矿山开发中的环境地质问题的研究

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  由于矿山开发的客观要求，再加上许多技术和人为因素的影响，致使矿山在开发和利用过程中对水土环境产生了重大的影响和破坏作用。据不完全统计，1990年底，因开采煤炭造成的土地塌陷面积达30万km²,1993年底达40万km²左右，到去年年底统计土地塌陷面积已达近60万km²，预计今后每年还将以4～5%的速度递增，到2020年土地塌陷面积将达近120万km²。另外煤矸石压占土地和露天矿开采对土地的破坏也相当严重。我国的水在地区上分布很不平衡，北方水相当贫乏，而煤矿又主要集中在北方，这种煤炭开发的布局与水分配的，使本已缺水的北方更是雪上加霜。据261对矿井调查，1998年矿井总排水量为13.1亿m³，平均吨煤排水量约4.0m³。尤其是煤炭建设向西部战略的转移，更面临着严重的水短缺问题，从而制约着我国煤炭的持续、稳定、协调发展。因此矿山开发水土环境地质问题的研究非常重要，其研究趋势表现为如下方面。

  一、煤炭开发对水环境的影响及其保护技术

  1.煤炭开发对水环境的影响

  煤炭开发将对水环境产生极大的影响，主要表现在如下几个方面：

  （1）地下水补排关系发生变化。这种变化几乎在所有矿区都有发生，而且十分明显，例如平顶山矿区在采矿前是地下水补给地表水，平顶山山前有泉水出露达40多处，湛河长年流水，而随着煤炭的开采，地下水位不断下降，地表水补给地下水，泉水消失，河水经常发生断流。含水层之间的补给关系也发生了变化，如在采矿前石炭系与寒武灰岩之间有一层10多米厚的铝土泥岩，使二者之间无水力联系；而采矿过程中铝土泥岩局部地段遭到破坏，使二者彼此连通，形成了寒武灰岩含水层向石炭系含水层补给的关系。对于排泄而言，开采前地下水以泉水和河水形式排泄，而开采后则以矿坑疏干排水和人工开采形式排泄等等。

  （2）地下水流态发生改变。这种变化表现为层流向紊流的变化，而且随着矿井疏排水的时空变化而程度不同。一般情况下，距疏水巷道越近水流状态变化越大，反之则水流状态变化越小；同样疏排水初期水流状态变化大，而随着疏排水的延续和流量的稳定，水流状态变化越来越小。判断水流状态发生改变的标准是区域内雷诺系数增大的情况，当雷诺系数大于100时，则地下水流态成为紊流区。

  （3）地下水动态的改变。这种变化有两个方面的表现，一方面是微观动态变化，其变化规律和未开采条件下相似，受降雨及微观地下水潮汐的影响，只不过叠加了趋势变化而已；另一方面是宏观趋势性动态变化，其变化规律是水位不断下降，水量逐渐减小并趋于平稳。

  （4）水—岩作用环境变化。在煤矿巷道中，新鲜岩石露于通风环境下，致使原来的还原环境改变为氧化环境，E_h值升高。若煤中硫含量和岩石中和能力达到一定的比值，则会形成性水，pH值降低。这样Eh值和pH值的变化就会引起水—岩作用环境变化。

  2.矿山开发引起的环境问题

  （1）水枯竭。由于采矿引起水环境变化，使供水系统大量报废，水源地不能使用，这种情况已达到了相当严重的程度。全国统配煤矿矿区供水情况调查结果综合表，表明有86%的矿山城市出现缺水现象。

  （2）水体受到严重污染。水环境的变化导致岩石淋蚀作用加强，水中有毒有害成分增加。据统计，30条500km以上的河流中，有18条受到煤矿开采的污染。如四川的金沙江、辽宁的太子河、山东的汶河、河北的滏阳河等。煤矿范围内的河流更是严重，几乎所有河流都受到污染。水中含有较多的有机和无机悬浮固体物质。pH值很低，

  、Ba^2＋、F^-、酚类化合物、Fe、Ge、Mg以及放射性物质严重超标，供水系统污染，水生生物亡，土地板结，蔬菜及粮食遭到污染等等，给人们的生产和生活带来严重后果。

  3.水环境保护技术

  煤炭开发对水环境影响的四个方面中，补排关系、流态和动态变化三个方面是由含水层结构破坏和水循环规律变化引起的，而水—岩作用环境变化是由水化学相平衡变化造成的。水环境保护技术则从产生这些影响的原因入手，阻止煤炭开发对水环境产生的副面影响。

  （1）防止或减轻含水层结构的破坏。煤矿开采使围岩变形和移动。在采空区上覆岩层直至地面，出现冒落带、弯曲带和裂缝带。岩层移动发展到的层位的含水层结构受到破坏，隔水层—含水层相对关系发生变化，蓄水构造受到破坏，地下水赋存条件发生改变，降低了地下水的调蓄能力，地下水位大幅度下降，水流态和动态也发生了十分明显的变化。

  含水层结构的突然破坏，一般发生在采用不适当的采煤方法情况下。为防止或减轻含水层结构的破坏，应采取下列措施：①尽量采用充填采煤和条带式开采方法，同时适当减小第一、二层的开采厚度，并要求顶板一次露面积不能过大；②顶板岩层坚硬不易冒落时，应采用人工放顶；③调查老窑采空区，废巷和岩溶等地质开采，防止因疏干老窑积水及岩溶含水层水位，造成含水层结构的突然破坏。

  （2）利用水循环规律的变化。为了煤矿开采的需要，增加了外供水及矿坑调节。同时采煤过程中含水层结构发生了破坏，致使水循环规律和水量平衡条件发生很大变化，从而改变了矿区水环境条件，以迟久监等人对山西煤矿开采前后水循环规律的对比为例，可得出以下结论：采煤条件下流域地表水汇流条件不断改变，渗漏补给增加；地下水的补给径流和排泄条件变异，地面径流、基流和潜流中各有一部分或全部转为矿坑水；地下水的运动由采煤前的以横向运动为主，变为以垂向运动为主，地下水由以前的基流和潜流排泄为主，变为以矿坑排水为主的方式排泄。

  从水环境保护的角度出发，我们必须依据这些水循环特点在矿下设计“净水疏排巷道”及“疏排”结合孔，并配套设计供水系统，实现“排供结合”或“疏供结合”，解决水枯竭问题。

  （3）保护水化学相平衡。水—岩作用环境的变化是由水化学相平衡变化引起的，以Fe的Pe-pH水化学相平衡为例，反映了不同Pe和pH条件下水—岩作用的平衡关系。其它金属离子也有类似的水化学平衡。因此水化学相平衡的变化，势必引起水—岩作用环境和方向的变化，导致水中金属离子的动态变化。

  水化学相平衡的决定因素是Pe和pH，因此，要深入分析各种水化学相平衡的动态变化条件，设计保护水化学相平稳的参数，实现矿坑水的污染“源区”控制，根据不同的条件采取不同的控制方法，同时实现矿井水的综合利用。

  实现矿井水的综合利用的技术比较成熟的有：①混凝沉淀法；②电渗析法；③中和法。有待进一步研究与开发的技术有：①两段接触生物氧化净化技术；②地学—生态工程学技术；③洗水闭路循环技术；④沙地净化工艺。

  二、煤炭开发对土地环境的影响及其保护

  1.井工开采对土地的影响

  （1）地表塌陷。我国煤炭产量95%以上为井工开采，产生的地表塌陷成为对土地环境影响的主要形式。根据矿区地形、地貌、自然环境及地质、采矿条件的不同，地表塌陷对土地环境的影响可分为三类：①丘陵山地塌陷地。开采后地形、地貌无明显变化，基本不积水，对土地环境影响较小，个别地区引起山体滑移等环境工程地质问题；②中、低潜水位平原塌陷地。因地下水位较深，开采塌陷后地面有小部分常年积水，缓坡地发生季节性积水，从而造成水土流失和盐渍化。这类矿区大多分布在黄河以北的大部分平原矿区。③高潜水位平原塌陷地。由于地下潜水位高，地表大部分常年积水，造成耕地绝产，坡地大部分发生季节性积水，从而使地表农田水利设施遭受严重损坏。这类矿区大部分位于黄淮海平原的中东部。

  （2）煤矸石压占土地、影响生态环境。煤矸石是煤矿排放量最大的固体废物，煤矸石废弃堆积对环境的影响主要是：占用大量土地，影响生态、破坏景观；煤矸石自燃污染大气，矸石山还会发生爆喷崩塌，阻塞交通；矸石山淋溶水中使水量呈现较强性或含有有害有毒元素，污染周围土壤和水体，危害农作物和鱼类生长。

  2.露天开采对土地的影响

  （1）挖损剥离土地。露天矿对土地环境的影响的表现形式最直接的是对矿区煤层上方的表土和岩层剥离，因此，对矿区地形地貌和整个生态环境的破坏最大。如抚顺露天矿、元宝山露天矿、阜新露天矿等二十多个北方著名露天矿平均采万吨煤要挖损土地0.10～0.16km²。1949～1989年，我国露天矿挖损土地总面积达9600km²,1990～1998年我国露天矿以每年1200km²的速度增长，即去年底整个挖损土地面积已达21600km²。2000年以后每年还将以8～9%的速度增加，至2020年每年将挖损土地3600km²。

  （2）排土场压占土地。根据二十多个北方著名露天矿调查估算，每采万吨煤排土场压占土地0.10～0.22km²。1949～1989年全国露天煤矿排土场压占土地约8000km²;1990～1998年，每年以1000km²的压占地增加，去年底已压占18000km²;2000年后每年仍将以8～9%速度增加，到2020年将达到3000km²。

  3.煤炭开发的土地环境保护

  （1）开采技术措施。开采技术措施是指从土地环境保护的角度出发，以采煤和环境保护并重为原则，通过合理设计开采方法来达到防止矿山地表土地环境破坏的目的。这种技术有：①留设保护煤柱；②充填法管理顶板；③条带式开采；④消除开采边界的影响；⑤协调开采等等。这些技术在“三下”采煤研究中有详细的论述和要求，由于篇幅所限，本文不再赘述。

  （2）土地复垦技术。矿区土地复垦不强求恢复到塌陷前原来的状态，而是依据各矿区具体条件，本着因地制宜与经济、环境、社会效益相统一的原则，宜农则农，宜林则林，宜建则建，并可开发为场所。按复垦后的土地用途可以分为建筑复垦、农业复垦、林业复垦、渔业复垦、草地复垦、园地复垦及生态农业复垦7类。具体技术详见矿山土地复垦研究现状与趋势。

  三、矿山的地热灾害

  1.矿井热害的现状

  矿山的地热灾害主要表现为矿井热害。解放前我国矿井由于开采的深度有限，各类矿井很少出现矿井热害；解放后，我国采矿事业迅猛发展，新矿井大量兴建，老矿井逐渐向深部延伸，一些矿井逐渐受到地下热水和地热的威胁。随着开采深度增加，井下温度逐渐升高，湿度加大，严重影响作业人员的健康和工作效率，从而构成矿井热害。我国矿井热害的治理与研究工作始于50年代。随着煤炭系统出现热害的矿井的增多，煤炭部于1975年至1978年曾召开过五次矿井地温研究及降温工作技术座谈会，交流测温和降温技术。在国外早已出现矿井热害问题，秘鲁、南非、、美国、赞比亚、墨西、尼加拉瓜、前捷克斯洛伐克、前苏联及前联邦德国都存在矿井热害问题，并进行了不同程度的研究与治理工作。

  2.矿井热害的分类法

  （1）中国科学院地质研究所地热室对矿区地温类型的划分。1981年，中国科学院地质研究所地热室编著出版了《矿山地热概论》一书，对矿区地温类型进行了划分。该书以我国东部若干矿区实际为基础，从矿区地热研究、热害的目的出发，对已知矿区划分为六个类型。即基底抬高型、基底坳陷型、深大断裂型、地下水活动强烈型、深循环热水型和硫化物氧化型。

  （2）阎如燧的矿床地温类型划分。1981年阎如燧在《水文地质工程地质》期刊1981年第三期发表的”试谈矿床地温工作中的几个问题”一文中，对矿床地温进行了划分。他的划分原则是：既能充分反映地温的赋存状态和成因方面的明确概念，又便于探求不同地温类型在勘探方法上和降温措施方面的主要特点，不考虑开采方法。据此原则，结合一些实际，把矿床地温类型划分为热水、岩温、混合三个类型。

  （3）王锐的矿床地温类型划分。1999年，王锐编著的《矿井热害勘探预测与治理》一书中，以地温的赋存状态、深部热源向地壳上部导热的载体的性质和人为因素造成的矿井热害为划分原则，将矿井热害类型划分为：正常地热增温型、地热异常型（包括岩温地热异常亚型和热水地热异常亚型）和碳、硫化物氧化热型。

  3.矿床普查勘探时对矿井热害的预测评价

  近年来，由于具有热害的矿井增多，在进行固体矿床普查勘探时，对矿床地温条件的调查研究已与地质、水文地质与工程地质同样重要。1991年由技术监督局发布的，由矿产储量管理局组织编写的共和国标准GB12719—91《矿区水文地质工程地质勘探规范》对地温的调查研究工作提出了要求，但不够具体和全面。王锐在他的《矿井热害勘探预测与治理》一书中，根据各种矿产在勘察时对地温工作调查研究的实例，提出了各勘察阶段对地温工作的布置和要求，并对矿产普查勘探时矿产地温调查研究应注意的一些技术方法问题进行了研究。

  4.矿井热害治理措施

  当前各国对矿井热害的措施都在进行试验和研究，研究的主要内容有：通风降温，隔绝热源防止热量扩散，机械制冷空调降温、减湿降温和增湿降温等。

  （1）通风降温。对通风降温的研究集中于开拓系统和通风系统的优化、加大通风量和加强通风管理。

  （2）隔离热源。隔离热源的方法有：超前中段疏干含水层（带）、加强坑道内热水管理、采用全充填采空区隔断热源和采用隔热材料隔热。

  （3）机械制冷井下空调。巴西、南非、前联邦德国、比利时、印度、美国、都早已使用此方法。我国在矿井中使用机械制冷空调降温是从60年代初开始的。

  （4）减湿降温和增湿降温。据，在高温矿井中，湿度降低1.7%，等于气温降低0.7℃，当井下湿度较高时，减湿措施是有效的。增湿降温是在相对湿度小于20%～30%时，向进中，使空气的含水量增加，利用水的汽化吸热，使空气温度降低。

  5.矿井地热的综合利用

  它包括矿井地下热水的综合利用和矿井地热的综合利用。

  矿井地下热水在上的利用，目前尚未开展。主要是由于新建矿区远离区，不易利用；老矿区的管理体制和排水工程已经形成，不便改建。在生活用水方面，湖南郴州铀矿1979年7月开始在坑口建热水供水系统，在经济和管理上都取得良好效果。

  矿井地热的利用主要是利用废旧巷道和采空区（应有一定长度）作为冬季矿井的进风道，提高进风温度，防止井筒和巷道的冰冻。

  四、矿山的塌陷灾害

  1.矿山塌陷的基本特征

  在矿山开采过程中，大量的矿石和钎石被从地下开采出来，所形成的地下空间迟早要由上面和周围的岩石来填补，在地面上往往形成普遍而严重的矿山塌陷灾害。按其形态可分为两大类：第一类是漏斗状塌陷坑和台阶状断裂，这类塌陷危害严重，可突然发生，对地面造成猝不及防的损害，但破坏范围较小；第二类是地面形成平缓的塌陷盆地，主要为开采深部急倾斜煤层或开采深度与煤层开采厚度之比大于20的缓倾斜煤层所引起，形成过程缓慢，从开始下沉到最终稳定需1～3年的时间。

  本世纪以来，世界各国都先后投入了大量的资金和技术力量开展矿山塌陷的研究。俄罗斯、波兰、德国、澳大利亚、英国、加拿大、美国等，对矿山塌陷的理论和”三下”开采（即建筑下开采、水下开采、铁路下开采）都进行了深入的研究，并取得了一定的成果。50年代起，在我国的一些主要矿区，如淮南、开滦、抚顺、阜新、峰峰、大同、鹤岗、阳泉、本溪等地，先后建立了地表观测站，开展了对矿山开采沉陷的观测研究工作。40多年来，我国不仅积累了上千条观测线的实测，并由此对矿山塌陷的基本规律有了进一步认识，而且还提出了具有我国特色的观测方法。

  矿山塌陷的研究涉及相当宽的科研领域，需要测量、采矿、力学、计算机、建筑、地质等许多学科的知识。近二三十年来，这些学科的成果特别是计算机方面的新成果不断被引进到矿山塌陷的研究中来，使矿山塌陷的研究得到了飞速发展。目前，矿山塌陷已成为一门的边缘学科，但和国民经济的发展及现代化建设的需求相比，目前的矿山塌陷的研究还很不够，有待在理论研究、科学试验、应用技术开发和模拟、测试技术研究上做更多的工作。

  2.矿山塌陷的成因机制

  关于矿山塌陷的成因机制，至今尚未形成公认的通用的理论。下面是几个比较流行的假说。

  （1）拱形冒落论和压力拱假说。拱形冒落论是俄罗斯M.M.普罗托吉亚科夫于1907年提出的；德国人哈元和吉列策尔于1928年提出了压力拱假说，补充说明了拱形冒落的假说。

  该假说借用了巷道顶板的成拱作用，认为采掘时在地下的岩层中形成了空间，引起覆岩冒落，直到形成一个近似拱形的顶。但是在顶板和底版之间形成的压力拱，将随着工作面的不断推进而加大，直到拱顶到达地面为止。此假说基本上符合坚硬且结构简单的覆岩地层，但实际上只适用于解释掘进坑道和跨度较小的采空区的塌陷，却很难解释大面积采空区中覆岩破坏和冒落的实际情况。

  （2）悬臂梁（板）冒落论和冒落岩块碎涨充填论。悬臂梁（板）冒落论由德国的舒尔茨和施托克提出。它将工作面和采空区上方的顶板看成梁或板，初次冒落后，一端固定在前方的岩石上，只发生弯曲而不折断，当悬臂梁（板）的长度悬伸很大时，便发生周期性的折断，造成周期性的冒压。悬臂梁（板）冒落论符合大面积回采所引起的顶板冒落情况。

  冒落岩块碎涨充填论认为，冒落的岩块可以自然地碎涨，充填采空区的空间，因而了顶板冒落的发展，趋向于稳定。

  实际上，这两个理论可以互相配合，解释长臂式采矿工作和大面积覆岩破坏的情况。

  （3）冒落岩块铰结论。由俄罗斯的库兹涅佐夫提出，主张工作面上覆的岩层塌陷落时，其上部的规则移动带的岩石块互相保持一定的联系，绞多环节的铰链，在采空区上方规则地下沉。

  （4）砌体梁平衡说。我国学者发展了冒落岩块铰结论，提出了砌体梁平衡说，主张在工作面区，断裂带的影响比较大。断裂带破碎之后的岩块，形状如同砖石结构的砌体，所形成的平衡结构称为”砌体梁”实际上是一种拱的结构。开采之后，上覆断裂带的岩层分为三个区：即矿壁支撑区、离层区和重新支撑区。每层的结构是靠各个破裂岩块之间，由于水平挤压力所引起的摩擦力来保持平衡的。

  3.矿山塌陷灾害的评价

  （1）矿山开采引起的地表塌陷形式。矿山开采引起的地表移动塌陷形式有：塌陷盆地、裂缝和台阶、塌陷坑三种形式。

  受到采动影响的区域，地表的标高下降，在采空区的上方形成面积远大于采空区的沉陷区域，称为地表塌陷盆地或地表移动盆地。

  由地下开采所产生的裂缝主要产生于塌陷盆地的外边缘，其宽度为几毫米至几十厘米，深度可达几至几十米，甚至有的与采空区相通。裂缝两侧有时产生落差，形成台阶甚至类似地堑式的张开裂口和环形的破坏堑沟。

  在开采急倾斜煤层、浅部的倾斜煤层或采深很小或采厚很大的情况下，用房柱式采煤或硐室式水力采煤时，由于采厚不均匀，造成覆岩破坏的高度不一致，也会在地表上产生塌陷坑及漏斗陷坑。

  （2）地表塌陷范围预测。

  ① 充分采动塌陷范围。充分采动塌陷范围用充分采动角Φ来确定。充分采动角是在地表塌陷盆地的主断面上，移动地表塌陷盆地平底的边缘，在地表水平线上的投影点，与煤层在采空区一侧的夹角。对斜煤层而言，下山方面的充分采动角以Φ₁表示，上山方面的充分采动角以Φ₂表示，走向方向上的充分采动角以Φ₃表示。

  ② 地表塌陷边界的确定。通常将塌陷盆地的边界分为三类：塌陷盆地的最外边界、塌陷盆地的危险移动边界和塌陷盆地的裂缝界线。

  4.矿山塌陷灾害的

  纪万斌在他主编的《塌陷学概论》一书中，以塌陷幅度形式为依据，以地表塌陷地形单元为标志，以地质灾害程度为尺度，对矿山塌陷区进行了全面的归纳与类型划分，共分为两类六型，其中一类包括沉陷区、塌陷区和严重塌陷区；二类包括悬垂岩、土层崩塌区及崩塌危及区、露采边坡崩塌区及崩塌危及区、钎石山、废石堆崩塌区及崩塌危及区。

  矿山塌陷灾害是一项极为复杂的系统工程，涉及的因素和方面很多。因此，结合矿区的矿产蕴藏和地质情况，制定合理的开采方案和方案是非常重要的。采取预防为主的方针，进行综合治理，保证重点，而不是仓促应付，才能使有限的人力物力发挥更大的效益。应解决好重灾城镇的搬迁重建和居民的生活困难，并做到土地复用，还田于民。

  矿山塌陷灾害的发展是不断扩大的，因此治理工作也应当考虑到后期的沉降和变形；井上治理和井下开采协调进行，才能收到事半功倍的效果。

  纪万斌在1994年总结了塌陷区和严重塌陷区的综合治理方案，包括以下几项措施：

  （1）井工减塌技术措施，包括充填采矿法、条带采矿法、房柱采矿法和覆岩破碎带。

  （2）裂带注浆法。

  （3）土地复用，还田于民。方法有：改旱田为水田，井上、井下疏、排水—降低潜水位高度，挖深垫浅或围盆造田，发展塌陷区”立体型”生态农业和钎石、废石回填、复土造田。

  （4）村镇迁建。可利用废石回填，强夯加固，人造迁建地基，设计抗变形建筑物。

  浏览 329赞 102时间 2022-09-17