協(xié)莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境治理研究與實(shí)踐

史俊偉

(山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510)

特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理

協(xié)莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境治理研究與實(shí)踐

史俊偉

(山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島 266510)

通過(guò)實(shí)地調(diào)研,分析協(xié)莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀,找出其影響因素,在此基礎(chǔ)上提出治理措施:塌陷區(qū)矸石回填、修筑矸石壩、矸石充填采空區(qū)、采空區(qū)注漿防塌,并重點(diǎn)對(duì)矸石回填復(fù)墾的可行性進(jìn)行了論證,為礦山地質(zhì)環(huán)境治理提供依據(jù)。

礦山地質(zhì)環(huán)境;治理;實(shí)踐

礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,是目前我國(guó)迫切需要解決的問(wèn)題之一,而煤礦開(kāi)采引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題尤為重要。煤礦資源的開(kāi)發(fā)極大地促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展,但與此同時(shí)引起了大量的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅,而且嚴(yán)重影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的全面協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

協(xié)莊煤礦位于新汶煤田西翼,柴汶河自東而西流經(jīng)本區(qū)淺部,至大汶口匯入大汶河,其支流有光明河、崖頭河、劉官莊河等多條小河流。井田范圍內(nèi)沿柴汶河分布有 9對(duì)地方煤礦,主要開(kāi)采淺部煤層,隨著其資源枯竭,其擅自提高開(kāi)采上限或盜采破壞露頭煤柱,形成采空區(qū)塌陷及其伴生的地裂縫,因超層越界整合、關(guān)閉 5對(duì)。在煤礦的開(kāi)采過(guò)程中積存了大量的廢棄尾礦和廢棄物,形成了長(zhǎng)約1000m,高約 50m,體積 22.3×106m3的排土場(chǎng),不僅對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,而且還造成礦湖邊坡失穩(wěn),地面沉陷,附近水體和土地污染,使良田荒廢。隨著時(shí)間的推移,礦山的安全隱患和環(huán)保問(wèn)題愈加突出。因此,制定科學(xué)合理的礦山地質(zhì)環(huán)境治理方案,對(duì)于恢復(fù)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境極其重要。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響因素

協(xié)莊礦自 1958年建礦以來(lái),煤礦開(kāi)采所帶來(lái)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題主要有:大面積采沙坑、地面沉陷、大范圍積水、固體廢棄物大量堆積和地表水漏失等。

1.1 大面積采沙坑

由于在井田范圍內(nèi),非法取土制磚現(xiàn)象嚴(yán)重,在東起東翼九采黃泥莊村,西至地表四采斑裂區(qū)這一范圍內(nèi),共分布有大小磚廠 20個(gè),均分布在汶河兩岸,大量磚廠無(wú)節(jié)制的取土制磚,使礦井留設(shè)的露頭煤柱暴露地表并遭到破壞,地表水將沿被破壞的露頭煤柱或淺部采空區(qū)滲漏井下。地表取土制磚后,下部沙層暴露,從而進(jìn)一步采沙,造成沿河地表形成大面積采沙坑。

1.2 地面沉陷

協(xié)莊煤礦自建礦以來(lái),一直進(jìn)行地下開(kāi)采,造成了一定范圍的采空區(qū),并且 -50m水平以下為冒落法處理頂板,容易使上方巖土體失去支撐,向下陷落,形成地面塌陷。

1.3 河水潰壩

井田露頭范圍內(nèi)柴汶河、劉官莊河、黃泥莊小河等河壩雨季容易被沖垮,河水倒灌,造成露頭區(qū)大面積被淹沒(méi),地面存在的大面積取土采沙坑、盜采坑以及低洼區(qū)全部積水,積水區(qū)總面積近30hm2,水深 2～4m,積水量近 106m3。

1.4 固體廢棄物大量堆積

煤礦開(kāi)采每年要排放大量的煤矸石,選煤廠也有相當(dāng)?shù)捻肥欧?電廠排放粉煤灰。造成固體堆積物占地和環(huán)境污染。目前井田內(nèi)現(xiàn)存矸石山(場(chǎng))13處,電廠 2處,固體堆積物占地63.9hm2,總量為 9.98×106m3。

1.5 地表水漏失

由于開(kāi)采沉陷,地表產(chǎn)生裂縫,造成地表水嚴(yán)重漏失,嚴(yán)重破壞了汶河兩岸的地質(zhì)環(huán)境。柴汶河沿岸每逢雨季極易被洪水淹沒(méi),造成土地鹽堿化、砂化,土地荒蕪廢棄,地表風(fēng)化,每逢刮風(fēng),地面即飛沙揚(yáng)塵,造成礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量低劣。

2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理實(shí)踐技術(shù)

根據(jù)柴汶河流域協(xié)莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境治理現(xiàn)狀及治理要求,歷年來(lái),礦井不斷加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的治理和地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)的研究。在綜合分析的基礎(chǔ)上,多種方法并舉,因地制宜,綜合治理,以有效防止礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞,提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)多方面的分析和論證,針對(duì)礦區(qū)的實(shí)際情況,主要采用了采沙坑矸石回填、修筑矸石壩、矸石充填采空區(qū)、采空區(qū)注漿防塌等措施對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了大規(guī)模的綜合恢復(fù)治理。

2.1 塌陷區(qū)矸石回填方案

針對(duì)柴汶河流域地表非法取土、挖沙坑以及斑裂區(qū)域,進(jìn)行矸石回填和覆土治理。既充分利用礦井副產(chǎn)品——煤矸石,減少矸石及其他固體廢棄物堆放而造成的環(huán)境污染,又增大了可耕地面積。

2.1.1 矸石作為復(fù)墾回填材料的可行性

采用矸石作為塌陷地復(fù)墾材料的前提必須是:矸石風(fēng)化后的化學(xué)組成與當(dāng)?shù)攸S土相近,并且無(wú)毒性,不對(duì)土壤、水質(zhì)等造成污染。

協(xié)莊煤礦風(fēng)化矸石的礦物化學(xué)組成與礦區(qū)第四系黃土相近,這說(shuō)明用矸石充填塌陷地,矸石逐漸風(fēng)化后有利于向土壤形成方向發(fā)展。

經(jīng)化驗(yàn),協(xié)莊煤礦新老矸石中的汞、鎘、鉛、砷含量均符合我國(guó)土壤的理想水平標(biāo)準(zhǔn),氟含量處于理想水平與可接受之間,即協(xié)莊煤礦矸石作為充填復(fù)墾材料,其有毒元素含量對(duì)環(huán)境無(wú)毒性影響。

經(jīng)化驗(yàn)協(xié)莊煤礦矸石中N,P養(yǎng)分平均含量較低,除 N含量養(yǎng)分屬于土壤 5級(jí)水平外,其余指標(biāo)均為土壤 6級(jí)水平;矸石中 K和有機(jī)質(zhì)含量水平屬于 5級(jí)偏上的土壤水平。土壤陽(yáng)離子交換量標(biāo)志著土壤保肥能力大小,一般認(rèn)為陽(yáng)離子交換量在20me/100g以上為保肥能力較強(qiáng)的土壤,10～ 20me/100g為保肥能力中等的土壤,小于 10me/ 100g為保肥能力較弱的土壤。從分析結(jié)果看,協(xié)莊煤礦矸石具有一定的保肥能力,屬于保肥能力中等偏弱的土壤。協(xié)莊煤礦矸石具有一定的可供植物吸收的養(yǎng)分,但含量偏低,僅相當(dāng)于 5～6級(jí)土壤的營(yíng)養(yǎng)元素含量,屬很貧瘠的土壤養(yǎng)分范圍。但老矸石的速效養(yǎng)分比新矸石高。因此,在復(fù)墾時(shí)應(yīng)盡量將老矸石覆蓋在復(fù)墾地表層上。

由上分析,協(xié)莊煤礦矸石在化學(xué)元素組成、毒性分析上,均滿(mǎn)足其作為回填材料要求。在營(yíng)養(yǎng)成分上偏低,需在回填矸石上方填加耕作土層。因此,協(xié)莊煤礦矸石用做塌陷地下部的復(fù)墾回填材料,是完全可行的。

2.1.2 矸石回填和覆土技術(shù)要點(diǎn)

矸石回填和覆土本著復(fù)墾土地既要滿(mǎn)足恢復(fù)其土地功能,又要充分利用煤矸石資源的原則,采取底部利用煤矸石填平壓實(shí),上部復(fù)土造田的結(jié)構(gòu),回填前先清除樹(shù)木、柴草、雜物和軟土,平整、夯實(shí),然后填入矸石,并逐層夯實(shí)。最后再上覆一層黃土,并軋實(shí),黃土層厚度 0.5m,至與周?chē)乇硪恢?以恢復(fù)耕地及保證地表水能迅速流走。累計(jì)分析,自礦區(qū)采用矸石回填方案以來(lái),礦區(qū)回填取土、挖沙坑總面積 16.456hm2,回填矸石 40.73× 104m3,覆土 7.2 ×104m3,共計(jì)復(fù)墾造田23.13hm2。

2.2 修筑矸石壩

對(duì)柴汶河北岸,筑一道矸石擋水壩,矸石擋水壩東起鋪底護(hù)坡段東頭,西至崖頭河?xùn)|岸,以防止河水外溢造成隱患。河壩采用矸石筑壩,設(shè)計(jì)壩迎水坡斜率及背水坡斜率均為 1∶1.5,壩頂寬為8.0m,下寬為 14m,高 2.0m,斷面積為 22.0m2。采用矸石逐層壓實(shí),筑壩過(guò)程中厚度每筑 0.5 m采用壓路機(jī)壓實(shí) 1次。僅 2008,2009兩年,對(duì)柴汶河及其支流共筑壩 8100m。有效地防止了地表水漏失,保護(hù)汶河兩岸的農(nóng)田不被洪水淹沒(méi)。

2.3 矸石充填采空區(qū)

協(xié)莊煤礦地下開(kāi)采采用充填法開(kāi)采,利用矸石充填采空區(qū),防止地表塌陷。礦井淺部開(kāi)采時(shí)采用水沙充填采空區(qū),防止了地表塌陷,但隨著沙石資源的減少,取沙破壞地表環(huán)境變得越來(lái)越嚴(yán)重。礦區(qū)歷經(jīng) 50多年的開(kāi)采,形成了多座矸石山,占用了大面積土地資源,污染了地表及大氣環(huán)境。礦井采用矸石取代沙石充填采空區(qū),共利用矸石141581m3,既處理了堆積的矸石,又有效地防止了地表塌陷。

2.4 河床下注漿防塌治理

井田范圍內(nèi)淺部分布的地方小煤礦,因資源枯竭,擅自在河床下提高開(kāi)采上限,破壞了河流煤柱,給礦井留下安全隱患。為杜絕隱患的發(fā)生,首先,對(duì)有河水滲漏威脅的區(qū)域河床采用混凝土鋪底進(jìn)行治理,防止地表水漏失、河床塌陷。僅 2008, 2009兩年河床鋪底7.5hm2。同時(shí),通過(guò)加固河床,避免了河床因下部采空而導(dǎo)致的變形、垮塌,保持了河道的抗洪能力,恢復(fù)了沿河的生態(tài)環(huán)境。

其次,利用殘余煤柱做骨架對(duì)該區(qū)域進(jìn)行注漿,完成對(duì)柴汶河及其支流羊村河、黃泥莊河等筑壩鋪底的治理。注漿前,先采用高密度電法或地質(zhì)雷達(dá)等物探手段,對(duì)注漿區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性地探測(cè),指導(dǎo)注漿布孔。鉆孔應(yīng)盡量在殘留的煤柱中布置,或者在靠近殘留煤壁的上方布置,避免大范圍的空區(qū),以減少注漿工程量和節(jié)省注漿材料。通過(guò)河床下注漿有效地防止了河床塌陷和地表水的漏失,保護(hù)了河床沿岸的生態(tài)環(huán)境。

3 社會(huì)效益和環(huán)境效益

(1)通過(guò)消耗矸石山,減少占地,空出的大片土地可用于發(fā)展非煤產(chǎn)業(yè)和農(nóng)牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè),使其成為礦區(qū)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。此外,在回填復(fù)墾的土地上植樹(shù)和耕種農(nóng)作物,提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的土地人均占有率,對(duì)緩解人地矛盾,工農(nóng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)農(nóng)民耕地總量的動(dòng)態(tài)平衡具有重大意義;同時(shí),可大幅度提高該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,穩(wěn)定了農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)地位,對(duì)本礦區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有很大促進(jìn)作用。也可為礦區(qū)發(fā)展非煤產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造條件,解決礦區(qū)職工由于人口不斷增加帶來(lái)的就業(yè)難問(wèn)題,對(duì)礦區(qū)的安定團(tuán)結(jié)具有明顯的穩(wěn)定作用,為礦區(qū)今后持續(xù)穩(wěn)定和諧發(fā)展打下牢固基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)對(duì)流經(jīng)區(qū)域的河道進(jìn)行綜合治理,防止了雨季期間,河水暴漲,沖垮河壩,淹沒(méi)農(nóng)田,同時(shí),也治理改善了沿河兩岸的地質(zhì)環(huán)境,消除地表水害隱患。通過(guò)植被綠化使礦區(qū)綠化覆蓋率達(dá)到 43%,為員工提供了良好的生活工作環(huán)境。目前,礦區(qū)綠化達(dá)到了四季長(zhǎng)青、三季有花、無(wú)裸露地面的要求,對(duì)改善礦區(qū)自然生態(tài)平衡及地質(zhì)環(huán)境具有重大的社會(huì)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

柴汶河流域協(xié)莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境治理研究與實(shí)踐,不僅對(duì)本礦區(qū)具有指導(dǎo)意義而且對(duì)具有相同地質(zhì)環(huán)境條件的其他礦山也具有借鑒意義。因此,實(shí)施礦山地質(zhì)災(zāi)害的治理和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的治理無(wú)論是從保證礦井防治水安全上,還是治理地質(zhì)生態(tài)環(huán)境上都具有重大意義,該項(xiàng)目的實(shí)施不僅將促進(jìn)該礦區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展,還實(shí)現(xiàn)了企業(yè)、人與自然的和諧發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

[1]解 偉 .礦山地質(zhì)環(huán)境治理技術(shù)淺談 [J].西部探礦工程, 2010,3(2):154-157.

[2]鄧學(xué)軍 .礦山地質(zhì)災(zāi)害及其防治 [J].中國(guó)地質(zhì),1999,1 (9):32-34.

[3]匡文龍,鄧義芳 .采煤塌陷地區(qū)土地生態(tài)環(huán)境的影響與防治研究 [J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(1):116-120.

[4]梁 凱,蘭井志,鄭 偉 .對(duì)我國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)工作的對(duì)策建議 [J].環(huán)境經(jīng)濟(jì),2007(11):19-22.

[責(zé)任編輯:徐乃忠]

Research and Practice of Geological Environment Treatment in Xiezhuang Colliery

SH IJun-wei

(Resource&Environment Engineering School,ShandongUniversity of Science&Technology,Qingdao 266510,China)

This paper analyzed mine geological environment status of Xiezhuang Colliery and obtained its influence factors by on-thespot survey.On the basis of this,it presented following treatments:backfilling with waste in subsidence area,building waste dam, backfilling gob with waste and grouting into gob.Feasibility of backfillingwith waste wasmainly discussed in order to provid basis for geological environment trea tment.

mine geological environment;treatment;practice

TD355.4

A

1006-6225(2010)06-0036-03

2010-04-21

史俊偉 (1987-),男,山西平遙人,碩士研究生,從事礦山災(zāi)害防治方面的研究。