地下采煤对矿山地质环境影响程度的分析

地下采煤对矿山地质环境影响程度的分析徐宁霞【摘要】：矿产资源开发引发的矿山地质环境问题已成为影响矿山正常生产和人类居住环境的重要因素。随着时间的推移和孕灾条件的积累,将会诱发地质灾害的产生。地质环境作为人类生存与发展的母体,为人类提供了丰富的资源和广阔的空间;地质灾害作为个体,是不能脱离母体而单独存在的,地质灾害总是发育在一定的地质环境中。地质环境控制着地质灾害的产生与发展,地质灾害的发育状况又反作用于地质环境,使得人类生存与发展的地质环境不断发生变化。因此,弄清不同地质及生产技术条件下矿山地下开采对地质环境的影响和破坏程度,对实现矿产资源开发与地质环境保护的协调发展具有重要作用。通过分析鲁班山南矿地形地貌、地质构造、地层岩性以及气象水文地质条件等因素,结合井田上、下对照图可以看出,井田内发育几条落差较大的断层,地表水通过断层或大的裂隙渗入井下;井田外围发育一些较小规模的层间褶皱,影响到浅部地层。另外矿山地下开采破坏了地壳内部原有的力学平衡状态,可能会引起地表开裂塌陷、陡崖崩塌以及老滑坡的复活。一方面,首先在分析鲁班山南矿复杂的地质构造基础上,以采动强度、覆岩条件和地表条件作为评判矿山地质环境影响程度的一级指标,并依据评估层次分解为相应的二级指标建立模糊综合评判指标体系。其次,引入弱模糊一致矩阵的概念优化了传统层次分析法确定属性权重的不足,解决了传统AHP很难满足一致性检验的问题。再次,依据矿山特殊的地质条件,将地质环境影响程度划分为强烈、较强烈和不强烈三个评估等级,从而构建指标因素相对于地质环境影响程度等级的模糊综合评判表。由于矿山地质环境影响程度的评估是一个灰色系统,选择三角白化权函数建立各指标因子的隶属函数式,通过对指标因子定性定量分析,给出一组指标的实现值,计算各指标相对于三个灰类:强烈、较强烈、不强烈的隶属度,从而构建模糊隶属矩阵。最后,运用模糊数学与灰色理论相结合的方法建立模糊灰色理论模型,依据鲁班山南矿矿区地质及生产技术条件对地质环境影响程度做出一级模糊灰色综合评估,将每一类的一级评估结果看成是一个单因素评判集,结合权重进行二级模糊灰色综合评估。结果显示,鲁班山南矿地质环境影响程度为较强烈,与矿山实际情况吻合程度较高。说明模糊灰色理论模型在预测矿山地质环境影响程度方面具有可行性和应用价值。另一方面,从地下岩体应力特征、岩层破坏特征以及地表移动特征入手,解析地面沉降的机理。通过分析采动强度、覆岩条件以及地表条件的灰色特性,把矿山地质环境影响程度的评估视为一个典型的灰色系统,从而建立GM(1,1)灰色模型。并在1342工作面地表的走向主断面设观测点,进行为期二十二个月地面沉降位移的监测,以此作为原始序列,进行1-AGO生成序列,建立灰色微分方程的时间响应序列式。通过模型值与实际测量值的对比,结合关联度检验法可知,模型的精度都比较高。依据矿山地质环境影响程度按斜率判定,鲁班山南矿地质环境影响程度为较强烈,与模糊灰色理论模型的评估结果一致。我国是矿业大国，长期大规模和超强度的矿产资源开发，为国家的建设和发展做出巨大贡献的同时，也因忽视环境影响甚至在一定程度上以牺牲环境为代价，造成了生态环境的严重破坏甚至生态失衡。随着我国全面建设小康社会战略部署的实施、工业化的不断推进和城市化步伐的加快，资源需求将持续增加，由此所带来的资源供需矛盾和环境压力将越来越大。唯一的正确策略是发展循环经济，建设资源节约和环境友好型社会。在此形势下应足够重视矿产资源开发过程中的环境问题及其对国民经济社会发展的影响。一、我国矿产资源开发的环境问题现状及其特征我国因采矿引起的矿山环境问题较多，类型较为复杂，依据问题性质将矿山环境问题划分为：“三废”问题、地面变形问题、矿山排（突）水、供水、生态环保三者之间的矛盾问题、沙漠化和水土流失等问题。近年来，我国矿产资源开发的环境问题表现出如下特征：1．我国生态环境整体恶化的态势仍没有得到扭转，矿产资源开发中的环境问题突出当前我国生态与环境问题的复杂性是历史上任何国家所不曾遇到过的。自20世纪80年代，我国把环境保护作为基本国策，90年代初提出了可持续发展的基本战略，强化了污染预防和环境整治工作，并积极修复与重建受损生态系统。但由于矿产资源生产和消费规模的大幅度增加，粗放式发展模式没有得到根本性扭转，加上历史欠帐太多，生态与环境的总体状况并未根本改变，目前仍然处于局部改善、整体恶化的发展态势。2003年，我国二氧化硫排放量达到2120万吨，居世界第一，酸雨影响区占国土面积的30%,酸雨污染有加重趋势，pH值最低的江西萍乡地区达3.67。煤炭燃烧和水泥生产的碳排放超过10亿吨，仅次于美国居世界第二。每年矿业生产排放的废液占全国工业废水总量的10%，采选煤、铁和有色金属所排放的固体废料8亿吨左右，约占工业固体废弃物总量的85％。建国以来，废石、尾矿、煤矸石和粉煤灰累积总和超过225亿吨。地下水破坏严重，全国煤矿每年外排矿井水22亿吨以上，其中得到净化利用的不足20％。1995—1996年《全国矿山生态环境破坏及重建调查》，所调查的1173家中型以上矿山占有破坏的土地合计约75万公顷，全国因采煤破坏塌陷的土地约为72万公顷。2．资源开发利用的效率低下是造成生态破坏和环境污染的主要原因一方面我国资源短缺，另一方面开发利用中浪费严重。大型矿山回采率大体上与发达国家水平相当，但我国小矿山所占比例大，由于利益驱动、地方保护、开矿准入制度不健全、技术落后和管理粗放等原因，多数个体和小型矿山采富弃贫，乱采滥挖，导致矿产资源破坏和浪费严重，矿山环境问题特别突出。如占全国煤矿总数90％以上、产量超过1乃的小煤矿资源回收率只有10—15％，全国平均综合回收率仅30%，与美国煤炭坑采回收率58％的平均水平差距甚远。1990年至2000年的10年间，我国因乱采滥挖造成的煤炭资源浪费最少有100亿吨！产量占全国一半以上的个体和小型铝土矿山回采率仅为20—35%，保守地估计，近10年最少浪费了2500万吨铝土矿资源。如果我国煤炭资源的矿山综合回收率能够提高5—10%，未来20年节约的资源可以百亿吨计。目前小型矿山开发和共伴生矿床低水平开发利用是我国资源浪费和环境污染的主体。提高小型矿山回采率和共伴生矿床综合利用率是遏制资源浪费和环境污染的关键所在。很多加工矿产资源的工业企业技术落后、管理粗放，是浪费资源和排放污染的又一根源。3．治理难度越来越大，矿产环境问题有可能成为全面小康社会建设的约束瓶颈我国矿山固体废弃物和废水排放量大得惊人。以矿山排放的废石为例，一般每生产1t金属或煤，往往需要消耗和排放数10t、成百吨的矿石和废石（表1)，矿产资源开发累计破坏土地面积达200万hm2（按1997年统计数据），按递增速度为4万hm2/a计算，到2010年破坏土地面积将达到256万hm2，见表l。随着矿产资源的进一步开发，所造成的环境影响越来越大，治理的难度也随之加大。以煤炭为例，开发的重点逐渐向生态脆弱地区转移，今后60％的煤炭产量将集中在晋、陕、蒙地区；其生产能力的增长集中在缺水地区。目前仅神木地区就有216个煤矿企业，已形成99.12km2的采空区，引发19个矿区塌陷，塌陷面积达27.73km2，不少矿区“地陷、水于、树死”，直接影响了当地居民的生产生活，矿区生态环境形势十分严峻。非金属、建材矿山点多、面广，其影响范围几乎涉及城乡各地。如不及时采取防范措施，这些企业将会造成一系列环境问题，从而影响城乡生态环境。黑色金属和有色金属矿山，不论是新开发的矿山还是挖掘潜力的现有矿山，其开采都将扩大对环境的影响，产生新的环境问题或加重已有环境问题的危害程度。即使以矿产资源消费翻一番来支撑2020年全面建设小康社会目标的实现，矿产资源开发的环境压力也非常巨大。开发活动所促动的废石、尾矿和煤矸石等数十亿吨物质的流动规模将增大1倍，由此带来的化学污染和生态失衡的风险将越来越大。显然，如果不采取综合而有效的控制措施，生态与环境问题随时会恶性爆发，并可能出现难以逆转的生态与环境灾难，成为全面建设小康社会和实现可持续发展目标的最大障碍，甚至严重影响全球环境并损害中国的国际形象。二、我国矿山环境治理及综合利用现状矿山环境恢复治理是一项十分艰巨和复杂的系统工程。其主要目标任务为：在已完成矿山环境治理示范项目的基础上，针对我国矿山环境基本现状，统筹兼顾，分阶段实施，逐步治理历史上的环境欠账，预防新的欠账，遏制矿山环境持续恶化的趋势，使我国的矿山环境得到根本好转，矿山次生地质灾害、生态环境破坏和污染事件进一步减少。同时引导新建矿山避免再走以牺牲矿山环境为代价换取经济效益的老路，实现资源开发与环境保护并重，促进我国矿业的可持续发展。近年来，国土资源部在财政部的支持下，开展了一些矿山地质环境治理工作，取得一定成效，但我国的矿山地质环境恢复治理工作还处于起步阶段，大量的治理工作有待于今后逐步开展。1．固体废弃物的治理和利用矿山尾矿、废石综合治理的关键问题是综合利用，使其数量得以减少，危害得到消除或控制，还能变废为宝，收到效益。因此，“资源化、减量化和无害化”是矿山尾矿、废石综合治理的原则。20世纪70年代以来，我国对矿山固体废弃物的利用给予了重视，并取得了显著成绩。如鞍本地区现有7个大型国有铁矿造矿厂已经普遍建立再选车间，从尾矿中回收铁精矿（含铁54—65%)和中矿（含铁35—40%，供水泥厂作添加剂）。又如江西德兴铜矿对尾矿再造，1年回收硫精矿l000t、铜9.2t、金33.4kg，目前还采用堆浸工艺，从尾矿、表外矿石，甚至废石中浸出回收铜。尽管矿山固体废弃物的利用取得了显著成绩，但总体看来，我国的矿产资源和工业固体废弃物的综合利用水平还不高，两者的利用率都只有30％左右。经1989——1990年与1996年原地质矿产部组织的对金属矿山及煤矿山资源开发利用情况的两次抽样调查显示，9种有色矿产采、选、冶总回收率1989年为30%,1995年为38%，比世界平均水平低20％。目前，我国矿产资源综合回收的矿种只占可综合利用矿种的一半，综合利用指标为50%，比国外低30个百分点左右，采主弃副、采富弃贫的现象甚为普遍。尾矿资源的开发利用还属起步阶段，利用量不到10％。提高矿产资源的利用率，回收是一方面，更重要的是要结束矿产资源粗放式开发，减少资源浪费。目前尚没有进行全国矿山二次资源系统的统计工作，从几次局部调查的情况看，其数量已足以说明我国矿山二次资源总量潜力巨大。据统计资料，全国煤矸石历年堆积量约30亿t，占地1.1亿m2，每年新增煤矸石1亿多t。全国冶金矿山尾矿堆存量达7亿m3以上，侵占和直接污染土地约100余万亩。2．废水治理在矿山开采过程中会产生大量的矿山废水，其中包括矿坑水、露采场废水、尾矿库和废石场的淋滤水等。即使闭坑后的废弃矿山，在相当长的一段时间内仍会有矿山废水产生，危害环境。我国绝大部分有色矿山、部分铁矿山和贵金属矿山为原生硫化物矿床或含硫化物矿床，这些矿床无论露采还是坑采，都会产生大量的硫化物或含硫化物的废石，堆存在废石场的这些废石在氧和水的作用下，风化、淋溶产生大量酸性废水。可以说，有色金属矿山，以及含硫化物的贵金属矿山和铁矿山，已成为对水体和生态环境造成污染最严重的行业之一。我国煤炭开采中酸性矿井水的排放也是不容忽视的一个问题，尤其是四川、贵州、云南、湖北、河南、河北、陕西和山西含硫高的煤矿，含铁酸性矿井水成为一大污染源。多年来，我国矿山酸性废水处理工作取得了一定的成绩。例如，广东云浮硫镁矿从1983年到1993年共投资935万元，建立了4个酸性水处理站，采用石灰石中和法处理酸性废水，日处理量为6000m3，处理水达到国家三级排放标准。我国最大的有色露采矿山德兴铜矿，用中和法和硫化传处理酸性废水的研究成果已经在二期工程废水处理中得到了应用，现准备用尾矿碱度直接中和矿山酸性废水，以实现三期工程的酸性废水处理。3．土地复垦土地复垦是指在生产建设过程中，对因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动。土地复垦对于保护环境和缓解