)采的先進(jìn)性和生態(tài)保護(hù)效果。

如S0代表生態(tài)系統(tǒng)自然穩(wěn)定狀態(tài)(或原態(tài))，設(shè)Sa代表安全高效開(kāi)采“激勵(lì)”方式的系統(tǒng)狀態(tài)，λa為生態(tài)損傷系數(shù)，代入式(6)則得

Sa=(1-λa)S0

系數(shù)1-λa與生態(tài)損傷系數(shù)相比，意味著開(kāi)采激勵(lì)作用降低了與系統(tǒng)原態(tài)一致性水平，或采后生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)保真程度。若將原態(tài)保真程度定義為“綠度”G，則a開(kāi)采模式的綠度為

Ga=1-λa

(8)

可見(jiàn)，綠色開(kāi)采的生態(tài)學(xué)意義就是通過(guò)調(diào)整開(kāi)采激勵(lì)方式和控制開(kāi)采激勵(lì)過(guò)程，降低開(kāi)采對(duì)系統(tǒng)的生態(tài)損傷水平或提高生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)保真水平。

如Sg代表綠色開(kāi)采“激勵(lì)”時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)，則

Sg=(1-λg)S0

將綠色開(kāi)采與安全高效開(kāi)采兩種“激勵(lì)”方式間的綠度比較，其綠度差異ΔG為

采用η代表綠度相對(duì)差異，則有

(9)

式(9)表明，綠色開(kāi)采水平η是與綠色開(kāi)采和安全高效開(kāi)采之間的生態(tài)損傷差異成正比，它反映了綠色開(kāi)采降低生態(tài)損傷的本質(zhì)特征和要求，即，通過(guò)精準(zhǔn)控制開(kāi)采過(guò)程，最大限度降低開(kāi)采對(duì)生態(tài)系統(tǒng)損傷程度。同樣可以比較任意兩種開(kāi)采“激勵(lì)”方式之間開(kāi)采綠色相對(duì)水平。

3 綠色開(kāi)采數(shù)學(xué)模型

3.1 模型假設(shè)

3.1.1采礦生態(tài)系統(tǒng)情景

基于煤炭規(guī)?；_(kāi)采區(qū)域和主流開(kāi)采工藝，模型構(gòu)建選擇簡(jiǎn)單開(kāi)采地質(zhì)條件，兼顧東部和西部生態(tài)特點(diǎn)選擇基本參數(shù)和取值范圍。其中：

(1)煤、巖層呈水平層狀且均勻分布，巖性以中硬巖為主，開(kāi)采煤層深度300～1 200 m，涵蓋淺部與深部開(kāi)采狀態(tài);含水層n層，總厚度100 m，第四系含水層潛水面深度為5～10 m;地表植被自然覆蓋度30%～50%，土壤包氣帶自然含水率7%～15%。

(2)開(kāi)采優(yōu)選超大工作面布局(如工作面寬度Lx≥300 m，推進(jìn)長(zhǎng)度Ly>1 000 m)，采高3～15 m，一次采全高綜采或放采工藝，平均推進(jìn)速度3～15 m/d，采用頂板全部垮落式管理方式。

(3)采動(dòng)響應(yīng)參數(shù)中，導(dǎo)水裂隙帶高度一般取15～21倍采高距，含水層失水厚度與總厚度比為0.20～0.70;礦井水涌出量5 000～10 000 m3/d;采前植被覆蓋度為30%～60%，采后相對(duì)變化為10%～50%;采前包氣帶含水率為0.05～0.20，采后相對(duì)變化為0.2～0.9;地表裂縫密度為單位推進(jìn)距離產(chǎn)生的裂縫平均寬度與長(zhǎng)度之積與推進(jìn)面積之比;植物根系損傷率控制在0.01～0.40。

3.1.2系統(tǒng)的空間耦合關(guān)系與時(shí)間特征

(1)耦合關(guān)系及算法設(shè)定。假設(shè)采礦生態(tài)系統(tǒng)中巖、水、地表生態(tài)等均為相互獨(dú)立要素、具有獨(dú)立狀態(tài)和相互依存關(guān)系，每個(gè)狀態(tài)中包括了自耦合與互耦合作用(圖3)，其中自耦合反映了要素內(nèi)部(巖體、水體等)作用，互耦合代表兩種要素(水-巖、水-土)的互影響作用。該狀態(tài)中所有耦合的平均水平近似代表了獨(dú)立要素的受損狀態(tài)。因此，獨(dú)立要素可取和(+)算子，互耦合作用取積(×)算子。

圖3 采礦生態(tài)系統(tǒng)耦合響應(yīng)與綠度評(píng)價(jià)

(2)生態(tài)自修復(fù)。安全高效開(kāi)采模式下，采動(dòng)覆巖裂隙具有一定程度的自閉合趨勢(shì)，而軟巖泥化作用又逐步降低了裂隙滲流性，地表裂縫、土壤水分和養(yǎng)分、植被根系等均有向采前狀態(tài)恢復(fù)趨勢(shì)，意味著采后生態(tài)系統(tǒng)有自修復(fù)趨勢(shì)[20]。生態(tài)自修復(fù)程度和時(shí)間t為與各要素受損程度和其自身特性有關(guān)，隨著t增加，自修復(fù)程度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)可用指數(shù)衰減函數(shù)e-at表征時(shí)間特性，a為要素的衰減因子。

(3)排放廢棄物自然擴(kuò)散與降解。排放廢棄物通過(guò)地表土壤、水體和氣體流動(dòng)途徑形成自然擴(kuò)散，如露天堆放煤矸石經(jīng)風(fēng)化與淋溶作用使污染組分降解并通過(guò)土壤沉積和地下水流動(dòng)遷移[21]，排放至流經(jīng)河流的污染水體，經(jīng)吸附、吸收、沉淀等作用逐步“降解”在河流底泥中并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[22-23],排放的大量瓦斯經(jīng)大氣“稀釋”作用后污染物濃度隨擴(kuò)散距離增加而逐步低于國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)[24-25]。表明，排放廢棄物的污染強(qiáng)度隨與污染源距離增加而衰減，超過(guò)一定距離時(shí)污染水平低于排放標(biāo)準(zhǔn)，意味著其外部生態(tài)影響被“降解”在一定空間范圍內(nèi)。

如設(shè)污染物p(廢矸、廢水和廢氣等)的輸出率為φpd，環(huán)境影響擴(kuò)散衰減系數(shù)ap，初始濃度kp，傳播距離Dp，污染作用時(shí)間Tp，環(huán)境影響強(qiáng)度呈指數(shù)衰減，則環(huán)境影響系數(shù)σp可表征為

σp=φpde-apt

(10)

式中，ap=kp/Dp/Tp為環(huán)境影響衰減系數(shù)。

式(10)表明，污染衰減速度與污染源強(qiáng)度成正比，與傳播距離和作用時(shí)間成反比。污染衰減速度越快，污染影響距離和影響時(shí)間越小，意味著區(qū)域生態(tài)環(huán)境“降解”能力越強(qiáng);污染物排放對(duì)區(qū)域生態(tài)的影響系數(shù)與輸出率呈正比，即排放強(qiáng)度越大，生態(tài)損傷外部輸出強(qiáng)度越大，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響越大。反之，“零排放”也意味著綠色開(kāi)采的外部最優(yōu)生態(tài)響應(yīng)。

排放廢棄物情形選取矸石排棄率0.10～0.50，周?chē)绊懢嚯x2 km;礦井水排放率0～0.8，沿水系影響距離10 km;廢氣擴(kuò)散率0～0.5，傳播影響半徑100 km。

3.1.3系統(tǒng)主要邊界條件

采礦生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)采激勵(lì)作用發(fā)生在一定空間范圍內(nèi)，巖、水、土、植被等的自耦合作用與互耦合作用隨時(shí)間推移逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在采礦生態(tài)系統(tǒng)的空間Ω中，包含了采動(dòng)覆巖受損空間Ωr、地下水系統(tǒng)受損空間Ωw、地表生態(tài)受損空間Ωe和區(qū)域生態(tài)受損空間Ωp;巖、水、土等要素的耦合作用發(fā)生在其空間交集中(如Ωw×Ωe)。

此時(shí)，系統(tǒng)的空間邊界條件可簡(jiǎn)化為

(11)

式中，t1,t2,t3,t4分別為受損空間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，相應(yīng)的損傷因子值為趨于穩(wěn)定值。

3.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)采礦生態(tài)系統(tǒng)耦合空間關(guān)系和受損時(shí)間變化特征，將巖、水、地表生態(tài)和外排因子作為系統(tǒng)內(nèi)獨(dú)立狀態(tài)因子，生態(tài)損傷表征為3種形式，即:自損傷(如采動(dòng)覆巖、地下水系統(tǒng)失水等)、耦合損傷(采動(dòng)覆巖與含水層地下水、地下水與地表土壤和植物互作用等)、擴(kuò)散損傷(如矸石排放污染、礦井污水外排污染等)形式。

設(shè)3種損傷形式相對(duì)獨(dú)立且獨(dú)立狀態(tài)中各種損傷形式具有可加性，代入式(7)時(shí)，系統(tǒng)的生態(tài)損傷度可表達(dá)為

(12)

式中，n為損傷狀態(tài)類(lèi)型總數(shù);m為損傷形式總數(shù);a為時(shí)間衰減系數(shù)，由自修復(fù)周期實(shí)驗(yàn)或研究確定;τij為因子權(quán)重。

鑒于各獨(dú)立要素是生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分，設(shè)各要素對(duì)生態(tài)損傷和各耦合作用對(duì)生態(tài)要素?fù)p傷都具有同等貢獻(xiàn)，且損傷狀態(tài)為最大時(shí)(a=0),則

(13)

基于式(13)獲得巖、水、地表生態(tài)因子和外排因子的損傷程度(n=1,2,3,4時(shí))和系統(tǒng)損傷程度，其中的耦合損傷項(xiàng)(巖-水、巖-土等耦合)取積算子(如巖-水耦合為φrw×φwr)。應(yīng)用式(8)和(9)，進(jìn)一步計(jì)算獲得系統(tǒng)的綠度和綠色開(kāi)采相對(duì)水平。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1生態(tài)損傷因子分析

(1)采動(dòng)覆巖。

模型分析表明，采動(dòng)覆巖損傷與采高、采深和回采推進(jìn)速度密切相關(guān)，同時(shí)覆巖損傷后水-巖耦合作用增加了損傷程度(表1)。在一定的開(kāi)采環(huán)境條件下，隨采高增加和采深變淺，覆巖自損傷程度和對(duì)地表生態(tài)影響程度相對(duì)增加，巖-水耦合作用程度相對(duì)下降，總體上覆巖損傷絕對(duì)值增加。與采高3 m比較，采高6 m和10 m時(shí)覆巖損傷程度增加31%和93%;隨采深增加，覆巖自損傷程度和對(duì)地表生態(tài)影響程度下降，巖-水耦合作用相對(duì)增強(qiáng)，覆巖損傷程度總體呈下降趨勢(shì)。與采深300 m時(shí)比較，500,800和1 200 m時(shí)損傷程度僅為其82%,73%和68%;回采推進(jìn)速度增加時(shí)，采動(dòng)覆巖損傷的絕對(duì)值下降，自損傷和水-巖耦合作用程度相對(duì)增加，但對(duì)地表生態(tài)影響程度降低。與推進(jìn)速度6 m/d相比，推進(jìn)速度9 m/d和12 m/d時(shí)采動(dòng)覆巖損傷絕對(duì)值分別為其95%和92%。

(2)地下水系統(tǒng)。

模擬分析中將礦井水涌水強(qiáng)度作為系統(tǒng)自損量，與含水層儲(chǔ)水功能有關(guān)的總厚度和失水厚度、與地表生態(tài)密切相關(guān)的第四系含水層深度和失水厚度作為耦合因素。結(jié)果表明(表2)，隨著礦井水涌出量和含水層失水厚度相對(duì)增加，地下水系統(tǒng)絕對(duì)損傷強(qiáng)度增加，其中，自損強(qiáng)度相對(duì)增加，水-巖耦合作用強(qiáng)度呈弱增加，而第四系含水層降深穩(wěn)定時(shí)對(duì)地表生態(tài)影響作用相對(duì)呈弱減趨勢(shì)，礦井廢水零外排時(shí)損傷擴(kuò)散影響為0。與礦井涌水量2 000 m3/d時(shí)損傷程度相比，5 000 m3/d和10 000 m3/d時(shí)系統(tǒng)損傷程度增加0.56倍和1.44倍;相同礦井涌水量時(shí)，隨著含水層失水厚度比和第四系含水層下降深度增加，系統(tǒng)損傷強(qiáng)度總體呈微增趨勢(shì)，其中，水-巖耦合作用影響增加，水土耦合作用微增。隨著采深增加，覆巖自損傷程度和對(duì)地表生態(tài)影響程度下降，巖-水耦合作用程度相對(duì)增加?？梢?jiàn)，地下水系統(tǒng)原態(tài)關(guān)系的保護(hù)對(duì)降低開(kāi)采生態(tài)損傷具有重要的控制作用。

表1 采動(dòng)覆巖損傷因子計(jì)算樣例

Table 1 Damage comparison of mining strata

工況采深/m采高/m自損傷作用巖-水耦合作用巖-土耦合作用損傷擴(kuò)散作用總損傷度Ⅰ30030.220.730.020.020.17Ⅱ30060.340.560.090.010.22Ⅲ300100.390.380.2300.32Ⅳ50060.250.680.050.020.18Ⅴ80060.170.760.040.030.16Ⅵ120060.120.810.020.040.15

(3)地表生態(tài)損傷。

模擬分析中將地表植被蓋度變化作為地表生態(tài)自損傷直觀(guān)反映，與采動(dòng)作用有關(guān)的地表裂縫和根系損傷、土壤包氣帶含水性、對(duì)地表植被影響較大的第四系潛水層實(shí)際水位與生態(tài)水位的差異等作為耦合因素。結(jié)果表明(表3):采前包氣帶含水性與采后相同時(shí)，采后植被蓋度微減(5%)時(shí)，隨地表裂縫體密度和植物根系損傷率增加，地表生態(tài)損傷強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)。其中，自損作用和土-水耦合作用影響占比逐步降低，土-巖耦合作用影響占比逐步增大;當(dāng)?shù)乇砹芽p體密度不變時(shí)，隨著植被蓋度微減和根系損傷率微增，地表生態(tài)損傷程度相對(duì)變化較小，其中土-巖耦合作用影響降低幅度較大。

表2 地下水系統(tǒng)損傷因子計(jì)算樣例

Table 2 Damage comparison of groundwater system

工況礦井水涌水量/(m3·d-1)含水層失水厚度比Q含水層降深/m自損傷作用水-巖耦合作用水-土耦合作用損傷擴(kuò)散作用總損傷度Ⅰ20000.350.300.240.190.270.09Ⅱ50000.450.500.290.130.090.14Ⅲ100000.550.630.290.080.000.22Ⅳ50000.350.260.080.560.090.27Ⅴ50000.4100.260.150.550.050.27Ⅵ50000.5150.250.220.530.000.28

表3 地表生態(tài)損傷因子計(jì)算樣例

Table 3 Comparison of surface ecological damage factors

工況植被蓋度變化/%裂縫體密度根系損傷率/%自損傷作用土-水耦合作用土-巖耦合作用根系損傷比總損傷度Ⅰ0.150.300.200.260.520.110.100.14Ⅱ0.250.200.300.380.460.070.090.16Ⅲ0.350.150.400.470.400.040.080.19Ⅳ0.300.300.300.370.370.160.110.20Ⅴ0.200.200.250.330.490.100.080.15Ⅵ0.100.150.200.220.650.070.060.12

注:包氣帶含水率采后比采前相對(duì)降低40%。

3.3.2綠度分析

綠度反映了采礦生態(tài)系統(tǒng)受損狀態(tài)與原狀態(tài)的差異，綠度越高代表生態(tài)損傷越小。研究選擇對(duì)系統(tǒng)損傷影響較大的參數(shù)和生態(tài)自修復(fù)影響，模擬分析系統(tǒng)綠度變化及生態(tài)獨(dú)立要素的原態(tài)“保真度”。其中，G為綠度，Gr,Gw和Ge分別代表采動(dòng)覆巖、地下水系統(tǒng)和地表生態(tài)的原態(tài)保真度。

(1)開(kāi)采強(qiáng)度影響。在確定的開(kāi)采工藝技術(shù)條件下，通過(guò)增加回采推進(jìn)速度提高開(kāi)采強(qiáng)度時(shí)，綠度呈現(xiàn)相對(duì)增加趨勢(shì)。與推進(jìn)速度5 m/d比較，10 m/d和15 m/d時(shí)生態(tài)損傷強(qiáng)度降低18.6%和24.8%，綠度相對(duì)提升3.6%和4.8%(圖4(a))。其中，因單位時(shí)間回采量增加和礦井涌水量相對(duì)降低，采動(dòng)覆巖損傷程度相對(duì)增加，但地下水系統(tǒng)損傷程度逐步降低，地表生態(tài)損傷程度也相對(duì)降低。由于開(kāi)采強(qiáng)度增加導(dǎo)致廢棄物外排總量增加，外部生態(tài)損傷強(qiáng)度相對(duì)增加。與推進(jìn)速度5 m/d比較，10 m/d和15 m/d時(shí)采動(dòng)覆巖損傷相對(duì)增加7.7%和11.2%，地下水系統(tǒng)損傷相對(duì)降低13.2%和18.9%，地表生態(tài)損傷相對(duì)降低2.8%和4.0%。

圖4 推進(jìn)速度、礦井涌水量和“自修復(fù)作用”對(duì)綠度影響趨勢(shì)

(2)礦井涌水量影響。在確定的開(kāi)采工藝和開(kāi)采強(qiáng)度時(shí)，隨著礦井涌水量增加，綠度呈下降趨勢(shì)(圖4(b))。與涌水量2 000 m3/d相比，涌水量為5 000 m3/d和10 000 m3/d時(shí)系統(tǒng)絕對(duì)損傷強(qiáng)度增加8.5%和22.7%，綠度相對(duì)降低1.2%和3.2%。其中，因單位開(kāi)采量的礦井涌水量相對(duì)增加，地下水系統(tǒng)損傷影響程度相對(duì)增加22.6%和53.4%，采動(dòng)覆巖損傷程度相對(duì)下降7.8%和18.5%，地表生態(tài)損傷程度相對(duì)下降且與其相近。

(3)自修復(fù)作用影響。采后導(dǎo)水裂隙帶局部自然閉合、植被蓋度自然增加、包氣帶含水率恢復(fù)等都體現(xiàn)了生態(tài)自修復(fù)趨勢(shì)。設(shè)采后與采前相比，自然蓋度由40%下降到20%，包氣帶含水率由15%下降到7.5%，根系損傷率30%。根據(jù)研究[20]設(shè)定2 a漸進(jìn)式自修復(fù)過(guò)程，若設(shè)自修復(fù)作用導(dǎo)致采動(dòng)覆巖損傷程度降低20%，植被蓋度相對(duì)增加24%，包氣帶含水率相對(duì)提升25%，根系損傷率下降到18%。模擬結(jié)果表明(圖4(c))，自修復(fù)作用后與采后直接損傷狀態(tài)相比，系統(tǒng)絕對(duì)損傷強(qiáng)度相對(duì)降低21.2%，綠度相對(duì)提升4.3%。其中，采動(dòng)覆巖損傷程度相對(duì)下降16.6%，地下水系統(tǒng)損傷程度相對(duì)降低6.5%，地表生態(tài)損傷強(qiáng)度相對(duì)下降48.2%。

3.3.3綠色開(kāi)采水平比較

綠色開(kāi)采水平分析是基于安全高效開(kāi)采工藝和集成技術(shù)，以安全高效開(kāi)采綠度為參考基準(zhǔn)，系統(tǒng)比較不同綠色開(kāi)采技術(shù)的綠色開(kāi)采提升水平。為此，設(shè)計(jì)4級(jí)階梯式優(yōu)化綠色開(kāi)采分析模型及參數(shù)，即:Ⅰ—開(kāi)采工藝優(yōu)化;Ⅱ—地下水系統(tǒng)損傷控制;Ⅲ—地表生態(tài)系統(tǒng)修復(fù);Ⅳ—外排減排控制。

將各階段改進(jìn)效果與以安全高效開(kāi)采的基準(zhǔn)水平比較，獲得各階段控制后綠色開(kāi)采提升水平，見(jiàn)表4。其中，安全高效高效開(kāi)采模型參數(shù)取:采高7 m，采深500 m，導(dǎo)水裂隙帶高度分別為15,18,21倍采高，其他開(kāi)采地質(zhì)環(huán)境參數(shù)相同。各階段參數(shù)變化如圖5所示。

表4 綠色開(kāi)采水平計(jì)算結(jié)果

Table 4 Comparison of green mining level

工況編號(hào)GI開(kāi)采工藝GⅡ地下水保護(hù)GⅢ地表生態(tài)修復(fù)GⅣ減排控制10.7630.8500.9000.95520.7900.8690.9170.95930.8050.8810.9320.96040.8120.8850.9480.962(G-Ga)/Ga6.4%16.0%24.2%26.1%

注:1～4為分級(jí)(Ⅰ～Ⅳ)優(yōu)化改進(jìn)的4種工況。

(1)優(yōu)化開(kāi)采工藝。開(kāi)采工藝確定后，通過(guò)控制回采推進(jìn)速度(5～15 m/d)降低開(kāi)采生態(tài)損傷程度時(shí)，與安全高效高效開(kāi)采相比，推進(jìn)速度15 m/d與5 m/d時(shí)比較，綠色開(kāi)采水平相對(duì)提升 6.4%。其中，采動(dòng)覆巖受損程度相對(duì)下降14.1%，地下水系統(tǒng)受損程度相對(duì)下降約30%，地表生態(tài)受損程度相對(duì)下降8.8%。

(2)地下水系統(tǒng)保護(hù)方法應(yīng)用。在優(yōu)化開(kāi)采工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步控制導(dǎo)水裂隙帶高度、礦井水涌水量和第四系失水深度，降低開(kāi)采對(duì)地下水系統(tǒng)損傷程度。當(dāng)?shù)V井涌水量10 000 m3/d減少到1 000 m3/d時(shí)，地下水系統(tǒng)保護(hù)水平相對(duì)提高38.4%，在優(yōu)化開(kāi)采工藝基礎(chǔ)上提高20.7%，綠色開(kāi)采水平也提高9.4%，達(dá)到16%。其中，采動(dòng)覆巖受損程度相對(duì)降低26%，地下水系統(tǒng)受損程度相對(duì)降低64%，地表生態(tài)受損程度相對(duì)降低39%。

(3)地表生態(tài)修復(fù)。地表生態(tài)修復(fù)是將人工快速修復(fù)措施與生態(tài)自修復(fù)能力相結(jié)合，提高修復(fù)效率。人工快速修復(fù)采用隨采隨填，降低地表裂縫發(fā)育度和保持土壤包氣帶自然含水率方法，促進(jìn)植物根系破壞部分恢復(fù)，確保地表植被蓋度盡快恢復(fù)到采前水平。分析表明，當(dāng)自然覆蓋度相對(duì)影響由25%降低到10%時(shí)，地表生態(tài)保護(hù)水平相對(duì)提高29.7%，在優(yōu)化開(kāi)采工藝和地下水保護(hù)基礎(chǔ)上又提高16.2%，綠色開(kāi)采水平進(jìn)一步又相對(duì)提高8.0%，總體相對(duì)提高24.2%。其中，采動(dòng)覆巖、地下水系統(tǒng)和地表生態(tài)的受損程度分別相對(duì)降低30.2%,78%和86%。

圖6顯示了綠色開(kāi)采水平相對(duì)提升效果，其中Ga和GL分別代表安全高效開(kāi)采和綠色開(kāi)采時(shí)的總綠度，GLr,GLw,GLe和GLp分別代表采動(dòng)覆巖、地下水系統(tǒng)、地表生態(tài)和區(qū)域生態(tài)部分保真程度相對(duì)提升效果。結(jié)果表明，優(yōu)化開(kāi)采工藝后綠色開(kāi)采水平相對(duì)提高6.4%，與保水開(kāi)采措施相結(jié)合時(shí)相對(duì)提高1.5倍，進(jìn)一步與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合時(shí)又相對(duì)提高0.51倍。其中，針對(duì)地下水系統(tǒng)保護(hù)(Gw)和地表生態(tài)修復(fù)(Ge)所采取的集成技術(shù)應(yīng)用對(duì)較大幅度提高綠色開(kāi)采水平有顯著作用。

3.4 實(shí)例應(yīng)用

神東礦區(qū)位于鄂爾多斯高原東南部及陜北黃土高原北緣，區(qū)內(nèi)廣泛覆蓋著現(xiàn)代風(fēng)積沙及第四系黃土，多為典型風(fēng)積沙和黃土溝壑地貌，屬于西部典型生態(tài)脆弱區(qū)。該區(qū)含煤地層中下侏羅統(tǒng)延安組分布廣泛，主采煤層包括5層，其上覆基巖主要由砂巖和泥巖組成，總體上具有淺埋深(30～230 m)、薄基巖、厚松沙、富潛水的賦存特點(diǎn)和易開(kāi)采優(yōu)勢(shì)。

研究選擇該礦區(qū)12個(gè)正在開(kāi)發(fā)的井田，分析數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場(chǎng)收集與經(jīng)驗(yàn)估計(jì)相結(jié)合方法。全區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，目前煤炭開(kāi)采均采用超大工作面綜采工藝和頂板全垮落管理方式，平均采深達(dá)243 m，采高4.4 m，工作面寬度304 m，回采推進(jìn)長(zhǎng)度3 700 m，推進(jìn)速度9.7 m/d。開(kāi)采煤層距頂板含水層距離為53 m，第四系含水層深度為25 m，礦井涌水量8 368 m3/d。

全區(qū)綠色分析比較表明(圖7)，煤炭開(kāi)采對(duì)地下水系統(tǒng)損傷最大，地表生態(tài)次之。其中，補(bǔ)連塔礦、錦界礦、石圪臺(tái)礦、柳塔礦等礦開(kāi)采對(duì)地下水系統(tǒng)損傷相對(duì)較大，原因是開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度相對(duì)較大、回采工作面推進(jìn)速度慢且礦井涌水量大等;各礦開(kāi)采綠度(Gk)和全區(qū)平均開(kāi)采綠度(GQ)比較發(fā)現(xiàn)，大柳塔礦、寸二礦、寶德礦、上灣礦、榆家梁礦的開(kāi)采水平優(yōu)于全區(qū)平均水平，而榆家梁礦所有指標(biāo)均優(yōu)于全區(qū)水平。柳塔礦、補(bǔ)連塔礦、錦界礦、石圪臺(tái)礦則低于全區(qū)平均水平。其中，補(bǔ)連塔礦、錦界礦和石圪臺(tái)礦至因是地下水系統(tǒng)受損程度相對(duì)較大，而柳塔礦則是地表生態(tài)受損程度相對(duì)較大，而大柳塔礦淺埋藏煤層開(kāi)采時(shí)地表生態(tài)修復(fù)問(wèn)題仍需引起高度重視。

圖7 神東礦區(qū)各礦綠色開(kāi)采相對(duì)水平比較

4 深部仿生綠色開(kāi)采模式

4.1 深部開(kāi)采特點(diǎn)

(1)深部采動(dòng)煤巖處于高應(yīng)力狀態(tài)區(qū)。深部開(kāi)采與淺部開(kāi)采相比，是在具有高應(yīng)力環(huán)境和非線(xiàn)性力學(xué)響應(yīng)的煤巖體空間實(shí)施的特殊采礦活動(dòng)[26]。此時(shí)，深部開(kāi)采區(qū)域煤巖處于準(zhǔn)靜水壓力環(huán)境或激發(fā)準(zhǔn)靜水壓力狀態(tài)，采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)由淺部構(gòu)造應(yīng)力為主轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睉?yīng)力作用為主，巖石力學(xué)響應(yīng)由完全的彈性形變過(guò)渡到脆塑性形變—塑性流動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)煤體片幫、沖擊地壓、動(dòng)力災(zāi)害、圍巖大規(guī)模動(dòng)力失穩(wěn)等現(xiàn)象，頂?shù)装甯浇仔纬伤苄源笞冃螏?。西部礦區(qū)含水層賦水性較強(qiáng)區(qū)和軟巖類(lèi)采動(dòng)覆巖層發(fā)育區(qū)，深部狀態(tài)在深度500 m左右時(shí)就顯現(xiàn)強(qiáng)烈[27]。

(2)地下含水層豐富。深部開(kāi)采區(qū)域與淺部相比，相對(duì)采深增大，采動(dòng)覆巖中含水層和第四系地層含水層厚度也相對(duì)較大。如，鄂爾多斯紅慶河煤礦主采侏羅紀(jì)延安組3-1煤，采深超過(guò)600 m，煤層頂板覆巖厚度含水層約占74%，其中軟巖、中硬巖和硬巖中含水層厚度分別占14%,45%和15%。同時(shí)，由于含水層極易損傷，大量低位地下水滲流涌入礦井，而高位地下水垂直向下補(bǔ)充，致使礦井涌水量較大且外排周期長(zhǎng)。

(3)地表生態(tài)的采動(dòng)損傷敏感性差。深部開(kāi)采極不充分致使地表下沉值和下沉速率均較小，地表通常呈現(xiàn)一定范圍內(nèi)整體下沉，當(dāng)采深不變時(shí)隨工作面長(zhǎng)度增加，沉陷影響范圍擴(kuò)大[28]。與淺部開(kāi)采相比地表裂縫不發(fā)育，對(duì)地表土壤和植物損傷程度相對(duì)較低。

4.2 深部仿生綠色開(kāi)采模式

仿生綠色開(kāi)采是以自然穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)為參照，將安全高效開(kāi)采與生態(tài)保護(hù)有機(jī)融合，通過(guò)協(xié)同控制開(kāi)采全過(guò)程，實(shí)現(xiàn) “高保低損”(生態(tài)系統(tǒng)的高保真度和低損傷度)。深部仿生綠色開(kāi)采模式則是深部開(kāi)采情境下對(duì)仿生綠色開(kāi)采的規(guī)律性、內(nèi)在機(jī)制和基本特征的概括描述，是基于深部開(kāi)采情景，按照安全高效、經(jīng)濟(jì)可行、生態(tài)有效原則構(gòu)建的綠色適用型解決方案(圖8)。

圖8 深部“仿生”綠色開(kāi)采模式

(1)仿生綠色開(kāi)采原理[29]。

采動(dòng)生態(tài)損傷是采后生態(tài)系統(tǒng)自然內(nèi)在關(guān)系(覆巖、地下水系統(tǒng)和地表生態(tài)間)的變化響應(yīng)，其損傷程度取決于采動(dòng)激勵(lì)源和“巖-水-土”動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系?！胺律本G色開(kāi)采就是參照自然生態(tài)系統(tǒng)中采動(dòng)覆巖、地下水系統(tǒng)和地表生態(tài)等要素之間的原態(tài)結(jié)構(gòu)及內(nèi)在基本關(guān)系，通過(guò)辨識(shí)開(kāi)采過(guò)程中響應(yīng)規(guī)律和主要控制因子，集成先進(jìn)和適用的技術(shù)，協(xié)同控制開(kāi)采全過(guò)程，最大限度的保持原態(tài)或重構(gòu)與原態(tài)相近的結(jié)構(gòu)與關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“高保低損”的綠色開(kāi)采目標(biāo)。

(2)深部仿生綠色開(kāi)采調(diào)控機(jī)制。

深部開(kāi)采中地下水系統(tǒng)補(bǔ)-徑-排關(guān)系紊亂是生態(tài)損傷的主要特征。根據(jù)采動(dòng)影響主要參數(shù)(涌水量、滲流通道、失水含水層等)，采用“降高、減水、快治、少排”等方法，協(xié)同調(diào)整采動(dòng)覆巖損傷程度(導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、裂隙發(fā)育程度)、控制地下水滲流通道、隔離失水含水層與導(dǎo)水裂隙帶聯(lián)通關(guān)系等，降低地下水系統(tǒng)“紊亂”程度，重構(gòu)與原態(tài)相近的生態(tài)系統(tǒng)要素關(guān)系。

(3)深部仿生綠色開(kāi)采模式特點(diǎn)。

強(qiáng)調(diào)遵從自然規(guī)律。生態(tài)系統(tǒng)諸要素在自然力作用下逐步形成的基本關(guān)系具有穩(wěn)定性和合理性。該模式參照自然穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)采動(dòng)生態(tài)損傷狀態(tài)與生態(tài)原態(tài)差別集成適宜的開(kāi)采工藝與技術(shù)，旨在穩(wěn)定諸要素的自然合理關(guān)系、或改進(jìn)生態(tài)要素間的合理關(guān)系，提升生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和健康狀態(tài)。

突出深部開(kāi)采生態(tài)損傷重點(diǎn)問(wèn)題。深部與淺部開(kāi)采比較表明，地下水系統(tǒng)關(guān)系紊亂是深部開(kāi)采的突出問(wèn)題。該模式通過(guò)確定控制導(dǎo)水裂隙帶高度、或隔離導(dǎo)水裂隙帶滲流途徑等有效控制含水層的失水量，并通過(guò)降低礦井水涌出量和穩(wěn)定控制地表潛水高度，達(dá)到地下水系統(tǒng)和地表生態(tài)損傷與損傷輸出最小的生態(tài)目標(biāo)。

著眼系統(tǒng)穩(wěn)定和過(guò)程協(xié)同調(diào)控。煤炭開(kāi)采與生態(tài)保護(hù)相協(xié)調(diào)是綠色開(kāi)采的系統(tǒng)控制目標(biāo)。該模式針對(duì)生態(tài)損傷過(guò)程關(guān)鍵環(huán)節(jié)和“巖-水-土”耦合作用可控制程度，優(yōu)化集成適用的仿生綠色開(kāi)采技術(shù)體系，通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶“限高”(如協(xié)同規(guī)模化開(kāi)采與條帶充填)、礦井涌水“限失”(如含水層滲流隔離技術(shù)和煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水技術(shù))、地表生態(tài)“減損”(如分區(qū)修復(fù)技術(shù)、煤矸石利用)等技術(shù)協(xié)同實(shí)施，提升采后生態(tài)系統(tǒng)保真度。

4.3 深部仿生綠色開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)

(1)“仿生開(kāi)采”工藝?！胺律_(kāi)采”工藝是基于煤層不充分采動(dòng)(如房柱式開(kāi)采)時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育規(guī)律，將超大工作面綜采與非連續(xù)柱式充填工藝[30]相結(jié)合，構(gòu)建控制性“波浪面”狀導(dǎo)水裂隙帶結(jié)構(gòu)，最大限度保持地下水原態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與循環(huán)關(guān)系。一是較大幅度降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，控制采動(dòng)覆巖含水層損傷程度和含水層失水量;二是控制對(duì)地表土壤和植被等生態(tài)要素影響，降低地表生態(tài)損傷程度;三是通過(guò)非連續(xù)柱式充填，使超大工作面開(kāi)采效率與充填效率相匹配，同時(shí)充分利用了外排矸石，降低固體廢棄物損傷輸出。

(2)含水層滲流控制技術(shù)。含水層隔離是基于”原態(tài)”淺層地下水與地表生態(tài)的關(guān)系，在地下含水層與導(dǎo)水裂隙帶間構(gòu)筑“柔性隔離層”。該技術(shù)基于超大工作面和頂板全部跨落法開(kāi)采工藝，將超大工作面回采與地表(或地下)壓裂和注漿工藝相結(jié)合，按照水平壓裂—工作面回采—隔離層注漿流程進(jìn)行周期異步循環(huán)實(shí)施[29]。一是利用隔離層阻斷含水層地下水向?qū)严稁B流，保護(hù)導(dǎo)水裂隙帶上部“原態(tài)”地下水流場(chǎng)形態(tài)和補(bǔ)-徑-排關(guān)系;二是利用導(dǎo)水裂隙帶釋放基巖裂隙水，增加可用水資源量;三是利用隔離層阻斷滲流，顯著降低礦井水涌出量和外排水區(qū)域損傷程度。

(3)煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水技術(shù)。該技術(shù)基于地下水“引導(dǎo)-儲(chǔ)存-利用”思路，利用規(guī)模化開(kāi)采形成的采空區(qū)域的導(dǎo)水裂隙帶空隙儲(chǔ)水，用人工壩體鏈接安全煤柱構(gòu)筑壩體，配置礦井水入庫(kù)和取水設(shè)施，形成具有水庫(kù)功能和自?xún)艋饔玫牡叵滤畮?kù)，實(shí)現(xiàn)礦井水儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)和利用，避免外排蒸發(fā)損失和地面污水處理廠(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行成本高等問(wèn)題，大幅度降低開(kāi)采生態(tài)損傷輸出。

(4)地表生態(tài)分區(qū)治理技術(shù)。提高生態(tài)修復(fù)效率是煤炭規(guī)模開(kāi)采中面臨的實(shí)際問(wèn)題。該技術(shù)是基于超大工作面開(kāi)采地表生態(tài)損傷的分區(qū)特點(diǎn)(邊緣裂縫區(qū)與中心沉降區(qū))，采用裂縫區(qū)人工修復(fù)和中心沉降區(qū)自然修復(fù)的方式，按照地表原態(tài)快速治理裂縫區(qū)，形成與超大工作面開(kāi)采相匹配的地表生態(tài)修復(fù)模式，抑制開(kāi)采地表生態(tài)損傷擴(kuò)大，借助于大氣降水，促進(jìn)控制地表植被發(fā)育的重要水源—土壤包氣帶水向原態(tài)快速恢復(fù)。

5 結(jié) 論

(1)從生態(tài)學(xué)視角建立了采礦系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)組成的復(fù)合系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)為“采礦生態(tài)系統(tǒng)”)，界定了系統(tǒng)的時(shí)空范圍，分析了生態(tài)系統(tǒng)各要素(采動(dòng)覆巖、地下水系統(tǒng)和地表生態(tài))的原始狀態(tài)與采動(dòng)“激勵(lì)”生態(tài)響應(yīng)機(jī)制(采動(dòng)耦合、水-巖耦合、水-土耦合和采動(dòng)傳導(dǎo)耦合及損傷外傳導(dǎo)效應(yīng))及狀態(tài)變化，參照生態(tài)系統(tǒng)原始狀態(tài)提出反映生態(tài)狀態(tài)變化的4個(gè)因子和16個(gè)比較參數(shù)，確定了采礦生態(tài)系統(tǒng)的“生態(tài)損傷系數(shù)”及計(jì)算模型。

(2)從采礦學(xué)范疇進(jìn)一步提出綠色開(kāi)采的定義和內(nèi)涵，綠色開(kāi)采是一種通過(guò)控制采動(dòng)“激勵(lì)”的生態(tài)響應(yīng)水平，最大限度降低生態(tài)損傷的先進(jìn)開(kāi)采方式;引入“綠度”(G)進(jìn)一步度量綠色開(kāi)采保持自然生態(tài)系統(tǒng)原態(tài)的水平，綠度越高則原態(tài)保真程度越好，開(kāi)采方式也越先進(jìn);采用G還可進(jìn)一步定量比較不同綠色開(kāi)采方式的相對(duì)先進(jìn)水平和實(shí)際效果。

(3)建立了綠色開(kāi)采數(shù)學(xué)模型(生態(tài)損傷系數(shù)→綠度→綠色開(kāi)采水平)，分析發(fā)現(xiàn):控制導(dǎo)水裂隙帶高度和礦井水涌出量、含水層保護(hù)、近零排放等途徑對(duì)提高開(kāi)采綠度水平貢獻(xiàn)較大;綠色開(kāi)采方式四級(jí)優(yōu)化工況生態(tài)效果模擬分析表明，綠色開(kāi)采水平與安全高效開(kāi)采模式相比逐步提升，其中原態(tài)地下水保護(hù)對(duì)降低生態(tài)損傷作用更大。神東礦區(qū)15個(gè)生產(chǎn)礦綠度比較表明，大柳塔礦、上灣礦、榆家梁礦等優(yōu)于全區(qū)平均綠度水平，在地表生態(tài)修復(fù)效果較好的礦，地下水系統(tǒng)保護(hù)是提升綠色開(kāi)采水平的關(guān)鍵因素，污染排放也是綠色開(kāi)采水平降低的重要因素。

(4)根據(jù)煤炭深部開(kāi)采的高應(yīng)力環(huán)境、多含水層且補(bǔ)-徑-排關(guān)系復(fù)雜、地表生態(tài)響應(yīng)靈敏度低的特點(diǎn)，按照“源頭減損與過(guò)程控制”思路，著力“降高、減失、快治、零排”，集成以“仿生”開(kāi)采工藝為核心、非連續(xù)開(kāi)采充填、含水層滲流隔離、地下水庫(kù)儲(chǔ)水等技術(shù)協(xié)同的深部仿生綠色開(kāi)采模式，形成深部安全綠色開(kāi)采適用解決方案。

(5)綠色開(kāi)采評(píng)價(jià)是建立綠色開(kāi)采實(shí)踐適用的模式與應(yīng)用效果檢驗(yàn)的重要方法。筆者嘗試提出的綠色開(kāi)采定量分析結(jié)果盡管與實(shí)踐認(rèn)知相近，但評(píng)價(jià)采用的描述參數(shù)是否適宜和全面、內(nèi)在關(guān)系是否合理、采動(dòng)覆巖與地表生態(tài)自修復(fù)等內(nèi)在作用和大氣降水等外在影響對(duì)生態(tài)損傷影響程度等，還需進(jìn)一步探索和完善，以期為我國(guó)綠色開(kāi)采實(shí)踐提供更加適用的科學(xué)方法。