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煤炭加工与环保
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据《2019年BP世界能源统计年鉴》，世界能源供给目前仍以化石能源为主，其中石油占全球一次能源消费量的34%、煤炭约占27%、核能和水电分别占4%和7%，而在我国能源消费总量中煤炭占比达58%[1]，预计在未来10 a内我国能源消费仍以煤炭为主(50%以上)[2]。煤矿大规模、高强度开采对矿区特殊的自然环境、生态环境和资源赋存地质环境带来不同程度的扰动影响，当超过该区域环境的承载能力时将会使区域平衡的环境条件遭到破坏[3]。煤炭开采破坏顶板覆岩结构与完整性，导致含水层从层间径流向以垂向径流为主的新水循环模式转变，使得大部分基岩裂隙承压水含水层和第四系潜水含水层中的地下水渗(溃)入矿井采空区，同时诱发矿区地表下沉、工作面涌水等问题[4]。中国每年因煤炭开采破坏地下水约80亿t，但利用率仅25%左右[5]，外排地表的矿井水不能被有效储存和利用。尤其在西北地区进行煤炭开采时，部分区域由于覆岩结构及开采强度超过生态承载能力后，生态水位遭到破坏，加剧了地表植被的衰减、地表荒漠化及生物群落的衰退甚至灭亡，给沙尘暴及生态荒漠化创造了客观条件[6]。习近平总书记对煤炭行业的健康持续发展多次做出重要批示，在2017年实地考察徐州市贾汪潘安区采煤塌陷区整治工程后，更加强调坚定不移走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路[7]。因此，在确保煤炭资源安全高效开采的条件下，合理保护、控制和利用水资源已成为我国主要大型煤炭基地实现健康持续发展的关键因素。
煤炭资源是我国国民经济健康发展的重要能源基础。如图1所示(数据源于国家统计局)，21世纪以来我国煤炭产量占国内能源生产总量的比例n持续超过68%，占比在2011年到达阶段性顶峰之后出现持续下降趋势，这与新时代背景下国家在煤炭产业的长远战略布局有关，对煤炭行业的生产结构、创新能力、生态效益、国内外市场供需平衡等方面都有更高的要求。据统计，2018年我国煤炭资源基础储量占国内化石能源基础储量的93.17%，如图2所示(数据源于国家统计局)，仍然是支持我国社会工业发展和满足人民对美好生活向往的重要战略储备资源。
图1 2000—2018年中国能源结构及煤炭占比
Fig.1 China’s energy structure and coalproportion from 2000 to 2018
图2 2018年中国化石能源结构
Fig.2 China’s fossil energy structure in 2018
我国煤炭资源赋存在地理上具有典型的“西多东少、北裕南瘠”的分布格局，建设大型煤炭基地是长期以来加强能源保障的重要措施。到2011年为止，我国“十二五”规划基本确定了神东、陕北、黄陇、晋北、晋中、晋东、鲁西、两淮、冀中、河南、云贵、蒙东(东北)、宁东、新疆等14个大型煤炭基地[8]。目前的煤炭基地划分主要是根据煤炭资源的富集程度，但是较少考虑到生态、水文等综合因素。以生态水资源为主线，根据地域特性可将我国煤炭生产地区划分为西部富煤缺水区、东部多煤少水区、中部少煤多水区和南部缺煤富水区。西部矿区(主要包括晋、陕、蒙、新、宁等)煤炭资源丰富，煤层厚度大、埋藏浅、可采煤层层数较多、煤质优良、易于开采，是中国重要的煤炭生产地。如图3所示(数据源于国家统计局)，在2000年时，西部矿区煤炭开采强度较弱，煤炭年产量仅占全国的30%左右，随着东部煤炭资源枯竭和煤炭需求量增加，煤炭开采重心开始向西部生态脆弱矿区转移，2008年时西部地区煤炭产量首次超过50%，此后西部矿区煤炭产量占比持续增加，2014年时超过70%，从2000年至今西部矿区已生产原煤约333.4亿t，成为我国名副其实的煤炭战略生产基地。
图3 2000—2018年中国各区域原煤产量及西部产煤占比
Fig.3 Raw coal production and the coal proportion of the western region from 2000 to 2018
西部富煤缺水区约占我国国土总面积的46.1%，该地区大部分处于缺水带、少水带和过渡带，水资源仅占我国的10.2%[9]。西部矿区具有特殊的自然环境、生态环境和采矿地质环境，煤炭开发与各环境要素之间产生明显的相互影响和互馈作用，采矿过程中煤层顶板覆岩结构的破坏改变了含水层的赋存状态，地下水赋存与补给、循环模式发生改变，地下水位下降，植物养分流失，喜水植物退化，湿生植被向旱生植被演变，甚至加剧土壤盐渍化和荒漠化问题，严重影响生态环境质量[10]。以该地区内蒙古神木县为例，1987—2003年，因采煤造成神木县的水资源衰减至少在50%以上，20多处泉眼干枯[11]。有学者对2003年陕北地区煤炭开采造成的生态环境损失进行评估，估算每开采1 t煤会造成36.23元生态经济损失，环境污染占12.46%，生态破坏占87.54%，生态损失总量占陕北地区GDP的9.9%[12]。因此，水资源的战略储备问题成为西部生态脆弱矿区土地、大气、生态等恢复面临的巨大挑战之一。
西部生态脆弱矿区煤炭开采规划、矿井水资源保护与利用、地表生态保护与恢复对我国煤炭工业可持续发展、生态环境保护、水资源利用与储备等具有重大的现实意义和长远的战略意义。考虑到该区域水资源短缺及生态脆弱情况，煤炭开采活动应以保护当地水文环境及生态为前提，不以水资源破坏为代价。面对如何在科学合理开采煤炭资源的前提下又兼顾区域生态环境长期安全的问题，在“保水开采”“绿色开采”“科学开采”“精准开采”等理念的指导下，相关学者在矿区开发设计、开采技术方法、生态环境监测与修复等多方面展开了卓有成效的研究与讨论[13-16]。
西部矿区的规划与设计要与矿区水文地质条件紧密结合，较为常用的方法是通过公式计算、物理模拟、数值模拟结合微震监测、超声成像、钻孔电视法、氡气监测法等方法探究覆岩裂隙带发育规律，进而做出合理的设计[17-19]。伍艳丽等[20]根据导水裂隙带发育高度对地表生态的影响，将地质模式分为环境友好型、环境渐变恢复型、环境渐变恶化型和环境灾变型，对设计保护及利用生态水资源的开采方案提供了重要参考。根据覆岩破断形态和裂隙扩展规律，基本形成了矿区地下水资源处理技术理论框架。保水采煤的核心思想是保护含水层结构和生态水位埋深的稳定性，使含水层水位能够在煤炭开采后自行修复或有所下降但不会对该区域的生态环境造成大的影响，该技术已在西部矿区得到了广泛应用[21-24]。但同时要认识到，煤炭开采过程中水资源发生转移是一个客观现象，煤炭开采会不可避免地破坏含水层的储水结构，产生的大量裂隙导致地下水渗漏和渗流，水资源储存位置及形式发生改变。而在生态脆弱矿区，水资源的重要性远高于煤炭，不论煤层开采期间能否实现导水裂隙带的有效控制，都要将已转移的水资源合理储存并加以利用。据此，顾大钊等[25]提出了利用煤矿采空区建立地下水库储水的技术思路并展开了相关的工程实践研究，即利用煤矿采空区作为储水载体，将煤矿采空区边界煤柱、岩柱用人工坝体连接，利用地理特征形成储水水库，提供了矿区95%以上的工业用水，有效缓解了西部矿区煤炭开采与水资源保护的矛盾。
煤炭开采将导致顶板裂隙不断向上发育，直至贯通含水层，引起水体从裂隙处向下渗流，含水层水体大量流失。导水裂隙带高度预计方法目前普遍采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中根据覆岩坚硬程度推荐的经验公式，煤层、含水层、隔水关键层以及(结构)关键层之间的物理力学特性和空间位置关系是开采方法选择的主要依据[26]。常用的保水开采方法有条带开采、房柱式开采、限高开采和充填开采等[27-30]，通过设计方法预留一定量的煤体或充填材料来承载上覆岩层的应力，使含(隔)水岩层采动裂隙在煤炭开采后能够自行闭合或使其不能发展至地表含(隔)水岩层，如图4所示。加快采煤工作面推进速度等措施可以有助于裂隙闭合，从而利于含(隔)水岩层的恢复[31]。除此之外，部分煤矿采用注浆加固的方法封闭导水通道(即采动裂隙)、增大围岩强度，也具有一定效果[32]。但目前这些开采方法存有一定缺陷，例如：部分开采煤炭资源采出率低，充填开采成本高，充填原料获取较为困难，工作面推进速度慢，条带开采及房柱式开采在上覆岩层中造成的协调变形很难预计和控制等。
图4 断裂带及潜在水资源转移路径示意[33]
Fig.4 Schematic of fracture zone and potential water resource transfer path[33]
西部矿区可采煤层数较多、煤层厚、埋藏浅、地质条件简单，煤层开采后，采动裂隙将迅速发展至地表，上覆含水层水资源大部分将通过采动裂隙渗入采空区，传统的处理方法是将矿井水直接抽送到地面，净化后再利用或直接排放，该方法利用率低且蒸发损失严重，造成水资源的极大浪费。为了改变这种现状，提出了“采空区地下水库”的概念[25]，即将通过采动裂隙流失的水储备在采空区中，从而为西北矿区水文环境及生态的恢复提供保障，国家能源集团大柳塔煤矿、乌兰木伦等煤矿已进行了工业性试验，如图5所示。利用采空区矸石的净化污水能力，使得矿井污水在采空区流动，经过过滤、沉淀、吸附、离子交换、自生矿物生成等复杂的物理和化学过程而得到净化，再通过自然压差或机器设备实现采空区水资源的抽采利用和补给。经过净化的水可以满足矿山生活及生产用水，同时可用来实现西北矿区的环境恢复，推进西部煤炭资源可持续性开采。
图5 煤矿地下水库示意[34]
Fig.5 Schematic diagram of groundwater water reservoir in coal mine[34]
现有的煤-水共采理论的共性问题是含水层赋存形态的改变，无论是通过一定措施控制导水裂隙带发育高度还是使其自由发展。煤炭开采导致部分水资源流失，水位下降，影响地表生态平衡。有学者研究了地下水位与地表植被发育的关系，将适宜地表植物正常生长的水位定义为生态水位[22]，这一定义从生态角度限定了煤炭开采活动所导致的水位下降范围，指出了生态环境评价的一个重要指标，却没有从宏观战略配置的层面明确水资源的利用方案和评价体系。西部矿区煤炭资源储存量巨大，具有长远的开采价值，在技术层面上必须将水环境平衡作为开采方法的设计依据，探索快速推进、少留煤柱等特殊开采方法及利用采空区碎裂岩体储存地下水资源的技术体系。目前矿区开发过程中保护地下水的技术思路存在许多共性问题，如图6所示。含水层或人造含水层的动态水源补给是水资源储备的基础要素，地表水域、大气降水和地下水的转移是重要的水和物质交换来源。在水的转移和储存过程中，煤炭开采引起的岩层结构运移、覆岩裂隙动态变化及不同岩性岩层的物理力学性质对水的连通、渗透和体积产生重要影响，不仅需要理论推算、实验室试验和数值模拟预测，更重要的是通过现场原位测试地应力和裂隙发育规律，以便在自然或人工干预下能够长期维持(人造)含水层的补给和利用。多数情况下，含水层保持或人造含水层建设使用期间，仍然受到附近开采活动的扰动影响，受保护水资源区域的边界防护设施的稳定性和安全性需要格外重视，需要探索不同时期不同结构的应力和变形上限进行有效预警。在被保护区域的基础架构组建完成之后，再根据井下生产、地表生态、农业生产需求及水资源战略储备利用的宏观规划进行可持续性利用。
图6 煤水共采理论的共性问题
Fig.6 Common problems of coal-water co-mining theory
从国家战略布局的角度出发(图7)，煤矿开采的必要性和与生态环境之间的矛盾迫切要求建立国家西部生态脆弱矿区煤炭资源开发与环境保护协调中心，促进宏观调节和各级部门、单位的密切配合，由国家发改国家委能源局、生态环境部制定宏观政策和提供发展导向，地方部门、科研单位和煤炭企业认真落实、积极攻关，形成方向鲜明、制度具体、措施到位、意识超前、技术先进的科学煤炭开发技术体系，以满足煤炭行业健康长足发展的需要，为国家发展提供充足能源储备和友好的生态环境。
图7 煤炭开采与环境保护统筹协调系统
Fig.7 Overall coordination system of coal mining and environmental protection
目前中国煤炭产量的70%以上主要集中在西部生态脆弱矿区，煤炭开采水资源保护与利用是我国建设西部煤炭基地必须面临的巨大挑战，也是实现西部生态脆弱矿区可持续发展的必要途径。在西部生态矿区煤炭开采过程中水资源的保护应优先于煤炭资源的地位，是我国科研工作者及政府部门、煤矿相关生产企业等应予以重点关注的问题。笔者分析总结了目前煤炭开采与地下水资源保护之间的理论关系，从技术层面上探讨了不同状态下煤炭开采与水资源保护利用面临的共性问题，从宏观层面上指出要建立国家西部生态脆弱矿区煤炭资源开发与环境保护协调中心，协调各级相关单位、部门，在政策上牵引，在行动上落实，明确制度管理，加强科技创新投入，推广先进技术手段，切实促进中国西部生态脆弱矿区煤炭开采与生态保护的协调发展。
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