榆神府礦區(qū)采煤對(duì)生態(tài)的擾動(dòng)與減損技術(shù)研究

榆神府礦區(qū)采煤對(duì)生態(tài)的擾動(dòng)與減損技術(shù)研究

中國(guó)能源和能源生產(chǎn)的特點(diǎn)是“缺油、少氣、相對(duì)富碳”，這決定了中國(guó)今后不會(huì)動(dòng)搖煤炭作為主要能源的地位。2020-02-25,國(guó)家發(fā)改委等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》,明確指出：煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，對(duì)于提升煤礦安全生產(chǎn)水平、保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。同時(shí)也明確了“實(shí)施綠色礦山建設(shè)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，推進(jìn)煤炭清潔生產(chǎn)和利用，積極推進(jìn)綠色礦山建設(shè)”是煤礦智能化發(fā)展的重要任務(wù)之一。當(dāng)前，基于數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控在多個(gè)行業(yè)悄然興起，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的識(shí)別與預(yù)警方面也做了嘗試研究與應(yīng)用層序地層格架榆神府礦區(qū)處于毛烏素沙漠和黃土高原的接壤地帶，屬于干旱半干旱氣候地帶。含煤地層為侏羅系延安組，自下而上有5個(gè)沉積旋回，對(duì)應(yīng)發(fā)育5個(gè)煤組，構(gòu)造單元屬于鄂爾多斯盆地北部伊陜單斜，地層整體傾向?yàn)楸蔽魑?，傾角小于3°,局部有寬緩波狀起伏，煤層埋深由東到西逐漸增大。富煤、貧水、構(gòu)造簡(jiǎn)單、生態(tài)脆弱是本區(qū)的基本特征。采動(dòng)裂隙發(fā)育的介質(zhì)所研究的煤，是指煤層賦存特征為：研究區(qū)主要可采煤層有5層，煤層厚度大、埋深淺，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。巖，代表煤層上覆巖層巖性組合特征、巖石力學(xué)特征及采煤擾動(dòng)下巖石應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，是采動(dòng)裂隙發(fā)育的介質(zhì)：侏羅系含煤地層延安組以長(zhǎng)石石英砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖及鈣質(zhì)砂巖為主，全區(qū)分布；上覆直羅組以長(zhǎng)石石英砂巖為主，上部偶夾泥巖，主要分布在礦區(qū)西部；安定組上部以泥巖粉砂巖為主，下部以膠結(jié)疏松的長(zhǎng)石石英砂巖及巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，主要分布在礦區(qū)西部。水，指具有供水意義和生態(tài)價(jià)值的第四系薩拉烏蘇組潛水：據(jù)王雙明等水下和生態(tài)環(huán)境煤炭開采勢(shì)必打破覆巖原有應(yīng)力平衡，覆巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，同時(shí)伴隨著應(yīng)變場(chǎng)的變化，從而引起含(隔)水巖組的結(jié)構(gòu)變化，由此可能引發(fā)地下水和生態(tài)環(huán)境的連鎖變化。采煤對(duì)生態(tài)破壞的機(jī)理概括為以下幾種方式：①采煤引起垮落帶發(fā)育，地下水滲漏，地下水位下降到低于生態(tài)水位；②地表下沉量大于水位下沉量，潛水位相對(duì)上升而造成土地鹽漬化；③地表裂縫、塌陷等破壞了土壤結(jié)構(gòu)和植物根系，破壞了包氣帶水和土壤對(duì)地下水的毛細(xì)作用而影響植物吸收水分；④地裂縫、塌陷以及誘發(fā)的滑坡等損傷或切斷植物根系。都破壞了植被賴以生存的基本條件。采煤對(duì)基巖、薩拉烏蘇組的生態(tài)擾動(dòng)方式彭蘇萍和畢銀麗區(qū)內(nèi)自下而上形成煤-巖-水-環(huán)的空間賦存特征，但實(shí)際組合未完全按照此順序。煤-巖-水在空間上的不同耦合作用控制著采煤對(duì)地表生態(tài)擾動(dòng)方式不同。依據(jù)區(qū)內(nèi)520余個(gè)鉆孔的地層數(shù)據(jù)，以最上層主要可采煤層為例，根據(jù)煤層深厚比、基巖與煤層厚度比、土層隔水層、薩拉烏蘇組分布及地貌類型的空間組合特征，分析采煤對(duì)基巖、薩拉烏蘇組潛水、地表變形的破壞程度，按照基巖厚度特征、能否保水、土地破壞組合類型，把煤-巖-水耦合作用對(duì)生態(tài)擾動(dòng)方式劃分為：Ⅰ厚基巖保水鹽漬型、Ⅱ中厚基巖控水沉降型、Ⅲ薄基巖失水塌陷型、Ⅳ薄基巖無水裂塌型、Ⅴ燒變巖失水裂塌型、Ⅵ燒變巖無水裂塌型6種類型，空間上的耦合如圖1所示。圖1所示的剖面位置分別對(duì)應(yīng)于圖2中的剖面線1—1′和2—2′。分類指標(biāo)及采煤對(duì)生態(tài)擾動(dòng)方式見表1。Ⅰ型的特點(diǎn)是延安組(含煤層)、直羅組、安定組、保德組、薩拉烏蘇組均有發(fā)育，煤層埋深絕大部分大于300m,煤層上覆基巖厚度絕大部分大于250m,風(fēng)沙地貌，基巖與煤層厚度比值大于45,深厚比大于55,與本區(qū)裂采比18～35相比此外，畢銀麗等生態(tài)現(xiàn)狀和問題植被影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀受氣候和地貌的控制，研究區(qū)植被生態(tài)以旱生植被為主采煤引起的一系列地質(zhì)環(huán)境問題直接影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，主要方式有潛水位下降、地裂縫、地表塌陷、沉降、土地利用結(jié)構(gòu)變異等生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工作重要性可以預(yù)見，未來高強(qiáng)度采煤對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)將會(huì)增強(qiáng)，而且多煤層開采使地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境會(huì)受到重復(fù)擾動(dòng)，故礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工作依然任重道遠(yuǎn)。針對(duì)這一問題，王雙明礦區(qū)內(nèi)日益增加的高強(qiáng)度開采與礦區(qū)生態(tài)本底脆弱形成強(qiáng)烈的對(duì)比，如何根據(jù)采煤對(duì)生態(tài)的擾動(dòng)機(jī)理和減損開采目標(biāo)，有效應(yīng)用智能技術(shù)求得新形勢(shì)下煤炭資源開采與礦區(qū)生態(tài)保護(hù)的最優(yōu)解是我們?cè)撍伎寂c實(shí)踐的事情，也是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問題。智能綜合建設(shè)采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境智慧保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路煤炭開采與生態(tài)保護(hù)的最優(yōu)解，是指以生態(tài)擾動(dòng)最小化實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采效益最大化，保障能源供給與生態(tài)保護(hù)“共贏”。大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，但在煤炭開采與生態(tài)保護(hù)智能一體化建設(shè)中的應(yīng)用鮮見報(bào)道，筆者提出將大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于采煤與生態(tài)保護(hù)的關(guān)系研究中，研發(fā)采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境智能一體化系統(tǒng)，探索“共贏”之道。目標(biāo)為：以薩拉烏蘇組生態(tài)潛水含水層和地表生態(tài)環(huán)境為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，以采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境為主線，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，揭示和建立采煤強(qiáng)度、覆巖破壞、地下水流失、生態(tài)環(huán)境受損之間的內(nèi)在聯(lián)系及其量化關(guān)系，確定采煤對(duì)生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境損害程度的分級(jí)、判據(jù)及其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；研發(fā)云計(jì)算環(huán)境下的采煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境信息一體化的大數(shù)據(jù)分析智慧保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于地質(zhì)勘查、精細(xì)探測(cè)、開采揭露和智能監(jiān)測(cè)的海量多元異構(gòu)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，深度融合地質(zhì)、水文、生態(tài)信息，搭載時(shí)序大數(shù)據(jù)分析+人工智能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤-巖-水-環(huán)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息的高清透視的地質(zhì)保障平臺(tái)。從大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘得出的主控因素和誘發(fā)因素入手，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、滲流場(chǎng)耦合作用對(duì)地下水和地表生態(tài)的影響作用，分析在可承載擾動(dòng)范圍內(nèi)的防治對(duì)策，預(yù)測(cè)預(yù)警生態(tài)擾動(dòng)并給出解決方案，為采煤過程中對(duì)生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境實(shí)施有效保護(hù)提供地質(zhì)保障，系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖6所示。當(dāng)前，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析在煤炭地質(zhì)領(lǐng)域研究與應(yīng)用初見成效，例如自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成了煤炭地質(zhì)云智能綜合建設(shè)的概念煤-巖-水-環(huán)本身是一個(gè)復(fù)雜的具有內(nèi)在聯(lián)系的統(tǒng)一的系統(tǒng)?？仗斓丶夹g(shù)和智能傳感器在礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)和煤炭開采中的應(yīng)用，地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建成(1)地質(zhì)采礦指標(biāo)根據(jù)前文所論述的煤炭開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的損傷類型不同，建立不同的評(píng)判指標(biāo)體系和評(píng)判模型。評(píng)判指標(biāo)選取主要考慮能夠引起的生態(tài)潛水位大幅波動(dòng)和地表移動(dòng)破壞影響生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)采礦因素，如含水層、隔水層、覆巖特征和開采強(qiáng)度，每個(gè)指標(biāo)又包含有2級(jí)指標(biāo)，如圖7所示。需要注意的是覆巖特征的2級(jí)指標(biāo)里，彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、泊松比、內(nèi)摩擦角互相之間還有關(guān)聯(lián)關(guān)系，且評(píng)價(jià)指標(biāo)具有分層交錯(cuò)特點(diǎn)，并將評(píng)價(jià)模型與透明地質(zhì)模型和智能一體化系統(tǒng)融合，可拓學(xué)和層次分析法對(duì)這類問題具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)(2)透明地質(zhì)設(shè)計(jì)要素根據(jù)前文所述的采煤對(duì)生態(tài)損傷不同機(jī)理及分區(qū)，以煤礦或井田為單位構(gòu)建立體動(dòng)態(tài)透明化地質(zhì)模型，將應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、滲流場(chǎng)耦合關(guān)系及生態(tài)環(huán)境對(duì)此的響應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系式植入地質(zhì)模型中，模型中分為靜態(tài)要素和動(dòng)態(tài)要素，靜態(tài)要素包括：煤層的空間賦存形態(tài)、覆巖厚度及力學(xué)性質(zhì)、含水層厚度、隔水層厚度等；動(dòng)態(tài)要素包括：工作面推進(jìn)過程、“三帶”發(fā)育過程、上覆基巖應(yīng)力變化過程、上覆巖層移動(dòng)變形過程、地下水運(yùn)移過程、生態(tài)演化等。在動(dòng)態(tài)透明地質(zhì)模型中，構(gòu)建“水文地質(zhì)模型”專題圖層，將各含(隔)水層的厚度、巖性、地層時(shí)代、滲透系數(shù)、富水區(qū)位置、靜水水位、抽水井位置、抽水層位、降深、影響半徑、涌水量，單位涌水量等參數(shù)透明展示并賦予全息屬性，全方位動(dòng)態(tài)展示地下水運(yùn)移過程。隨著工作面的推進(jìn)，動(dòng)態(tài)多源數(shù)據(jù)的不斷增加與更新，使得空間對(duì)象由灰色狀態(tài)不斷向白色狀態(tài)轉(zhuǎn)移，同時(shí)驅(qū)動(dòng)透明地質(zhì)模型的更新、修正或重構(gòu)，因此，在建模方法上可引入灰色地理信息理論(3)白化著靜態(tài)要素靜態(tài)要素多為地質(zhì)勘查靜態(tài)數(shù)據(jù)所控制，本身為灰色系統(tǒng)；而動(dòng)態(tài)要素多為采煤引發(fā)的“連鎖反應(yīng)”而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)所控制，且隨著數(shù)據(jù)量的增加在一定程度上自身趨向于白色并改造和白化著靜態(tài)要素。這一過程可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)找到它們之間的內(nèi)在聯(lián)系并展現(xiàn)出來，由此，構(gòu)筑包含動(dòng)態(tài)透明地質(zhì)模型的“煤—巖—水—環(huán)”信息一體化的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智慧平臺(tái)，智能辨識(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的異動(dòng)行為，判斷采煤對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、滲流場(chǎng)的擾動(dòng)強(qiáng)度，預(yù)測(cè)礦區(qū)生態(tài)的響應(yīng)程度，并植入因果分析算法，根據(jù)因果分析結(jié)果給出在可承載擾動(dòng)范圍內(nèi)防治方案。煤-水-環(huán)水質(zhì)損害智能監(jiān)控的研究建議(1)在采煤擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、滲流場(chǎng)的耦合機(jī)理的基礎(chǔ)上，深入研究地下水流場(chǎng)和地表生態(tài)環(huán)境對(duì)“三場(chǎng)”耦合作用的響應(yīng)機(jī)理，確定采煤對(duì)生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境損害程度的分級(jí)、判據(jù)及其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及其算法。(2)構(gòu)建煤礦采區(qū)動(dòng)態(tài)立體化透明地質(zhì)模型是實(shí)現(xiàn)開采損害智能監(jiān)控的必由之路。能夠綜合反映采煤強(qiáng)度、覆巖破壞、地下水流失、生態(tài)環(huán)境受損之間內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤-水-環(huán)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息高清透視的多屬性動(dòng)態(tài)立體化透明地質(zhì)模型的算法及大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)更新技術(shù)，尚處于探索階段，有待進(jìn)一步深入研究。(3)智慧礦區(qū)和智能礦井的建設(shè)離不開大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)支撐，采煤對(duì)生態(tài)潛水和生態(tài)環(huán)境損害的智能監(jiān)控需要融入人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。如何構(gòu)筑基于大數(shù)據(jù)云計(jì)算的煤-覆巖-地下水-生態(tài)環(huán)境信息一體化的，能實(shí)現(xiàn)對(duì)開采損害進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警，并給出防控技術(shù)建議的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智慧平臺(tái)，仍是需要攻克的多項(xiàng)技術(shù)難題。采煤對(duì)生態(tài)發(fā)育的影響(1)根據(jù)煤-巖-水-環(huán)空間組合特征和耦合機(jī)理的不同，將榆神府礦區(qū)采煤對(duì)生態(tài)損害劃分為厚基巖保水鹽漬型、中厚基巖控水沉降型、薄基巖失水塌陷型、薄基巖無水裂塌型、燒變巖失水裂塌型、燒變巖無水裂塌型6個(gè)區(qū)；采煤對(duì)生態(tài)發(fā)育的影響方式為土地鹽漬化、潛水位下降、裂縫和塌陷破壞土壤結(jié)構(gòu)及包氣帶水、地表移動(dòng)變形及誘發(fā)的滑坡?lián)p傷或切斷。(2)逐漸增大的開采強(qiáng)度和生態(tài)保護(hù)的戰(zhàn)略