河南永城煤炭礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題及防治對策

蘇凱峰

(河南省國土資源科學(xué)研究院，河南鄭州 450053)

永城市位于河南省東部，東臨安徽淮北，境內(nèi)煤炭資源豐富，是一個(gè)新興的能源基地。永城是以煤炭工業(yè)發(fā)展起來的城市，開發(fā)伊始，其開采強(qiáng)度就非常大，經(jīng)過幾十年的礦山開采，在礦區(qū)周邊引起了許多環(huán)境地質(zhì)問題，礦區(qū)開發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境問題日漸突出和明顯，已成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、影響人民生活的重要因素之一。礦業(yè)開發(fā)誘發(fā)的以地面塌陷、地裂縫等為主的地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，不僅破環(huán)了生態(tài)環(huán)境，造成土地資源的破壞，水環(huán)境的污染，也嚴(yán)重威脅到人民群眾生命財(cái)產(chǎn)［1-10］。因此，認(rèn)真研究永城煤炭礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題，探討開采活動(dòng)引發(fā)的不同環(huán)境地質(zhì)問題的防治，對避免、減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的破壞、影響具有非常重要的意義。

1 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件

永城市地處華北平原的東南邊緣與黃淮沖積平原的交接部位，地勢平坦，西北略高，東南稍低。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，多呈西北—東南向展布，地貌類型單一。區(qū)域地層屬華北地臺區(qū)魯西分區(qū)徐州小區(qū)，出露地層有寒武系、奧陶系碳酸鹽巖，石炭系、二疊系煤系地層，新近系砂巖、粉質(zhì)粘土及第四系沖湖積物。

在區(qū)域大地構(gòu)造位置上，永城市處于中朝準(zhǔn)地臺魯西臺隆西緣次級構(gòu)造單元永城斷陷褶皺帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要為一系列NNE向相對比較緊密的背斜和比較寬緩的向斜組成的隔檔式褶皺，向西逐漸變?yōu)樾螒B(tài)比較簡單的寬緩短軸背、向斜，在褶皺構(gòu)造形跡的基礎(chǔ)上迭加發(fā)育一系列NNE向的高角度正斷層，形成隆陷斷塊相間排列的斷陷褶皺構(gòu)造樣式，由于斷塊作用，原始的褶皺形態(tài)遭受破壞而不完整。

依據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)、埋藏條件等，區(qū)內(nèi)自上而下分為三個(gè)含水巖組，即松散巖類孔隙含水巖組、裂隙巖類裂隙含水巖組、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組。

2 煤礦采礦引起的主要環(huán)境地質(zhì)問題

永城市豐富的煤炭資源為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)崛起、社會發(fā)展提供了條件。但幾十年的煤炭礦山開采，導(dǎo)致礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件不斷惡化，生物鏈遭到不同程度的破壞，產(chǎn)生如地面塌陷、地裂縫、植被破壞、地表景觀破壞及水土體污染等等地質(zhì)環(huán)境問題。礦山開采造成日益突出的環(huán)境地質(zhì)問題，已嚴(yán)重制約著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。

2.1 地面塌陷

地面塌陷是永城市最主要、最典型的地質(zhì)災(zāi)害，分布范圍廣，造成損失大。塌陷均為因地下采煤活動(dòng)造成的。據(jù)調(diào)查，開采煤層己形成22.61km2的采空區(qū)，塌陷區(qū)面積達(dá)46.82km2(表1)，塌陷區(qū)地面塌陷深度一般0～2.8m。

地面塌陷主要是地下開采煤礦形成的大面積采空區(qū)，采空區(qū)上部各種巖層從頂板開始向下依次脫離、彎曲，向采空區(qū)位移而形成。地面塌陷范圍和最大塌陷幅度與礦層開采的范圍、深度、厚度及開采方式有關(guān)。采空塌陷主要危害是沉陷區(qū)變形十分嚴(yán)重，耕地破壞、絕產(chǎn)、常年性和季節(jié)性積水、村莊搬遷、建筑物變形等。

表1 永城煤炭礦區(qū)塌陷區(qū)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical list of Yongcheng coal mining subsidence area

表2 永城煤炭礦區(qū)開采塌陷區(qū)住宅受損情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical list of residential damage in Yongcheng coal mining subsidence area

據(jù)永城市統(tǒng)計(jì)資料，采煤塌陷區(qū)受損居民10640戶，38950口人，塌陷村莊107個(gè)，塌陷面積46.82km2(耕地面積37.05km2，村莊莊盤面積5.67km2，其他4.10km2)，住宅受損面積達(dá)294.72×104m2。受損學(xué)校18所，受損建筑物90棟，建筑面積23406m2;醫(yī)院(衛(wèi)生所)受損2家，受損建筑物3棟，建筑面積5473m2;企(事)業(yè)單位35個(gè)，受損建筑物79棟，建筑面積82455m2;鄉(xiāng)政府1個(gè)，受損建筑物6棟，建筑面積8465m2。塌陷區(qū)土地基本喪失了耕種條件(表2)。

2.2 地裂縫

地裂縫主要分布在采空區(qū)的邊緣地帶。由于地層受到較大的橫向拉力，彎曲變形較大，使兩側(cè)土層差異固結(jié)變形量發(fā)生改變，形成地裂縫。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類活動(dòng)的地區(qū)時(shí)，便于形成一種地質(zhì)災(zāi)害(表3)。

永城礦區(qū)地裂縫主要為采礦塌陷伴生的地裂縫，沿塌陷盆地四周呈條形、弧形分布，大體平行于工作面推進(jìn)方向，裂縫長度一般小于1km，多數(shù)在200～500m，裂縫寬0.2～1m，個(gè)別超過1m，深2～3m。

永城采煤塌陷區(qū)地裂縫規(guī)模與采空區(qū)大小、上覆巖體厚度與塌陷發(fā)育期有關(guān)。采空區(qū)大，上覆巖體厚度小，塌陷發(fā)育周期短，地裂縫的規(guī)模就大;反之，地裂縫規(guī)模小。地裂縫一般出現(xiàn)在地面變形整個(gè)過程中，直到塌陷區(qū)穩(wěn)定后才逐漸停止。

表3 永城煤田地裂縫發(fā)育特征一覽表Table 3 The ground fissure growth feature list of Yongcheng coalfield

2.3 煤矸石

煤矸石系在建井、巷道掘進(jìn)和選煤過程中產(chǎn)生的廢石，主要為砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及少量天然焦和炭質(zhì)泥巖。煤矸石是由無機(jī)質(zhì)和少量有機(jī)質(zhì)組成的混合物，組成煤矸石成分的元素達(dá)數(shù)十種，主要包括 Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、S、Ti、P 等，且大多以鋁硅酸鹽的形式存在。煤矸石的化學(xué)成分主要由SiO2、Al2O3和 Fe2O3構(gòu)成。

煤矸石是永城煤田各開采礦井產(chǎn)生的主要固體廢棄物，其排放量見表4。煤矸石廢棄物對環(huán)境的影響主要是大氣、水及土地。

表4 永城煤炭礦區(qū)矸石山統(tǒng)計(jì)表Table 4 The refuse heap statistical list of the Yongcheng coalfield

2.4 礦山開采對地下水的破壞

礦區(qū)開采引起的有關(guān)水體環(huán)境災(zāi)害主要有:地表水體污染、地下水污染及區(qū)域地下水位下降。根據(jù)永城5個(gè)煤炭礦區(qū)礦井水水質(zhì)化驗(yàn)成果，總硬度、溶解性總固體、F-、Cl-、等指標(biāo)的含量超過界限值，水質(zhì)較差，比照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)進(jìn)行評價(jià)，屬Ⅳ、V類水質(zhì)，直接排放造成地表水及地下水的污染(表5)。

表5 永城煤炭開采礦區(qū)礦井排水主要化學(xué)成分一覽表Table 5 The main chemical components list of the Yongcheng coal mining area mine drainage單位:mg/L

煤矸石長期露天堆放于地表，在降水作用下，其淋溶水直接滲入地下，對地下水水質(zhì)也有影響，使得水體受到不同程度的污染。

此外，為了疏干采煤工作面涌水，確保井下安全生產(chǎn)，煤礦需要大量疏排礦坑水。依據(jù)2003年的統(tǒng)計(jì)資料，5對開采礦井2001年8月～2003年7月排水總量為74870500m3，年平均排水量37435250m3，平均每天排水102562.33m3。大量的排水不僅造成了地下水位的降低，進(jìn)而可能誘發(fā)地面塌陷，而且由于地下水位的降低，將影響人們的生活用水，給日常生活帶來了不便。

2.5 礦山開采對土地資源的破壞

地下采空引起了地面塌陷、地裂縫、水體破壞等的同時(shí)，也造成了土地資源的破壞。主要表現(xiàn)在:地面塌陷使得地表易形成積水湖，常年積水和季節(jié)性積水都影響了土地資源的利用;干旱及裂縫也影響了土地資源的利用;煤矸石不僅占壓了土地，而且經(jīng)過長期的淋濾會使得土壤水受到污染，使得F-、等元素在不同程度上超標(biāo)。

3 主要環(huán)境地質(zhì)問題的防治措施

綜上所述，針對采礦引起的各種環(huán)境地質(zhì)問題，需根據(jù)礦區(qū)不同環(huán)境地質(zhì)問題，需要采用不同的治理措施。要正確處理好礦山經(jīng)濟(jì)發(fā)展與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)之間的辯證關(guān)系，合理開發(fā)和利用礦產(chǎn)資源，最大限度保護(hù)地質(zhì)環(huán)境，保障礦區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

地面塌陷和地裂縫是采空在不同時(shí)間和空間的兩種表現(xiàn)，就其根源是采空引起的;而礦區(qū)水污染主要是由于污水排放、煤矸石長期淋濾作用引起的。因此，要解決采礦、環(huán)境保護(hù)、社會經(jīng)濟(jì)效益三者間的關(guān)系，就必須正確處理好地下采空-地面塌陷-水質(zhì)污染-煤矸石堆放四者的關(guān)系。對此提出“和諧開發(fā)、合理改造、以用促治”的綜合治理思想，實(shí)行綠色礦業(yè)，走“綠色礦業(yè)之路”，使得礦山開發(fā)與社會經(jīng)濟(jì)效益及社會環(huán)境和諧發(fā)展，促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展(圖1)。Fig.1 Green mining technology

圖1 綠色開采技術(shù)路線

和諧開發(fā)就是要著眼于未來，不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)盲目開采;在技術(shù)、設(shè)備等硬件條件允許下開發(fā)，要實(shí)施礦產(chǎn)資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，堅(jiān)持礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和環(huán)境地質(zhì)問題控制預(yù)防為主、預(yù)防與治理相結(jié)合的原則，合理改造以往開發(fā)模式;結(jié)合礦區(qū)資源分布、開發(fā)情況及礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀，按照“誰開發(fā)、誰保護(hù)，誰污染、誰治理，誰破壞、誰恢復(fù)，誰使用、誰補(bǔ)償”的原則，立足現(xiàn)狀，在開發(fā)利用資源的同時(shí)，以用促治，因地制宜，作好礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。

地表塌陷主要是地下開采煤礦形成的大面積采空區(qū)而形成，其范圍和最大塌陷幅度與礦層開采的范圍、深度、厚度及開采方式有關(guān)。以往多是在塌陷區(qū)形成以后，已經(jīng)造成了危害，才著手進(jìn)行治理，這種“滯后”的治理行為，常常事倍功半。在塌陷區(qū)形成之前，就采取“超前”防治措施，即在制定開采設(shè)計(jì)時(shí)就考慮預(yù)防措施，并在開采過程中認(rèn)真實(shí)施，包括在采礦過程中所使用的各種“減塌技術(shù)和措施”等，如充填采礦法，條帶采礦法，多煤層、多工作面協(xié)調(diào)采礦法以及井下支護(hù)和巖層加固措施等，能夠大大減少礦區(qū)塌陷的范圍、塌陷幅度，減緩塌陷的時(shí)間進(jìn)程，從而減輕塌陷的危害程度。

地表塌陷區(qū)生態(tài)復(fù)墾技術(shù)就是將礦區(qū)開采破壞的土地、生物種群恢復(fù)到原有的狀態(tài)或達(dá)到可利用的地步，甚至恢復(fù)到更高的生態(tài)水平，它包括土地工程復(fù)墾、礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾技術(shù)等。永城塌陷區(qū)復(fù)墾技術(shù)方案及綜合治理措施如表6。

表6 塌陷區(qū)綜合防治技術(shù)、措施Table 6 The comprehensive prevention measures of ground collapse

開采塌陷區(qū)盆地中央地帶及地勢低洼區(qū)域，極易因積水而成為湖沼，為此應(yīng)建立新的排水系統(tǒng)，把積水疏干，進(jìn)行合理復(fù)墾，避免土地資源的浪費(fèi)。對此應(yīng)根據(jù)塌陷區(qū)的實(shí)際情況，采用合理的復(fù)墾技術(shù)。通常可以分為:

(1)疏干法，該方法應(yīng)用于低潛水位地區(qū)。

(2)挖深墊淺法，通常采取再挖深的方法，形成水(魚)塘，把取出的土方充填于塌陷淺的區(qū)域，形成可以耕種的土地，達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植并舉的利用目標(biāo)。

(3)直接利用法，對于大面積的塌陷地，特別是大面積積水或積水很深的水體以及未穩(wěn)定塌陷地或暫難復(fù)墾的塌陷地，常根據(jù)塌陷地現(xiàn)狀因地制宜地直接加以利用。如網(wǎng)箱養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨，種植淺水藕、耐濕作物。

(4)興建礦山公園。永城采煤塌陷地復(fù)墾利用方向可以為:“耕地+養(yǎng)殖用地”復(fù)墾模式、“建設(shè)用地+養(yǎng)殖用地”復(fù)墾模式、“養(yǎng)殖用地+林地”復(fù)墾模式。

煤矸石是永城煤炭礦區(qū)各開采礦井產(chǎn)生的主要固體廢棄物。根據(jù)調(diào)查已投產(chǎn)的五座礦井(城郊礦、陳四樓礦、車集礦、葛店礦、新莊礦)煤矸石的堆放量占地約54.22km2，對礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境造成一定的影響。煤矸石綜合治理要以大宗量利用為主，其主攻方向?yàn)槊喉肥l(fā)電、矸石建材及其制品、復(fù)墾回填以及煤矸石山無公害處理，兼顧發(fā)展高科技含量、高附加值的煤矸石綜合利用技術(shù)和產(chǎn)品。另外可以利用煤矸石回填采空區(qū)，避免采空引起大面積的塌陷。對煤矸石的綜合有效的利用可以減少煤矸石占用土地，降低對環(huán)境的污染。

4 結(jié)論與建議

通過對永城煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題的分析研究，初步掌握了礦區(qū)資源開發(fā)過程中遇到和誘發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題。針對所存在的環(huán)境地質(zhì)問題，提出了不同環(huán)境地質(zhì)問題的防治措施，為永城煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題的治理恢復(fù)提供依據(jù)。建議在開發(fā)前對區(qū)域環(huán)境容量或承載力評價(jià)及礦業(yè)開發(fā)地質(zhì)環(huán)境影響評價(jià);同時(shí)通過技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化工藝流程，通過礦山環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)開發(fā)前后環(huán)境擾動(dòng)的最小化和生態(tài)再造的最優(yōu)化［11］。

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