李全生, 李曉斌, 許家林, 徐祝賀, 張 村

(1.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室,北京 102209；2.國家能源投資集團有限責(zé)任公司,北京 100011；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083；4.北京低碳清潔能源研究院,北京 102211；5.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭在地下開采會引起巖層回轉(zhuǎn)運動和塑性屈服破壞，形成一系列張拉裂隙與壓剪裂隙，是地下水、瓦斯及漿液提供主要流動通道[1]。采動裂隙演化規(guī)律不僅與保水開采、瓦斯抽采和地裂縫治理等采礦工程問題有關(guān)，而且受巖層力學(xué)性質(zhì)、覆巖結(jié)構(gòu)型式、采煤方法及開采工藝參數(shù)、開采強度及時間等多種因素影響[2-3]。采動裂隙發(fā)育規(guī)律較為復(fù)雜，有時伴隨發(fā)生各種災(zāi)害事故，對工作面安全生產(chǎn)及地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。如哈拉溝煤礦22402工作面由于關(guān)鍵層發(fā)生破斷，覆巖采動裂隙直接導(dǎo)通含水層，含水層帶動砂粒涌入工作面發(fā)生突水潰沙事故，導(dǎo)致液壓支架與刮板輸送機無法正常前移[4]。早在1993年陜西榆神府礦區(qū)就因煤炭開采產(chǎn)生大量地裂縫及塌陷坑，造成地面建筑損毀、植被破壞、水土流失、滑坡等采動損害問題[5]。由此可見，研究采動裂隙演化規(guī)律對于實現(xiàn)我國經(jīng)濟、社會及生態(tài)保護等方面的和諧協(xié)調(diào)發(fā)展具有深刻意義。

目前我國煤炭科技工作者針對采動裂隙進行了一系列研究，主要包括：運用彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等理論并結(jié)合數(shù)值模擬與實測資料研究底板采動裂隙破壞深度及分布特征[6]；基于關(guān)鍵層理論、非線性數(shù)學(xué)方法、模擬分析等手段預(yù)測覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，最后結(jié)合地面鉆孔、井下鉆孔與鉆孔電視等實測資料進行現(xiàn)場驗證[7]；利用探地雷達技術(shù)、GPS-RTK技術(shù)等分析地裂縫分布特征與發(fā)育規(guī)律，結(jié)果表明隨著工作面推進，首先在開切眼外側(cè)出現(xiàn)地裂縫，然后在平行回采巷道方向和超前工作面一定距離處也有地裂縫產(chǎn)生，在推進距離達到一定程度，地裂縫發(fā)育最大，工作面繼續(xù)推進，地裂縫減小甚至閉合，開采結(jié)束后在地表形成“O”型圈[8]；探究采動裂隙在保水開采、瓦斯抽采、減沉開采、地表建筑變形等方面的工程應(yīng)用，并研發(fā)含水層修復(fù)技術(shù)、地下水庫保水技術(shù)、卸壓增透瓦斯抽采技術(shù)、離層區(qū)注漿充填技術(shù)、條帶開采及協(xié)調(diào)開采等，實現(xiàn)采煤同時兼顧對地下水、瓦斯、矸石等資源的合理利用[9]；明晰不同開采方式擾動產(chǎn)生的裂隙場與應(yīng)力場、滲流場、溫度場部分耦合關(guān)系，得到地層應(yīng)力、水流、瓦斯、溫度等變化規(guī)律，從而為現(xiàn)場工程問題提供科學(xué)指導(dǎo)；揭示采動裂隙(縫)對含水層水位、地表土壤與植被的影響規(guī)律，研究表明采動裂隙造成含水層水位下降，但在一定時間后恢復(fù)至采前狀態(tài)，同時裂縫周邊區(qū)域土壤氮磷鉀含量、有機質(zhì)含量、水含量均降低，在12～18個月后恢復(fù)到采前水平，在植被覆蓋率方面，開采擾動區(qū)域地表植被覆蓋率普遍低于周圍未開采區(qū)[10-11]；針對采動裂隙引發(fā)的一系列損害問題，提出采動裂隙(縫)防治技術(shù)，如合理優(yōu)化工作面開采參數(shù)(采高、推進速度、支架工作阻力等)、開采工藝選擇(綜采、綜放開采、分層開采等)、地裂縫自修復(fù)及人工填埋等措施[12-13]。

從我國能源發(fā)展戰(zhàn)略、生態(tài)修復(fù)、煤礦智能化與綠色化發(fā)展等角度考慮，對采動裂隙有待進行深入研究。鑒于此，筆者在總結(jié)歸納前人研究基礎(chǔ)上，提出了采動裂隙研究方法綜合運用、力學(xué)演化機制及定量描述、深部多物理場耦合、新應(yīng)用領(lǐng)域及控制、采動損傷科學(xué)內(nèi)涵及評價方法、生態(tài)修復(fù)科學(xué)理念、智能化調(diào)控系統(tǒng)等有待解決的熱點科學(xué)問題，以期為控制覆巖與地表裂隙發(fā)育、保護生態(tài)環(huán)境，裂隙動態(tài)演化、滲流規(guī)律及裂隙發(fā)育程度進行調(diào)控，提供創(chuàng)新性技術(shù)支撐。

1 采動裂隙形成過程與分類

由于結(jié)構(gòu)面的存在，巖體內(nèi)部本身存在大量節(jié)理裂隙，本質(zhì)上采動裂隙是巖體內(nèi)部微裂隙受開采擾動影響后的宏觀表現(xiàn)。煤層地下開采后導(dǎo)致巖土體應(yīng)力改變，應(yīng)力超過巖石強度，巖層發(fā)生變形破斷，產(chǎn)生各種采動裂隙，當(dāng)開采強度達到一定程度時，地表損傷控制層失穩(wěn)，力的不平衡狀態(tài)傳導(dǎo)到地表，地表土層因所受應(yīng)力大于其極限強度而發(fā)生變形形成地裂縫，故將地裂縫形成過程分為巖層破斷運移階段與表土層變形階段[14]，對于普通地質(zhì)條件采礦活動只發(fā)生巖層的破斷運移，地裂縫在我國西部煤炭集約化開采礦區(qū)較為常見。

采動裂隙是礦井水與瓦斯流動的主要通道，而采動裂隙的貫通度、發(fā)育高度、閉合程度與許多采礦問題密切相關(guān)，具體如圖1所示。根據(jù)采動裂隙層位形態(tài)分布特征，將其分為豎向破斷裂隙、層間離層裂隙和活化的斷層面，按照采動裂隙出現(xiàn)位置，將其分為煤層采動裂隙、頂板巖層采動裂隙、底板巖層采動裂隙和地裂縫[2]。其中煤層采動裂隙與綜放工作面頂煤冒放性有關(guān)；豎向破斷裂隙是影響井下安全與地表生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵性因素；離層裂隙是軟硬巖層間不同步移動變形的結(jié)果，通過向離層區(qū)填充外來材料可以提高覆巖承載能力；采動誘發(fā)斷層活化容易引發(fā)突水事故。

圖1 采動裂隙分類及相關(guān)采礦工程問題[2]

從形態(tài)特征和力學(xué)角度，地裂縫分為拉伸裂縫、滑動裂縫、臺階裂縫和塌陷裂縫[15]。拉伸裂縫是由于拉應(yīng)力超出地表土體抗拉強度產(chǎn)生，位于沉陷拉伸區(qū)；滑動裂縫是由于坡體發(fā)生滑移造成，一般位于溝谷地貌；臺階裂縫與塌陷裂縫與地表損傷控制層穩(wěn)定性有關(guān)。按照分布位置和閉合程度，地裂縫分為邊界永久裂縫與中部動態(tài)裂縫，邊界永久裂縫長期處于被拉伸狀態(tài)，形成后迅速擴展，平行于開采邊界，不能自行閉合。中部動態(tài)裂縫隨著工作面推進經(jīng)歷“產(chǎn)生—擴展—閉合”3個階段，整體形態(tài)呈“C”形，開口朝向開切眼，根據(jù)巖層運動的不同，有時會出現(xiàn)雙周期效應(yīng)，具有自修復(fù)特征。

根據(jù)地裂縫是否與導(dǎo)水裂隙帶溝通，地裂縫分為貫通型裂縫與非貫通型裂縫，貫通型裂縫分布在工作面后方地表且在工作面推進過程中周期性出現(xiàn)，多出現(xiàn)在無彎曲下沉帶的礦井與部分特殊條件開采區(qū)域。非貫通型裂縫出現(xiàn)在采空區(qū)外側(cè)區(qū)域，此區(qū)裂縫因土體發(fā)生拉伸變形而形成拉伸裂縫，裂縫是由上向下發(fā)展的，在地表一定深度出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象。故從裂隙發(fā)展方向，又可分為上行裂隙與下行裂隙[16]，下行裂隙出現(xiàn)地表土層，上行裂隙是煤層開采后，頂板上方由下向上發(fā)展的裂隙，主要分布在導(dǎo)水裂隙帶區(qū)域。明晰采動裂隙形成過程及類型，為采動損傷分區(qū)治理奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 采動裂隙的研究手段

煤層開采引起采場圍巖及地表形成采動裂隙，為探討采動裂隙分布特征及時空演化規(guī)律，必須具備精確的研究手段與描述方法。目前對采動裂隙的研究主要通過現(xiàn)場實測、模擬分析和理論分析進行。

2.1 現(xiàn)場實測

在現(xiàn)場實測方面，主要通過井上下鉆孔法、鉆孔電視攝像系統(tǒng)、地球物理法、光纖與微震監(jiān)測等手段。井上鉆孔法是通過在采空區(qū)上方對應(yīng)地面位置布置部分鉆孔，根據(jù)分析打鉆過程中水位及沖洗液漏失量變化情況，確定導(dǎo)水裂隙帶高度的方法，是目前最常用且結(jié)果比較可靠的方法。井下鉆孔法是在采空區(qū)以一定角度布置仰孔，通過注水法觀察覆巖破壞高度。在埋深較淺情況下，通常采用井上鉆孔法研究導(dǎo)水裂隙帶高度，隨著開采深度的增加，從地面打鉆孔成本較高，井下鉆孔也成為主要觀察手段。與此同時，結(jié)合鉆孔電視攝像系統(tǒng)、聲速測井等方法，為采動巖層裂隙量化表征奠定基礎(chǔ)。

地球物理探測法是根據(jù)地下巖石破裂后在能量、密度、導(dǎo)電性等方面的差異性實現(xiàn)對采動裂隙分析的方法，目前主要以瞬變電磁法、高密度電阻率法、地震監(jiān)測及電導(dǎo)率法為主。雖然該方法存在較多干擾因素，且降噪能力有限，有時運算速度較慢，但成本相對較低、操作簡單、對地層結(jié)構(gòu)影響較小，易獲取近地裂隙信息，同時能夠較好地反映采動裂隙的空間分布特征，彌補鉆孔法不足，因此在多個礦井也進行了相關(guān)探測研究。張彬等[17]采用瞬變電磁法對寧夏紅柳煤礦1121工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行探測，實現(xiàn)覆巖破壞高度的量化分析。張平松等[18]基于立體直流電法，通過開采進度得到不同時間巖層電場變化情況，探究從超前階段到后期覆巖受采動影響變化特征，研究表明該方法具有探測成本低、結(jié)果可靠、動態(tài)效應(yīng)強等優(yōu)勢。彭蘇萍等[19]首次采用地震CT技術(shù)進行綜放工作面煤層中隱伏斷層與裂隙探測研究。張華興等[20]利用EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)與鉆孔電視相結(jié)合的手段，明晰了巖層裂隙位置、形態(tài)以及寬度等特征，為進一步開展離層注漿技術(shù)提供了科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。

近年來，隨著地質(zhì)條件復(fù)雜性與國家重大科技攻關(guān)問題研究的急迫性的提升，對采動裂隙監(jiān)測手段的要求越來越高，井上下聯(lián)合微震監(jiān)測、光纖傳感器監(jiān)測與示蹤氣體法等新手段也被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場實踐中。微震監(jiān)測是基于在井上下安裝傳感器采集巖層發(fā)生破斷時引發(fā)的微震信號，通過對信號處理得到震源位置及震級大小等信息，結(jié)合覆巖埋深等情況達到分析采動裂隙的動態(tài)監(jiān)測?；⒕S岳等[21]利用井-地聯(lián)合微震監(jiān)測與井下仰孔注水法，實現(xiàn)高家堡礦首采面頂板覆巖破壞和變形的時空動態(tài)四維監(jiān)測。柴敬等[22]通過在三維立體模型試驗中布置分布式光纖傳感器，探究了在工作面開采過程中覆巖變形破壞特征與頂板來壓情況。齊慶新等[23]以沙曲礦為工程背景，采用示蹤氣體法對底板貫穿型裂隙發(fā)育位置、時間及程度進行實測研究，結(jié)論與底板破壞深度理論分析結(jié)果相吻合。張東升等[24]通過研發(fā)一種氦氣地表探測覆巖裂隙的試驗系統(tǒng)，得到氦氣濃度與采動裂隙動態(tài)演化之間的對應(yīng)關(guān)系，并在大柳塔煤礦11203工作面得到驗證。

分析認為當(dāng)前國內(nèi)對各種監(jiān)測手段研究熱度較高，在各個方面也取得很大突破，但依然存在較多問題值得思考與解決，其在基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)、多維數(shù)據(jù)反演方法與算法優(yōu)化、儀器信號采集、抗干擾能力、探測精度、傳感器布置工藝等方面仍需加強，同時在實際工程問題中裂隙發(fā)育雜亂無章，很難精確監(jiān)測，且每種手段都有其優(yōu)缺點及適用條件，因此應(yīng)綜合運用多種監(jiān)測手段，取長補短，互相驗證，不僅可以降低成本投入，還可以提高監(jiān)測效果和精確度，使得觀察結(jié)果更加可靠。

目前采動地裂縫監(jiān)測主要通過GPS技術(shù)、激光掃描技術(shù)與InSAR/D-InSAR等，只能得到地裂縫的空間分布特征，對于發(fā)育過程中地裂縫數(shù)據(jù)獲取及其定量表述難以實現(xiàn)。對于西部風(fēng)沙區(qū)存在局部區(qū)域降水、工作面推進速度快、動態(tài)地裂縫初始尺寸變化微弱等影響因素，加劇了動態(tài)地裂縫監(jiān)測難度。鑒于此，李亮等[25]基于三維激光掃描技術(shù)與Matlab平臺，運用小波分析精確識別地裂縫位置，用來指導(dǎo)現(xiàn)場實踐，但小波分析精確度取決于分析尺度與小波函數(shù)。王新靜等[26]研發(fā)一種便攜簡易式監(jiān)測裝置，實測數(shù)據(jù)表明補連塔12406工作面動態(tài)地裂縫寬度變化呈現(xiàn)M型。由于淺埋煤層在溝道底部極易發(fā)生地表水沿著貫通裂縫流入工作面，侯恩科等[27]綜合采用無人機航拍技術(shù)與現(xiàn)場實測手段，獲取了復(fù)雜地質(zhì)條件下地裂縫的平面分布特征、發(fā)育規(guī)律與工作面推進度的動態(tài)演化過程。針對西部開采強度大、煤層埋藏淺、復(fù)雜地貌、地表植被影響等問題以及傳統(tǒng)觀測手段在數(shù)據(jù)融合、成本投入、監(jiān)測精度等方面的弊端，李全生等[28]采用空天地一體化監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)對覆巖及地表損傷精準化監(jiān)測(圖2)，并在神東上灣煤礦12401工作面得到推廣與應(yīng)用。以上這些研究表明精準獲取地裂縫位置及其發(fā)育規(guī)律對控制地表損傷和生態(tài)修復(fù)起到一定促進作用。

圖2 空天地一體化監(jiān)測體系

2.2 模擬分析

模擬分析是通過模擬原巖應(yīng)力狀態(tài)實現(xiàn)對開采問題的研究。主要通過采用離散元、有限差分、有限元等數(shù)值模擬軟件與不同維度物理相似模型，著重研究在工作面開采過程中裂隙演化過程、形態(tài)分布特征、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度及其影響因素等，尤其模擬分析在特殊地質(zhì)條件下煤層開采為導(dǎo)水裂隙帶高度的確定提供一個重要的參考依據(jù)。但物理模擬各個巖層材料配比、時間因素、應(yīng)力位移測試都會影響模型的原始條件，且存在模型制作工序復(fù)雜、耗時、費力等弊端。與物理模擬相比，數(shù)值模擬操作簡單、參數(shù)易更改，但由于缺乏理想的本構(gòu)模型，加之地應(yīng)力、巖體參數(shù)等均難以準確測定，研究結(jié)果只能定性參考。鑒于此，需結(jié)合多種手段開展研究才使得模擬結(jié)果更具有說服力。張東升等[29]綜合運用UDEC模擬軟件與關(guān)鍵層理論闡明了關(guān)鍵層厚度與基巖厚度對采動裂隙發(fā)育的影響規(guī)律。文獻[30-31]通過采用物理模擬與數(shù)值模擬方法給出了復(fù)雜地質(zhì)條件下(采動斷層活化、軟巖急傾斜煤層)導(dǎo)水裂隙帶分布特征。李全生等[32]以神東上灣煤礦8.8 m大采高工作面為工程背景，利用物理相似模型探究了在推進速度分別5 m/d和15 m/d采動裂隙擴展規(guī)律(圖3)，得到加快工作面推進速度會引起周期來壓步距與動載系數(shù)增大，但在一定條件下可以減小采動損傷程度和范圍。

圖3 相似模擬不同推進速度下裂隙擴展規(guī)律

2.3 理論分析

目前理論分析主要包括力學(xué)分析法、非線性分析法、工程類比法與定量描述法等。在力學(xué)分析方面，黃炳香等[33]基于對巖層破斷裂隙進行受力分析，并給出裂隙貫通度的計算式(1)。由于巖土體本身復(fù)雜，求解過程中只能將巖土體進行簡化，導(dǎo)致有時理論分析結(jié)果與實際情況差別較大，難以應(yīng)用到現(xiàn)場工程。劉輝等[34]通過薄板理論的基本頂O—X破斷與關(guān)鍵層理論，深刻解析了溝壑地區(qū)塌陷型采動地裂縫形成機理，給出該地裂縫是由于關(guān)鍵層破斷引起，但未涉及關(guān)鍵層種類與層數(shù)對地裂縫的影響規(guī)律。此外，許家林等[35]提出采用關(guān)鍵層位置預(yù)測導(dǎo)水裂隙帶高度的新方法；高延法等[36]通過引入巖層中間層概念，從拉伸變形視角來研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律；杜時貴等[37]提出采用應(yīng)力重分布圖確定中、緩傾斜煤層覆巖三帶高度，進一步完善采動裂隙在力學(xué)方面的研究成果。在非線性分析方面，文獻[38-42]借助主成分分析法、概率積分法、模糊聚類分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、量綱分析法、支持向量機及專家評分系統(tǒng)等，重點分析導(dǎo)水裂隙帶高度影響因素，如工作面長度、采高、埋深、巖層性質(zhì)等，確定各影響因素敏感性，并建立導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測模型，有利于科學(xué)指導(dǎo)水體下安全采煤。目前國內(nèi)科技工作者基于大量現(xiàn)場實測統(tǒng)計與理論分析，系統(tǒng)地總結(jié)了不同采厚與覆巖硬度條件下導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗公式。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，對于實測數(shù)據(jù)差異性較大的礦井，采用工程類比法可以為導(dǎo)水裂隙帶預(yù)判提供重要的參考依據(jù)。從定量分析角度來看，借助圖像分析技術(shù)獲取裂隙密度分布情況[43]，為量化研究采動裂隙提供一種新的途徑。應(yīng)用分形幾何理論分析煤巖體采動裂隙的自相似性[44]，表明分形維數(shù)不僅可以定量描述采動裂隙發(fā)育程度，還可以預(yù)測地表沉陷值。目前裂隙定量研究較多通過采用統(tǒng)計學(xué)研究，過程繁瑣復(fù)雜，筆者認為當(dāng)前急需研發(fā)采動裂隙數(shù)據(jù)快速獲取的方法、技術(shù)與裝置。

(1)

式中：Di為第i層基本頂破斷裂隙貫通度；δci為第i層基本頂斷裂過程中，裂紋尖端張開位移臨界值，m；hi為下位第i層基本頂巖層厚度，m；rp為塑性轉(zhuǎn)動因子，反映了中性軸偏離形心的程度，可由試驗確定；ΔSi為以第i層基本頂為研究對象，在采空區(qū)該巖層下的自由空間，m；Li為第i層基本頂?shù)闹芷跀嗔巡骄?，m。

3 采動裂隙演化規(guī)律及分布特征

在煤層開采過程中，采空區(qū)頂板逐漸處于懸空狀態(tài)，頂板在斷裂過程中產(chǎn)生大量采動裂隙，采動裂隙不僅是瓦斯氣體、水運移的主要通道，并且對巷道圍巖穩(wěn)定性也有極大影響。同時開采產(chǎn)生的貫通裂隙，引起地表水沙涌入工作面，致使井下設(shè)備被淹沒，生產(chǎn)停滯不前，井下人員無法正常通行，且地表水資源的流失，加劇生態(tài)環(huán)境進一步惡化。因此深入開展采動裂隙演化規(guī)律研究對于保障工作面安全生產(chǎn)、維護巷道圍巖穩(wěn)定性及保護生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

眾多采礦學(xué)者對采動裂隙演化規(guī)律進行深入探索，錢鳴高院士提出橫“三區(qū)”、豎“三帶”的采動裂隙分布特征與“O”形圈理論[45]。三下規(guī)程中通過大量現(xiàn)場實測指出導(dǎo)水裂隙帶呈現(xiàn)“馬鞍形”[46]。余學(xué)義等[47]認為在條帶充填開采條件下導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)為“拱形”。李樹剛等[48]發(fā)現(xiàn)采動裂隙形態(tài)為“橢拋帶”。楊科等[49]認為覆巖裂隙發(fā)育形態(tài)為“梯形椎體”。張通等[50]指出薄基巖厚松散層煤層開采后裂隙帶形態(tài)特征為“帽”狀。后續(xù)袁亮[51]給出“頂板環(huán)形裂隙圈”的概念，并提出將瓦斯抽采鉆孔布置在環(huán)形裂隙圈。林柏泉[52]將其稱為回形圈。林海飛等[53]提出“采動裂隙圓角矩形梯臺帶”簡化模型，并闡述其動態(tài)演化規(guī)律，得到采動裂隙帶發(fā)育高度、走向與傾向方向斷裂角等參數(shù)，認為關(guān)鍵層層位及砌體梁結(jié)構(gòu)是影響梯臺高度的主要因素。

在覆巖裂隙方面，考慮時間因素與工作面推進速度，分析覆巖采動裂隙在橫向與縱向的擴展和分布規(guī)律，認為工作面推進速度越快，裂隙發(fā)育時間越短，裂隙閉合越快[54]。張勇等[55]從煤層厚度、傾角和工作面長度角度，得出裂隙發(fā)育呈現(xiàn)不對稱性。許家林等[56]提出離層裂隙主要分布于關(guān)鍵層下方，最大發(fā)育高度不超過主關(guān)鍵層，最大離層量在采空區(qū)中部，并探究了覆巖卸荷碎脹累積效應(yīng)對離層空間的抑制作用。在底板巖層采動裂隙方面，李白英[57]提出下三帶理論。武強等[58]認為煤層采深與底板破壞深度成正比例關(guān)系，底板采動原生裂隙經(jīng)歷閉合-張開-閉合的過程，新生裂隙產(chǎn)生后逐漸閉合的演化規(guī)律，底板初始破壞位置和裂隙發(fā)育程度與巖層性質(zhì)、受力環(huán)境等有關(guān)。白海波等[59]發(fā)現(xiàn)底板巖層在受到頂板垮落沖擊后出現(xiàn)采動裂隙滯后加深現(xiàn)象，在之后周期來壓過程中也有此規(guī)律，但破壞深度減小，堅硬底板采動裂隙發(fā)育程度大于軟弱底板巖層。在地裂縫方面，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果表明，工作面開采結(jié)束后在地表形成橢圓形的采動裂縫帶，裂縫幾何尺寸、產(chǎn)生位置與工作面開采參數(shù)、開采工藝及松散層力學(xué)性質(zhì)、厚度等因素有關(guān)，地裂縫一般呈楔形出現(xiàn)，在地表一定深度發(fā)生尖滅，且地裂縫的演化過程受關(guān)鍵層的破斷影響。針對神東上灣煤礦12401大采高工作面，筆者首次提出基本頂破斷距、主關(guān)鍵層破斷距與地表主裂縫間距呈現(xiàn)“331”周期性傳導(dǎo)關(guān)系[32]，如圖4所示。

圖4 基本頂、關(guān)鍵層與地裂縫之間的關(guān)系

實測結(jié)果表明3次基本頂?shù)臄嗔鸦剞D(zhuǎn)下沉引起1次主關(guān)鍵層破斷，3次主關(guān)鍵層的破斷運移產(chǎn)生1組地表主裂縫，深刻揭示了西部高強度開采損傷傳導(dǎo)規(guī)律。分析認為影響采動裂隙發(fā)育因素較多，亟需建立多因素耦合力學(xué)模型，同時關(guān)于覆巖裂隙研究應(yīng)著重從三維角度再現(xiàn)橫向與縱向裂隙密度、形態(tài)及分布特征，重點探討深部開采和西部溝壑區(qū)高強度開采地裂縫力學(xué)演化機制，有利于實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與采動損害控制。

4 煤礦區(qū)生態(tài)治理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

煤炭地下開采必然引起覆巖發(fā)生破斷和運移，產(chǎn)生一系列宏觀與微觀裂隙，從而使得地下水資源沿采動裂隙發(fā)生流失，與此同時，采動誘發(fā)的礦山壓力作用在煤巖體上，使其孔隙率、滲透率等特性發(fā)生變化，進而影響瓦斯運移規(guī)律。此外，特殊地質(zhì)條件下采動裂隙的快速傳導(dǎo)進一步加劇地表生態(tài)環(huán)境的惡化，激化了煤炭開發(fā)與生態(tài)保護的突出矛盾，為礦山生態(tài)文明建設(shè)帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，基于巖層采動裂隙演化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)有效的生態(tài)治理技術(shù)，成為煤炭行業(yè)綠色發(fā)展亟需解決的重大科學(xué)難題。

4.1 保水采煤技術(shù)

在煤層開采過程中，采動裂隙不僅造成含水層發(fā)生破壞，致使水位降低，甚至水被完全疏干，還會導(dǎo)致地表水沿著采動裂隙進入礦井，影響工作面安全正常生產(chǎn)，因此迫切需要通過降低導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度或直接進行含水層保護以期達到保水采煤的目的。對此，許多專家學(xué)者開展了一系列相關(guān)研究，錢鳴高院士在煤礦綠色開采中就涉及到保水采煤部分，其包括水資源保護、利用及井下水害治理等[60]。1995年范立民針對榆神府礦區(qū)首次使用“保水采煤”一詞，認為采煤一定會造成地下水滲漏，并提出保水采煤的目標(biāo)是不足于引起水流大幅度衰減，同時對植被的生長環(huán)境不造成大的影響[61]?？妳f(xié)興等[62]根據(jù)關(guān)鍵層理論和滲流理論，采用“保水”方法進行頂?shù)装逅χ卫?，并闡明隔水關(guān)鍵層的定義與原理。黃慶享等[63]基于淺埋煤層“上行裂隙”和“下行裂隙”及隔水層性質(zhì)，給出隔水關(guān)鍵層穩(wěn)定性判別依據(jù)，提出保水開采的巖層控制理論；后續(xù)許家林等[64]較全面系統(tǒng)地提出保水采煤4個科學(xué)內(nèi)涵：① 避免水害，保障工作面的安全高效生產(chǎn)；② 通過采取控制措施，降低煤炭開采對地下水資源產(chǎn)生的影響；③ 通過采用含水層自修復(fù)或人工修復(fù)的方法促使其保持原始狀態(tài)。④ 實現(xiàn)地下水資源的保護利用，在一定程度上實現(xiàn)煤水共采。基于以上理論分析，形成了一系列保水采煤技術(shù)，主要概括為以下4個方面：水害防治技術(shù)、含水層原位保護技術(shù)、含水層修復(fù)(人工修復(fù)、自修復(fù))技術(shù)和煤水共采技術(shù)[65]。

4.1.1 水害防治技術(shù)

煤礦水害是地下巖層在受到采動影響后改變水的最初流動狀態(tài)，致使礦井涌水量超出排水量產(chǎn)生的災(zāi)害事故?？梢娭挥挟?dāng)?shù)V井涌水量與采動影響達到一定程度才會引起礦井水害。其中，采動影響直接表現(xiàn)為導(dǎo)水裂隙帶的產(chǎn)生，故水害防治技術(shù)應(yīng)從水害評價與導(dǎo)水裂隙帶高度確定兩方面入手。對于地質(zhì)條件簡單的富水性及突水危險性評價，傳統(tǒng)方法多采用解析法、比擬法等，但對于復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井，這種研究方法往往與實際有很大差別。目前大多數(shù)研究采用數(shù)值模擬法來預(yù)測礦井突水量，利用Visual Modflow軟件建立地下水分布數(shù)值模型，可以立體直觀反映礦井水文地質(zhì)條件，該方法簡單方便，評價準確度高，適用于復(fù)雜非均質(zhì)條件下礦井涌水量預(yù)測[66]。針對目前礦井關(guān)于勘探水文地質(zhì)資料的分散性，簡單利用已有分散信息不能深刻分析解決問題，無法挖掘這些資料潛在價值，武強等提出了基于GIS的多源信息融合的富水性指數(shù)法，有效指導(dǎo)了平朔井工一礦4號煤層頂板的富水性分區(qū)[67]；針對我國頂?shù)装逋凰畤乐貑栴}，提出了“三圖-雙預(yù)測法”、“脆弱性指數(shù)法”和“五圖雙系數(shù)法”等綜合評價法，并在開灤、臺格廟等礦區(qū)得到良好的應(yīng)用效果[68]。這些方法基本原理是利用勘察手段獲得大量數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)評價模型進行統(tǒng)計分析，最后得到與實際情況相吻合的結(jié)果。總之，水害評價方法經(jīng)歷了從單因素到多因素、平面到立體、均質(zhì)到非均質(zhì)、定性到定量的發(fā)展規(guī)律。

對于導(dǎo)水裂隙帶高度的確定，目前主要利用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的經(jīng)驗公式與現(xiàn)場觀測的鉆孔沖洗液漏失量，然而不同礦區(qū)開采地質(zhì)條件復(fù)雜多變，運用經(jīng)驗公式計算導(dǎo)水裂隙帶高度往往與實際差別很大，而現(xiàn)場鉆孔觀測存在成本投入高、測點布置密度稀疏等缺點。鑒于此，基于關(guān)鍵層位置的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測方法被提出，這種方法一方面能夠適應(yīng)不同采厚變化，另一方面對由于關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)變化造成的導(dǎo)水高度表現(xiàn)異常情況給出判斷，為特殊地質(zhì)條件的突水防治奠定了基礎(chǔ)[2]。如：陜西崔木煤礦在巨厚煤層綜放開采條件下發(fā)生頂板離層區(qū)突水事故，由于在井下鉆孔排放離層區(qū)積水遇到泥巖，一方面泥巖遇水容易軟化崩解，封閉導(dǎo)水通道，不利于排水，另一方面在泥巖中鉆孔難度大，容易發(fā)生塌孔、埋鉆現(xiàn)象。鑒于此，提出了地面直通式導(dǎo)流孔、優(yōu)化采高與推進速度等措施，有效控制了礦井離層區(qū)突水事故[69]；安徽祁東煤礦由于頂板上方存在具有載荷傳遞作用的松散承壓含水層，致使關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷，上下巖層破斷裂隙貫通，導(dǎo)水裂隙帶高度陡增而聯(lián)通含水層，最終發(fā)生壓架突水事故，基于此分析，提出水害預(yù)警、頂板預(yù)裂爆破與調(diào)控開采工藝等手段，實現(xiàn)突水區(qū)域的安全開采[70]。后續(xù)筆者提出基于導(dǎo)水裂隙帶高度的地下水庫適應(yīng)性評價方法，用來判別導(dǎo)水裂隙是否與含水層發(fā)生水力聯(lián)系，是否滿足地下水庫通道條件，并在多個現(xiàn)場案例中得到驗證，同時有效指導(dǎo)了李家壕煤礦地下水庫的建設(shè)選址與適應(yīng)性評價[71]。

我國東部煤炭開采逐漸向深部發(fā)展，且華北煤田奧陶系巖溶水害比較嚴重，深部開采導(dǎo)水陷落柱比較隱伏，地質(zhì)構(gòu)造識別與井下探測難度大，部分區(qū)域無法探查，一旦誤判，將發(fā)生突水事故，同時井下治理影響工作面生產(chǎn)進度?；诖耍Ψ乐螐木轮卫磙D(zhuǎn)變?yōu)榈孛嬷卫?，具體施工表現(xiàn)為在地面打垂直鉆孔，到某個深度開始傾斜進入注漿目標(biāo)層，然后順著巖層施工多個水平鉆孔，通過地面注漿阻止底板突水，實現(xiàn)了對水害的主動、超前、地面、區(qū)域性治理[66]。對于底板突水的研究，主要采用底板破壞深度理論計算與突水系數(shù)法實現(xiàn)突水危險性評價，同時傳統(tǒng)的留設(shè)防水保護煤柱、改變開采參數(shù)等治理思路逐漸向底板注漿加固含水層等手段發(fā)展，并在我國華北、華東與西北地區(qū)得到良好的應(yīng)用效果[72]。

4.1.2 含水層原位保護技術(shù)

含水層原位保護技術(shù)主要是通過采取相關(guān)措施降低覆巖破壞高度進而保證含水層不發(fā)生破壞。因此預(yù)先了解礦井水文地質(zhì)條件、優(yōu)化設(shè)計礦井與工作面相關(guān)參數(shù)、合理控制導(dǎo)水裂隙帶高度，可以有效實現(xiàn)含水層的原位保護。范立民等[61]從水文地質(zhì)角度深刻分析了頂板物理力學(xué)性質(zhì)、隔水層性能與導(dǎo)水裂隙帶高度，提出保水采煤要保護含水層結(jié)構(gòu)不被破壞，并認為根據(jù)不同區(qū)域選擇不同開采方法是實現(xiàn)保水采煤的重要途徑。張東升等[73]提出在礦區(qū)規(guī)劃設(shè)計、整體布局與工作面開采工藝、生產(chǎn)能力等方面必須考慮水資源承載能力。孫亞軍等[74]以神東礦區(qū)為例，先將水文地質(zhì)情況分為弱富(無)水區(qū)和富水區(qū)，其次富水區(qū)又分為泉域水源地區(qū)、燒變巖富水區(qū)、厚基巖區(qū)和薄基巖區(qū)，給出當(dāng)含水層富水性弱，基巖厚度小時，即使沒有隔水層也要注漿加固基巖，增強其抗壓能力，確保保護層的強度與厚度；當(dāng)基巖厚度足夠大時，可采取充填開采、房柱式開采、條帶開采、限高(分層)開采等方法降低導(dǎo)水裂隙帶高度以實現(xiàn)保水開采，并在補連塔、巴圖塔等煤礦得到較好的推廣和應(yīng)用。當(dāng)前主要通過采用改變采煤方法、調(diào)整開采參數(shù)與留設(shè)煤柱等手段降低導(dǎo)水裂隙帶高度，對于開采強度不大的礦井，這些方法可以實現(xiàn)含水層原位保護，但對于一些西部高強度開采的集約化生產(chǎn)礦井，由于煤層埋深淺，上覆基巖較薄，工作面開采強度高，導(dǎo)水裂隙帶極易貫通地表，含水層很難保證不受破壞，故研究含水層破壞后的保水采煤技術(shù)很有必要。

4.1.3 含水層修復(fù)技術(shù)

采礦活動引起含水層破壞后會導(dǎo)致地下水位降低，地表植被及水循環(huán)系統(tǒng)受到嚴重影響，惡化生態(tài)環(huán)境，引發(fā)一系列社會經(jīng)濟與生態(tài)文明問題。如果通過人為采取相關(guān)措施或近自然狀態(tài)下將采空區(qū)與含水層之間的導(dǎo)水裂隙通道封堵，將對煤礦安全、水資源保護與含水層修復(fù)起到促進作用?，F(xiàn)場工程實踐表明，在我國西部富含煤炭資源的高強度開采礦區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育直至地表，含水層原位保護技術(shù)已不再適用，注漿封堵法成為實現(xiàn)含水層修復(fù)的重要途徑，但該方法關(guān)鍵在于確定導(dǎo)水嚴重區(qū)域，才能有針對性地進行注漿封堵。曹志國等[1]基于分析覆巖破斷形態(tài)、裂隙分布特征及水流特性，指出導(dǎo)水裂隙主要通道位于開采邊界兩側(cè)，對于開采區(qū)域中部處于壓實狀態(tài)，裂隙接近閉合，導(dǎo)水能力很弱，重點封堵導(dǎo)水主通道區(qū)域，可以極大地提高實施效率與節(jié)省成本投入。許家林教授在《巖層采動裂隙演化規(guī)律與應(yīng)用》中也提到通過選取覆巖破斷裂隙張開度較大區(qū)域，如終采線、開切眼、關(guān)鍵層破斷線等進行人工注漿封堵(圖5)，實現(xiàn)含水層的再造。鞠金峰等[75]提出采用化學(xué)沉淀物封堵導(dǎo)水通道方法來實現(xiàn)含水層的再修復(fù)。

圖5 人工注漿封堵導(dǎo)水裂隙帶再造含水層示意[2]

已有研究表明，煤層開采引起的導(dǎo)水裂隙在一定條件下會出現(xiàn)自修復(fù)現(xiàn)象，文獻[64]提到神東補連塔煤礦12401工作面鉆孔水位變化情況，由于采動裂隙貫通至基巖界面，剛開始觀測孔內(nèi)水位處于降低狀態(tài)，而后隨著工作面的推進，破斷巖塊的膠結(jié)成巖特性及松散層中砂土的彌合作用，導(dǎo)致裂隙導(dǎo)水能力降低，水位出現(xiàn)回升現(xiàn)象。事實上，巖層采動破壞的自修復(fù)機理是水-氣-巖相互作用的結(jié)果。鑒于此，筆者開展了裂隙巖石在不同酸堿度條件下水-CO2-巖相互作用試驗[76]，如圖6所示，結(jié)果表明無論在酸性還是堿性條件下，該試件都呈現(xiàn)絕對滲透率降低的自修復(fù)能力；后續(xù)以神東礦區(qū)萬利一礦為工程背景，采用原位鉆孔觀測單一煤層采動與多煤層重復(fù)采動下覆巖裂隙特征及自修復(fù)規(guī)律，得到經(jīng)過8～12 a的垮落裂隙巖體的自修復(fù)效應(yīng)明顯,表現(xiàn)為鉆孔沖洗液漏失量小、孔內(nèi)水位下降緩的低滲透現(xiàn)象[77]。這些研究都進一步驗證了巖層采動裂隙存在自修復(fù)現(xiàn)象的客觀事實。總之，根據(jù)具體地質(zhì)條件，合理選擇巖層采動破壞的修復(fù)技術(shù)(人為注漿封堵或裂隙自我彌合)，對于實現(xiàn)含水層的再恢復(fù)具有積極的促進意義。

圖6 裂隙巖石的絕對滲透率變化規(guī)律

4.1.4 煤水共采技術(shù)

神東礦區(qū)是我國最大的煤炭開采地，淺埋高強度開采特征致使采動裂隙極易貫通至地表，引發(fā)含水層水資源沿采動裂隙流入采空區(qū)。傳統(tǒng)處理思路是把礦井水抽到地面直接排放或凈化后循環(huán)利用，但存在蒸發(fā)嚴重、利用率低等缺點，同時在地面上建水庫涉及因素較多，難度較大。鑒于此，提出基于礦井水資源轉(zhuǎn)移儲存與利用的“采空區(qū)地下水庫”概念[78]，在一定程度上實現(xiàn)煤水共采。具體是將通過采動裂隙滲漏的水源儲存在采空區(qū)，根據(jù)采空區(qū)冒落巖體的過濾、吸附和離子交換等固液耦合作用凈化礦井水，再利用相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)采空區(qū)水資源的補給與利用，經(jīng)過凈化處理的水源可以滿足井下生產(chǎn)用水、生態(tài)用水與生活用水等，最終在神東礦區(qū)大柳塔等煤礦完成35座地下水庫，解決了西部干旱礦區(qū)煤炭開采與水資源浪費之間的矛盾，實現(xiàn)雙贏局面，建成一批國家級綠色礦山，促使西部礦區(qū)由耗水大戶變?yōu)楣┧豙79]。在此基礎(chǔ)上，從生態(tài)學(xué)與采礦學(xué)角度出發(fā)，提出煤-水仿生共采理念[80]，如圖7所示，構(gòu)建了以區(qū)域設(shè)計、隔離重構(gòu)和仿生調(diào)控為關(guān)鍵技術(shù)的煤-水仿生共采技術(shù)體系，不僅考慮煤炭開采與水資源保護的協(xié)調(diào)發(fā)展，還有利于實現(xiàn)地表生態(tài)環(huán)境的原位保護，進一步完善煤水共采理論與技術(shù)體系。

圖7 煤-水仿生共采技術(shù)體系[80]

4.2 煤與瓦斯共采技術(shù)

瓦斯被認為煤礦五大災(zāi)害之一，瓦斯達到一定濃度容易使人窒息死亡，同時受井下采掘擾動行為會發(fā)生爆炸，產(chǎn)生設(shè)備毀壞、巷道破壞、人員傷亡等問題。此外，瓦斯也是一種溫室氣體，排入大氣中引起環(huán)境污染，但瓦斯因不含硫，燃燒產(chǎn)生污染物較少，也被當(dāng)作是一種優(yōu)質(zhì)的高效、清潔資源。因此亟需開展煤與瓦斯共采研究，對于兼顧煤礦安全生產(chǎn)與環(huán)境保護具有重要意義。

煤與瓦斯共采應(yīng)該先考慮瓦斯抽放才能實現(xiàn)煤層安全開采。20世紀40年代末，我國在遼寧撫順煤田進行瓦斯抽采試驗，50年代末逐漸應(yīng)用生產(chǎn)，后續(xù)采用瓦斯抽放系統(tǒng)的煤礦數(shù)量在增加，包括陽泉、包頭、北票、天府等礦區(qū)，到2006年，我國煤礦安裝瓦斯抽采系統(tǒng)308套，瓦斯抽采量達32.4億m3，利用率為35.5%，與美國、澳大利亞等國家相比，我國的煤礦瓦斯抽采利用率較低。根據(jù)瓦斯抽采順序與來源，煤與瓦斯共采主要分為采前瓦斯抽采、采動卸壓瓦斯抽采和采后瓦斯抽采，其中采動卸壓瓦斯抽采包括本煤層采動卸壓瓦斯抽采與鄰近層采動卸壓瓦斯抽采。

1)采前瓦斯抽采。采煤之前進行瓦斯預(yù)抽，可以消除突出危險性，提高采煤安全性。由于我國含瓦斯煤層滲透性差、吸附性強，導(dǎo)致瓦斯抽采難度大，效果差。鑒于此，從物理和力學(xué)作用兩個方面著手改變含瓦斯煤體裂隙發(fā)育程度，進而提高煤層滲透率和瓦斯抽采效率，其中力學(xué)作用方面主要有水力沖孔法、水力壓裂法、水力割縫法、爆破預(yù)裂增透法和液氮壓裂法，物理作用有微波法、聲震法。所有這些方法為解決含瓦斯煤層低滲透率問題提供了創(chuàng)新性技術(shù)支撐。

2)采動卸壓瓦斯抽采。由于開采擾動和支承壓力作用會引起煤壁附近煤體出現(xiàn)卸壓增透現(xiàn)象，瓦斯含量瞬間增加，在工作面前方卸壓帶抽采瓦斯，邊采邊抽，可以保證工作面安全生產(chǎn)。根據(jù)鉆孔布置方式，本煤層工作面瓦斯抽采可分為順層鉆孔瓦斯抽采與穿層鉆孔瓦斯抽采，其中順層鉆孔抽采已在淮南礦區(qū)得到成功應(yīng)用[81]。鄰近層采動卸壓瓦斯抽采技術(shù)是運用保護層開采的采動卸壓作用，促使被保護層即鄰近煤層的透氣性增大，進而提高瓦斯抽采效果。鄰近層瓦斯抽采要求鉆孔需進入卸壓帶，同時還要避免鉆孔布置在極其破碎區(qū)域，以防止發(fā)生鉆孔漏氣現(xiàn)象。故在鄰近層瓦斯抽采布置鉆孔時，只有合理設(shè)置鉆孔直徑、鉆孔角度、鉆孔間距等參數(shù)，才能保證瓦斯抽采效果。為解決工作面瓦斯超限問題，降低瓦斯事故發(fā)生概率，基于采動裂隙的“O”形圈和瓦斯卸壓運移的“三帶”理論，提出穿層鉆孔、走向高抽巷等鄰近層卸壓瓦斯抽采技術(shù)，同時實現(xiàn)在地面鉆井抽采卸壓解吸帶瓦斯，并在陽泉礦區(qū)得到了良好應(yīng)用效果[9]。

3)采后瓦斯抽采。由于采空區(qū)具有空間大、分布范圍廣、裂隙發(fā)育程度高，殘留煤多等特征，是礦井瓦斯涌出的主要來源，為降低采空區(qū)瓦斯涌出量以實現(xiàn)資源的合理利用，需對采后的采空區(qū)進行瓦斯抽采。密閉采空區(qū)瓦斯抽采方法主要有地面鉆孔抽采與密閉墻內(nèi)接管抽采[82]，相比于德國、英國等國家，我國封閉采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展緩慢。近年來，隨著我國能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，加大清潔能源利用和環(huán)境保護的力度，實施廢棄礦井瓦斯資源化利用與綜合治理項目，為進一步開展采空區(qū)瓦斯資源儲量評估、瓦斯運移規(guī)律及高效抽采技術(shù)等方面研究奠定了基礎(chǔ)。針對老采空區(qū)瓦斯?jié)B流規(guī)律、地面井位選擇等重要科學(xué)問題，建立了地面鉆井抽采情況下瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型，得到采空區(qū)瓦斯流動狀態(tài)及合理的抽采參數(shù)、地面鉆井的控制范圍，并在陽泉礦區(qū)采空區(qū)瓦斯抽采工程實踐中得到了良好的應(yīng)用效果[83]。

4.3 開采減損技術(shù)

隨著我國中東部煤炭資源逐漸枯竭，同時由于開采條件差、生產(chǎn)成本高、礦井威脅性大等問題，西部礦區(qū)已成為我國主要煤炭生產(chǎn)基地，加之西部是我國向西開放及發(fā)展絲綢之路的關(guān)鍵點，是我國眾多大型煤炭基地聚集區(qū)，未來發(fā)展?jié)摿艽?，具有煤炭發(fā)展戰(zhàn)略西移的根基。但西部淺埋高強度開采特征造成地表建筑設(shè)施與生態(tài)環(huán)境(植被、土壤、水)的損傷。目前從改變工作面開采方法或參數(shù)、調(diào)控損傷傳導(dǎo)過程、提高受影響對象的抗開采擾動能力等方面分析，提出了充填開采、協(xié)調(diào)開采、條帶開采、離層注漿充填、限厚開采等減損技術(shù)。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，許多方法不能滿足現(xiàn)代煤炭集約化高效開采需求，有些方法雖簡單易行，但存在煤炭采出率低、充填成本高等弊端。故亟需改變傳統(tǒng)思路，由控制損傷改變?yōu)榻档蛽p傷程度，充分運用受影響對象的抗變形能力，調(diào)控采動損害與保護對象之間的矛盾問題。鑒于此，筆者提出以下減損技術(shù)[32]：

1)基于開采參數(shù)優(yōu)化的源頭減損技術(shù)。采動損傷因素包括開采與地質(zhì)2個方面，其中地質(zhì)條件無法人為干涉，故從開采參數(shù)優(yōu)化入手是最佳減損途徑。由于目前開采參數(shù)對減損的評價研究仍處于經(jīng)驗確定或定性分析階段，為量化開采參數(shù)對覆巖的損傷程度，筆者引入損傷比概念(覆巖塑性區(qū)總體積占采動影響區(qū)覆巖體積的比例)，以上灣煤礦12401工作面為工程背景，運用數(shù)值分析得到損傷比與工作面長度、采高和推進速度的關(guān)系。如圖8所示，可看出損傷比與工作面長度、采高和推進速度均呈“S”型增長，當(dāng)工作面長度小于304 m，采高小于7.8 m、推進速度大于11.9 m/d(采煤裝備限制，推進速度一般不超過18 m/d)可以將損傷比控制在合理范圍，超出該范圍地表損傷控制層將發(fā)生破斷，導(dǎo)致?lián)p傷比大幅度增加。

圖8 損傷比與工作面開采參數(shù)的關(guān)系

3)變形調(diào)控減損技術(shù)。該減損技術(shù)主要通過減小開采影響范圍內(nèi)對變形敏感且下沉影響小的地表附屬物位置的地表變形量，進而實現(xiàn)降低損傷程度和保護地表植被、建筑設(shè)施的目標(biāo)。其核心思想是采用超大工作面開采或拉壓變形抵消法來調(diào)控地表整體變形量，實現(xiàn)小變形區(qū)域擴大，大變形區(qū)域縮小。超大工作面開采技術(shù)是機械化水平較高條件下的減損開采方法，其工作面長度(通常為300～500 m)是普通工作面的3～4倍，在開采影響范圍內(nèi)地表大多位于變形理論值為零的移動盆地平底部分，同時加快工作面推進速度，更加有利于減小地表受動態(tài)變形影響程度。與常規(guī)開采相比，超大工作面開采技術(shù)可降低大變形區(qū)域達50%以上。當(dāng)工作面無法進行超大開采時，可采用兩次或多次協(xié)調(diào)開采實現(xiàn)對保護區(qū)工作面的布置和開采時間的確定，通過首次開采控制保護區(qū)變形量，將其拉壓變形量控制在保護對象允許范圍，2次開采時調(diào)控保護區(qū)拉伸變形區(qū)受壓縮變形，壓縮變形區(qū)域受拉伸變形，從而減小整體開采損傷影響范圍。此外，在技術(shù)與管理允許條件下也可基于動態(tài)預(yù)測結(jié)果，采用厚煤層(多煤層)的2個分層(煤層)同時開采方式，使地表保護區(qū)在前后影響的同一時間受到相反的變形，將整體疊加變形量控制在保護對象的允許變形范圍內(nèi)。

4)覆巖離層注漿減損技術(shù)。覆巖離層注漿是一種有效降低覆巖及地表損傷程度的減損方法，其核心思想是通過鉆孔向離層空間注漿充填外來材料，進而起到支撐覆巖和阻止采動損傷向地表傳導(dǎo)的作用。該技術(shù)具有操作簡單，容易實施，可實現(xiàn)開采與注漿平行作業(yè)等優(yōu)點，不僅能減小地表下沉，還能保護地表環(huán)境及建筑物。許家林等[84]基于關(guān)鍵層理論得到采動離層裂隙演化規(guī)律，提出離層注漿減沉技術(shù)。針對該技術(shù)存在因漿液難充滿離層空間而不能阻止關(guān)鍵層破斷的問題，提出在非充分采動條件下采用留設(shè)煤柱與離層區(qū)充填相結(jié)合的覆巖離層分區(qū)隔離充填減沉法控制地表下沉，即離層區(qū)充填體+關(guān)鍵層+煤柱3者共同承載上覆載荷[85]。針對西部高強度開采礦區(qū)存在地表生態(tài)損傷嚴重、修復(fù)困難等問題，如圖9所示，筆者提出“兩帶”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)“三帶”結(jié)構(gòu)的垮落帶與離層裂隙帶注漿減損技術(shù)[86]，通過垮落帶注漿減小頂板下沉量，離層帶注漿阻止損傷向上傳導(dǎo)，最終有效降低上灣煤礦12401地表損傷程度。

圖9 垮落帶與離層裂隙帶注漿減損技術(shù)

4.4 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

煤炭大規(guī)模高強度開發(fā)產(chǎn)生大量采動裂隙，進一步造成土地破壞、植被退化、土壤沙化、地下水位下降、景觀破壞等生態(tài)問題，探究生態(tài)修復(fù)技術(shù)進展，有利于改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境并實現(xiàn)水資源保護及經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)修復(fù)技術(shù)是以恢復(fù)土地生產(chǎn)能力為基礎(chǔ)，綜合采用各種工程技術(shù)、生物修復(fù)等手段，實現(xiàn)多生態(tài)系統(tǒng)要素(植被、土壤、水、景觀)的恢復(fù)。

針對生態(tài)保護問題，國家能源集團研發(fā)團隊與國內(nèi)各大高校協(xié)同攻關(guān)，經(jīng)過持續(xù)技術(shù)研發(fā)和工程實踐，在西部干旱半干旱的神東礦區(qū)開展了“晉陜蒙接壤區(qū)煤炭基地生態(tài)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與示范”等國家科技計劃項目，在采復(fù)一體化、土壤重構(gòu)、植被恢復(fù)、采煤沉陷區(qū)綜合治理等方面取得了階段性成果。關(guān)于主要生態(tài)修復(fù)技術(shù)總結(jié)如下：

1)采復(fù)一體化技術(shù)。關(guān)于井工礦采復(fù)一體化技術(shù)是基于綜合考慮煤層開采與地表沉陷耦合作用，通過選擇合理的修復(fù)方式與時機，實現(xiàn)開采與復(fù)墾協(xié)同進行的生態(tài)修復(fù)手段，主要應(yīng)用在東部高潛水位地區(qū)，在中西部低潛水位地區(qū)相對較少[87]。如文獻[88]針對高潛水位礦區(qū)存在開采沉陷區(qū)域積水嚴重、治理難度大、生態(tài)環(huán)境惡劣等難題，通過采用動態(tài)預(yù)復(fù)墾方法，實現(xiàn)淮北、唐山等生態(tài)文明城市的建設(shè)。

2)土壤改良與植物修復(fù)技術(shù)。土壤改良技術(shù)是通過采取相關(guān)工程技術(shù)及生物、化學(xué)、水利等措施，改善土壤肥力、結(jié)構(gòu)、酸堿度等性質(zhì)，繼而重構(gòu)出適合植被生長發(fā)育的環(huán)境條件。針對西部風(fēng)沙區(qū)超大工作面開采地質(zhì)條件，通過探究開采沉降區(qū)和裂縫發(fā)育程度對植物根系影響規(guī)律與自修復(fù)時間，提出植物分區(qū)差異化修復(fù)技術(shù)。在均勻沉降區(qū)實施以沙蒿為主要植物，配合速生豆科植物的修復(fù)模式，在非均勻沉降區(qū)優(yōu)選側(cè)柏、樟子松、紫穗槐、沙棘及紫花苜蓿，采用(樟子松)側(cè)柏與紫穗槐間作密度1∶2、紫花苜蓿與沙棘混作方法，聯(lián)合生物改良技術(shù)可以促進植被生長[89]。此外，對于根系損傷嚴重問題，采取礦井循環(huán)水生態(tài)澆灌模式，同時結(jié)合以叢枝菌根為主的微生物修復(fù)技術(shù)改良土壤理化性質(zhì)，修復(fù)損傷根系，促進養(yǎng)分循環(huán)吸收，實現(xiàn)西部干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多樣性與生態(tài)環(huán)境的改善[10]。神東礦區(qū)通過采用植物分區(qū)差異化修復(fù)技術(shù)，建成了上灣、大柳塔等沉陷區(qū)生態(tài)治理示范工程基地，實現(xiàn)煤炭開采與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3)采煤沉陷區(qū)綜合修復(fù)技術(shù)。針對地上煤矸石存在占用土地嚴重，易自燃，并產(chǎn)生有毒氣體、粉塵等危害，基于采用煤矸石和地表土層充填復(fù)墾技術(shù)，將采煤沉陷地作為工業(yè)建設(shè)用地，不僅實現(xiàn)煤矸石的有效利用，同時還能解決生態(tài)污染嚴重、土地供需矛盾突出等問題。通過疏排沉陷區(qū)積水和平整地表高低不平區(qū)域，將采煤沉陷地作為農(nóng)田復(fù)墾用地，對于積水嚴重、土壤貧瘠、土地肥力差，不適合農(nóng)作物生長且土地復(fù)墾成本大的沉陷區(qū)，可以直接作為人工濕地，進行水產(chǎn)養(yǎng)殖等活動。因此，根據(jù)采煤沉陷的具體情況，合理選擇修復(fù)方式，是實現(xiàn)煤礦區(qū)生態(tài)治理的有效保障。

5 討 論

總結(jié)分析目前針對巖層采動裂隙演化規(guī)律及生態(tài)保護取得了很大進步，但采動裂隙出現(xiàn)位置、形成機理、演化形態(tài)及影響因素復(fù)雜多樣化，關(guān)于采動損傷監(jiān)測體系、生態(tài)減損技術(shù)等方面尚不完善。鑒于此，筆者認為仍存在一些關(guān)鍵科學(xué)問題值得研究與探討。

1)基于物理相似模擬和數(shù)值模擬研究采動裂隙演化規(guī)律的弊端。采用物理相似模擬只能大致觀測巖層垮落情況，不能準確呈現(xiàn)裂隙動態(tài)演化過程，同時垮落結(jié)果受巖層配比、曬干時間及人工操作等影響。未受到采動影響之前，由于巖體受到地質(zhì)構(gòu)造作用存在原生裂隙是隨機分布的，數(shù)值模擬方面往往采用離散元法預(yù)制裂隙，使得覆巖按照理想狀態(tài)進行垮落，不能很好地反映現(xiàn)場實際情況。同時數(shù)值模擬方法存在多種本構(gòu)關(guān)系，如何選取合適本構(gòu)模型才能較好地表征巖體固有特征并應(yīng)用于現(xiàn)場，有待進一步商榷。因此，有必要開展數(shù)值模擬方法中本構(gòu)模型研究，并將多種研究手段互相結(jié)合，互相驗證，才能保證研究結(jié)果的可靠性與準確性。

2)采動裂隙形成機理及時空演化規(guī)律有待進一步研究。目前主要借助現(xiàn)場探測與相似模擬等手段研究采動裂隙形成機理與演化規(guī)律，只能粗略反映其動態(tài)變化過程，缺乏精確性與科學(xué)性，研究方法較為單一，不具有可靠性和說服力。對采動裂隙的定量研究一直是困擾采礦工程的科學(xué)問題。因此亟需從微觀、細觀和宏觀等角度，采用分形理論、損傷力學(xué)以及斷裂力學(xué)等理論分析采動裂隙形成力學(xué)機制及時空演化規(guī)律。

3)多物理場耦合仍需加強研究?，F(xiàn)階段開展研究主要側(cè)重于裂隙場、應(yīng)力場和滲流場部分耦合，而裂隙場是隨著時間和工作面推進動態(tài)變化，且具有一定自修復(fù)能力，進而影響地下水分布規(guī)律。因此，有必要基于多場耦合理論對工作面覆巖動態(tài)演化特征、裂隙場發(fā)育機理及裂隙滲流特征開展研究，為有效控制覆巖及地表裂隙發(fā)育、保護地表生態(tài)，進行裂隙動態(tài)演化、滲流規(guī)律以及裂隙發(fā)育程度調(diào)控，提供創(chuàng)新性的技術(shù)支撐。

4)采動裂隙應(yīng)用及控制方面有待突破。采動裂隙應(yīng)用主要集中在保水開采、瓦斯抽采和注漿充填開采等方面。保水開采方面，采動破壞后含水層自修復(fù)機理及條件以及人工再造含水層技術(shù)的創(chuàng)新研究仍是需突破的關(guān)鍵核心問題。瓦斯抽采方面，應(yīng)加強相關(guān)瓦斯抽采技術(shù)的理論科學(xué)研究，如卸壓增透技術(shù)在理論方面的突破仍是當(dāng)前的研究重點。注漿充填方面，如何提出新穎且可行的注漿方法和針對不同地質(zhì)條件提高注漿效率以及注漿壓力、注漿位置、注漿時機等影響因素的選擇是值得思考的問題。如圖10所示，采動裂隙控制研究方面應(yīng)重點關(guān)注新材料、新工藝以及新技術(shù)的研發(fā)[90]。

圖10 采動裂隙控制途徑

5)結(jié)合生態(tài)學(xué)理念，提出采動損傷科學(xué)內(nèi)涵及評價方法。煤炭地下開采會引起巖層移動與地表沉降，傳統(tǒng)觀念認為采動損傷是地下開采巖層移動引起的覆巖破壞與地表沉陷，然而從生態(tài)學(xué)角度來，高強度開采還會進一步影響土壤質(zhì)量、植被覆蓋度、地表水位、大氣環(huán)境等。與此同時，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境要素的采動破壞特征呈現(xiàn)出相對于地表變形的時滯性、累加性(如裂縫越來越大、扭曲變形加劇等)、抵償特性(如采動區(qū)房屋先經(jīng)受拉伸變形后經(jīng)受壓縮變形，或者經(jīng)受相反過程)、多樣性和多元化發(fā)展趨勢以及直接作用和間接影響(由地下污水排放、有毒氣體揮發(fā)及矸石壓占導(dǎo)致的地表水、空氣和堆放地土壤污染等現(xiàn)象)并存等特點。因此，從生態(tài)學(xué)角度，提出采動損傷科學(xué)內(nèi)涵及評價方法具有刻不容緩的緊迫性和重要的科學(xué)價值。

6)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)理念需進一步加強。隨著煤炭大規(guī)模開發(fā)基地逐漸轉(zhuǎn)向西部，以往適用于東部的生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù)不一定有效，故礦山生態(tài)修復(fù)要重視因地制宜，不能生搬硬套，此外應(yīng)樹立源頭治理，主動治理，采礦全生命周期治理、邊采邊治理觀念。礦山生態(tài)修復(fù)是受多因素影響的動態(tài)過程，需對各個變化階段生態(tài)治理效果進行綜合評估，同時應(yīng)完善生態(tài)修復(fù)方面的法律法規(guī)，主管部門應(yīng)確保相關(guān)政策落實到位，對違規(guī)企業(yè)單位加大處罰力度，這樣才可以提高生態(tài)修復(fù)效率，縮短治理周期，加快我國生態(tài)文明建設(shè)。

7)亟需建立采動裂隙引起的損害問題與生態(tài)保護智能化評估系統(tǒng)。當(dāng)前，采動裂隙監(jiān)測手段已逐漸趨于成熟化與精確化，如何通過現(xiàn)有采動裂隙監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到井下工人和地面專家系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面安全高效開采與地表生態(tài)保護評估，如何建立采動損害與生態(tài)保護相協(xié)調(diào)的智能化調(diào)控系統(tǒng)是解決煤炭開采與生態(tài)礦區(qū)建設(shè)矛盾的關(guān)鍵問題。鑒于此，筆者結(jié)合已有研究(圖2)提出以下評估系統(tǒng)，如圖11—圖13所示。

圖11 采動損害與生態(tài)保護評估系統(tǒng)

圖12 生態(tài)保護評價子系統(tǒng)

圖13 決策分析子系統(tǒng)

6 結(jié)論與展望

目前研究在一定程度上揭示了采動裂隙時空演化規(guī)律及形成機理，但從現(xiàn)場應(yīng)用角度以及未來我國煤炭綠色開采與生態(tài)環(huán)境保護和諧發(fā)展的戰(zhàn)略方面，有以下認識：

1)綜合采用多種研究方法，優(yōu)勢互補，互相驗證。巖層采動裂隙形成機理及演化規(guī)律研究方法多樣化，每一種方法在應(yīng)用過程中都能起到一定程度作用，但各自都有其局限性，未來應(yīng)綜合采用數(shù)值模擬、相似模擬、理論分析及現(xiàn)場實測等多種技術(shù)手段，盡量避免單一手段的不足，增加其理論分析和實驗室試驗達到與現(xiàn)場實際情況的吻合，但應(yīng)注意各種方法之間基本理論力學(xué)模型和假設(shè)條件的一致性。

2)基于分形理論、損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)等理論實現(xiàn)采動裂隙的科學(xué)定量化研究。當(dāng)前針對采動裂隙進行鉆孔成像及物理模擬等已經(jīng)不能適應(yīng)采礦工程科學(xué)發(fā)展的需要，未來對采動裂隙的理論研究有待進一步加強。筆者認為巖層采動裂隙隨工作面推進動態(tài)變化，應(yīng)結(jié)合裂隙分形理論，得到分形維數(shù)與各種開采工藝參數(shù)的關(guān)系式，同時基于損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)等理論，建立覆巖采動裂隙張開—閉合模型，科學(xué)闡述采動裂隙自修復(fù)機理及時空演化規(guī)律，是當(dāng)前以及未來采動裂隙研究熱點之一。

3)建立深部多物理場耦合模型。煤炭地下開采環(huán)境復(fù)雜，有裂隙、水、瓦斯等復(fù)雜地質(zhì)條件，同時隨著淺部煤炭資源的開采枯竭，逐漸向地下深部轉(zhuǎn)移，深部礦井溫度場、應(yīng)力場也在發(fā)生變化，為更好地反映現(xiàn)場實際情況以及指導(dǎo)深部礦井安全生產(chǎn)的需求，開展多物理耦合模型研究是很有必要的。筆者認為可以利用大型試驗設(shè)備進行巖石力學(xué)實驗，研究在不同條件下多場變化情況，構(gòu)建多物理場耦合模型，并對圍巖多物理場分布特征進行數(shù)值模擬研究。

4)探索采動裂隙新的應(yīng)用及控制方法。目前采動裂隙應(yīng)用主要體現(xiàn)在保水開采，瓦斯抽采及注漿充填等方面，這些方面都有待解決的理論技術(shù)難題。從國家戰(zhàn)略角度分析認為可以探索采動裂隙在碳減排方面的應(yīng)用，如根據(jù)具體地質(zhì)環(huán)境判斷是否可以進行CO2的地質(zhì)封存等，采動裂隙控制方面應(yīng)重視新材料、新工藝以及新技術(shù)的研發(fā)，深入開展采動地裂縫發(fā)育擴展機理及控制研究也是目前眾多學(xué)者關(guān)注問題，這對于地表生態(tài)修復(fù)及土地復(fù)墾等具有重要意義。

5)基于生態(tài)學(xué)理念厘清采動損傷科學(xué)內(nèi)涵及評價方法。我國西部礦區(qū)煤炭資源的大規(guī)模高強度開采加劇了對地下水資源和地表生態(tài)環(huán)境的影響，加之西部礦區(qū)生態(tài)本底脆弱，使得經(jīng)濟社會發(fā)展對煤炭資源的需求與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾日益凸顯。因此，從生態(tài)學(xué)角度，突破傳統(tǒng)觀念厘清采動損傷科學(xué)內(nèi)涵及評價方法迫在眉睫，有利于實現(xiàn)煤炭資源開采與生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。分析認為采動損傷的評價方法，應(yīng)包括采動影響區(qū)生態(tài)穩(wěn)定性評價、生態(tài)自修復(fù)能力評價、土壤質(zhì)量退化程度評價等。

6)明晰礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的科學(xué)理念。礦山生態(tài)修復(fù)要注重因地制宜，不能生搬硬套，針對西部生態(tài)脆弱區(qū)采煤沉陷地與東部高潛水位采煤沉陷地應(yīng)采取不同的生態(tài)治理模式，此外應(yīng)樹立源頭修復(fù)、主動修復(fù)、邊采邊修復(fù)、采礦全生命周期(采前、采中、采后、閉坑)修復(fù)的科學(xué)理念，并研發(fā)其相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。礦山生態(tài)修復(fù)是受自然地質(zhì)條件、經(jīng)濟社會等多因素影響的動態(tài)過程，未來亟需構(gòu)建不同修復(fù)階段的評價指標(biāo)體系，同時加強完善生態(tài)治理方面的法律法規(guī)，相關(guān)部門應(yīng)確保政策落實到位，加大對違規(guī)企業(yè)單位的懲罰力度。

7)基于5 G技術(shù)構(gòu)建采動損傷與生態(tài)保護相協(xié)調(diào)的智能化調(diào)控系統(tǒng)。當(dāng)前采動裂隙監(jiān)測手段多種多樣，已經(jīng)相對成熟化和精確化，如國家能源集團與中國礦業(yè)大學(xué)(北京)聯(lián)合提出的西部礦區(qū)空天地一體化監(jiān)測體系，同時也能較好地實現(xiàn)采動裂隙的數(shù)據(jù)化處理。但是如何建立一種采動損傷與生態(tài)保護相協(xié)調(diào)的智能化調(diào)控系統(tǒng)是當(dāng)前我國建造綠色礦山任務(wù)亟需探討的問題。分析認為可以利用5 G技術(shù)，使得井下現(xiàn)場與遠程會議同時同步，專家根據(jù)采動裂隙監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場情況給出建議，工人采取相應(yīng)生態(tài)修復(fù)措施，同時可以利用手機app應(yīng)用，及時準確發(fā)布有關(guān)資訊信息，遠程實現(xiàn)專家與井下工人的直接對接。

致謝：文中引用參考文獻數(shù)量較多，如有疏忽漏注在此表示歉意，并對所有文獻作者表示誠摯的感謝! 感謝審稿專家提出寶貴的意見和曾康生老師的悉心指導(dǎo)! 限于作者水平和閱歷，不足之處敬請讀者批評指正!