初论山东巨野煤矿开发的主要环境地质问题及防治对策.docx

初论山东巨野煤矿开发的主要环境地质问题及防治对策卜华 ,孙英波 ,叶进霞 ,陈洪年(山东省鲁南地质工程勘察院 ,山东 兖州 272100)摘要 :山东巨野矿区是目前山东乃至华东地区最大的未开发整装优质煤田 。规划的 7 对矿井已经开工建设 ,预计 2008年建成投产 。为进一步了解开发中可能产生的环境地质问题信息 ,增加编制矿区防灾减灾规划 、制定生态环境恢复 治理方案的参照依据 。论文根据矿区的环境地质条件 、煤田地质特征及开发规划工程特点 ,对煤炭资源开发过程中 可能产生的地面塌陷 、土地 、土壤环境破坏与污染 、地下水资源破坏和水质污染 、矿井突水 、煤矸石危害 5 种主要环境 地质问题及其造成的影响进行了初步预测和分析 。同时结合矿区开发进程提出了规划设计 、建设开采和矿山闭坑 3 个阶段加强环境地质问题防治的对策与建议 。关键词 :巨野矿区 ;环境地质问题 ;地面塌陷 ;防治对策文章编号 :100328035 (2007) 0220140205中图分类号 : P64212 ; TD823183文献标识码 :A引言煤炭是我国现阶段的最主要能源 ,巨野矿区煤炭 资源的大规模开发 ,对于提高山东和华东地区的煤炭 自给率 ,促进社会和区域经济进一步发展具有重要现 实意义 。但煤炭资源开发对地质环境具有严重的干 扰和破坏作用 ,导致地质环境产生变异 ,引发一系列 环境地质问题 ,对矿区生态环境和经济社会的可持续 发展产生不利影响 。进行矿区环境地质研究 ,在开发之前了解开发中 可能出现的环境地质问题信息 ,并在开发过程中加强 地质环境保护 ,减轻对生态环境的破坏与影响 ,实现 开发与保护并举 ,避免灾难事故发生 ,已成为当前必 须考虑并加以解决的重大环境问题 。0巨野煤矿区概况1巨野矿区位于山东省 SW 部 ,处在鲁 、苏 、豫 、皖 4 省交接地带 。位置优越 ,交通便利 。矿区包括巨野和 梁宝寺 2 个煤田 ,含煤总面积 1210km2 ,煤炭地质储量55171 亿 t ,扣除暂不能利用储量 ,现阶段规划地质储 量 30196 亿 t 。含煤地层为石炭 - 二叠纪太原组和山 西组 ,总厚度约 237m ,含煤 26 层 ,可采煤层 68 层 。 其中 3 煤 (山西组) 为开发的主采煤层 ,北部平均厚度5196m ,南部平均厚度 7158m ,最大厚度 11136m ; 埋藏 深度 5001200m ,最大埋深 1400m 。煤种为国内紧缺1图 1巨野煤矿区井田划分图Fig. 1 The division of the well in mining area1 - 断裂 ;2 - 3 煤层分布界线 ;3 - 煤田边界线 ;4 - 井田分界线 注 : - 郓城井田 ; - 郭屯井田 ; - 赵楼井田 ;- 龙固井田 ; - 万福井田 ; - 彭庄井田 ; - 梁宝寺井田收稿日期 :2006203228 ;修回日期 :2006207204作者简介 :卜 华 (1967 ) ,男 ,高级工程师 ,从事水文地质工 程地质 、环境地质及地质灾害勘查与评价工作 。第 2 期卜 华 ,等 :初论山东巨野煤矿开发的主要环境地质问题及防治对策141的气煤 、肥煤和 13 焦煤 ,煤质优良 ; 煤层分布稳定 ,构造发育程度中等 ,开采条件较好 。全矿区共划分为 7 个井田(图 1) ,总建设规模 1860万 ta ,服务年限 5277a (表 1) 。目前各井田的矿井均已开工建设。预计 2008 年左右可全部建成投产。表 1 巨野煤矿区各井田基本情况一览表Ta ble 1The basic complexion of wells of Juye coalf ield井田名称郓城井田郭屯井田赵楼井田龙固井田万福井田梁宝寺井田彭庄井田合计3 煤面积( km2 )可采储量( 亿 t)矿井规模( 万a)服务年限(a)172162196300779016212830061122175105600656816210118070699151616418601122121240661000146180663311676052东缘 ,并有田桥 、巨野等多条活动断裂经过 ,地壳稳定性较差 ,历史上曾经多次受到中 、强地震的威胁 。大 部分地区分布有淤泥类土及潜在的地震砂土液化层 , 对工程建筑存在不良影响 。巨野煤矿区环境地质背景巨野矿区处在黄河冲积平原的鲁西区段 ,地形平 坦 ,地面标高 3746m 。区内河流发育 , 引黄水利设 施齐全 ,灌溉网络完善 ,土壤环境基本保持着自然背 景水平 。是一个典型的以种植业为主体的农业地区 , 也是我国重要的粮棉油生产基地之一 。该矿区在大地构造上处于鲁 SW 断块坳陷的 NW 部 ,地层 、层序及其接触关系与华北型煤田基本一致 ; 经过矿区的断裂构造主要有汶泗断裂 、郓城断裂 、菏 泽断裂 、凫山断裂 、田桥断裂和巨野断裂 ,其中汶泗 、 郓城 、田桥 、巨野断裂分别构成了煤田不同区位的边 界线 。地层主要分布有奥陶系 、石炭系 、二叠系 、新近 系和第四系 。其中新近系和第四系松散沉积物平均 厚度大于 500m 。浅层孔隙水是矿区地下水的主要类型 ,也是人畜 生活的最主要水源 。由于受含水介质沉积环境的影响 ,水化学环境变化复杂 ,许多地区分布有咸水或微咸水 。淡水资源相对缺乏 。由于处在聊考地震带的23 煤矿开发可能产生的环境地质问题311 地面塌陷31311 地面塌陷区预测3 煤层为矿区开发的主采煤层 , 结构简单 , 分布 稳定 ,倾角 2 19, 采区平均厚度 6113m , 可采系数64 %88 % ,埋深 5001400m 。各矿井均采用立井方式开拓 ,单一长壁式采煤 ,后退式开采 ,全部冒落法管 理顶板 。根据覆岩的性质 ,参照兖州 、济宁 、滕州等邻近矿 区地面塌陷的实测经验数据 ,用工程条件类比法给定 相应的岩移参数 ;采用概率积分公式 ( 1) 对整个规划开采区主采煤层充分开采条件下的地表变形情况进 行初步计算 (表 2) 。并以理论沉陷值 10mm 点作为受 开采影响的边界点圈定影响区范围 (图 2) 。表 2 煤矿地面塌陷预测结果表 Ta ble 2 Predicted results of gob colla pse 3 煤开采面积( km2 )采区 3 煤均厚(m)地面塌陷面积( km2 )最大沉陷量(m)最大水平变形(mmm)最大倾斜变形(mmm)平均沉陷量(m) 44510 6113 57016 9102 16155 22193 4166 q m co s - r 主要影响半径 (m) , r = Htg;H 地面上计算点 ( x , y ) 与煤层上微元点( s , t ) 的标高差 (m) ;tg主要影响角正切 ;d 开采影响传播方向向下山方向的偏移 量。31112地面塌陷对人群及地面工程设施的影响 矿区开发产生的地面塌陷 ,将使该区宽阔平坦的W ( x , y) =f2exp( x - s) -2r2r( y - t - d) 2(1)d F式中 : W ( x , y)地表任意点 ( x , y) 的下沉值 (mm) ;q 下沉系数 ;m 采高 (m) ;煤层倾角 () ;中国地质灾害与防治学报ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO1422007 年县 、乡级公路 。预计可能受到地面塌陷影响的铁路线长度约为 16km 、高速公路 915km 、国道 21km 、省道及 县 、乡级公路不少于 70km 。312土地 、土壤环境破坏与污染据 初 步 测 算 , 地 面 塌 陷 淹 没 的 土 地 面 积 约18216km2 ,矿区公路 、铁路修建占压的土地面积大约10km2 ,7 对矿井工业场地 、煤矸石及其它废弃物堆积 等占用的土地面积也将在 10km2 左右 。再加上其它附属设施占地 ,全矿区直接失去使用功能的土地面积 将在 200km2 以上 。矿井工业场地 、附属设施 、公路 、 铁路建设对土地进行大量开挖 ,不但严重破坏了土壤 结构和地表植被 ,还会加剧水土流失 ; 而塌陷地的斜 坡地带 ,地裂缝发育 、土壤疏松 ,水肥沿坡面和地裂缝 渗漏流失 ,将会形成严重的跑水 、跑肥 、跑土的“三跑 田”,导致土壤肥力不断下降 , 农作物产量降低 20 %30 %2 ;塌陷斜坡中下部受积水影响而产生盐渍化 的土地面积也将在 100km2 以上 。此外 ,矿区废水的排放 、废石 、废渣的堆积 、粉尘的飘浮等 ,还将使多种有机 、无机污染物进入土壤 ,并 不断扩散和迁移 ,造成土地 、土壤环境污染 。这些污染物及水体随农作物进入人体 ,威胁人体健康 。313地下水资源破坏和水质污染初步预计 ,7 对矿井全部建成投产后 , 排水总量 将达到 619717 万 m3 d ,扣除回用量后的外排量也 将大于 517 万 m3 d ; 矿区生产 、生活废水的总排放量 约为 019110 万 m3 d 。矿区废水长期大量排放而因污染又不能被有效利用 , 将造成地下水资源严重破坏 。塌陷积水区 ,地下水转变为地表水 。其径流 、蒸 发和开采排泄转变为水面直接蒸发排泄 ,则又进一步 导致区域地下水资源量减少 ;假设不考虑地面径流量 和地下渗流排泄量 ,以多年平均蒸 、降差推算 ,当水位 平均埋深 315m 时 ,区域浅层孔隙水新增损失量将达 到 212 亿 m3 a 左右 ; 考虑到塌陷区对地表水和大气 降水的蓄存作用 ,实际减少量可能会小一些 。煤田勘探水质分析资料表明 ,矿井水中硫酸盐 、 氯化物 、氟化物 、悬浮物 、CODCr 的含量及矿化度 、总硬度会较高 ;选煤废水中通常含有浮选油 、絮凝剂等毒 性添加物3 ;生活污水则又含有较多病菌和有机质 ; 这些废水若不经过严格处理而直接排放 ,将会对矿区 地表水及地下水环境造成严重污染 。同时 ,由于煤矿 区位于南水北调东线工程输水路线的南四湖汇水区图 2 煤矿采空区地面塌陷影响预测图Fig. 2 The effect prediction of gob colla pse area1 - 地面塌陷区边界线 ;2 - 塌陷积水区平 原 地 貌 形 态 发 生 根 本 性 改 变 , 形 成 面 积 近57016km2 的人工浅盆地 。低于潜水位的积水区面积 约 18216km2 (图 2) 。积水区由陆生生态转变为水生 生态 ,土地使用功能丧失 , 严重破坏地表生态系统 。 据初步统计 ,塌陷区有近 230 个村庄 、大约 6 万户农 村居民需要进行房屋搬迁 。这些村庄搬迁 ,不但会造 成迁村征地困难 ,还会给农民的生产 、生活带来较大 影响 。郓巨河 、洙赵新河 、鄄郓河 、洙水河及万福河流经 矿区的部分河段受地面塌陷影响将出现河堤变形 、河 床加深现象 ,原有功能受到威胁 ; 预计受影响河段总 长度约 44km ,河床最大下沉 415m 左右 ( 洙赵新河) 。 如果下沉河道与塌陷区连为一体 ,还会导致积水区面 积扩大 ,水深增加 ,下游河段干涸 。京九铁路 、兖新铁 路 、日东 、济菏高速公路 、220 国道 、327 国道等重要交 通干线均从矿区经过 。另外还有四通八达的省道和第 2 期卜 华 ,等 :初论山东巨野煤矿开发的主要环境地质问题及防治对策143范围内 ,一方面矿区废水排放可能会对南水北调输水水质产生一定影响 。另一方面矿山采空区引发的地 面塌陷 ,也可能会影响到输水工程 。需与有关部门协商解决 。314 矿井突水巨野矿区开采 3 煤的直接充水含水层为 3 煤顶、 底板砂岩含水层及 3 灰岩溶裂隙含水层 ,间接充水含水层为下伏的奥灰 (O2 ) 裂隙岩溶含水层 ; 3 煤顶 、底 板砂岩含水层及 3 灰岩溶裂隙含水层钻孔单位涌水量小于 10m3 ( dm) ,富水性弱 、补给条件差 , 对矿井突水威胁不大 ;奥灰裂隙岩溶含水层分布面积广 、裂 隙岩溶较发育 ,钻孔单位涌水量 100200m3 ( dm) ,部分地段大于 200m3 ( dm) , 富水性较强 , 奥灰水在巨大静水压力作用下沿导水断裂及采动裂隙带间接 进入开采巷道 ,将会引发矿井突水事故 ,对矿井生产和矿工生命安全造成重大威胁 。315 煤矸石危害巨野煤矿区的采煤排矸率约为 1014 %1917 % 。 若取中间值 15 %计算 , 开采过程中的总排矸量将达到 1186 亿 t 。堆放 、处置将需占用大量土地面积 。不 但影响农业生产 ,自燃产生的 SO2 、CO 和烟尘还会污染大气环境 。有时矸石堆还会产生滑坡 、坍塌等次生 地质灾害 。特别是其中的污染 、有害成分在水体浸泡 和雨水淋滤下溶解迁移 ,进入地表水 、地下水和土壤中 ,污染水体及土壤环境 。4 防治对策411 规划设计阶段41111 进行矿区开发的环境影响评价和生态风险评 估 ,合理规划开采布局 、工业场地 、交通运输线路 、附 属设施及固体废弃物堆放场地 ,并据采空区塌陷预测 结果按照“生态效益与经济效益相结合”的思路 ,编制 矿区生态环境恢复治理总体规划方案 、预期目标及治理措施 。41112制定矿区生态地质环境恢复治理资金保障措 施及监督管理制度 ,建立与其相匹配并由地方政府领 导的环境保护体系与监测网络 ,进行矿区建设 、开发 、 资源利用和环境保护 、整治及闭坑恢复统一管理 。412 建设开采阶段41211基坑开挖、场地建设尽量减轻对土地的干扰 和破坏 ,保护土壤结构 ,做好植被的种植 、恢复工作 。41212 矿区污水处理站及煤矸石综合利用项目建设应实行“三同时”和“竣工验收”制度 ,将废水 、废物转化为再生资源 ,并进行多途径综合利用 ,实现矿区“清 洁生产”; 多余废水排放达到污水综合排放标准( GB8978 - 1996) 一级标准 。41213根据地面建筑 、道路 、河流的分布及保护目 标 ,采用矸石充填开采 、同一煤层多工作面协调开采 、不同煤层开采边界交错布置4 等先进的采煤方式进 行井下综合开采 。重点地段留设保护煤柱 ,尽可能减轻采空区地面塌陷对地表生态环境的影响 。41214 对采空区塌陷区按照“边开采 、边治理”和“谁 破坏 、谁治理”“、谁治理 、谁受益”的原则 ,根据总体规 划方案及时治理 ; 采取浅层平整 、挖深垫浅 、矸石铺5垫 、借势利用等方式恢复土地使用功能 ; 同时监测研究煤矸石铺垫对土壤和水环境的影响 。本矿区地 面塌陷治理除采取一般方式外 ,还可将地面塌陷积水区改建为水产养殖场地或各种水上游乐场所 ,综合开 发利用水面 ,增加经济效益 。奥灰水 (O2 ) 间接充水导致的矿井突水 ,既可41215采用帷幕截渗封堵导水通道处理 ,也可采取打井开采向矿区供水的方式降低水头 、减小充水威胁 。41216 对煤矸石用于生产建筑材料 、充填塌陷坑 、铺 垫路基等方式进行综合利用 ,变“废”为宝 ,减少堆积 量 ,降低对环境的影响 。41217 做好开采与环保的监督管理和目标考核工 作 。加大执行规划设计和防治措施的监督检查力度 。对不执行设计 、措施不落实 、效果不达标的单位从重 处罚 。413 闭坑阶段41311 严格矿井的闭坑审查与管理。使之切实完成 生态环境恢复治理工程 ; 存在地质灾害隐患的 ,必须采取有效措施 ,消除隐患 ;对遗留的井 、巷 ,进行封堵 、填实或人工放顶 ,恢复到安全状态 ; 并做好遗留废弃 物的综合利用和处置工作 。41312 存积水量多的闭坑矿井 ,应进行帷幕注浆 ,切断与周围含水层的水力联系 ,杜绝地下水环境污染 。41313 废弃的矿井地面建筑 、运输道路及附属设施 ,可利用的应转交地方使用 ,服务于地方经济建设 ; 无 利用价值的予以拆除 ; 废弃的矿区场地 、后期塌陷区 应及时进行复垦治理 ,耕种还田 ,使矿区生态环境系 统得到恢复和重建 。结语巨野矿区含煤面积广 、储量大 、集中开发程度高 、5中国地质灾害与防治学报ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO1442007 年开采深度大 ,开采过程中对地质环境和地表生态环境的影响较为严重 。应在开发的同时最大限度地做好 生态地质环境的保护工作 ,处理好资源开发与社会 、 环境之间的相互关系 ,注意落实各项污染防治措施和 生态环境综合整治方案 ,走“绿色矿业”之路 ,保持社会和矿区经济持续发展 。质背景调查报告 R . 兖州 : 山东省鲁南地质工程勘察院 ,2005. 2.尹国勋 ,邓寅生 , 等. 煤矿环境地质灾害与防治 M . 北 京 :煤炭工业出版社 ,1997. 10.单忠健. 煤炭生产与加工过程中的某些环境问题及煤炭洗选措施A . 煤矿环保优秀论文集 (一) C . 北京 :煤炭 工业出版社 ,1999. 58.孔庆友 ,康凤新 ,等. 山东省矿山主要地质灾害及其防治 对策J . 中国地质灾害与防治学报 ,2005 ,16 (1) :75. 姜建军 ,等. 矿山环境管理实用指南M . 北京 :地震出版 社 ,2004. 10.234参考文献 :5卜华 ,王义生 ,等. 山东省巨野特大型煤田开发前环境地1Preliminary study on prevention strategies on ma in geological environmentproblems ca used by coalf iel d exploitation in Juye , Shandong ProvinceBU hua ,SUN Ying2bo , YE J ing2xia , CHEN Hong2nian(Lunan Geological Engineering Survey Institute , Yanzhou 272100 ,China)Abstract :J uye coalfield is the hugest and highest grade coalfield of Shandong and eastern China1 For further understanding the main geological environment problems、organizing plan of reducing and preventing disaster and making program ofharnessing or restoring ecological geology environment , this paper makes a preliminary analysis and survey on the main five effect ma