准格尔旗煤炭矿集区生态环境问题与修复措施

2021-07-24秦越强王志民周业泽李朋伟许凯然姜禹戈李朋元

现代矿业 2021年6期

秦越强王志民周业泽李朋伟高森许凯然姜禹戈李朋元

（中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心）

21世纪以来，我国的社会经济发展迅猛，其中煤炭资源的开采对经济的发展起到了有力的促进作用，但在开采煤炭资源的同时，煤炭矿集区的生态环境也遭受了严重的破坏，不仅对矿区内的大气、水、土壤等环境因素造成了污染，也对矿区周围的居民生活产生了影响。因此，矿山生态环境系统的保护和矿山地质环境治理工作得到了国家和地方政府的高度重视，矿区的生态环境修复具有十分重要的现实意义。

本研究依托于中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心（原武警黄金第二总队）的《鄂尔多斯市准格尔旗煤炭矿集区生态修复支撑调查》项目，对准格尔旗煤炭矿集区的生态环境问题进行了调查研究，并针对具体问题进行分析，提出相关修复建议，旨在为准格尔旗的矿山生态环境修复工作提供支撑。

1 准格尔旗概况

准格尔旗位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东部，毛乌素沙漠的东南端，蒙晋陕三省交界处。北与包头市、东与呼和浩特市隔黄河相望，东南、南部与山西省偏关县、河曲县以河为界，西南与陕西省府谷县接壤，西部与伊金霍洛旗、东胜区、达拉特旗搭界（图1）。准格尔旗位于东经110°05'~111°27'，北纬39°16′~40°20′，总面积为7 692 km2，辖7镇2乡1个苏木，常住人口36.69万。

1.1 地形地貌

准格尔旗地处山西、陕西黄土高原与鄂尔多斯高原的连接处，由西北向东南倾斜，主要为丘陵沟壑地貌（图2），海拔多在1 200~1 400 m，西部海拔最高为1 584 m，东南部最低为820 m，约占全旗总面积的74%，地表切割强烈，沟壑发育，地形支离破碎［1］；北部以风沙地貌为主，库布旗沙漠覆盖5个乡镇，约占全旗总面积的12%，风蚀及沙化作用明显；其他平缓地形集中分布在黄河沿岸及河川地区。总体来说，沿黄河流域风蚀沙化及水土流失最严重的地区即为准格尔旗，因此准格尔旗的生态环境极其脆弱，迫切需要修复与保护。

1.2 气候特征

准格尔旗属于典型的大陆半干旱气候，冬季持续时间长且寒冷，春季气候干燥且多风，夏季持续时间短且炎热。年平均气温为7.3℃（图3），区域内降水量较少且降水分布集中，近年来平均降水量为352 mm，降水多集中于6—9月，约占全年降水量的76%，年均蒸发量1 992.5 mm，年均湿润度为0.3~0.34，年平均日照时数为2 900~3 100 h，年平均大风日数为10~30 d，最大风速为32 m/s［2］。

1.3 土壤植被

准格尔旗土壤类型主要为栗钙土、黄绵土、风沙土、盐碱土、潮土，其中占比例最大的为栗钙土及风沙土，土地经过多年的风蚀，物理性黏粒损失殆尽，沙粒和砾石残留地表，因此造成地表粗质化，大部分土地难以耕种。项目组通过准格尔旗2019年GF-1数据开展了土地利用类型调查，该地区土地类型主要包括26种，其中林地面积最大，为4947.74 km2，占总面积的65.56%；旱地面积为784.27 km2，占总面积的10.39%；其次为天然草地，面积为580.77 km2，占总面积的7.70%。

准格尔旗植被属于温带干旱草原植被，发育广泛，本土植物类型主要由多年生的草本植物组成，以禾本科植物占优势，其次是菊科、豆科植物，但因干旱、过度放牧、垦荒等自然灾害和人为活动的影响，天然草本植物所剩无几；区域内乔木多为人工栽植的杨树、柳树及部分榆树、松树，但因侵蚀、沙化、地下水及其他因素的影响，全区的植被大体可分为干旱草原沙生植被、干旱草原植被、草甸草原及盐生植被3种类型，呈明显的过度趋势，具有生长季节短，休眠期长，覆盖率低的特点。

1.4 水文情况

准格尔旗主要的沟川有呼斯太河、大沟、十里长川、纳林川、塔哈拉川、孔兑沟、罐子沟、饽牛川等，除呼斯太河和大沟外，其他沟川皆为季节性沟川（图4）。区域内水资源空间分布不均，由东南向西北递减，黄河为准格尔旗的主要水系，流经该旗北部、东部、东南边缘，全程197 km，黄河过境水资源量相对充沛。根据水资源评价结果，准格尔旗地表水资源为3.22亿m3，地下水资源为1.04亿m3，总量仅为全国平均值的15%，人均占有水资源量为全国人均值的59%，因此属于水资源短缺地区。由于准格尔旗地下水资源在区域分布上差异较大，根据岩性含水类型及富水性情况，将全旗地下水主要分为沟谷冲积洪积层潜水、冲积湖积层潜水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碎屑岩承压水、层状基岩裂隙水、基岩裂隙岩溶水6个类型。

1.5 矿产资源

区域内矿产资源丰富，发现的矿产资源主要有煤、石灰石、高岭土、硫铁矿、铁矿、铝土矿、油母页岩、石英砂、泥炭、黏土、铝矾土、天然气、木纹石等13种。其中煤炭资源具有分布广、储量大、煤质好、埋藏浅、易开采等优点。全旗已探明煤炭总储量约为544亿t，远景资源储量为1 000亿t。项目组通过遥感技术解译出露天采场335个，矿山占地面积为302.23 km2，固体废弃物面积为32.33 km2，主要分布于薛家湾、龙口、准格尔召、暖水、沙圪堵、纳日松等地区（图5）。

2 准格尔旗煤炭开采造成的主要生态环境问题

2.1 地质灾害问题

煤炭资源在开采过程中会诱发不同类型及程度的地质灾害，其主要灾害类型有以下2类。

（1）采空引起的地面塌陷及裂缝（图6）。塌陷通常发生在开采过程中或开采后不久，由于煤炭采空区的逐步扩大，采空区顶部岩体失去了支撑，导致覆盖岩层发生破裂或移动，当破坏延伸至地表，地面将形成地裂缝、塌陷坑等现象。可能对矿山安全生产、矿区居民生活构成严重威胁。通过调查可知，地裂缝形态多为折线型，少数地裂缝呈直线型。走向多为东西向。如花图沟煤矿附近地裂缝主体为东西走向，间断出现，可见延续长度约为500 m，东侧裂缝为拉张形成，西侧裂缝为下错形成，缝隙宽度为0.1~0.3 m，缝隙深度为0.2~0.5 m；卓正煤矿、新鑫煤矿地裂缝主体为东西走向，连续出现，可见长度约为800 m，主要为拉张形成，缝隙宽度为0.1~0.3 m，缝隙深度为0.2~1 m。少数几条地裂缝走向为近南北向。又如，伊泰集团红景塔二矿附近，地裂缝面积约为0.1 km2，走向为350°~10°，近直立，长几十米到几百米不等，最长500 m，宽0.01~0.2 m，属于拉张类型，折线形态，共计65条裂缝，呈平行式排列，间距为1~5 m，阶梯指向为120°。主要形成原因为煤矿采空，部分地裂缝已进行充填，修复。

（2）崩塌、滑坡。在矿山露天开采过程中开挖坡脚或开山修路造成矿山岩体不稳定，且准格尔旗岩土体条件主要为煤系地层，岩性较软，容易受到雨水、风沙侵蚀，故导致崩塌、滑坡等地质灾害发生。其主要危害是对道路交通及行人、车辆的安全产生威胁。项目组通过遥感技术对准格尔旗矿山地质灾害现状进行解译，得出已发生滑坡灾害点14处，潜在滑坡隐患点4处；已发生崩塌点19处，潜在崩塌隐患点3处。

2.2 土地占用及土壤污染问题

土地资源被占用是煤炭开采过程中的重要问题，开采煤炭时会改变周边地形地貌，改变原有的土地类型，开挖土壤活动时会破坏大量的植被、耕地和建设用地，开采过程中固体废弃物的堆积也会占用大面积土地资源［3-5］。

项目组通过遥感分析解译出准格尔旗矿产资源开发活动累计用地面积为306.84 km2，约占准格尔旗全旗总面积的4.06%，其中采场占地面积最大，其次为恢复治理区和中转场地，固体废弃物位居第4，矿山建筑占地面积最少。工作区矿产资源开发占用、损毁土地面积为202.91 km2。其中占用面积（以中转场地、矿山建筑为主）为56.79 km2，损毁面积（以采场、固体废弃物、采空塌陷区为主）为146.12 km2，分别占工作区总面积的18.51%和47.62%。可见矿产资源开发对土地资源的破坏是巨大的（表1）。

土壤的污染主要是固体废弃物所导致，在煤炭开采过程中产生的固体废弃物不仅导致土地资源被占用，而且开采过程中的重金属、污染物等也会随着雨水输送至地下水或者河水中，造成水源污染并改变土壤成分，对周边植被及耕地农作物产生严重的影响。煤矿的固体污染物种类很多，比如采掘造成的矸石、建筑垃圾、土方回填、生活垃圾、污泥、煤泥等，其中煤矸石是矿区采掘的主要固体排出物，约占煤炭产量的16%~25%［6］，且对矿区的土壤危害最大。

2.3 水污染问题

煤矿开采过程中不仅会对水质造成污染，且会因开采到地下水层，导致矿区的水资源减少。当煤层深度低于地下水水位深度时，煤矿开采过程中会出现涌水现象并影响矿井生产，此时会配置排水系统进行矿井排水，长期向外部排出大量的矿坑水，这必然会导致地下水的水位下降及水量减少。排出的污染矿坑水如果不及时处理，会流入地表沟谷及河流，并对河水和浅层地下水造成污染［7-9］。

通过项目组调查，长稍沟、壕赖沟、悖牛川一带部分地区水位埋深较浅，约为5 m，当地村民用水均为潜水，水质浑浊，有轻微腥臭味，该区域煤矿较密集，破坏了潜水层，导致水土流失严重，水量严重不足。暖水乡附近地区水量较为充足，该地区煤矿数量较少，对含水层的破坏不是很严重，并且该地区有暖水河等地表水系，含水量较高，故水量充足。暖水乡至沙圪堵镇中间部位严重缺水，该地区村民饮用水均为其他地区购买水，然后存储至旱井中饮用，灌溉水为旱井储存雨水。黄天棉图村至悖牛川区域及暖水乡至纳日松镇区域大量煤矸石露天堆积于地表，在降水及河水的淋滤作用下，各种化学成分、有害重金属的淋溶冲刷析出，将会对地表水体、地下水体和土壤污染，应该引起重视。区内受煤矸石淋滤影响的主要区域将为河谷区地下水和流经煤矿区的地表水。

2.4 大气污染问题

煤炭开采过程中的大气污染源主要2种（图7），一种是开采过程中产生的粉尘和烟尘，一种是加工过程中产生的有毒有害气体，包括瓦斯、SO2、CO、H2S、氮氧化物等。其中瓦斯气体对矿区的大气污染程度最为严重，且瓦斯的浓度过高容易发生爆炸，这对矿区工作人员的生命安全存在严重威胁；除此之外，燃烧煤炭会生成CO、CO2和氮氧化物；煤矸石内部自燃生成SO2；煤炭资源在装运过程中产生的粉尘和烟尘，都会对矿区周边空气环境产生影响［10-13］。

通过项目组调查得知，煤矿区运输道路主要有Z003曹羊线、曹羊复线、壕羊线等，车辆均为运煤车辆，载重量大，尾气排放量高，运输途中会掉落煤渣，激起扬尘，对周边大气影响严重。

3 准格尔旗生态环境的修复措施

矿区生态环境修复是对矿区废弃地产生的污染进行修复，进而实现对废弃地的土地资源再次可持续利用［14］，但在如今经济飞速发展的背景下，社会发展与生态保护之间的矛盾日益突出，传统的“末端修复”方法已难以满足环境保护需求，必须要在源头与过程间加以控制，其目的是及时修复被破坏的生态环境，缓解煤炭开采与环境保护之间的矛盾［15］。故此，针对以上生态环境问题总结，提出以下修复措施。

3.1 地质灾害防治措施

（1）地面塌陷、地裂缝防治措施（图8）。首先要提前探明采空区的地质构造条件，为防治工程作业图纸设计提供位置信息，尽量从源头上避免地面塌陷、地裂缝的产生；在开采过程中要有效地规划塌陷范围内的采矿工作，及时对采空引起的塌陷及地裂缝进行黏土填平工作，以避免地表水进入开采施工段；最后在停采后要针对地裂缝群发地区进行再次巩固，主要措施为灌浆填充、填土夯实。

（2）崩塌、滑坡防治措施。首先要勘查矿区工程地质条件，确定重点防治部位；其次，在崩滑体前缘位置修建支挡措施，以提高边坡的稳定性；最后，在崩滑体边坡后缘位置筑建排水设施，及时阻断地表水流入到裂缝中引起裂缝扩张，从根本上降低崩塌、滑坡的发生概率。

3.2 土壤污染治理措施

为治理开采煤矿时所造成的土壤污染，除了从源头上控制污水的排放外，还要对固体废弃物进行控制利用，而固体废弃物的主要种类则是矸石，因此，对矸石的有效利用成为了土壤污染重要治理措施。目前矸石主要的处理方式是直接在井下进行填充或堆存处理，既减少了煤矸石在地表上的堆砌污染，又减少了运送至地表的成本；同时要运用相关技术手段，对煤矸石进行综合开发利用，实现其废弃物的资源重复利用［16］；而对于不能及时处理利用的煤矸石，要通过分层堆积、覆盖黄土、碱性物质等隔断层的方法，阻断煤矸石内外的空气流动，防止煤矸石自燃，达到边堆积边治理的效果。

对于轻度污染的土壤，可在矿区内种植具备吸收污染物功能的植被，通过生态环境的自我调节功能，使土壤中的有害物质含量逐渐降低；同时利用生物降解、抑制剂等方法均可以对土壤污染治理达到一定效果（图9）。

3.3 水污染治理措施

针对开采煤炭资源过程中产生的水污染问题，首要的是重点加强对矿区的水质检测与控制工作，水质检测方法包括水中氯离子的测定、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）的测定、水质色度的测定等（图10），同时要对正在生产的矿区造成水资源的影响进行实时监控，并及时对已经形成的水污染及破坏进行修复，以确保将开采煤炭对水资源的影响程度降到最低。

除此之外，还要重视煤坑的排水问题，提高排水的利用率。通过调查资料可知，准格尔旗2017年废水排水量约为3 163.9×104m3，如果都排到矿区附近的河道及沟谷内，将对河水和浅层地下水造成污染，这不仅是对水资源的污染，同时也是水资源的浪费。为避免这种水资源污染与浪费，可以适当优化产业结构调整，倡导发展电厂或与煤化工有关的项目，综合利用煤坑内的排水，达到双赢的效果；对于无法有效利用的排水，煤炭企业必须进行水污染处理，达到排放标准后才可排放，以避免水污染与土壤污染。

3.4 大气污染治理措施

对于开采过程中产生的粉尘、烟尘对大气造成污染的主要防治措施就是抑制扬尘，通过封闭的方式，将有扬尘的工艺或煤矸石等封闭起来，避免粉尘扩散到空气中；此外，还可以将矿坑内的排水经处理后喷洒到路面上，不仅可以减少粉尘对大气的污染，还可以提高对排水的利用率。目前，多数煤矿矿区内拥有的除尘设备多为单筒旋风除尘器，这种除尘器弊端较多，有易破损、堵塞、效率低等缺点，因此，可通过对除尘器的更新、改造以提高除尘效率，或采用湿法除尘代替干法除尘，降低烟气中的SO2排放量，减少对大气的污染。

合理种植植被同样可以达到改善大气环境的效果，植物可吸收空气中的CO2，降低矿区空气中有害气体的浓度，抑制和减少空气中的含尘量和含菌量，通过合理使用植物不仅可以改善大气环境，还可以优化水土环境，使水土资源和大气都得以修复。