煤炭开采对地下水体的扰动不可避免。采动岩层的移动和破坏,会导致地层含水层的底界面标高及其赋水径流方向发生改变;当采动导水裂隙发育沟通含水层时,将直接导致地下水的流失甚至引发突水灾害[1-3]。受此影响,矿区水系环境与生态系统变迁显著,地表沉陷区积水、河流干涸、地下水出现水位降落漏斗甚至枯竭等现象时有发生[1];这不仅恶化地表植被生境状态、影响区域水系循环,还严重制约矿区工农业生产、生活用水。因此,开展煤炭开采水资源保护与扰动地下水体的生态修复必要而紧迫。
我国是采煤大国,如何开展采动地下水的科学控制一直是困扰煤炭行业的一大难题。早期,为了确保矿井安全生产,对待矿井水现场多采取“防或治”的态度,“疏”、“排”成为这一阶段的主要措施;而后,随着国家对生态环境保护的日益重视以及“煤炭绿色开采”、“保水采煤”等理念的相继提出,许多煤炭企业意识到采煤过程中必须要加强地下水的保护,由此逐步发展形成了通过调整采煤工艺或方法[4-9]来控制导水裂隙发育的含水层原位保护技术体系,为防止含水层受采动破坏、避免地下水流失提供了重要保障。然而,相关研究发现[10-11],这种限采降损的方式虽能阻止导水裂隙沟通含水层,但仍不可避免造成区域水系生态赋存状态的改变;采区外围水源常因塌陷盆地影响而“聚集”至开采区域,导致地下水流场分布和区域生态环境系统的改变。同时,现场实践也发现,在一些富水或富煤矿区,限采保水方式常常难以适用;富水矿区地层含水层数量多,相对煤层距离近以及富煤矿区高产高效的采煤需求等因素都难使地下水以避免受采动破坏。可见,单纯限采难以从根本实现对采动地下水的生态保护,由此促使研究人员思考,能否按照“采后再恢复”的思路对采动破坏含水层实施修复,以力求恢复或尽可能逼近其原始生态赋存状态,采动含水层生态功能修复学术思想由此产生[2-3]。
围绕上述思路,展开相关研究。考虑到地下水系生态环境的改变是由采动覆岩的移动与破坏所引起,许多学者开展了利用覆岩移动变形特征重构生态系统[11-13]、科学封堵采动岩体导水通道修复地下水系生态[14-18]以及利用采动岩体自修复特性引导生态再恢复[19-21]等方面的创新研究,极大促进了保水采煤理论与技术体系的发展。但从整体研究进展看,目前尚处于初期探索与试验阶段,仍存在一些亟待研究的理论与技术问题。通过梳理和总结已有相关研究成果,对我国采动含水层生态功能修复理论与技术研究进展以及有待进一步研究的问题进行了综述和展望,以期为煤炭开采地下水保护与生态修复提供参考。
由于地质赋存与开采参数等因素的影响,不同开采条件下的岩层移动与破坏特征都有所不同,从而影响含水层受采煤扰动的程度。总体而言,根据煤层顶底板含水层受采动裂隙带或破坏带的影响程度,可将含水层受采煤的扰动划分为2种类型,如图1所示。
1)类型1:顶板导水裂隙带或底板破坏带未沟通含水层,含水层赋存水体仅因岩层移动和变形影响而发生一定程度的迁移与富集,造成地下水流场和区域水位分布的改变,如图1a所示。对于煤层顶板含水层,由于采动地层下沉盆地的影响,采煤区域之外的地下水会向采煤中心不断汇聚,造成周边地下水位的下降和采区地下水位的上升;这种扰动在对顶板第四系松散含水层潜水的影响中体现最为明显,尤其是在高潜水位条件下,地下水在采煤沉陷区常易出露地表,形成积水。相关研究指出[11],这种因采煤扰动引起的潜水出露将造成区域水系环境和生态系统结构的改变,使陆生生态系统转变为水陆复合生态系统;由于这种改变难以逆转,一些学者[11-13]开展了将塌陷区积水改造为湿地景观或平原水库(调蓄湖)的生态治理研究,并取得一定成果。徐州矿区潘安湖国家湿地公园、开滦矿区唐山南湖公园都是典型代表(均为4A级景区)。而对于煤层底板含水层,其一般为承压型含水层,由于尚未受采动破坏,水体一直被“封存”其中,因而采煤前后底板水位及其赋水状态基本保持不变。
图1 采煤对含水层的2类典型扰动特征示意
Fig.1 Two typical disturbance characteristics of mining activities to underground aquifer
2)类型2:顶板导水裂隙带或底板破坏带沟通含水层,含水层赋存水体会经导水通道不断疏排至采空区,造成地下水径流改变和水位降落漏斗发生,同时出现井下涌(突)水。当岩体裂隙等导水通道较为发育或含水层富水性较强时,极易引发突水灾害。这种类型对于煤层顶板或底板含水层的扰动特征是类似的,由于导水通道的疏排作用,地下水资源流失显著;这不但威胁安全生产,还会对区域生态环境造成破坏。因此,对导水通道实施科学封堵,以阻隔地下水的流失路径,是实现此类扰动下含水层生态功能修复的有效途径。
由于第1种类型对地下水影响的程度相对较小,因而目前有关采动含水层生态功能修复的研究主要集中于第2种类型。从第2种类型对应地下水的流失路径看,其实际是水体通过含水层孔隙/裂隙通道由采区外围向采动影响区补给,再由采动岩体的破坏裂隙不断向采空区排泄的径流过程(图1b)。所以,切断外围水体向采动裂隙或破坏区流动的补给通道,或将水体流失的裂隙通道直接封堵,是解决采动破坏含水层生态功能修复问题的有效途径。
注浆封堵是目前岩土、水利等工程领域应用较为成熟的控水手段之一[16-17];基于此方法,许多学者开展了人工注浆封堵采动岩体导水通道的含水层改造或修复研究。考虑到顶、底板采动含水层在地质赋存、导水通道发育、及其对浆体的圈闭特性等因素上的差异,特针对这2类含水层扰动特征进行了相关研究现状分析。
以我国华北型煤田为典型代表的矿区,常受到煤层底板奥陶系等高水压、强富水石灰岩含水层的水害威胁;为了实现此类承压含水层上的安全采煤,国内外许多学者通过多年的研究与实践[22-24],逐步形成了以注浆封堵含水层原生储水空隙和底板采动裂隙为思路的含水层加固与改造技术(图2)。即通过井下或地面钻孔向底板直至含水层的采动岩体中注入水泥、黏土、砂石等封堵材料,利用浆体的胶凝作用封堵岩体采动裂隙及储水空隙,这既能起到加固岩体、提高强度的作用,又可“置换”含水层储水而降低其富水性。由于此类灰岩含水层多属于储水空隙十分发育的岩溶型含水层(溶洞、陷落柱等时有存在),采用传统的黏土、砂石等低成本惰性材料即可实现导水通道的有效封堵,因而大幅促进了相关技术在多个底板大水矿区的推广应用(如肥城、峰峰、焦作等矿区),有效降低了底板承压水上采煤的水害威胁,实现了底板水资源的保护。然而由于注浆“置换”的作用,采动影响区含水层的赋水状态已发生改变,某些注浆区域岩体甚至已由“含水”转变为“隔水”,一定程度上改造了区域底板含水层。
图2 顶、底板采动含水层导水通道注浆封堵的修复示意
Fig.2 Schematic of blocking channels for water replenishment and outflow through grout injection in roof and floor
参照底板堵水治理的成熟经验,顶板采动含水层也开展了注浆封堵导水通道的修复试验。其实施对策主要有2类(图2)①采取注浆帷幕的方式在来水方向设置挡水墙,以切断外围水源向采动影响区的补给通道[25];②对顶板含水层受采动影响的导水裂隙发育区域实施注浆,以阻隔水体向采空区流失的通道[14-15]。第1类对策,其实施的关键在于寻找与原生储水空隙尺寸相匹配的封堵材料。然而,试验发现,顶板含水层多属于孔隙/裂隙型含水层,相比底板岩溶型含水层其原生储水空隙发育尺寸明显偏小;采用传统的水泥(甚至是超细水泥)、黏土、水玻璃等材料难以注入,只能选择微粒径的聚氨酯类、脲醛类等高分子有机化学材料;但这类材料的大量注入又会导致成本过高与毒性污染等问题。第2类对策,准确识别顶板采动裂隙导水通道的发育位置,并注入与其圈闭条件相适应的封堵材料,是其成功实施的关键。已有研究发现[14,26],顶板采动裂隙发育区存在水体流失的“主通道”,重点应对该“导水主通道”实施封堵。然而,由于这些导水主通道多为开采边界附近的张拉裂隙,裂隙开度及其过流断面普遍较大,导致注入的水泥、水玻璃、黏土等常规封堵材料常易受动水冲蚀影响而难以凝结,浆体溃至采空区的“跑浆”现象时有发生。而采用砂子、石子等粗粒材料进行注浆时,又常易发生材料在钻孔内提前堵塞的“堵孔”现象[15]。由此可见,相比底板采动岩溶型含水层的注浆加固与改造,顶板采动孔隙/裂隙型含水层的注浆修复难度较大,浆体“注不进”、“堵不住”、或“成本高”是目前面临的常见问题。并且,现场实践时多数矿井被迫采取人为疏排方式以确保安全回采,而无法兼顾地下水的保护,在一定程度上制约了顶板含水层修复理论与技术的发展。
煤层开采引起的破坏岩体实际具备一定程度的自我修复能力,破碎岩块会出现胶结成岩现象,而破坏裂隙则可发生弥合、甚至尖灭。厚煤层分层开采中利用“再生顶板”进行下分层顶板管理的开采实践,既说明了上分层冒落岩块的自胶结成岩现象[27];也曾有矿井在煤层开采后的不同年限对覆岩“三带”开展实测,得到了导水裂隙带高度随时间显著降低的现象,表征出一定范围采动裂隙的弥合与尖灭[28]。显然,当这些具备自修复能力的破坏岩体处于采动地下水的径流范围内时,其自修复作用将能有效削弱导水通道的过流能力,阻碍地下水的流动。受此启发,若能充分利用采动岩体的自修复特性,采取相应措施引导或加快其自修复进程,这将为实现采动岩体导水通道的封堵与含水层的修复提供便捷途径,基于这一保水思路开展了综述分析。
研究发现[2,19,28],采动破坏岩体的裂隙自修复是地下水、采空区气体以及破坏岩体3者“水-气-岩”相互作用与地层采动应力共同影响的结果,其作用机理主要包括3方面的物理或化学过程:①岩石中的黏土矿物遇水膨胀对裂隙空间的挤占,泥化、崩解的泥化物对裂隙的封堵作用;②地下水的溶解、溶蚀作用造成裂隙面粗糙度降低,促使裂隙面在采动地层应力的挤压作用下贴合更紧密;③裂隙面铝硅酸盐、碳酸盐等岩石矿物与地下水阴阳离子及CO2等气体发生离子交换化学反应,生成的次生矿物或化学沉淀物在裂隙中沉积充填。经过长时间的累积作用后,裂隙岩体的水渗流能力降低,甚至可恢复至原岩的隔水状态。酸性或碱性地下水条件下,裂隙均具备自修复能力,但受岩体矿物成分、地下水/气化学特性以及裂隙通道发育等因素的影响,不同条件下的裂隙自修复程度不同[2]。仅当裂隙通道因受充填或挤占作用而显著变窄、甚至堵塞时,才能取得较好的修复效果。岩石矿物溶解、溶蚀及其与水、气发生离子交换的物理、化学作用进程相对缓慢,往往需要几年、甚至几十年时间才能表现出明显的自修复效应(尤其在裂隙通道较大条件下),导致这种自修复现象常易被忽略。
由第2.2节可知,目前顶板采动含水层生态功能修复的瓶颈是难以找到与采动顶板导水通道发育条件相适应的封堵材料与方法;而鉴于裂隙岩体所具备的自修复特性,部分研究开展了利用导水裂隙自修复规律来引导含水层生态恢复的试验与探索。
采动导水裂隙的自修复与水-气-岩相互作用过程中发生的化学沉淀反应及其沉积封堵作用密切相关[2,20],这些沉淀物如Fe(OH)3、CaCO3、CaSO4等通常具有较强的吸附-固结特性,极易沉积在裂隙通道表面,表现出“包藏-共沉-固结”的结垢过程[29-30]。利用此规律,文献[20-21]提出了人工灌注可与地下水发生沉淀反应的修复试剂,以加快沉淀物生成并封堵岩体孔隙/裂隙导水通道的含水层生态恢复方法。采用单一裂缝岩样模型和石英砂管模型[20],分别模拟地下水在岩层破断裂隙和破碎岩体孔隙这2类典型通道中的渗流状态,开展了碳酸氢钠弱碱性地下水条件下注入FeSO4试剂、Na2SO4中性地下水条件下注入CaCl2试剂的铁/钙质化学沉淀修复封堵试验,分别获得了铁质沉淀物对裂隙岩样模型和钙质沉淀物对石英砂管模型的封堵降渗规律,由此证实了利用化学沉淀方法进行采动岩体导水通道封堵的可行性。
除此以外,还有部分研究基于裂隙通道尺寸降低可加快其自修复进程的客观规律,开展了人工促进裂隙修复的方法研究。文献[31]针对处于开采边界附近的覆岩大开度张拉裂隙,提出了对边界煤柱/体实施爆破,以诱导上覆岩层发生超前断裂与回转,从而使原有的边界张拉裂隙趋近闭合,降低裂隙开度,提高其自修复能力的方法。与此类似,文献[32]研究提出了向采动地层的富含碳酸盐岩目标岩层中注入酸性软化剂,以加快岩体结构的塑性流变、促进裂隙被压密而闭合的人工促进修复方法。
由上述研究进展的论述可以看出,有关采动含水层生态功能修复的研究已在理论与工程实践上取得了快速发展,为煤炭开采水资源保护与生态修复作出了重要贡献。然而,受采动地层破坏特征多样、顶底板水文地质条件复杂多变等因素的影响,目前仍存在以下3方面的问题有待深入研究。
1)无论含水层受采煤扰动程度如何,无论其是否受采动裂隙或破坏带沟通,都需要进一步研究采动含水层近自然生态修复理论与方法。从目前采动含水层的生态功能修复研究现状看,相关修复对策或方法多倾向于“改造”的思路,导致修复后的含水层与原有生态赋存状态相差较大。无论是将高潜水出露地表形成的积水改造为湿地景观,还是对含水层实施注浆帷幕或加固改造,都明显改变了区域地下水系的生态赋存环境,这与目前生态修复领域的“近自然”理念不符。因此,针对含水层未受破坏、地下水未发生流失的第1种扰动类型,需要研究纠正地下水过度富集与迁移的生态修复方法;针对含水层受采动破坏的第2种扰动类型,尤其是顶板采动破坏含水层,需要研究高效封堵含水层下部采动导水裂隙通道的技术工艺和方法,人工引导裂隙通道的自修复或许能为此提供解决途径。
2)已有研究虽证实了利用化学沉淀方法进行采动岩体导水通道封堵的可行性,但尚处于初期探索与试验阶段,需要进一步开展化学沉淀封堵岩体孔隙/裂隙通道的降渗特性与规律研究,以最终形成促进导水通道快速封堵与含水层可靠恢复的修复试剂灌注方法。化学沉淀虽能通过其吸附-固结特性对导水通道产生封堵,但由于采动岩体导水通道类型的多样性及其过水流动状态的复杂性,导致沉淀物在地下水流失路径上经历不同类型导水通道时出现不同的扩散封堵特性。如何研究形成利于不同类型导水通道高效封堵的化学沉淀生成对策显得尤为重要。
3)利用自修复特性开展含水层引导恢复的相关方法尚处于理论探讨与概念设计阶段,距离形成具体可实施的技术措施还存在很大差距。无论是利用化学沉淀的吸附-固结作用进行导水通道的封堵,还是通过降低裂隙通道尺寸促进裂隙自修复,都需要研究具体的实施工艺与配套技术,并在现场实践中进行应用和验证。以边界煤柱/体爆破以引导采区边界大开度张拉裂隙趋近闭合与修复的方法为例,爆破范围如何确定、爆破时机、以及爆破钻孔的空间布置等都还需要深入研究。
采动含水层的生态功能修复是煤矿绿色开采研究领域的前沿课题,相关研究虽起步晚,但发展较快。经过多年的研究与实践,我国已逐步形成了以直接封堵采动岩体导水通道或人工引导其自修复的含水层修复理论和方法,为矿区采损环境的保护与生态再恢复作出贡献。然而,随着国家能源需求的日益增高,我国因采煤引起的地下水破坏问题依然突出,尤其是在一些富水或富煤的高强度开采矿区,现有修复理论与方法常常难以适用。依据特定采煤矿区的具体赋煤特点与地质开采条件,研究制定适宜其顶底板含水层快速恢复其生态功能的理论与方法尤为重要。采煤扰动不可避免地改变了地层含水层的赋水状态,确保采后修复含水层恢复或接近其原始生态状态应成为相关研究的终极目标。因此,采用近自然生态修复理念开展采动含水层的修复将是后续研究的核心与关键。
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