石庆丫

(贵州省煤田地质局水源队，贵州 贵阳 550008)

0 引言

贵州省普安县地瓜镇瓦厂坪历史遗留矿山片区面积为6.72 km2，区内原有武龙煤矿、鸿运煤矿、横山煤矿、恒丰煤矿，现均已关闭。由于过去区内长期的地下工业采煤，加之早期当地居民私采乱采等长时间的采煤活动，形成了大量的采空区，随着时间推移，采空区诱发的环境问题日益突出，包括：采空区诱发地质灾害、水及土环境污染、土地资源损毁、地貌景观破坏等。矿山生态环境的破坏，引发了一系列矿群矛盾，人类粗放式生产经营活动、对自然不计后果的索取已给人类带来了诸多负面影响，因此，基于人与自然严峻的关系，必须对生态环境进行修复，依托矿山地质环境综合治理，改善生态环境，缓解矿群矛盾。而矿山环境治理的前提，就是要对矿区存在的问题进行深入的调查，而老窑采空区是造成矿区环境破坏的最主要原因，因此，查明采空区对矿山生态环境要素的破坏方式与程度，对该区域矿山修复方案的制定具有重要意义。

1 老窑采空区现状

区内私采小煤窑较多，由于关闭时间较长，大部分都被生产活动或自然水土流失所掩埋。区内发现的老窑主要分布在西部和南部山体斜坡的煤层出露区域，位于林区边缘，容易挖掘开采，开采深度较浅，部分为斜井开拓，部分为平硐开采。由于受水、通风、运输等限制，一般沿煤层走向开采，巷道不长，进深深度在50～100 m。区内老窑较多，影响范围较大，老窑分布情况见图1。

图1 区内老窑分布示意图

为查清老窑采空区分布情况，2020年5月14日，对该区域进行了物探工作，为验证物探工作的准确性，在该片区设计施工了12个钻孔来勘察区内采空区分布位置、垮落情况、水文情况。

根据钻探工程、物探工程及实地调查访问，结合以往小煤矿井上下对照图，最终确定区内的采空区范围：区内采空区水平投影叠加总面积2 074 190 m2，主要为24、26和29号煤层采空区，其中，24号煤层采空区水平投影面积为426 828 m2，采空区分布高程为1 450.09～1 633.79 m；26号煤层采空区水平投影面积为577 493 m2，采空区分布高程为1 434.34～1 616.11 m；29号煤层采空区水平投影面积为1 010 615 m2，采空区分布高程为1 415.29～1 601.39 m。各煤层采空区分布区域见图2。

图2 区内采空区空间分布示意图

2 老窑踩空区衍生环境问题分析

2.1 采空区对地表建筑物的影响分析

小煤窑采空区是区内最为严重的地质环境问题，小煤窑采空破坏区范围内由于上部覆岩形成自由面并且应力平衡被破坏，在重力作用下顶板岩石发生破裂冒落，从而导致上部岩层发生破裂、弯曲，最终地表发生沉降，引发地面塌陷、地裂缝、崩塌等地质灾害的可能性大。

以往小煤矿矿层开采将引起上覆地层变形破坏，并会波及影响到地面建筑设施(村寨民房、公路建设等)。只有矿层上覆岩层达到一定厚度(即安全采深厚度)时，采矿活动对地表建筑物的影响才较小。

瓦厂坪片区原小煤矿主要为地下巷道的掘进及煤层的开采，形成大面积的采空区。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017年5月)的有关规定，计算C24、C26、C29号煤层安全深度。计算公式如下：根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017年5月)，煤层安全开采深度按下式计算：

Hδ=K×Mn

(1)

式中：Hδ为安全开采深度(m)；Mn为煤层采高或煤层综合作用厚度(m)；K为安全系数(按Ⅱ类煤田Ⅱ级保护级别确定，K=150)

可采煤层为3层，煤层平均倾角α=20°，各参数取值及计算结果后得出：

24号煤安全开采深度为562.50 m，26号煤安全开采深度为1 372.5 m，29号煤安全开采深度为1 867.5 m，见表1。

表1 煤矿开采煤层综合作用厚度

由于区内钻探揭露最底部煤层C29号煤层距离地表最大距离为184.60 m，远小于其安全开采深度，故区内采空区对地表建筑物的影响较大。

2.2 采空区造成的地质灾害及其隐患

区内地质灾害隐患主要为采空区诱发的地面塌陷。早期小煤矿开采以及老窑私挖乱采形成了大面积的采空区。目前浅部采空区所诱发的的地质灾害已显现出来，在地表主要表现为地面塌陷，诱发多处塌陷坑以及地裂缝，根据塌陷坑分布情况及影响破坏范围，确定了一处塌陷群，位于片区中部，整个塌陷带近“椭圆形”，长轴走向为近南北向，长约190 m，短轴近东西宽约95 m，面积约为1.661 hm2，随着时间推移，采空区冒落再次引发塌陷的可能性大，主要威胁对象为塌陷区内耕地、林地及过往行人及车辆。

2.3 采空区对区域水环境的影响

2.3.1 对水资源的影响

区内存在大面积采空区，导致围岩失去平衡，上覆岩层出现冒落和裂隙，上覆岩层的裂隙和水文地质条件关系较密切。由于可采煤层上覆地层为二叠系中统龙潭组的砂岩、泥岩，地下开采煤层后，冒落带或断裂带中的大裂缝和龙潭组砂岩、泥岩沟通。联通上层地下水和煤层使地表水位降低，疏排水量扩大，地表移动盆地扩大，导致区内地下水位下降，致使水田变旱地、旱地变荒地。

区内存在大面积的井下采空区，导致部分地下水水位呈降低趋势。水均衡破坏的影响范围采用大井法公式：

(2)

式中：R为影响半径，m；S为降水深度(水位降深)，m；K为渗透系数，m/d；H为含水层度，m。

(1)参数的确定

渗透系数K值的确定：根据区内范围内可采煤层上覆地层为龙潭组弱含水层，渗透系数取其经验值，获得K=0.015 m/d。

降深值S的确定：采用泉水位平均标高与煤层最低开采标高之差，即160.0 m。

含水层厚度H的确定:根据剖面资料取201.0 m

(2)将K、H、S代入上述公式之中，经计算得R=555.6 m

综上所述，受采煤活动影响的半径555.6 m范围内的区域都为水均衡破坏的影响范围，即可作为地下水资源均衡破坏影响预测区域，影响面积约263.34 hm2。

矿业活动对疏干含水层影响较严重、对区域地下水水位超常降低影响较严重、对区域地下水均衡影响较严重，总体上对地下水资源影响较严重。

2.3.2 对区域水质的影响

煤炭开采时形成的采空区积水，是受到污染的地下水。煤层中含有P、As、B、Fe、S、Hg、Pb、Cd、Cu、Zn等元素，煤层一旦被揭露并和地下水相遇，将发生一系列的物理化学反应，如溶滤、离解、氧化等，使煤中一部分元素转移进入地下水体或者与地下水反应生成新的化合物。

区内存在大面积的采空区，并且大部分采空区存在不同程度的积水。采空区积水外泄，直接对地表水造成污染，通过对采空区外泄的积水进行化验分析，发现其中的主要污染物为铁、锰、硫酸盐，pH呈酸性。采空区积水下渗，对区内的地下水造成污染。

区内还存在大量的煤矸石，既影响了周围景观的和谐，占用耕地，还会引发多种环境效应。煤矸石长期暴露在空气中，加快了风化作用进程。(1)煤矸石所含有机质、黄铁矿等成分易氧化自燃，产生大量CO、NO2、SO2、H2S等废气，对空气环境造成污染；(2)大量的有机质成分和可溶性硫化物、重金属盐类，甚至某些废石含有放射性元素等，通过风化、大气降雨渗滤，将进入地表水体，并进一步下渗到地下水体。

2.4 采空区对土壤环境的影响

采煤形成的采空区会引起土体下沉，增加土壤密实度，导致土壤重度加大的现象。大气降水或灌溉水在土壤中的入渗能力主要取决于土壤的导水率和水压梯度，其中土壤导水率由土壤结构决定，而水压梯度则决定于降雨或灌溉水量的大小。采空区发生大而积塌陷、地下水位下降，塌陷区地表产生大量裂隙，改变了土壤的质地结构，增大了土壤的导水率。土壤有机质及化学特性是影响作物生长的重要因素。采空区造成地表形成了许多裂缝和相对的坡地和洼地，土壤中许多营养元素随着裂隙、地表径流流入采空区或注地造成许多地方土壤中养分的短缺，严重影响了农作物的生长。

区内共存在5处土壤污染区，原恒丰煤矿工业场地一带污染区域，为原恒丰煤矿矸石污染区域，面积约为0.971 hm2；南西部一带污染区域，为小煤窑采空区积水外泄导致的水土污染，污染区损毁面积4.527 hm2；老鹰嘴南部一带污染区域，为老窑采空区积水外泄，导致周边的水土污染，污染区损毁面积11.305 hm2；原横山煤矿工业广场一带污染区域，为老窑采空区积水外泄及堆积的煤矸石产生的淋溶水直接排入周边环境，导致周边的水土污染，污染区损毁面积4.017 hm2；原武龙煤矿工业广场一带污染区域，为小煤窑采空区积水外泄及堆积的煤矸石产生的淋溶水直接排入周边环境，导致周边的水土污染，污染区损毁面积4.558 hm2。合计污染损毁面积25.378 hm2。

根据采样化验，主要问题为土壤酸化，局部区域镉的含量超过了标准值，同时也超过了贵州省的背景值；全区铜的含量超过了标准值，同时也超过了贵州省的背景值。通过与背景样进行对比，镉与铜可能来源于母岩的风化剥蚀。

2.5 采空区对地貌景观的影响

以往小煤窑的私采滥采，直接导致地表的裸露，采煤形成的老窑采空区的坍塌以及废渣的肆意堆放导致的水土流失都会使局部的地形地貌景观元素受到破坏甚至损毁。工业采煤所遗留下来的主井、风井洞口和大面积的矸石堆长时间处于无人管理的状态，不仅占用大量的土地，也使所占用的土地受到污染；此外还有小煤矿关闭后未按规范进行复垦使地貌景观遭到破坏。

3 矿区环境问题治理对策初探

3.1 治理目标

普安县属于贵州省乌蒙山区山水林田湖草生态保护修复重大工程“两屏障”修复范畴，即长江珠江上游生态屏障，该区域实施整体保护、系统修复、综合治理，对矿山集中开采区、水土流失、土地侵占破坏等区域进行综合修复，最终恢复区内矿山生态环境和水生态环境功能，保护北盘江流域水环境，保障绿色特色农产品供给，再建青山绿水，提升乡村环境。修复工程的总体目标为：实现区域生态环境的根本好转、达到生态服务功能的良性循环、建立区域生态环境保护长效机制。具体目标包括：采空区及其诱发的灾害得到全面治理、地貌景观在原有基础上得到全面改善、矿井废水得到全面治理、受损土地资源得到全面恢复、区内土地资源得到质量提升、区域居民的人居环境得到全面改善、当地产业发展全面协调助推地瓜镇乡村振兴。

3.2 治理建议

参考贵州省“金沙县化竹模式”、“铜仁市万山模式”矿山生态修复的成功经验，结合本地实际情况，普安县瓦厂坪煤矿历史遗留矿山的治理，建议采用“移民搬迁+土地流转+矿山生态地质环境恢复治理+土地整治/复垦”的综合治理方案，将受影响的群众搬出矿区进行安置，在开展矿山生态地质环境恢复治理的基础上，进行土地整治，以土地整治专项资金为引导，聚合相关涉农资金，集中投入，采取旱地、水、路、林、村、人综合整治措施，结合“美丽乡村”建设形成集中连片、设施配套、高产稳产、生态良好、抗灾能力强，与现代农业生产和经营方式相适应的耕地，配套相应的灌溉与排水设施、完善和新修农村道路，为恢复区发展现代农业、高效农业摸索路子，奠定基础。最终实现有效“治灾、治土、治水、治穷”，有效回报“当地生态环境，当地百姓，当地社会”的生态修复新模式。

4 结语

基于上述分析可知，普安县地瓜镇瓦厂坪片区历史遗留矿山由于存在大量的老窑采空区，生态环境已经遭到了严重破坏，要想维持当地经济快速稳定健康发展，并实现人与环境和谐共生的局面，就必须利用生态修复手段对当前环境进行积极修复，以保证生态环境得以好转。矿山生态效益是经济效益的基础，是社会效益得以体现的依托，是保证区域持续获得经济效益与社会效益的基本前提。要实行“统一保护、统一修复”的理念，从生态系统的整体性、系统性出发，让普安县“山更青、天更蓝、水更净、地更洁”。