1　绪论

1.1　研究背景及意义

我国是一个煤炭资源大国（资源量约为5.82×1012t），煤炭产量居世界首位，2022年全国累计原煤产量达到44.96×108t，分别占我国一次能源生产总量的65%左右、一次能源消费总量的56%。国家能源中长期发展规划纲要（2004—2020年）中明确提出“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”目标［1］。由于我国经济发展高度依赖煤炭，当前及未来较长时期内煤炭仍将作为我国的主体能源格局不会改变。但是我国煤炭资源的总体分布格局是北多南少、西多东少。我国东部地区煤炭资源濒临枯竭，储采比已不足25年，开发潜力极为有限，且东部矿区大多开采历史较长，煤层埋藏深度较大，开采条件恶化，深部开采技术瓶颈日益凸显，煤炭产量难以维持，煤炭供应能力将迅速下降。晋陕蒙宁甘地区（简称“西部”）分布有晋北、晋东、晋中、黄陇、陕北、神东和宁东7个国家大型煤炭基地，是我国目前主要煤炭生产区和调出区，探明煤炭储量占全国的62.7%，煤炭产量2022年约占全国煤炭产量的75%。由于煤炭作为我国主体能源格局相当长时期内难以改变，因此，煤炭资源开发重心向西部转移是保障我国能源安全的必然要求。但是我国西部富煤地区多处于干旱和半干旱地带，水资源仅占全国的3.9%，生态环境脆弱。在煤炭大规模开发过程中，如何保护水资源和实现矿区地表生态的最小扰动，是我国西部煤炭资源开发面临的重大科学问题［2］。

神东矿区地处我国西北内陆干旱地区，水资源贫乏，是典型的生态脆弱矿区。该地区地下水主要来源于大气降水，大气降水量仅108～819mm，多年平均降水量413.5mm。由于地形地貌的原因，降水大部分形成地表径流而流失，渗入岩土层的不足15%，且区内多年蒸发量高达2111.2mm，导致严重缺水。20世纪90年代后期，神东矿区开始采用超大工作面、一次采全高等现代采煤技术，由于矿区煤层埋藏浅、上覆基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层，这种高强度、整体式的开采覆岩变形破坏往往形成冒裂带和裂隙带的“两带”结构，含水层结构破坏严重，造成基岩含水层和第四系松散含水层水体向采空区渗流，造成矿区地下水资源漏失、井下突水溃砂、地下水位下降和生态环境恶化等一系列矿山环境地质效应，使矿区原本脆弱的生态环境更加难以修复。例如，1993年3月24日，当大柳塔矿1203工作面推进到距切眼20.8m位置时，顶板全厚切落，发生了突水溃砂地质灾害，最大涌水量达408m3/h。据神东矿区那些年矿井涌水量统计数据显示，区内大柳塔、补连塔、石圪台3座矿井平均涌水量都超过13000m3/d，最大涌水量为17712m3/d（石圪台）；大柳塔井田内的母河沟泉域在煤炭开发前的平均流量为5961m3/d，最大平均流量为106273m3/d，但到2002年2月，由于煤炭开采对第四系含水层的破坏和疏排，母河沟泉域流量只有1680m3/d，泉流量衰减72%。煤炭开采地下水资源保护利用已成为西部生态脆弱区煤炭资源科学开发面临的紧迫问题。

现行的水资源保护性开采技术是根据采动覆岩破坏规律，综合采动覆岩结构、开采工艺和效率、采动裂隙带最大高度等因素，通过开采工艺的改进（如充填开采、开采工艺优化、限制开采高度），最大限度保护煤层上方隔水层完整性，避免形成导水裂隙，从而堵截地下水向下渗流，实现地下水资源的保护。但是在神东矿区的工程实践表明，“堵截法”为特征的保水开采技术（充填开采、限高开采、房柱式开采等）虽然在技术层面可行，但会大幅降低煤炭开采效率和煤炭资源采出率，难以大规模实施；在地面建设储水设施，面临征地困难、水资源蒸发浪费和水体污染严重等技术难题，也无法实施。为有效保护和利用水资源，必须建立有效的水资源保护理论与方法。据此，神华集团开展了一系列科技创新项目研究和工程实践，突破以往以“堵截”地下水渗漏为主要技术手段的被动保水开采理念，提出了以“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护利用的新理念［3］。煤矿地下水库是利用煤炭开采形成的采空区垮落岩体空隙，将安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体，同时建设矿井水入库设施和取水设施，对矿井水进行分时分地储存及分质分期利用。这里包含3层意思：①煤矿地下水库位于煤层开采形成的采空空间中，储水空间由采空区垮落岩体间的自由空隙组成；②强调煤矿地下水库具有人为控制坝体安全和调控利用水资源的作用；③强调煤矿地下水库具有分布性，不同开采水平的地下水库可以进行连通。煤矿地下水库涵盖设计、建设和运行三大技术体系，包括水源预测、水库选址、库容设计、坝体构建、安全运行和水质保障六大关键技术。

煤矿地下水库技术为西部煤炭开采地下水保护利用开辟了一条有效的技术途径，同时为保护利用我国每年煤炭开采损失的60亿t矿井水创造了条件。煤矿地下水库技术涉及采矿工程、工程地质、水文地质、水利工程和环境工程等多门学科，是复杂的系统工程，面临许多基础理论问题，包括规模化高强度开采上覆岩层变形破坏规律、工作面围岩渗透性演化、煤炭开采的覆岩应力场、裂隙场和渗流场三场关系以及采空区冒裂带岩体孔隙—渗透性评价等。因此，本书针对西部矿区煤炭开采地下水保护问题，结合神东矿区大柳塔煤矿特定的地质条件和现代化开采技术，研究煤炭高强度开采上覆岩层破断与采动裂隙演化规律及其控制因素，分析煤炭开采过程中工作面围岩渗透性分布规律，提出煤炭开采上覆岩层渗透性评价理论与方法，为我国西部煤炭开采地下水资源保护提供理论依据，同时对突水溃砂地质灾害防治也具有重要理论与实际意义。