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最新综述丨李全生教授：岩层采动裂隙演化规律与生态治理技术研究进展

煤炭科学技术01-24

作者简介

李全生

教授级高级工程师

李全生，男，1965年5月出生，河南洛阳人，教授级高工，国际商务师，博士生导师，国家百千万人才，政府特殊津贴获得者，“十三五”重点研发计划项目首席科学家，现任国家能源集团科技部主任，煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室副主任。长期从事煤炭绿色开发技术与能源发展战略研究，主持完成“东部草原区大型煤电基地生态修复与综合整治技术及示范”、“碳约束条件下我国能源结构优化研究”等10余项国家级及省部级科研项目。获国家科技进步奖3项、省部级科技奖13项，出版专著3部，授权发明专利50余项，发表论文63篇（SCI/EI检索19篇），以第一作者发表论文20篇（SCI/EI检索7篇），主编行业标准7项。曾获全国优秀科技工作者、中国煤炭工业科技管理先进个人等。

主要成果：

致力于煤矿绿色开发与生态保护基础理论与成套技术的研究，取得了多项创新性成果。提出了依托自然物质抗损伤及自修复能力，进行源头的开采减损理念，形成了煤矿开采源头减损与生态系统性修复技术体系；在开采工艺优化、源头减损技术、生态系统性修复、空天地一体化监测、寒旱区地层重构-表土改良-植被优选-用水保障等技术方法方面，获授权发明专利50余项，取得了明显创新性成果，为矿区安全高效生产、煤炭资源开采损害与区域可持续发展矛盾问题解决，提供了有力的技术保障。

研究方向：

煤炭绿色开发技术

本文重点内容

(1)以煤炭绿色开采与生态保护为背景，从工程问题发展角度论述了煤矿采动裂隙的形成过程、裂隙类型、研究方法、监测手段、演化规律及未来发展趋势，提出了基于开采参数优化的源头减损技术、覆岩承载结构稳定性维持减损技术、变形调控减损技术、覆岩离层注浆减损技术、采复一体化技术、土壤改良与植物修复技术、采煤沉陷区综合修复技术等生态治理技术。

(2)从国家能源发展战略、生态修复、煤矿智能化与绿色化发展角度分析认为，采动裂隙多种方法综合运用、力学演化机制及量化描述、深部多物理场耦合、探索新应用领域及控制研究、厘清采动损伤科学内涵及评价方法、明晰矿区生态修复的科学理念、构建采动损伤与生态保护相协调智能化调控系统等将是未来亟需研究的关键科学问题

作者

李全生^1,2,3,4，李晓斌³，许家林⁵，徐祝贺^1,4，张村³

单位

1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室；2.国家能源投资集团有限责任公司；3.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院；4.北京低碳清洁能源研究院；5.中国矿业大学矿业工程学院

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摘要

岩层采动裂隙是破坏覆岩含水层威胁井下安全生产的直接原因，也是工作面推过后，地表持续下沉变形及生态累积影响的根源。为了解当前覆岩裂隙发生机制、演变规律、研究方法及生态影响与治理进展，实现资源开发与矿区环境的协调、可持续发展，阐述了采动裂隙演化规律与生态治理技术发展现状。介绍了煤矿采动裂隙的形成过程、裂隙类型、研究方法、监测手段及研究发展趋势；从开采影响的空间特征方面，从依覆岩裂隙、底板裂隙与地表裂缝３方面分类介绍了裂隙／裂缝演化规律及分布特征，重点分析了深部开采与我国西部沟壑区高强度开采地表裂缝形成的力学机制；探究采动裂隙在保水开采、煤与瓦斯共采方面的应用及生态治理技术，并给出基于开采参数优化的源头减损技术、覆岩承载结构稳定性维持减损技术、变形调控减损技术、覆岩离层注浆减损技术、采复一体化技术、土壤改良与植物修复技术、采煤沉陷区综合修复技术等，实现采煤同时兼顾对地下水、瓦斯、矸石等资源的合理利用与地表建筑及生态环境的保护。分析认为，采动裂隙多种方法综合运用、力学演化机制及量化描述、深部多物理场耦合、探索新应用领域及控制研究、厘清采动损伤科学内涵及评价方法、明晰矿区生态修复的科学理念、构建采动损伤与生态保护相协调智能化调控系统等将是未来亟需研究的关键科学问题。

研究背景

煤炭在地下开采会引起岩层回转运动和塑性屈服破坏，形成一系列张拉裂隙与压剪裂隙，是地下水、瓦斯及浆液提供主要流动通道。采动裂隙演化规律不仅与保水开采、瓦斯抽采和地裂缝治理等采矿工程问题有关，而且受岩层力学性质、覆岩结构型式、采煤方法及开采工艺参数、开采强度及时间等多种因素影响。采动裂隙发育规律较为复杂，有时伴随发生各种灾害事故，对工作面安全生产及地表生态环境产生巨大影响。如哈拉沟煤矿

22402工作面由于关键层发生破断，覆岩采动裂隙直接导通含水层，含水层带动砂粒涌入工作面发生突水溃沙事故，导致液压支架与刮板输送机无法正常前移。早在1993年陕西榆神府矿区就因煤炭开采产生大量地裂缝及塌陷坑，造成地面建筑损毁、植被破坏、水土流失、滑坡等采动损害问题。由此可见，研究采动裂隙演化规律对于实现我国经济、社会及生态保护等方面的和谐协调发展具有深刻意义。

目前我国煤炭科技工作者针对采动裂隙进行了一系列研究，主要包括：运用弹塑性力学、断裂力学等理论并结合数值模拟与实测资料研究底板采动裂隙破坏深度及分布特征；基于关键层理论、非线性数学方法、模拟分析等手段预测覆岩导水裂隙带发育高度，最后结合地面钻孔、井下钻孔与钻孔电视等实测资料进行现场验证；利用探地雷达技术、ＧＰＳ－ＲＴＫ技术等分析地裂缝分布特征与发育规律，结果表明随着工作面推进，首先在开切眼外侧出现地裂缝，然后在平行回采巷道方向和超前工作面一定距离处也有地裂缝产生，在推进距离达到一定程度，地裂缝发育最大，工作面继续推进，地裂缝减小甚至闭合，开采结束后在地表形成“Ｏ”型圈；探究采动裂隙在保水开采、瓦斯抽采、减沉开采、地表建筑变形等方面的工程应用，并研发含水层修复技术、地下水库保水技术、卸压增透瓦斯抽采技术、离层区注浆充填技术、条带开采及协调开采等，实现采煤同时兼顾对地下水、瓦斯、矸石等资源的合理利用；明晰不同开采方式扰动产生的裂隙场与应力场、渗流场、温度场部分耦合关系，得到地层应力、水流、瓦斯、温度等变化规律，从而为现场工程问题提供科学指导；揭示采动裂隙（缝）对含水层水位、地表土壤与植被的影响规律，研究表明采动裂隙造成含水层水位下降，但在一定时间后恢复至采前状态，同时裂缝周边区域土壤氮磷钾含量、有机质含量、水含量均降低，在１２～１８个月后恢复到采前水平，在植被覆盖率方面，开采扰动区域地表植被覆盖率普遍低于周围未开采区；针对采动裂隙引发的一系列损害问题，提出采动裂隙（缝）防治技术，如合理优化工作面开采参数（采高、推进速度、支架工作阻力等）、开采工艺选择（综采、综放开采、分层开采等）、地裂缝自修复及人工填埋等措施。

从我国能源发展战略、生态修复、煤矿智能化与绿色化发展等角度考虑，对采动裂隙有待进行深入研究。鉴于此，笔者在总结归纳前人研究基础上，提出了采动裂隙研究方法综合运用、力学演化机制及定量描述、深部多物理场耦合、新应用领域及控制、采动损伤科学内涵及评价方法、生态修复科学理念、智能化调控系统等有待解决的热点科学问题，以期为控制覆岩与地表裂隙发育、保护生态环境，裂隙动态演化、渗流规律及裂隙发育程度进行调控，提供创新性技术支撑。