深部煤礦閉坑后礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)及影響分析

賀超峰

(國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)際工程咨詢(xún)有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

近20年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的騰飛，國(guó)家快速發(fā)展對(duì)能源的需求量顯著增加。而我國(guó)能源結(jié)構(gòu)是富煤、少油的國(guó)家，對(duì)煤炭的單方面依賴(lài)短期內(nèi)無(wú)法改變。然而煤炭資源的開(kāi)采有利有弊，資源的采出對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要貢獻(xiàn)，同時(shí)也造成了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞，尤其對(duì)礦區(qū)附近地面及建筑沉陷、地下水及固體廢棄物的污染等方面存在影響[1 -4]。因此對(duì)閉坑煤礦進(jìn)行礦區(qū)環(huán)境影響監(jiān)測(cè)與評(píng)估十分必要。

許多學(xué)者對(duì)煤礦閉坑的影響進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，王來(lái)貴等[5]根據(jù)大中型露天煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中誘發(fā)的大量地質(zhì)災(zāi)害，針對(duì)不同地質(zhì)災(zāi)害提出礦山在閉坑后可能發(fā)生的災(zāi)害類(lèi)型，分類(lèi)指出不同的災(zāi)害防治措施。汪旭[6]分析歙縣洪村口廢棄石煤礦閉坑概況，提出關(guān)于歙縣洪村口廢棄石煤礦山的地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)與治理建議。畢堯山等[7]以岱河煤礦為研究對(duì)象，選用回采空間法計(jì)算了該煤礦閉坑后采空區(qū)積水體積，并分析了閉坑后采空區(qū)積水過(guò)程。許延春等[8]以三河尖煤礦閉坑工程為研究背景，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬的方法，從不同角度分析三河尖與姚橋煤礦井田邊界隔水煤(巖)柱留設(shè)的安全性，研究了三河尖煤礦井田邊界煤柱留設(shè)合理寬度、地質(zhì)鉆孔導(dǎo)水通道，從而分析三河尖煤礦閉坑后礦井積水對(duì)姚橋礦西翼采區(qū)開(kāi)采安全性的影響程度。張健俐[9]分析了淄川區(qū)洪山、寨里煤礦閉坑工程，研究表明礦井閉坑后礦區(qū)隱伏灰?guī)r裂隙巖溶水的污染范圍與礦井老空水相一致，是由于礦井老空水水位升高與巖溶水聯(lián)通導(dǎo)致污染。針對(duì)這種竄層污染制定了控制及治理對(duì)策。任輝等[10]提出加快關(guān)閉煤礦煤層氣資源開(kāi)發(fā)利用，首先建立資源評(píng)價(jià)方法，完善閉坑煤礦煤層氣監(jiān)測(cè)制度。提出建立相關(guān)制度，通過(guò)產(chǎn)業(yè)政策激勵(lì)閉坑礦井的煤層氣資源的高效利用。劉小瓊等[11]分析了閉坑煤礦對(duì)礦區(qū)及周邊區(qū)域潛在的地質(zhì)及環(huán)境災(zāi)害，研究其對(duì)社會(huì)、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)及礦區(qū)環(huán)境的危害，呼吁高度關(guān)注閉坑煤礦對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成的影響，預(yù)先制定礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施。

眾多學(xué)者研究表明煤礦閉坑后對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境會(huì)造成潛在威脅。因此，針對(duì)淮北某煤礦閉坑后對(duì)礦區(qū)環(huán)境影響進(jìn)行研究，通過(guò)介紹礦區(qū)現(xiàn)有資源儲(chǔ)量及閉坑原因，然后對(duì)礦區(qū)地面沉陷、地表及地下水、固體廢棄物的污染等方面分析礦區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀并提出應(yīng)對(duì)措施，以期為類(lèi)似礦井閉坑后礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理提供技術(shù)參考。

1 工程背景

煤礦位于淮北市東北方向，距離市區(qū)約16 km的朔里鎮(zhèn)境內(nèi)，具體位于淮北煤田的閘河復(fù)式向斜中段西翼。南北長(zhǎng)約7.3 km，東西寬2～4 km，面積約17.995 8 km2。礦井上覆40.10～80.00 m第四系沖積層，實(shí)際標(biāo)高32.04～34.99 m。礦區(qū)地勢(shì)呈現(xiàn)北部偏高而南部稍低特征，區(qū)域內(nèi)無(wú)河流通過(guò)，現(xiàn)僅在礦區(qū)北方葛洼村附近存在人工開(kāi)鑿的增產(chǎn)河。河流水量隨季節(jié)變化，旱季干涸。1982年7月，增產(chǎn)河最高洪水位高達(dá)36.6 m，造成過(guò)一定的積水災(zāi)害。礦區(qū)范圍屬海洋 -大陸過(guò)渡性氣候，冬冷夏熱，多雨水，其中雨季多集中于每年的6～8月份，年降水量約為600～1 480 mm。凍結(jié)期為每年12月上旬至次年2月中旬，凍土深度為0.2 m，最深為0.3 m。礦區(qū)氣溫歷年在12～40 ℃，平均相對(duì)濕度為73%，氣壓為99～104.1 kPa。夏季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，風(fēng)力一般3～5級(jí)，最大風(fēng)力為9～11級(jí)[12]。

2 煤礦閉坑原因及現(xiàn)有資源儲(chǔ)量

根據(jù)皖煤化辦函〔2017〕2號(hào)《安徽省煤炭行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展辦公室關(guān)于淮北礦業(yè)集團(tuán)請(qǐng)求暫緩關(guān)閉石臺(tái)、朔里等五對(duì)煤礦意見(jiàn)的復(fù)函》，為響應(yīng)國(guó)家有序退出過(guò)剩產(chǎn)能要求，綜合考慮煤炭資源枯竭等因素，2019年7月底之前淮北礦業(yè)須關(guān)閉該煤礦，退出產(chǎn)能165萬(wàn)t/a。煤礦煤層最低可采厚度采用0.7 m，最高可采灰分為40%，最高硫分為3%，最低發(fā)熱量為17.0 MJ/kg。風(fēng)化帶為煤層露頭至-45 m，風(fēng)氧化帶內(nèi)的煤層不估算資源儲(chǔ)量。截至2019年7月31日，礦權(quán)范圍內(nèi)全礦井保有資源儲(chǔ)量419.5萬(wàn)t，另有天然焦515.5萬(wàn)t，累計(jì)查明資源儲(chǔ)量7 662.8萬(wàn)t。現(xiàn)礦區(qū)保有的剩余資源儲(chǔ)量占累計(jì)探明礦區(qū)資源儲(chǔ)量的5.5%左右。

3 閉坑煤礦對(duì)礦區(qū)環(huán)境影響評(píng)估

3.1 礦區(qū)沉陷地質(zhì)環(huán)境變化

3.1.1 主采煤層上覆頂板裂隙發(fā)育范圍

依據(jù)國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局、國(guó)家能源局、國(guó)家鐵路局頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，礦井可采煤層覆巖內(nèi)為中硬巖層，按照規(guī)范公式，通過(guò)本礦井揭露煤層厚度計(jì)算了3、5、6號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度，見(jiàn)表1。

表1 煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶及垮落帶高度計(jì)算

通過(guò)表1可以看出主采煤層開(kāi)采后上覆巖垮落帶及裂隙帶發(fā)育高度。從引發(fā)礦井上覆巖層開(kāi)采時(shí)的突水災(zāi)害發(fā)生可能性角度分析，大都因?qū)严稁茐母矌r而發(fā)生松散層含水層突水，然而該礦區(qū)礦田范圍內(nèi)上覆巨厚松散層覆蓋，開(kāi)采引起的上覆導(dǎo)水裂隙帶及垮落帶一般不會(huì)與地表裂縫相互導(dǎo)通，因此不存在礦井突水破壞災(zāi)害。

3.1.2 地表沉降及塌陷

礦區(qū)內(nèi)采空塌陷影響面積合計(jì)約13.1 km2(約占礦區(qū)面積的72.9%，地表塌陷從南向北逐漸擴(kuò)展。礦區(qū)地層塌陷呈現(xiàn)規(guī)模大，地面塌陷穩(wěn)定期長(zhǎng)，其中礦區(qū)地表下沉最大點(diǎn)深達(dá)8.0 m；塌陷區(qū)積水面積合計(jì)約6.49 km2(約占礦區(qū)總面積的35.3%)，最大積水深度約6.5 m。根據(jù)礦區(qū)內(nèi)塌陷毀損情況，現(xiàn)將采空塌陷影響區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域。采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害影響嚴(yán)重區(qū)(區(qū)域一)，塌陷深度大于1.5 m區(qū)域，該區(qū)域面積約合計(jì)為8.9 km2；采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害影響較嚴(yán)重區(qū)(區(qū)域二)，塌陷深度約為0.5～1.5 m區(qū)域，該區(qū)域面積約合計(jì)為2.9 km2；采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害影響較輕區(qū)(區(qū)域三)，塌陷深度小于0.5 m區(qū)域，該區(qū)域面積約合計(jì)為1.2 km2。

3.1.3 地表塌陷的綜合治理

礦采空塌陷區(qū)現(xiàn)狀治理工程主要為礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)周邊塌陷區(qū)的復(fù)墾工程，主要治理措施為穩(wěn)沉后直接用煤矸石回填塌陷區(qū)，然后直接作為建設(shè)用地，建設(shè)工人村及塌陷區(qū)搬遷村莊的回遷村址。治理面積約0.55 km2，還剩余約12.5 km2的塌陷區(qū)未進(jìn)行治理。治理效果明顯，通過(guò)穩(wěn)沉后回填煤矸石、土等方式是可行的，可作為后續(xù)塌陷區(qū)治理工程的參照。

3.2 礦區(qū)水體污染分析

通常礦區(qū)污廢水由礦區(qū)人員生活污水、井下生產(chǎn)排水和選煤工藝廢水組成。這些污廢水會(huì)對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)的地表及地下水產(chǎn)生潛在的污染可能性。

3.2.1 地表水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

礦區(qū)地面范圍內(nèi)無(wú)大的河流和湖泊，僅有礦區(qū)北部由人工開(kāi)鑿的礦井增產(chǎn)河，河面寬約25 m。目前，葛洼橋以西到陳谷堆段河道已發(fā)生塌陷，河面變寬，最寬處約100 m。增產(chǎn)河兩岸邊坡形狀不規(guī)則，據(jù)調(diào)查，此人工河河水暫未受到污染礦井煤體及污水影響[12]。對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)西側(cè)的朔西湖內(nèi)取地表水樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可知，項(xiàng)目區(qū)地表水水質(zhì)均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)礦區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析表明，礦區(qū)主要煤層開(kāi)采對(duì)礦區(qū)內(nèi)孔隙含水地層沒(méi)有造成較大影響，地層中隔水層并未發(fā)生破壞，區(qū)域地下水的均衡未受到破壞。地下水水位并未呈現(xiàn)變大、減小或枯竭的現(xiàn)象，因此可見(jiàn)礦區(qū)含水地層水質(zhì)未受到污染，徑流、水位未受到破壞。此外，礦區(qū)采掘邊緣的地層風(fēng)化帶，其發(fā)育裂隙導(dǎo)致含水地層水量減小，但由于該處水體水量較小，因此對(duì)地下水平衡影響較小。分析結(jié)果表明礦區(qū)淺層地下水水質(zhì)能達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類(lèi)要求。研究表明礦區(qū)居民井水(淺層地下水)水質(zhì)較好，未受到礦區(qū)污、廢水影響。

表2 礦區(qū)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2.3 礦區(qū)污廢水對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響

由礦區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告可知，礦區(qū)生活污水中污染源主要為SS、CO2、BOD5、NH3—N等，水體中重金屬污染物濃度較低，但含濃度較高的含菌物。此外，煤礦礦井水由水泵運(yùn)至地面后經(jīng)處理，被用于礦井井下生產(chǎn)及防塵用水、工業(yè)廣場(chǎng)綠化等用水。對(duì)礦井生產(chǎn)廢水處理前后的水樣進(jìn)行了取樣并檢測(cè)，結(jié)果表明礦井生產(chǎn)水中各污染物指標(biāo)的排放濃度均滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中第I類(lèi)污染物允許排放濃度范圍以及國(guó)家一級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限制要求。

此外，對(duì)礦區(qū)賦存的高嶺土礦層及各煤層進(jìn)行取樣分析化驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明均無(wú)毒、無(wú)有害及放射性元素；據(jù)礦煤層采樣化驗(yàn)資料可知，礦區(qū)賦存各煤層中硫含量小于1.2%，其中賦存貧煤屬低硫煤，其余煤層屬于特低硫煤。另外，各煤層中磷的含量小于0.05%。但各個(gè)煤層賦存的有害元素依然會(huì)對(duì)礦區(qū)地表水及淺層地下水水質(zhì)造成一定的污染，但污染程度有限，并且對(duì)礦區(qū)深部地下水體基本不會(huì)產(chǎn)生影響。

3.2.4 煤層開(kāi)采對(duì)水資源影響分析

礦井煤層開(kāi)采而大量排放水，會(huì)引起礦區(qū)地下水水位持續(xù)下降，其中特別是煤系含水層位于疏干、半疏干狀態(tài)，并且水位恢復(fù)緩慢。礦區(qū)地層中太灰水補(bǔ)給較為方便，對(duì)6號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)，會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生一定影響，隨著6號(hào)煤層回采結(jié)束，太灰水很快得以恢復(fù)。松散層底部含水層水由于底部隔水層存在，受礦井排水影響極小。煤礦建立5 000.0 m3/d處理能力礦井水凈化水廠，礦井水處理后直接用于礦井井下生產(chǎn)及防塵用水、工業(yè)廣場(chǎng)綠化、衛(wèi)生及生活等用水，基本無(wú)剩余。

3.3 礦區(qū)廢棄物的堆放與綜合利用

3.3.1 固體廢棄物的堆放

礦井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)有一處煤矸石中轉(zhuǎn)站，據(jù)本次調(diào)查訪問(wèn)，煤矸石直接用于塌陷區(qū)回填、筑路或綜合利用等，其中井下矸石的臨時(shí)堆積高度應(yīng)低于2.0 m，不超過(guò)100 m3。這樣不易引發(fā)或遭受崩塌地質(zhì)災(zāi)害，礦井產(chǎn)出的煤會(huì)及時(shí)外運(yùn)，煤堆場(chǎng)基本無(wú)存煤。礦井產(chǎn)出的高嶺土?xí)皶r(shí)運(yùn)至高嶺土淮北金巖高嶺土公司進(jìn)行加工，然后進(jìn)行外賣(mài)，其高嶺土堆臨時(shí)堆高不超過(guò)2.0 m，土方堆積量總體較小，且四周建有圍欄，不易引發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

3.3.2 綜合利用

礦井及選煤廠生活垃圾運(yùn)往淮北市垃圾處理站處理。礦井產(chǎn)生的矸石由副井提升至地面后，由架線機(jī)車(chē)牽引礦車(chē)運(yùn)輸至煤矸石中轉(zhuǎn)站，再經(jīng)翻罐籠裝入汽車(chē)，直接用于塌陷區(qū)回填、筑路或綜合利用等。礦井鍋爐灰渣年排放量較小，與煤矸石一并處理，用于塌陷區(qū)回填、筑路或綜合利用等。

4 結(jié)語(yǔ)

以淮北礦區(qū)某礦為工程背景，綜合考慮煤炭資源枯竭等因素，礦井保有資源煤炭?jī)?chǔ)量419.5萬(wàn)t、天然焦煤515.5萬(wàn)t，保有資源儲(chǔ)量占累計(jì)查明資源儲(chǔ)量的5.5%。閉坑礦井采空塌陷區(qū)治理工程主要為礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)周邊塌陷區(qū)的復(fù)墾工程，用煤矸石回填塌陷區(qū)，作為建設(shè)用建設(shè)工人村及塌陷區(qū)搬遷村莊的回遷村址。煤層中有害元素的流失可能會(huì)對(duì)地表水及淺層地下水水質(zhì)造成一定的污染，但對(duì)深層地下水質(zhì)沒(méi)有影響。礦井及選煤廠生活垃圾運(yùn)往淮北市垃圾處理站處理。矸石用于塌陷區(qū)回填、筑路或綜合利用等。礦區(qū)閉坑后礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似礦井提供技術(shù)參考。