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韩城矿区矿山地质环境问题及防治分析
来源:2017年第12期 | 发布时间:2018-1-8 12:23:26 | 浏览次数:

摘  要韩城矿区煤炭开采历史久远,引发了一系列矿山地质环境问题,如地面塌陷为主的地质灾害、地下水资源平衡破坏、土地资源损毁、工业“三废”环境污染等。在实地调查基础上,分析了矿山开采与矿区地质环境问题的关联性,总结了当前矿山主要地质环境问题的防治措施,旨在为韩城市矿山地质环境的改善起到指导作用。
关键词韩城矿区;地质环境问题;防治措施
中图分类号P 64  文献标识码A

韩 城 矿 区 位 于 渭 北 石 炭 二 叠 纪 煤 田 “ 黑 腰 带 ”东 北 端 , 市 区 西 北 部 中 低 山 地 带 。 地 理 坐 标 约 为 东 经110°10.7′~110°36′,北纬35°21′~35°51′。矿区走向长约60km,倾向宽约15~20km,面积1115.7km 2。矿区煤田预测总储量 102.05亿吨, 已探明储量26. 79亿吨。含煤层数多达12层(1 #~12 #煤),其中达到工业可采煤层6层(1 #、2 #、3 #、5 #、6 #、11 #煤层),煤系地层总厚度约105~180m,煤种有瘦煤、贫瘦煤、贫煤、焦煤,具有中灰、中低硫、低磷、高发热量的特征,利用方向为火电、冶金、工业锅炉及民用煤等。

自20世纪70年代以来,国家开始在韩城境内进行大规模煤炭开采,至90年代进入鼎盛时期,1995年韩城市生产煤矿达137座,其中国有统配煤矿5座,集体和私营煤矿132座。以煤为主的产业链“采煤—炼焦—化工—钢铁”曾占据财政收入的半壁江山,对经济建设和社会起到极大的推动作用。然而,随着煤炭资源开发利用的规模和强度不断扩大,粗放的开采模式也带来了一系列的环境地质问题:地面塌陷及伴生裂缝、滑坡、崩塌等地质灾害;水资源衰减和地下水破坏;地形地貌景观的改变和破坏;工业“三废”污染水土资源;土地资源压占与破坏等。为促进城市经济、社会和环境的协调发展,保护矿区人民生命财产安全,减少煤炭资源开采活动造成的矿山环境地质破坏,需要有计划地开展环境保护与治理工作。
1 矿区地质环境条件和采矿条件
1.1 地形地貌

韩城矿区主要规划范围北起桑树坪镇,南至板桥镇,为低山地貌,总体地势西北高东南低,海拔在800~1000m左右,最高处位于中部的华子山,海拔1227.9m。地形起伏梁沟相间,沟间地多为指状山梁,除桑树坪北面基岩裸露外,其余均为“石山土帽”,即基岩上覆第四系黄土;梁沟高差100~300m,原始地形坡度20°~40°,有利于自然排水。沟谷多呈“V”字形,形态蜿蜒。主沟长3km以上的有58条,沟壑密度为1.55km/ km2
1.2 气象水文

韩城市多年平均降水量为538.1mm,区内分布不均,自北而南、河谷向山区递增。本区位于凿开河、盘河、 水等主要水系的中下游,均自西向东汇入黄河,主河道基座阶地发育。
1.3 煤系地层

韩城矿区地层属华北型石炭二叠系含煤建造,奥陶系灰岩为煤系地层的沉积基底。含煤岩系全区稳定发育,属掩盖式煤田。地层大致呈北北东向带状分布,从老到新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和第四系。其中石炭系属海陆交互相沉积,上石炭统太原组(C 3t)为矿区主要含煤岩系之一,含煤9层(可采或局部可采煤层11 #、6#、5#),二叠系属陆相沉积,下二叠系山西组(P1s)为矿区又一含煤岩系,其含煤3层(可采或局部可采煤层3#、2#、1 #)。
1.4 地质构造

韩城矿区位于祁吕贺山字型构造的前弧东翼内侧,并处于新华夏系第三沉降带之东部,秦岭、阴山两个大型纬向构造带之间。总体构造框架为一宽缓的向西北方向缓倾的单斜构造,主要构造变形带集中在矿区东南边缘地带。延伸100余公里,控制汾渭盆地、河津拗陷的韩城断裂即发育于此。矿区浅部煤系因受褶断构造影响,倾角呈急倾斜甚至直立现象,但沿煤层露头倾斜方向不远,煤层倾角急剧变缓在15°以下,剖面总体形态呈“L”型。
1.5 水文地质与工程地质

韩城矿区主要含水层为新生界松散孔隙潜水含水层、石炭二叠系砂岩裂隙含水层和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层等。含水层主要接受大气降水入渗和过路水系补给,流向与地形基本一致,总体由西向东南径流汇入黄河,构造变形集中带也是地下水储存、运移的主要通道。岩土体类型可划分为坚硬—软弱层状沉积岩类及松散岩类两大类型。
1.6 煤层赋存及开采条件

在2007年煤矿大面积资源整合之前,集体或私营煤矿占大多数,开采工艺多为炮采方式,柱式采煤法。截至2016年底,韩城市存在煤矿18座,顶层部可采煤覆岩厚度多在70~200m,可采煤层累计平均厚度约8m。多采用斜井或混合开拓方式,走向长壁采煤法,高档普采或综采工艺,全部垮落法管理顶板。
2 矿区主要环境地质问题
2.1 矿山开发引起的地质灾害

由于采煤活动引起的地表变形受控于地貌条件,在山顶和凸形地貌部位易产生附加的水平拉伸变形,在山谷和凹形地貌部位则产生附加的水平压缩变形,所以导致不同地貌单元地质灾害的类型和强度差异。
2.1.1 滑坡地质灾害

2016年在韩城矿区共调查滑坡4处,中型1处和小型3处,按物质类型分为黄土滑坡2处,堆积层滑坡2处。其中2处黄土滑坡受控于斜坡边缘塌陷裂缝,出现在桑树坪煤矿塌陷区村落;1处中型堆积层滑坡物源来自地层陷落后沿沟产生的大量堆积体及风化物,另1处堆积层滑坡主要由采石堆渣形成。2处堆积层滑坡发育在西庄镇乡道边,人类工程活动强度一般。
2.1.2 崩塌地质灾害

矿区共发育黄土崩塌2处,基岩崩塌14处。其中小型崩塌7处,中型崩塌7处,大型崩塌2处。黄土崩塌发育于板桥镇“石山土帽”区,采空塌陷开启了黄土垂向裂隙,从而引发崩塌。基岩崩塌有7处发育于道路边坡,采煤活动激化,相对高差多在30~80m,坡形陡立;其余7处基岩崩塌主要发育于山前,石灰岩矿山无序开采形成的高陡采面形成崩塌群(区),相对高差多在20~30m,主要受控于岩体结构及斜坡形态,多形成反向坡,由于节理裂隙切割形成危岩,尚无整体失衡现象。
2.1.3 地面塌陷地质灾害

韩城矿区地面塌陷整体呈北东向条带状分布,主要由采煤引发,共调查25处,规模以大型为主,特大型次之。塌陷面积总计1774.9hm2(见表1)。其主要形态表现为塌陷坑、塌陷盆地与塌陷槽、伴生裂缝等。 经调查共造成危房758户房(窑)2274间(孔)3790人,损毁干支道路18km,损坏水塔2座、灌溉水管2.1km、渠道300m,民用通讯、电力线路2km。

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2.2 矿山开发对地下水的影响

煤层开采后,上覆岩层会发生移动变形,串通上部含水层,对含水层结构造成破坏。矿井疏干排水导致大面积区域性地下水位下降,破坏矿区水均衡系统。在矿区最直观反映为井泉干涸、村民水窖漏失、人畜饮水困难、墒情改变致使农作物减产等。此外,受生产技术限制或不规范的采掘活动,往往改变地下水补径排条件甚至造成重大事故,如1976年8月,韩城马沟渠矿+240石门掘进导通导水断层,导致突水淹井;2002
年7月,桑树坪镇西沟煤矿透水造成15名矿工遇难;2011年8月,韩城禹昌煤矿11 #煤层底板突水不仅导致桑树坪煤矿全矿井被淹,经济损失巨大。还破坏了桑树坪镇主要生活用水来源,导致3037户1.3万名群众长达2年饮水困难。
2.3 矿山开发对地形地貌景观的破坏

采矿活动对地貌景观的影响和破坏主要包括地面塌陷改变原始地形,矿区基础工程建设、尾矿堆渣造成视觉景观的不连续等。经调查,煤层开采后,在采空区之上出现的大于采空范围的塌陷盆地,二者面积之比平均值约为1.2,沉陷盆地边缘往往一些下沉台阶,并出现较大规模的地裂缝和塌陷坑。采面以上地层相继下沉,最大沉降量一般为采煤厚度的0.7倍,但不会改变区域总体地貌类型。工程建设和尾矿堆积,往往斩坡填沟,人为改造原始地貌,破坏原有地表植被,造成大面积土地裸露,形成景观生态系统在空间分布上的不连续性,对地形地貌景观影响较大。

此外,矿区东部边缘的自20世纪70年代有石渣厂50多家,长期大范围的掠夺式露天采石活动,造成绵延约35km的山体斑秃,约107×10 4m 2采面、391×10 4m 3采坑多年寸草不生,直接影响了国道、高速、铁路线沿线地貌景观,对当地群众的生产生活和动植物生长环境造成了极大影响。也形成上述7处崩塌地质灾害群(区)。
2.4 矿山开发对土地资源的压占损毁

由于矿山开采,地下水位下降,土地裂缝跑水跑肥,土壤失去保墒功能,同时宽大伴生裂缝与塌陷槽、塌陷坑的存在,导致机械化农耕方式无法实施,土地利用价值降低。塌陷盆地林地、灌木及农作物等植被有倾斜旱死现象。根据本区矿井实测资料,废渣排放量(矸石、生活炉渣等)约为200m3/万吨,目前韩城市矿井实际生产能力约为1000万吨/年,废渣排放量可达2×105m3万吨/年。矿山废渣除部分利用外,多数沿沟坡矸石场堆积,压占土地资源。矿井基础设施包括工程场地、炸药库、矸石场地等,也压占了大量土地资源。

据统计,2016年底,韩城市采煤沉陷区面积约188.9km2(28.33万亩),矿山开采破坏各种类型土地147.082km2(22.06万亩),其中耕地2.966km 2(0.45万亩)、园地70.341km2(10.55万亩)、林地28.827km2(4.32万亩)、草地34.666km2(5.20万亩)、城镇村工矿用地10.282km2(1.54万亩)。
2.5 矿山开发引起的水土环境污染

矿区污染源主要分布在各工业场地和排矸场。染污源及类型包括:废气、废液和固体废弃物,分述如下:

废气:主要为工业场地燃煤锅炉排烟、矿井通风瓦斯排放和矸石自燃等。韩城矿区均为高瓦斯矿井,煤的含硫量在0.47~3.99%,其中有机硫的含量占全态含硫的55%~90%。由此开采与工业利用产生的染污物主要是SO 2、NO 2及其它氮氧化物、硫氧化物,从而引起的大气污染,降低了临近土地作物产量。据收集以往资料,2002~2007年煤矿资源整合之前,韩城市每年烟尘排放量2668.5t,粉尘排放量2827.5t,瓦斯排放量3.6亿m 3。2007年监测资料显示,空气质量除SO 2无超标外,TSP(烟尘)、H2S、Ar—OH均超标,其中TSP超标率20%~100%,H2S超标率20%~45%,Ar—OH超标率45%~100%。近年来采煤工艺的提高,政策监管与执法力度的增强,空气质量已大为改善。2016年韩城矿区在西庄镇与龙门镇抽样检测,空气质量除PM10超标外,SO2、NO2浓度均符合《环境空气质量标准》GB3095-2012二级日均值标准,分别为0.096~0.100mg/m3和0.041~0.044mg/m3

废水:伴随煤炭开采,含水层疏放及井下生产、防尘用水、矿坑水等混合,经水泵抽排到地面,水中通常含有大量悬浮物,主要污染物有COD、SS 和石油类。直接排放不仅会造成土壤污染,还会下渗污染地下水源。据调查韩城矿区现有生产矿山均对矿井水和生活污水进行了处理净化和综合利用,煤矿开采对地表水质影响不明显。

固体废弃物: 煤矸石是采煤和选煤过程中的废弃物,韩城矿区通常占煤矿产量的7%~10%,是煤矿最主要的固体废弃物。长期堆放的矸石经日晒雨淋,溶解析出的部分有毒有害微量元素随降水形成地面径流,流入地表水体,或通过在土壤中迁移渗入地下水,污染水源及附近土壤。另外,自燃矸石山释放出大量的SO 2、NO 2气体,进入大气中被氧化为酸,随降水进入土壤,使其酸化或盐渍化污染。依据2002~2007年之间监测数据,韩城市每年秋冬季出现酸雨较多,酸雨频率为21.7%。韩城市2016~2017年政务公开环境质量(半)年报显示,此期间无酸雨发生,空气质量提高明显。据调查韩城矿区生产矿山定期对矸石场定期覆土掩埋,堆矸对地水下及土壤的影响还需进一步取样分析。
3 主要环境地质问题的防治措施
3.1 矿山开采引发的地质灾害防治
3.1.1 滑坡、崩塌地质灾害防治措施

根据威胁对象与灾害地质条件,结合防治工程难易程度及效益分析,考虑避让、临时排险、工程根治等措施。根据韩城地区地质灾害治理经验,对黄土崩塌、滑坡一般首选削方卸荷;坡顶空间不足时可采用支挡、锚固、加固边坡结合疏排地表水等措施。韩城矿区典型地质灾害防治措施(见表2)。

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对危害较小,人迹罕至的崩塌滑坡灾害,采用警戒标志、围挡措施;对车流量较大的道路边坡病害,除警示标志外,应尽快实施工程治理。对威胁人数较多的崩塌滑坡灾害,可结合移民搬迁政策实施搬迁。

3.1.2 地面塌陷地质灾害防治措施

截至2016年底,韩城矿区地面塌陷面积1774.9hm2,影响数758户3790人,占韩城市总人口的0.9%。由于地面塌陷根治难度较大,一般采用动态监测,分区分期治理措施。及时回填、拦挡或设置警示标志,在地面塌陷达到稳定后复垦为原本土地类型。韩城矿区同时又是主要的花椒基地,花椒是该区群众主要经济来源,矿山企业多对各自采矿影响范围村庄实施了异地搬迁。为满足群众生产需要,避免采矿活动破坏的危房造
成人员伤亡,韩城市依据政策申请资金对塌陷区危房住户搭建彩钢房,计划共建设3650间,目前该工程正在实施。
3.2 矿山地下水的保护措施

井工开采期间对地下水资源的破坏具有不可逆性,地下水一旦污染和破坏很难治理。开采期间可实施的保护性工作措施主要包括:开采过程中尽量利用废渣矸石回填采空区减轻地表陷落,预防含水层的漏失和串通;合理布置井巷,远离构造带和富水性岩层及地表水体,生产中坚持“有疑必探,先探后掘”的探放水原则,对老窖、导水构造预留防水煤柱,规避各类透水事故;对局部强径流带以“封堵为主,疏导为辅”减轻
含水层下降或疏干;对地表裂缝及时填埋。在闭坑后及时封堵井口,抑制井下水的氧化造成水质的改变。同时在地表植被绿化涵养水源。
3.3 矿山生态环境建设

目前韩城矿区对矿山地貌景观恢复主要采用如下措施:矿山生产期分阶段修复受损土地,宜林则林,宜草则草,监管养护及时补种。闭坑后拆除工业场地建筑,进行复垦,对矸石场覆土绿化。

2016年,韩城市人民政府针对韩城矿区东部边缘历史遗留的灰石场边坡裸露区,引入PPP项目,联合资本雄厚和技术先进的企业,通过工程措施消除灾害威胁后,利用国内前沿高陡岩质边坡生态复绿技术,修复坡面生态系统。建设工程包括坡面约2.3×104㎡,坡脚场地约1.5×104㎡的边坡生态修复。同时在城区西边重点打造城市运动公园等休闲活动区,项目建成后可成为西北干旱地区绿色矿山建设示范案例。
3.4 矿山废水废渣的综合治理利用

近年来随着矿权整合矿山技改产能提升,矿山企业均安装了专门的污水处理设备,对矿井水及生活污水均净化处理后就地利用。矿井水含有大量煤尘和岩石矿粉,悬浮物浓度较高,其中主要污染物有COD、SS和石油类。处理工艺采用混凝、沉淀、过滤及消毒,处理达标后用于井下消防洒水、锅炉房用水及周边绿化和农田灌溉等,利用率100%;生活污废水主要污染物有COD、BOD5、SS和石油类,采用A/O法二级生化处理加“混凝沉淀”工艺深度处理,处理后全部回用于绿化及道路浇洒等用水。

目前韩城矿区煤矸石的综合利用多样化:韩城矿务局煤矸石电厂总装机容量为2×12MW,利用有发热量的矸石供电供热,到2015年末,累计发电15.26亿度;韩城柏忠新型建材公司利用煤矸石生产烧结砖,年产量可达1.5亿块,每年消化象山矿煤矸石60多万吨;韩城尧柏阳山庄水泥有限公司引入一条新型干法水泥生产线,充分利用石灰石和工业废渣,年产超细粉60×104t,年产水泥200×104t;韩城矿区矸石普遍具有SiO2、AI2O 3含量高,Fe2O 3、TiO 2含量低的特点,可做为瓷石原料,陕西龙飞陶瓷科技有限公司利用尾矿废渣进行提纯,日消耗铁矿尾矿100t、煤矸石40t、黄河沙40t、粉煤灰60t,循环利用的固体废弃物占原料比例的70%,日产全抛釉地面砖量
1.2×104㎡。矿山企业还将大量矸石直接作为充填材料,直接回填采空区和塌陷区。在煤矿建设和生产过程中,利用部分矸石废渣进行场地平整和路基垫层等。
4 结语

通过对韩城矿区矿山开采引起的滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害、地下水的漏失、地形地貌的破坏、土地资源压占损毁、水土污染等地质环境问题现状的研究,系统地总结了近年来矿区开展的各项治理措施及效果,介绍了本区主要地质环境问题的防治经验与亮点。为韩城市把地质环境改善与发展循环经济融为一体,进一步改善矿山环境问题提供了新的思路。
参考文献
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[2] 徐友宁,何芳,袁汉春,等.中国西北地区矿山地质问题调查与评价[M].北京:地质出版社, 2006.
[3] 韩城市国土资源局.韩城市矿产资源规划(2011-2015)[R].
[4] 张秦华,刘卫岗,王建晓,等.黄陵矿区环境地质问题与防治分析[G].高强度采矿区地质灾害与防控学术研讨会论文集,2017.

作者简介: 薛启浪,工程师,研究方向为水工环地质、地质灾害治理。




 
 
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