我国是世界上能源生产和消费大国，煤炭是我国的主导能源，同时也是重要的工业原料。基于能源消费总量对我国煤炭消费需求进行预测[1]，2025年中国能源消费需求为55～56亿t标准煤，其中，煤炭占总量的50%～52%，我国的主体能源结构在2050年以前将一直以煤炭为主。随着煤炭开采重心的战略转移，西北地区已成为我国能源供应的主要基地，其中2018年仅内蒙、山西及陕西三省的煤炭产量占全国总产量的68.88%。根据西北地区煤炭资源赋存特点，该地区易于实施高强度开采[2]。
然而，地下煤炭开采必会引起覆岩运移[3-4]，其剧烈程度取决于煤炭的开采强度[5]。研究表明[6-8]，高强度开采覆岩破坏更加剧烈，其破坏高度更大，部分矿区的覆岩仅呈现“两带”模式，造成了严重的地表建(构)筑物损坏及水土流失，并引发次生矿山地质灾害，给原本脆弱的矿山生态环境带来了严重的负外部影响。
为实现煤炭资源高强度开采与矿区生态环境保护协调发展，有必要对高强度开采覆岩与地表破坏及防控技术的现状及进展进行总结分析。笔者结合高强度开采主要技术特征，阐述了高强度开采覆岩破坏研究现状及进展，总结了高强度开采地表移动破坏特征及其负外部影响;通过分析高强度开采负外部影响的防控思路，提出了高强度开采覆岩地表破坏防控技术及未来矿区环境保护的发展方向，为矿区采动损害控制、生态减损开采、土地复垦治理等提供理论基础与技术参考。
1 高强度开采现状
1.1 高强度开采概念及定义
国外发达国家从20世纪60年代始已开始采用大采高综采方法[9-10]。我国于1978年引进大采高液压支架及相应设备，通过在范各庄煤矿应用，其最高月产达到9.5万t。目前，上湾煤矿12401大采高工作面创造了最高月产146万t的世界纪录，单井单面已达到年产1 600万t，实现了采煤技术的跨越。经过40 a的发展，我国煤矿已形成具有中国特色的煤炭开采技术体系[11]。
我国自出现“高强度开采”这一术语以来，其现象及特征便被广泛关注，其矿井数量及煤炭产量不断提升，推进速度较快、产量大、效率高的工作面越来越多，如神东上湾煤矿世界首个8.8 m大采高综采工作面，潞安王庄煤矿复杂条件7.2 m大采高工作面以及大同塔山煤矿一次采出厚度近20 m的大采高综放工作面等[12]。近年来，随着对煤矿高强度开采研究的普遍性，部分学者对高强度开采概念进行了定义，缪协兴将高强度开采表述为工作面以大采高、大采面和快速推进为主要特征的开采;范立民从平面、空间及时间的角度对高强度开采进行了定义，具有平面上开采面积占比大、空间上开采尺寸大、时间上开采速度快(推进速度)的特点，并对榆神府区开采强度进行了等级划分[13];笔者等[14]基于绿色开采理论，进一步将高强度开采精确定义为:厚煤层(M≥3.5 m)综合机械化一次采全高(放顶煤或大采高支架)、工作面尺寸较大(L≥200 m)、推进速度较快(v≥5 m/d)、工作面单产较大(一般500～1 000万t/a以上，最小300万t/a)、工作面深厚比较小(H/M<100)、覆岩与地表破坏严重的高产高效采煤方法。该定义同时将高强度开采的正外部影响(高产、高效)及负外部影响(采动影响破坏)[15]纳入其中。
1.2 高强度开采特征及指标
结合我国煤炭赋存情况及高强度开采定义可知，西北地区是实施煤炭高强度开采的典型区域，这是由于该地区煤炭资源丰富。赋存稳定、煤质优良、煤厚较大、埋深相对较浅、地质条件简单、矿山机械装备制造水平及煤矿生产集约化程度高。主要特征如下:① 地质采矿条件简单;② 开采厚度大，深厚比小;③ 工作面尺寸大;④ 工作面技术装备水平高，一般采用大采高综采或综放，并向智能工作面方向发展;⑤ 工作面推进速度快;⑥ 工作面单产大，效率高。
在智能开采方面，由于大采高综采是厚煤层实现自动化、信息化、智能化开采的首选采煤方法，基于高强度开采的地质条件，结合物联网、云计算、大数据、人工智能、智能装备等技术的发展，促进了我国煤矿智能化、自动化水平不断提升。在大采高综采与综放方面，文献[16]通过对西部矿区厚煤层大采高工作面智能化开采面临的难题进行了研究，研发了一系列综采工作面装备控制技术，实现了超大采高综采工作面的自动化、少人化开采;文献[17]针对特厚煤层综放智能化开采技术难题，通过研发综放液压支架智能耦合控制系统及放煤工艺时序控制技术与装备等，实现了综放工作面自动化放煤。同时，煤炭资源的精准开采也能显著提高煤炭安全开采自动化、智能化、信息化水平，最终实现工作面无人化开采，开采强度和开采效率将达到一个新高度。
根据高强度开采的技术特征，可从高强度开采正外部性及负外部性两方面分析其指标体系。其中正外部性指标包括地质采矿条件、采煤技术工艺、工作面尺寸、工作面速度、采厚与深厚比及工作面单产量，该特性有利于实现煤矿的高产、高效;负外部性主要表现为:① 上覆岩层破坏严重。由于高强度开采工作面尺寸大、推进速度快，导致覆岩破坏剧烈且破坏高度大，部分样本覆岩破坏模式由“三带”变成“两带”。② 地表移动变形剧烈。开采引起的地表移动变形具有地表非连续破坏严重、下沉速度快及移动变形值大等特点，对地表建筑物破坏严重，对生态环境扰动显著。因此，高强度开采负外部性指标包括上覆岩层破坏、地表移动变形、地表非连续破坏、建(构)筑物损坏、水文地质影响及生态环境影响，该特性直接或间接制约着矿区实施高强度开采及煤炭科学开采[18]。相关研究[12]对高强度开采的指标参数进行了规范，其指标体系如图1所示。
图1 高强度开采指标体系
Fig.1 Index system of high-intensity mining
2 高强度开采覆岩破坏特征
高强度开采形成的大范围采空区必然引起覆岩的严重破坏，且时空过程较为复杂，剧烈程度也异于常规开采。以下从覆岩破坏高度理论、覆岩破坏充分采动及其判据、覆岩破坏高度实测及覆岩“两带”破坏模式等方面分析高强度开采的覆岩破坏特征。
2.1 覆岩破坏高度理论分析
覆岩破坏高度对于水体下采煤、保水开采及瓦斯治理的解放层开采等均具有重要意义。由于覆岩破坏高度与岩性有关，一般情况下，软弱型覆岩的破坏高度为采厚的9～12倍，中硬型覆岩为采厚的12～18倍，坚硬型覆岩为采厚的18～28倍。目前，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中给出的覆岩破坏高度计算经验公式应用最普遍，可根据工作面不同开采方法及覆岩岩性选用相对应的公式进行计算，如图2所示。同时，相关学者[19-20]采用数理统计回归分析的方法得出了适用于不同覆岩岩性条件下厚煤层放顶煤开采的覆岩破坏高度计算公式，具有简单、方便、实用性强等特点，为高强度开采覆岩破坏高度预测提供了理论参考。
图2 厚煤层放顶煤开采的导水裂隙带高度
Fig.2 Height of water flowing fracture zone in caving mining of thick coal seam
图3 覆岩破坏传递过程
Fig.3 Overburden failure transfer process
此外，基于关键层理论，许家林等[21]提出了基于关键层位置的覆岩破坏高度预计方法;王志强等[22]以关键层形成的稳定铰接结构计算覆岩破坏高度;黄万朋等[23]提出了一种覆岩组合结构与岩层拉伸变形的覆岩破坏高度预计方法。笔者提出了一种基于覆岩破坏传递过程的覆岩破坏高度计算方法[24]，研究了覆岩破坏传递过程(图3):随着工作面向前推进，采空区上覆岩层依次经历悬空完整、悬空断裂、悬空垮落、悬伸稳定、悬伸断裂及悬伸破断的过程。基于岩层的碎胀性，在覆岩破坏高度向上传递的过程中，处于弯曲下沉带内岩层间的离层高度逐渐减小。
当覆岩破坏传递至第n-1层时，第1～(n-1)层已失稳破坏，且覆岩破坏高度(Hf)为
(1)
式中，M为煤层开采厚度，m;hi为第i层岩层厚度，m。
此时，第n-1层与第n层岩层的离层高度为
(2)
式中，Kpi为第i层岩层垮落后的碎胀系数，m;Hs为覆岩弯曲下沉值，m。
当Δn-1,n>0时，覆岩破坏传递发育，且Δn-1,n逐渐减小;理论上，当Δn-1,n=0时，覆岩破坏传递到第n-1层岩层为止，覆岩破坏传递终止，即达到覆岩破坏最大高度。
2.2 覆岩破坏充分采动与判据
根据覆岩破坏传递过程，可将覆岩破坏阶段划分为:覆岩非充分采动与充分采动阶段。其中，覆岩破坏充分采动为工作面开采引起的覆岩破坏高度达到其采矿地质条件下的最大值，且不再随开采尺寸的增加而增大。因此，覆岩破坏充分采动的特征为:① 裂缝带与弯曲下沉带之间的离层高度趋于0;② 覆岩破坏高度达到最大值;③ 覆岩破坏高度随着开采尺寸的增加不再增大。
目前，覆岩破坏高度的预测已经取得了较大的进展，文献[25]提出了以临界工作面尺寸判断覆岩破坏是否达到充分采动，其计算公式为
(3)
式中，Ej为第j层岩层的弹性模量，Pa;Ij为第j层岩层的截面矩，m4;ki为第i层岩层的残余碎胀系数;φ1,φ2为覆岩的前方和后方断裂角，(°);q为岩层自身载荷集度，kN/m。
当工作面尺寸大于临界尺寸时，为覆岩破坏充分采动，覆岩破坏高度达到该地质采矿条件下的最大值;当工作面尺寸小于其临界尺寸时，覆岩破坏为非充分采动，其破坏高度未达到最大值，覆岩破坏高度随着工作面尺寸的增加而增大。
根据式(3)，影响覆岩破坏充分采动的因素主要有工作面尺寸、开采厚度、开采深度、覆岩岩性。为进一步分析覆岩破坏达到充分采动的判据，将覆岩破坏面积简化为梯形的面积(与工作面推进距离、覆岩破断角及覆岩破坏高度有关)，采空区面积简化为矩形面积(与工作面推进距离和开采厚度)，如图4所示。
图4 覆岩破坏充分采动示意
Fig.4 Overburden critical failure analysis
根据图4可知，当工作面推进至临界推进距离(L)时，基于二维平面守恒原理，采空区的面积(SG)、上覆岩层破坏碎胀后的面积(SO)、地表下沉面积(SS)的关系如下
SG+SO=SOK+SS
(4)
式中，K为覆岩破坏后的碎胀系数。
此时覆岩破坏高度达到最大，得到覆岩破坏充分采动时覆岩破坏高度(Hmax)理论计算公式:
(5)
(6)
式中，α为覆岩破断角均值，(°);r为主要影响半径，为开采深度(H)与主要影响角正切(tan β)的比值，m;W(x)为走向主断面内的半无限开采地表下沉曲线公式。
通过数值模拟研究了不同因素对覆岩破坏充分采动的影响，结果表明:覆岩破坏充分采动时临界推进距离(L)与工作面倾向长度(LD)、深厚比(H/M)成反比。综合分析得到工作面倾向长度与深厚比的乘积对覆岩破坏充分采动时推进距离的影响曲线(图5)。
图5 倾向长度与深厚比的积与覆岩充分采动时推 进距离关系
Fig.5 Product of dip length and depth ratio vs.advance distance when overburden failure is fully mined
图6 地面钻孔法现场实测
Fig.6 Field measurement by ground drilling method
2.3 覆岩破坏高度实测
现场实测覆岩破坏高度方法主要有地面钻孔观测法、井下钻孔法、物探法等[26-27]。在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》修订过程中获得了138组工作面覆岩破坏高度实测数据[28]，为我国不同条件工作面煤柱留设及压煤开采设计提供了参考。结合不同观测方法现场实测可知，图6为芦沟煤矿在水库水体下开采时采用地面钻孔观测法进行了覆岩破坏高度现场实测，根据钻孔冲洗液漏失量及水位深度变化与钻孔深度的关系，确定覆岩破坏高度为108.3 m。
图7为葛泉矿采用井下仰斜钻孔、双端堵水器观测法得到的覆岩破坏最大高度，约为47 m。
由于井下工作面开采处于一个三维的空间，采动覆岩破坏也属于三维空间，因此，在预计覆岩破坏高度时，应建立合适的三维数值模拟、相似模拟模型或三维理论计算模型。
2.4 覆岩“两带”破坏模式
根据大量的现场实践，不同采矿地质条件下会存在不同的覆岩破坏模式，包括覆岩“两带”直接贯通地表模式，覆岩“两带”与地裂缝贯通模式，覆岩“两带”未与地表裂缝贯通模式3种破坏模式。浅埋煤层高强度开采现场观测及理论计算均显示覆岩破坏高度可直达地表，无弯曲下沉带，仅形成“两带”模式，且“两带”中垮落带一般破碎严重，且发育高度一般较大(图8)。
图7 钻孔注水漏失量分布
Fig.7 Distribution of water leakage in borehole
图8 高强度开采覆岩破坏模式
Fig.8 Overburden failure modes of high-intensity mining
覆岩“两带”模式的形成主要由煤层厚度及覆岩结构所致。西北矿区采厚大、采深小、覆岩结构简单，工作面开采后覆岩破断回转时由于基岩较薄，导致覆岩裂隙直通地表或与地裂缝贯通，形成“两带”模式。根据相关研究[29]可知，厚煤层高强度开采覆岩“两带”破坏模式存在覆岩切落型破坏模式与裂缝贯通型破坏模式2种类型。
(1)覆岩切落型破坏表现为覆岩裂隙由煤层顶板发育，直接与地表贯通。通常情况下，多存在于地质条件为浅埋厚煤层的工作面。
(2)覆岩裂缝贯通型破坏表现为工作面推进过程中基岩中的关键层断裂失稳，产生覆岩“两带”裂隙，即上行裂隙，上行裂隙发育与地表拉伸裂缝贯通，形成覆岩裂缝贯通型破坏模式。当覆岩裂隙与地裂缝贯通时，覆岩裂隙高度小于开采煤层深度，即覆岩不会发生全厚切落现象。
高强度长壁开采“两带”模式下可能伴有工作面涌水、溃砂、漏风现象，采动影响迅速波及地表，在生态脆弱的西部地区，高强度开采造成的地表沉陷、台阶裂缝、水土流失等问题比中东部更严重[30-31]。
3 高强度开采地表变形破坏特征
我国煤矿通过地表移动观测站获取了408组较为完整的地表移动实测数据[28]。近年来，随着三维激光扫描技术、无人机技术等在地表沉陷监测中应用，可快速高效地获取大量岩层移动与地表移动现场监测数据，实现了开采沉陷观测由线到面的转变。此外，结合GNSS,InSAR及卫星影像技术，形成了工作面开采对地表破坏的太空层面监测，无人机红外遥感技术成为对采动裂缝监测的空中层面手段，而水准测量、探地雷达技术、高密度电法探测、三维激光扫描技术、覆岩钻孔观测及矿压在线监测等形成了井上下(地)开采及其影响的动态观测，如图9所示。现从高强度开采地表裂缝特征、移动变形规律及负外部影响等方面进行分析。
图9 高强度开采井上下一体化动态监测
Fig.9 Integrated monitoring under high-intensity mining
3.1 高强度开采地表裂缝特征
煤炭资源地下开采过程中，地表会因覆岩破坏而产生移动变形，当超过地表承受极限强度时，会产生地表裂缝[32-33]。在西北高强度开采矿区，由于煤层开采厚度大、工作面尺寸大、推进速度快、深厚比小等特点，导致地表破坏严重，常以裂缝的形式出现地表非连续破坏，因此，地表对高强度开采的破坏特征一般表现为非连续破坏(地裂缝)。根据其受力及形态，可分为拉伸型裂缝、剪切型裂缝、挤压型裂缝和塌陷型裂缝。结合现场实际观测，大柳塔煤矿及哈拉沟煤矿工作面开采后产生的地表裂缝如图10所示，其中拉伸型及剪切型裂缝为高强度开采矿区常见裂缝。
图10 高强度开采引起的地表裂缝
Fig.10 Surface cracks caused by high-intensity mining
依据前文中覆岩破坏高度理论分析，结合哈拉沟煤矿22407工作面地质采矿条件可知，工作面覆岩的碎胀系数可表示为
(7)
式中，K为工作面开采后覆岩碎胀系数;M为煤层开采厚度，取5.4 m;H为工作面覆岩高度，取131 m;S为地表最大下沉值，取3.38 m。
可知，该工作面碎胀系数K=1.015。考虑到大柳塔矿与哈拉沟矿井田相邻，以此下沉系数对大柳塔52307工作面开采后离层高度进行验证。
大柳塔煤矿工作面煤层采厚约为6.7 m，工作面覆岩高度为183.3 m，假设开采后覆岩弯曲下沉0.3 m，则由式(2)可知，在地表处的理论离层高度Δ=3.65 m，即可认为地表下沉值。通过现场实测可知，地表最大下沉值为3.5 m，误差为4.3%，可知依据覆岩破坏高度理论得出的地表下沉值与实测基本相符，地表实测移动变形如图11所示。
图11 高强度开采下不同推进距离的地表水平变形
Fig.11 Horizontal deformation with different advancing distance under high-intensity mining
由图11可知，地表移动变形最大值为，变形较为剧烈，与图10中地表裂缝的响应相符。
图12 地表裂缝特征
Fig.12 Characteristics of surface cracks
在西北高强度开采矿区，地表下沉过程较剧烈，工作面前方出现裂缝群，常采用多种遥感数据解译。通过对高强度开采矿区地表裂缝发育及分布进行监测[34-36]，地表裂缝呈现的主要特征有:
(1)动态拉伸型裂缝密度大，宽度较小。根据现场监测，动态拉伸型地表裂缝约超前1 d且平行工作面出现(平均推进速度约15 m/d)，并随工作面推进而周期性向前移动，如图12(a)所示。
(2)台阶型裂缝较发育。通过对多个高强度开采矿区现场监测发现，台阶型地表裂缝大多数位于工作面开采边界、终采线与开切眼上方，呈“带状”分布，如图12(b)所示;而工作面终采线上方台阶型裂缝呈圆弧“带状”形式。
(3)裂缝形态及发育与工作面位置密切相关。位于工作面上方垂直于推进方向的裂缝，多以拉伸型及小台阶裂缝为主，且主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致，为临时裂缝，具有一定的修复功能，如图12(c)所示;而在工作面边界处多以台阶裂缝为主，其发育过程经历“产生-扩展-最大或稳定”，为永久裂缝，对地表及生态环境的影响较大。
3.2 高强度开采地表移动变形规律
通过对西北高强度开采矿区现场实测及所搜集的资料进行分析可知，高强度开采地表移动变形规律主要表现为以下方面:
(1)地表移动变形剧烈，采动影响范围相对较小。由于高强度开采工作面推进速度快，基本顶极限垮距增大，导致基本顶破断释放的能量也较大，引起覆岩及地表移动变形剧烈(图13)，下沉曲线具有突变性，导致采动影响范围相对较小;同时引起的地表裂缝角(72°～90°)及最大下沉角(89°～90°)偏大，主要影响半径偏小，水平移动系数偏大。
图13 高强度开采深厚比与地表水平变形的关系
Fig.13 Relationship between H/M and surface horizontal deformation of high-intensity mining
(2)下沉速度快，下沉量大。由于高强度开采覆岩及地表移动变形剧烈，故而引起的地表下沉速度也较快，最大下沉速度达700.5 mm/d(图14)，地表下沉系数一般为0.55～0.80，但由于煤层开采厚度大，导致地表下沉量大(表1)。
图14 高强度开采地表下沉速度
Fig.14 Surface subsidence rate of high-intensity mining
表1 高强度开采工作面地表下沉值
Table 1 Surface subsidence of high-intensity mining
煤矿及工作面埋深/m采高/m倾角/(°)工作面尺寸/(m×m)日进尺/(m·d-1)下沉值/mm开采方法昌汉沟煤矿1510694～1365.201～3300×2 80017.203 182大采高综采哈拉沟煤矿224071215.391～3284×3 22415.573 398大采高综采补连塔煤矿323011836.101～3301×5 2209.205 150大采高综采王庄煤矿62063056.002248×1 780—4 534综采放顶煤三道沟煤矿8520169～1886.401～3295×3 01015.004 531大采高综采杭来湾煤矿301012305.001299×4 25214.403 208大采高综采大柳塔煤矿 523071766.701～3301×4 462.612.003 560大采高综采张家峁煤矿1520188～1336.101～3261×2 2957.004 250大采高综采同忻煤矿8105400～49013.671～3200×1 7579.005 426综采放顶煤
(3)地表移动持续时间短。据现场观测及文献[37]可知，高强度开采引起的地表开始及活跃阶段持续时间较短，但地表在活跃阶段的下沉量占比较大，主要是由于工作面开采后顶板悬露的空间较大，造成高强度开采后覆岩与地表在短期内产生剧烈的移动变形，即活跃阶段下沉量较大。
综上可知，高强度开采能引起剧烈的地表移动变形，对地表负外部影响严重。
3.3 高强度开采地表负外部影响
结合西北高强度开采地表响应特征及移动变形规律，可知高强度开采对地表生态环境的扰动较为显著，其负外部影响主要表现以下方面。
(1)水资源破坏。对于生态脆弱的西北矿区，高强度开采产生的矿井水、煤矸石、地表塌陷等会污染地表水体。由于地表水通过土壤水补给地下水，因此，会间接影响土壤水与地下水的水质及水量。同时，地表裂缝不仅破坏植被根系，使植被枯萎或衰退，还会疏干地表水体或泉域，导致地下水位下降。因此，高强度开采对水资源的影响主要表现在:① 覆岩与地表的剧烈运动破坏了地下水的平衡，如大柳塔矿52505工作面大地电磁探测高强度开采对含水层的影响[38-39](图15(a));② 矿井水的排放污染了水资源的水质;③ 采动贯通裂缝改变了地下水径流条件，引起了地下水位下降(图15(b))，导致地表水体、泉域及湿地缩减，使地表植被由喜水植物向旱作植物转变[40]。
图15 高强度开采对水资源的影响
Fig.15 Mining influence on water resources
(2)土地资源破坏。开采对土地资源的负外部影响主要表现在土地资源的占用及破坏方面。在占用土地资源方面，主要体现在煤炭开采过程中的建筑物用地、矸石排放及尾矿库占地等，导致了土地利用结构的改变;而破坏土地资源方面主要表现为地表裂缝、地面塌陷、水土流失、土地沙化、土壤污染及微生物分布更替等。煤矿开采对土地资源的破坏，不仅改变了原始地形地貌，引起土地的坡度、标高发生变化，而且降低了林地及农牧地的质量及肥力，土壤的理化性质，导致农作物生产力下降、地表植被减退、土壤向沙漠化、盐渍化转变，恶化了地表生态环境。
(3)地表生态环境破坏。在地表生态环境系统中，土地资源为地表植被提供基础，而水资源是其生长中不可或缺的成分。由于地表植被是地表生态系统进行物质循环和能量交换的枢纽，且在保水固土方面具有重要作用，因此，地表植被盖度的变化与土地及水资源的状态具有密切关系，地表生态环境可通过地表植被的生长状况反映。在西北高强度开采矿区，由于水资源与土地资源均受到开采裂缝的影响，势必会影响到地表植被，进一步恶化了地表生态环境，如图16所示。
图16 地表裂缝对植被的影响
Fig.16 Influence of surface cracks on vegetation
(4)建筑物破坏。由于建筑物以地基为承载依附于地表，根据其结构特点可知，地表倾斜、曲率及水平变形对建筑物影响较大。由高强度开采地表移动变形特征可知，高强度开采势必对地表建筑物产生严重破坏，威胁矿区居民的生活及生产安全，具有范围广、危害大及损害严重等特点，尤其在村庄稠密、人口密度大的矿区。根据大量现场调查可知，建筑物门窗变形、墙体裂缝较为普遍，墙体裂缝宽度达20 cm，如图17所示。
图17 高强度开采引起的墙体裂缝
Fig.17 Wall cracks caused by high-intensity mining
(5)线性构筑物破坏。线性构筑物主要指铁路、公路、堤坝、桥梁、隧道、高压线铁塔及各类管线设施等，结合线性构筑物的特点可知，构筑物对地表变形的敏感性比建筑物的大，所受到的损害也更严重;由于线性构筑物分布较为普遍，煤炭资源开采会导致大量线性构筑物受到严重破坏，影响人民生命财产和交通运输安全。
此外，由于高强度开采引起覆岩破坏严重，会造成覆岩中井巷工程、井筒变形破坏，主要表现为轴线偏斜、竖向拉断或压跨、径向截面变化或沿弱面错开。对于南部矿区，由于岩溶发育，开采使溶洞塌陷，在地面形成塌陷漏斗，导致巨大的灾害。
4 高强度开采采动损坏防控思路与技术
根据高强度开采的负外部影响可知，大规模高强度开采会引起严重的地质灾害及生态环境破坏，因此，在进行高强度开采时，应以尽可能少地扰动生态环境为主。即通过科学规划，采取合适的采煤方法及生态环境治理措施，达到预防和控制高强度开采负外部影响的目的，为绿色矿山与地表生态环境的和谐发展提供技术保障。
4.1 高强度开采采动损坏防控思路
通过对高强度开采负外部影响进行分析可知，高强度开采对覆岩、地表及其生态环境产生负外部影响的本质是高强度开采后采空区范围及空间较大，引起上覆岩层破坏较为剧烈，由采动裂隙的扩展及地表的形变所致。近年来，为实现保护地下水及地表生态环境的目的，我国学者指出了西部煤炭资源科学开发的主要任务是从被动恢复转变为主动保护[41]，因此，维持覆岩稳定或减小覆岩的破坏程度及高度是主动避免地质灾害及实现地表生态环境保护最有效、最长久的途径，同时也是矿井开发利用地下开采空间的基础条件。
基于上述分析可知，高强度开采负外部影响的防控思路即是对其本质原因采取相应的抑制对策或技术，而分析高强度开采负外部影响的最终目的是形成有效的防范措施，以实现生态脆弱区生态环境保护与煤炭资源绿色开采的协调发展。
4.2 高强度开采采动损坏防控技术
目前，控制覆岩及地表移动的技术方法主要有充填开采、协调开采、部分开采及离层注浆技术等。
4.2.1 充填开采
其本质是用充填材料替换煤炭的一种方法，主要分为传统充填开采和现代充填开采，由于传统充填弊端较为凸显而退出，现代充填开采已成为目前充填开采的主要方法，主要包括固体充填、膏体充填、(超)高水充填等，分别叙述如下。
固体充填是目前应用较多的开采方法之一，是针对煤矸石排放及土地资源问题提出的一种绿色开采技术，已在很多矿区得到成功应用[42]。此外，为实现西北矿区近零生态环境损害及污染物排放，在煤矸井下分选及充填的基础上形成了一种“采选充+X”绿色化开采技术体系[43]。
膏体充填也是目前应用较多的开采方法之一。由于西北地表覆盖大量具有良好的抗变形能力风积沙，形成了以风积沙为主料的充填方法，有效地解决了覆岩与地表破坏问题，保护了西部矿区环境，为我国西部沙漠化矿区绿色开采开辟了一条新的技术途径。如榆阳煤矿[44]采用风积砂似膏体机械化充填进行了现场应用，结果表明覆岩破坏程度轻微，含水层及地表生态环境得到了有效保护。
(超)高水充填开采是以粉煤灰或尾矿等为主料,延缓剂、速凝剂、固化剂和膨胀剂等为辅料,与水混合制成充填料浆充填至采空区，具有流动性好、成本低及工艺简单等优点。此外，通过与旺格维利采煤法采场布置相结合，马立强等[45]提出了“多支巷布置、采充并行”的壁式连采连充采煤方法并进行了现场应用，实测结果表明浅表水资源可以得到保护。
此外，在西北基岩较薄的特殊开采区(隔水岩组厚度小于18倍采高的区域)，提出了一种控制潜水流失的条带充填开采[46]。它是通过在工作面中部向采空区充填数个条带充填体支撑覆岩，以减小顶板的跨度来控制“上行裂隙”的发育高度。同时，由于覆岩下沉量的减小，地表下沉盆地边缘的“下行裂隙”深度也会相应减小，从而保障覆岩含水层的安全。
针对我国西北矿区特有的生态环境，范立民提出保水开采技术，经过长期推广及应用，初步形成了以生态水位保护为核心的保水开采技术体系[47]。顾大钊[48]提出了采空区储用矿井水的理念，实现了采动漏失水资源的转移储存与利用。武强等[49]提出了“煤-水”双资源型矿井开采并进行了推广应用，促进了水资源保护和利用。在张家峁煤矿[50]通过合理留设保水煤柱、施工注浆帷幕，实现了地下水的完整保护。
4.2.2 协调开采
协调开采是利用2个或多个相邻工作面，在时间和空间上保持一定关系的向前推进，以部分抵消地表移动变形的开采方式，可分为两煤层(分层)或同一煤层多工作面协调开采、对称开采[51]。笔者等[52]提出了以五因素协调开采为模型的多工作面协调开采，实现了水库坝体下厚煤层放顶煤工作面的安全开采。
4.2.3 部分开采
部分开采是有效控制覆岩与地表移动的开采方法，主要包括条带开采、旺格维利采煤法、限厚开采、房柱式开采等。
条带开采一般常用于“三下”开采中，它不仅能回收部分煤炭资源，又能较好地控制地表沉陷、保护地表建筑物。由于开采效率及采出率低，在目前西北高强度开采矿区追求高产高效率的情况下，一般不单独使用，常与充填开采配合使用，戴华阳等[53]提出了“采-充-留”协调开采技术。此外，针对陕北高强度开采矿区中小型矿井而言，在地质采矿条件不满足综采的情况下，提出了一种保水及保护地表环境的窄条带开采技术。如榆卜界煤矿采用该方法既可以提升榆神矿区的开采机械化水平，又可以保持煤柱和覆岩长期稳定，抗御较为强烈的矿压，将垮落带限制在一定范围，实现水资源与地表生态环境保护的目的。
旺格维利采煤法(图18(a))以工作面布置灵活、受地质构造影响小、搬家速度快等特点，较易实现高产高效，但在地质条件简单的西北高强度开采矿区，搬家次数对矿井的持续生产影响较大。在此基础上，将条带开采布置方式与旺格维利高效采煤工艺相结合，提出了条带式Wongawilli采煤技术(图18(b))，其设备按工作面运输方式可分为连续式、间断式运输方式，其中连采机、锚杆钻车、行走支架及铲车为共有设备。通过对双巷单翼式布置方式的条带煤柱及煤柱系统失稳机理进行研究[54]，建立了煤柱失稳的尖点突变模型，得到了条带式Wongawilli采煤法合理煤柱宽度的计算方法，提出了以巷道布置、合理采留尺寸、提高煤柱强度、加强顶板管理及加快工作面推进速度为主的煤柱稳定控制技术体系，实现了带式Wongawilli采煤法安全高效开采。它不仅充分发挥了条带开采和旺格维利采煤工艺的优势，而且解决条带开采效率低的问题，实现了对生态环境较小扰动的“三下”压煤高效回收。
图18 Wongawilli采煤法与条带式Wongawilli采煤法
Fig.18 Wongawilli and Strip Wongawilli coal mining
限厚开采是通过合理限制开采高度，减小基本顶破断后的滑落或回转空间，降低导水裂隙带的高度，使覆岩含水层受到较小扰动的一种部分开采方法。通过对榆树湾煤矿制定保水开采的最大高度方案及现场应用，结果表明地表植被与未开采区无明显差异。由于限高开采对煤炭资源的浪费较大，一般较少采用。
房柱式开采是在开采煤层内掘进一系列煤房，并用联络巷相连，形成近似于长条形的煤柱，常用于开采“三下”压煤及长壁工作面边角煤，但由于缺乏配套技术与设备以及受地质采矿条件的限制，我国总体上较少采用。
4.2.4 覆岩离层注浆技术
覆岩离层注浆技术是一种有效控制覆岩及地表移动的减沉技术，它是通过在地表打钻至覆岩离层带，将注浆材料利用钻孔注入覆岩离层空间内，从而起到支撑上覆岩层的作用，减小采动影响向上的传递速度及地表下沉量。该方法具有简单易行、便于操作、注浆与开采并行等优点，不仅能有效控制地表下沉，又能保护地面环境。如许家林等[55]运用关键层理论进行分析研究，得到岩层移动变形过程中离层演变的规律，总结出“离层注浆充填减沉技术”，对离层注浆充填技术进行了进一步发展;在此基础上，朱卫兵等[56]提出了“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术，使充填体、关键层和预留煤柱形成共同承载体，从而达到有效减缓地面沉降的目的。
5 展 望
随着我国煤炭在主体能源地位中逐渐下降及生态环境的保护意识逐渐提高，煤炭工业将势必走可持续发展之路，而西北高强度开采矿区将受到重点关注。在高强度开采负外部影响的分析中，其本质原因是地下煤炭资源的采出对覆岩产生了极大扰动，因此，未来煤炭开采的发展趋势将以开采的负外部影响一体化规律与防治、环境监测及保护为主。
(1)成本低廉、工艺简单、安全高效的采煤技术需进一步深入研究。在环保意识加强及煤炭在主体能源比重中下降的前提下，对覆岩与地表扰动较小的开采方法将越来越受到重视，如充填材料成本需进一步降低、开采工艺需进一步优化、开采效率需进一步提升、装备及初期投入需进一步降低，这主要是由于对煤炭高效开采的认识由高效率向高效益转变;在追求高效益的条件下，充填开采或多种相结合的开采新方法将会继续推广。采煤方法的深入研究可为智能开采及充填智能化提供基础。
(2)高强度开采顶板运动、覆岩移动破坏与地表移动变形及矿区生态环境之间的耦合关系及一体化破坏机理及规律需要进一步研究。针对高强度开采的各部分(覆岩、地表及生态环境)已有较为成熟的研究成果，但对煤炭开采的整个影响系统的一体化规律尚需进一步研究，为煤炭资源的绿色、高效、智能开采及矿区生态环境保护提供依据。
(3)高强度开采井上下一体化智能监测、预测、预警体系有待进一步完善。矿区生态环境要素的多源信息协同提取关键技术有待于进一步研究;矿区生态环境演变监测站亟需建立，以获取关键生态因子的演变，为形成高强度开采矿区地表生态环境要素监测技术标准提供依据;亟需结合现代化的监测手段或技术完善高强度开采地表生态环境损害预测预警机制、指标体系和理论模型，为矿区实施井上下一体化的生态环境调控技术提供理论和技术支撑。
(4)矿区生态环境恢复治理及生态重构技术需进一步加强。西北高强度开采矿区的生态环境对水资源的依赖性较强，在开采后亟需采取有效措施恢复或重构矿区生态环境。随着科技的发展，对生态环境脆弱的高强度开采矿区进行生态环境原位保护将是未来研究的发展趋势。此外，伴随着开采深度的增大，矿区生态环境将由地表转向地下，此时地下生态环境将是未来研究的重点，也为地下空区的开发利用提供保障。
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