魏煥奇，王思爽

(貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng)550025)

0 前言

生態(tài)影響是指經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及其生物因子、非生物因子所產(chǎn)生的任何有害或者有益的作用，影響可劃分為不利影響和有利影響，直接影響、間接影響和積累影響，可逆影響和不可逆影響［1］。我國(guó)的環(huán)評(píng)實(shí)踐參考國(guó)際研究經(jīng)驗(yàn)，主要對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)植物和土壤等資源評(píng)價(jià)為主，由于煤礦開采對(duì)環(huán)境的影響以地表沉陷最為顯著，所以煤礦建設(shè)生態(tài)環(huán)評(píng)除針對(duì)自然生態(tài)環(huán)境影響外，還應(yīng)針對(duì)地表沉陷狀況進(jìn)行重點(diǎn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

目前，我國(guó)礦產(chǎn)開采地表沉陷預(yù)測(cè)方法主要分為4類:基于實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)方法(典型曲線法、剖面函數(shù)法)、理論模擬法、影響函數(shù)法、地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)法［2］。其中，地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)法根據(jù)概率積分原則進(jìn)行地表沉陷預(yù)測(cè)得到了廣泛應(yīng)用，該方法能夠反映地表移動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征，解釋采動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)指導(dǎo)“三下”開采設(shè)計(jì)具有較大的實(shí)用價(jià)值［3］。同時(shí)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)基于地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)法，開發(fā)礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)(hpMSPS)［4］，對(duì)開采沉陷的理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。

貴州有“江南煤?！敝Q，煤炭資源儲(chǔ)量豐富，煤炭開發(fā)對(duì)貴州省經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用，但是隨著資源開發(fā)力度的加大，地表沉陷所引發(fā)的生態(tài)問題日益凸現(xiàn)。所以，在貴州省煤礦生態(tài)環(huán)評(píng)過程中開展地表沉陷預(yù)測(cè)具有重要意義。本文選取位于貴州省煤炭生產(chǎn)重地的盤縣封家營(yíng)煤礦為案例進(jìn)行生態(tài)環(huán)評(píng)，應(yīng)用礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)(hpMSPS)進(jìn)行地表沉陷預(yù)測(cè)，從而為貴州省礦區(qū)環(huán)境綜合治理以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 區(qū)域概況與現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 研究區(qū)域概況

封家營(yíng)煤礦位于貴州省六盤水市盤縣盤江鎮(zhèn)，行業(yè)隸盤縣煤炭管理局管轄。礦區(qū)井田由6個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)圈定，形狀呈不規(guī)則六邊形，東西長(zhǎng)約為1.54 km，南北寬約為0.4 km，面積0.542 3 km2。礦區(qū)地處云貴高原中段的過度性斜坡地帶，由于受北盤江及支流的強(qiáng)烈切割，出露地層破碎、地勢(shì)高低不一，形成以高原山地為主、坡度較大的地形地貌格局。屬于構(gòu)造剝蝕、侵蝕地貌、巖溶地貌類型。

1.2 評(píng)價(jià)區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查

封家營(yíng)煤礦屬改擴(kuò)建項(xiàng)目，技改前后井田范圍無變化(含開采標(biāo)高)，工業(yè)場(chǎng)地為在原場(chǎng)地上擴(kuò)建而成，可采煤層共7層，首采煤層為9號(hào)煤層，礦井生產(chǎn)能力為150 000 t/a。項(xiàng)目建成對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為新增占地對(duì)土地利用功能的改變;井下開采造成的地表沉陷，沉陷可能造成局部土地利用功能改變和土地生產(chǎn)力下降、對(duì)地面建筑物的破壞以及加劇沉陷區(qū)土壤流失等。基于以上分析，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境特征，確定生態(tài)調(diào)查對(duì)象。

依據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則生態(tài)影響》，封家營(yíng)煤礦生態(tài)影響評(píng)價(jià)區(qū)為井田邊界外擴(kuò)500 m，面積3.506 9 km2，工業(yè)場(chǎng)地、矸石場(chǎng)均位于該范圍內(nèi)。根據(jù)當(dāng)?shù)貒?guó)土部門提供的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，評(píng)價(jià)區(qū)植被類型以旱地作物為主，屬典型的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū);森林植被以針闊葉混交林為主;土壤類型主要為山地黃棕壤、黃壤、水稻土、石灰土等。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀見表1。

表1 評(píng)價(jià)區(qū)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表

野生動(dòng)物調(diào)查要采取資料查閱和調(diào)查訪問的方式，近年來偶見的獸類主要有野兔、黃鼬、長(zhǎng)吻松鼠、竹鼠等，它們主要分布于有林區(qū);爬行類主要有蛇類和蛙類等，均為貴州省重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物;鳥類主要有麻雀、喜鵲、普通翠鳥等。基本多為貴州省常見的動(dòng)物物種。

2 地表沉陷影響預(yù)測(cè)與分析

2.1 hpMSPS模式概述

礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)(hpMSPS)基于地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)法，采用修正后的概率積分模型，對(duì)任意開采引起的地表沉陷作動(dòng)態(tài)和最終穩(wěn)定態(tài)的預(yù)測(cè)，并繪制有關(guān)圖形［4］。模型中，傾斜煤層(緩傾斜)中開采某單元i，按概率積分法的基本原理，單元開采引起地表任意點(diǎn)(x，y)的下沉如圖1所示。

圖1 地表沉陷預(yù)測(cè)模型的坐標(biāo)系統(tǒng)

設(shè)工作面范圍為:0～p，0～a組成的矩形，則地表任一點(diǎn)(x，y)相關(guān)變形值為:

(1)地表任一點(diǎn)的下沉w(x，y)

(2)沿φ方向的傾斜i(x，y，φ)

(3)沿φ方向的曲率k(x，y，φ)

(4)沿φ方向的水平移動(dòng)U(x，y，φ)

(5)沿φ方向的水平變形ε(x，y，φ)

預(yù)測(cè)模式中參數(shù)選取如下:

(1)地表最大下沉值:W0=m×q×cos α

(2)最大傾斜值:i0=W0/r

(4)最大水平移動(dòng):U0=b×W0

(5)最大水平變形值:ε0=1.52×b×W0/r式中:m為煤層開采厚度(m);r為主要影響半徑(m);b為水平移動(dòng)系數(shù);α為煤層傾角，(°);q為下沉系數(shù)。

2.2 hpMSPS模式參數(shù)選取

本文根據(jù)封家營(yíng)煤礦井田地質(zhì)、煤層賦存條件、采煤方法等開采技術(shù)條件，以及原煤炭工業(yè)部制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［5］中所列預(yù)計(jì)方法，對(duì)封家營(yíng)煤礦所選取的參數(shù)進(jìn)行本地化，確定hpMSPS模式中模型參數(shù)見表2。

表2 hpMSPS模式參數(shù)

2.3 地表移動(dòng)變形最大值預(yù)測(cè)

地表沉陷范圍受煤層厚度、上覆巖層的厚度、巖性、移動(dòng)角和邊界角的影響。根據(jù)井田的地質(zhì)特征及開采條件選取相關(guān)參數(shù)，全井田開采后地表沉陷預(yù)測(cè)等值圖如圖2。同時(shí)，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)開采沉陷的動(dòng)態(tài)過程，本文選取首采9號(hào)煤層作一個(gè)典型工作面，根據(jù)該煤層開采厚度、采深及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。

圖2 地表沉陷等值線圖

井田內(nèi)煤層賦存較穩(wěn)定，預(yù)測(cè)全井田主要煤層開采后地表主要移動(dòng)和變形值統(tǒng)計(jì)如下:最大下沉值為6.6 m，地表最大傾斜值為59.01 mm/m，最大曲率值為3.14 mm/m，最大水平移動(dòng)值為539.5 mm，最大水平移動(dòng)變形為28.7 mm/m。

2.4 開采結(jié)束后沉陷狀況預(yù)測(cè)

由于本井田地處山區(qū)，地形最大高差達(dá)314 m，屬剝蝕－溶蝕中山地貌。礦山煤層采煤工藝為炮采，礦井方法采用傾向長(zhǎng)壁式采煤法，后退式回采，單體支柱加絞接頂梁支護(hù)，一次采全高，全部垮落法管理頂板。結(jié)合礦區(qū)地形地貌和采煤方法可知，井下開采引起的地表變形主要是裂縫、滑坡和崩塌等，出現(xiàn)地表大面積下沉的可能性小。

表3 首采煤層典型工作面開采后地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形最大值

2.5 地表沉陷對(duì)生態(tài)環(huán)境影響分析

井下開采對(duì)礦區(qū)環(huán)境的綜合影響主要表現(xiàn)為:局部土地利用現(xiàn)狀改變，地表水、地下水資源破壞，道路受損，建筑物破壞，地表生態(tài)環(huán)境改變等。礦區(qū)開采后，地質(zhì)環(huán)境條件會(huì)發(fā)生一定的改變，礦區(qū)地貌景觀、土地資源及地表生態(tài)環(huán)境受到一定影響，如不進(jìn)行防治和采取治理措施，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境會(huì)逐漸惡化。

2.5.1 對(duì)地表形態(tài)的影響 根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，煤層開采后地表最終最大下沉值為6.6 m，地表變形影響范圍為0.39 km2。根據(jù)地表下沉等值線圖以及類比附近井田采空區(qū)地形地貌變化情況分析，預(yù)計(jì)開采造成的地表沉陷表現(xiàn)形式，主要還是以地表裂縫、局部塌陷、崩塌和滑坡等現(xiàn)象為主［6］。不會(huì)形成大面積明顯的下沉盆地，地表也不會(huì)形成大面積的積水區(qū)。地表沉陷對(duì)區(qū)域地表形態(tài)和自然景觀影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)邊界上方的局部區(qū)域內(nèi)。礦井煤炭開采對(duì)井田地表的地形地貌影響較小，不會(huì)改變?cè)瓉淼牡孛矄卧愋汀?/p>

2.5.2 對(duì)土地利用的影響 通過礦井煤炭開采引起的地表沉陷等值線圖與土地利用現(xiàn)狀圖疊加分析，全井田開采后，約16.85 hm2耕地受到輕度破壞，1.55 hm2耕地受到中度破壞，重度破壞面積為0.32 hm2。由于受影響區(qū)大部分耕地為輕度影響，僅少部分由于灌溉條件改變而受到中度影響與重度影響，本礦井下采煤對(duì)地表耕地影響相對(duì)較弱。

2.5.3 對(duì)村莊建筑的影響 井田范圍內(nèi)有村莊2個(gè)，分別為小王家鋪?zhàn)?、大青梁子。由于小王家鋪?zhàn)泳用顸c(diǎn)預(yù)留保護(hù)煤柱，可通過預(yù)測(cè)的地表沉陷等值線圖與村莊分布圖疊加分析，該居民點(diǎn)基本不受開采影響;由于封家營(yíng)煤礦已組織大青梁子全部居民搬遷安置于井田外，搬遷后該居民點(diǎn)也將不受影響。

2.5.4 對(duì)鐵路、道路、河流的影響 礦區(qū)附近主要公路為盤水公路，位于井田外，有礦井運(yùn)煤道路與該公路相連，運(yùn)煤道路位于井田外;內(nèi)昆鐵路從評(píng)價(jià)區(qū)西側(cè)邊緣穿過;拖長(zhǎng)江也位于評(píng)價(jià)區(qū)西側(cè)邊緣，自南向北流經(jīng)評(píng)價(jià)區(qū)。盤水公路、內(nèi)昆鐵路、拖長(zhǎng)江距井田邊界均約400～500 m?？赏ㄟ^預(yù)測(cè)的地表沉陷等值線圖與道路、河流區(qū)位圖疊加分析，地表沉陷對(duì)盤水公路、運(yùn)煤道路、內(nèi)昆鐵路、拖長(zhǎng)江基本無影響。由于炸藥庫(kù)連接道路位于礦區(qū)內(nèi)且無防護(hù)措施，將受到地表沉陷影響。

3 生態(tài)影響與地表沉陷防治對(duì)策

3.1 生態(tài)防護(hù)措施

煤礦開采過程中采取條帶開采、協(xié)調(diào)開采，消除開采邊界影響等技術(shù)措施來減小地表下沉和變形。同時(shí)，密切關(guān)注井田范圍內(nèi)滑坡、地裂縫、塌陷及崩塌體的動(dòng)態(tài)，對(duì)地表出現(xiàn)的裂縫、漏斗等，及時(shí)組織人員回填，并采取堵、排、截等措施。嚴(yán)格按照規(guī)范留設(shè)工業(yè)場(chǎng)地、村莊、井田邊界等保安煤柱，不得越界開采，避免對(duì)井田邊界外村莊和廣場(chǎng)造成影響。

3.2 生態(tài)治理措施

對(duì)井田內(nèi)及周邊出現(xiàn)的地表裂縫要及時(shí)進(jìn)行填充、密實(shí)并整平修復(fù)，對(duì)地表塌陷造成的植被破壞，應(yīng)組織人員及時(shí)恢復(fù)或更新植被，防止水土流失。在采動(dòng)影響活動(dòng)期，對(duì)塌方或滑坡的地方沿邊緣做排水溝，減少降水進(jìn)入塌方或滑坡處，以防止水土流失，同時(shí)可減緩塌方或滑坡的加劇，降低泥石流發(fā)生的概率。待影響停止穩(wěn)定后，在塌方體修建護(hù)坡工程，對(duì)滑坡采取滑坡治理工程，以植物護(hù)坡為主，工程護(hù)坡為輔的綜合治理措施。若道路出現(xiàn)影響通行，應(yīng)及時(shí)維修。

3.3 矸石場(chǎng)地的生態(tài)治理

矸石的利用途徑包括用于土地平整、制磚和積水沉陷區(qū)復(fù)墾等。剩余矸石部分用于井下回填，最后采取運(yùn)往矸石場(chǎng)填埋處置措施。矸石場(chǎng)矸石堆放應(yīng)按相關(guān)填埋規(guī)定《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599-2001)，采取逐段、分層壓實(shí)、覆土、綠化的填埋措施，能夠有效地防塵防燃。隨著矸石山綠化和土地復(fù)墾，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境將得到有效保護(hù)。

3.4 經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償措施

對(duì)于采煤過程中造成的耕地破壞應(yīng)采取措施進(jìn)行復(fù)墾，破壞嚴(yán)重?zé)o法復(fù)墾的耕地應(yīng)進(jìn)行必要經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，對(duì)遭受中度破壞的耕地，應(yīng)及時(shí)開展沉陷區(qū)的治理與土地復(fù)墾。經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間從受到破壞的當(dāng)年起到土地復(fù)墾后恢復(fù)原有生產(chǎn)能力為止。對(duì)于采煤過程中造成的林地破壞也應(yīng)采取措施進(jìn)行復(fù)墾，破壞嚴(yán)重?zé)o法復(fù)墾的林地應(yīng)進(jìn)行必要補(bǔ)償。沉陷區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)綜合整治工作，可由煤礦所在地縣土地和林業(yè)部門進(jìn)行組織實(shí)施，為保證該資金能夠?qū)？顚Ｓ?，建設(shè)單位應(yīng)設(shè)立專用帳戶，根據(jù)有關(guān)政策規(guī)定，按年或按實(shí)進(jìn)行支付。

4 結(jié)論

本文以貴州省盤縣封家營(yíng)煤礦為案例進(jìn)行生態(tài)環(huán)評(píng)，采用目前較為適用的hpMSPS模式進(jìn)行地表沉陷預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明:地表沉陷最大值為6.6 m，由于礦區(qū)范圍內(nèi)地表坡度較大，因此地表變形煤炭開采所造成的地表沉陷表現(xiàn)形式主要以地表裂縫、局部塌陷、崩塌和滑坡等現(xiàn)象為主。地表變形主要造成土地利用系數(shù)下降，土壤水分、肥分流失，最終導(dǎo)致地表植被生產(chǎn)力下降。只要加強(qiáng)對(duì)井田區(qū)域進(jìn)行適時(shí)的生態(tài)恢復(fù)、土地復(fù)墾與水土保持措施后，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響可以得到有效控制。

由于目前尚未能對(duì)本礦地表沉陷預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在今后工作中，應(yīng)著重積累沉陷觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)hpMSPS模式參數(shù)優(yōu)化，更好的服務(wù)于貴州省煤礦生態(tài)恢復(fù)與地表沉陷治理。

［1］ 國(guó)家環(huán)保局.環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-生態(tài)影響［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

［2］ 孫貴梅，吳 侃，王 欣.煤礦建設(shè)項(xiàng)目開采沉陷對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究［J］.四川環(huán)境，2007，26(5):107－110.

［3］ 寧永香，崔建國(guó).動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法［D］.上海:中國(guó)科學(xué)院上海冶金研所，2000.

［4］ 吳 侃，周 鳴.礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

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