煤礦重組整合建設(shè)項目的水土流失預(yù)測研究

□ 薛海平

由于歷史原因，我國煤礦開采形成了多、小、散、亂的特點，中小煤礦回收率比較低，資源環(huán)境損失較為嚴(yán)重。推進(jìn)煤礦企業(yè)兼并重組整合是實現(xiàn)我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。根據(jù)山西省煤礦企業(yè)兼并重組整合工作領(lǐng)導(dǎo)組辦公室文件晉煤重組辦發(fā)[2009]61號《關(guān)于晉中市介休市煤礦企業(yè)兼并重組整合方案的批復(fù)》批準(zhǔn)，以地方骨干企業(yè)山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司主體企業(yè)，兼并重組整合原山西青云煤業(yè)有限公司（單獨保留礦井）。重組后的礦井名稱為山西介休義棠青云煤業(yè)有限公司。整合后礦井生產(chǎn)能力90萬t/a，井田面積6.3593km2，批準(zhǔn)開采2~11號煤層，礦井服務(wù)年限16.95年，其中2、5號煤層設(shè)計資源儲量為1 300.2萬t，設(shè)計可采儲量999.6萬t。由于在煤礦整合建設(shè)中對于環(huán)境問題的重視程度不夠，導(dǎo)致煤礦整合建設(shè)過程中水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重的矛盾較為突出，不僅對煤礦的安全運行產(chǎn)生了較大的影響，而且對礦區(qū)周邊的環(huán)境危害也是比較嚴(yán)重的，為了加強(qiáng)對水土流失的了解和控制，必然要對水土流失狀況實施有效的預(yù)測和防治。

一、預(yù)測范圍和預(yù)測時段

煤礦區(qū)水土流失是一種典型的人為加速侵蝕，開采活動擾動地表、破壞植被、改變原地貌、土壤結(jié)構(gòu)和地面物質(zhì)組成，造成土地肥力退化，進(jìn)而導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低，給該區(qū)植被恢復(fù)帶來一定難度，產(chǎn)生大量新增水土流失，造成一定程度的危害。水土流失又會使植被失去賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，尤其是進(jìn)入生產(chǎn)階段后，采煤沉陷區(qū)的逐年擴(kuò)大，若不重視治理，會使水土流失加劇，并由此帶來一系列的負(fù)面影響，這種水土流失是不可逆的，單純地依靠自然修復(fù)能力是不夠的，主要還是通過人為的輔助措施來治理。

本方案水土流失預(yù)測的范圍如下：主副井工業(yè)場地、風(fēng)井場地、臨時辦公區(qū)場地、爆破材料庫、新建排矸場、場外道路、輸電線路、供水管線、擬采采空沉陷影響區(qū)。

本工程水土流失預(yù)測分為建設(shè)期(含施工準(zhǔn)備期)、自然恢復(fù)期、運行期三個時段。建設(shè)期在確定預(yù)測時間時根據(jù)工程施工跨汛期作適當(dāng)調(diào)整。預(yù)測時段按最不利的情況考慮，超過雨季長度的按一年計算，不超過雨季長度的按占比例計算。根據(jù)項目區(qū)的實際情況，自然恢復(fù)期按3年考慮。生產(chǎn)運行期主要考慮方案服務(wù)期內(nèi)排矸場堆渣、井田采空沉陷影響區(qū)的水土流失。預(yù)測時段確定為2.65年。

二、預(yù)測內(nèi)容和預(yù)測方法

水土流失的預(yù)測內(nèi)容和方法見表1。

三、水土流失預(yù)測成果

（一）擾動地貌面積

根據(jù)項目工程設(shè)計報告與實地調(diào)查，結(jié)合工程現(xiàn)狀建設(shè)情況，對項目建設(shè)開挖擾動地貌、占壓土地、破壞林草植被的種類、數(shù)量、程度和面積進(jìn)行測算和統(tǒng)計，本項目建設(shè)期擾動地貌面積為31.2hm2，運行期為0.71hm2。

（二）棄土棄渣量

1．建設(shè)期

工程建設(shè)期，動用土石方量113.54萬m3，其中挖方61.85萬m3，回填51.69萬m3，棄方10.16萬m3(棄方中，矸渣和建筑垃圾4.93萬m3棄于排矸場，有5.23萬m3的土方分別用于排矸場和廢棄場地覆土)。

2．運行期

礦井投產(chǎn)后，矸石排放量為4.5萬t/a，約2.5萬m3/a（容重1.8t/m3）。鍋爐爐渣約為0.06萬t/a，約0.075 m3/a（容重0.8t/m3），生活垃圾約為80.69t/a。煤矸石和鍋爐爐渣全部運往排矸場堆放，生活垃圾由當(dāng)?shù)丨h(huán)衛(wèi)部門統(tǒng)一處理。

（三）損壞水土保持設(shè)施面積

水土保持設(shè)施是指凡具有水土保持功能的一切事物的總稱，如原地貌、自然植被等都有水土保持功能，均應(yīng)視為水土保持設(shè)施。經(jīng)統(tǒng)計，本項目建設(shè)期損壞的水土保持設(shè)施面積31.2hm2，運行期損壞的水土保持設(shè)施面積為0.7hm2。

（四）新增土壤流失量

本工程施工期所造成的水土流失量主要由兩部分組成，一是由于項目建設(shè)擾動、破壞土地及植被造成原地貌水土保持功能降低甚至喪失，導(dǎo)致土壤侵蝕加劇而增加的水土流失量；二是因為項目建設(shè)造成的臨時堆土松散堆放而增加的水土流失量；運行期主要是矸石堆棄、采空區(qū)沉陷重塑地貌產(chǎn)生新增水土流失。

表1 水土流失預(yù)測內(nèi)容和方法

根據(jù)工程建設(shè)特點、施工工藝、施工時序、擾動、破壞地貌類型及面積等，分析工程建設(shè)不同區(qū)域的水土流失特點，預(yù)測新增土壤流失量。

新增土壤流失量為工程施工擾動后產(chǎn)生的侵蝕量與原地貌侵蝕量的差值，計算公式為：

式中：

ΔW——新增水土流失量，t；

W1——原地貌水土流失量，t；

W2——擾動地貌水土流失量，t；

Fi——第i個地貌單元的預(yù)測面積，km2；

Mi——第i個地貌單元原地貌的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2.a；

Ni——第i個地貌單元擾動后地貌的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2.a；

Ti——第i個地貌單元的預(yù)測時間，a。

各區(qū)域原地貌土壤侵蝕模數(shù)，是依據(jù)土壤侵蝕遙感監(jiān)測解析資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合其地形地貌、土地利用現(xiàn)狀、土壤植被情況后，進(jìn)行綜合分析確定的。施工期擾動后侵蝕模數(shù)是根據(jù)工程特點、占地地形地貌、開挖破壞程度等，通過對山西省已建項目侵蝕類型區(qū)分布、自然條件及工程施工情況調(diào)查和綜合分析確定的。自然恢復(fù)期土壤侵蝕模數(shù)：在此期間水土流失逐步恢復(fù)到擾動前較為穩(wěn)定的地貌狀態(tài)，土壤侵蝕模數(shù)逐年減低，最后一年接近或達(dá)到原地貌土壤侵蝕模數(shù)。運行期土壤侵蝕模數(shù)：參考已有研究成果，在未采取水土保持措施的情況下，新建排矸場侵蝕模數(shù)確定為10 000t/km2.a；擬開采沉陷影響區(qū)侵蝕模數(shù)確定為8 000t/km2.a。各時段的新增土壤流失量匯總詳見表2。

表2 新增土壤流失量匯總表

（五）可能造成的水土流失危害

本工程在開挖、壓占等建設(shè)活動時，除破壞大量的自然植被、產(chǎn)生一定程度的水土流失外，也將造成一定程度的危害，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1．土地資源的破壞

由于開挖、占壓，破壞原有植被，改變了原地貌、土壤結(jié)構(gòu)和地面物質(zhì)組成，造成土地肥力的嚴(yán)重退化，從而導(dǎo)致土地生產(chǎn)力降低。同時，施工擾動了原土層，使裸地面積增加，為濺蝕、面蝕、細(xì)溝侵蝕等創(chuàng)造了條件，造成水土流失。

2．水資源的破壞

施工中臨時堆土如得不到及時有效的防護(hù)治理，在降雨和人為因素的作用下，泥沙直接流入場地臨近的河道中，增加其含沙量。

在實際開采過程中還會出現(xiàn)當(dāng)?shù)卮迩f水井被疏干，影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活用水，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)土地生產(chǎn)力下降和生態(tài)環(huán)境惡化。

3．周邊環(huán)境的影響

矸石堆棄增加了新的水土流失源，如果防治措施處理不當(dāng)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，對周邊生態(tài)環(huán)境造成威脅。同時在風(fēng)力的作用下，產(chǎn)生大量粉塵，使周圍村莊空氣質(zhì)量明顯下降，影響居民的生活質(zhì)量。

表3 建設(shè)期不同區(qū)域土壤流失量匯總表

4．造成地面沉陷

由于礦井不斷進(jìn)行地下開采，致使地下形成采空區(qū)，隨著時間的推移，采空區(qū)地貌在某些外力作用的影響或條件激發(fā)下，產(chǎn)生地面沉陷、地裂縫、滑坡等自然災(zāi)害，在加劇土壤流失的同時，也造成了雨水的大量滲漏。

四、綜合分析

（一）新增水土流失特點

1．時空分布一致，侵蝕強(qiáng)度變化不同

施工期主要集中在工業(yè)場地、場外道路、排矸場等建設(shè)區(qū)域，呈點、片、線狀，新增侵蝕活躍，施工結(jié)束后，侵蝕活動隨之減弱，呈現(xiàn)先強(qiáng)后弱的特點。

2．新增侵蝕的行業(yè)特點鮮明

與同類煤礦建設(shè)相同，本項目建設(shè)的新增侵蝕主要集中體現(xiàn)在：施工擾動形成的加速侵蝕；建設(shè)期臨時堆土的堆積物侵蝕；運行期排矸場堆矸形成的堆積物侵蝕，地貌沉陷造成地貌破碎引起水土流失。

3．排矸場水土流失影響時間長

隨著施工的結(jié)束，施工侵蝕活動隨之減弱，危害有限，易于控制；排矸場的水土流失時間較長，若不加強(qiáng)控制，會造成水土流失危害，且危害較大。

4．采空沉陷影響區(qū)水土流失危害大

地貌沉陷、裂縫破壞原地貌，降水大量滲漏，地貌植被枯死，保水固土能力下降，水土流失增強(qiáng)。

（二）水土流失重點時段與重點區(qū)域

1．重點時段

生產(chǎn)運行期由于產(chǎn)生水土流失的面積大，時間長，新增土壤流失量最大；建設(shè)期（含施工準(zhǔn)備期）新增土壤流失量雖然小，但主要是人為擾動產(chǎn)生，容易采取措施控制，因此把建設(shè)期作為水土流失防治的重點時段。

2．重點區(qū)域

建設(shè)期重點防治區(qū)域的確定主要根據(jù)各功能區(qū)單位面積、單位時間新增水土流失量的大小決定。詳見表3。

由上表可知，新建排矸場新增水土流失增量最大，主要原因在于排矸場擾動后土壤侵蝕模數(shù)較大；其次為場外道路，原因在于擾動后土壤侵蝕模數(shù)較大。因此，確定新建排矸場和場外道路為重點防治區(qū)域。

（三）應(yīng)采取的防治措施

依據(jù)前面分析，水土流失防治布置應(yīng)采取工程措施、植物措施和臨時防護(hù)相結(jié)合的措施，以工程措施為先導(dǎo)，發(fā)揮其速效性和控制性，在重點地段布設(shè)工程措施的同時，加強(qiáng)“線”和“面”上的林草建設(shè)，充分發(fā)揮植物措施的后效性，同時加強(qiáng)臨時防護(hù)和管理措施。

本工程主副井工業(yè)場地和風(fēng)井場地以臨時性擋護(hù)、遮蓋和排水等措施為主進(jìn)行防治；場外道路以排水措施和植物措施為主；排矸場以攔擋、排水和植物措施防護(hù)措施為主。

（四）防治措施實施進(jìn)度

水土保持措施進(jìn)度的安排應(yīng)結(jié)合主體工程，堅持“三同時”原則，實現(xiàn)水土流失的根本治理。施工中對于挖、填土方較多區(qū)域，應(yīng)實施擋護(hù)、遮蓋、排水等臨時性防護(hù)措施；施工擾動的場地及時進(jìn)行清理平整，實施硬化、綠化措施；綠化工程結(jié)合所選樹草種的植物學(xué)特性、適宜栽植季節(jié)等因素，及時進(jìn)行栽植；生產(chǎn)運行期間，采取分層碾壓堆矸工藝，達(dá)到設(shè)計標(biāo)高進(jìn)行平整、覆土、綠化。

排矸場應(yīng)先修筑攔擋工程后排渣，在施工期可先行安排截水溝等工程建設(shè)；臨時防護(hù)措施要提前布設(shè)，綠化工程結(jié)合所選造林樹種的植物學(xué)特性、適宜栽植季節(jié)等因素及時進(jìn)行栽植。

（五）對監(jiān)測、監(jiān)理的指導(dǎo)性意見

為及時發(fā)現(xiàn)并有效控制項目建設(shè)區(qū)水土流失現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)在項目區(qū)內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點對水土流失進(jìn)行適時監(jiān)測，對重點流失區(qū)域重點監(jiān)測，以確保各項水保設(shè)施發(fā)揮效益，將水土流失量降到最低限度。

在施工期監(jiān)測重點地段為施工臨時堆土區(qū)域，特別是6～9月降雨季節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工業(yè)場地區(qū)，主要監(jiān)測水土流失量的變化、綠化效果等。根據(jù)水土流失量的預(yù)測結(jié)果，應(yīng)對建設(shè)期排矸場、工業(yè)場地、風(fēng)井場地重點監(jiān)測，其余防治區(qū)域進(jìn)行一般監(jiān)測。運行期主要監(jiān)測排矸場的坡面防護(hù)情況、采空沉陷影響區(qū)的沉陷情況及排水設(shè)施的完好性。另外，同步進(jìn)行監(jiān)理，以保證工程質(zhì)量和進(jìn)度。

綜上所述，根據(jù)《中華人民共和國水土保持法》和“三同時”制度的有關(guān)要求，建設(shè)過程中應(yīng)按主體工程和水土保持方案設(shè)計及時布設(shè)水土保持措施，增加植被覆蓋度。當(dāng)主體工程土建施工結(jié)束后，所布設(shè)的各項水土保持措施將逐步發(fā)揮防護(hù)效益，逐步消除項目建設(shè)帶來的不利影響，保護(hù)和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。