干旱荒漠區(qū)井工煤礦水土流失特點(diǎn)分析

王新濤，李 麗

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

控制生態(tài)系統(tǒng)退化和推動生態(tài)恢復(fù)，是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。干旱荒漠區(qū)煤礦開采導(dǎo)致土地裂縫、地表沉陷、水土流失和荒漠化等問題的發(fā)生，對地表植被和土地資源造成嚴(yán)重破壞，進(jìn)一步加劇了土地資源的退化，并降低了土地潛力。此外，大量堆積的煤矸石容易引發(fā)滑坡、塌方等災(zāi)害，對生態(tài)環(huán)境造成了無法逆轉(zhuǎn)的破壞。國內(nèi)針對干旱荒漠區(qū)煤礦開采水土流失特點(diǎn)和治理措施展開了大量研究[2-5]。然而針對井工煤礦的研究還相對較少，目前的研究多集中在露天煤礦。根據(jù)不同礦區(qū)的地形地貌特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝，充分了解礦區(qū)的水土流失特點(diǎn)，才能采取有效的措施來減少和降低礦區(qū)開采引起的水土流失危害。文章針對干旱荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合井工煤礦的生產(chǎn)工藝特征，對不同時(shí)間段和不同區(qū)域的水土流失特點(diǎn)進(jìn)行了分析與研究，旨在為干旱荒漠區(qū)井工煤礦水土流失治理提供理論依據(jù)。

1 典型井工煤礦水土流失形式和成因

為了分析干旱荒漠區(qū)典型井工煤礦水土流失形式和成因，根據(jù)位置以及煤礦開采工藝，選取4 座典型井工煤礦。其中托克遜縣博斯坦煤業(yè)3 號礦和哈密大南湖1 號礦位于吐哈盆地，盆地年平均氣溫1.8 ℃左右，年降水量200 mm 左右，年蒸發(fā)量高達(dá)3 500 mm，多年平均風(fēng)速2.7 m/s，多年平均最大風(fēng)速20 m/s。準(zhǔn)東煤田將軍廟礦區(qū)南黃草湖一號礦和硫磺溝煤礦位于準(zhǔn)噶爾盆地，盆地年平均氣溫6.5 ℃左右，年均降水量100 mm 左右，年蒸發(fā)量2 300 mm，多年平均風(fēng)速在3.4 m/s，多年平均最大風(fēng)速17 m/s。吐哈盆地和準(zhǔn)東地區(qū)均屬典型干旱荒漠區(qū)。土壤均以礫石土、風(fēng)沙土、鹽堿土和灰棕漠土為主，質(zhì)地較粗，土壤肥力狀況較低。地表植被稀疏，林草覆蓋率在5%左右，主要以鹽生假木賊、草麻黃、戈壁豬毛菜等旱生灌木植物為主。

干旱荒漠區(qū)典型井工煤礦水土流失分析見表1。

表1 干旱荒漠區(qū)典型井工煤礦水土流失分析

由表1 可知：干旱荒漠區(qū)井工煤礦地形地貌位于戈壁荒漠區(qū)域或低山丘陵區(qū)，干旱荒漠區(qū)井工煤礦水土流失以輕、中度風(fēng)蝕為主，丘陵區(qū)伴有輕度水力侵蝕。

2 不同時(shí)段水土流失特點(diǎn)

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》（GB50434-2008）的分類，煤炭開采建設(shè)項(xiàng)目屬于生產(chǎn)建設(shè)類項(xiàng)目，包括施工建設(shè)階段、試運(yùn)行階段和生產(chǎn)運(yùn)行階段。施工建設(shè)階段是井工煤礦水土流失問題的主要發(fā)生期，生產(chǎn)運(yùn)行階段是井工煤礦水土流失問題的延續(xù)期。試運(yùn)行階段與生產(chǎn)運(yùn)行階段在工藝流程上基本相似，作為同一個(gè)階段進(jìn)行調(diào)查研究。本文主要針對施工建設(shè)階段和生產(chǎn)運(yùn)行階段可能出現(xiàn)水土流失情況進(jìn)行論述。

2.1 施工建設(shè)階段

2.1.1 水土流失特點(diǎn)

1）大規(guī)模土地開挖與破壞。施工過程中，需要進(jìn)行大規(guī)模的土方開挖和爆破作業(yè)，導(dǎo)致土壤層被破壞，植被被清除，大量的裸露土壤暴露在地表，裸露土壤容易受到風(fēng)雨的沖刷，形成水溝和河道，進(jìn)一步加劇了水土流失的程度。2）植被覆蓋減少。為了方便開展施工活動，植被往往被破壞或清除，導(dǎo)致植被覆蓋度降低。植被具有良好的保護(hù)土壤的功能，有利于保持土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和抗侵蝕能力，植被減少使得土壤更容易受到風(fēng)蝕和水蝕的影響。3）排水作業(yè)導(dǎo)致地下水位降低。施工階段需要進(jìn)行大量的排水作業(yè)，導(dǎo)致地下水位下降，地表土壤逐漸失去飽和狀態(tài)，土壤的含水量減少，土壤變得干燥，易受風(fēng)蝕和水蝕的侵蝕。4）施工活動增加土壤松散程度。施工過程中，機(jī)械運(yùn)輸和施工活動頻繁進(jìn)行，增加了土壤的松散程度，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)松散無序，抗侵蝕能力下降。

2.1.2 影響因素

1）施工作業(yè)的不規(guī)范是導(dǎo)致水土流失的重要原因之一。土方開挖和爆破時(shí)操作不科學(xué)、施工期間排水不當(dāng)?shù)榷紩觿∷亮魇栴}。2）井工煤礦施工建設(shè)階段缺乏有效的水土保持設(shè)施。缺乏防護(hù)措施使得土壤暴露在外部環(huán)境中，增加了風(fēng)蝕和水蝕的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，加重了水土流失的程度。3）施工建設(shè)階段的水土流失也受到土壤類型和地質(zhì)條件的影響。不同土壤類型的抗侵蝕能力不同，地質(zhì)條件的不同也會影響施工期間的水土流失情況。具體情況見表2。

表2 干旱荒漠區(qū)井工煤礦施工建設(shè)階段水土流失區(qū)域

2.2 生產(chǎn)運(yùn)行階段水土流失分析

2.2.1 水土流失特點(diǎn)

1）水資源匱乏。干旱荒漠區(qū)的水資源本來就十分有限，而井工煤礦生產(chǎn)運(yùn)行階段對水資源的需求非常大。煤礦開采和清洗煤炭產(chǎn)生大量的廢水，且地下水資源也會被采礦活動破壞和污染，使得水資源更加緊缺。2）土地脆弱。干旱荒漠區(qū)的土地質(zhì)量普遍較差，土壤脆弱、蓄水能力低，井工煤礦施工和采礦活動破壞了土地結(jié)構(gòu)和地表植被，使土壤容易發(fā)生侵蝕和潰塌。3）植被稀疏。干旱荒漠區(qū)的植被覆蓋率本就較低，且植被的生長速度和恢復(fù)能力十分有限，很難有效防止水土流失的發(fā)生。煤礦開采礦活動對植被造成一定破壞，進(jìn)一步降低了植被覆蓋率，增加了水土流失的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 影響因素

1）車輛行駛和設(shè)備運(yùn)輸。煤礦生產(chǎn)運(yùn)行期間頻繁的車輛行駛和設(shè)備運(yùn)輸會增加地表土壤的壓實(shí)程度，降低了土壤的透水性能，加劇了水土流失的程度。2）煤矸石堆放。煤矸石是煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，堆放在礦區(qū)附近容易造成土地表面的裸露和破壞，增加了水土流失的風(fēng)險(xiǎn)。3）尾礦排放。井工煤礦生產(chǎn)過程中，尾礦的排放是不可避免的，尾礦的含水量高，容易通過水流將其中的細(xì)粒顆粒沖刷到地表。4）土壤類型。干旱荒漠區(qū)域土壤質(zhì)地多為砂質(zhì)或石質(zhì)，抗侵蝕能力較差，有較強(qiáng)的風(fēng)蝕性。土壤容易形成結(jié)皮或粉化現(xiàn)象，使土壤更加脆弱，增加了水土流失的可能性。生產(chǎn)運(yùn)行階段，水土流失問題具體表現(xiàn)形式見表3。

表3 干旱荒漠區(qū)井工煤礦生產(chǎn)運(yùn)行階段水土流失區(qū)域

3 關(guān)鍵區(qū)域水土流失特點(diǎn)

3.1 工業(yè)場地

煤礦工業(yè)場地通常缺乏足夠的降水和土壤供水，場區(qū)建設(shè)破壞了原有地貌，使得土壤保水能力減弱，導(dǎo)致坡面土壤承載力失衡，容易出現(xiàn)徑流增加和土壤侵蝕問題。這些工業(yè)場地一般位于梁峁丘陵頂部的溝間地或較平緩的坡面上。煤礦開采過程中，工程對工業(yè)場地造成較大擾動和影響，大量土壤被開挖和移動，導(dǎo)致裸露土地面積急劇增加，裸露土壤易受風(fēng)蝕和水蝕影響，嚴(yán)重影響了土壤保水能力和持水性。此外，開采活動還會導(dǎo)致地形改變，形成多個(gè)深坑和堆積區(qū)。水管理不善也是導(dǎo)致水土流失問題的重要原因之一。煤礦開采過程中大量地下水和表面水被開采和排放，導(dǎo)致水資源短缺。缺乏足夠水資源無法滿足植被需求，使地表土壤變得干燥脆弱，易受風(fēng)暴暴雨和沖刷影響，加劇了水土流失程度。煤礦工業(yè)場地通常存在污水排放和固體廢棄物問題。排放到附近水體的廢水中含有高濃度的懸浮顆粒物和有害化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)會破壞附近土壤結(jié)構(gòu)和植被生長。同時(shí)，在煤礦場地附近堆放的固體廢棄物也容易通過降雨和地下水遷移進(jìn)入水體，造成水土流失和水質(zhì)污染。

3.2 場外道路區(qū)

道路建設(shè)通常以線性形式分布，穿越著各式各樣的地貌類型。由于地形的多樣性，道路建設(shè)對地面造成了相當(dāng)程度的擾動和破壞。在施工過程中，進(jìn)行的路基開挖、障礙物清理、場地平整等機(jī)械化活動會嚴(yán)重破壞原本的地表植被與巖土結(jié)構(gòu)。特別是在高填深挖的路段上，道路建設(shè)更會對地表植被和地貌形態(tài)造成極大破壞。填筑路基改變了原有的地貌，導(dǎo)致地表植被損失。同時(shí)，挖掘路段進(jìn)一步破壞著地貌形態(tài)。此外，修建臨時(shí)施工道路、架設(shè)管線和開挖溝渠等活動也是造成水土流失問題的原因。這些活動破壞了土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤容易受水力沖刷的影響，從而增加了水土流失的風(fēng)險(xiǎn)。另外，道路建設(shè)還會改變地表徑流情況，使得水流更容易凝聚并產(chǎn)生沖擊力，從而增加了水蝕危害的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 排矸場區(qū)

煤礦區(qū)排矸場區(qū)是煤礦開采所產(chǎn)生的廢棄矸石和尾砂堆積形成的區(qū)域，這些區(qū)域廣闊，通常的地質(zhì)條件較差，地勢也相對復(fù)雜，存在許多獨(dú)特的水土流失問題[6]。不合理的渣土堆放導(dǎo)致大片土地暴露在外，缺乏植被保護(hù)，容易受到降雨和風(fēng)蝕的影響。排矸場區(qū)地面通常呈斜坡狀，坡度較大，這樣的地形特點(diǎn)會增加水流速度和沖擊力。在降雨較多的季節(jié)，大量水流將帶走土壤，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失。排矸場區(qū)的排水系統(tǒng)通常存在缺陷，外部力量作用下，容易造成水流積聚和侵蝕。如果排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，頂部的匯水將增加坡面徑流的攜沙能力和流速，可能引發(fā)坍塌、泥石流和局部溝蝕等地質(zhì)災(zāi)害問題。排矸場區(qū)的土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)受到挖掘和堆積過程的影響，土壤的孔隙度和透水能力可能發(fā)生變化，這使得土壤容易受到水力沖刷和侵蝕的影響。持續(xù)的煤礦開采活動也是導(dǎo)致煤礦區(qū)排矸場區(qū)水土流失問題的重要原因，其中包括挖掘礦石、運(yùn)輸、堆放等作業(yè)，這些作業(yè)不斷進(jìn)行，對土壤造成持續(xù)的擾動和破壞。

3.4 開采沉陷區(qū)

煤礦區(qū)域?qū)儆诤旱貙樱旱V開采對周圍環(huán)境會帶來許多負(fù)面影響。首先，地下煤層的開采會破壞巖層的平衡，導(dǎo)致地表沉陷現(xiàn)象。這種沉陷不僅會改變地形，還可能引發(fā)裂縫和沉降波，對附近建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施造成損壞。其次，煤礦開采涉及爆破、挖掘、運(yùn)輸?shù)裙こ滩僮鳎@些活動會擾動地表土壤，破壞地表植被覆蓋。這不僅改變了地表的生態(tài)系統(tǒng)，還對土壤產(chǎn)生明顯的破壞。土壤的物理結(jié)構(gòu)和水分平衡都會遭受破壞，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，土層變薄，土質(zhì)變差，從而增加土壤的密實(shí)度，降低水分滲透能力。此外，煤礦開采還會導(dǎo)致地下水位下降，附近的井水可能會枯竭或泄漏，從而對水資源造成短缺。由于地下水位下降，附近地區(qū)水源的補(bǔ)給減少，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。

同時(shí)，井水泄漏也會增加地表水的含水量，引發(fā)大量地下水涌出，進(jìn)一步加劇水資源的短缺問題。煤礦區(qū)的沉陷還會導(dǎo)致地表形成不平整的地貌，增加地表水流的集聚性并加劇沖刷的作用。沉陷區(qū)的地表徑流量增加，土壤水分滲透能力降低，大部分降雨無法迅速滲透進(jìn)地面，形成大量的地表徑流，可能引發(fā)山洪、泥石流等災(zāi)害。水土流失的加劇不僅會減少植被覆蓋，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的退化，還會對當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有院蜕鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅。

因此，為了減輕這些負(fù)面影響，可以采取一系列有效措施，如加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和管理，開展合理的土地復(fù)墾和植被恢復(fù)工程，以減少水土流失的程度。同時(shí)，應(yīng)采取措施保持地下水位穩(wěn)定，合理利用和保護(hù)水資源，以實(shí)現(xiàn)煤礦開采區(qū)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

4 結(jié) 語

干旱荒漠區(qū)的井工煤礦水土流失是人類生產(chǎn)活動所導(dǎo)致的一種特殊類型的水土流失，主要發(fā)生在施工建設(shè)和開采過程中。不僅對土地資源造成破壞，還會影響到深層的土壤環(huán)境甚至基巖，深度達(dá)到幾十米甚至數(shù)百米。對水資源的損失和破壞不僅表現(xiàn)在地表水的流失，還包括深層地下水的破壞。井工煤礦長期開采容易形成較大區(qū)域采空區(qū)，進(jìn)而引發(fā)地面的沉降、塌陷，極易造成地下水位下降、土壤干化和生態(tài)環(huán)境惡化等問題，從而降低了礦區(qū)的水土保持功能。

干旱荒漠區(qū)井工煤礦水土流失應(yīng)以工業(yè)場地、場外道路、排矸場已經(jīng)開采沉陷區(qū)為重點(diǎn)治理區(qū)域。水土保持措施應(yīng)以工程防護(hù)措施為主，輔以必要的臨時(shí)措施，并建立綜合的防治措施體系，其中包括工程防治措施、植被防治措施以及臨時(shí)防護(hù)措施的結(jié)合。