李高陽

(榆林學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

陜西省是我國的煤炭大省，其中，陜北地區(qū)的煤炭經(jīng)濟(jì)在我國名列前茅。陜北地區(qū)的煤層具有埋藏淺、開采厚度大等特點(diǎn)，但是隨著煤礦開采的發(fā)展，各類問題逐漸顯露。煤礦開采時(shí)需要完全切開上覆基巖，導(dǎo)致基巖面出現(xiàn)比較嚴(yán)重的破斷角，而隨著開采深度逐漸加深，邊坡穩(wěn)定性以及礦井內(nèi)部穩(wěn)定性都不同程度受到地質(zhì)和輕微挖洞影響。對煤炭進(jìn)行挖掘開采造成上覆基巖出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，間接影響水-煤資源共生系統(tǒng)，進(jìn)而影響水資源生態(tài)循環(huán)，同時(shí)還會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞[1]。

評價(jià)礦區(qū)煤層穩(wěn)定性主要是為了分析在某個(gè)固定范圍之中煤層的變化特征與變化情況，根據(jù)評價(jià)分析結(jié)果獲得煤層穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)，依據(jù)指標(biāo)情況判斷煤炭資源開發(fā)前景以及開采的合理性。在以往的研究中，由于技術(shù)水平限制，評價(jià)分析礦區(qū)煤層穩(wěn)定性時(shí)會采用定性評價(jià)的方式[2-3]，近年來，定量評價(jià)方式開始被運(yùn)用到煤層穩(wěn)定性分析研究中。但是煤層自身具有灰色特質(zhì)，導(dǎo)致定量評價(jià)對于煤層穩(wěn)定性的評價(jià)分析突破性較小，于莉莉等[4]通過變概比的方法分析煤層穩(wěn)定性，在一定程度上能夠進(jìn)行定量分析并獲得變量穩(wěn)定結(jié)果；劉晨光等[5]使用灰色聚類的評價(jià)方法，對現(xiàn)有煤礦開展詳細(xì)研究。盡管以上方法都嘗試在定量評價(jià)方面展開探索，但是經(jīng)過驗(yàn)證并沒有獲得滿意結(jié)果。煤礦開采會給周圍環(huán)境帶來嚴(yán)重影響，陜北地區(qū)煤炭資源豐富，大規(guī)模高強(qiáng)度的開采工作嚴(yán)重影響環(huán)境生態(tài)平衡，這也是煤炭經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展的當(dāng)下，生態(tài)環(huán)境方面所面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因此，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理技術(shù)同樣是需要關(guān)注的問題。本文針對煤炭資源比較豐富的陜北地區(qū)進(jìn)行礦區(qū)煤層穩(wěn)定性及環(huán)境治理技術(shù)研究，為相似條件礦區(qū)提供一定的參考和理論支撐。

1 研究區(qū)概況與煤層穩(wěn)定性分析

1.1 研究區(qū)域地質(zhì)情況

1) 地質(zhì)及煤層特點(diǎn)。本文所研究的礦區(qū)位于陜北榆林地區(qū)，地勢自北向南由高至低貫穿榆林市，地形為高海拔平原、丘陵地貌以及河谷平原，最高處海拔接近1 350 m。由于研究區(qū)域深處我國內(nèi)陸平原，受地勢、所處位置、大氣環(huán)流等綜合因素的影響，呈現(xiàn)溫帶大陸季風(fēng)氣候。該研究區(qū)域的主要含煤巖系為侏羅系，煤層出露厚度為64.22～274.58 m，巖層上部主要為紫色夾雜灰綠色的泥巖或者粉砂巖，連接夾砂巖透鏡體下部巖層為灰白色砂巖間雜條帶泥巖，最下部是礫巖，呈現(xiàn)出風(fēng)化裂隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖層特性、煤層組合、古生物特性等，研究區(qū)域被劃分成五個(gè)中級旋回。榆林地區(qū)煤礦受土地剝蝕作用和沉積作用影響，各煤層間距和厚度差異較大，本文重點(diǎn)研究礦區(qū)屬于三角洲沉積回旋，中細(xì)粒砂巖構(gòu)成該地區(qū)的主要土層結(jié)構(gòu)，土層厚度在65～75 m之間，中間夾雜砂質(zhì)和碳質(zhì)泥巖[6]。煤層位于該土層的中上部，平均煤層厚度達(dá)到4.65 m，分為5上號煤層、5號煤層、4號煤層、3-1號煤層、3-2號煤層、3-3號煤層，共6層，分別在榆林組的第四段至第一段，其中，5號煤層、3-2號煤層和4號煤層分別位于第四段頂部、第三段上部和第二段中部。5號煤層和3-2號煤層屬于全局可開采煤層，4號煤層屬于局部可開采煤層，其余煤層都屬于不可開采煤層?？紤]到需要獲得比較可靠的開采資料，因此只對開采價(jià)值較高的5號煤層、3-2號煤層和4號煤層的穩(wěn)定性開展評價(jià)。

2) 煤炭資源開發(fā)導(dǎo)致的環(huán)境問題。煤炭資源開發(fā)是陜北榆林地區(qū)的經(jīng)濟(jì)命脈，其煤炭資源產(chǎn)量相當(dāng)可觀[7]。榆林地區(qū)煤礦在開采過程中主要使用全部垮落法，這種開采方法不回填、少支撐，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，同時(shí)破壞水層結(jié)構(gòu)，造成地下水大量流失。除了對地下水源與地表徑流造成嚴(yán)重?fù)p壞，煤層開采還會嚴(yán)重影響礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，礦區(qū)各地都出現(xiàn)不同程度的地表裂縫與地表塌陷，地表建筑和土地資源也在各個(gè)層面受到破壞，嚴(yán)重影響居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)[8]。

1.2 煤層穩(wěn)定性分析

現(xiàn)有研究多使用定性評價(jià)方式分析礦區(qū)煤層穩(wěn)定性，但該評價(jià)方法存在界限模糊、區(qū)分難度大等問題，為了獲得更加準(zhǔn)確合理的煤層穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果，需引進(jìn)定量評價(jià)，將煤層的定性評價(jià)結(jié)果和定量評價(jià)結(jié)果相結(jié)合。定性分析從煤層厚度、結(jié)構(gòu)、煤類、可采性和煤層對比五個(gè)方面進(jìn)行，定量評價(jià)依據(jù)煤層厚度變異指數(shù)和變概比進(jìn)行，使煤層穩(wěn)定性的評價(jià)更加科學(xué)合理。

1) 定性評價(jià)。對礦區(qū)煤層開展評價(jià)時(shí)通常會使用可采面積、見煤點(diǎn)數(shù)、煤層厚度等指標(biāo)，定性評價(jià)結(jié)果見表1。

由表1可知，5號煤層與3-2號煤層被判定為穩(wěn)定煤層，而4號煤層被判定為較穩(wěn)定煤層，定性評價(jià)煤層穩(wěn)定性具有一定主觀作用，認(rèn)為干擾因素較多?？紤]到這種因素影響，進(jìn)一步使用定量評價(jià)方式對研究區(qū)域再次開展穩(wěn)定性評價(jià)。

表1 定性評價(jià)結(jié)果Table 1 The results of qualitative evaluation

2) 定量評價(jià)。定量評價(jià)礦區(qū)煤層穩(wěn)定性時(shí)，針對煤層較薄的區(qū)域，可采性指數(shù)Km與煤層厚度變異指數(shù)γ分別為主要指標(biāo)和次要指標(biāo)，對于厚度較高的煤層，指標(biāo)重要度則相反。這兩種指標(biāo)在不同厚度煤層中的取值范圍見表2。

表2 指標(biāo)取值Table 2 The index value

除煤層厚度變異指數(shù)外，礦區(qū)煤層穩(wěn)定性評估的另一個(gè)重要評價(jià)指標(biāo)是變概比，該指標(biāo)實(shí)質(zhì)上是煤層可以開采概率與變異指數(shù)之間的百分比，即可開采范圍中單位厚度變化所占的比率范圍，占比大但是變概比小說明礦區(qū)煤層較穩(wěn)定，反之則說明煤層不穩(wěn)定。變概比在0%～30%之間屬于穩(wěn)定范圍，在31%～60%之間說明煤層較穩(wěn)定，在61%～90%之間說明煤層不穩(wěn)定，變概比超過90%則說明煤層極不穩(wěn)定。

煤層可采性指數(shù)計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：n為參與評價(jià)煤層厚度的見煤點(diǎn)數(shù)；n′為煤層厚度≥可采厚度的見煤點(diǎn)數(shù)。

煤層厚度變異系數(shù)計(jì)算見式(2)。

(2)

變概比計(jì)算見式(3)。

(3)

式中：α為煤點(diǎn)最低厚度;β為煤點(diǎn)最高厚度，如果n低于30，則在式(3)中使用Sn-1，如果n大于30，則在式(3)中使用S。

使用定量評價(jià)方法對5號煤層、3-2號煤層和4號煤層的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表3。經(jīng)過計(jì)算，定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果基本一致，同時(shí)也與研究區(qū)域地質(zhì)研究結(jié)果一致，說明該評價(jià)分析結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表3 定量評價(jià)結(jié)果Table 3 The results of quantitative evaluation

通過以上兩種評價(jià)結(jié)果可知，5號煤層屬于穩(wěn)定性較高的煤層，且數(shù)據(jù)顯示近年來其厚度變化較小，具有良好的開采性。通過以上結(jié)果還可以看出，定性評價(jià)與定量評價(jià)相結(jié)合使得礦區(qū)煤層穩(wěn)定性評價(jià)效果更加準(zhǔn)確。

2 環(huán)境治理技術(shù)研究

2.1 水資源破壞與治理

1) 水資源破壞情況。煤礦開采過程中需要將地下水疏干，這種工程操作造成地下水水位明顯下降，直接導(dǎo)致礦區(qū)水資源短缺，統(tǒng)計(jì)資料顯示，陜北榆林地區(qū)煤礦開采之前湖泊數(shù)量近900個(gè)，但是進(jìn)行煤炭資源開采以來，湖泊數(shù)量銳減，最近的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示湖泊數(shù)量不足80個(gè)[9]。以窟野河流域?yàn)槔?，?000年開始陸續(xù)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，2002年流量僅為1 680 m3/d，減少了約75%，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)和YRWBM模型計(jì)算得到每噸煤開采導(dǎo)致的河流徑流損失量大約為5.27 m3。諸多主流水域水位嚴(yán)重下降水面積成倍數(shù)縮減，當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟疅o法得到保障[10]。地下水資源的流失直接造成地下水流場喪失穩(wěn)定性，煤礦開采前后水流場變化情況如圖1所示。由圖1可知，開采之前在水力梯度場作用下，地下水以較為緩慢的速度向泉口位置流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水源補(bǔ)給；開采后煤層上方會發(fā)生不同程度的冒裂，導(dǎo)水裂隙帶通過含水層，地下水流場出現(xiàn)劇烈變化。地下水集中向采空區(qū)域匯集，形成一個(gè)排泄區(qū)[11]。大規(guī)模煤礦開采還會在一定程度上造成地下水污染，這主要是由于開采時(shí)污水排放不合理導(dǎo)致的。

2) 水資源治理。針對陜北礦區(qū)煤礦開采造成的水資源污染及受到大范圍破壞問題，從煤層礦井排水的角度開展制定治理措施。整合煤礦結(jié)構(gòu)，將陜北榆林礦區(qū)劃分成6個(gè)開采區(qū)，其中，1號開采區(qū)～5號開采區(qū)同時(shí)開采，6號開采區(qū)后期開采。設(shè)置污水處理站，前5個(gè)開采區(qū)的平均排水量為300 m3/h，平均復(fù)用量與排放量分別達(dá)到2 548.34 m3/d與6 487.12 m3/d。根據(jù)污水處理站的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，礦區(qū)中的污染物主要是固體懸浮物與化學(xué)需氧量排放物，污水處理站針對這些污染物通常使用沉淀結(jié)合過濾的混凝處理工藝，保證經(jīng)過處理的地下水能夠符合相關(guān)規(guī)定的要求。礦區(qū)開采時(shí)，工人生活區(qū)也在礦區(qū)的關(guān)鍵位置，產(chǎn)生大量生活污水，因此礦區(qū)中還需要設(shè)置生活污水處理站。各開采區(qū)平均排水量達(dá)到644.3 m3/d，而開采區(qū)中的高端技術(shù)污水處理設(shè)備每日可處理污水達(dá)到731 m3，驗(yàn)證后顯示，經(jīng)過處理的生活用水，均可在礦區(qū)復(fù)用。由于煤礦開采需要排空地下水，導(dǎo)致無法從源頭改變地下水流場和水資源利用情況，因此采取措施從污水處理的角度改善礦區(qū)水資源污染問題。

由于陜北礦區(qū)煤礦開采造成的含水層破壞、水位大幅下降等問題，其地下水分布結(jié)構(gòu)與水流場都受到破壞，對陜北礦區(qū)煤層含水層的保護(hù)以在開采階段實(shí)施保護(hù)措施為主。在煤礦開采過程中，采煤層采空區(qū)合理留設(shè)煤柱，其留設(shè)高度應(yīng)大于導(dǎo)水裂隙帶高度加保護(hù)層厚度，通常為60 m，以有效阻隔下部松散層孔隙水在開采的影響下泄入礦坑中，從而減輕礦坑排水對松散層孔隙含水層的破壞。對于已出現(xiàn)的含水層出水點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿封堵或化學(xué)封堵等，減少地下水的流失。對于陜北礦區(qū)進(jìn)行保水開采，保持基巖保護(hù)層厚度為15 cm，隨著沙層厚度和潛水含水層厚度增加而增加，頂板基巖厚度在20 m以內(nèi)，且該厚度與采高之比小于5，當(dāng)煤層上覆隔水巖組厚度為采高的18倍以上時(shí)，停止開采，以加強(qiáng)煤礦開采用水管理，防止水資源的浪費(fèi)，避免超采深層地下水。

2.2 生態(tài)污染與治理

1) 生態(tài)污染情況。陜北礦區(qū)的檸條塔煤礦、東坡煤礦、韓家灣煤礦緊鄰黃土高原與沙地，土壤結(jié)構(gòu)受風(fēng)化和干旱影響，土質(zhì)較松，土地表面縱橫破碎遍布溝壑，煤礦開采導(dǎo)致土地塌陷，受到地形和氣候的綜合影響，植被遭受嚴(yán)重破壞，造成生態(tài)環(huán)境處于惡性循環(huán)的狀態(tài)之中，煤礦開采加劇水土流失和土地荒漠化的進(jìn)程。據(jù)資料顯示，1992—2006年間，陜北侏羅紀(jì)煤田由于采礦工作產(chǎn)生的沙漠化面積達(dá)到167.3 km2，地表塌陷新增39.6 km2。

2) 生態(tài)環(huán)境治理。為恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，使用抗逆造林技術(shù)恢復(fù)礦區(qū)植被綠化。本文研究區(qū)域土地貧瘠，干旱情況嚴(yán)重，在使用抗逆造林技術(shù)之前還需要先使用樹種土壤水分消耗模型分析植被水分消耗情況，以選擇適合當(dāng)?shù)刂脖坏纳车厣L植物。預(yù)算水平平衡，需要使用降水量減去徑流量、土壤儲水量、土壤內(nèi)排水量的總和，獲得礦區(qū)實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，而降低土壤蒸發(fā)量，能夠提升礦區(qū)中植物的葉面積指數(shù)。礦區(qū)土壤保水措施就是提升總蒸發(fā)量與植物蒸發(fā)量比重，進(jìn)而提升植物水分利用率，在一定程度上保證礦區(qū)植物的生態(tài)平衡。

綜上所述，在研究區(qū)域引進(jìn)120個(gè)植物品種，豐富當(dāng)?shù)刂脖晃锓N。考慮到研究區(qū)域早春時(shí)期容易出現(xiàn)干旱情況，使用抗旱保水新材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)刂脖坏墓┧?。該技術(shù)通常使用吸水劑、保水劑以及塑料薄膜等設(shè)備實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)刂脖蛔魑镌诖合膬杉镜目购当Ｋぷ鳌Ｔ陉儽鄙窀V區(qū)，使用粒徑在0.5 mm以內(nèi)的沃特保水劑，將神府礦區(qū)耕作土壤的綜合肥力指數(shù)從0.20～0.45提升為0.45～0.60，達(dá)到中等肥力水平。從實(shí)際土地用肥情況和立地條件較低出發(fā)研究土壤保水情況，結(jié)合綠植所使用肥料的種類和用肥時(shí)間，調(diào)整植被修復(fù)施肥料的使用量，促進(jìn)植物生長。

2.3 固體污染物與治理

1) 固體污染物情況。煤礦開采過程中，會從礦井下運(yùn)輸出大量矸石，屬于煤礦開采的固體廢物，大量堆積無法得到合理運(yùn)用，造成固體污染物堆積。大量堆存的矸石長時(shí)間堆積在礦區(qū)中，極容易出現(xiàn)自燃、雨淋、泥化等情況，矸石作為固體環(huán)境污染物對礦區(qū)自然環(huán)境造成嚴(yán)重影響。1983—2004年，陜北神府煤礦僅在第一開發(fā)期和第二開發(fā)期就產(chǎn)生了6.32億t的礦渣和廢棄土石，每年生成3 160萬t固體廢棄物，平均每年占地達(dá)到290.72 hm2。

2) 治理措施。本文研究區(qū)域矸石產(chǎn)量約為55萬t/a，按照上文中劃分的6個(gè)開采區(qū)，1號開采區(qū)和2號開采區(qū)將煤礦開采后產(chǎn)生的矸石使用礦車經(jīng)過軌道運(yùn)輸?shù)?號開采區(qū)周圍的臨時(shí)區(qū)統(tǒng)一堆放，經(jīng)過統(tǒng)一處理后運(yùn)輸?shù)巾肥幚韽S。使用副立井提出3號開采區(qū)和4號開采區(qū)的開采矸石，運(yùn)輸?shù)轿挥?號開采區(qū)的后山推擠，開采工作完成后使用膠帶機(jī)運(yùn)輸?shù)巾肥幚韽S。其余開采區(qū)的矸石存放場地設(shè)置在距離研究區(qū)域2 km的無人溝渠中，占地約為24.88 hm2，預(yù)估容量約為350萬m3。為了防止矸石堆放區(qū)域?qū)χ車纳鷳B(tài)環(huán)境造成污染影響，在矸石堆放區(qū)域周圍設(shè)置防洪擋墻與排水溝，使用沉淀池處理矸石長期淋溶造成的污染液體，在春季干燥氣候條件下還需要注意矸石粉末轉(zhuǎn)變?yōu)閾P(yáng)塵污染。如果矸石開采區(qū)域長期堆積，會占用大量礦區(qū)空地，并造成土地污染、環(huán)境污染。雖然矸石與煤炭相比，是一種礦物質(zhì)廢料，但卻是一種重要的建筑材料，為合理使用矸石廢料，本文研究區(qū)域附近的矸石處理廠都已經(jīng)引進(jìn)設(shè)備將矸石廢料制作成矸石磚，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。由于陜北礦區(qū)煤礦開采區(qū)域較大，所產(chǎn)生的煤矸石數(shù)量較多，因此在政府和地方相關(guān)部門的支持下建立三所大型矸石磚制作工廠，每年合計(jì)生產(chǎn)矸石磚超過3億塊，充分利用煤炭開采的矸石廢料，既可以解決煤礦開采造成的固體污染物問題，還可以創(chuàng)造大量收入。由于矸石具有自燃能力，所以制作磚石時(shí)消耗較少，僅靠矸石自燃產(chǎn)生的熱量即可燒制質(zhì)量較高的矸石磚，這一特殊作用能夠減少燒制過程中的煤炭能源消耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年在能源方面的節(jié)省價(jià)值超過1 000萬元。設(shè)置矸石處理磚廠能夠有效緩解矸石堆放問題，降低土地污染發(fā)生概率，有效解決固體污染物問題。

2.4 地表塌陷與治理

1) 礦區(qū)地表塌陷。陜北礦區(qū)煤炭資源較多，是“十三五”期間我國煤礦重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，但大量煤炭資源的開發(fā)，誘發(fā)了地表沉陷和塌陷事故。在對檸條塔煤礦、哈拉溝煤礦進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域地表主要為黃土溝壑，由于其自身特性容易在外界條件的影響下造成滑坡、變形等情況，在此條件下開采煤礦，土體滑移、變形等造成地表下沉，進(jìn)而導(dǎo)致地表塌陷。在陜北神木縣因開采導(dǎo)致的采空區(qū)面積達(dá)到了27.72 km2，致使附近近千戶人家房屋出現(xiàn)損壞或倒塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2) 治理措施。對于陜北礦區(qū)地表塌陷事故的防治措施主要有收集陜北礦區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)測地表塌陷災(zāi)害?？偨Y(jié)陜北礦區(qū)地面塌陷的分布規(guī)律，結(jié)合煤礦開采活動(dòng)的進(jìn)度對未開采地區(qū)地表塌陷進(jìn)行預(yù)測，并制定預(yù)防方案。對于已經(jīng)產(chǎn)生少許沉降的地區(qū)，可以采取減輕地表塌陷的開采方法，如水砂充填法、矸石風(fēng)力充填法等。對于已經(jīng)產(chǎn)生地表塌陷的礦區(qū)，及時(shí)填埋土壤并壓實(shí)，防止水土流失，保證土地的利用率。

3 結(jié) 論

本文對陜北礦區(qū)煤層穩(wěn)定性及環(huán)境治理技術(shù)進(jìn)行研究，采用兩種方法綜合評價(jià)研究區(qū)域的煤層穩(wěn)定性，并提出多種措施以解決煤礦開采所導(dǎo)致的環(huán)境污染問題。穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果與環(huán)境治理措施如下所述。

1) 針對可開采的5號煤層、3-2號煤層、4號煤層，綜合定性評價(jià)方法和定量評價(jià)方法進(jìn)行煤層穩(wěn)定性的評價(jià)，兩種評價(jià)方法均顯示5號煤層、3-2號煤層屬于穩(wěn)定煤層，4號煤層屬于較穩(wěn)定煤層。如果這兩種評價(jià)方法存在差異，可以將定性評價(jià)結(jié)果作為主要評價(jià)結(jié)果，定量評價(jià)結(jié)果作為次要評價(jià)結(jié)果，結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，開展綜合性分析，更加科學(xué)合理地對研究區(qū)域煤層穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

2) 陜北地區(qū)的地形、水資源、生態(tài)資源受到不同程度影響，針對這一情況，采取措施在礦區(qū)周圍種植綠植，處理污水，通過矸石場處理固體污染物，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域環(huán)境治理。