山西數中國國第一產煤大省，全省91個縣(區、市)的小煤礦絕大部分是縣以下的煤礦,多數誕生於20世紀80年代。改革開放以來,山西省煤礦發展迅猛,最多時有10000多座小煤礦。長期以來,煤礦多、分散的格局和粗放落後的礦業經濟增長方式給山西帶來了嚴重後果,資源浪費、環境汙染、生態破壞,已直接影響到煤炭工業的可持續發展以及當地居民的生存環境。
一、地質問題
以沙峪煤礦為例,沙峪煤礦礦區範圍內分佈著4個行政村,農業人口2000餘人。礦區內溝谷發育,地形破碎,土地較貧瘠,受採煤的影響,使原本脆弱的生態環境日趨惡化。土地退化、荒蕪、房屋裂縫、水源乾枯等環境地質問題日益突出,居民的基本生存條件受到嚴重威脅。煤炭的大規模開採造成了對礦山環境的較大破壞,採空塌陷、地面裂縫、區域地下水位下降、煤矸石堆放、礦坑排水等一系列地質災害和地質環境問題相繼發生和出現。
沙峪煤礦是一個具有34年開採歷史的集體礦山,採掘生產機械化程度中等,回採率達65%,累計原煤產量110萬,t採動面積約2.6km。採煤活動對礦山地質環境的破壞和影響,主要包括以下幾個方面。
1、地下水位下降
據調查,沙峪煤礦現採***煤,礦坑排水主要來自其頂板(多層)砂岩裂隙水,達300~500m3/d,由於其集中排放,改變了地下水運移狀態,周邊地下水向井下巷道匯流,地下水位呈下降趨勢,使煤層之上含水層儲水結構遭到破壞。礦區中部出露於二疊系石盒子組砂岩中的1眼天然泉以及各村中8處水井,淺層均先後乾枯,使礦區內的村莊、居民及大小牲畜用水受到不同程度影響。而礦坑排水大多數直接排放,造成了水資源的浪費。
2、採煤引發的地面裂縫、塌陷等地質環境問題
沙峪煤礦採用長壁式採煤法,全冒落頂板管理,回採率65%以上,煤礦投產34年來,採動面積達2·6km2,因井田地處低—中山區,地表大面積黃土覆蓋,鬆散層厚度30~70m。據實地調查,在採空影響範圍內發現地裂縫20餘處,礦區內部分民居於1997年末開始出現地裂縫,地裂縫寬度1·5~2cm,最大降幅1cm,最大寬度5cm。農田中也可見到多條地裂縫,寬度10~20cm,最大降幅15cm,最大寬度38cm。採空塌陷面積達0·1km2,造成33·3hm2土地破壞,房屋輕微破壞51間,嚴重破壞32間,給當地居民的生產和生活造成極大危害。
3、煤矸石堆放的潛在危害
據相關資料,煤矸石對環境的危害主要有以下三點:
1)煤矸石自燃對環境的汙染
據統計,我國大約有1/3的矸石山發生過自燃,放出大量的so2、h2s、co、co2和氮氧化物等有害氣體並伴有大量煙塵,對礦區環境造成嚴重汙染;
2)煤矸石對水體和土壤的汙染
煤矸石經雨水淋溶進人水域或滲入土壤,會影響水體和土壤,並被植物根部所吸收,影響農作物的生長,造成農業減產,同時還會通過食物鏈進入人體,危及人類健康;
3)矸石山造成的滑坡和泥石流
矸石山堆積過高,坡度過大,就容易造成滑坡;由於降雨等作用使得矸石山的含水量達到飽和狀態時便可能形成泥石流。
沙峪煤礦現有廢石堆放場2處,分別堆放於主井口西側的山坡和風井附近的溝谷中,堆放量分別為8萬立方米、12萬立方米,形成了約38°的鬆散邊坡。高度分別達12~20m、8~10m。廢石堆放既壓佔土地,破壞植被,又存在引發相關地質災害的隱患。主井口附近的廢石堆距東-夏公路僅10~15m,在極端暴雨條件下極可能形成滑坡,嚴重威脅過往車輛、行人安全。風井附近廢石堆距風井約10m,在極端暴雨條件下極可能形成泥石流,從而對風井造成毀壞,給煤礦安全生產帶來極大隱患。廢石露天堆放,在降水淋濾下還會造成地下水的汙染。
二、治理方案
1、避讓搬遷
由於煤礦的多年開採,採空塌陷面積達0·1km2,造成村民房屋不同程度的破壞,目前塌陷還在不斷擴大。村莊地下淺層水疏幹,人畜吃水困難,對村民生命財產均造成威脅,需採取部分避讓搬遷方式進行治理。選取的新村址範圍內地形地貌較好,有一定量的地下水資源,可基本滿足當地人畜用水。耕地、植被情況較好,水土流失輕微,僅有挖方量較小的交通、居住、耕作方面的人類工程活動,交通方便,無採空區、地面裂縫、地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害,適宜建築。
2、採空塌陷、裂縫的治理與恢復耕地
首先清理舊村莊,用推土機推平,通過壓道機、推土機和運送汽車往復壓實,及時覆蓋黃土。對因採空塌陷造成破壞的耕地採用人工或機械方式進行填埋(夯實)裂縫和陷坑,平整田面,因地制宜,修築相應的田間道路及排水工程,並在各級梯田的外邊緣修築護田堤,控制水土流失,保護壩田,恢復農田的耕種功能。土地復墾後,耕作層的土壤大部分變為生土,不利於作物的生長,需要在深翻的同時,配方施肥,培肥土壤。同時,為了保持人工土壤中的水分,宜儘量在其底部回填約0.5m的亞粘土或粘土,形成人工隔水層,然後再回填亞砂土。恢復耕地後種植一些抗旱性強的鄉土植物。
3、煤矸石堆放場的治理
沙峪煤礦每年矸石排出量1萬~1·5萬,t現在較大的煤矸石堆放場2處,累計堆放量20萬立方米,本次治理工程擬修築一條煤矸石壩,並將殘餘煤矸石堆進行平整,表面覆蓋0.5m黃土,然後種草植樹,儘可能減輕或消除對生存環境、生態環境的危害。
4、修建迴風豎井地下儲水倉,解決居民人畜用水
區內奧陶系岩溶水埋藏深,富水性不均勻,施工深井風險較大,增設井下儲水倉將新施工的迴風豎井井下排水作為供水水源加以利用,既避免水資源浪費,又降低了施工深井帶來的風險。同時,可滿足礦區居民供水。
2005年4月,沙峪煤礦在草橋村閆家莊北約600m的溝谷中新建迴風豎井,豎井垂直深度402m,在84·80-90·91m和156·63-159·14m穿過兩層砂礫石層,地下水微具承壓性,鬆散層之下2#煤層之上的k10(厚2·62m)、k9(厚6·99m)、k8(8·39m)砂岩中均含有豐富的地下水,水質良好,豎井揭露上述含水層後,排水量較為穩定,枯水季節450m3/d,雨季過後600m3/d。為使礦區村民吃上衛生方便的自來水,可在迴風豎井井底修建井下主、付儲水倉各1個,配套建設井下泵房及管道倉,用於儲存上述含水層中的地下水,並配套建設井上蓄水池、鋪設供水管道,解決藺家莊、曹家莊、閆家莊、韓家莊4個村的人畜用水。
三、治理工程量
1、農田整治與恢復
對已破壞的60hm2農田進行整治與恢復,復墾工程程式及標準為:
①將田面陽土剝離集中堆放一邊;
②農田內塌陷、裂縫填平、夯實;
③田面平整,田面平整為梯田形式,梯田單級高差宜根據地形變化而定,一般控制在2~5m之間,各級梯田田面基本保持水平,並向內側略有傾斜。
④因地制宜,修築相應的田間道路及排水工程;
⑤在各級梯田的外邊緣修築護田堤,控制水土流失,保護壩田;
⑥地表覆蓋陽土,厚度0·5m以上,並適度壓實,覆蓋土壤ph值為7~8·5[3]。
2、煤矸石的整治
採用漿砌石修築一條煤矸石壩,壩長205m,高6m,頂寬1m,底寬2·85m,外側坡角約72°,基礎底寬4·9m,頂寬3·65m,內外側坡度均為72°,深2m,砌築石方4120·5m3。在煤矸石壩下部預留三排排水孔,最下一排位於壩體底部,每兩排排水孔之間的垂向距離為1m,每兩個排水孔之間的水平距離為1·5m,三排排水孔呈“梅花形”佈置,基礎開挖動用土石方2173m3。將殘餘煤矸石表面整平、壓實,覆蓋厚約0·5m黃土,然後進行種草、植樹,預計土方工程5000m3,樹苗10000株。
3、迴風豎井井底儲水倉及供水配套
(1)、迴風豎井井底儲水倉
區內奧陶系岩溶水埋藏深,富水性不均勻,施工深井風險較大,增設井下儲水倉將新施工的迴風豎井井下排水作為供水水源加以利用,既避免水資源浪費,又降低了施工深井帶來的風險。同時,可滿足礦區居民供水。
迴風豎井井下儲水倉的井下平面佈置由煤礦實施,必須做到既保證井下排水(來自煤層之上含水層)不受採煤的'汙染,又不影響煤礦正常生產。
本工程設井下主、付儲水倉各1個,配套建設中央水泵房,管道倉和水泵房繞道倉。主、付儲水倉及中央水泵房、管道倉、水泵房繞道倉的斷面形態均為門洞形(下部為矩形,上部為拱形)。主、付儲水倉長分別為113·8m和52·3m,橫斷面下部矩形寬3·6m、高1·8m,上部拱形半徑為1·951m,拱高1·2m(圖3);中央水泵房長17m,下部矩形寬4m,高1·8m,上部拱形半徑為2·168m,高1·2m;管道倉和水泵房繞道倉長分別為22·6m、33·6m,下部矩形寬為2·5m,高1·7m,上部拱形半徑為1·355m,拱高0·8m。以上工程均採用機械挖掘成倉,倉壁噴厚200mm的混凝土倉壁,工程量見表2。
(2)、供水配套工程
①配套深井泵1臺(揚程400~500m),地面多級泵2臺(揚程150m)。
②配套4寸供水管道4200m。
③修築井口蓄水池1個,高位蓄水池3個,容積分別為800立方米和400立方米。
④配置150kw專用變壓器一臺。
四、工程預算
1、工程經費預算和工期
根據上述工程量,沙峪煤礦礦山環境整治與恢復工程共需經費479·44萬元[4](表3)。沙峪煤礦礦山環境整治與恢復工程工期共需1年。
五、地質災害預防
綜上所述,煤炭開採所引發的地質災害直接危害了礦區居民的生命和財產的安全,地質災害的產生和延續,使人們無法安居樂業,治理災害的工程量巨大,耗資不菲,工期較長。在煤炭開採之前對可能引發的地質災害進行預測是十分重要的環節,對於有可能產生的災害應遵循“以防為主,避讓和治理相結合”的方針。在煤炭開採過程中,對於可能產生地面蹋陷及地裂縫等地質災害的煤礦,可採取特殊的開採方法和頂板管理措施,以防止或減少地面塌陷地地裂縫等地質災害的產生,對塌陷的地表隨時進行綜合治理,以恢復和進一步改善礦區環境質量,使治理後的環境比原有環境質量更好。
近年來,我國礦山環境保護法不斷完善,煤炭開採技術日益進步,由於煤炭開採而引發的地質災害將會逐漸減少,隨著科技的進步,煤矸石亦可完全利用為充填開採或可再生資源,減少汙染,促進資源與環境的可持續發展。