新书推荐|鄂尔多斯盆地煤炭开采水害及其生态环境效应

鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采水害及其生态环境效应涉及的核心科学技术问题是侏罗系煤炭开采覆岩变形破坏涌突水机理及水害防治、涌突水引发浅表层水-生态环境变化过程机理及控制。本书建立了矿区生态地质环境类型划分方法,系统研究了我国西北N2红土受采动影响工程地质属性变化及隔水性再造特征, 揭示了侏罗系煤层开采导水裂隙带动态发育特征规律, 建立了导水裂隙带高度预计公式, 划分了鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采四种顶板水害模式, 建立了不同模式下的水害防治技术体系,创建了煤炭开采对水资源及生态环境扰动破坏的四种环境工程地质模式, 深化提出了“保水采煤矿井等级类型”及其确定方法。

区域性群矿高强度煤炭开采，是典型的大型人类工程活动，其对地质环境产生强烈扰动直至灾变，导致矿井井下突水、井巷和采场围岩失稳、岩爆和冲击地压等静、动力地质灾害，严重威胁井下安全生产；同时，对地表生态地质环境产生不同程度的扰动和破坏，引发浅表层水位下降和水资源枯竭、地表塌陷和地裂缝、崩塌和滑坡等生态地质环境灾害。

笔者在三十多年的煤矿工程地质与灾害地质研究和实践中，逐渐领悟和认识到煤矿工程地质学的核心，就是要认识煤炭采动—地质环境扰动—工程地质环境属性(条件) 变化过程及灾变机理———灾害预警与防控，即“采动工程地质环境演化与灾变”，这是煤矿工程地质学的基本理论；并以此来指导煤矿工程(环境) 地质条件勘查、问题预测评价及灾害防治。

突水是煤矿的主要地质灾害，是典型的“采动工程地质环境演化与灾变” 过程。以往的研究(如东部矿区) 重在以井下防灾、保障安全生产为主要目的，很少关注突水产生的链生浅表层生态环境效应。鄂尔多斯盆地地处黄河中游, 是我国最大的整装煤盆地，预计埋深2km 以浅煤炭储量2× 1012 t; 目前有陕北、神东、宁东、黄陇等国家级大型煤炭能源生产基地，主采侏罗系煤层, 年产煤炭20 多亿吨, 超过全国总产量的50%。煤炭是我国的主体能源, 随着东部煤炭资源逐渐枯竭，鄂尔多斯盆地将是保障我国煤炭能源持续供给、不可替代的最大产能区。近20 年来的开采实践表明，鄂尔多斯盆地煤炭开采大型、特大型涌突水矿井不断出现(如陕北某矿持续10 年排水3000 m 3 / h 以上，最大5317.5m3 / h，为国内之最)，不仅对井下安全造成严重威胁，同时造成区域性水位下降、浅表层水资源枯竭，对本就脆弱的区域生态环境产生重大影响，严重威胁黄河流域生态环境安全。研究鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采水害及其生态环境效应，实施有效的防控技术措施，是新时代“黄河流域生态保护和高质量发展” 国家重大战略实施的需要，对黄河流域中游区域经济和社会的可持续发展意义重大。

自20世纪末、21世纪初以来, 随着我国煤炭战略西移，特别是鄂尔多斯盆地侏罗系煤炭开采规模逐渐扩大, 二十多年来的生产实践表明，沿用东部石炭-二叠系煤炭开采顶板水害防治理论和技术， 解决侏罗系煤炭开采水害问题, 存在重要差异和不足。主要表现在: ①导水裂隙带发育高度存在明显差异, 普遍较目前规程经验公式预计值大; ②按目前规范留设的防水煤岩柱保护层厚度, 不适用侏罗系煤层开采顶板水防治, 明显偏小; ③西北侏罗系煤炭开采不能只考虑井下水害, 应综合考虑水害防治及生态环境保护的双重目标; ④西部大多为超长工作面开采, 应研究采动导水裂隙、保护层渗透性变化的时间效应, 涌水过程及生态水位的时间变化; ⑤西部黄土、红土为浅表层水的关键隔水层, 且具有特殊的区域工程地质性质, 缺乏采动影响黄土、红土工程地质性质变化及其对涌突水和生态环境影响的系统研究; ⑥巨厚白垩系覆盖下的煤层开采, 离层水害机理及防治具有新的挑战性。

本研究工作的总体目标是以服务国家经济建设可持续发展和防灾减灾为宗旨，结合西北区域经济社会现状和发展规划, 在前期工作基础上, 继续在西北矿区，重点是鄂尔多斯盆地典型区域进行地质及生态环境现状条件、生态-水-煤系地质结构勘探测试，关键岩土层采动影响工程地质性质原位和室内试验测试，侏罗系煤层覆岩结构及其与东部石炭-二叠系差异性研究，侏罗系煤层开采基岩-土层复合导水裂隙带动态、静态发育特征原位测试及数值物理模拟;研究考虑水害防治和生态环境保护的侏罗系煤岩-土层复合保护层厚度确定方法；进行超长工作面煤层开采过程涌水量预计、生态水位原位监测及预警；研究巨厚白垩系覆盖煤层开采离层水害机理及防控技术;建立以水害防治及生态环境保护为目的的环境工程地质模式及西部保水采煤矿井等级划分方法等。深化“采动工程地质环境演化与灾变” 煤矿工程地质学理论，完善“水害防治和保水采煤” 技术体系；实现为政府防治煤炭开采地质灾害和环境保护提供基础技术支撑, 推动我国煤矿工程地质学科水平整体发展。

本书取得的学术成果主要包括以下十个方面:

(1) 以矿区水资源和生态环境保护为目的，将鄂尔多斯盆地生态地质环境类划分为地表径流黄土沟壑型、地表沟谷河流绿洲型、潜水沙漠滩地绿洲型、沙漠岩漠型等主要类型；以榆神府矿区为重点，选取地表高程、地形坡度、地貌类型、地表水资源分布、岩性分布和植被生态发育状况六个指标，建立了生态地质环境类型划分方法，给出了类型区划结果；揭示了植被发育空间分布与生态地质环境类型的关系特征。

(2) 以榆神府矿区为重点，阐明了主要地表水和地下水类型，含隔水层结构；建立三维水文地质模型，模拟分析了区域水循环过程特征，给出了与地表生态环境关系密切的浅表层水资源赋存分布结果；构建了区域生态-水-煤系地质组成结构模型。

(3) 系统研究给出了我国西北N2红土工程地质属性及其区域性质差异、受采动影响工程地质性质变化特征；揭示了不同采动受损破裂N2红土水土相互作用、采后应力恢复蠕变结构渗透性变化特征规律， 建立了蠕变-结构-渗透性变化模型；首次提出隔水层再造理论观点，对认识西北地区采矿等人类工程活动对生态环境破坏及自然修复具有重要意义。

(4) 发现侏罗系煤层覆岩整体状结构是造成导水裂隙带发育高度异常的本质属性，建立了侏罗系煤层开采导水裂隙带发育高度的理论预计公式和经验公式；采用分布式光纤等原位监测方法，监测了煤层开采导水裂隙带动态发育过程特征, 首次揭示了侏罗系煤层开采基岩-土层(黄土、N2红土) 复合导水裂隙带发育特征规律，建立了土层对导高发育影响的理论模型和高度预计公式; 划分了鄂尔多斯盆地煤层开采顶板水害模式类型。

侏罗系煤层上覆N2红土采动破坏突水模式示意图

(5) 勘探测试黄土沟壑径流区采动水害形成条件，建立了突水溃砂模型，揭示了突水溃砂过程特征规律；首次划分了沟壑径流下采动水害类型及其确定指标、原则，建立了水害防治技术体系并得到了应用示范； 提出采空区储水评价方法。

(6) 勘探测试典型沙漠滩地区煤炭开采水害形成条件，揭示不同采厚(分层开采5m、一次采全高8m 及综放开采11m) 条件下煤层覆岩-土-含水层扰动破坏过程特征机理，首次建立超长工作面开采过程涌水量和砂层潜水渗漏量预计方法, 形成了水害防治关键技术及应用示范；建立了砂层潜水采动漏失、水位变化监测预警方法，并得到了成功应用。

(7) 研究了侏罗系煤层顶板厚砂岩水害形成条件；建立了顶板砂岩富水性多元预测评价模型；提出了基于工作面采前探放水资料、结合物探等勘探资料，精细划分了工作面顶板砂岩充水含水层水文地质参数；建立了分段涌水量预计方法；形成了侏罗系煤层大埋深、高承压顶板砂岩水害防治技术体系及实施应用示范。

(8) 研究了巨厚白垩系覆盖侏罗系煤层开采离层水害的形成条件，建立了离层及离层水形成工程地质模型，首次提出离层动态发育三角形离层域阶梯组合梁理论模型，揭示了离层发育、破断演化过程机理，给出了煤层开采过程离层发育位置判别、离层水平破断距预计公式；提出了离层突水危险性预测评价方法，建立了离层水地面直通式导流孔等防治技术方法，并得到了推广应用。

(9) 研究了沙漠滩地区潜水位与生态环境的关系，发现不同生态地质环境区增强型植被指数(EVI) 分布特征差异性，建立了EVI 与地下水位埋深关系模型；研究了沙漠滩地区潜水受煤炭开采扰动的影响过程，建立了采动沉降砂层潜水变化预计理论模型，土层采动破坏砂层潜水漏失、水位变化监测预警系统。

(10) 基于水害防治、水资源和生态环境保护一体化理念，提出了煤炭开采对水及生态环境扰动破坏的四种环境工程地质模式，即环境灾变型、环境渐变恶化型、环境渐变恢复型、环境友好型，建立了环境工程地质模式划分原则和方法，给出了榆神府矿区模式类型区划结果；基于环境工程地质模式与浅表层水资源分布相结合，首次提出保水采煤矿井 等级类型及其确定方法，以及相对应的水资源及生态环境保护地质工程技术；已在多个矿井(区) 应用示范。

榆神府矿区环境工程地质模式分区图

本书可供工程地质与灾害地质、水文地质、采矿工程等领域的科研人 员、技术人员、高校教师、研究生和大中专院校学生参考。

本文摘自科学出版社2022年9月出版《鄂尔多斯盆地煤炭开采水害及其生态环境效应》一书序和前言，内容有删减，标题为编者所加（本文编辑：崔妍cuiyan@mail.sciencep.com）。

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