韩静,白中科,李晋川

(1.山西农业大学 工学院,山西太谷 030801;2.中国地质大学(北京)土地科学技术学院,北京 100083;3.山西省生物研究所,山西 太原030006)

在采煤业迅猛发展的同时,其生产工艺和流程存在着许多地质灾害诱发的隐患,严重影响矿区的生态环境质量和经济持续发展。

露天开采在我国的煤炭工业中占有越来越重要的地位。但大都处于干旱、半干旱的生态脆弱区[1]。据美国研究委员会公布的数据,美国露天开采1240亿t煤炭约破坏400万hm2的土地[2]。以平朔露天煤矿为例,采煤活动结束后,将出现180 km2左右的土地挖损、压占区域[3]。本文以平朔安家岭露天煤矿(以下简称AJL矿)为例,对露井联采区的西排土场已发生和易发生的沉陷状况进行调查研究,为今后的复垦工作提供理论依据。

1 自然概况

该矿区位于山西省北部的朔州市平鲁区境内[3],是一个对环境改变反应敏感、维持自身稳定的可塑性较小的脆弱生态环境系统,属黄土丘陵——强烈侵蚀生态脆弱系统。

2 研究方法

依据AJL煤矿复垦区工程图,利用全球定位系统(GPS)对西排土场的平台、边坡布点,根据布点情况设计样地并调查、勘测,结合收集的资料,对调查结果进行统计分析,对比,对矿区沉陷问题进行详细剖析。其选取的依据和方法如下:

AJL矿区井工矿位于外排土场下方,含煤量较丰富,煤层从上而下主要有4号,9号,11号煤,现已开采的有4号,9号煤层。4号煤层厚7～8 m,9号煤层厚约16 m,4号煤层与9号煤层间相差约50 m。4号煤底板等高线高程约1160 m,9号底板等高线高程约1210 m。原始地貌到4号煤层的厚度120多米。

4号煤层分4个采掘巷道;9号煤层分5个采掘巷道。4号、9号煤层采掘巷道走向是由南向北,每条采煤巷道的工作面宽为240 m,煤柱宽20 m,每侧各留5 m通风巷道。

调查样带设置是依据采掘巷道走向,做平行和垂直于采掘巷道的样带调查。平行于巷道的为纵向样带,垂直于巷道的为横向样带。纵向调查样带是沿采掘巷道走向即经度不变,做5条纵向调查样带,并对其编号,命名。横向调查样带则是纬度不变,与采掘面走向垂直,依据其下采掘进度和排土场顶部平台进行样带选择,并对其编号,命名。每个样方为20 m×10 m。

3 沉陷状况调查

根据样地设计方案,共有5条纵向样带,1条横向样带。纵向样带共有43个样方,包括22个平台样方,21条下斜坡样方。横向样带共有5个样方。同时,调查其裂缝数量,对其进行规律整理。9000、9001平台样带为西北-东南走向,9002、9003平台样带为东西走向,9004平台样带为南北走向。见表1,表2,表 3。

表1 AJL露井联采区排土场纵向样带平台样方沉陷状况Table 1 The subsidence state about open-underground combine mining of dump longitudinal transect plots

表2 AJL露井联采区排土场纵向样带下斜坡样方沉陷状况Table 2 The subsidence state about open-underground combine mining of dump longitudinal transect landslide plots

表3 AJL露井联采区排土场横向样带沉陷状况Table 3 The subsidence state about open-underground combine mining of dump traverse transect

依据调查时开采程度,9000样带下对9号煤层已开采完毕,其下已成为采空区;9001样带下4号煤层已经采空,9号煤层正在进行采掘,且只推进了320 m;9002样带下4号煤层已经采空,9号煤层尚未开采;9003样带下4号煤层于2007年年底采完,9号煤层尚未开采;9004样带下4号、9号煤层都尚未开采。

表1中样方名称中的数字(如9001,9002)为样带名称。深度值为可测量到的范围。横贯样带,纵贯样带为贯穿样带的裂缝占该样带裂缝总条数的百分比。由表1看出,9000、9001、9002平台样带裂缝走向基本为东西走向,均贯穿样带,每条裂缝间隔约2m;9003平台样带呈网格状沉陷;9004平台样带裂缝走向为南北走向。由于裂缝走向与平台走向基本相同,所以9003平台样带和9004平台样带都极易引起滑坡。

由表2看出,9000下斜坡样带裂缝较多,每条裂缝间隔约为2 m,宽度大于2 m的裂缝有3条,其中一条为其上平台的延伸裂缝;9001下斜坡样带裂缝较小,多为雨水冲沟,有4条宽度大于30 cm的冲沟贯穿于斜坡;9002下斜坡样带和9003下斜坡样带裂缝较多;9004下斜坡样带主要以雨水冲沟为主,无裂缝,有的地方地表径流严重。

由表3看出,横向样带只有 N9000、N9001样带裂缝较多,其中N9000样带裂缝走向为东西走向,N9001样带呈网格状沉陷;N9002、N9003、N9004样带则无裂缝,但有一定沉陷,雨水冲击形成积水洼地,地表径流严重;N9004样带在斜坡上,有雨水冲刷沟,旁边为煤矸石堆放厂。见图1。

调查时,已对一些顶部平台裂缝、沉陷严重的地区重新平整过(见图2),沉陷状况表现不明显。对露井联采区排土场外的原地貌进行实地调查,发现其沉陷状况不明显。

图 1 煤矸石堆放场Fig.1 Dump of coal gangue

图2 已平整的排土场平台Fig.2 Leaved plots of dump

4 防治对策

4.1 同时充填开采法

AJL露天矿在开采时,会产生大量岩土和煤矸石,是合适的充填材料。此法可减少在原地貌上人工堆垫排土场的形成,有利于露井联采区在原地貌上进行复垦,从而降低由于松散的堆积地貌造成的水土流失、滑坡等人为地质灾害。但需大幅度增加煤炭生产投资和成本[4]。

4.2 生态恢复措施

采煤影响煤层上部的裂隙水,引发浅层地下水渗漏;地表降水沿裂缝下渗,改变坡面径流,使地表水补给受到影响。裂缝区域的拉伸或压缩,改变土壤孔隙度,不利于蓄水保肥和土壤有机质分解,景观环境也受到影响。因而及时填堵裂缝,因地制宜平整土地;对滑坡和严重沉陷及沉陷坑边缘地区进行修复或补偿[5～7]。

4.3 其它措施

(1)完善矿区地质灾害预警监测系统

建立地面与地下变形监测网,随时收集矿产开采过程中的地面、地下岩体变形的信息;预测、预报可能发生的地质灾害;随时根据地质环境变化修正最终开采界限;建立地表水和地下水水化学动态观测网,以防止水体污染事件的发生。

(2)预防采动滑坡

根据露天矿边坡工程地质条件,确定边坡不稳定区,加强监测,重点加以防治,加强生产管理,严格执行采掘生产规程,采取预裂爆破等减震措施,严禁边坡上的乱采乱掘;坡脚堆放大石块,拦截坡面下移泥沙,保护坡脚排水渠系;坡面不覆厚层黄土,采取土石混堆后立即种植,对重点防范区段进行边坡加固治理。

5 建议

5.1 建立采动损害处理法律法规

目前我国尚无专门的沉陷损害处理法规。只是在有关法规中做了某些原则性的相关规定。如《中华人民共和国环境保护法》;1988年国务院颁布的《土地复垦规定》;煤炭工业部《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》以及国务院国发(1980)176号、(1983)10号等有关文件[4]。

我国应借鉴发达国家的立法经验,结合矿山环保工作中存在的问题,大力加强这方面的立法工作,如美国制订了《资源保护与回收法》;法国制定了《废物处理和资源回收法》等[8]。

5.2 矿区沉陷治理规划

根据本矿区的地形地质和采矿条件以及地表与岩层移动观测研究成果,对其各煤层开采后地面各主要受护对象可能出现的地表沉陷变形与破坏进行预测,并根据已有的相关分级标准,为深入认识灾情、制定防灾政策、规划防治区域、实施防治措施以及优选防灾项目、进行项目管理提供建议。

5.3 采沉区复垦

国外研究表明:现代复垦技术研究的重点应是土壤因素的重构而不仅是作物因素的建立,为使复垦土壤达到最优的生产力,构造一个最优的土壤物理、化学和生物条件[9]。采用生物复垦技术对采沉区进行复垦。

[1]赵跃龙.中国脆弱生态环境分布及其综合整治[M].北京:中国环境科学出版社,1999:93-94.

[2]马祥爱.露天矿区生态环境质量与资源利用评价[D].山西农业大学,2005.

[3]白中科,李晋川.露天煤矿土地复垦与生态重建[M].北京:科学出版社,2000:18-28.

[4]康建荣,何万龙,胡海峰.山区采动地表变形及坡体稳定性的分析[M].北京:中国科学技术出版社,2002,12.

[5]赵明,郭高川,韩永亮,等.煤炭开采工艺及生态保护对策研究[C].//煤炭开发建设项目生态环境保护研究与实践.北京:中国环境科学出版社,2006,10.

[6]林大仪.土壤学[M].北京:中国林业出版社,2002:147-221.

[7]毛文永.生态环境影响评价概论(修订版)[M].北京:中国环境科学出版社,2003:237-309.

[8]尹向林.论矿山企业环境地质灾害问题与对策[J].矿业快报,2003,6(6):4-5.

[9]张增凤,丁慧贤,赵艳红,等.我国煤矿环境污染的成因与对策[J].中国矿业,2002,11(4):44-45.