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李 涛1,2，高 颖1,2，艾德春1,2，杨军伟1,2
(1.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室,陕西 西安 710065; 2.六盘水师范学院 矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553004)
摘 要:我国西南地区煤炭储量丰富，但岩溶山区条件下石漠化十分严重，特别是煤炭开采进一步促进了石漠化进程。为协调我国西南地区煤炭开采与生态环境保护的矛盾，开展西南岩溶山区保水采煤地质模式研究。以六盘水煤田，特别是发耳矿区米箩煤矿为研究背景，基于地质调查、采掘揭露、矿井水文观测、地下水钻孔显微高速摄像观测等手段的成果，剖析了研究区生态、采煤、构造及水文条件，研究了西南岩溶山区的煤-水组合关系特征，阐释了岩溶山区煤炭开采驱动石漠化的过程;进而采用统计分析、三轴卸载实验、水-电相似模拟研究了西南地区导水裂隙带发育高度、整体下沉带内相对隔水岩体采动渗透性变化及采煤侧向渗流下生态水位响应规律。研究结果表明:西南岩溶山区煤炭开采导致生态潜水位下降促使水土流失增加，进而驱动西南岩溶山区石漠化进展，是该区保水采煤的关键。研究区煤炭开采厚度小(1～3 m)，上覆基岩厚度大(800～1 000 m)，导水裂隙带发育有限，导水裂隙带以上相对隔水岩层卸载后仍能有效隔水，采煤后垂向渗流微弱。但采煤沟通的基岩含水层与生态潜水存在侧向补给渗流，煤-水关系为侧向渗流型。研究区典型采矿地质条件下，煤柱留设80 m可实现保水采煤，而超前注浆可减少保水煤柱留设。本研究可以为西南岩溶山区采煤规划提供借鉴。
关键词:保水采煤;岩溶;石漠化;煤柱
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李涛，高颖，艾德春，等.西南岩溶山区保水采煤地质模式[J].煤炭学报,2019,44(3):747-754.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6019
LI Tao,GAO Ying,AI Dechun,et al.Geological model of water preserved mining in Karst mountain areas in southwest China[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):747-754.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6019
中图分类号:P333.5
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0747-08
收稿日期:2018
0825
修回日期:20181222
责任编辑:常明然
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41172290);贵州省教育厅青年科技人才成长资助项目(黔教合KY字[2018]376);矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室开放基金资助项目(KF2017-12)
作者简介:李 涛(1984—)，男,江苏沛县人，副教授，硕士生导师，博士后。E-mail:qazwdx521@163.com
LI Tao1,2,GAO Ying1,2,AI Dechun1,2,YANG Junwei1,2
(1.Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control,Xi’an 710065,China; 2.School of Mining & Civil Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,China)
Abstract:There are a lot of coal resource in southwest China,where rocky desertification is very serious in Karst mountainous areas,especially in coal mining areas,which further promotes the process of rocky desertification.In order to coordinate the contradiction between coal mining and ecological environment protection in southwest China,the geological model of water preserved mining in Karst mountainous area of southwest China was studied.Taking Liupanshui coal field,especially Miluo Coal Mine of Fa’er Mining Area,as an example,the characteristics of “coal” and “water” in the southwest Karst mountain areas had been studied based on the analysis of the ecological,coal mining,tectonic geology and hydrological conditions in the study area using geological survey,mining exposure,mine hydrological observation,and groundwater borehole microscopic high-speed video obser-vation methods.The process of rocky desertification driven by coal mining in Karst mountain areas had explained.Then,the statistical analysis,three axis unloading experiment and water-electric similar simulation had been used to study the development height of the water conducting fissure zone in southwest China,the change of the rock mass in the whole subsidence zone and the response law of the ecological water level under the lateral seepage of the coal mining.The result shows that the coal mining in southwest Karst area leads to the decline of diving position,which promotes soil and water loss,and drives the progress of rocky desertification in Karst mountainous area in southwest China.This is the key problem of water preserved mining in this area.In the study area,the thickness of coal mining in the study area is small at 1～3 m,and the thickness of overlying bedrock is large at 800～1 000 m.The development of water conducting fissure zone is limited,and the performance of the aquifers is fine.The vertical seepage flow is weak,but the coal aquifers and the eco-phreatic exist lateral seepage,and the relationship of “coal” and “water” is the lateral seepage type.Under the typical mining geological conditions in the study area,a lateral coal pillar with a width of 80 m can be achieved,and the advance grouting can reduce the retention of water retaining pillars.This study can provide a basis for mining planning in Karst mountainous areas of southwest China.
Key words:water-preserved coal mining;karst;rocky desertification;coal pillar
2018年4月我国自然资源部对外公示了《煤炭行业绿色矿山建设规范》，该规范明确在资源开发方式中将 “保水采煤”列为主要的减排保护开采技术。其中，认为“保水采煤”技术主要适用区域为我国西部生态脆弱地区，既包括西北地区也包括西南地区。
“保水采煤”最早就是在我国西北煤田大开发时期孕育并提出的，范立民等在《我国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水采煤及地质环境综合研究》项目第一子课题中首次提出了“保水采煤”一词[1];随着西北煤炭开采规模的扩大，这一问题受到了多个研究团队和专家的关注，钱鸣高院士等将其纳入“科学采矿”的内涵[2-4] 后，明确了其研究的任务和方向。在理论方面，采矿地质条件的研究[5-7]旨在构建保水采煤地质模型;浅埋煤层矿山压力与岩层移动规律的研究[8-10]旨在解决采煤扰动的问题;关键隔水岩土层的采动渗透性变化研究[11-13]旨在解决采动渗流的问题;采动浅表土壤结构、含水率的研究[14-16]旨在解决采动生态影响的问题。在实践方面，为构建保水采煤地质模型，对研究区的地质条件进行了大量的补充勘察、测试及监测[17-19];为明确采煤扰动和渗流规律，进行了大量的试采和观测[20-22]，并在此基础上提出了保护层留设方法[23]、保水煤柱留设方法[24];为解决可用水资源量保护的问题，提出了采空区储水供水技术[25]、含水层转移存储技术[26]等;为解决生态环境保护的问题，提出了基于生态水位保护的保水采煤方法[27]、微生物生态修复技术[28]等。我国西北地区的研究成果十分丰硕，在此基础上又有学者将我国石炭二叠纪带压开采区纳入保水采煤范畴，初步形成了保水采煤的技术体系[29-31]。但是很少有学者关注到同样是西部生态脆弱区的华南地区，特别是六盘水地区的保水采煤问题。贵州是我国第四大产煤基地，且喀斯特地貌分布面积巨大(占贵州省面积70%以上)，存在着石漠化的风险。已有的研究表明，采煤会促进石漠化的发生，但其中地质模式少有人开展系统研究。
笔者在剖析西南岩溶山区煤-水关系的基础上，构建西南岩溶山区保水采煤地质模型，并分析采煤对生态影响的途径及机理，提出针对性保水采煤措施。
研究区属于贵州省六盘水煤田发耳矿区(图1)，六盘水煤田是我国规划的14个亿吨级煤炭基地中云贵煤炭基地的核心煤炭产区，煤炭储量约500亿t，是华南最大的煤田，2017年六盘水市煤炭产量居贵州省第1。研究区龙潭组可采煤层15层，各煤层总体薄，主采煤层集中在1～3 m，煤层倾角集中在15°～25°，煤层上覆地层由新到老依次是:第四系(Q)、三叠系中统关岭组(T2g)、三叠系下统永宁镇组(T1yn)和飞仙关组(T1f)和二叠系上统龙潭组煤系地层(P3l)。
研究区属于云贵高原地区，年平均降水量1 223.6 mm(约是我国西北生态脆弱地区降雨量的3倍)，多集中于下半年。但由于研究区主要是喀斯特地区，降水绝大多数产生地表径流，因此研究区多为雨季涝，旱季缺水，2009年就出现了大面积的干旱灾害。
在生态方面，本地区由于降雨量丰富，有乔、灌、竹、草等类型植被，植被覆盖率和长势较我国西北地区明显更好(调查结果如图2(a)所示)。但是，研究区为喀斯特地区，已有的研究证明该地区灰岩风化成土壤的速度十分缓慢(据对贵州133个样点分析，贵州地区每形成1 cm厚的风化土层需要4 000余年，慢者需要8 500 a[32])，且雨季降雨会产生大量的水土流失，因此虽然本区降雨量丰富，但是一旦水土流失，喀斯特岩石暴露地表(图2(b)暴露地表的石笋)，生态环境将大规模退化，因此本区生态环境脆弱，特别是煤炭开采必然进一步使脆弱的生态环境退化，甚至石漠化，已有数据表明六盘水地区是我国西南石漠化最严重区域之一。
图1 研究区位置
Fig.1 Location of study area
图2 研究区生态对比
Fig.2 Ecological contrast photos in the study area
研究区水文地质条件复杂，大气降水、地表水和地下水3者联系紧密，其中地表水和地下水以大气降水补给为主，结合地质观测结果，地下各含水层之间的水力联系、浅表水与采煤工作面的水力联系剖析如下：
(1)地下水含水层特征。
矿区内出露的与矿床充水有关的地层除第四系外，主要为三叠系下统永宁镇组、飞仙关组，二叠系上统龙潭组。各含水层(段)特征见表1，可以看出煤层上覆各含水层除第四系和永宁镇组外，其余导水性较差。通过勘探阶段同一钻孔揭露不同地层水位观测情况(钻孔水位骤升骤降，如在飞仙关组1个钻孔揭露30余个含水段，相邻含水层段钻孔水位相差100 m左右)，可以看出各基岩含水层水力垂向联系不密切，即煤层上覆隔水层天然状态下隔水性好。
(2)采煤工作面与浅表水联系。
前已述及，研究区各基岩含水层垂向联系不紧密，但煤炭开采过程中，发现矿井涌水中多有第四系松散层及大气降水参与(图3，降雨之后立刻工作涌水量立刻有所响应)。
综上，可以看出研究区地下水含水层之间垂向联系不紧密，但采煤后浅表水与工作面联系十分紧密，说明必然存在其他水力联系通道。为此，对研究区构造分析如下。
研究区为构造复杂地区，矿区都有大型背斜和向斜背景，但由于井田范围相对较小，煤矿基本处于1个单斜范围内，并有大量的断层发育，以研究区1个煤矿的构造为例说明如下。
表1 含水层(段)划分
Table 1 Chart of aquifer (section) division
图3 研究区降雨与采煤涌水的关系
Fig.3 Relationship between rainfall and coal gushing in study area
1.2.1 褶 皱
研究区米箩煤矿处于一单斜构造范围内。地层走向50°～119°，倾向320°～29°，倾角15°～30°，次一级褶皱不发育，但断层产生的牵引小褶曲局部发育。单斜构造是各基岩含水层与第四系含水层侧向接触的原因(图4(a))。
图4 研究区典型构造
Fig.4 Typical geological structure in study area
1.2.2 断 层
研究区米箩煤矿断层较为发育，影响煤系地层的断层有27条，其中断层落差大于30 m的有7条，小于30 m的有20条，89%的断层为正断层，有一定导水性，但断层规模不大，没有贯穿煤系地层的断层，说明在矿区范围内无断层导水通道直接沟通煤层和第四系生态潜水含水层。由此可见，断层产生裂隙虽然没有垂向沟通第四系含水层与煤层，但其可为地下水的侧向导水通道(图4(b))。
综合以上地质条件分析，可以看出研究区煤炭开采前植被主要依靠浅表水、土壤养分生存，但由于降雨和地形地貌原因，会产生一定的水土流失，但植被覆盖率高、乔灌木多的地区，水土流失相对较小。水土流失会导致下伏基岩裸露，进而产生石漠化，会导致生态环境持续恶化，这一过程相对比较漫长。但是，当煤炭开采后，植被所依存的生态潜水会有不同程度的影响，一般表现为潜水位下降，水位的下降会导致植被不同程度的退化(数量和类群的变化)，这会新增一部分水土流失，水土流失又会造成生态进一步退化，恶性循环，就加快了研究区的石漠化进程(图5)。就煤炭开采与生态潜水的关系阐释如2.2节。
图5 采煤水位变化驱动石漠化流程
Fig.5 Flow chart of rocky desertification driven by water level change with mining
依据前述地质条件分析，构建研究区煤炭开采前“煤”与“水的”关系如图6所示，主要特征如下:
图6 研究区 煤-水组合关系示意
Fig.6 Schematic diagram of the combination of “coal”-“water” in study area
(1)研究区支撑生态植被生长的水源为第四系松散孔隙含水层。
由于研究区降雨较为集中，非雨季的植被生存是该区“保水采煤”的关键。第四系为孔隙含水层，相对裂隙和岩溶含水层，有调节水资源时空分布不均匀的机能。通过钻孔显微高速摄像技术(图6中通过高速摄像捕捉地下水中悬浮的颗粒的运动)，探测到第四系松散层流速为1.2～101.5 μm/s，即松散层1 a的径流路径长度只有37.8～3 200.9 m，可以看出大气降水一旦入渗到松散层，1个小的水文地质单元就可以保持水资源1个水文周期内不会因为排泄而大量流失。
(2)煤层及上覆岩层与第四系地层侧向接触是生态潜水下降的主要通道。
研究区煤层与我国陕北地区不同，煤层有一定的倾角，这使得煤层与松散层可以直接在煤层露头出接触，形成侧向接触。而煤层上覆基岩厚度十分巨大，约在800～1 000 m厚，而研究区煤层厚度仅1～3 m，即便在小规模断层活化的基础上，采动裂隙也极难垂向导通基岩。因此，煤炭开采产生的裂隙带与原生裂隙或与松散层沟通，袭夺第四系生态潜水是导致生态潜水下降的主要方式。
前述煤-水关系表明，煤炭开采直接影响生态水的关键在于采动导水裂隙带。已有的研究表明，影响导水裂隙带发育的因素很多，结合本地区的采矿、地质条件，认为主要影响因素应该包括采厚、煤层倾角、构造、地形及采矿方法等。研究区及周边矿区已有的研究证明见表2。由表2可以看出导水层高度集中在采厚的10.24～17.08倍，导水层高度与煤层倾角正相关。依据此可以看出研究区最大导高发育到飞仙关组。
表2 研究区导高统计
Table 2 Statistics of height of the water conducting fissure zone in study area
前已述及，研究区基岩厚度较大，煤炭开采产生的裂隙场仅能沟通煤层一定范围内的基岩厚度，但整体移动带中岩体也会受到卸载作用，发生一定渗透性变化，这种变化对水害防治意义不大，但对于含水较少的潜水含水层的生态意义较大。因此，对研究区煤层主要岩性(白云质灰岩、粉砂岩)取样进行了三轴卸载实验(采用MTS测试)，结果如图7所示，可以看出:粉砂岩和白云质灰岩在卸压作用下渗透系数上升，约上升1个数量级，但由于白云质灰岩在无裂隙条件下抗渗性能突出，卸载作用影响不显著。因此，煤炭开采造成导水裂隙带以上的部分粉砂岩弱透水，但白云质灰岩厚度较大，在无构造导水时，垂向渗流微弱。
图7 研究区相对隔水岩性卸载渗透性变化
Fig.7 Permeability change of relative aquifers with unload in study area
3.1和3.2节研究发现本区区别于我国西北地区，煤炭开采垂向渗流微弱，因此煤炭开采主要通过采动裂隙范围间接侧向袭夺生态潜水导致水位下降。采用水-电相似模拟技术开展相关的研究如下。
3.3.1 模型的构建
本次模拟软件选用Matlab中的simulink，依据的原理是地下水动力学中的水-电相似定律，相关的模型设置基本方法参考文献[23],R-C网络模型的构建具体如下:
将前述地质条件进行简化，简化为3层(表3)，即:第四系生态潜水层、关键基岩隔水层和煤层上覆弱裂隙含水层。其中第四系生态潜水层实际厚度取30 m，用2层电阻进行模拟，由于其为含水层，因此在垂向和水平向均设置电阻来模拟;关键基岩隔水层在800 m，为简化模型，将其等价为1层电阻数值巨大的电路;煤层上覆弱裂隙含水层实际厚度取40 m，用2层电阻进行模拟，由于其为含水层因此在垂向和水平向均设置电阻，其中水平电阻从露头向下电阻逐渐增加(由0.05 Ω降低到0.005 Ω，降低幅度由不同深度地层渗透性确定)来模拟。以上总共设计10个节点，节点10处为煤层上覆弱裂隙含水层与第四系生态潜水层侧向露头处，因此直接跨越中间的关键基岩隔水层设置1个侧向连接电阻(电阻值依据风化带
渗透系数确定取0.001 Ω)直接连接。第四系潜水层由右到左电压由90 V升至100 V(代表水由左向右渗流)，至煤层上覆弱裂隙含水层接地，由此构成电路边界条件。模型网格划分为10个，从左到右依次设置，模型概化如图8所示。
表3 模型对照
Table 3 Compare of model and actuality
图8 侧向补给的电路模型概化
Fig.8 R-C model of lateral recharge
3.3.2 模型运行及结果分析
(1)模型运行方式
模型运行方式是:煤层从左到右开采(煤柱留设分别为180,160,140,120,100,80,60,40,20 m)，相当于逐步接近于侧向露头处(相邻节点煤柱留设差20 m)。将煤层开采导水裂隙范围内的电阻短路处理，导水裂隙范围外依据卸载实验电阻下降0～1个数量级处理。模拟开采过程中，对节点10处的电压进行观测，依据模型建设相似比(本次取1∶1)，反算该点的水位降深(即不同煤柱留设下的水位降深响应)。
(2)模拟结果及分析
由图9可以看出，采煤造成潜水位下降的突变点在100 m，煤柱留设超过100 m潜水含水层水位下降在0.5 m以内;煤柱留设为80 m时，潜水位下降3 m;煤柱留设20 m时，潜水位下降15 m。另外，影响水位下降的另一个因素是侧向与潜水连接的含水层的风化程度，研究区风化带多受侵蚀基准面控制，侵蚀基准面以上煤炭资源开会导致潜水位下降更多，而侵蚀基准面以下煤炭资源开采对生态水位影响不大。本次模拟的结果验证了这一点。
图9 研究区采煤对生态水位影响
Fig.9 Influence of coal mining on the ecological water level in study area
王双明院士团队研究认为，生态是否会受到采煤影响，关键在于煤炭开采后水位是否保持在生态适生水位范围内。本次研究区域在华南地区，而已有的研究成果大多数集中在西北，认为潜水位埋深1.5～5.0 m为西北生态适生水位范围，低于上限容易发生土壤盐渍化，高于下限容易造成土壤含水量下降，达到植被凋萎系统，发生植被退化[12-13]。
由此可见，生态适生水位主要与土壤类型、植被类型及气候条件相关。在土壤类型方面，同一区域地质条件下，黏性土比沙土的含水量要高，植被长势更好，需要的生态潜水位埋深更深。在植被类型方面，华南地区植被覆盖率高，潜水位下降主要造成乔灌木类的退化，这类植被相比草本类植被的土壤附着力更大，其退化过程促进水土流失，因此华南地区保水采煤应以保护乔灌木类植被的生态需水为主。在气象方面，华南地区降雨量较西北地区大的多。由表4中国的西北和华南的3个因素的对比，结合文献[33]中研究结果认为，华南地区保水采煤生态适生水位下限大于西北地区的下限。由于各影响因素复杂多变(华南松散层除黏性土外还含有不同程度的碎石、沙等)，本次研究为了偏生态安全，仍然取5 m。结合前述模拟结果，典型地质条件下煤柱留设至少应该达到80 m才能有效保持生态水位。
表4 生态适生水位对比
Table 4 Compare of ecological water level
前已述及潜水位下降的主要原因是，潜水含水层通过煤层上覆基岩含水层渗流入采空区，已有的探测成果显示，煤层上覆基岩含水层特点为:含隔水层互层(含水层层数大于10层)、强非均质灰岩含水层(渗透性差异巨大)、渗透性相对较低(大型岩溶区不适合采用本方法)，对这一类含水层的渗流控制，下面以工程案例的步骤开展简述如下:① 在煤炭开采到煤柱垂高剩余80 m时，在地面实施钻孔，钻孔沿工作面走向排列，每隔10 m布置1个钻孔，共计7个钻孔;② 在钻孔中采用钻孔高速摄像技术，对导高影响范围内的基岩含水层段分别进行地下水流速流向测定;③ 确定地下水主要渗流层位:基于钻孔流速和水力坡度，结合达西定律计算的渗透系数大于0.01 m/d层位即为主要渗流层位;④ 对主要的渗流层位进行帷幕注浆封堵(封堵的方向可依据钻孔流向的观测结果，在来水方向进行封堵)，不同的水文地质条件可提高的上限有差异，本次研究可缩短40 m煤柱，经计算经济上合理。
(1)我国西南岩溶山区喀斯特覆盖面积大、生态环境脆弱，但煤炭储量巨大(仅六盘水煤田储量约500亿t)。该地区煤炭开采造成生态潜水位下降，进而造成水土流失，促使该地区石漠化发展，西南岩溶山区保水采煤意义重大。
(2)西南岩溶山区煤层开采厚度小(1～3 m)，上覆基岩厚度大(800～1 000 m)，导水裂隙带发育有限(无法直接沟通生态潜水)，隔水层性能好(导高以上相对隔水岩层卸载后仍能有效隔水)，垂向渗流微弱。煤层有一定的倾角，侧向与松散层接触，存在明显的侧向渗流，煤-水关系为侧向渗流型。
(3)该地区煤炭开采需合理留设保水煤柱，研究区典型地质条件下模拟显示煤柱留设80 m时能达到保水采煤效果，生态潜水可以控制在生态适生埋深。而工作面完成回采后超前注浆可以最大限度协调煤炭开采和生态环境保护的矛盾。
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