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孙 魁1,2，范立民2，夏玉成1，李 成1,2，陈建平2，仵拨云2，彭 捷2
(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054; 2.陕西省地质环境监测总站 矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054)
摘 要:我国西部生态脆弱区采煤引起的水资源破坏和地质环境变化，已经严重制约了矿区经济、社会、环境的可持续发展。通过梳理保水采煤、煤矿区地质环境承载力的研究进展，结合目前西部富煤缺水地区的地质环境现状，提出了基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路。分析认为:基于保水采煤理念的地质环境承载力研究，应将保水采煤理念与地质环境承载力理论有机融合，系统分析“采煤活动—水资源破坏—地质环境效应”作用机理，从寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解中阐述内涵。地质环境承载力评价方法研究，可采用属性分析、生态需求分析、数值分析、突变理论等方法，重点研究评价指标的量化方法、综合评价方法、承载能力及承载状态等级划分方法。对于承载能力的计算，可采用模拟实验，取得典型煤矿区承载能力下地质环境与开采强度临界值的关系数据，进而提取出控制和减轻煤矿区地质环境问题的保水采煤技术方法，确定合理的开采强度和规模。在承载力评价和计算的基础上，提出地质环境承载力影响因素的协同监测技术方法，并给出了承载力预警等级判定标准。所提出的基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路，以期丰富和发展保水采煤及地质环境承载力的科学内涵，为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。
关键词:保水采煤;地质环境承载力;科学内涵;评价方法;监测预警
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孙魁，范立民，夏玉成，等.基于保水采煤理念的地质环境承载力研究[J].煤炭学报,2019,44(3):830-839.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6027
SUN Kui，FAN Limin，XIA Yucheng，et al.Research on carrying capacity of geological environment based on the concept of water-preserved coal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):830-839.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6027
中图分类号:TD823
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0830-10
收稿日期:2018
1102
修回日期:20190302
责任编辑:韩晋平
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41272388)
作者简介:孙 魁(1988—)，男，河南周口人，博士研究生。Tel:029-87852493，E-mail:793626676@qq.com
通讯作者:范立民(1965—)，男，山西曲沃人，教授级高级工程师。Tel:029-87851129，E-mail:498518851@qq.com
SUN Kui1,2，FAN Limin2，XIA Yucheng1，LI Cheng1,2，CHEN Jianping2，WU Boyun2，PENG Jie2
(1.School of Geology and Environment,Xi’an University of Science & Technology，Xi’an 710054; 2.Key Laboratory of Mine Geological Hazard Mechanism and Control,Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring,Xi’an 710054，China)
Abstract:Water resources destruction and geological environment changes caused by mining in ecologically fragile areas of western China have seriously restricted the sustainable development of economy,society and environment in mining areas.Through reviewing the research progress of water-preserved coal mining and carrying capacity of geological environment in coal mining areas,and combining with the current situation of geological environment in western China rich in coal and short of water,the research framework of carrying capacity of geological environment based on the concept of water-preserved coal mining is proposed.It is considered that the function mechanism of “coal mining activity-water resource destruction-geological environment effect” should be systematically analyzed by combining the concept of water-preserved coal mining with the theory of carrying capacity of geological environment.The methods of attribute analysis,ecological demand analysis,numerical analysis and catastrophe theory should be used in studying the carrying capacity of geological environment.In particular,the quantitative method,comprehensive evaluation method and the classification method of carrying status and carrying capacity of geological environment should be investigated.By means of simulation experiment,the relationship data between the geological environment and the critical value of mining intensity under the carrying capacity of typical coal mine area are obtained.Then the technological method of coal mining under water-containing for controlling and alleviating the geological environment problems in coal mine area is extracted to determine the reasonable mining intensity and scale.On the basis of the research of carrying capacity,this paper put forward the collaborative monitoring method for the influencing factors of carrying capacity of geological environment,and the criterion of bearing capacity early warning grade of carrying capacity.The connotation and basic research ideas of geological environmental carrying capacity based on the concept of water-preserved coal mining will enrich the scientific connotation of water-preserved coal mining and geological environmental carrying capacity,and provide a theoretical and technical support for the coordinated development of coal resources and water resources protection in the fragile ecological environment areas of western China.
Key words:water-preserved coal mining;carrying capacity of geological environmental;scientific connotation;evaluation method;monitoring and warning
随着我国能源发展重心的西移，西部干旱半干旱地区已经成为我国重要的煤炭生产基地，科学开采西部煤炭资源已经得到全面认可和推广[1]，而西部地区生态环境脆弱，水资源匮乏，煤炭高强度开采引起的水环境问题突出[2-4]。尤其是榆神府矿区中部窟野河、秃尾河沿岸北东向煤炭开采带，煤层埋藏浅，且萨拉乌苏组沙层含水层丰富、地表水(泉)集中出露，采煤引起的含水层破坏及水资源漏失问题触目惊心[5]。据统计，陕北榆神府矿区在大规模煤炭开采前(1994年)分布有泉(群)2 580处，总流量为4 997.059 7 L/s，经过20余年的煤炭开采，目前残存泉(群)376处，总流量996.392 L/s，泉(群)数量和流量衰减了84%和76%;区内黄河中游的重要补给河流窟野河径流量由开采前的17.54 m3/s，衰减至目前的2.80 m3/s，流域内68处泉目前残存13处;1990年全区水体面积162.63 km2，2001年减少至133.80 km2，2011年继续减少至85.69 km2，前后两个10年的减少率分别为17.73%和35.96%;1995—2014年，整个榆神府矿区地下水位变幅大于8 m的区域面积达658 km2，以给水度0.18计，区域损失的水资源储量高达1.19×108 m3[6-8]。高强度的采煤活动引起的矿区地下水位下降，地表水(体)干涸，湿地面积锐减，生态植被枯死等环境问题，给矿区工农业生产和居民生活用水带了严重的灾难。
2016-09-26，国家发改委、中国科学院等13部委联合下发“关于印发《资源环境承载能力监测预警技术方法(试行)》的通知”(发改规划[2016]2043号)，2017-05-23，中央全面深化改革领导小组第35次会议审议通过了《关于建立资源环境承载能力监测预警长效机制的若干意见》，资源环境承载能力监测预警工作已经趋于规范化、常态化和制度化。而煤矿区地质环境承载能力作为资源环境承载能力的一部分，其评价和监测预警已经成为全面深化改革和生态文明建设的一项创新性工作。
因此，探索采煤与水资源保护共赢的可持续发展途径，深入研究地质环境承载力理论，已经成为西部煤炭科学开采亟需解决的科学问题。笔者通过梳理归纳近年来水资源保护及地质环境承载力的最新研究进展，提出针对西部生态脆弱煤炭开采区“基于保水采煤理念的地质环境承载力”概念及监测预警思路，以期为西部生态脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。
“保水采煤”是针对陕北生态脆弱区，煤炭资源开采引起的第四系地下水渗漏及生态环境恶化的严峻现实，提出的以生态水位保护和煤炭资源开采“双赢”为目标的科学采矿理念。1992年范立民在论述陕北煤炭资源开发过程中地下水资源及地质环境保护问题时，提出了“保水采煤”的研究思路和方法[9]，1994年初，范立民提出“陕北侏罗纪煤田水文地质工程地质综合研究”的建议，开展以采煤对地下水影响的地质背景和突水溃砂为主要内容的基础研究。1995—1998年，由中国煤炭地质总局牵头，陕西省煤田地质局一八五队、中国矿业大学等单位联合承担的“中国西部侏罗纪煤田(榆神府矿区)保水采煤与地质环境综合研究”项目，明确了“保水采煤”理念和方法，对榆神府矿区高强度采煤过程中水资源保护进行了卓有成效的研究[10]。
针对陕北的煤炭资源优势和生态环境脆弱、地下水资源贫乏的矛盾，王双明院士团队完成的“鄂尔多斯盆地生态脆弱区煤炭开发与生态环境保护关键技术”等成果，查明了陕北煤炭资源开采引起的生态效应，揭示了区域合理的生态水位，提出了以保护生态水位为核心的保水采煤技术思路，提出了采煤必须保护生态水位的新理念[11]。此后，经过多年的研究与实践，初步形成了以地质条件识别[12-14]、隔水层稳定性控制[15-17]、水与生态约束、保水采煤技术方法[18-19]为研究内容，以保护生态水位为目标的保水采煤技术体系，并概括了保水采煤的核心概念[20]:以经济和社会效益最大化为目标，在干旱半干旱地区煤层开采过程中，通过控制岩层移动维持具有供水意义和生态价值含水层(岩组)结构稳定或水位变化在合理范围内，寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术。
(1)导水裂隙带发育高度抑制技术。
保水采煤技术方法是通过岩层控制来抑制导水裂隙带的发育高度，有效减少和控制采煤对含水层的扰动破坏程度。如果能将采煤引起的导水裂隙带发育高度控制在受保护的目标含水层底界之下，就能实现保水采煤技术方法的选择。其关键技术主要包括采煤方法和关键开采技术参数。
在采煤方法方面，多数研究者认为条带跳采有利于减小对地下水资源的影响和破坏[21]，通过分析条带煤柱稳定性[22]，探讨实现保水采煤的条带开采技术参数[23]，该方法在陕西榆阳区10余个地方煤矿获得了成功应用。此外，神东矿区在探索保水采煤技术方法的实践中，摸索了一套工作面快速推进和支架合理配置相结合的长壁工作面保水采煤技术[18]。在充填保水采煤方面，陕西榆阳煤矿在4 a的充填保水开采实践中，工作面水位最大下降幅度仅2.76 m，有效控制了矿区生态水位，基本达到了保水采煤的目的。而针对充填时间和充填空间不足的问题，将开采段内的所有采场支巷分为多个阶段，形成“一采一充、采充并行”的充填开采模式，有效抑制导水裂隙带发育高度，实现了保水采煤[19]。
在关键开采参数方面，目前主要采用数值模拟、相似材料模拟等手段，通过研究不同工作面尺寸、采高等开采条件下导水裂隙带发育规律及其对生态潜水的影响程度，进而提取合理的保水开采技术参数。刘洋等[24]通过模拟不同工作面采宽条件下导水裂隙带发育高度，建立了陕西彬长矿区不同水文地质条件下采宽与裂采比之间的关系，为保水采煤条件下工作面尺寸的选择提供了理论依据。而针对榆神矿区厚煤层分布区，则是以限制采高或分层开采来实现降低导水裂隙带发育高度的保水采煤技术[25]。
(2)关键隔水层再造与含水层再造技术。
能否维持关键隔水层的稳定性是实现保水采煤的关键。在关键隔水层稳定性研究方面，在分析隔水红土层物理-水理-力学性质的基础上，探究红土层受采动破坏后的自我弥合性，进而提出隔水层再造应具备的主要工程地质属性[26]，为陕北煤矿区分层限高大采高保水开采提供了理论支撑。对于离层水害发育的煤矿区，在分析离层发育特征的基础上，确定离层空间位置[27-28]，通过对关键隔水层上部离层空间的定向注浆改造，弥合离层裂隙，消除离层空间大量积水隐患，保证底部关键隔水层稳定，也能达到保水采煤的效果[29-30];此外，针对陕北煤矿区萨拉乌苏组含水层的渗漏问题，有学者提出在关键隔水层位置，采用“压—采—注”工艺再造一个可以保持地下水系统正常循环的弱透水层。这样既可以有效控制上部含水层的渗漏，维持生态水位稳定，又能使上下各含水层之间保持一定的水力联系[31]。
对于含水层再造的研究，有学者认为采空区顶板岩层破裂后，会形成类似于烧变岩的地下水储存空间，通过人为隔离或改造采空区内的破碎岩体，使之成为一个新的封闭储水体。该理念经过大量的理论和实践探索，目前已经演化为地下水库技术，并在神东矿区大柳塔煤矿得到了成功实践[32]。
夏玉成等[33-35]基于煤矿开采和矿区地质环境协调发展的目标提出了“煤矿区地质环境承载力”的概念，以“构造控灾”理论为支撑，从地质环境本身的抗扰动能力、地下煤炭资源的开发强度以及当地的自然生态条件3个方面搭建了煤矿区地质环境承载能力评价指标框架。认为地质环境抗扰动能力是由地质条件本身所决定，是地质环境承载力的根本，它与地表自然生态条件共同决定了地质环境承载能力的大小。基于这种思路，唐利君[36]、李旭[37]分别对乌鲁木齐硫磺沟矿区和铜川矿区地质环境承载力进行了评价。
而承载力的大小如何定量计算，李焕同[38]引入了“承载力指数”和“压力指数”的概念。主张从地质环境本身属性和外部开采压力2个方面来衡量地质环境是否发生灾变或失衡。地质环境本身属性是地质环境承载力的基础，即抗扰动能力。而开采压力考虑的是人类采矿活动对地表环境的破坏程度。基于这种思路，关英斌等[39]采用基于AHP的综合评价方法对邯郸矿区进行了地质环境承载力评价。
另一些矿山地质环境承载力研究关注的是地质灾害[40]，通常选取地层岩性条件、地质构造条件、水文地质条件、地形地貌条件、岩溶发育条件、气象及植被发育条件等各项反映地质环境本身的指标因素。通过探讨不同因素对地质灾害发育的影响程度，对地质灾害危险性进行预测。该类研究主要关注的是采矿活动引发的地质环境外在演化状态，本质上是对矿区地质灾害的评估和预测。
闫旭骞[41]、吴见[42]等将生态弹性力、生态条件或生态脆弱性作为衡量矿区生态环境质量的重要评价指标，指标选取上侧重于水资源、土地资源、大气环境等矿区基本地质环境背景条件，以生态环境正负演化来衡量生态环境承载能力的强弱。虽然这类研究多是对矿区生态环境质量的评价，但某种程度上也是对矿产资源开发过程中地质环境承载力研究的一种探索。
煤矿区地质环境承载力监测的对象是一定时空区内的地质环境状态，通过开展煤矿区地质环境监测，进一步认识煤矿区地质环境问题，掌握地质环境动态变化，预测煤矿区地质环境发展趋势，进而建立预警体系。
在煤矿区地质灾害监测方面，主要为变形监测、应力监测。变形监测包括位移监测和倾斜监测，主要以GPS监测为主，可建立监测网，实现全天候自动化监测。应力监测通过应力传感器获取坡体应力变换，将数学模型转换为力学模型，实现力学平衡分析，从而达到监测目的。近年来，矿区地面塌陷及伴生塌陷裂缝的无人机遥感监测技术，也得到了广泛应用[43-44]。
在煤矿区植被监测方面，主要是依赖于遥感技术，对矿区的环境变化位置和速率的监测，主要采用了干涉 SAR 遥感技术和 GPS 测量技术;随着卫星遥感影像技术的发展，Landsat TM 和SPOT卫星遥感影像在矿区的土地利用状况和植被覆盖监测方面得到了发展;在国内，遥感技术在土地利用状况、植被覆盖率、植被污染等方面也得到了广泛应用[45-46]。
煤矿区地下水监测主要是通过建设监测井，安装自动化遥测仪器，通过计算机技术完成地下水位、水质、水温等特性的监测，利用移动网络传输数据，在数据平台等客户端汇总。2018年陕西省采取“政府指导、企业主导”的方式，利用矿山地质环境恢复治理基金，在神东、陕北、黄陇3个大型煤炭基地的174处大中型煤矿先期布置225口示范井，同时对现有监测井进行技术改造，实现统一监测。目前该项监测工程正在积极推进中[47]。
在覆岩移动破坏监测方面，传统方法是打“观测孔”，通过钻孔冲洗液消耗量判断覆岩变形破坏范围和裂隙带高度。随着探测技术的发展，相继出现了声速法、超声成像法、钻孔电视系统等现场实测技术。此外，电法探测、雷达探测、地震波探测、瞬变电磁法、光纤传感技术的综合利用，弥补了单一观测方法短板，为矿山地质环境监测提供了准确的一手基础资料[48-49]。
保水采煤、地质环境承载力理论作为2个单独的命题，其研究成果为西部煤矿区生态地质环境保护做出了重大贡献。笔者在前人研究的基础上，结合西部干旱半干旱区富煤缺水的严峻现实，将保水采煤与地质环境承载力2个命题有机融合，初步提出并探讨基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路，以期丰富保水采煤和煤矿区地质环境承载力的理论内涵，为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。
西北干旱半干旱的富煤、缺水地区，煤炭开采引起的生态水位下降及其诱发的地表生态环境问题，严重威胁矿区居民的饮水安全及经济的可持续发展。保水采煤是维持煤矿区生态水位的基本途径，煤矿区地质环境是矿区开发活动和经济发展的自然依托，人类的采矿活动一旦超出了地下水位、地表环境演化所能承受的极限，就会引起灾变。为此，基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵可以概括为:维持地下水位变化在合理范围及地表生态环境不发生灾变或灾变可控的前提下，煤矿区可以承受的采矿活动对地质环境产生的扰动强度最大值，即煤矿区可承受的最大开采强度或规模。
基于保水采煤理念的地质环境承载力，是通过揭示“采煤活动—水资源破坏—地质环境效应”机理，深入研究承载力评价、监测、预警相关理论与技术方法，寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解。基本研究框架如图1所示。
图1 基于保水采煤理念的地质环境承载力研究框架
Fig.1 Research framework for bearing capacity of geological environment based on water conservation mining concept
承载能力首先受原始地质因素抗扰动能力的本质属性特征所决定，抗扰动能力越强，承载能力越大。其次，采煤扰动后地表环境的敏感程度决定了地表环境的灾变程度，敏感程度越小，承载能力越大。因此，将地质环境抗扰动能力和地表环境对采动的敏感程度作为地质环境承载力的组成。
3.3.1 主控因素的选择和评价指标体系的建立
地质环境抗扰动能力首先受构造应力控制，当煤矿区处于挤压构造应力状态时，岩体的力学强度和抗剪强度会显著增强。而拉张构造应力将显著降低导致岩体失稳的临界重力，在采动影响下很容易发生煤层上部岩层的移动破坏以及地表弯曲下沉或不连续塌陷;不同的构造应力作用下，促发了不同构造界面的形成，拉张应力条件下，往往会发育张节理、正断层等张性构造面，较容易遭受采煤引起的扰动损害，因此构造界面也是影响地质环境抗扰动能力的主要因素之一;关键层性质和位置是影响和控制地质环境灾变程度的重要地质因素，特别是关键层的存在，在覆岩中形成“托板”效应，可以减缓地下岩层的移动破坏，从而增强煤矿区地质环境的承载能力;含隔水层组合类型及其性质控制着采动导水裂隙带发育高度和含水层的破坏程度，当被破坏的含水层富水性较好时，采动引起的水资源漏失量越大，引起的地质环境灾害越突出。因此初步选择构造应力、构造界面、构造形态、关键层性质和位置、含隔水层组合类型、含隔水层性质等作为地质环境抗扰动能力的主要地质因素。
地下含水层破坏造成的地下水位下降，直接导致表水体及湿地面积缩小甚至干枯，生态植被长势变差甚至枯死。其次，岩层的运移破断，引起地表沉陷，继而诱发地面塌陷、崩滑流灾害、地表建筑损毁等。这些因素都能直观的显示地表环境对采动的敏感程度，可以作为反映地表土地利用单元对采动敏感程度的主要环境因素。
3.3.2 评价指标的量化
通过提取各指标本身的属性值，对指标进行量化。例如，构造形态通过地层倾角、背向斜翼间角进行量化，崩滑流灾害危险性可以通过地质灾害造成的人员伤亡和财产损失程度进行量化，地下水位变化可通过地表植被对地下水位的约束范围值进行量化等。
(1)评价技术方法。
根据评价指标量化结果，结合煤矿区的实际情况筛选出符合地区实际的指标体系，筛选方法目前较为常见的有灰色关联分析、逐步回归分析、主成分分析等数值分析方法。评价方法的选择，要充分考虑地质环境承载能力的动态性和突变性，根据筛选后的指标体系，可以采用“突变理论”方法建立基于保水采煤理念的地质环境承载力评价模型。
突变理论认为，初等突变现象通常遵循多模态、不可达、突跳、发散和滞后5个基本特征[50]，通常情况下满足上述2个以上特征时，就可以运用突变模型进行分析。煤矿区地质环境承载力系统是一个比较特殊的动态系统，常处于自我调节的动态变化过程中，呈现出不同状态。当外界因素的影响，自我调节功能被打破，将会引起失调，导致承载能力的超载。这些状态与突变现象中的不可达性和突跳性基本一致，因此采用突变理论进行承载力的评价，将更符合承载力动态性的特点。
评价过程中，可将地质环境承载状态作为势函数，将地质环境抗扰动能力(u)和地表环境因素(v)作为控制变量，状态参数为地质环境承载状态(x)，建立地质环境承载状态的突变模型(图2)，然后根据不同突变类型归一化公式，对每个指标(c)进行无量纲归一化，根据不同突变评价规则，求取突变隶属函数值，然后进行递归运算求取总的隶属度函数值。
图2 地质环境承载力状态突变级数评价结构
Fig.2 Geological environmental carrying capacity state catastrophe series evaluation early warning structure
(2)承载能力分级。
承载能力由各控制指标的阈值所决定，可以以国家及行业标准为基础，结合西北煤矿区的实际情况确定阈值，根据突变基数计算出总突变隶属函数值，确定出强、较强、中等、较弱、弱等5种承载能力等级的总函数值范围。然后根据函数值，划分研究区的不同承载能力等级。
(3)承载状态等级。
承载状态等级要和承载能力分级相区分，是否处在超载状态，可通过每个环境因素指标对采煤活动的承受状态来确定。将不同环境指标确定的阈值作为该指标的承载状态阈值，对于区域的承载状态分区标准可采用:当任意一个指标超载或者两个及以上指标临界超载的确定为超载等级区，将任意一个指标临界超载的确定为临界超载等级区，其余为不超载等级区。
开采强度计算是为了确定开采规模。根据地质环境抗扰动能力和地表环境对采动的敏感程度，确定承载状态，然后给定指标，反演开采强度。开采强度计算可采用相似材料模拟、数值模拟相结合的方法开展实验研究。通过给定维持地表生态植被生长的地下水水位变化阈值、控制地质灾害和地表建筑损害的地表沉陷阈值，反演不同承载能力下，地质环境与开采强度的临界关系值，进而取得控制和减轻煤矿区地质环境问题的合理开采参数，即开采方式、开采厚度、开采速度、采空区几何尺寸等。
(1)监测指标。根据保水采煤理念的地质环境承载力评价指标，选择易于获取，且能够反映煤矿区地质环境问题的代表性指标建立监测体系，重点监测煤炭开采引起的地表岩移、地质灾害、地表建筑物损害、地下水位变化、地表水体(泉)流量变化、地表湿地面积变化、生态植被长势等指标。
(2)监测方法。监测指标体系中，各环境因素之间多是此消彼长、相辅相成，为了更好的反应环境因素间的相互影响和作用关系，探索承载力的环境因素协同监测方法，将对承载力评价阈值的修正和承载力整体发展趋势的研判和预警起到重要的作用。所谓协同监测，就是在同一时空维度下，同时对多种环境因素进行监测。比如，在其他条件不变的情况，地表植被长势主要受地下生态水位的约束。通常情况下，采煤引起的地下水位变化往往是大幅度骤降，而引起的地表植被长势变化却是在地下水位骤降后一段时间内的渐变过程。通过同一时空维度地下水的不同降幅及其不同降幅条件下地表植被不同长势的协同监测，将对承载力预警起到事半功倍的作用。
(3)预警方法。基于保水采煤理念的地质环境承载力预警的对象不是承载能力，而是利用地质环境承载能力同承载状态存在良好耦合关系的特点，综合确定其预警等级，预判其发展趋势。承载能力与承载状态之间存在一定的反相关关系，承载能力强，越不容易超载。因此根据承载能力、承载状态的评价结果综合判定预警等级，判定标准见表1。
表1 地质环境承载能力预警等级判定标准
Table 1 Criteria for early warning classification of geological environment bearing capacity
“保水采煤”、“煤矿区地质环境承载力”均是解决煤矿区采矿活动与环境保护的和谐发展理念，两者有机融合，将对西部生态脆弱区，特别是水资源缺乏的煤矿区具有较为重要的研究意义。笔者从承载力内涵、评价、监测、预警等方面提出了基本研究思路，但这些研究问题仍需细致思考。
(1)理论融合研究方面。“保水采煤”理念作为实现西部煤炭开采与水资源保护和谐共赢的创新性理念，经过20余年的发展，研究成果有效缓解和控制了西部干旱半干旱地区由于煤炭开采引起的生态环境恶化。但其理论研究成果侧重在基于生态水位保护的保水采煤技术方法，对于地表环境在资源开发过程中的地质环境约束条件研究较少。而煤矿区地质环境承载力研究则是更多的侧重于地表环境本身所能承受的外界扰动强度，强调社会经济发展与资源开发过程中的地质环境约束。理论上，两者互补所长，深入研究“采煤活动-水资源破坏-地质环境效应”的作用机理，将丰富“保水采煤”和“地质环境承载力”的科学内涵。但理论研究涉及到地质、采矿、环境等不同学科，如何能从不同的学科交叉中深层次的分析煤炭开采对含水结构的破坏机理，含水结构破坏对地表环境的影响机理，地表环境对煤炭开采的约束机理，煤炭开采、水资源、地表环境的闭合互馈机理，仍是目前研究的重点和难点。
(2)评价体系建立方面。将承载能力分为地质环境的抗扰动能力和地表环境敏感程度两大组成部分。但承载能力的影响因素因地、因时而表现各异，特别是定性指标的量化，也仍在尝试探索阶段。因此，在评价指标的选择方面，要建立在研究区域充分地质环境调查和情景分析的基础上，在指标量化上，一定要重视指标本质属性值的提取。
(3)评价方法选择方面。地质环境承载能力评价的研究起步较早，前人提出的评价方法较多。例如，层次分析法、模糊综合评价法等。但笔者认为，地质环境承载力是一个动态、突变的发展过程，在评价的过程中，尽量减少人为主观干预，评价的结果要有一定的预测研判性。基于此，笔者提出基于“突变理论”的地质环境承载力评价方法。但深入探索体现动态、客观、合理的评价方法，仍是地质环境承载力评价研究中亟待解决的难点。
(4)承载能力下开采强度的计算方面。基于保水采煤的地质环境承载能力研究的落脚点，就是探索承载能力所能承受的煤炭开采强度，为煤炭资源合理规划提供支撑。承载能力的计算，需要依据前期承载能力的评价结果，给定承载状态，反演有效减小和控制煤矿开采对地表生态环境破坏程度的地下开采技术参数，探索减小和控制水资源及地质环境破坏的保水采煤技术方法，得出承载能力下较为合理的煤炭资源开采规模。笔者提出了给定承载状态参数，采用数值模拟和相似模拟相结合模拟方法反演，但目前固液耦合的模拟试验的限定条件和实现过程较为复杂，是目前模拟研究的难点。此外，也可以依据研究区域承载能力范围内已有的开采强度进行类比，但需要大量的实地监测数据作支撑。
(5)承载能力监测预警方面。监测体系的建立，是地质环境承载能力研究的基础，但目前矿区地质环境监测工作整体较为薄弱，且监测指标较为单一，监测手段较为落后。笔者提出同一时空维度的多指标协同监测，将对承载力评价阈值的修正和承载力整体发展趋势的研判和预警起到事半功倍的作用，在监测方法上，自动化监测手段和集成的协同监测系统，是承载能力监测的重点研究方向。承载能力预警方面，笔者认为，预警的对象不是承载能力，而是利用地质环境承载能力同承载状态存在良好耦合性的特点，综合确定其预警等级。笔者根据承载能力和承载状态之间的内在关系，初步给出了预警等级判定标准，但预警级别需要充分结合研究区域的承载能力动态发展变化趋势来划分和确定。
(1)“保水采煤”与“地质环境承载力”融合，深入研究“采煤活动—水资源破坏—地质环境效应”的相互作用机理，探索煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解，将丰富“保水采煤”和“地质环境承载力”的科学内涵。
(2)采用“突变理论”建立基于保水采煤理念的地质环境承载能力评价模型，符合地质环境承载能力的动态、突变特征。承载能力等级和承载状态应该区分对待。承载能力的计算，需要给定承载状态，反演有效减小和控制煤矿开采对地表生态环境破坏程度的地下开采技术参数，探索减小和控制水资源及地质环境破坏的保水采煤技术方法，得出承载能力下较为合理的煤炭资源开采规模。
(3)基于保水采煤理念的地质环境承载力监测方法，应探索反映环境因素间相互影响和作用关系指标的协同监测方法。地质环境承载能力预警，是利用地质环境承载能力同承载状态之间的良好耦合关系，综合判定其预警等级，预判其发展趋势。
(4)基于保水采煤理念的地质环境承载力是一个综合性问题，“保水采煤”与“地质环境承载力”融合后，其理论内涵、评价方法和监测预警技术等方面的研究仍存在诸多不足，需要进一步研究探索。
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