典型矿山环境地质调查评价方法探讨

1、典型矿山环境地质调查评价方法探讨以陕北地区矿山环境地质调查为例白喜庆 沈智慧中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院 河北邯郸摘要：矿产资源的开发，必然对自然环境造成改变和破坏，产生一些矿山环境地质问题。本文扼要总结介绍了矿山环境地质调查评价的程序、技术手段和方法。关键词：矿山 环境地质 调查评价 方法Abstract: It is sure that exploration to mineral resource will destroy and change natural environmental gedogy. This article emphatically sumariz

2、es and introdoces the program、technical way、sand methods of the research and evaluation of mine enywrds geology. Keywords: mine，environonmental geology，research and evaluation，method0引言矿产资源的开发利用，为人类生存和发展创造了基础条件，然而由此产生的负效应-生态环境的破坏却又是危及人类生存的祸首。目前我国95%以上的能源、80%以上的工业原料和70%以上的农业生产资料均来自矿产资源。由矿山开发而引发的环境地质问

3、题主要有：水土流失、土地沙漠化、采空区地面沉降、地裂缝、水污染和水资源破坏、滑坡、崩塌、泥石流以及占压耕地、污染空气等。随着现代化工业和现代化农业的飞速发展，能源和矿物原料的消费量还在急剧增长，矿山开发对环境的破坏也越来越严重，受到环境的制约（报复）也越来越明显，人们不得不重新审视并重视环境的保护、治理和改善。为此进行矿山环境地质调查评价，制订合理、科学的矿产资源开发利用与矿山地质一生态环境防治措施，对于矿山乃至我国社会经济可持续发展具有重要的现实意义和深远的历史意义。陕北地区的榆神府煤田，是我国已探明超过千作者简介：白喜庆（1963），男（汉族），山西盂县人，高级工程师，主要从事水文地质、矿

4、山环境地质、遥感技术和地理信息系统方面的研究工作。亿吨储量的仅有的两个巨型煤田之一，不仅地质条件、开采条件简单，适合大型机械化开采，而且煤质优良、储量丰富，属特低灰、特低硫、高热值的优质动力煤。地理位置上处于我国东西部结合部位，是我国煤炭工业战略西移的前哨，战略位置十分重要。然而该区地质生态环境十分脆弱，自然气候条件恶劣、降水少且集中、旱涝灾害频繁、植被稀疏、水资源短缺。存地着沙漠化、水土流失、滑坡、崩塌、泥石流等环境地质问题。大规模的矿产资源、水资源开发和各类工程经济活动，不但进一步加剧了水土流失和沙漠化等已有环境地质问题，而且引发诸如浅层水资源衰褐、水体污染、地面变形等一系列新的环境地质问

5、题，致使经济发展同自然资源开发、生态环境之间的矛盾日益突出，严重制约了该区国发经济建设快速健康发展。1调查内容与范围1.1 调查内容（1）自然条件下（未受矿山开发影响）存在的主要环境地质问题。如水土流失、沙漠化、滑坡、崩塌、泥石流等的分布、特征、成因、灾害及其发展变化趋势。（2）矿山开发加剧和引发新的环境地质问题。如水土流失、土地沙漠化、水质污染、水资源破坏，地面变形破坏等的分布、特征、成因、灾害及其发展变化趋势。（3）调查评价矿山地质环境质量，预测其发展趋势。1.2 调查范围工作区位于陕西省北部，隶属于榆林市的榆阳区、神木县、府谷县、佳县。东以黄河为界，南以榆神矿区南边为界，西北至陕（内）蒙

6、边界。地理坐标为东径109°00111°00，北纬38°1039°40。面积约1500km2。2调查评价方法的确定2.1 影响因素的确定要调查研究清楚一个地区的地质环境质量现状及其发展变化趋势，就必须查清本区存在的主要环境地质问题及其发展变化趋势，而要查清这些主要环境地质问题及其发展变化趋势，首先就要查清其影响因素及其发展变化趋势。根据本区自然地理、地质环境条件和前人调查研究成果，影响本区矿山环境质量的主要环境地质问题是：水土流失、土地沙漠化、水环境、地面变形、固体废弃物。影响这些环境地质问题的主要因素是：气象、水文、地形地貌、地表组成物质、土地利用、植

7、被及人类工程经济活动等。因此本次调查的重点就是要查清这些影响因素及其发展变化趋势。其它诸如滑坡、崩塌、泥石流等次要环境地质问题只作一般性调查。2.2 评价方法的确定对于矿山环境质量及其主要环境地质问题，其影响因素是一些交织在一起的可定量因素与可定性因素，难以全部用纯数学模型进行综合概括刻化。为此本次矿山环境地质调查评价，引入美国著名运筹学家匹兹堡大学教授T.L.Saaty提出的层次决策分析法，用于土地沙漠化、水土流失、矿山环境质量的评价预测。水环境变化采用改进型的可拓评价方法，配以一些常规方法进行。地面变形程度预测采用实地调查、前人工作成果以及Flac模拟三种手段综合进行。2.3 调查方法的确

8、定根据调查的目的任务、调查内容以及工作区矿山环境地质特征，调查工作以现代生态环境地学理论为指导，充分利用遥感（RS）、全球定系统（GPS）、地理信息系统（GIS）等新技术新方法。调查手段采用在充分收集利用已有资料的基础上，以多期遥感解译和地面调查为主，辅以适当的室内外测试，环境地质监测等综合方法进行。 收集资料收集工作区内气象、水文、信息地理、社会经济、矿业开发以及以往地质、水文地质、环境地质勘探研究成果等资料。 遥感（RS）解译工作区主要环境地质问题的影响因素及其发展变化，了解矿山开发前后主要环境地质问题及其发展变化趋势。本次调查采用煤矿大规模开发初期（1987年）、中期（1992年）及近期

9、（1999年）三期美国陆地资源卫星（Landsat.5、7）TM543波段假彩色合成图像。很好地控制并了解了矿山开发对该区地质环境的影响及其变化规律。 地面调查以1：5万地形图为底图，采用穿越法为主，追索法为辅的方法进行。野外定点采用GPS（全球定位系统）定位仪。地面调查的目的是：（1）验证遥感解译成果；（2）调查遥感解译无法完成的内容，如各种环境地质问题的危害，矿山分布开采状况以及产生的环境地质问题的分布范围、规模、形成机理和危害，滑坡、崩塌、泥石流等；（3）采取岩土水样；（4）样方调查：确定植被覆盖度和土壤侵蚀强度。2.3.4 实验测试了解掌握工作区地表水、地下水水质现状，污染情况，岩土物

10、理力学性质，煤、煤矸石有毒有害成份，土壤污染情况，含水层顶板渗透性，含水层吸附性，采矿前后隔水层渗透性等。 监测监测地表水流量、含沙量、水质变化；地下水，特别是采矿对地下水有影响的区段的水位、水质、泉流量变化；采矿形成的地面变形的发展变化情况。2.4 调查评价工作程序矿山环境地质调查评价工作程序见图1 接受调查委托搜集资料、遥感初步解释、野外踏勘、综合分析、调查研究 编写调查设计遥感解释（详细、综合）地面调查验证、测试试验、动态监测整理资料、信息库建设 综合研究，评价、预测、编制成果图件 调查报告 图1 矿山环境地质调查评价工作程序框图3评价体系3.1 矿山环境地质评价体系的建立根据陕北地区矿

11、山环境地质条件及层次分析评价方法的特点。本次评价系统由三层构成：综合层、专题层、因子层。首先经过反复研究比较选择确定影响本区矿山环境质量的几个决定性环境地质问题，建立专题图层，即水土流失、土地沙漠化、水环境及矿山开发（地面变形），然后再反复研究比较选择确定影响这些主要环境地质问题的影响因素，建立因子图层。评价体系分级层次结构模式见图2。3.2 体系运行与验证首先应用地理信息系统（GIS）强大的叠加分析功能建立数学模型，通过专家按其相对重要性排序，再对每一因素的内部分类进一步排队，赋予评估分值，然后对专题层进行相互比较，建立判断矩降，并计算，得出权重的初值。经过空间数据叠加分析与属性的加权运算后

12、，再根据专题层（因子）之间的相互关系，通过反复拟合与交叉运算，最终达到与实际调查（代表性区段）和已有资料值一致的满意结果，生成新图层。最后根据规范要求和计算的综合指数对新图层进行属性化。 矿山环境质量矿山开发(地面变形)水环境土地沙漠化水土流失 地 表 水水 水量 质 地 下 水水 水量 质固体废弃物沟壑密度地貌类型母质类型植被覆盖度地貌类型植被覆盖度母质类型图2 评价体系分级层次结构模式图4技术方法目前用于环境地质评价的方法很多，但是由于我国在这方面工作开展较晚，至今未能形成一套系统、科学、可操作性强的区域性矿山环境地质评价理论。在此仅就本次工作应用较好的一些主要评价方法及笔者认为较有前景的

13、评价方法简要介绍如下：4.1 层次决策分析法（AHP）该方法是一种定性与定量相结合的决策分析法。它是一种决策者对复杂系统的决策思维过程模型化，数量化的过程。决策者可通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，从而得出不同方案的权重，为最佳方案的选择提供依据。层次决策分析法是本次工作采用的主要评价方法，用于水土流失、土地沙漠化、矿山环境质量的评价，与以往不同的是，采用了GIS模型识别。具体方法是利用GIS强大的叠加分析功能，根据灾情发展和各致灾子之间相互关系的已知观测数据，本着反复拟合和交叉选值运算的基本原则，对已知灾情进行危险性拟合，直到满意为止。4.2 神经网络

14、法用非线性人工神经网络新技术刻划影响矿山环境地质问题形成与发展的各类致灾因子之间的相互因果关系，并定量描述它们之间的关系，使矿区生态环境地质问题从以往的定性静态描述转向以过程为目标的精确定量的动力学研究。ANN的工作原理实际上就是一个反复模拟与反复识别的正反演过程（见图3），其具体原理如下：是否收敛？利用Sigmoid函数计算隐含层的输入与输出利用Sigmoid函数计算输出层的输入与输出目标值与实际值相比较后的符合程度给一组新的样本进行评价或预测NOYES不甚满意 令人满意 图 3 BP网基本工作原理框图4.3 Flac模型法 Flac是目前国际最流行、最先进、最完善的岩土力学有限差分三维数值

15、模拟软件。本次工作利用该软件对采煤引起的顶板变形破坏进行模拟，计算出采煤活动诱发的上三带发育高度，得出采空区破坏变化情况，然后据此对采煤引发的地面变形破坏，对地下水资源的影响进行分区评价。4.4 改进型的可拓评价法可拓学是从定性和定量两个角度，通过建立多指标参数的质量评定模型，来完整地反映样品的综合质量水平。可拓学理论的基本方法称为可拓方法，可拓方法在评价中主 要应用于产品质量的评价上。本次工作将可拓方法用于地下水环境质量的综合评价中。 具体方法步骤如下：（1）确定经典域与节域：评价类别对应的评价指标所取的数据范围为典域，评价指标所取的量值范围为节域。（2）确定待评物元：检测得到的数据或分析结

16、果。（3）确定权系数：利用层次分析法计算，因为每一类水都有标准，针对某一水质标准，计算其综合指数，然后根据其值的大小两两比较，计算出权值。（4）确定待评事物关于各类别等级的关联度。（5）计算事物关于等级的关联度。（6）等级评定。4.5 空间数据叠加法该方法是一种基于GIS强大的空间叠加分析功能的多元信息均权叠加法。在本次工作中，根据该区矿山环境地质问题的变化特征，以及GIS空间数据库的功能和特点，应用多元信息复合叠加原理进行矿山地质环境综合发展趋势预测评价工作的探索。5结论（1）详细调查评价矿山地质环境是合理开发利用资源，保护生态地质环境的前提。根据我们在陕北地区的矿山环境地质调查评价工作，提出了一套矿山环境地质调查评价方法。（2）运用“3S”技术，以及一些目前最先进的水文地质、工程