田立強，范士彥，門兆龍

(1.山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，山東 泰安 271000；2.山東省煤田地質(zhì)局，山東 濟南 250000)

我國礦業(yè)的快速發(fā)展，在為經(jīng)濟社會發(fā)展提供重要物質(zhì)保障的同時，也累積了不少礦山地質(zhì)問題[1]，礦產(chǎn)資源開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)影響和破壞較為突出。具體到井工煤礦，對生態(tài)系統(tǒng)影響和破壞主要是煤礦地下開采導致地表變形，進而損毀土地及造成地形地貌景觀和植被破壞；煤礦形成的采空區(qū)造成地面塌陷、地裂縫等災害；破壞地下水系統(tǒng)；“三廢”排放造成環(huán)境破壞。

1 煤礦采空區(qū)的地下水污染

煤礦在建礦、采煤過程中進行礦坑疏干排水造成地下水資源減少或枯竭，是煤礦區(qū)存在的一個普遍問題，部分煤礦在閉坑后，將井口改造成水源井，以作為周邊范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要來源。煤是含有礦物雜質(zhì)的復雜有機物，其礦物雜質(zhì)含量約5%～50%[2]，開采、洗選過程中的物理化學作用及人為作用，都對地下水體產(chǎn)生一定的污染[3]。根據(jù)對撫順礦區(qū)、淄川礦區(qū)等地的地下水及采空區(qū)地下水的檢測結(jié)果，水中硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、全鐵、氨氮、總硬度等指標嚴重超標，且隨著時間的推移有污染逐漸加重的趨勢(表1、表2)[4-5]。

表1 撫順礦區(qū)地下水污染狀況對比 (mg/L)

表2 淄川礦區(qū)133號監(jiān)測井地下水

我國礦山地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)遺跡的監(jiān)測尚處于起步和探索階段[6]，人們對礦區(qū)地下水污染對農(nóng)業(yè)的危害未能引起足夠的重視。例如滕縣煤礦區(qū)，礦山廢水對地下水質(zhì)影響嚴重區(qū)域面積77.54km2，影響較嚴重區(qū)域面積154.49km2，影響較輕區(qū)域面積1454.97km2[7]。長期使用煤礦采空區(qū)積水灌溉，必將嚴重影響糧食和耕地的質(zhì)量，給人畜的健康造成一定的影響。抽取采空區(qū)污染水的同時，導致采空區(qū)周邊凈水對污染水的補給而造成二次污染。

煤礦閉坑了并不代表其對地下水的污染結(jié)束，其對地下水的動力場及水化學場產(chǎn)生了深刻影響[8]，目前的當務之急是首先停止對污染采空區(qū)地下水的抽采，對井口排水設備進行強制關(guān)閉；設置采空區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)絡，隨時了解采空區(qū)地下水的水質(zhì)、水量的變動情況，有效防止非法抽取(注入)污染水；調(diào)查采空區(qū)的補給來源，采取地面防滲、含水層內(nèi)帷幕注漿等工藝隔絕采空區(qū)地下水的補給通道；采用無污染的膨化材料將采空區(qū)充填；第五，封閉串層污染井[8]；第六，提高對煤礦排水的治污技術(shù)與管理，逐步提高礦區(qū)地下水質(zhì)量。

2 有效利用采空區(qū)地溫能

我國的中部和北部煤田內(nèi)，大部分高溫礦井(約占90%)是由于開采深度大，巖石溫度高所致，例如新汶孫村礦(采深776m，巖溫34.9℃)，徐州三河尖礦(采深736m，巖溫37℃)，湖州長廣煤炭公司(采深920m，巖溫40℃)[9]，菏澤鄆城煤礦(采深900m，巖溫41.8℃)[注]山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊,山東省巨野煤田鄆城煤礦建井地質(zhì)報告,2014年。，濟寧許廠煤礦(540m以深，巖溫>31℃，840m以深，巖溫>37℃)等[注]山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊,山東省濟寧煤田許廠煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告，2015年。。對于上述存在熱害(巖溫>31℃)的礦井，往往需要大量的降溫投入，但對于煤礦內(nèi)(干)熱巖地溫能(高巖溫地熱資源)的回收，目前尚未見報道。目前全國煤礦數(shù)量減少到8000處，預計今后還將大量關(guān)停煤礦，如果在生產(chǎn)過程中以及關(guān)停以前將高溫礦井內(nèi)的高巖溫地熱資源予以利用，將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟和社會效益。

開發(fā)煤礦采空區(qū)地溫能的原理與開發(fā)深部干熱巖地熱資源及淺層地溫能原理相似，在采空區(qū)形成的過程中，采用導熱性能好、耐腐蝕的集熱管材鋪設于采空區(qū)的上下山巷道內(nèi)，兩端通過大口徑鉆孔將循環(huán)水聯(lián)通至地面(或于任意位置設置一個鉆孔布置U型管)，閉坑礦井也可以采用主、副、風井代替鉆孔，將冷水自地面注入井下集熱管中，再將熱水抽至地面利用(圖1)。高巖溫巖土體作為地熱能的主要賦存體，其溫度場特征影響熱泵機組的功耗和系統(tǒng)性能指標[10]，通過水源熱泵系統(tǒng)提取循環(huán)水中的熱量[11]，讓煤礦采空區(qū)周邊(干)熱巖(高巖溫地熱資源)產(chǎn)生綠色能源。

圖1 采空區(qū)回收地溫能原理示意圖

根據(jù)魯西地區(qū)淺部巖土體每延米換熱量和平均熱導率，花崗巖大于石灰?guī)r，石灰?guī)r大于第四系松散層的特點[12]，宜選擇換熱量和熱導率較好的混凝土材料將導熱管與高巖溫巷道固結(jié)為一體，盡量避免導熱管與礦坑水直接接觸。

地熱資源主要用于供暖，部分用于洗浴、理療、娛樂、養(yǎng)殖和種植等[13]，相信該項技術(shù)一旦成熟，高巖溫煤礦在生產(chǎn)與閉坑后都將會煥發(fā)出綠色生機。

3 農(nóng)耕地范圍內(nèi)地面采空塌陷積水區(qū)

我國東部平原地區(qū)因地勢平坦，地下潛水位較高，不少塌陷區(qū)常年積水，淹沒良田[14]。

以魯西南煤田為例，其地面以沖積平原區(qū)農(nóng)耕地為主，煤礦開采后一般形成深度0～5m的塌陷積水區(qū)。目前采取的治理原則為“宜農(nóng)則農(nóng)、宜漁則漁、宜景則景”，雖然取得了較好的效果，但遠未達到恢復為耕地的初衷。原因在于充填物不能滿足(采空區(qū))大面積實施，應進一步研究替代充填物料[15]。

胡振琪等[16]綜合分析了引黃河泥沙充填復墾耕地的可行性，如果利用黃河多泥沙的特點，從國家宏觀層面進行統(tǒng)一治理，在現(xiàn)有人工河流的基礎上，將黃河與煤礦區(qū)通過運河聯(lián)通起來，通過船舶遠距離輸送黃河泥沙。

(1)利用梁山至濟寧、二級壩的魯南運河，將黃河與濟寧、滕南等礦區(qū)聯(lián)通。魯南運河(圖2)，北起黃河，南至二級壩，全長159km。黃河至濟寧段，全長80.9km。北部梁山段長20km，河道嚴重淤積，水深不足，尚不能通航；梁山至南旺段長33.8km，枯水期航道水深0.5m，為季節(jié)性航道；南旺至濟寧段長27.1km，底寬15m，枯水期水深0.5m，為季節(jié)性航道。濟寧至二級壩段長78.1km，航道順直，枯水期水深1m以上，底寬50m，可通航100t級船舶。建議按通航100t級船舶標準全面疏通魯南運河，將開挖泥沙用于回填采空區(qū)及塌陷區(qū)；在南運河的基礎上，根據(jù)實際情況，將黃河泥沙通過水運或陸運輸送至各個采空塌陷積水區(qū)。

圖2 魯南運河位置圖

(2)在魯南運河的基礎上，逐漸形成運輸網(wǎng)，將黃河泥沙輸送至魯西南及周邊礦區(qū)。黃河下游年均來沙量12.30億t，以山東省煤炭產(chǎn)量1.5億t(計劃2020年減少至1億t)為例，煤炭產(chǎn)量在逐年減少，而運沙經(jīng)驗會越來越成熟。因此，一旦方案可行，預計利用黃河泥沙可以在30～50年內(nèi)解決一個采煤大省的耕地減少問題。不但緩解了黃河河道的淤堵問題，還可以抬高部分低洼災區(qū)的地面標高，減少洪澇災害帶來的損失。

4 歷史遺留的矸石山

歷史遺留的矸石山，由于堆放時間比較長，矸石山中含煤矸石經(jīng)氧化作用后燒結(jié)成為顏色混雜、結(jié)構(gòu)不均的錐形矸石山體，多年來無序的取矸作業(yè)形成了多個陡峭的危險斷面。山體孔隙多、結(jié)構(gòu)不均、硬度不一，既有燒結(jié)成一個整體的磚紅色礫石體，又有粉末狀的松軟體，更多的是結(jié)構(gòu)松散的碎石堆積體，一般無植被覆蓋。由于矸石山自然條件惡劣，修復成本高，技術(shù)難度大，生態(tài)修復工程效果不佳[17]。

山東省共有歷史遺留礦山煤矸石堆(山)39處[18]，以淄博市一矸石山為例，雖然其具備制磚、鋪路等用途，但從山體底部取矸，易引起崩塌、滑坡、揚塵等災害，從山頂施工，由于山體軟硬不均，導致挖掘機傾翻事故。常規(guī)工藝難以開發(fā)利用，導致空氣、地下水、視覺污染、崩塌、滑坡等災害。

影響其資源化利用或生態(tài)治理的關(guān)鍵問題是民用爆破工程在削坡過程中容易導致崩塌、滑坡等災害，危及人身、財產(chǎn)安全。離開矸石山體一定距離施工便可以避免人身傷害事故的發(fā)生，利用水力采煤的高壓射流原理，設計一種壓力大于50MPa的水槍，有效射程15～20m，用于矸石山的碎巖和鉆炮眼，配合安全區(qū)域使用破巖機和挖掘機聯(lián)合作業(yè)，可以較容易地將矸石山的坡度削減至穩(wěn)定角度，按常規(guī)工藝對其進行綜合治理。該高壓水槍設備主要體現(xiàn)在高壓泵、高壓管(膠管、鉆桿等)和噴嘴三個方面，目前常用高壓泵的壓力通常為30～60MPa，流量一般50～150L/min，高壓膠管最高耐壓可達70～200MPa[19]。高壓泵、高壓管及噴嘴的技術(shù)參數(shù)滿足對矸石割縫及鉆孔要求，技術(shù)上可行。

5 結(jié)語

限于專業(yè)水平及掌握資料所限，該文只是初步探討，目的僅提供一種解決問題的思路，拋磚引玉，依靠社會的力量，逐步從政策和技術(shù)層面得到完善，依靠市場的力量完成煤礦山生態(tài)恢復治理，更好地服務社會。