準格爾旗煤炭礦集區(qū)生態(tài)環(huán)境問題與修復(fù)措施

秦越強 王志民 周業(yè)澤 李朋偉 高 森 許凱然 姜禹戈 李朋元

（中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心）

21世紀以來，我國的社會經(jīng)濟發(fā)展迅猛，其中煤炭資源的開采對經(jīng)濟的發(fā)展起到了有力的促進作用，但在開采煤炭資源的同時，煤炭礦集區(qū)的生態(tài)環(huán)境也遭受了嚴重的破壞，不僅對礦區(qū)內(nèi)的大氣、水、土壤等環(huán)境因素造成了污染，也對礦區(qū)周圍的居民生活產(chǎn)生了影響。因此，礦山生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的保護和礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作得到了國家和地方政府的高度重視，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本研究依托于中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心（原武警黃金第二總隊）的《鄂爾多斯市準格爾旗煤炭礦集區(qū)生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查》項目，對準格爾旗煤炭礦集區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題進行了調(diào)查研究，并針對具體問題進行分析，提出相關(guān)修復(fù)建議，旨在為準格爾旗的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作提供支撐。

1 準格爾旗概況

準格爾旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東部，毛烏素沙漠的東南端，蒙晉陜?nèi)〗唤缣?。北與包頭市、東與呼和浩特市隔黃河相望，東南、南部與山西省偏關(guān)縣、河曲縣以河為界，西南與陜西省府谷縣接壤，西部與伊金霍洛旗、東勝區(qū)、達拉特旗搭界（圖1）。準格爾旗位于東經(jīng)110°05'~111°27'，北緯39°16′~40°20′，總面積為7 692 km2，轄7鎮(zhèn)2鄉(xiāng)1個蘇木，常住人口36.69萬。

1.1 地形地貌

準格爾旗地處山西、陜西黃土高原與鄂爾多斯高原的連接處，由西北向東南傾斜，主要為丘陵溝壑地貌（圖2），海拔多在1 200~1 400 m，西部海拔最高為1 584 m，東南部最低為820 m，約占全旗總面積的74%，地表切割強烈，溝壑發(fā)育，地形支離破碎［1］；北部以風(fēng)沙地貌為主，庫布旗沙漠覆蓋5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，約占全旗總面積的12%，風(fēng)蝕及沙化作用明顯；其他平緩地形集中分布在黃河沿岸及河川地區(qū)?？傮w來說，沿黃河流域風(fēng)蝕沙化及水土流失最嚴重的地區(qū)即為準格爾旗，因此準格爾旗的生態(tài)環(huán)境極其脆弱，迫切需要修復(fù)與保護。

1.2 氣候特征

準格爾旗屬于典型的大陸半干旱氣候，冬季持續(xù)時間長且寒冷，春季氣候干燥且多風(fēng)，夏季持續(xù)時間短且炎熱。年平均氣溫為7.3℃（圖3），區(qū)域內(nèi)降水量較少且降水分布集中，近年來平均降水量為352 mm，降水多集中于6—9月，約占全年降水量的76%，年均蒸發(fā)量1 992.5 mm，年均濕潤度為0.3~0.34，年平均日照時數(shù)為2 900~3 100 h，年平均大風(fēng)日數(shù)為10~30 d，最大風(fēng)速為32 m/s［2］。

1.3 土壤植被

準格爾旗土壤類型主要為栗鈣土、黃綿土、風(fēng)沙土、鹽堿土、潮土，其中占比例最大的為栗鈣土及風(fēng)沙土，土地經(jīng)過多年的風(fēng)蝕，物理性黏粒損失殆盡，沙粒和礫石殘留地表，因此造成地表粗質(zhì)化，大部分土地難以耕種。項目組通過準格爾旗2019年GF-1數(shù)據(jù)開展了土地利用類型調(diào)查，該地區(qū)土地類型主要包括26種，其中林地面積最大，為4947.74 km2，占總面積的65.56%；旱地面積為784.27 km2，占總面積的10.39%；其次為天然草地，面積為580.77 km2，占總面積的7.70%。

準格爾旗植被屬于溫帶干旱草原植被，發(fā)育廣泛，本土植物類型主要由多年生的草本植物組成，以禾本科植物占優(yōu)勢，其次是菊科、豆科植物，但因干旱、過度放牧、墾荒等自然災(zāi)害和人為活動的影響，天然草本植物所剩無幾；區(qū)域內(nèi)喬木多為人工栽植的楊樹、柳樹及部分榆樹、松樹，但因侵蝕、沙化、地下水及其他因素的影響，全區(qū)的植被大體可分為干旱草原沙生植被、干旱草原植被、草甸草原及鹽生植被3種類型，呈明顯的過度趨勢，具有生長季節(jié)短，休眠期長，覆蓋率低的特點。

1.4 水文情況

準格爾旗主要的溝川有呼斯太河、大溝、十里長川、納林川、塔哈拉川、孔兌溝、罐子溝、餑牛川等，除呼斯太河和大溝外，其他溝川皆為季節(jié)性溝川（圖4）。區(qū)域內(nèi)水資源空間分布不均，由東南向西北遞減，黃河為準格爾旗的主要水系，流經(jīng)該旗北部、東部、東南邊緣，全程197 km，黃河過境水資源量相對充沛。根據(jù)水資源評價結(jié)果，準格爾旗地表水資源為3.22億m3，地下水資源為1.04億m3，總量僅為全國平均值的15%，人均占有水資源量為全國人均值的59%，因此屬于水資源短缺地區(qū)。由于準格爾旗地下水資源在區(qū)域分布上差異較大，根據(jù)巖性含水類型及富水性情況，將全旗地下水主要分為溝谷沖積洪積層潛水、沖積湖積層潛水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碎屑巖承壓水、層狀基巖裂隙水、基巖裂隙巖溶水6個類型。

1.5 礦產(chǎn)資源

區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)資源主要有煤、石灰石、高嶺土、硫鐵礦、鐵礦、鋁土礦、油母頁巖、石英砂、泥炭、黏土、鋁礬土、天然氣、木紋石等13種。其中煤炭資源具有分布廣、儲量大、煤質(zhì)好、埋藏淺、易開采等優(yōu)點。全旗已探明煤炭總儲量約為544億t，遠景資源儲量為1 000億t。項目組通過遙感技術(shù)解譯出露天采場335個，礦山占地面積為302.23 km2，固體廢棄物面積為32.33 km2，主要分布于薛家灣、龍口、準格爾召、暖水、沙圪堵、納日松等地區(qū)（圖5）。

2 準格爾旗煤炭開采造成的主要生態(tài)環(huán)境問題

2.1 地質(zhì)災(zāi)害問題

煤炭資源在開采過程中會誘發(fā)不同類型及程度的地質(zhì)災(zāi)害，其主要災(zāi)害類型有以下2類。

（1）采空引起的地面塌陷及裂縫（圖6）。塌陷通常發(fā)生在開采過程中或開采后不久，由于煤炭采空區(qū)的逐步擴大，采空區(qū)頂部巖體失去了支撐，導(dǎo)致覆蓋巖層發(fā)生破裂或移動，當破壞延伸至地表，地面將形成地裂縫、塌陷坑等現(xiàn)象?？赡軐ΦV山安全生產(chǎn)、礦區(qū)居民生活構(gòu)成嚴重威脅。通過調(diào)查可知，地裂縫形態(tài)多為折線型，少數(shù)地裂縫呈直線型。走向多為東西向。如花圖溝煤礦附近地裂縫主體為東西走向，間斷出現(xiàn)，可見延續(xù)長度約為500 m，東側(cè)裂縫為拉張形成，西側(cè)裂縫為下錯形成，縫隙寬度為0.1~0.3 m，縫隙深度為0.2~0.5 m；卓正煤礦、新鑫煤礦地裂縫主體為東西走向，連續(xù)出現(xiàn)，可見長度約為800 m，主要為拉張形成，縫隙寬度為0.1~0.3 m，縫隙深度為0.2~1 m。少數(shù)幾條地裂縫走向為近南北向。又如，伊泰集團紅景塔二礦附近，地裂縫面積約為0.1 km2，走向為350°~10°，近直立，長幾十米到幾百米不等，最長500 m，寬0.01~0.2 m，屬于拉張類型，折線形態(tài)，共計65條裂縫，呈平行式排列，間距為1~5 m，階梯指向為120°。主要形成原因為煤礦采空，部分地裂縫已進行充填，修復(fù)。

（2）崩塌、滑坡。在礦山露天開采過程中開挖坡腳或開山修路造成礦山巖體不穩(wěn)定，且準格爾旗巖土體條件主要為煤系地層，巖性較軟，容易受到雨水、風(fēng)沙侵蝕，故導(dǎo)致崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。其主要危害是對道路交通及行人、車輛的安全產(chǎn)生威脅。項目組通過遙感技術(shù)對準格爾旗礦山地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀進行解譯，得出已發(fā)生滑坡災(zāi)害點14處，潛在滑坡隱患點4處；已發(fā)生崩塌點19處，潛在崩塌隱患點3處。

2.2 土地占用及土壤污染問題

土地資源被占用是煤炭開采過程中的重要問題，開采煤炭時會改變周邊地形地貌，改變原有的土地類型，開挖土壤活動時會破壞大量的植被、耕地和建設(shè)用地，開采過程中固體廢棄物的堆積也會占用大面積土地資源［3-5］。

項目組通過遙感分析解譯出準格爾旗礦產(chǎn)資源開發(fā)活動累計用地面積為306.84 km2，約占準格爾旗全旗總面積的4.06%，其中采場占地面積最大，其次為恢復(fù)治理區(qū)和中轉(zhuǎn)場地，固體廢棄物位居第4，礦山建筑占地面積最少。工作區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)占用、損毀土地面積為202.91 km2。其中占用面積（以中轉(zhuǎn)場地、礦山建筑為主）為56.79 km2，損毀面積（以采場、固體廢棄物、采空塌陷區(qū)為主）為146.12 km2，分別占工作區(qū)總面積的18.51%和47.62%?？梢姷V產(chǎn)資源開發(fā)對土地資源的破壞是巨大的（表1）。

土壤的污染主要是固體廢棄物所導(dǎo)致，在煤炭開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物不僅導(dǎo)致土地資源被占用，而且開采過程中的重金屬、污染物等也會隨著雨水輸送至地下水或者河水中，造成水源污染并改變土壤成分，對周邊植被及耕地農(nóng)作物產(chǎn)生嚴重的影響。煤礦的固體污染物種類很多，比如采掘造成的矸石、建筑垃圾、土方回填、生活垃圾、污泥、煤泥等，其中煤矸石是礦區(qū)采掘的主要固體排出物，約占煤炭產(chǎn)量的16%~25%［6］，且對礦區(qū)的土壤危害最大。

2.3 水污染問題

煤礦開采過程中不僅會對水質(zhì)造成污染，且會因開采到地下水層，導(dǎo)致礦區(qū)的水資源減少。當煤層深度低于地下水水位深度時，煤礦開采過程中會出現(xiàn)涌水現(xiàn)象并影響礦井生產(chǎn)，此時會配置排水系統(tǒng)進行礦井排水，長期向外部排出大量的礦坑水，這必然會導(dǎo)致地下水的水位下降及水量減少。排出的污染礦坑水如果不及時處理，會流入地表溝谷及河流，并對河水和淺層地下水造成污染［7-9］。

通過項目組調(diào)查，長稍溝、壕賴溝、悖牛川一帶部分地區(qū)水位埋深較淺，約為5 m，當?shù)卮迕裼盟鶠闈撍?，水質(zhì)渾濁，有輕微腥臭味，該區(qū)域煤礦較密集，破壞了潛水層，導(dǎo)致水土流失嚴重，水量嚴重不足。暖水鄉(xiāng)附近地區(qū)水量較為充足，該地區(qū)煤礦數(shù)量較少，對含水層的破壞不是很嚴重，并且該地區(qū)有暖水河等地表水系，含水量較高，故水量充足。暖水鄉(xiāng)至沙圪堵鎮(zhèn)中間部位嚴重缺水，該地區(qū)村民飲用水均為其他地區(qū)購買水，然后存儲至旱井中飲用，灌溉水為旱井儲存雨水。黃天棉圖村至悖牛川區(qū)域及暖水鄉(xiāng)至納日松鎮(zhèn)區(qū)域大量煤矸石露天堆積于地表，在降水及河水的淋濾作用下，各種化學(xué)成分、有害重金屬的淋溶沖刷析出，將會對地表水體、地下水體和土壤污染，應(yīng)該引起重視。區(qū)內(nèi)受煤矸石淋濾影響的主要區(qū)域?qū)楹庸葏^(qū)地下水和流經(jīng)煤礦區(qū)的地表水。

2.4 大氣污染問題

煤炭開采過程中的大氣污染源主要2種（圖7），一種是開采過程中產(chǎn)生的粉塵和煙塵，一種是加工過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體，包括瓦斯、SO2、CO、H2S、氮氧化物等。其中瓦斯氣體對礦區(qū)的大氣污染程度最為嚴重，且瓦斯的濃度過高容易發(fā)生爆炸，這對礦區(qū)工作人員的生命安全存在嚴重威脅；除此之外，燃燒煤炭會生成CO、CO2和氮氧化物；煤矸石內(nèi)部自燃生成SO2；煤炭資源在裝運過程中產(chǎn)生的粉塵和煙塵，都會對礦區(qū)周邊空氣環(huán)境產(chǎn)生影響［10-13］。

通過項目組調(diào)查得知，煤礦區(qū)運輸?shù)缆分饕衂003曹羊線、曹羊復(fù)線、壕羊線等，車輛均為運煤車輛，載重量大，尾氣排放量高，運輸途中會掉落煤渣，激起揚塵，對周邊大氣影響嚴重。

3 準格爾旗生態(tài)環(huán)境的修復(fù)措施

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)是對礦區(qū)廢棄地產(chǎn)生的污染進行修復(fù)，進而實現(xiàn)對廢棄地的土地資源再次可持續(xù)利用［14］，但在如今經(jīng)濟飛速發(fā)展的背景下，社會發(fā)展與生態(tài)保護之間的矛盾日益突出，傳統(tǒng)的“末端修復(fù)”方法已難以滿足環(huán)境保護需求，必須要在源頭與過程間加以控制，其目的是及時修復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境，緩解煤炭開采與環(huán)境保護之間的矛盾［15］。故此，針對以上生態(tài)環(huán)境問題總結(jié)，提出以下修復(fù)措施。

3.1 地質(zhì)災(zāi)害防治措施

（1）地面塌陷、地裂縫防治措施（圖8）。首先要提前探明采空區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件，為防治工程作業(yè)圖紙設(shè)計提供位置信息，盡量從源頭上避免地面塌陷、地裂縫的產(chǎn)生；在開采過程中要有效地規(guī)劃塌陷范圍內(nèi)的采礦工作，及時對采空引起的塌陷及地裂縫進行黏土填平工作，以避免地表水進入開采施工段；最后在停采后要針對地裂縫群發(fā)地區(qū)進行再次鞏固，主要措施為灌漿填充、填土夯實。

（2）崩塌、滑坡防治措施。首先要勘查礦區(qū)工程地質(zhì)條件，確定重點防治部位；其次，在崩滑體前緣位置修建支擋措施，以提高邊坡的穩(wěn)定性；最后，在崩滑體邊坡后緣位置筑建排水設(shè)施，及時阻斷地表水流入到裂縫中引起裂縫擴張，從根本上降低崩塌、滑坡的發(fā)生概率。

3.2 土壤污染治理措施

為治理開采煤礦時所造成的土壤污染，除了從源頭上控制污水的排放外，還要對固體廢棄物進行控制利用，而固體廢棄物的主要種類則是矸石，因此，對矸石的有效利用成為了土壤污染重要治理措施。目前矸石主要的處理方式是直接在井下進行填充或堆存處理，既減少了煤矸石在地表上的堆砌污染，又減少了運送至地表的成本；同時要運用相關(guān)技術(shù)手段，對煤矸石進行綜合開發(fā)利用，實現(xiàn)其廢棄物的資源重復(fù)利用［16］；而對于不能及時處理利用的煤矸石，要通過分層堆積、覆蓋黃土、堿性物質(zhì)等隔斷層的方法，阻斷煤矸石內(nèi)外的空氣流動，防止煤矸石自燃，達到邊堆積邊治理的效果。

對于輕度污染的土壤，可在礦區(qū)內(nèi)種植具備吸收污染物功能的植被，通過生態(tài)環(huán)境的自我調(diào)節(jié)功能，使土壤中的有害物質(zhì)含量逐漸降低；同時利用生物降解、抑制劑等方法均可以對土壤污染治理達到一定效果（圖9）。

3.3 水污染治理措施

針對開采煤炭資源過程中產(chǎn)生的水污染問題，首要的是重點加強對礦區(qū)的水質(zhì)檢測與控制工作，水質(zhì)檢測方法包括水中氯離子的測定、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）的測定、水質(zhì)色度的測定等（圖10），同時要對正在生產(chǎn)的礦區(qū)造成水資源的影響進行實時監(jiān)控，并及時對已經(jīng)形成的水污染及破壞進行修復(fù)，以確保將開采煤炭對水資源的影響程度降到最低。

除此之外，還要重視煤坑的排水問題，提高排水的利用率。通過調(diào)查資料可知，準格爾旗2017年廢水排水量約為3 163.9×104m3，如果都排到礦區(qū)附近的河道及溝谷內(nèi)，將對河水和淺層地下水造成污染，這不僅是對水資源的污染，同時也是水資源的浪費。為避免這種水資源污染與浪費，可以適當優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，倡導(dǎo)發(fā)展電廠或與煤化工有關(guān)的項目，綜合利用煤坑內(nèi)的排水，達到雙贏的效果；對于無法有效利用的排水，煤炭企業(yè)必須進行水污染處理，達到排放標準后才可排放，以避免水污染與土壤污染。

3.4 大氣污染治理措施

對于開采過程中產(chǎn)生的粉塵、煙塵對大氣造成污染的主要防治措施就是抑制揚塵，通過封閉的方式，將有揚塵的工藝或煤矸石等封閉起來，避免粉塵擴散到空氣中；此外，還可以將礦坑內(nèi)的排水經(jīng)處理后噴灑到路面上，不僅可以減少粉塵對大氣的污染，還可以提高對排水的利用率。目前，多數(shù)煤礦礦區(qū)內(nèi)擁有的除塵設(shè)備多為單筒旋風(fēng)除塵器，這種除塵器弊端較多，有易破損、堵塞、效率低等缺點，因此，可通過對除塵器的更新、改造以提高除塵效率，或采用濕法除塵代替干法除塵，降低煙氣中的SO2排放量，減少對大氣的污染。

合理種植植被同樣可以達到改善大氣環(huán)境的效果，植物可吸收空氣中的CO2，降低礦區(qū)空氣中有害氣體的濃度，抑制和減少空氣中的含塵量和含菌量，通過合理使用植物不僅可以改善大氣環(huán)境，還可以優(yōu)化水土環(huán)境，使水土資源和大氣都得以修復(fù)。

4 結(jié) 語

準格爾旗煤炭礦集區(qū)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作是長期且困難的，這需要投入大量人力、物力及時間，但并不能因前路艱險而放棄，堅持長期治理，《鄂爾多斯市準格爾旗煤炭礦集區(qū)生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查》項目組正是為此而組成，希望為修復(fù)準格爾旗煤炭礦集區(qū)的生態(tài)環(huán)境提供幫助，還人民“綠水青山”。