石慶丫

(貴州省煤田地質(zhì)局水源隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550008)

0 引言

貴州省普安縣地瓜鎮(zhèn)瓦廠(chǎng)坪歷史遺留礦山片區(qū)面積為6.72 km2，區(qū)內(nèi)原有武龍煤礦、鴻運(yùn)煤礦、橫山煤礦、恒豐煤礦，現(xiàn)均已關(guān)閉。由于過(guò)去區(qū)內(nèi)長(zhǎng)期的地下工業(yè)采煤，加之早期當(dāng)?shù)鼐用袼讲蓙y采等長(zhǎng)時(shí)間的采煤活動(dòng)，形成了大量的采空區(qū)，隨著時(shí)間推移，采空區(qū)誘發(fā)的環(huán)境問(wèn)題日益突出，包括：采空區(qū)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、水及土環(huán)境污染、土地資源損毀、地貌景觀(guān)破壞等。礦山生態(tài)環(huán)境的破壞，引發(fā)了一系列礦群矛盾，人類(lèi)粗放式生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)、對(duì)自然不計(jì)后果的索取已給人類(lèi)帶來(lái)了諸多負(fù)面影響，因此，基于人與自然嚴(yán)峻的關(guān)系，必須對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，依托礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理，改善生態(tài)環(huán)境，緩解礦群矛盾。而礦山環(huán)境治理的前提，就是要對(duì)礦區(qū)存在的問(wèn)題進(jìn)行深入的調(diào)查，而老窯采空區(qū)是造成礦區(qū)環(huán)境破壞的最主要原因，因此，查明采空區(qū)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境要素的破壞方式與程度，對(duì)該區(qū)域礦山修復(fù)方案的制定具有重要意義。

1 老窯采空區(qū)現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)私采小煤窯較多，由于關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)，大部分都被生產(chǎn)活動(dòng)或自然水土流失所掩埋。區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的老窯主要分布在西部和南部山體斜坡的煤層出露區(qū)域，位于林區(qū)邊緣，容易挖掘開(kāi)采，開(kāi)采深度較淺，部分為斜井開(kāi)拓，部分為平硐開(kāi)采。由于受水、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)认拗?，一般沿煤層走向開(kāi)采，巷道不長(zhǎng)，進(jìn)深深度在50～100 m。區(qū)內(nèi)老窯較多，影響范圍較大，老窯分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 區(qū)內(nèi)老窯分布示意圖

為查清老窯采空區(qū)分布情況，2020年5月14日，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了物探工作，為驗(yàn)證物探工作的準(zhǔn)確性，在該片區(qū)設(shè)計(jì)施工了12個(gè)鉆孔來(lái)勘察區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布位置、垮落情況、水文情況。

根據(jù)鉆探工程、物探工程及實(shí)地調(diào)查訪(fǎng)問(wèn)，結(jié)合以往小煤礦井上下對(duì)照?qǐng)D，最終確定區(qū)內(nèi)的采空區(qū)范圍：區(qū)內(nèi)采空區(qū)水平投影疊加總面積2 074 190 m2，主要為24、26和29號(hào)煤層采空區(qū)，其中，24號(hào)煤層采空區(qū)水平投影面積為426 828 m2，采空區(qū)分布高程為1 450.09～1 633.79 m；26號(hào)煤層采空區(qū)水平投影面積為577 493 m2，采空區(qū)分布高程為1 434.34～1 616.11 m；29號(hào)煤層采空區(qū)水平投影面積為1 010 615 m2，采空區(qū)分布高程為1 415.29～1 601.39 m。各煤層采空區(qū)分布區(qū)域見(jiàn)圖2。

圖2 區(qū)內(nèi)采空區(qū)空間分布示意圖

2 老窯踩空區(qū)衍生環(huán)境問(wèn)題分析

2.1 采空區(qū)對(duì)地表建筑物的影響分析

小煤窯采空區(qū)是區(qū)內(nèi)最為嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，小煤窯采空破壞區(qū)范圍內(nèi)由于上部覆巖形成自由面并且應(yīng)力平衡被破壞，在重力作用下頂板巖石發(fā)生破裂冒落，從而導(dǎo)致上部巖層發(fā)生破裂、彎曲，最終地表發(fā)生沉降，引發(fā)地面塌陷、地裂縫、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的可能性大。

以往小煤礦礦層開(kāi)采將引起上覆地層變形破壞，并會(huì)波及影響到地面建筑設(shè)施(村寨民房、公路建設(shè)等)。只有礦層上覆巖層達(dá)到一定厚度(即安全采深厚度)時(shí)，采礦活動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響才較小。

瓦廠(chǎng)坪片區(qū)原小煤礦主要為地下巷道的掘進(jìn)及煤層的開(kāi)采，形成大面積的采空區(qū)。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》(2017年5月)的有關(guān)規(guī)定，計(jì)算C24、C26、C29號(hào)煤層安全深度。計(jì)算公式如下：根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》(2017年5月)，煤層安全開(kāi)采深度按下式計(jì)算：

Hδ=K×Mn

(1)

式中：Hδ為安全開(kāi)采深度(m)；Mn為煤層采高或煤層綜合作用厚度(m)；K為安全系數(shù)(按Ⅱ類(lèi)煤田Ⅱ級(jí)保護(hù)級(jí)別確定，K=150)

可采煤層為3層，煤層平均傾角α=20°，各參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果后得出：

24號(hào)煤安全開(kāi)采深度為562.50 m，26號(hào)煤安全開(kāi)采深度為1 372.5 m，29號(hào)煤安全開(kāi)采深度為1 867.5 m，見(jiàn)表1。

表1 煤礦開(kāi)采煤層綜合作用厚度

由于區(qū)內(nèi)鉆探揭露最底部煤層C29號(hào)煤層距離地表最大距離為184.60 m，遠(yuǎn)小于其安全開(kāi)采深度，故區(qū)內(nèi)采空區(qū)對(duì)地表建筑物的影響較大。

2.2 采空區(qū)造成的地質(zhì)災(zāi)害及其隱患

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患主要為采空區(qū)誘發(fā)的地面塌陷。早期小煤礦開(kāi)采以及老窯私挖亂采形成了大面積的采空區(qū)。目前淺部采空區(qū)所誘發(fā)的的地質(zhì)災(zāi)害已顯現(xiàn)出來(lái)，在地表主要表現(xiàn)為地面塌陷，誘發(fā)多處塌陷坑以及地裂縫，根據(jù)塌陷坑分布情況及影響破壞范圍，確定了一處塌陷群，位于片區(qū)中部，整個(gè)塌陷帶近“橢圓形”，長(zhǎng)軸走向?yàn)榻媳毕?，長(zhǎng)約190 m，短軸近東西寬約95 m，面積約為1.661 hm2，隨著時(shí)間推移，采空區(qū)冒落再次引發(fā)塌陷的可能性大，主要威脅對(duì)象為塌陷區(qū)內(nèi)耕地、林地及過(guò)往行人及車(chē)輛。

2.3 采空區(qū)對(duì)區(qū)域水環(huán)境的影響

2.3.1 對(duì)水資源的影響

區(qū)內(nèi)存在大面積采空區(qū)，導(dǎo)致圍巖失去平衡，上覆巖層出現(xiàn)冒落和裂隙，上覆巖層的裂隙和水文地質(zhì)條件關(guān)系較密切。由于可采煤層上覆地層為二疊系中統(tǒng)龍?zhí)督M的砂巖、泥巖，地下開(kāi)采煤層后，冒落帶或斷裂帶中的大裂縫和龍?zhí)督M砂巖、泥巖溝通。聯(lián)通上層地下水和煤層使地表水位降低，疏排水量擴(kuò)大，地表移動(dòng)盆地?cái)U(kuò)大，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水位下降，致使水田變旱地、旱地變荒地。

區(qū)內(nèi)存在大面積的井下采空區(qū)，導(dǎo)致部分地下水水位呈降低趨勢(shì)。水均衡破壞的影響范圍采用大井法公式：

(2)

式中：R為影響半徑，m；S為降水深度(水位降深)，m；K為滲透系數(shù)，m/d；H為含水層度，m。

(1)參數(shù)的確定

滲透系數(shù)K值的確定：根據(jù)區(qū)內(nèi)范圍內(nèi)可采煤層上覆地層為龍?zhí)督M弱含水層，滲透系數(shù)取其經(jīng)驗(yàn)值，獲得K=0.015 m/d。

降深值S的確定：采用泉水位平均標(biāo)高與煤層最低開(kāi)采標(biāo)高之差，即160.0 m。

含水層厚度H的確定:根據(jù)剖面資料取201.0 m

(2)將K、H、S代入上述公式之中，經(jīng)計(jì)算得R=555.6 m

綜上所述，受采煤活動(dòng)影響的半徑555.6 m范圍內(nèi)的區(qū)域都為水均衡破壞的影響范圍，即可作為地下水資源均衡破壞影響預(yù)測(cè)區(qū)域，影響面積約263.34 hm2。

礦業(yè)活動(dòng)對(duì)疏干含水層影響較嚴(yán)重、對(duì)區(qū)域地下水水位超常降低影響較嚴(yán)重、對(duì)區(qū)域地下水均衡影響較嚴(yán)重，總體上對(duì)地下水資源影響較嚴(yán)重。

2.3.2 對(duì)區(qū)域水質(zhì)的影響

煤炭開(kāi)采時(shí)形成的采空區(qū)積水，是受到污染的地下水。煤層中含有P、As、B、Fe、S、Hg、Pb、Cd、Cu、Zn等元素，煤層一旦被揭露并和地下水相遇，將發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，如溶濾、離解、氧化等，使煤中一部分元素轉(zhuǎn)移進(jìn)入地下水體或者與地下水反應(yīng)生成新的化合物。

區(qū)內(nèi)存在大面積的采空區(qū)，并且大部分采空區(qū)存在不同程度的積水。采空區(qū)積水外泄，直接對(duì)地表水造成污染，通過(guò)對(duì)采空區(qū)外泄的積水進(jìn)行化驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)其中的主要污染物為鐵、錳、硫酸鹽，pH呈酸性。采空區(qū)積水下滲，對(duì)區(qū)內(nèi)的地下水造成污染。

區(qū)內(nèi)還存在大量的煤矸石，既影響了周?chē)坝^(guān)的和諧，占用耕地，還會(huì)引發(fā)多種環(huán)境效應(yīng)。煤矸石長(zhǎng)期暴露在空氣中，加快了風(fēng)化作用進(jìn)程。(1)煤矸石所含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦等成分易氧化自燃，產(chǎn)生大量CO、NO2、SO2、H2S等廢氣，對(duì)空氣環(huán)境造成污染；(2)大量的有機(jī)質(zhì)成分和可溶性硫化物、重金屬鹽類(lèi)，甚至某些廢石含有放射性元素等，通過(guò)風(fēng)化、大氣降雨滲濾，將進(jìn)入地表水體，并進(jìn)一步下滲到地下水體。

2.4 采空區(qū)對(duì)土壤環(huán)境的影響

采煤形成的采空區(qū)會(huì)引起土體下沉，增加土壤密實(shí)度，導(dǎo)致土壤重度加大的現(xiàn)象。大氣降水或灌溉水在土壤中的入滲能力主要取決于土壤的導(dǎo)水率和水壓梯度，其中土壤導(dǎo)水率由土壤結(jié)構(gòu)決定，而水壓梯度則決定于降雨或灌溉水量的大小。采空區(qū)發(fā)生大而積塌陷、地下水位下降，塌陷區(qū)地表產(chǎn)生大量裂隙，改變了土壤的質(zhì)地結(jié)構(gòu)，增大了土壤的導(dǎo)水率。土壤有機(jī)質(zhì)及化學(xué)特性是影響作物生長(zhǎng)的重要因素。采空區(qū)造成地表形成了許多裂縫和相對(duì)的坡地和洼地，土壤中許多營(yíng)養(yǎng)元素隨著裂隙、地表徑流流入采空區(qū)或注地造成許多地方土壤中養(yǎng)分的短缺，嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

區(qū)內(nèi)共存在5處土壤污染區(qū)，原恒豐煤礦工業(yè)場(chǎng)地一帶污染區(qū)域，為原恒豐煤礦矸石污染區(qū)域，面積約為0.971 hm2；南西部一帶污染區(qū)域，為小煤窯采空區(qū)積水外泄導(dǎo)致的水土污染，污染區(qū)損毀面積4.527 hm2；老鷹嘴南部一帶污染區(qū)域，為老窯采空區(qū)積水外泄，導(dǎo)致周邊的水土污染，污染區(qū)損毀面積11.305 hm2；原橫山煤礦工業(yè)廣場(chǎng)一帶污染區(qū)域，為老窯采空區(qū)積水外泄及堆積的煤矸石產(chǎn)生的淋溶水直接排入周邊環(huán)境，導(dǎo)致周邊的水土污染，污染區(qū)損毀面積4.017 hm2；原武龍煤礦工業(yè)廣場(chǎng)一帶污染區(qū)域，為小煤窯采空區(qū)積水外泄及堆積的煤矸石產(chǎn)生的淋溶水直接排入周邊環(huán)境，導(dǎo)致周邊的水土污染，污染區(qū)損毀面積4.558 hm2。合計(jì)污染損毀面積25.378 hm2。

根據(jù)采樣化驗(yàn)，主要問(wèn)題為土壤酸化，局部區(qū)域鎘的含量超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)也超過(guò)了貴州省的背景值；全區(qū)銅的含量超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)也超過(guò)了貴州省的背景值。通過(guò)與背景樣進(jìn)行對(duì)比，鎘與銅可能來(lái)源于母巖的風(fēng)化剝蝕。

2.5 采空區(qū)對(duì)地貌景觀(guān)的影響

以往小煤窯的私采濫采，直接導(dǎo)致地表的裸露，采煤形成的老窯采空區(qū)的坍塌以及廢渣的肆意堆放導(dǎo)致的水土流失都會(huì)使局部的地形地貌景觀(guān)元素受到破壞甚至損毀。工業(yè)采煤所遺留下來(lái)的主井、風(fēng)井洞口和大面積的矸石堆長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)人管理的狀態(tài)，不僅占用大量的土地，也使所占用的土地受到污染；此外還有小煤礦關(guān)閉后未按規(guī)范進(jìn)行復(fù)墾使地貌景觀(guān)遭到破壞。

3 礦區(qū)環(huán)境問(wèn)題治理對(duì)策初探

3.1 治理目標(biāo)

普安縣屬于貴州省烏蒙山區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)重大工程“兩屏障”修復(fù)范疇，即長(zhǎng)江珠江上游生態(tài)屏障，該區(qū)域?qū)嵤┱w保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理，對(duì)礦山集中開(kāi)采區(qū)、水土流失、土地侵占破壞等區(qū)域進(jìn)行綜合修復(fù)，最終恢復(fù)區(qū)內(nèi)礦山生態(tài)環(huán)境和水生態(tài)環(huán)境功能，保護(hù)北盤(pán)江流域水環(huán)境，保障綠色特色農(nóng)產(chǎn)品供給，再建青山綠水，提升鄉(xiāng)村環(huán)境。修復(fù)工程的總體目標(biāo)為：實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的根本好轉(zhuǎn)、達(dá)到生態(tài)服務(wù)功能的良性循環(huán)、建立區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制。具體目標(biāo)包括：采空區(qū)及其誘發(fā)的災(zāi)害得到全面治理、地貌景觀(guān)在原有基礎(chǔ)上得到全面改善、礦井廢水得到全面治理、受損土地資源得到全面恢復(fù)、區(qū)內(nèi)土地資源得到質(zhì)量提升、區(qū)域居民的人居環(huán)境得到全面改善、當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展全面協(xié)調(diào)助推地瓜鎮(zhèn)鄉(xiāng)村振興。

3.2 治理建議

參考貴州省“金沙縣化竹模式”、“銅仁市萬(wàn)山模式”礦山生態(tài)修復(fù)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本地實(shí)際情況，普安縣瓦廠(chǎng)坪煤礦歷史遺留礦山的治理，建議采用“移民搬遷+土地流轉(zhuǎn)+礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理+土地整治/復(fù)墾”的綜合治理方案，將受影響的群眾搬出礦區(qū)進(jìn)行安置，在開(kāi)展礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行土地整治，以土地整治專(zhuān)項(xiàng)資金為引導(dǎo)，聚合相關(guān)涉農(nóng)資金，集中投入，采取旱地、水、路、林、村、人綜合整治措施，結(jié)合“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)形成集中連片、設(shè)施配套、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、生態(tài)良好、抗災(zāi)能力強(qiáng)，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)方式相適應(yīng)的耕地，配套相應(yīng)的灌溉與排水設(shè)施、完善和新修農(nóng)村道路，為恢復(fù)區(qū)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)摸索路子，奠定基礎(chǔ)。最終實(shí)現(xiàn)有效“治災(zāi)、治土、治水、治窮”，有效回報(bào)“當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，當(dāng)?shù)匕傩?，?dāng)?shù)厣鐣?huì)”的生態(tài)修復(fù)新模式。

4 結(jié)語(yǔ)

基于上述分析可知，普安縣地瓜鎮(zhèn)瓦廠(chǎng)坪片區(qū)歷史遺留礦山由于存在大量的老窯采空區(qū)，生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭到了嚴(yán)重破壞，要想維持當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定健康發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境和諧共生的局面，就必須利用生態(tài)修復(fù)手段對(duì)當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行積極修復(fù)，以保證生態(tài)環(huán)境得以好轉(zhuǎn)。礦山生態(tài)效益是經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，是社會(huì)效益得以體現(xiàn)的依托，是保證區(qū)域持續(xù)獲得經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的基本前提。要實(shí)行“統(tǒng)一保護(hù)、統(tǒng)一修復(fù)”的理念，從生態(tài)系統(tǒng)的整體性、系統(tǒng)性出發(fā)，讓普安縣“山更青、天更藍(lán)、水更凈、地更潔”。