唐正清,楊崇科,田鵬州,馬泉來
(1.河南省豫地科技集團有限公司,河南省鄭州市,450000;2.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院,河南省鄭州市,450000;3.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(資源環(huán)境承載能力評價與監(jiān)測預警研究),河南省鄭州市,450000)
煤炭在為我國社會經(jīng)濟發(fā)展提供重要資源保障的同時,也會引發(fā)如地表塌陷、地下水水位下降等一系列地質(zhì)災害問題,此外煤礦開采活動還會引發(fā)水土流失、土壤荒漠化等嚴重的環(huán)境問題,因此科學有效地開展地質(zhì)環(huán)境評價、分析煤礦地質(zhì)環(huán)境問題是煤礦環(huán)境治理改進工作的前提。同時,地質(zhì)環(huán)境評價也是衡量煤礦生態(tài)質(zhì)量效果、落實礦山環(huán)境管理的重要組成部分,因此開展煤礦地質(zhì)環(huán)境評價極為重要。
張偉閣等[1]基于青海省聚乎更煤礦地質(zhì)環(huán)境遙感圖像,通過預處理、人機交互解譯等方式獲取礦山恢復治理、占損土地等關(guān)鍵信息,并將地質(zhì)環(huán)境分為4大類13個評價指標,構(gòu)建評價指標體系進行礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價分析,根據(jù)分析結(jié)果確認評價指標體系具有較高的評價精準性;湯春新[2]以廣東省梅縣明山煤礦為例,從地質(zhì)災害、環(huán)境污染、占地損害、環(huán)境恢復4個角度構(gòu)建加權(quán)分值綜合評價模型,并根據(jù)模型進行礦山環(huán)境綜合評價,最后根據(jù)評價結(jié)果提出對應的環(huán)境恢復治理建議;楊明等[3]將層次分析法與GIS技術(shù)相結(jié)合,以GIS遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用層次分析法確定指標閾值,進而對南梁煤礦地質(zhì)環(huán)境進行綜合評價分析;賈晗等[4]將GIS技術(shù)與地質(zhì)環(huán)境評估方法相結(jié)合,通過應用疊加分析的方法對區(qū)域圖層信息進行分級評價,并根據(jù)評價結(jié)果確認煤礦地質(zhì)環(huán)境并提出相應的治理措施。
由于煤礦地質(zhì)環(huán)境評價具有模糊性、不確定性等特征,單一的評價方法難以保障評價結(jié)果的精準性,因此以陜西南梁礦業(yè)有限公司(以下簡稱“南梁煤礦”)為研究對象,采用“層次分析+灰色關(guān)聯(lián)度”的方法對其地質(zhì)環(huán)境進行評價,在保障評價結(jié)果精準性的同時,也可為其他相似煤礦地質(zhì)環(huán)境評價提供參考。
南梁煤礦東西長3.0~5.5 km,南北寬約4.5 km,總面積約為19.336 km2。南梁煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為0.75 Mt/a,初期開采煤層為2-2煤層,在實施技術(shù)改造升級后,核定生產(chǎn)能力提升至1 200萬t/a。根據(jù)南梁煤礦總體開采規(guī)劃,確認南梁煤礦井田東部設(shè)置一個面積約為6.1 km2的預留區(qū)。井田西側(cè)鄰近石巖溝煤礦、北側(cè)鄰近青龍寺煤礦、東側(cè)鄰近沙溝岔煤礦、南側(cè)與多個地方小煤礦相接。
南梁煤礦所在地區(qū)屬于窟野河流域,以折家梁到神樹梁為分水嶺,分水嶺以北的河流先匯入琵琶溝,再匯入悖牛川;分水嶺以南的河流則匯入黃羊城溝,黃羊城溝和悖牛川均匯入到黃河一級支流窟野河。以上河流中琵琶溝和黃羊城溝均屬于常年性河流,水量表現(xiàn)為季節(jié)性特征。南梁煤礦地形條件較為復雜,溝壑縱橫且地表侵蝕強烈,整體地勢表現(xiàn)為中部高、南北低的特征。南梁煤礦地層由老到新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組、侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中統(tǒng)延安組、第三系上新統(tǒng)、第四系上更新統(tǒng)馬蘭組、第四系全新統(tǒng),其中含水層主要分布于第四系和侏羅系地層。
在地形地貌和氣候條件的共同影響下,南梁煤礦植被呈現(xiàn)規(guī)律性分布特征,主要植被區(qū)屬于半干旱大陸性氣候區(qū),主要植被種類以草叢、農(nóng)業(yè)植物、灌叢為主,其中草叢具有覆蓋率低、生長速度快,休眠期長等特點;農(nóng)業(yè)植物主要包括蕎麥、大豆、玉米、紅薯等農(nóng)業(yè)植物為主,相關(guān)農(nóng)業(yè)植物整體分布較為分散;灌叢植物以扁擔木、酸棗、荊條、虎榛子為主??傮w來說,南梁煤礦地表植被覆蓋率較低。
目前,該煤礦開采主要存在“三廢”(固體廢棄物、礦山廢水、廢氣)污染、土地資源和自然資源破壞、地面塌陷及地裂縫、含水層破壞等問題,嚴重影響周邊區(qū)域居民的正常生產(chǎn)生活,不符合可持續(xù)發(fā)展及“雙碳”目標的要求,需要有針對性地開展治理工作。南梁煤礦及周邊礦權(quán)分布如圖1所示。
根據(jù)實地調(diào)查與地質(zhì)勘探結(jié)果綜合分析,確認南梁煤礦主要存在的地質(zhì)環(huán)境問題表現(xiàn)為以下4個方面:一是煤礦開采過程中地質(zhì)擾動造成的地面塌陷、地面裂縫、地面崩塌等地質(zhì)災害問題;二是煤礦開采過程對南梁煤礦及周邊土地資源、自然植被的破壞和影響;三是煤礦開采過程對南梁煤礦及周邊水資源、水環(huán)境的破壞和影響[5];四是礦山“三廢”對周邊環(huán)境的影響。
根據(jù)煤礦主要地質(zhì)環(huán)境問題,參考現(xiàn)有的研究結(jié)果[6-7],構(gòu)建出以下煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標體系,煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標體系如圖2所示。
圖2 煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標體系
在實施煤礦地質(zhì)環(huán)境定量評價分析前,需要為各項評價指標進行合理賦值。參考現(xiàn)有研究成果確認分級賦值結(jié)果,煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標量化分級見表1[8]。
表1 煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標量化分級
根據(jù)煤礦地形地貌、水系發(fā)育特征等多種因素條件,選用不規(guī)則多邊形網(wǎng)格對南梁煤礦進行網(wǎng)格劃分,具體網(wǎng)格尺寸為500 m×500 m,形成的評價單元網(wǎng)格如圖3所示。
圖3 南梁煤礦評價單元網(wǎng)格劃分結(jié)果
3.1.1 層次分析法的權(quán)重確定流程
基于層次分析法的權(quán)重確定流程如下,假設(shè)B級因子組成的指標集為B={B1,B2,…,Bn};Ci={Ci1,Ci2,…,Cin}i=(1,2,…,n)為對應于Bi(i=1,2,…,n)評價因子的C級因子組成的指標集見式(1):
(1)
式中:Bij——根據(jù)1~9比率標度法獲取的指標兩兩相對重要程度對比結(jié)果。
同理可構(gòu)建B=(Cij)矩陣,具體矩陣構(gòu)建過程基本一致,在此不再另行說明。
計算矩陣的最大特征值,獲取矩陣的最大特征向量見式(2):
BW=λmaxW
(2)
式中:W——分量值為各因素對應的權(quán)重系數(shù);
λmax——最大特征值。
常用的權(quán)重系數(shù)計算方法包括合計法和方根法[9],以下采用方根法進行計算。計算矩陣每行所有元素積的方根見式(3):
(3)
式中:pi——矩陣每行所有元素積的方根;
aij——同層次指標i相較于指標j的重要性對比結(jié)果。
計算矩陣特征向量見式(4):
(4)
計算矩陣方程特征根見式(5):
(5)
式中:ωT——矩陣特征向量的轉(zhuǎn)置行列。
實施判斷矩陣一致性檢驗見式(6):
(6)
實施矩陣偏離一致性檢驗見式(7):
(7)
式中:CI——一致性指標,指標值越接近于0,說明矩陣一致性越強,反之越弱;
n——矩陣階數(shù)。
實施隨機一致性檢驗見式(8):
(8)
式中:RI——隨機一致性指標。
一般情況下,CR<0.10可以判斷出矩陣通過檢驗,反之需要重構(gòu)矩陣。
3.1.2 基于層次分析法的指標權(quán)重分析
依據(jù)1~9度等比率標度法,通過專家打分及參考其他相關(guān)資料可得各個層級指標的判斷矩陣。以B級指標為例,專家打分結(jié)果見表2。
表2 B級指標專家打分結(jié)果
在賦分結(jié)果基礎(chǔ)上根據(jù)以上層次分析權(quán)重確定流程,通過MATLAB軟件獲取南梁煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標權(quán)重值如圖4所示[10]。
圖4 南梁煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標權(quán)重值
由圖4可以看出,在B級指標中,權(quán)重由高到低依次為礦山地質(zhì)災害、礦山環(huán)境污染、資源破壞程度、地質(zhì)環(huán)境條件。在地質(zhì)環(huán)境條件下屬的C級指標中,權(quán)重由高到低依次為工程活動強度、植被覆蓋率、地形坡度、斷層節(jié)理分布情況、巖土體強度以及小時降雨量;在礦山地質(zhì)災害下屬的C級指標中,權(quán)重由高到低依次為經(jīng)濟損失、人員傷亡、災害種類、災害規(guī)模[11];在礦山環(huán)境污染下屬C級指標中,權(quán)重由高到低依次為固廢排放和廢液排放;在資源破壞程度下屬C級指標中,權(quán)重由高到低依次為水資源破壞程度、土地資源破壞比例。
3.1.3 基于層次分析法的單元綜合評價分析
根據(jù)南梁煤礦各單元實際情況,通過層次分析法對各單元進行綜合評價分析結(jié)果可知,南梁煤礦地質(zhì)環(huán)境綜合評價結(jié)果相對較低[12],結(jié)合各單元實際情況差異,將整個礦山地質(zhì)環(huán)境劃分為相對嚴重區(qū)、相對較嚴重區(qū)以及相對一般區(qū)3個級別。其中相對嚴重區(qū)的綜合評分>2,相對較嚴重區(qū)的評分為1.4~2.0,相對一般區(qū)的評分為1.4以下,基于層次分析法的各單元綜合評價結(jié)果如圖5所示。
圖5 基于層次分析法的各單元綜合評價結(jié)果
根據(jù)南梁煤礦各單元實際情況,通過灰色關(guān)聯(lián)度法對各單元進行綜合評價分析。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知,各單元之間的灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果差異較小,綜合評價最大值和最小值之間差值僅有0.37,此分析結(jié)果與各單元之間相互鄰近但存在一定差異的實際情況相符。同時,結(jié)合各單元灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果和礦山實際情況,將灰色關(guān)聯(lián)度值處于0.70~0.83區(qū)間的設(shè)置為相對嚴重區(qū);將灰色關(guān)聯(lián)度值處于0.55~0.70區(qū)間的設(shè)置為相對較嚴重區(qū);將灰色關(guān)聯(lián)度0.55以下的設(shè)置為相對一般區(qū),基于灰色關(guān)聯(lián)度法的各單元綜合評價結(jié)果如圖6所示。
圖6 基于灰色關(guān)聯(lián)度法的各單元綜合評價結(jié)果
綜合層次分析結(jié)果和灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知,相對嚴重區(qū)域共包含13個單元,相對較嚴重區(qū)域包含18個單元,剩下單元為相對一般區(qū)。在實施煤礦地質(zhì)環(huán)境問題治理時,應重點關(guān)注相對嚴重區(qū)和相對較嚴重區(qū)的地質(zhì)環(huán)境治理工作,并根據(jù)不同單元存在的問題實施針對性地質(zhì)環(huán)境治理。
根據(jù)層次分析結(jié)果和灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果,對南梁煤礦地質(zhì)環(huán)境影響程度進行合理分區(qū),其中Ⅰ級分區(qū)為地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū);Ⅱ級分區(qū)為地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū);Ⅲ級分區(qū)為地質(zhì)環(huán)境影響一般區(qū)。煤礦地質(zhì)環(huán)境影響程度分區(qū)結(jié)果如圖7所示。
圖7 煤礦地質(zhì)環(huán)境影響程度分區(qū)結(jié)果
由圖7可以看出:
(1)地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)。礦山主要包含2個地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū),分別為Ⅰ1、Ⅰ2。其中,Ⅰ1區(qū)面積約2.35 km2,為開采形成塌陷區(qū)以及塌陷隱患區(qū),可能誘發(fā)大規(guī)模塌陷以及山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害;Ⅰ2區(qū)面積約0.48 km2,為排矸場、工業(yè)場地以及生活場地區(qū)域,是整個礦山工程活動影響最強烈區(qū)域,相關(guān)工程活動對土地資源、地表水資源造成嚴重影響。
(2)地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū)。礦山主要包含3個地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū),分別為Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3。其中,Ⅱ1區(qū)面積約0.52 km2,為煤礦20303綜采工作面,地表存在滑坡、崩塌等地質(zhì)災害風險,若是區(qū)域內(nèi)沖刷帶溝底存在裂縫,可能會導致地表水灌入井下,造成淹井等安全事故;Ⅱ2區(qū)面積約1.74 km2,為煤礦20201綜采工作面,區(qū)域植被覆蓋率較低,土地植被多為草叢,并且區(qū)域鄰近地面坍塌區(qū)域,局部區(qū)域存在地面裂縫或者地表下沉情況,但整體地質(zhì)環(huán)境影響程度較輕;Ⅱ3區(qū)面積約1.21 km2,為煤礦2-2煤層采空區(qū)邊緣區(qū)域,區(qū)域內(nèi)土地資源和水資源破壞問題較為嚴重,并且地表植被覆蓋率較低,存在多處廢棄小煤礦,存在地表坍塌、滑坡等地質(zhì)災害隱患。
(3)地質(zhì)環(huán)境影響相對一般區(qū)。區(qū)域面積約13.03 km2,是影響嚴重區(qū)和較嚴重區(qū)以外的其他區(qū)域,屬于203盤區(qū)未開采區(qū)域,實際煤礦開采過程中均會在村莊區(qū)域預留安全煤柱,確保村莊安全性。區(qū)域植被、土地以及水源破壞均較為輕微。
針對南梁煤礦地質(zhì)環(huán)境較突出問題地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)域和較嚴重區(qū)域,應采用“治理為主,預防為輔”的方針制定地質(zhì)環(huán)境問題防治措施;針對地質(zhì)環(huán)境影響相對一般區(qū),則采用“預防為主,治理為輔”的方針制定防治措施。
4.2.1 坍塌區(qū)裂縫充填工程
南梁煤礦在開采過程造成局部區(qū)域地表塌陷和伴隨多條地面裂縫,破壞程度較小區(qū)域的裂縫寬度小于15 cm,破壞程度相對較大的裂縫寬度超過15 cm,最寬地面裂縫寬度約100 cm。針對坍塌區(qū)地面裂縫問題,應先采用煤礦開采生產(chǎn)的矸石填充至裂縫底部,再通過就近取土的方式在矸石上方覆土,具體覆土方法可選用人工覆土或者機械覆土。煤矸石充填和覆土過程中應采用分層充填夯實方式,每個分層高度應控制在50 cm以內(nèi)。充填完成后對覆土進行整平處理,覆土層可用于種植適用于本土的各類植物。
4.2.2 植被恢復工程
南梁煤礦植被破壞問題較為嚴重,需要重點實施植被恢復工程。具體植被恢復工程可采用“草本植物-灌木植物-喬木植物”構(gòu)成多層植物群落。其中草本植物可選用針茅、沙蒿等;喬木植物可選用楊柳、旱柳、檸條等;灌木植物可選用扁擔木、酸棗、荊條等。具體植物應優(yōu)先選擇適用于本土的各類植物,并盡可能在雨季進行種植播撒和植樹作業(yè),確保有足夠雨水供應植物的正常生長。此外,南梁煤礦還需要安排專人做好植物種植后的維護工作,保障植物成活率。
4.2.3 排矸場治理恢復工程
南梁煤礦排矸場主要治理恢復措施如下。
(1)設(shè)置排水溝、截水溝、攔矸壩等工程設(shè)施。
(2)煤矸石排放時應采用分層壓實方式,避免后期煤矸石堆放中出現(xiàn)非均勻沉降問題。
(3)通過剝離土對煤矸石表面進行覆土處理,并在覆土后進行壓實平整。
(4)針對煤矸石堆放后存在的危險邊坡應及時進行加固處理。
(5)在排矸場人工播撒適應性和生存能力相對較強的草種。
4.2.4 工業(yè)場區(qū)崩塌及滑坡治理工程
礦區(qū)內(nèi)還存在3處工業(yè)場地崩塌區(qū)域,其中2處崩塌區(qū)域已經(jīng)過有效治理,并在治理后實施評估分析確認危險性較小,第3處崩塌區(qū)域位于工業(yè)場地北側(cè)新建的變電所區(qū)域,可能威脅變電所的安全運行,因此需要對其實施重點治理。具體治理可采用的方法為“削坡-護坡”相結(jié)合的方式,其中削坡為人工削坡,護坡則是在削坡后的邊坡上種植植物,并在邊坡上部設(shè)置排水渠,做好滑坡檢測,防治引發(fā)次生災害。
4.2.5 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程
地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程的主要監(jiān)測內(nèi)容包括地質(zhì)監(jiān)測和地下水監(jiān)測,其中地質(zhì)監(jiān)測包括礦山坍塌發(fā)生位置、坍塌范圍、坍塌深度、地面裂縫發(fā)育特征、土地破壞情況、地面工程設(shè)施破壞情況等,具體監(jiān)測方法為在南梁煤礦及周邊區(qū)域設(shè)置水基準點網(wǎng),并結(jié)合GPS、水準儀等儀器設(shè)備進行定期檢測分析,實際檢測頻率一般為每月1次,在地質(zhì)活動異常時期需要每周1次或者更短時間進行1次監(jiān)測;地下水監(jiān)測內(nèi)容包括地下水水位、水質(zhì)等,具體檢測方法參考《水文普通測量規(guī)范》(SL58-1993),水位監(jiān)測頻率為每旬1次;水質(zhì)監(jiān)測頻率為每季度1次。
以南梁煤礦為例,分別采用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法進行煤礦地質(zhì)環(huán)境綜合評價分析,進而確認礦山共包含2個地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)和3個地質(zhì)環(huán)境影響較嚴重區(qū),剩下區(qū)域為相對一般區(qū)。
針對地質(zhì)環(huán)境影響嚴重區(qū)域和較嚴重區(qū)域,應采用“治理為主,預防為輔”的方針制定地質(zhì)環(huán)境問題防治措施;針對地質(zhì)環(huán)境影響相對一般區(qū),則采用“預防為主,治理為輔”的方針制定防治措施。同時,為有效提高地質(zhì)環(huán)境問題防治效果,從坍塌區(qū)裂縫充填工程、植被恢復工程、排矸場治理恢復工程、工業(yè)場區(qū)崩塌及滑坡治理工程、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程等角度介紹具體防治措施內(nèi)容,相關(guān)內(nèi)容具有一定可操作性,可為其他同類工程項目提供參考。