第1章 绪论
1.1 概述
中国是煤炭资源生产和消费大国，2019 年我国原煤产量达38.5亿t，消费量达28.04 亿t，其中约85%的煤炭资源来自地下井工开采。煤炭资源开发是一把“双刃剑”，一方面推进了国民经济的持续稳定增长，另一方面严重影响矿区地质环境（叶贵钧和张莱，2000；Bai and Elsworth，1990；Karmis et al.，1990）。当矿区煤炭资源枯竭时，生态环境问题逐步凸显，特别是矿区含水层破坏问题尤为突出。井工煤矿开采形成的采空区，由于应力重分布造成岩层离层、变形、破断甚至塌陷；采空区上覆、下伏岩层严重破坏，含（隔）水层结构发生改变。煤矿开采过程要疏排地下水，地下水流场受采动干扰，含水层水循环条件和水量水质发生变化，进而引发各种地质生态环境问题及社会问题。在煤炭资源储量丰富的山西、内蒙古、陕西、河南、河北、山东等省（自治区）含水层破坏问题尤为突出，如河北峰峰矿区的黑龙洞泉、山西西山古交矿区的晋祠泉、山东淄博矿区的部分岩溶大泉相继出现泉水断流和干涸等现象（李七明等，2012）；陕西大柳塔煤矿区的母河沟、哈拉沟泉水干涸断流，采空塌陷和矿井疏排水导致煤层上覆含水层水资源漏失，1986～2005 年，地表水水域面积由7.96 km2 减至3.99 km2 ，73.33% 的泉水干涸或泉流量减少；山东淄博淄川区洪山煤矿、寨里煤矿从1995 年关闭后，地下水位回弹引起深部奥灰水串层污染；辽宁抚顺煤矸石占压土地数十平方千米，80%以上的地下水监测井水硬度超过背景值的5.4倍。
由于煤炭矿山可开采资源枯竭和生态环境保护政策的相继出台，闭坑煤矿的数量不断增加（王来贵等，2007）。徐州、淮南、淄博、阜新、峰峰、焦作等传统煤矿生产基地的可开采资源趋于枯竭（李怀展等，2015），井工开采深度接近极限，灾害频发，很多煤矿面临关闭或者已经关闭。此外，中国煤炭工业协会的统计资料显示，自1998 年国家出台“关闭非法和布局不合理煤矿”政策以来，全国煤矿数量由1978 年的8 万多处减少到2018 年的5900 处左右（李庭，2014），在生态环境保护政策的引导下，煤炭矿山结构整合力度不断加大。大量的废弃矿井给地质环境带来严重威胁，也深刻地影响矿区人民的生活质量和身体健康（谭绩文，2008；武强等，2005）。煤矿山关闭后，地下水位回弹进入矿坑，经常产生酸性矿坑水（陈立，2015），并通过导水裂隙、封闭不良钻孔、断层或陷落柱等途径串层污染地下水。同时，废弃矿井塌陷积水、固体废物淋溶污染等也会导致含水层水质不断恶化。
国内外学者在防治矿坑突涌水、水资源破坏和污染、矿区生态环境演化等方面做了大量探索。对闭坑煤矿的研究则主要集中在矿坑地下水污染、水资源评价、水质评价等方面（施小平，2015 ；张秋霞等，2015 ；许家林等，2009），缺乏对煤矿区含水层破坏机制、模式及其风险的系统研究。从矿山环境领域的风险研究现状看，矿山地质灾害风险评价和重金属污染等环境风险评价还无法支撑闭坑煤矿含水层破坏带来的风险研究。2016 年7 月，《关于加强矿山地质环境恢复和综合治理的指导意见》发布以来，我国矿山地质环境的全面治理将翻开新的一页（刘亦晴和许春冬，2017），因此，闭坑煤矿含水层破坏模式的梳理及其风险评价的深入研究对于矿山地质环境防治工作更加迫切和重要。
1.2 基本术语
1.2.1 含水层破坏
含水层破坏（aquifer destruction）是指矿山从开采到闭矿的全过程中（开采前探矿，建矿过程中的井巷建设、钻探，开采阶段的选矿、开采、疏排水，以及矿山闭矿后的井管填充、停排地下水等采矿活动）对地下水结构的改造作用，主要包括对含水层岩体结构（含水系统）的硬结构破坏和地下水流场变化、地下水污染的软结构破坏。
1.2.2 “上三带”
煤矿开采形成采空区，其上覆岩层在重力作用下会呈现三个明显的破坏分带，即“上三带”（The“upper three belts”），包括冒落带、断裂带、整体沉降弯曲带，如图1.1 所示。
图1.1 顶板“上三带”示意图
冒落带：是指煤层采出后导致覆岩失稳，当岩层的拉应力超过其抗拉强度极限时，以层状、巨块状或者不规则岩块垮落，其高度由顶板岩石的碎胀系数、煤层倾角及采厚等要素决定。
断裂带：位于冒落带上方一定范围，顶板的垮落使岩层内部产生裂隙、离层和断裂。断裂带高度一般是冒落带高度的2～3 倍。
整体沉降弯曲带：处于断裂带上方直至地表产生弯曲的部位，该带岩体缓慢沉降弯曲，一般不产生裂隙，即使有也是封闭的、不连通的。
1.2.3 “下三带”
在煤层开采过程中，与承压水体煤层底板突水相关的分带，由上到下划分为导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带，称为“下三带”（The“down three zone”）（徐友宁，2006；刘宗才和于红，1991），如图1.2 所示。
图1.2 底板“下三带”示意图
导水破坏带：紧邻着采空区，该带岩层连续性遭到破坏，岩层内部出现竖向裂隙和层面裂隙。
有效隔水层保护带又称保护层带：位于导水破坏带下部，其岩层较完整，隔水性能也几乎没有发生变化。
承压水导升带：该带位于最下部，承压水可以沿着岩层内的裂隙导升而充满整个裂隙带。该层包括原始导高带及由于采动形成的导高带。其厚度主要取决于承压水压力、岩性等条件。
1.2.4 矿山生命周期
矿产资源开发是一个改造地质环境系统的过程，包括探矿、建设、开采、资源枯竭后关闭和关闭后恢复的生命过程，经常通过矿山生命周期（mine life cycle ）来形容和管理矿山过程。这一过程中，地质环境也存在演化周期，即探矿前的稳定系统在矿业开采活动中被动态改造，在矿山关闭后的数年或者数十年形成新的稳定系统。在矿山关闭工程中，如何确保新的稳定系统能够满足全社会的价值取向，是矿山生命周期管理最关注的问题。为了满足社会的需求，在矿山生命周期的各个阶段需要以矿山地质环境风险为依据，从政策、法律、技术和管理的多方面规划矿产资源开发和地质环境保护（图1.3）。
图1.3 矿山生命周期据Fourie 和Brent（2006）修改
1.2.5 风险
风险（risk）是一定时期内，各类承灾体可能受到灾害作用直接和间接的经济损失、人员伤亡和环境破坏等，即生命、健康、财产或环境所遭受的不利影响的可能性和严重程度。对于地质灾害人员死亡风险一般以处于最大风险的人员死亡数量的年概率来表示；对于地质灾害财产损失风险一般以处于最大风险的财产损失价值的年概率来表示。由于含水层破坏的表达形式不同于灾害，其风险更多表现为对社会经济和生态环境负面影响的期望值或程度。
1.2.6 风险分析
风险分析（risk analysis ）包括资料获取、分析方法选择、评价目的确定、风险识别和风险评估的过程。
1.2.7 风险识别
风险识别（risk identification ）是风险管理的第一步，也是风险管理的基础。风险识别是指在风险事故发生之前，运用各种方法系统、连续地认识所面临的各种风险及分析风险事故发生的潜在原因。
1.2.8 风险管理
风险管理（risk management ）是将管理政策、程序和经验，系统地运用于风险评估、风险监测预警和风险控制的过程。
1.2.9 危险性
危险性（hazard）指特定区域内某种潜在的地质灾害（或地质环境问题）现象在一定时期内发生的概率，本书特指含水层破坏。
1.2.10 易损性
易损性（vulnerability）是指受某一强度地质灾害（或地质环境问题）作用，各类承载体可能造成的损失或破坏程度，通常指人员、社会经济实体和生态破坏机会的多少与发生损毁的难易程度。社会经济易损性由受灾体自身条件和社会经济条件所决定，前者主要包括受灾体类型、数量和分布情况等；后者包括人口分布、城镇布局、厂矿企业分布、交通通信设施等。易损性评价的主要对象是受灾体，其目的是分析现有经济技术条件下人类社会对地质灾害的抗御能力，确定不同社会经济要素的易损性参数。
1.3 国内外研究现状与发展趋势
1.3.1 矿山含水层破坏研究概述
从20 世纪80 年代开始，煤矿区含水层破坏问题逐渐引起了国内外学者的重视（林琳等，2014；Booth，1986；Lines，1985；Stoner，1983），其研究包括含水层岩体结构破坏、流场变化及矿区地下水污染等方面。
煤炭矿山含水层岩体结构破坏的研究主要涉及覆岩破坏理论及底板突涌水机理研究等。1958 年，BHИМИ首次提出“三带理论”，采空区上方岩层移动形成冒落带、裂缝带、整体沉降弯曲带，并提出了典型曲线法，这一方法是苏联通用的地表移动变形与预测方法（Karaman et al.，2001）。在我国，经过几十年煤矿开采实践，总结出计算顶板导水裂隙带及冒落带高度的经验公式，于1985 年制定了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，该规程针对不同类型覆岩结构、水体及采煤方法等条件，须留设的安全煤（岩）柱类型、厚度等做了相应的技术规定，并给出了指导水体下安全采煤的单一煤层长壁开采及特厚煤层普通分层开采的覆岩冒落带、导水裂缝带的计算方法与公式，其计算公式见第3 章（李永明，2012；康永华，2009）。导水裂隙带发育高度是含水层破坏评估的主要因子。实践证明，导水裂隙带发育高度的经验公式在特殊地质环境下存在误差，实际导水裂隙带发育高度一般比经验公式的计算结果大。导水裂隙带发育高度与覆岩主关键层位置有关，当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10 倍采高时，该规程中的导水裂隙带发育高度计算公式适用性较差；除煤层开采厚度外，导水裂隙带发育高度计算需要综合考虑工作面跨度、采深、岩层特征、含水层水压等影响因素（焦阳等，2012；施龙青等，2012；杨贵，2004）。在此基础上，许家林和钱鸣高（2000）提出“横三区”和“竖三带”等拓展概念；高延法（1996）在位移反分析和有限元数值计算的基础上，提出了破裂带、离层带、弯曲带和松散冲积层带的“新四带”划分方案；张聚国和栗献中（2010）对昌汉沟煤矿浅埋深煤层开采覆岩破坏带的研究表明，覆岩仅形成垮落带和裂隙带。按照几何分形理论，覆岩裂隙几何分形维数随着煤层开采长度的增加呈现先变大再变小后趋于稳定的过程（张志祥等，2014）。
关于煤层底板突水的理论，多尔恰尼诺夫（1984）在《构造应力与井巷工程稳定性》一书中提出采场煤壁前方的超前支承压力会使底板隔水层发生脆性破坏，之后逐渐发展成岩体裂隙带，进而形成底板突水的可能通道。刘宗才和于红（1991）在对峰峰、邯郸、开滦等煤矿十余年研究的基础上，围绕煤层采动底板破坏状态，初步提出了直接破坏带、完整岩层带（保护层带）、导升带组成的“下三带”理论，并用该理论预测了带压开采时的安全性。张敬凯等（2009）将“下三带”理论，用于山西曹村井田煤层底板突水危险性评价。施龙青和韩进（2005）指出受矿山压力破坏的底板岩层会形成由上到下的矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带和原始导高带，继而提出了“下四带”理论。断层和岩溶陷落柱是诱发煤层底板突水的另一个重要原因（Wang and Wang，2012；Han et al.， 2009；Shi and Singh，2001 ），其中断层诱发突水主要与断层的产状、位置等有关，需要根据断层性质留设断层防水煤柱（施龙青等，2005）。岩溶陷落柱的存在，可以使底板承压水直接导升至煤层，引发底板承压水突水事故。
煤矿开采疏排地下水，导致地下水流场变化，地下水位下降形成降落漏斗（王军涛，2012；刘喜坤等，2011）。解析法、模拟实验法和
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