王常建，徐祝贺，赵 伟，杨国柱，郭俊廷

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102209；2.国能宝日希勒能源有限公司，内蒙古 海拉尔 021000；3.国网通用航空有限公司，北京 102209；4.神华地质勘查有限责任公司，北京 102209；5.北京低碳清洁能源研究院，北京 102209)

煤炭是我国的主体能源，西部高强度开采矿区为我国能源安全提供了重要保障。神东矿区是典型的高强度开采矿区[1-3]。高强度开采以非连续、大变形损伤为主要特征，对地表及附属物的影响较连续变形更为严重。开采导致的覆岩裂隙和地表裂缝[4，5]，改变了地下水资源系统的补、径、排关系，造成地下水渗漏和水位下降[6]，并导致地表土壤持水保墒能力降低[7]、植物根系破断[8]等地表生态要素的损伤。特别是在典型生态脆弱区进行浅埋煤层的大规模、高强度开采使得这一矛盾更加尖锐，开展矿区生态减损的系统研究与实践是国家生态文明矿区建设的要求，更是生态本底脆弱煤炭高强度开采区的现实需求。

为降低煤炭资源开发造成的地表生态损伤程度和影响范围，相关专家进行了诸多探索。如充填开采[9](井下充填和离层注浆充填)、部分开采(条带开采)[10]、限高保水开采[11]等技术。充填开采能有效控制地表沉降，保护含水层结构，防止采空区浮煤自燃等，取得了良好的社会和生态效益，但充填开采系统工艺复杂、效率低、成本高、缺少充填材料，制约了其在煤矿生产中的广泛使用。部分开采常用的条带开采或限高保水开采虽能控制岩层沉降，但存在资源回收率和开采效率低的问题。除了井下开采对生态的减损措施，也有许多学者研究了生态破坏后的重构与修复技术，如地貌重塑、土壤改良、适生植物筛选等[12]。

上述研究虽在一定程度上可降低生态损伤，但控制程度有限，均属于煤炭开采全过程中某一环节采取的措施。本文在分析我国具有典型浅埋高强度开采特征的神东矿区开采及生态本底基础上，针对控制煤炭开采引起的生态损伤难题，提出了从开采源头设计着手(采前)，其次调控损伤传导影响(采中)，最后进行末端治理修复(采后)的全过程防控技术，以期最大限度降低此类条件下的生态损伤。

1 神东矿区概况

神东矿区位于榆林市北部和鄂尔多斯市南部地区，煤田总面积3.12万km2，探明储量2236亿t，远景储量10000亿t。矿区位于鄂尔多斯高原的东南部及陕北高原的北缘，地处陕北黄土高原北缘与毛乌素沙漠过渡地带的东段，区内大部分为典型的风成沙丘及沙滩地地貌。属温带半干旱大陆性季风气候，干燥少雨，降水集中。矿区蒸发一般为降水量的4～5倍。

矿区风积沙分布广泛，厚0～50m；上更新统萨拉乌苏组，岩性以中细砂为主，为主要含水层，厚0～145m；延安组为含煤地层，厚150～280m，含可采煤层13层，主采煤层一般3～6层。地下水包括新生界松散层孔隙潜水、烧变岩潜水和中生界碎屑岩类裂隙潜水及承压水。主要土壤质地较粗，结构不良，肥力较低，抗蚀抗冲能力差。主要植被类型为干草原、落叶阔叶灌丛和沙生类型植被，覆盖率低。

2 神东矿区高强度开采特点

矿区开发的1-2、2-2、3-1、4-2和5-2等5个煤组煤层赋存稳定，倾角为1°～3°，覆岩结构简单，构造少，适合建设大型高产高效现代化矿井进行煤炭资源开发。高强度开采及破坏特点如下[13，14]：

1)单工作面开采范围大，神东矿区大型矿井一般一井一面，在工作面少的情况下为保证产量，推行大工作面开采技术，即工作面长度大，多分布于200～400m之间，有的甚至超过400m；推进距离长，有的可达6km左右。

2)工作面开采装备先进，神东矿区高强度开采一般采用大采高综采或综放开采方法，配套装备先进、机械化程度高、生产能力大，其中神东上湾矿12401工作面采用的8.8m大采高综采成套装备水平达到了世界领先水平。

3)工作面回采速度快，煤层赋存条件简单，装备水平高，工作面推进速度快。例如昌汉沟煤矿15106工作面，推进速度为17.2m/d。神东矿区部分工作面推进速度甚至接近20m/d。

4)上覆岩层破坏严重，神东矿区推行的大工作面快速高强度开采技术导致上覆岩层破坏剧烈。上覆岩层中产生的裂隙多，上覆岩层破坏直至地表，伴随出现贯通地表的裂隙。

5)地表变形严重，神东矿区由于煤层埋深浅、煤层厚度大、开采范围和速度大等原因，导致地表下沉变形剧烈并出现大量裂缝。

3 生态损伤特点

井工开采生态损伤的主要驱动因素为地下水(近地表水)、上覆岩层及地表三个方面。

3.1 地下水损伤特点

地下水包括近地表土壤水、第四系松散层潜水、烧变岩水及基岩裂隙水。

1)煤炭资源采出后，岩层中产生的导水裂隙在部分区域发育到了第四系上部，改变了第四系松散含水层潜水径流、排泄条件，由原来的水平径流、排泄为主转化为以垂向渗漏为主，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层水位在下降20%～30%时水位保持平衡[17]。

2)随着煤炭的回采地下水向开采后形成的采空区域流动，由于大工作面开采范围较传统工作面开采范围大，导致形成沿工作面推进方向的地下水带状聚集区，而非漏斗形，且在含水层厚度较小的区域，开采对地下水位变化影响更大，地下含水层含水厚度减小近30%[18]。

3.2 上覆岩层损伤特点

1)覆岩下沉量大，并伴有剧烈的破断、垮落，覆岩内纵向、横向裂隙发育较多，覆岩损伤从下向上传导快，局部大裂缝贯通整个地层。

2)由于煤层埋深较浅，煤层开采后上覆岩层发生变形、破坏、移动，岩层运动稳定后，岩层中可能只存在垮落带和裂隙带，不存在弯曲下沉带[19]。

3.3 地表损伤特点

地表损伤主要包括地表连续变形、非连续变形、植被以及土壤等方面。

3.3.1 地表下沉

地表下沉剧烈、下沉量大是高强度开采的显著特征。神东矿区(采深及覆岩岩性变化不大)18个工作面采厚、地表最大下沉量及下沉系数如图1所示。由图1可知，采深及岩性变化不大时，随采厚增加地表下沉并非线性变化，表明高强度开采因素除采厚影响外，还存在其他影响因素。

图1 神东矿区工作面采厚及地表下沉情况

3.3.2 地表非连续变形

地表非连续变形在工作面对应地表正上方及边界位置的不同，变化规律存在差异，开采边界附近的影响相对更大。

按产生位置的差异，一般将地表裂缝分为工作面中部动态裂缝和边界永久裂缝。其特征表现为：中部动态裂缝随工作面的推进先张开后闭合一部分，然后二次张开再次闭合一部分后保持一定宽度；边界永久裂缝张开后闭合一部分，后保持一定宽度，不存在二次张开闭合过程。

上湾矿12401工作面地表沉陷区实测裂缝及其宽度变化如图2、图3所示。实测表明，中部动态裂缝随工作面推进基本按一定步距逐步产生，裂缝随着与进尺位置距离的变化表现为缝度的动态变化，裂缝第一次张开至最大宽度时，缝宽为42mm，而后随开采逐渐减小，缝宽降至25mm后，裂缝再次张开，第二次最大缝宽达34mm，然后裂缝宽度再次变小，裂缝形成一个月左右缝宽稳定在17mm左右；边界永久裂缝达到峰值宽度27.4mm后逐渐减小，经历一个月时间裂缝宽度稳定在16mm左右。从裂缝宽度伴随发生的台阶落差看，中部动态裂缝落差不大于80mm，裂缝宽度不大于100mm；边界永久裂缝落差100～300mm，裂缝宽度约100mm。

图2 地表裂缝类型

图3 地表裂缝宽度变化

3.3.3 规模性裂缝

规模性裂缝的产生，对周边植被生长带来显著影响，如图4所示。

图4 植物根系拉伤[20]

地表产生的裂缝造成植物根系拉伤，同时地裂缝的产生也增大了土壤与空气的接触面积，土壤失水率增大，伤根与失水两因素的综合影响致使植物生长退化或死亡。

3.3.4 地表生态变化

地表生态要素随时间变化，具有一定的自修复特征。开采引起地表塌陷后，地表沉陷区土壤含水量在塌陷半年时间内先下降后上升然后逐步恢复；地表动态裂缝对其附近的土壤含水量有一定影响，随距离的增大影响逐渐减弱，裂缝张开时，土壤暴露面积增大，水分蒸发增多；随裂缝的闭合土壤含水量逐步恢复。沉陷导致土壤土质相对疏松，随时间延续又逐步压实。

根据开采前后相关土壤相关参数的测试(表1)可知，地表产生的裂缝使土壤黏聚力、天然含水量及有机质均有一定程度降低，分别减小48%、24%及28%；土壤内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变化不明显。在一定程度上土壤湿度相对未受采动影响区变小；除了土壤的本底条件较差外(神东矿区土壤肥力较低，主要缺乏有机质、氮肥及磷)，采动影响使得生态的自然修复更加困难，土壤水分及有机质难以满足植物的正常生长需要。

表1 开采前后土壤物理性质变化情况(均值)[3，21-28]

4 神东矿区生态保护实践

根据开采对生态的影响特征，可分为开采影响源(源头)、影响传递媒介(过程)、保护对象(末端)，因此，可从开采影响根源、传播途径控制、受护对象修复3个方面实施生态减损措施。采动损伤的根源在于井下煤炭开采，根据影响的传播过程可知，采后直接顶、老顶岩层首先发生下沉、弯曲、破断，随后依次向上发展，损伤逐步向上传递直至地表。故控制煤炭开采引起的采动损伤，最有效的措施是进行开采源头控制，结合调控损伤传递过程、末端修复治理，多措并举降低开采对生态的影响程度，目前常用的开采损伤控制途径如图5所示。

图5 生态保护措施

4.1 源头减损

当煤层上方地层分布确定的情况下，各基岩层的初次垮落角和周期垮落角以及松散层的内摩擦角是固定值，不随开采范围大小而变化。那么在埋深较浅的情况下，当工作面在走向和倾向的开采范围还没有达到充分采动时，地表沉陷范围随开采范围的增大而增大；在工作面走向和倾向刚刚到达充分采动时，地表沉陷区有一点达到了该地质条件下的最大下沉值，而且除了最大下沉点以外的四周区域也达到了该地质条件下的固有形态，开采范围继续增大，下沉最大区域(盆底区)继续扩大，且盆底区域在整个下沉盆地的占比不断增大，即地表具有一定自修复能力区域的比例不断增大，一定程度上降低了地表采动损伤程度[29]。所以在井下开采设备能力允许的范围内可以采用大工作面开采技术，即增大工作面宽度和工作面推进距离(柠条塔煤矿S1210工作面宽300m，推进距离6km)。张建民等[30]通过研究工作面推进速度发现，一定开采条件下增大工作面推进速度有利于开采后覆岩趋于稳定，可降低上覆岩层的采动损伤程度，神东矿区推行了大工作面快速开采技术，降低了煤炭开采引起的采动损伤程度。虽然条带开采、留煤柱开采、充填开采、协调开采等技术也能从开采源头降低采动损伤，但是单独采用不能满足神东矿区煤炭高回收率和高效开采的要求。

4.2 过程控制

煤炭开采后下部岩层首先发生下沉、弯曲、离层、破断，并继续向上部发展，若在损伤传导的过程中进行注浆充填，则能有效控制岩层下沉，从而控制或减小损伤的传导。如上湾矿12401工作面在开切眼及其工作面巷道附近向采空区注浆，累计完成8个钻孔注浆和15个工作面巷道联路巷注浆，累计注浆量为16万m3，避免了开采初期地表大面积的快速下沉垮落。

对于受覆岩裂隙导通威胁的地下水资源，可以通过修建地下水库的方式实现地下水资源的转移、储存、保护及利用。截至2016年神东矿区已建成35座煤矿地下水库，储水量超过3000万m3，在保障矿区95%以上用水的同时还使得矿区地表植被覆盖率提高了30%左右[31]。

4.3 末端治理

通过源头减损、过程控制及自修复[32，33]仍不能达到损伤控制的预期效果，需要采取末端治理措施。对于地表产生的裂缝，可以采用填埋治理，如图6所示；通过接菌改善土壤特性[34，35]；通过研究地表沉陷区土壤水分、养分等条件，驯化筛选培养适生植物，增大地表植被覆盖度，改善矿区生态环境。

图6 地表裂缝填埋

通过实施一系列的生态减损与修复措施，神东矿区生态环境明显改善。从2011年至2015年测算的植被覆盖度来看(图7)，高分区植被覆盖度都高于50%，处在中高植被覆盖度级别；2018年神东矿区地表植被覆盖度增加到62.4%(图8)，达到了植被高覆盖度水平。

图7 2011—2018年植被覆盖度趋势

图8 神东矿区2018年植被覆盖度分布

5 结 论

1)神东矿区开采损伤研究表明，煤炭开采后，地下含水层含水厚度出现一定程度的减小；地表下沉剧烈且下沉量大，平均下沉系数0.65左右；土壤天然含水量、有机质及黏聚力平均减小1/4～1/2左右，内摩擦角平均值略增，容重、天然孔隙比及干密度变化不显著。

2)通过大工作面快速开采技术、开采初期注浆充填、填埋地表裂缝、实施土壤接菌、驯化筛选适生植物等技术措施，神东矿区有效降低了生态损伤程度，提升了植被覆盖度。高分区2011—2015年植被覆盖度均超过50%；2018年神东矿区植被覆盖度为62.4%，达到了高覆盖度水平，改善了神东矿区生态环境。

3)为实现煤炭开采和矿区生态文明的协调发展，提出以开采源头损伤控制为主，结合损伤传递过程控制和受护对象的末端修复，多措并举降低开采损伤的系统减损思路。为实现煤炭资源开发和生态保护提供科技支撑。