煤炭開發中的主要環境地質問題

西北地區煤炭開采區主要分布在黃土高原的陜西韓城—銅川—彬長—黃陵等渭北煤田區、陜西神府及內蒙古東勝煤田區，甘肅平涼華亭、阿干鎮、窯街煤田區，寧夏靈武、石嘴山、石炭井煤田區，內蒙古烏達、海勃灣、包頭石拐煤田區，新疆的烏魯木齊、哈密三道嶺煤田區等。總體而言，西北地區煤礦開采引發的環境地質問題十分嚴重，是所有礦產工業類型中礦山環境地質問題最為嚴重的一種類型。地下開采和露天開采對礦區地質環境影響方式和程度不同，以地下采煤導致的環境地質問題最為嚴重。西北地區煤礦以地下開采為主，其產量約占煤炭產量的96%，主要環境地質問題見表3-7。煤礦開采的環境地質問題示意圖見圖3-3。表3-7 煤炭開采的主要環境地質問題圖3-3 煤礦開采環境地質問題示意圖露頭煤及淺部煤層采用露天開采，改變了原有的地形地貌：高陡邊坡誘發滑坡(①)，外排土矸場占壓土地(②)，廢渣堆積溝坡上，暴雨誘發形成滑坡(①)和泥石流(③)地質災害。煤層采空區(④、⑤)上方地裂縫(⑥)會造成建筑物開裂、農田被毀，稍深部煤層采空區上方發生地面塌陷(⑦)，耕地被毀，村莊搬遷。煤矸石堆積占壓土地的同時，矸石山粉塵及自燃(⑧)產生的有毒有害氣體、風井排出的沼氣、二氧化碳等污染大氣環境(⑨)，危及人類健康。露天礦排矸場及煤矸石淋溶水造成地表水土(⑩)及農作物污染，下滲造成地下水及巖溶水污染( )3.4.2.1 煤矸石壓占土地煤矸石是采煤和選煤過程中的廢棄物，通常占煤礦產量的12%～20%，是煤礦最主要的固體廢棄物，主要危害是堆積壓占土地破壞植被。陜西黃陵店頭地處黃土高原地帶，小流域地區的森林植被良好，但是部分煤礦排放的煤矸石堆積在山坡上，壓占了生長良好的雜木林。陜西韓城下峪口黃河灘濕地蘆葦茂密，生態環境良好，但是該礦排放的煤矸石填灘造地，破壞了黃河濕地生態資源與環境。3.4.2.2 對水資源的影響產于鄂爾多斯盆地周邊的石炭-二疊系中的煤田，其下部是奧陶系石灰巖，上部為侏羅系砂泥巖，屬干旱盆地嚴重缺水地區。礦井疏干排水導致地下水均衡系統破壞，地表水水量減少，地下水位下降。煤礦酸性及高礦化度的井水造成地下水污染，加劇了水資源危機。新疆烏魯木齊市六道灣煤礦煤系地層傾角67°～78°，開采后形成自上而下的采空區塌陷和裂縫帶，造成水資源流失的環境破壞。煤炭資源大面積連續開采，造成了難以恢復的地下水破壞，同時導致地表河流流量銳減，生態環境破壞。1997年以來，陜西神府煤田開發區的不少河流斷流，如2000年窟野河斷流75d，2001年斷流106d。由于煤礦采空區裂縫遍布，最寬達2m多，局部地區地面下降2～3m，導致原流量達7344m3/d的雙溝河已完全干枯，26.67ha水田變為旱地，楊樹等植被大片枯死。3.4.2.3 崩塌、滑坡、泥石流露天礦山高陡邊坡開挖或堆積在斜坡體上的采礦廢渣因暴雨、地面塌陷、地裂縫等原因引發崩塌、滑坡。煤礦區滑坡主要發生在露天礦、黃土高原以及山地礦山。如新疆哈密三道嶺露天煤礦1967、1983 和1999年先后三次發生較大規模的滑坡，造成礦區運輸中斷，直接經濟損失上百萬元。內蒙古包頭石拐礦區由于采煤使地下采空區面積增大，近幾年滑坡活動加劇，目前滑坡體東西長100～370m，南北寬600余m，面積約16×104m2，體積約400×104m3。從1979年至今已毀壞民房及其他建筑物達5000m2，堵塞了通往五當召旅游點的道路600m，造成經濟損失約400萬元。紅旗山出現了多組東西向寬約0.1～1.5m、南北走向長約100～300m的地裂縫，危及山腳下677戶1947人的生命財產安全。陜西韓城象山煤礦因地下采煤及渠道滲水等原因，引起山體蠕滑，直接威脅坑口電廠——韓城電廠主廠房的安全，為此付出了上億元的防治費用。陜西彬縣百子溝煤礦地下采煤采空區上方巖層垮落、下沉，使地表斜坡失去平衡導致1995年7月6日的黃土滑坡，滑距約30m，180×104m3土方量堵塞河道形成堰塞湖。滑坡將礦部三座大樓整體向前推移5～7m，樓房墻壁出現裂縫，地板鼓起，地基被毀。由于事先的預報準確，所幸無人員傷亡。1991年8月9日，陜西銅川金華山煤礦西側黃土塬邊由于地下采煤引起崩塌、滑坡，土方量達1050×104m3，將坡腳處的西龍村埋沒，大片良田被毀，損失巨大。陜西銅川焦坪、王石凹、李家塔、金華山、桃園等煤礦均發生過嚴重的滑坡，銅川礦區有中等以上規模滑坡1000多處，銅川市區有154處，崩塌體361處。陜蒙神府—東勝礦區地處干旱半干旱地帶，植被覆蓋率低，土壤風蝕、水蝕交錯，巖層結構疏松，易風化，自然災害頻繁，生態環境十分脆弱。20世紀80年代以來煤田大面積開采，采礦廢石及排土亂堆亂放，沿山坡開挖加大了地面坡度。礦區人為泥石流均分布在河道兩側，泥石流直接注入河床，使河床過水斷面縮小，行洪能力降低，即使中等水深洪水，也能造成很大災害。1989年7月21日，礦區上游突降暴雨，3h降雨120mm，在烏蘭木倫河形成含沙量高達1360kg/m3的泥石流，淤平坑井11處和露天礦坑9處，其中馬家塔露天礦被淹沒，泥沙淤積15×104m3，沖毀兩岸礦堤1870m、水澆地600畝、路基擋墻60m，導致鐵軌懸空，中斷行車一月之久，經濟損失2000多萬元。3.4.2.4 地面塌陷和地裂縫地下開采形成的地面塌陷、地裂縫造成耕地破壞、公路塌陷、鐵軌扭曲、建筑物裂縫，以及洼地積水沿裂隙下滲引發礦井透水等事故。在干旱地區由于地表水系受到破壞，導致礦區生產、生活以及農業用水發生困難。同時，還可誘發山體開裂形成滑坡。地面塌陷和地裂縫在大中型地下開采的煤礦區最為普遍，災害也最為嚴重。如新疆的六道灣煤礦，甘肅的華亭、窯街、阿干鎮、王家山等煤礦，寧夏的石嘴山、石炭井煤礦和陜西的渭北韓城—銅川以及神府—東勝煤田礦區。調查資料表明，在579座各種類型的礦山中，有115座礦山存在地面塌陷，塌陷面積達20236km2。其中非煤礦山10座，僅占8.70%；而煤礦山有105座，占塌陷礦山的91.30%。根據塌陷面積及嚴重程度，大于10km2的極差級別礦山8座，占8%；1～10km2差級別礦山 37座，占 35%；0.1～1km2中等級別礦山 37座，占 35%；小于0.1km2較好級別礦山23座，占22%。煤礦區的地面塌陷最為嚴重，這是因為煤層厚度較金屬礦體穩定，分布范圍大，煤層產狀較平緩，采煤形成的采空區較金屬礦山要大得多，并且上覆巖層多為松軟的頁巖、粉砂巖及泥質巖層。煤礦地面塌陷和地裂縫的范圍及深度與采煤方法、工作面開采面積、采區回采率以及煤層產狀等多種因素有關。一般而言，在其他因素相同的條件下，充分采動(用長壁工作面全部垮落法采煤時)比非充分采動(條帶部分冒落法采煤)引起的地面塌陷影響范圍及深度要大。而煤層采厚越大，傾角越小，埋深愈淺，開采面積越大，地面塌陷、裂縫影響范圍及深度也越大。地表最大下沉量W可用公式估算：W=qMcosα。式中：q為下沉系數，全部冒落采煤法 q=0.70～0.90，條帶部分冒落采煤法 q=0.02～0.30；M為煤層法線厚度；α為煤層傾角。當采深與采厚之比小于20時，地表常發生劇烈變形，此比值大到一定程度后塌陷消失。榆林神府礦區大砭窯煤礦開采5＃煤層，煤層厚4～6m，埋深90～100m，1992年5月5日礦井上方發生地面塌陷12000m2，陷落深度0.7m。有關資料指出，塌陷面積與開采面積之比平均值為1.2，塌陷容積與開采體積之比平均值為0.6～0.7。當采深較大時，地面、地表裂縫則較少。當采深H ＞(100～150)m，或 F=H/M≥20(M 為煤層厚度)時，地表移動和變形在時間和空間上呈明顯連續，不出現地裂縫。根據煤炭工業“九五”環境保護計劃，2000年全國(除西北地區，下同)煤礦地面塌陷面積為182.20km2，復墾面積為48.40km2，復墾率為26.6%。西北地區煤礦地面塌陷面積為35.76km2，復墾面積為 4.40km2，復墾率為12.3%，比同期全國平均值低54.9%。2000年西北地區煤炭產量達8994×104t，萬噸煤塌陷面積為0.31ha，比全國萬噸煤塌陷面積均值0.20ha高55%，而復墾率低51.5%。可見，西北地區煤礦地下開采塌陷區的防治工作應加緊加快。烏魯木齊市六道灣煤礦距友好商貿中心僅1.5km，該礦煤層傾角67°～78°，屬急傾斜煤層，50年來，地下不同開采水平分段放頂煤采煤后，由于上位頂煤和覆蓋層的周期性塌陷斷裂，出現與煤層走向一致的條帶狀塌陷深坑，深度達40～50m，并在塌陷坑兩側形成平行裂縫，造成了連續性的地面塌陷凹槽、地裂縫和塌陷坑。塌陷區目前僅作為烏魯木齊市城市工業垃圾的填埋場所，在其虛土表面又不斷產生新的塌陷深坑和地裂縫，3km2的土地不能開發利用，迫使市政設施建設不得不繞道而行，成為烏魯木齊城市建設發展的死角。寧夏石嘴山市石嘴山煤礦開采面積為5.15km2，而塌陷面積已達6.97km2，是其開采面積的135%，形成深達8～20m的地表塌陷凹地，部分地段的裂縫寬達1m。礦區鐵路運輸基地高出塌陷區10～20m，使得礦山企業每年用于鐵路的墊路費高達100萬元，穿越礦區的109國道被迫改道。陜西省煤礦采空區地面塌陷總面積約115km2(表3-8)，主要分布于渭北及陜北煤礦區，陜南秦巴山地區僅有零星分布。其中銅川市老礦區因開采較早，地面塌陷比較嚴重，到1999年底，據不完全統計其地面塌陷為63.82km2，占到全省煤礦區地面塌陷區的55.38%，其中80%為耕地。而神木縣近幾年煤礦開發力度不斷增大，加之煤層埋藏較淺，地面塌陷面積增大，截至2001年，該縣鄉鎮煤礦造成地面塌陷達5.32km2。表3-8 陜西省煤礦區地面塌陷陜西省渭北煤田的銅川、黃陵、合陽、白水、韓城各礦區，陜北神府煤田的大柳塔、大砭窯、洋桃瑁、沙川溝、劉占溝、新民礦等礦區，均出現有不同程度的地面塌陷、地裂縫及山體滑坡，造成大面積的農田被毀、房屋開裂、鐵軌扭曲、公路塌陷、礦井涌水等。2001年7月特大暴雨使黃陵店頭陜煤建五處礦區倉村三組的1.2km2耕地發生地面塌陷、地裂縫，地裂縫最寬達15m，塌陷落差達7.45m，60%耕地已無法復墾，農田撂荒，預計經濟損失達270萬元。2000年4月，中央電視臺《焦點訪談》對陜西銅川市王益區黃堡鎮黑池塬鄉鎮煤礦地下開采造成的村民窯洞開裂、耕地被毀進行了曝光。陜西白水縣縣辦煤礦開采導致白水縣火車站候車室出現裂縫、鐵軌下沉、廣場地面鼓包。陜西渭北煤田地表水平拉伸變形值達到0.8～2.2mm/m時出現地裂縫，裂縫寬300～700mm，深度達5～15m。銅川煤礦區地裂縫有5400余條，以王石凹煤礦為例，在1：5000 的地形圖上填繪的裂縫就有70多條，總長度近7000余米。20世紀90年代，甘肅窯街煤礦區礦井地面占地598.1ha，地面塌陷20處，共計443.54ha，地面塌陷面積比80年代擴大了48.4%，每年以14.47ha的速度擴大，10年間因塌陷引起的特大型山體滑坡等災難性地質事故數起。80年代造成水土流失面積449～550ha，90年代達到663～720ha。甘肅靖遠王家山煤礦1995年8月兩次洪水攜帶泥石流從地面裂縫涌入井下，造成多人傷亡。陜西神木大柳塔煤礦區1997年以后形成采空區，1998年前后產生地面塌陷和地裂縫。大柳塔礦區采空區約為 3.9km2，總面積約 5.8km2，產生地裂縫的總面積約5.45km2。大柳塔活雞兔井采空區面積過大，造成大面積地面塌陷，其中205工作面塌陷區寬0.3km，長為3km，面積為0.9km2，共發現16條地表裂縫，沿整個工作面呈斷續分布，裂縫寬5～60cm，間距2～8m。206 工作面塌陷區寬0.3km，長為3.5km，面積為1.05km2，共發現 5條裂縫，裂縫寬 5～60cm，間距 5m 左右。207 工作面塌陷區寬0.3km，長為1.5km，面積為0.45km2，是整體陷落，其中裂縫十分發育，共發現5條，寬5～30cm，間距10m左右。從神東礦區大柳塔、補連塔和榆家梁3個礦井實測資料可知，其萬噸煤地面塌陷面積為0.35～0.42ha，比全國萬噸煤地面塌陷面積0.2ha幾乎高出1倍，主要原因是煤層埋藏淺(61～110m)，煤層厚(3.4～5.0m)。3.4.2.5 水土流失據水利部1992年統計，西部地區輕度以上的水土流失面積為104.07×104km2，占全國水土流失面積的58.01%。水土流失導致的土壤侵蝕是生態環境惡化的重要因素。在黃土區、黃土與沙漠過渡區，礦區發生水土流失的可能性最大。據陜西銅川、韓城、神府煤礦區有關環境報告資料預測，陜西神府—內蒙古東勝礦區平均侵蝕模數按1.21×104t/km2·a、面積按3024km2計算，年土壤侵蝕量為3659.04×104t；準噶爾礦區平均侵蝕模數按1.30×104t/km2·a、面積按1365km2計算，年土壤侵蝕量為1774.5×104t。據幾個礦區開發前后不同時期的遙感資料以及河流、庫壩、泥沙資料綜合分析和計算表明，煤礦開采后水土流失量一般為開采前的2倍左右。陜西黃陵礦區建礦前土壤侵蝕模數為500t/km2·a，建礦5年后，土壤侵蝕模數已達1000 t/km2·a。甘肅的窯街、阿干鎮、靖遠煤礦區，寧夏的石嘴山、石炭井煤礦區，陜蒙神府-內蒙古東勝煤礦區水土流失十分嚴重。內蒙古的烏達等煤礦區，侵蝕模數達10000～30000t/km2·a，是開采前水土流失量的3.0～4.5 倍。這不僅破壞了生態環境，還直接威脅礦區安全。例如，陜西神木中雞煤礦由于礦渣傾入河道，占據河床2/3的面積，1984年8月雨季時河水受阻回流，造成特大淹井事故。3.4.2.6 土地沙化煤炭開采造成的地面塌陷破壞了淺層地下水系統均衡，因地下水位下降使部分地區的塌陷區植被枯死，形成或加劇土地沙漠化。露天煤礦、交通及天然氣管道工程建設占用大量耕地，破壞植被，使部分原已固定和半固定的沙丘活化。戈壁沙漠區煤礦廢渣的堆放、風化加劇了土地沙化。陜西神府煤田礦區的大規模開發以及地方、個體開發沿河溝兩岸亂挖濫采，破壞植被，導致沙土裸露，加劇了水土流失和土地沙化。自20世紀80年代中期開發以來，毀壞耕地666.7ha，堆放廢渣超過6000×104t，破壞植被4946.7ha，增加入黃泥沙量達2019×104t。據“神府東勝礦區環境影響報告書”預測，若不采取必要的防沙措施，在礦區生產能力達到3000×104t規模時，將新增沙漠化面積129.64km2，煤礦開發導致的沙漠化面積為自然發展產生沙漠化面積的1.53倍，新增入河泥沙量480×104t，比現有條件下進河泥沙量增加13.7%。3.4.2.7 水土環境污染煤礦水污染源主要是煤礦開采外排的礦井水、洗(選)煤水以及煤矸石淋濾水。據有關文獻，莫斯科近郊煤田礦井地質環境的研究表明，距矸石堆底部50～60m遠的土壤中，每100g土壤中鐵含量達146～160mg，鋁含量達11～19mg，分別超過允許值的3～4和1.5倍，土壤被毒化。長期以來，由于技術水平所限和認識不足，礦井水被當作水害加以防治，礦井水被白白排掉而未加以綜合利用和保護。2000年西北地區國有礦井煤產量3785×104t，平均噸煤排水量1.3t，其他礦井煤產量5209×104t，平均噸煤排水量0.324t。西北地區的煤礦主要位于干旱、半干旱地區，礦區水資源匱乏，毫無節制的排水不僅大大破壞了地下水資源，增加了噸煤成本，而且還導致地面塌陷、地下水資源流失、水質惡化，還可能造成地下突然涌水淹井事故的產生。煤礦礦井水多屬酸性水，未加處理直接排放，加劇了干旱地區礦山用水危機。陜西、寧夏、內蒙古部分礦井水pH值均小于6，陜西銅川李家塔礦井水pH值為3。酸性礦井水直接排放會破壞河流水生生物的生存環境，抑制礦區植被生長。甘肅、寧夏、內蒙古西部、新疆大部分礦井及陜西中部和東部等礦井水是高礦化度水，一般礦化度均大于1000mg/L，其中甘肅靖遠大部分礦井水礦化度在4000mg/L以上，尤其是王家山礦高達15000mg/L以上。2002年7月在陜西渭北煤礦區的一些礦務局調查時發現，陜西白水縣個別礦山存在將坑道廢水直接排入地下巖溶裂隙的現象，導致巖溶水污染，此問題應引起有關部門的高度重視，應盡快采取措施保護巖溶水，使地下水資源不受污染。
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。