前言

我国“煤为主体”的基本国情，决定了煤炭必须承担能源兜底保障的责任，煤炭的主体能源地位在短期内难以改变。煤炭资源在我国分布是西多东少，东部趋于枯竭，开发西部煤炭是保障国家能源安全的重大需求。西部地区（晋陕蒙宁甘）是我国的煤炭主产区，2022年该地区煤炭产量约占全国煤炭产量的75%，但生态环境脆弱，水资源匮乏，仅占全国的3.9%，年蒸发量是降雨量的6倍左右，水资源短缺是西部煤炭规模开发的“瓶颈”。煤炭规模开采又引起地表沉陷、地面塌陷和裂缝等问题，导致矿区地下水位大范围、大幅度疏降。水资源短缺、生态脆弱和煤炭资源开发利用之间存在巨大矛盾。因此，在煤炭大规模开发过程中，如何保护水资源和地表生态，实现煤炭开采与矿区生态安全协调发展，是我国西部煤炭资源开发必须破解的重大科学问题。

西部煤炭开采普遍采用超大工作面、一次采全高等现代化、高强度开采技术，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易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渗漏流失和井下突水溃砂等地质灾害，对矿区水资源系统和地表生态造成了巨大扰动。规模化、高强度开采会破坏工作面围岩地质环境的原有岩石力学和水力学平衡条件，引起岩层损伤和渗透特性改变，是地下水流动及地下水系统发生变化的根本原因。因此，开展煤炭高强度开采过程中上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究，对西部生态脆弱矿区煤炭安全开采及地下水资源保护具有重要意义。

本书以神东矿区大柳塔煤矿为依托，运用煤矿工程地质学、岩石（体）力学、岩体水力学及采矿工程等理论，采用实验研究、理论分析、物理模拟试验和数值模拟计算等方法开展了煤炭高强度开采上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究，揭示了不同岩性岩石全应力—应变—渗透性规律，并建立了岩体渗透系数与应力应变之间的三维关系和模型。研究了煤炭开采上覆岩层破断及裂隙演化规律和超大工作面应力-位移变化规律及其控制机理，分析了不同煤柱错距的覆岩裂隙场演化规律，揭示了隔离煤柱对覆岩运移和裂隙发育的控制作用。基于渗透系数与应力应变之间的三维关系方程，揭示了煤炭开采顶底板岩层渗透系数场分布及其控制因素。基于采空区冒裂带岩体孔隙率及渗透性分布特征，建立了煤炭开采上覆岩层渗透性评价理论与方法，揭示了煤炭开采上覆岩层渗透性分区、分带特征，对研究区煤炭开采上覆岩层渗透性进行了评价，为煤矿安全开采和地下水资源保护提供了理论依据。研究成果对神东矿区乃至全国其他缺水矿区具有广泛的推广应用前景。本书共9章，第1章绪论；第2章神东矿区煤炭开采地质条件；第3章煤层上覆岩石渗透性与其应力—应变耦合关系研究；第4章多煤层开采覆岩变形破坏规律物理模拟试验研究；第5章浅部隔离煤柱对覆岩运移影响的物理模拟试验研究；第6章煤炭开采覆岩应力应变及破坏数值模拟分析；第7章煤炭开采工作面围岩渗透性分布规律研究；第8章煤炭开采上覆岩层渗透性评价及应用；第9章结论与展望。

本书研究工作自始自终得到中国矿业大学（北京）孟召平教授的关心与指导，在此表示衷心的感谢。在本书研究过程中，还得到了神华集团有限责任公司和神东煤炭集团公司领导和工程技术人员的大力支持和帮助，神东煤炭集团公司大柳塔煤矿在资料收集、取样和井下观测等方面都给予了热心的帮助，在此深表谢意。同时，还要感谢书中引用文献作者的支持和帮助。

本书是笔者负责承担的河南省科技攻关计划项目“西部矿区采动覆岩渗透性及地下水流场变化规律研究（编号：202102310218）”和“特厚煤层综放开采覆岩离层水涌突机理及防控关键技术（编号：232102320343）”，参与完成的神华集团科技创新项目“神东矿区现代煤炭开采技术下对地下水资源和生态影响规律研究（编号：SHGF-11-08）”和“大柳塔煤矿绿色开采关键技术与工程示范——课题3：地下水资源保护利用（煤矿分布式地下水库）关键技术研究”等科研课题研究成果的整理和总结。

本书的出版得到了河南省科技攻关计划项目（编号：202102310218和232102320343）的资助，在此表示衷心的感谢。

由于煤炭高强度开采上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究涉及多学科理论与方法，有许多基础理论和工程实践问题仍有待于深入探讨和揭示。因此书中不妥之处，敬请读者批评指正。