（环境工程专业论文）煤矿开采沉陷的环境效应和生态修复技术——以淮南矿区为例.pdf

摘要 煤炭资源的大规模开发及利用，既给人类带来巨大的社会经济效益，同时也对人 类生活环境产生一系列的消极影响，其中煤矿开采沉陷问题e j 益突出。煤矿沉陷区的 生态恢复与治理，是煤炭生产所面临的一个亟待解决的问题，直接决定矿区的社会稳 定、区域经济、生态环境，同时影响矿区的町持续发展，作为发展中国家，显得尤为 重要。论文主要对淮南矿区开采沉陷的环境效应及其生态修复技术进行研究，具体分 析了淮南煤矿的开采对水体的污染、粉煤灰对环境的影响和煤矸石的环境效应，对淮 南矿区环境污染进行了监测，并测试了淮南矿区周围水体中的矿化度、c o d 、酸碱度、 有害金属元素含量等水质指标，评价分析了煤矿开采沉陷对水体的污染，通过分析评 价8 4 个地区水体污染等级发现，重污染和严重污染的地区达到4 0 以上，得出水体 污染和煤矿分布有着密切关系。并针对淮南矿区的大通矿进行深入具体的分析，提出 了大通矿区生态修复技术和水污染处理j 【艺技术，阐述了大通矿区的湿地生态修复重 要性，针对独有特点，提出了能够实际实施的几种模式，包括土地复睦与生态恢复技 术、沉陷区植被恢复技术、沉陷区大面积水体生态恢复与开发技术、桑基农业模式、 旅游娱乐模式、动态开发利用模式，并探讨生态修复技术实施的可行性，得出开采沉 陷的生态修复可行性措施，并对于已进行生态修复的地区士壤进行评价，为煤矿环境 治理提供一些理论指导依据和技术指导。 关键词：开采沉陷，环境效应，水质分析，淮南矿区，生态修复，大通矿 a b s t r a ct l a r g e - s c a l ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fc o a lb r i n gh u m a nn o to n l yt h eh u g e e c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds o c i a le f f i c i e n c y , b u ta l s ot oh u m a ns u r v i v a le n v i r o n m e n tc r e a t e d as e r i e so fn e g a t i v e e f f e c t s ，i n c l u d i n g c o a lm i n i n gs u b s i d e n c ep r o b l e mi n c r e a s i n g l y m i n i n gs u b s i d e n c ea r e ae c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，d i r e c t l yr e l a t e dt ot h e m i n i n ga r e ao fr e g i o n a le c o n o m ya n ds o c i a ls t a b i l i t y , e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，b u ta l s o r e l a t e dt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm i n i n ga r e a ，i so u rc o u n t r ym i n i n ga r e af a c e da p r o b l e mt ob es o l v e d t h i sp a p e rm a i n l yah u a i n a nc o a lm i n em i n i n gs u b s i d e n c e e n v i r o n m e n t a le f f e c t sa n di t se c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt e c h n i q u e sa r es t u d i e d ，a n dc o n c r e t e l y a n a l y z e dh u a i n a nc o a lm i n i n gf o rs u r f a c ew a t e rp o l l u t i o n , f l ya s h si m p a c to nt h e e n v i r o n m e n ta n dg a n g u ee n v i r o n m e n t a le f f e c t s ，f o rh u a i n a nd i g g i n g se n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nw e r em o n i t o r e d ，a n dt e s t st h eh u a i n a nd i g g i n g sa r o u n di nw a t e rs a l i n i t y , c o d ， a c i d i t y , h a r m f u lm e t a le l e m e n t si nt h ec o n t e n to fw a t e rq u a l i t yi n d e x ，e v a l u a t i o na n d a n a l y s i st h ec o a lm i l l i n gs u b s i d e n c eo fw a t e rp o l l u t i o n ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ew a t e r p o l l u t i o na n dc o a ld i s t r i b u t i o nh a sc l o s er e l a t i o n a n di nt h el i g h to fh u a i n a nd i g g i n g s j p m o r g a nc h a s eo r e ，a n a l y z i n gp r o p o s e dd r i f tm i n i n ge c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt e c h n i q u e sa n d w a t e rp o l l u t i o nt r e a t m e n tt e c h n i q u e s ，t h i sp a p e re x p o u n d st h e d a t o n gc o a lw e t l a n d e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni m p o r t a n c e ，a c c o r d i n gt os p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i ci se a s yt oi m p l e m e n t ， a n dp u t sf o r w a r ds e v e r a li m p o r t a n tm o d e l ，i n c l u d i n gl a n dr e c l a m a t i o na n de c o l o g i c a l r e c o v e r yt e c h n o l o g y , s u b s i d e n c ea r e av e g e t a t i o nr e s t o r a t i o nt e c h n i q u e s ，s u b s i d e n c ea r e a l a r g ew a t e re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , t h es a n k e ya g r i c u l t u r e m o d e ，t o u r i s te n t e r t a i n m e n tm o d e l ，d y n a m i cd e v e l o p m e n tu t i l i z a t i o nm o d e , a n dd i s c u s s e s t h ef e a s i b i l i t yo ft h ei m p l e m e n t a t i o no fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt e c h n i q u e s ，i ti sc o n c l u d e d t h a tt h em i n i n gs u b s i d e n c eo fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n f e a s i b i l i t ym e a s u r e s ，f o rm i n e e n v i r o n m e n tg o v e r n m e n tp r o v i d es o m et h e o r e t i c a lg u i d a n c eb a s i sa n dt e c h n i c a lg u i d a n c e k e yw o r d s ：m i n i n gs u b s i d e n c e ：e n v i r o n m e n t a le f f e c t ；w a t e rq u a l i t ya n a l y s i s ；h u a i n a n m i n i n ga r e a ；e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ；d a t o n gm i n e i i 1 = 程硕 二学位论文煤矿开采沉陷的环境效戍及生态修复技术 1 绪论 1 1 选题目的及意义 煤炭资源作为人类生产生活、生存和发展的必要物质条件，在我国，对于煤炭开 采及使用有着久远的历史，作为工业主导能源，其生产、运输和利用对于工业经济发 展有着重要的促进作用，但在促进社会发展的同时，也导致了多种环境污染问题，具 体表现在以下两个方面：煤炭开采、选煤、运输过程中大量粉煤灰逸散到大气和水 体中，使得地表水体受到严重污染；煤矿开采导致周围土壤遭到破坏，也污染了地 下水，对于生态环境造成严重的影响。煤炭、煤矸石固体废弃物等的堆砌占用大量 土地，煤的自燃以及粉煤灰对于矿区周围植被造成难以修复的破坏。这些都使得某些 矿区资源浪费、经济发展下降、生态平衡失调、乡镇社会问题加剧，成为实施煤炭安 全环保开采的控制因素。 我国部分地区煤炭开采问题的概况为：地下开采使煤层顶板垮落后，导致地面下 降，形成塌陷。塌陷作为一种地质灾害，是各大主要煤炭生产基地开采过程中对于生 态环境破坏的主要方式，塌陷面积占煤炭地下采掘总面积的百分之七十五以上。 中国作为一个以煤炭为主要能源的发展中国家，开采过程中对生态环境造成了很 大的破坏作用，其中最为严重是煤炭开采、运输等过程中产生的煤矸石、粉煤灰、工 业废水以及噪声等污染，而开采过程中形成地面塌陷对于人类生活也造成很大的影 响。目前我国因煤炭开采造成植被破坏的地区面积近4 万k m 2 ，每年以2 1 0 k m 2 的速度 增长。每年由于煤炭开采形成的塌陷区占全国塌陷区的1 0 ，而复垦利用率极低，仅 占五分之一。因此我国当前煤炭的利用和环境保护严重失衡，解决煤矿区环境问题显 得越来越紧迫。而对于煤炭开采区环境污染进行深入研究有着现实意义。 论文基于前人研究为基础，以淮南矿区的开采沉陷的环境效应及其修复技术探讨 为主要研究内容，以理论研究结合环境监测水质分析等手段，对煤矿区环境污染进行 全方位的综合研究，为煤矿环境治理提供一些理论指导依据和技术指导。 1 2 研究概况 1 2 1 研究现状 ( 1 ) 煤矿开采对生态环境的影响研究现状 上个世纪末期，我国部分专家针对煤矿开采对环境的影响从各个角度进行了初步 的研究。韩宝平等( 1 9 9 6 ) 研究了煤矿开采中发生的各种地质灾害机理煤矿，对煤炭 开采对于地下水的污染做了细致的研列，以大同矿区为例，研究煤矿开采对地表水 l 绪论 t 程硕士学位论文 流动的规律研究。研究表明地表水水利系统与地下水有着重要联系，这也导致煤矿开 采过程中产生的水体污染通过水利系统在地表水与地下水之间传播，而不同的地区有 着不一样的影响。 在全球各个国家，煤炭开采污染自然环境，影响着自然生态系统的平衡，甚至导 致人类的健康受到威胁。而生产过程中产生的废水不达标排放引起的环境问题更为突 出。这一块到底有多大影响范围和深度，目前正在研究中。前人在研究矿井水体污染 时意外发现水体在动态交换过程中会有各种不同的有毒元素富集。 在煤矿区水体保护方面，l i 人分析了山西煤矿开采对水体和环境的破坏，得出煤 矿开采导致水体遭受破坏及污染，地下水污染日益严重，从而使得水质污染、地表塌 陷等问题的出现【2 1 。 前人针对不同矿区水体遭受破坏的程度等情况进行分析研究，得出煤矿开采过程 中会破坏地下水水利系统，从而改变水体的储集状态。 粉煤灰具有质量小、粒径小等特点，容易漂浮于大气之中，煤炭在生产利用后剩 下的固体残渣，直接影响周边生态环境。固体废弃物、煤矸石堆砌在地表，经过长时 问的自然条件作用，煤中有害元素会发生不同程度的迁移淋溶【3 刀】，造成土壤水体污 染。现在主要采用土地填埋和地下储藏等方式处理粉煤灰的污染。前人已经做了大量 的研究，发现粉煤灰赋存的有害元素会对大气、土壤等造成一定污染控制作用，影响 人类的正常生活【8 】。 水污染治理技术主要包括以下几大类主要方法：化学治理技术、物理化学治理 技术、好氧生物治理技术、厌氧生物治理技术、生物治理新技术、污泥的浓缩与脱水 等。对于一些主要废水可以考虑废水水灌溉、污水养殖水生生物、氧化塘等不同组合 型式的生态工程系统。对高浓度的废水及固体废弃物废渣，倡导厌氧生物处理技术的 推广，同时进行新能源的开发。 对于水污染控制方面的研究，中科院研究工作较为突出，南京土壤所、南京地湖 所、水生所、生态环境中心、广州地化所等积累了很多的理论知识，成为我国水污染 研究的主要团队。拥有湖泊与环境、环境与生态化学、环境水质学、水生物技术、地 球化学等一系列的国家重点实验室和水体化学等国家工程实验室，建设了太湖站、东 湖站等从事水体污染监测与恢复研究的野外生态站和开展区域环境污染研究的“珠江 三角洲环境污染与控制研究中心 等研究单元，形成了水体污染防治研究的重要平台， 同时培养造就了一批长期服务于国家水污染研究的人才和创新团队，在基础理论研 究、科学监测与预警、治理修复等方面产生了有一定影响的研究成果。 “十二五 期间，环境污染问题已经成为当今社会的主要问题，煤炭开采所造成 的环境污染问题又占有举足轻重的作用，在提倡低碳经济的现代社会，怎样更好的利 用先进技术对煤矿开采进行治理具有重要意义。目前，国家已经投入了大量的人力物 2 t 程硕| ：学位论文煤矿开采沉陷的环境效应及生态修复技术 力进行煤矿环境治理，这对于提高我国环境质量有着深远作用。 ( 2 ) 煤矿开采塌陷的研究现状 煤矿沉陷是指煤炭自地下歼采生产后，顶板岩石的应力分布遭受破坏，使得应力 重新分布，从而达到新的应力平衡状态，在这个过程中，煤层产生了一系列的变异、 滑动、沉降甚至危及地表，造成了一定程度的塌陷，形成了不同程度的破坏，对地面 建筑等造成影响。主要影响因素包括煤矿开采技术以及设备的使用和地质因素的方 面，在这些因素中又可以分为自然因素和人为因素，自然因素包括煤矿自身条件，比 如地层硬度、煤厚、地质构造等。人为因素包括技术选择，开采方式以及机械等方面 的使用，巷道支护等措施。前人对于其危险主要总结为以下几个方面：地面沉陷导 致耕地的减少，使得土壤质量下降，对于开采区生态系统发生较大的影响。 前人对于煤矿开采沉陷的研究方法较多，勒建明等( 2 0 0 1 ) 基于地理信息系统( c i s ) 的基本原理，提出了开采沉陷环境影响评价的路线，探讨了环境因子的提取方法以及 利用g i s 对开采沉陷环境影响进行评价的可能性，提出了矿山开采沉陷环境影响的评 价模型以及环境影响的综合评价方法，并探讨了线性四叉树数据结构在环境影响综合 评价中的应用1 9 1 。 张庆松等( 2 0 0 4 ) 基于开采沉陷领域大量工程观测资料，探讨了运用粗集和神经 网络相结合的方法，从已有的沉陷数据中探索地质采矿因素与地表沉陷间的深层次关 系，取得了较理想的效梨1 0 l 。 张安兵等( 2 0 0 8 ) 采用粗集及支持向量机技术对其进行研究，首先应用粗集理论 进行了岩移影响因素分析，给出了各影响因素的支持度，然后运用支持向量机预测技 术构建了支持向量机预测模型，成功进行沉陷预测【1 1 1 。 易四海等( 2 0 0 8 ) 针对以往开采沉陷可视化方法中没有考虑矿区地貌特征的不足， 采用c a s s 软件成功解决了矿区原始地貌离散高程数据与开采沉陷预计格网数据之间 的融合难题，实现了顾及地表沉陷的矿区地貌可视化。该方法能够在不丢失原有地貌 信息的情况下，真实形象的反映矿山开采引起的地貌变化，同时利用该软件的工程应 用功能，可获取矿山开采后地表沉陷信息，为矿山开采损害防治和沉陷区治理提供依 据【1 2 1 。 查剑锋等( 2 0 0 7 ) 采用v b 对a u t o c a d 进行二次开发，结合开采沉陷预计，实现 给定区域内地表移动与变形极值的自动统计【1 3 1 。 莫时雄等( 2 0 0 8 ) 将有限元理论和隶属函数结合，共同对金属矿山的地面开采沉 陷进行评估预测，不但可以确定沉陷影响因素之间的联带问题，而且也能全面的反映 金属矿山开采沉陷的危害程膨1 4 】。 ( 3 ) 开采沉陷生态修复研究现状 针对矿区土地复垦方面，中国环境科学院、山西环境检测治理中心、南京环科所、 3 1 绪论 工程硕士学位论文 南京大学等相继开展过塌陷土地复垦和综合利用的研究，取得了大量的科学性研究成 果，明确了塌陷灾害对土壤质量的污染机理和规律、土地复垦改良方法等。近年来湖 南大学、中国科学院水土保护研究院、东南大学等科研机构从环境学、水污染控制和 大气污染控制等方面出发对煤炭开采过程中产生的环境污染、过度开采带来的地面沉 陷机理以及开采区植被破坏情况进行了研究。关于复垦模式及其经济利益分析的研究 也较多【1 5 2 。 上个世纪国家公布的环境保护法，使开采塌陷对环境的影响评价及整治工作 进入新的阶段。近些年已完成煤炭开采区域环境影响评价等研究报告，煤矿开采塌陷 的整治特别是造地复田、综合利用地面塌陷地取得了阶段性成果。2 0 世纪末期，我国 颁布“土地复垦规定 ，规定煤矿开采单位企业要加大煤矿区环境治理。现代煤矿开 采沉陷的主要的防治技术有：全部充填开采、条带开采、覆岩离层带充填、限厚开采、 协调开采、“采一注一采 三步法开采。 顾和和( 1 9 9 9 ) 提出了“煤矿沉陷土地可持续利用 的概念，提出沉陷土地的可 持续利用的实质就是沉陷土地的持续高效利用，其目的是矿区物质良性循环和高效利 用，充分发挥沉陷地生产力的同时，防治环境污染，保持复垦土地质量不下降【2 2 1 。区 域矿区煤矿开采沉陷复垦已经取得了一些成果，如毛汉英( 1 9 9 8 ) 、方创琳等( 1 9 9 7 ) 对两淮典型高潜水位平原矿区沉陷地复垦模式研究【2 3 2 4 1 。 1 2 2 存在问题 ( 1 ) 研究内容比较单一，大部分属于生产技术人员的研究，更深层的理论研究 较少。 ( 2 ) 针对开采沉陷的环境效应方面的研究较少，煤矿开采对附近水体的影响有 待进一步研究。 ( 3 ) 对于煤矿大面积开采沉陷预测前人研究较多，但对于如何更好的治理，怎 样利用生态修复技术对大面积煤矿开采沉陷进行治理的研究较少。 由上述研究现状和存在问题分析，可以看出，开展煤矿开采沉陷对环境的影响的 研究十分必要，这正是论文选题的初衷。 1 2 3 研究内容 针对研究现状中存在的问题，对淮南矿区开采沉陷的环境效应进行系统全面的分 析，深入分析大通煤矿开采沉陷区各种元素变化规律和污染物的迁移路径，及不同地 区水体污染程度评价，对其治理进行进一步探究，提出可行的的生态修复技术及其防 治措施。 4 t 程硕仁学位论文煤矿开采沉陷的环境效应及生态修复技术 1 2 4 技术路线 研究路线主要分为前期准备阶段、中期研究分析阶段、后期整理归纳阶段。前期 准备阶段主要包括调研和对前人成果的分析，调研指对煤矿开采沉陷方面资料的收集 以及案例的采集；对于淮南矿区的水体、大气进行监测，重点获取8 4 个典型地区的水 样；中期研究分析阶段主要分为两个部分：一方面利用先进水质分析技术对于所采样 品进行分析，探究合适的水处理工艺，另一方面探求开采沉陷的生态修复技术，最后 进行综合分析：后期t 要是整理归纳阶段，归纳所得结论。 5 2 煤矿开采环境影响概述工程硕士学位论文 2 煤矿开采环境影响分析 2 1 煤矿环境特征 ( 1 ) 整体特征 煤矿环境是自然和社会环境相互交叉而形成一个总体，体现出来可以概述为人 类、生活、各种自然灾害和污染物相对富集的场所，因此，人类所生存的环境是非常 复杂的一个自然和社会，体现在诸多方面。 ( 2 ) 多样性 煤矿有着不同的形成原因、规模和属性，根据各矿的开采方式、开采历史、采煤 方法和环境治理措施等要素，以及相关属性的不同，导致煤矿开采过程中有着很大的 差异性质，这也是煤矿生态环境的多样性体现。 ( 3 ) 社会属性 煤矿是人类按自己的意愿对自然生态环境实施人工处理等方面的活动，为人类生 活范围内的生产中心，在人类活动中起到了非常重要的作用，是整个社会物质文明的 象征，有着典型的特点。煤矿环境的优良，在很多方面决定着人类对自然的改造程度， 其与各个国家的自然环境构成与发展有着藿要的关系。 ( 4 ) 开放性 煤矿环境在空间和时间上是运动的，与周围环境有着密切的关系。 ( 5 ) 自然性质 煤矿是自然的一部分，煤矿环境肯定会受到地下水、地质概况、天气、土质、森 林、地形等自然条件的制约。因煤矿开采造成的自然环境变化与环境总体息息相关【2 5 1 。 2 2 煤炭资源的开采对环境的影响分析 2 2 1 煤矿开采的各种环境效应 ( 1 ) 城市效应 在我国，几个重要的煤炭生产基地都带动着各大城市的发展，例如淮南、大同、 鄂尔多斯等煤产地。煤矿作为一种特殊的老牌能源行业，其作为一种特殊的人工生态 系统，有别于其他各种产业城市所产生的环境污染，具有一般城市和乡镇的大气、水、 噪声、固体废弃物污染等问题，过度开发肯定会导致煤矿周边城市与乡镇的规模扩大 化，跟其他城市和乡镇有所差异的是，煤矿作为一个独立的生态系统，对周边的环境 有着重要影响，但其更重要的是煤炭开采过程对周边环境的污染和控制，有的矿区为 平原地区，有的则地处高山或丘陵地区，有着则处在广阔的大草原上，但都由于煤矿 6 工程硕t 学位论文煤矿开采沉陷的环境效戍及生态修复技术 区生态环境较为恶劣，导致了很多煤矿区才拥有的环境问题。 ( 2 ) 生态环境效应 随着现代技术的发展和进步，煤矿的过度采掘导致了地表植被、土壤等会发生显 著改变，产生了一系列的生态问题，包括如何处理粉煤灰、煤矸石等对人类生活的影 响，以及其相关的处理，煤炭开采同时导致土壤破坏，地表道路、交通、住宅等发生 破坏，这些给人们的生活构成了很大的威胁，由于煤矿开采产生的各种问题也日益突 出，煤中有害元素较富集，对于地下水的污染较为严重，煤燃烧释放大量的二氧化硫 和硫化氢气体，对大气造成了很大的污染。随着时问的推移，这种影响和污染的范围 和程度会越来越大。 ( 3 ) 道路交通效应 煤矿开采及利用，修路铺轨成了其顺利生产交易的必要条件，矿区与城市之间、 矿区与矿井之间、各矿井之间也会有着重要的交通连接。这样都组成了交通运输网络。 而这种特殊的网络状交通便是煤矿开采过程中的道路交通效应。 ( 4 ) 污染物生态效应 煤矿开采和煤炭运输过程中的粉煤灰都会对大气造成污染，固体废弃物的堆放对 土壤造成很大的污染，选矿废水又对地下水有着重要的影响，煤炭中所含有的硫等有 害元素又会导致很大的水体和大气污染【2 6 1 。 ( 5 ) 采煤区环境影响效应 煤矿的建设及其开采，需要各种配套设施的匹配，因此会在各矿区周围建立一系 列产业，包括各种附属产品加工业，例如发电厂的建立，因此，煤矿开采会带动一系 列产业链，使得原本落后的乡镇经济得到很快的提高。这些迅速发展的产业也会给生 态环境带来很大的负担。 2 2 2 煤矿开采对生态环境的影响 煤矿开采活动对矿区周边环境造成极大的人为压力，其中煤矿生产与开采包括煤 矿主体建设、辅助工程( 比如选煤、煤加工、火力发电等) 、公用设施( 各生活服务 设施、生产用水用电和交通运输等) 及固体废物处置项目 2 7 1 。各种活动的危害主要划 分为以下两个方面：一方面是对自然环境，对自然环境的影响由于煤矿开采对自然 环境的规律性破坏及扰动；另一方面来源于煤炭资源过度开发，各生产矿井的建立与 生产，造成了一定量的污染物的产生，这些污染物一旦排放到周围环境中，就会对周 边的水体、大气、土壤等生态环境造成破坏。其中文化服务设施、工农业发展、交通 管道、生命健康、人文景观、农民收入等对社会经济环境影响因素较为广泛。影响表 现在：第一，开采煤炭资源给所在乡镇带来经济上提高、生活文化的提升、交通运输 与住宿条件的完善以及农业的发展等提供各种积极因素；第二，是煤炭资源开采后和 7 2 煤矿开采环境影响概述工程硕士学位论文 矿井建成生产给矿区所在地区带来恶劣的环境影响。综合全国各矿区矿井煤炭开采， 对生态环境影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 环境污染 煤矿开采过程中会导致很多方面的环境问题，其对人类生活和生态影响是巨大 的，其主要控制因素为不同的煤矿开采方式。煤炭开采本身会造成很多方面的污染， 污染源主要来自煤炭、煤矸石、粉煤灰和选煤废水，煤中各种有害元素通过燃烧释放 出大量的有害气体，重金属元素也会对附近水体造成较大的污染，在采煤过程中机械 噪声等以及煤炭运输过程中的大量尾气排放给环境造成了很大的影响，附属产业像火 力发电厂的建立会使得周围水体、土壤、大气受到污染【3 0 】( 见图2 1 ) 。 图2 - 1 煤矿区大气污染 煤矿开采对周围的水体有着很大的影响，其中包括两个方面：第一，对地下水的 影响，煤炭资源开采过程中，导致地面沉陷，地下水下降，从而导致附近居民生活用 水出现困难；再加上固体废物和其他方式的污染物导致地下水受到污染。中国西部干 旱地区，很多地区的植被干枯死亡，这就由于地下水水位的下降导致的【2 8 1 。第二，地 表水影响因素包括水文、改变河道和取水、污染水质等；煤矿开采及矿区乡镇的崛起 可能会导致大量水体由农用转为煤矿开采和乡镇使用，除此之外，还因地下水资源开 采过度，可能会造成区域或流域更大范围的生态环境影响问题( 见图2 2 ) 。 ( 2 ) 生态系统的稳定 露天开采煤炭会造成植被的破坏，井下煤矿开采也会造成植被的部分破坏。由于 煤矿生产区生态系统的平衡主要以植被为核心，这将导致煤矿开采过程中周围矿区植 被、水体、生物遭到破坏而发生很大幅度的变化。其中导致植被、水体遭到破坏的原 因还包括所有辅助配套工程、公用建设工程用地及采煤固体废弃物的堆置。部分和完 全的植被破坏会使的生态系统的各种功能失去平衡，甚至丧失系统平衡，使得生态系 统失衡，例如工农业产品的缺乏和土壤水土保湿的功能等1 2 9 ，在煤炭资源开采到某个 工程硕士学位论文煤矿开采沉陷的环境效应及生态修复技术 阶段后乡镇的形成，一些矿区可能由于国家的政策等因素建成各种各样的人工植被， 因此各采煤地区的生态系统就由自然的转为人工生态系统或者部分人工控制的生态 系统。产生的生态环境方面的问题可能会导致矿区生态功能减弱、各采煤矿区大气污 染、产生新的生态环境问题从而阻碍煤矿开采的可持续发展。 图2 2 采煤区水体污染 图2 3 煤矿开采地区地质灾害 ( 3 ) 坏境地质灾害 与过去相比，现在各地区的各种环境地质灾害频繁发生，云贵川随处可见的泥石 流滑坡等【3 1 l ( 见图2 3 ) ，这些与煤矿的开采有着一定的关系。最为显著的就是煤矿 开采区大面积地面塌陷，雨水积累，成为一个个水塘，同时也对各种建筑造成一定程 度的破坏，居无安全之感。 2 2 3 煤矿开采环境影响因素 ( 1 ) 煤炭开采方式 0 2 煤矿开采环境影响概述t 程硕仁学位论文 由于煤炭开采方式造成的环境效应差异非常显著，不同的开采方式对环境的影响 有着不一样的作用，具体的说，煤矿开采使得地形地貌发生改变，从而导致植被的破 坏，露天采煤会导致煤矸石的堆砌，采煤大坑会发生泥石流灾害，选煤厂排出的工业 废水中有害元素较多，对附近地表水及地下水造成污染，而井下开采则会导致地面塌 陷，井下产生固体废弃物等【3 羽。相同条件下，采用露天开采的地区比井下开采的环境 效应大的多，可能导致地区生态环境毁灭性的破坏。 ( 2 ) 煤炭产量 煤矿的过度生产会使得环境效应急剧增加，对周边环境造成很大的破坏，而根据 实际情况确定煤炭生产的产量，边生产边治理，这样可以减少煤矿对环境的影响，如 果考虑煤矿的储量是一定的，只要我们能够延长煤炭的开采年限，这将会使得环境自 净能力增加，从而减少因过度开采资源造成的环境污染问题 3 3 1 。 2 3 本章小结 本章主要针对煤矿开采环境影响效应进行了分析，研究了煤矿环境特征主要包括 整体特征、多样性、社会属性、开放性和自然属性，得出了煤矿开采过程的效应分为 城市效应、生态环境效应、道路交通效应、污染物生态效应、采煤区环境影响效应， 煤矿主要对水体、大气、生态系统和环境地质等方面污染和破坏，煤矿开采影响环境 的控制因素主要为开采规模和开采方式。 1 0 工程硕士学位论文 煤矿开采沉陷的环境效应及生态修复技术 3 淮南矿区开采沉陷对环境的影响分析 3 1 煤矿开采对水体的污染 煤矿开采对水体特别是地下水有着重要的影响，为了煤矿安全生产，矿井必须排 除大量的矿井水，排出的矿井水对水体，特别是对地下水的污染最为严重。下面以煤 矿生产基地淮南为例，通过对煤矿周围地面塌陷地区进行水质分析，深入研究煤矿分 布对地下水的污染作用机理。 地下水系统中污染物的迁移、转化过程是一个复杂的物理、化学及生物综合作用 的过程。地表的各种污染物在进入含水层过程中，一般要经过表土层和下包气带两个 地层。而这两个条带对污染物不仅有输送和储存功能，并且还有延续或衰减污染的作 用。因此，作为天然过滤层的表土层和下包气带。实际上因污染物经过表土层及下包 气带产生了一系列的生物物理及化学作用，这些自净作用将会使一些污染物降解为无 毒无害的组分；部分污染物由于过滤吸附和沉淀而被截留在土壤里；另外一部分的污 染物被植物吸收或合成到微生物体内；从而使污染物浓度降低。另外，由于污染物在 以上迁移过程中，还可能发生与自净作用相反的现象，例如有些作用会增加污染物的 迁移性能，使其浓度增加或从一种污染物转化成另一种污染物，如水污染过程中污水 含有的n h 4 + - n ，经过表土层及下包气带的硝化作用转化为n 0 3 - n ，从而使得n 0 3 。n 浓度增高【3 o j 。 图3 1 淮南矿区位置图 淮南矿区位于江淮丘陵与黄淮平原的交界处，地貌类型兼有平原和丘陵的特点， 地形较为复杂，山丘，岗地，平原，湖洼，河流湖库兼而有之，图3 1 为淮南矿区行 3 淮南矿区开采沉陷对环境影响分析 t 程硕士学位论文 政区划和具体地理位置，行政区域上淮南矿区隶属于安徽淮南市。 一、地表水资源 ( 1 ) 地表水资源量 淮南市地处淮北平原南端，地理位置决定了降水是本地水资源最主要的补给源， 另外，浅层地下水可以中深层进行水量补给。市区地表水多年平均资源量分别为：1 9 9 9 年5 0 4 0 0 , l i m 3 ，2 0 0 9 年1 8 7 0 0 0 万m 3 ，风台县1 9 9 6 - - - 2 0 0 9 年4 3 6 0 0 万m 3 。 ( 2 ) 地表水消耗量 淮南市地表水消耗，主要有：农灌用水、工业用水、生活用水、随着社会经济发 展和人民生活水平提高，水资源消耗量呈逐年上升趋势，1 9 9 9 年全市地表水消耗量 1 5 3 6 9 0 万m 3 ，其中：农灌用水5 0 1 0 0 万t n 3 ，工业用水9 6 3 5 0 万m 3 ，2 0 0 9 年全市地表水 消耗量2 4 3 3 1 0 j m 3 ，在地表水总用水量中，农灌用水4 8 2 0 0 力m 3 ，工业用水1 8 2 1 8 0 万 m ? ，生活用水1 2 9 3 0 万m 3 。( 见表3 1 ) 表3 1 地表水资源与消耗情况 二、地下水资源 ( 1 ) 地下水资源量 淮南市地下水资源主要是指浅层地下水，地下水位深埋：市区0 5 1 5 m ，凤台县 1 2 2 1 m ，地下水矿化度0 3 0 8 9 t , 。地下水区域分布分为两部分，一是淮南市区部 分一大通区，田家庵区，谢家集区，八公山区，和潘集区，二是凤台县部分( 凤台县 和毛集实验区) ，从地形结构看，淮河以南是江淮丘陵区一大通区，田家庵区，谢家 集区，八公山区，淮河以北为淮北平原区一潘集区，风台县和毛集实验区。 1 2 工程硕仁学位论文煤矿开采沉陷的环境效应及生态修复技术 淮南的地下水年平均资源量：1 9 9 9 年3 5 9 0 0 万m 3 ，其中：淮北平原年地下水资源 量3 3 9 0 0 万m 3 ，江淮丘陵年地下水资源量2 0 0 0 万m a ，2 0 0 7 年4 5 1 0 0 ) j m 3 ，其中：淮北 平原年地下水资源量4 2 6 0 0 万m 3 ，江淮丘陵年底下水资源量2 5 0 0 万m 3 。 凤台县地下水年平均资源量：1 9 9 9 年9 1 4 0 0 万m 3 ，其中：淮北平原年地下水资源 量8 8 0 0 万m 3 ，江淮丘陵年地下水资源量6 0 0 ) y m 3 ，2 0 0 7 年l1 0 0 0 万m 3 ，其中：淮北平 原年地下水资源量1 0 0 0 0 万i n 3 ，江淮丘陵年地下水资源量1 0 0 0 万n ，。 ( 2 ) 地下水开采利用状况 淮南市地下水允许开采量：1 9 9 9 年2 5 8 0 0 万m 3 ，2 0 0 7 年3 2 5 0 0 万m 3 ，凤台县地下 水允许开采量：19 9 9 年3 0 0 0 万m 3 ，2 0 0 7 年3 2 0 0 万m 3 。 淮南的地下水实际开采量：2 0 0 7 年8 2 0 0 力m 3 ，其中：农牧业用水3 4 0 0 万m 3 ，占 4 1 ，工业用水量2 2 0 0 万m 3 ，占2 7 ，生活用水量2 6 0 0 万m 3 ，占3 2 。凤台县地下水 实际开采量：2 0 0 7 年为4 0 0 万m 3 ，其中：农牧业用水2 0 万m 3 占1 8 ，工业用水量5 0 万 1 1 1 3 ，占8 ，生活用水量3 0 0 万m 3 ，占7 5 。农业利用地下水资源量及其利用情况见表 3 2 。 表3 2 地下水资源及其利用状况 三、土地资源 ( 1 ) 土地利用与分布 全市国土面积2 1 2 1 1 4k m 2 ，农业用地( 包括耕地，面积，草地，水域用地等) 1 5 5 8 k m 2 ，占土地面积的7 3 5 ，建设用地( 包括城镇，居民，工矿，交通，水利建 设等) 4 5 8 簖，占土地面积的2 1 6 ，未利用土地( 包括滩深，苇地，田坎等) 1 4 8 k m 2 ， 占土地面积的4 9 。 1 3 3 淮南矿区开采沉陷对环境影响分析工程硕士学位论文 ( 2 ) 土地利用潜能发掘 2 0 0 7 年全市 = 2 5 度的坡度耕地1 0 0 公顷，1 5 度2 5 度的陡坡耕地6 3 9 k m 2 ，3 1 5 度 的平地与缓坡耕地6 1 8k r n 2 ，分别较1 9 9 9 年递增6 7 7 、2 1 、1 0 2 ：中低产田2 4 7 k m 2 ，地产林2 1 7k m 2 ，低产园7 1 0k m 2 ；鉴此，近年来，通过科学规划，增加资金与 科技投入，对田、水、路、林进行整治，增加有效耕地面积，提高耕地质最，改善耕 地质量，改善农业生产条件，提高土地产出率3 0 ，坡改梯、退耕还林、节水灌溉面 积比1 9 8 6 年递增6 2 倍、3 5 6 、2 4 倍，分别占耕地总面积的6 9 、0 3 8 、1 9 5 。 目前，全市有荒坡、荒水、荒滩资源面积3 9 2 k m 2 。通过综合开发，建设农业生产 和水产养殖基地，创造物质财富 全市旧城区内现有存量土地1 0 7 9 0 公顷，可供开发利用；农村居民点迁并与旧农 庄改造整理出5 6 8 1 公顷土地，可用于还田和城镇建设。 四、森林资源 目前，全市成林抚育作业面积4 3 3k m 2 ，幼林抚育作业面积3 0 0 k m 2 ，造林面积2 9 2 7 簖年，四旁造树6 2 5 万株年，木材采伐量3 2 6 5 m 3 年，主要树种：杉、松、柏、杨、 柳、榆、槐、椿、桐等。果园面积9 9 9 公顷，主要树种：苹果、桃、犁、葡萄等。 3 1 1 地下水特征 ( 1 ) 淮南市区 淮南直辖区内，地下水分布与江淮丘陵地区的地下水分布相似，地表层的潜水和 承压水，主要分布在淮河沿岸的河漫滩和一级阶地，在洛河、姚家湾以西呈带状分布 的两区，含水层较厚，含水量较大。水源区主要开采第二组冲积中细砂含水层，淮南 市区地下水的补给为基岩裂隙，地下暗河补给【4 n 。 市区内冲积、洪程、残坡积黏土中的地下水，系地层上部滞水，属潜水层。这类 地下水的分布以及埋藏条件，变化与一般地下水不同，它本身无一定规律，水位及含 水量直接受地表水控制，此类地下水靠降雨补给，水位埋深一般为o 5 1 5 m 。 ( 2 ) 淮南老矿区 依据淮南地区地层的情况，本地区主要划分为三个水文地质单元：东部舜耕山 区，二河道区，新庄孜、谢家集和李郢孜区。地下水质类型主要根据所处岩层而 异。 根据淮南老矿区历年来9 0 0 个水文观测孔的水样水质分析资料，矿井地下水有以 下四个水质类型： 煤系砂岩水：【h c 0 3 n a 太原统石灰岩水：【h c 0 3 c a 中奥陶统石灰岩水：i n t o ， c a 1 4 工程硕士学位论文煤矿开采沉陷的环境效应及生态修复技术 寒武纪鲕状石灰岩水： h c 0 3 c a 由于局部地质条件差异或断层对地下水的影响，不同水质类型：互相掺混，在地质 构造影响下，不同水层相互关联。 依据往年对孔集矿井附近淮河水位、第四系砂层，泥灰岩及石灰岩、奥陶纪石灰 岩水位标高的动态观测资料可知，枯水期与丰水期为两个不同时期，在此期间，淮河 水与砂层水有互补关系，枯水期地下水补给淮河，丰水期淮河水补给地下，并通过不 同地带补给给矿井水含水层 4 2 - 4 5 1 。 ( 3 ) 淮南潘谢矿区 潘谢矿区为几百米厚的第四级冲击层所覆盖，自东向西，自南向北有逐渐增厚的 趋势，局部区域有古地形隆起，从而形成局部地区土层变薄的现象，这些隆起大多位 于煤层露头。该地区含水层有四层，隔水层有三层。 3 1 2 煤矿废水 2 0 0 0 年，淮南矿区采掘业与非金属矿业制造业重复用水率3 6 0 1 ，废水处理回用 率3 3 7 ，废水排放达标率9 7 4 8 ，化学需氧量( c o d e r ) 去除率8 8 2 2 ，废水处理 率7 9 7 9 ，烟尘去除率4 3 1 7 ，粉尘去除率7 6 5 4 ，锅炉与炉窑烟尘排放达标率 7 6 4 3 ，固体废物综合利用率8 5 1 5 。其中：煤矸石8 4 6 9 ，“三废”综合利用产 值9 0 0 6 万元，“三废”综合利用利润3 6 7 4 力- 元，“三废 综合利用利润率4 0 8 。2 0 0 0 年与1 9 9 5 年相比，采掘业与非金属矿物制造业产值增长2 9 1 6 ，废水排放量递增 1 5 1 4 ，废气排放量递减2 4 6 9 ，固体废物产生量递减9 7 9 ，矿区环境污染得到了 基本控制。 3 2 淮南市浅层地下水环境质量评价 3 2 1 常规水质实验分析方法 一、化学分析法 化学分析法概念为以特定的化学反应为基础的研究分析方法，包括分重量分析法 及容量分析法两类。 重量法由于操作麻烦，并且对于污染物浓度低的，会产生误差，这种方法主要应 用于大气中降尘量、总悬浮颗粒、生产性粉尘、烟尘和废水中含有的悬浮固体、残渣、 油类、硫酸盐、二氧化硅等的测定。随着先进技术的发展，称量工具的改进，重量法 得到了进一步发展。例如，近几年研究者以及使用微量测重法测定大气飘尘和空气中 的汞蒸汽等。 由于容量法具有操作方便、准确度高、快速、应用范围广、费用低等特点，在环 境监测中得到广泛运用，但其灵敏度不够高，对于测定污染物浓度较低时，误差较大。 1 5 3 淮南矿区开采沉陷对环境影响分析t 程硕一l 学位论文 这种方法主要应用于水中的酸碱度、c o d 、n h 4 + n 、b o d 、d o 、c ，、硫离子、氰 化物、硬度、氯化物、酚等的测定，以及废气中铅的测定。 二、光学分析法 是以光的吸收、辐射、散射等性质为基础的分析方法，主要包括以下三种方法： 分光光度法为一种具有容易操作、仪器简单、灵敏度较高和测定成分广等特点 的常用实验分析法。可以用来测定金属、无机、非金属及有机化合物等。其在环境监 测分析法中占有较大的比重。 原子吸收分光光度法 是在待测元素的特征波长下，通过测量样品中待测元素基态原子( 蒸气) 对特征 谱线吸收的程度，以确定其含量的一种常规测试方法。因为操作简便、灵敏度高、迅 速、抗干扰能力强、选择性好、测定元素范围广，作为环境中痕量金属污染物测定的 主要方法，此方法可测定上百种元素，是国内外测定重金属的标准分析方法。 发射光谱分析法 是在高压火花或电弧激发下，使原子发射特征光谱，根据各元素特征性的光谱线 可作定性分析，而谱线强度可用作定量测定。 本法样品用量少、选择性好、不需化学分离便可同时测定多种元素，可用于无机 有害物质铬、铅、镉、硒、汞、砷等2