淮南市矿山地质环境问题及防治技术研究

刘 璐

(安徽省地质环境监测总站,安徽 合肥 230001)

淮南市位于安徽省中北部,是因煤而建、缘煤而兴的资源型城市,为中国13个亿t煤炭基地之一。淮南市从1903年即开始建矿采煤,已有百余年煤炭开采历史；上世纪80年代改革开放初期,在“有水快流、加快发展”的政策引导下,淮南市大力发展乡镇集体小矿山,当时全市持证小煤矿、山石开采户已达200多家,加上个体私开乱采的宕口有近千家小矿。经过整顿矿业秩序、提高规模化开采、淘汰落后产能、化解过剩产能等四个阶段的整顿关闭工作之后,矿业生产秩序、矿山生态环境得到明显改善。但是过去小矿的长期零星分散式开采、目前持证国有大矿集约大规模式开采使山体破坏且满目疮痍、采空塌陷且积水成湖，含水层破坏、采空塌陷、土地资源破坏等矿山地质环境问题日益凸显。

为查明淮南市矿山地质环境问题及危害程度,淮南市于2017年1月—6月开展了矿山地质环境调查工作。本文在此次提交的《淮南市矿山地质环境调查报告》[1]的基础上,对淮南市矿山地质环境问题的特征和影响因素进行了分析,并系统总结了新庄孜煤矿含水层破坏防治工作,取得的防治成效对同类型矿山地质环境问题的防治具有一定的示范意义。

1 区域地质背景

淮南市地层属华北地层大区徐淮地层分区淮南地层小区,区内除中下元古界、奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统、三叠系中、上统和侏罗系缺失外,其余地层均有不同程度的发育(图1)。淮南地区在构造位置上隶属于华北板块的东南缘[2],处于中朝准地台淮河台坳淮南陷褶断带东部的淮南复向斜构造单元,地质历史上经历了前震旦纪、震旦纪—三叠纪、侏罗纪—第四纪3个活动阶段的构造演变。其中震旦纪—三叠纪属于剧烈活动时期,先后经历了蚌埠、凤阳、皖南、加里东、华西力、印支等运动,其间地壳几度隆起沉降,形成了海陆交互相地层,特别是晚石炭纪和二叠纪时期海陆交互相的特殊沉积环境,孕育了境内丰富的煤炭资源。淮南煤田的含煤地层为石炭系和二叠系[3],煤田呈复向斜形态，横跨淮河两岸,南岸分布于大通区、八公山区、谢家集区一带,北岸展布于潘集区、凤台县一带。东西长180 km,南北宽15～25 km,面积约3 200 km2[4-5]。

图1 淮南煤炭矿区区域地质图Fig.1 Regional geologic map of Huainan coal mining area1.第三系；2.白垩系；3.三叠系；4.二叠系；5.石炭系；6.奥陶系；7.寒武系；8.震旦系；9.青白口系；10.上太古界；11.正断层；12.逆断层；13.物探推测断层；14.不整合地层界线；15.煤矿。

2 矿山开发利用现状

根据笔者团队的调查结果及2017年6月提交的《淮南市矿山地质环境调查报告》,淮南市目前已发现矿产15种,查明或基本查明矿产资源储量6种,开采矿种主要为煤炭和水泥用灰岩。全市各类矿区37处,其中煤炭矿区28处,占全市矿区的76%,截至2016年底煤炭保有资源储量121.72亿t,约占安徽省煤炭保有资源储量的50%,为淮南市优势矿产资源。全市各类矿山166个,其中煤炭矿山52个、水泥用灰岩矿山44个、砖瓦用粘土矿69个、板岩矿1个,主要矿产开发利用现状见表1。

表1 淮南市主要矿产开发利用现状一览表Table 1 The table of main mineral development and utilization status quo in Huainan City

3 矿山地质环境问题特征及影响因素

3.1 含水层破坏

煤矿开采过程中的矿井涌水以及人为疏放水均不同程度地影响或破坏含水层[6]。根据本次调查结果,矿区受影响的地下水含水层主要为松散层第二、三、四含水层和灰岩岩溶裂隙含水层,最大影响深度达170～190 m,并形成大范围地下水降落漏斗,影响面积超过120 km2(表2)。地下水降落漏斗的形成是由于集中过量开采地下水造成水位下降所致[7],地下水水位下降区域分布与采空塌陷区域基本一致。煤矿开采形成的采空塌陷面积广、深度大,造成岩层错动、位移,对含水层结构破坏产生较大影响；岩溶塌陷主要发生于淮河南岸的灰岩浅埋区,塌陷深度在10 m左右,在一定程度上影响含水层结构；含水层破坏不仅引起地下水位下降、含水层水资源量减少、含水层结构被破坏,还极易打破下伏灰岩岩溶裂隙含水层水力平衡,甚至引发矿井突水灾害事故。因此,含水层破坏是淮南市的一种典型矿山地质环境问题。

表2 淮南市大型煤矿疏干排水影响一览表Table 2 The table of influence of dredging drainage in Huainan large coal mine

矿山巷道开拓与地下采掘、矿山抽排水是影响与破坏含水层的主要因素。矿山采掘是造成含水层结构破坏的主要因素,煤矿开采形成采空区后继而形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带,冒落带、裂隙带造成煤系砂岩裂隙含水层结构严重破坏,弯曲下沉带造成上部松散层含水层弯曲变形，含水层结构遭受破坏后,冒落带、裂隙带成为地下水通道,沟通了上、下含水层的水力联系且改变了原有地下水动力平衡,造成局部水文地质条件发生变化[8]。矿山排水是造成地下水水位下降和水量减少的主要因素[9],长期大量的矿坑排水致使煤系砂岩裂隙含水层基本疏干,同时造成上覆松散层含水层和下伏灰岩岩溶裂隙含水层水资源量减少，地下水水位大幅下降。

3.2 采空塌陷

采空塌陷均为地下开采煤炭资源所引发,根据本次调查结果,截至2016年底全市采空塌陷区32处,其中特大型塌陷区7处、大型塌陷区4处、中型塌陷区21处,塌陷区总面积172.37 km2,最大塌陷深度29 m。矿山多水平开采、大矿与小矿重复开采导致采煤塌陷叠加,部分塌陷区已衔接成片、积水成湖。大规模的采煤沉陷带来了一系列的生态环境和社会问题[10],严重破坏了土地资源,损毁了民房、交通、水利等基础设施,威胁了矿区周边居民的人身和财产安全。

淮南矿区属于煤层群集中开采,可采煤层达20层,采出煤层累计厚度大。淮河以南矿区多为急倾斜煤层,埋藏相对较浅，地质构造复杂,以普采和炮采方法为主,特别是炮采设备简单，对地质条件适应性强,占有相当比重。放炮震动对巷道稳定性的影响不仅增加了围岩荷载,而且由于震动波的传播在煤岩内产生了裂纹，促使煤层和顶底板间摩擦滑动产生[11],降低了围岩体承载力继而导致地表裂缝发育；同时局部地质构造复杂造成矿区煤层的非连续性开采,致使区域呈现非连续性地面塌陷。淮河以北矿区多为缓倾斜煤层,埋藏相对较深，地质构造相对简单,以长臂综采和综合机械化放顶开采为主,顶板管理方式为全部陷落法,由于开采强度大、覆岩破坏严重,致使地表塌陷影响范围增大、塌陷速率加快。

3.3 岩溶塌陷

自20世纪50年代大通煤矿发生岩溶塌陷以来,淮南矿区由矿坑排水引发的岩溶地面塌陷共6处,主要分布在大通区、八公山区、谢家集区和凤台县等灰岩浅埋区。岩溶塌陷多呈数量不等的群体或串珠状出现,少则几个，多则数十个,先后产生近74个塌陷坑,规模均为小型；单个塌陷坑面积9～2 400 m2,总塌陷面积约1.64 km2,最大塌陷深度11 m。岩溶塌陷地质灾害已造成部分房屋倒塌、开裂,多处果园和农田受损,下水管道、输电线路等基础设施受到严重威胁。

淮南岩溶塌陷易发区上覆盖层土体主要为第四系粘土和粉质粘土,其厚度一般<25 m,有着较易引发岩溶塌陷的土体厚度与地层岩性；淮南市寒武系、奥陶系和石炭系地层中碳酸盐岩分布广泛,且可溶性碳酸盐岩与上覆松散层直接接触,提供了岩溶塌陷发生的基础条件；淮南矿区矿坑水年产出量约2 600万m3,高强度的疏干排水疏通了岩溶水和裂隙水的通道,形成了统一的地下水运移网络,良好的岩溶地下水交替、运移条件则是岩溶塌陷的诱发因素。

3.4 地形地貌景观破坏

3.4.1占用损毁土地资源

矿山开采压占和破坏了大量的土地资源[12],截至2016年底全市矿山开采共压占损毁土地资源19 501 hm2。其中,矿山开采压占损毁耕地、林地、草地、其它地类的面积分别为18 966 hm2、326 hm2、11 hm2、198 hm2；压占及破坏的土地类型大多为耕地、林地,两者合计占压占损毁土地总面积的99%。

从破坏方式分析,矿山开采对土地资源影响与破坏主要有三种方式：一是工矿用地和矿山废弃物堆放占用土地；二是露天开采矿山直接破坏土地；三是地下开采引发采空塌陷破坏土地。经统计分析，全市矿山工业广场压占土地1 683 hm2，露天采矿场破坏土地499 hm2，地面塌陷破坏土地17 237 hm2，煤矸石堆压占土地77 hm2，废土(石)堆场压占土地5 hm2,分别占全市矿山开采总共压占损毁土地面积的8.63%、2.56%、88.39%、0.39%、0.03%,其中矿山开采引发的地面塌陷破坏土地资源最为严重。

3.4.2破坏地形地貌景观与植被资源

矿山开采压占损毁土地资源的同时,对地形地貌景观也造成不同程度的破坏。首先是矿山露天开采破坏土地499 hm2,其中损毁林地326 hm2,使原本自然茂盛、青翠的山野林地变得满目疮痍；其次是煤矿地下开采引发的采空塌陷破坏土地17 237 hm2,其中破坏耕地17 195 hm2,使大片肥沃平坦的土地沦为坑洼不平的荒滩、水塘、沼泽地等。特别是交通干线两侧的地形地貌景观遭到破坏后,严重影响了交通干线周边的环境。淮南市煤炭矿山以破坏平原地形地貌为主,对植被资源的影响与破坏较轻；采石场、粘土矿以破坏山体地形地貌为主,对植被资源的影响与破坏较为严重。

3.5 水土环境影响

矿山“三废”排放中主要以液体和固体废弃物为主[13],其中液体废弃物主要包括矿坑水、选煤水和生活污水,固体废弃物主要包括煤矸石、粉煤灰。矿坑水年产出量约2 600万m3，处理率100%，综合利用率约58%；生活污水年产出量约1 100万m3，处理率100%，综合利用率约70%；选煤水全部闭路利用零排放；未利用完的矿坑水和生活污水排放到矿区附近的地表水域。市内共有矸石山20处，粉煤灰堆场5处,累计积存量分别约为2 500万t、20万t；煤矸石、粉煤灰年产量分别约为1 900万t、40万t,综合利用率分别约为87%、80%,主要用以发电、烧制砖瓦和填埋筑路。

4 矿山地质环境问题防治技术——以含水层破坏防治为例

4.1 矿山概况

新庄孜煤矿位于八公山区,属于淮南煤田西翼。矿井走向长6.24 km,倾向长2.85 km[14],横跨淮河南北两岸。该矿始建于1947年,关闭于2017年,累计采煤量达12 100万t。通过6次延伸扩建,该矿于2004年成为具有6个开采水平、年生产能力达400万t的大型矿山。2004年以来该矿年均抽排矿坑水量达450万m3,属淮南矿区年抽排矿坑水量最大的矿山。

该煤矿地下开采直接破坏了含煤地层二叠系及其上覆松散层含水层结构，打破了下伏灰岩岩溶裂隙含水层水力平衡；煤矿生产排水形成以矿区为中心的疏干降落漏斗[15],中心水位降深达190 m，面积近20 km2。为减轻对含煤岩系及其上覆松散层含水层的破坏，掌握矿井开采对地下水位的影响,通过留设防水煤岩柱、定期监测水位等方法防治含水层破坏。

4.2 防治技术

4.2.1留设防水煤岩柱

矿区内淮河斜穿西部井田流过,流经矿区段河道长度约7 km,河床直接覆盖于第四系砂层含水层之上,淮河水对含水层直接产生补给作用；矿区内第四系砂层含水层均厚约29.05 m,流砂层局部直接覆盖在煤系地层之上,对浅层煤系地层形成直接补给。矿山开采过程中对主要开采煤层顶板留设足够高度的防水安全煤岩柱,以降低淮河水、砂层水涌入井下的危险性。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》裂隙带计算公式(式(1))[16]，分别计算出主要开采煤层的裂隙带高度(表3)。结合淮南矿区防水安全煤岩柱留设高度大于导水裂隙带高度加保护层厚度的经验,对矿区内浅部的薄、中厚、厚煤层分别留设50 m、60 m、70 m的防水安全煤岩柱,并分别划定-90 m、-312 m、-412 m水平防水安全煤岩柱线。作为地下水赋存的场所,含水层的水文地质特征对区内地表与地下水的联系具有显著的约束作用[17],合理地留设防水煤岩柱是保证河流或含水砂层下安全开采的前提[18]。防水煤岩柱的留设能阻隔松散层孔隙水受采动影响而下泄充入矿坑[19],有效减轻矿山生产过程中矿坑排水对松散层孔隙含水层的破坏。

表3 主要开采煤层的跨落带高度和导水裂隙带高度计算表Table 3 Calculation table of height cross-hatch and height of water-conducting fracture zone of mainly mining coal seams

Hi=[100∑M/(1.6∑M+3.6)]+5.6

(1)

式中：Hi为裂隙带高度，m；∑M为累计开采煤层厚度,m。

4.2.2定期监测地下水位

根据《淮南矿业(集团)有限责任公司新庄孜煤矿矿井水文地质类型划分报告》[20],矿井经历6次延伸扩建,随着生产能力的提高,矿坑排水量也逐年增加。2004年后矿井年均矿坑排水量达450万m3、年均正常涌水量达442.3 m3/h,主要充水水源为煤系水、灰岩水。在矿井生产过程中,定期监测矿井涌水量、矿坑排水量的同时,合理布设地面长观孔对煤系水、灰岩水水位的长期观测,以进一步掌握矿山开采引起的地下水位变化。

根据淮南矿业(集团)有限责任公司新庄孜煤矿地面水文观测孔水位台帐,矿区内布设6个煤系水地面长观孔、6个灰岩水地面长观孔,在矿井生产期间,每月对各孔进行定期监测。在本次调查工作中,在ⅦC3-I浅、Ⅶε长观孔分别安设了型号为KJ402-FA的地下水位自动监测仪,矿井2017年政策性关闭后继续对太原组灰岩水、寒武系灰岩水进行观测。根据ⅦC3-I浅、Ⅶε孔地下水监测资料(图2、图3),2009—2013年随着矿井-612 m五水平、-812 m六水平的规模性生产,太原组灰岩水第一含水层、寒武系灰岩水地下水位下降幅度较大,分别下降10 m、12 m左右；2013年后随着矿井采煤面的逐步收作至矿井关闭,地下水位下降幅度变小，水位回升趋势渐显；2017年矿井政策性关闭后,地下水位基本不再受采煤影响,并开始呈现水位回升趋势。

图2 ⅦC3-I浅孔水位曲线图Fig.2 Graph of ⅦC3-I浅 hole water level

图3 Ⅶε孔水位曲线图Fig.3 Graph of Ⅶε hole water level

4.2.3加强矿山污水的处理与利用

在矿井生产过程中,为改善矿井开采产生的水土环境污染情况,该矿井建有矿井污水处理站、生活污水处理站,处理能力分别为22 000 t/d、2 500 t/d。该矿井从井下抽排到地面的污水全部进入矿井污水处理站,处理率达100%,其中2015—2017年度矿井污水、生活污水年均处理量分别约为621万t、58万t。根据淮南矿业集团兴科计量技术服务有限责任公司水质监测分析,处理后的矿井污水达到国家《煤炭工业污染物排放标准》中采煤废水排放限值,处理后的生活污水达到《污水综合排放标准》中一级标准限值。

4.3 防治成效

矿井通过留设防水煤岩柱、定期监测水位和处理利用污水等措施对含水层破坏进行防治。矿井生产过程中,科学地计算各主要开采煤层的导水裂隙高度,并根据煤层厚度分别留设对应高度的防水安全煤岩柱；持续开展矿井关闭前、后长观孔水位监测工作,初步掌握了矿井关闭后地下水位的恢复情况；加强矿井生产过程中污水的处理与利用,有效地达到了100%的矿井污水处理率,减轻了对矿区附近地表水及浅层地下水的影响。

5 结论

(1) 淮南市主要开采矿种为煤、水泥用灰岩、砖瓦用粘土,长期矿产资源开采形成了含水层破坏、采空塌陷、岩溶塌陷、地形地貌景观破坏、水土环境影响等5类矿山地质环境问题,对生态环境、社会发展产生了较大的影响。

(2) 含水层破坏不仅减少松散层和岩溶裂隙含水层水资源量，引起地下水位下降，破坏含水层结构,还极易打破下伏灰岩岩溶裂隙含水层水力平衡，甚至引发矿井突水灾害事故,并且受到采空塌陷和岩溶塌陷一定程度的影响；同时采空塌陷、岩溶塌陷及露天开采造成土地资源、地形地貌景观与植被资源的严重破坏。其中含水层破坏是淮南市重要的矿山地质环境问题,对其实施综合治理具有重要的现实意义,矿山企业及当地政府应给予足够的重视。

(3) 新庄孜煤矿通过留设防水安全煤岩柱、加强处理利用污水、长期监测长观孔水位,从源头上、开采中、闭井后三个阶段实现了矿山生命周期内含水层破坏的防治,取得了良好的防治成效。对于即将闭坑或政策性关闭的矿山,建议由相关政府职能部门牵头,保留不同含水层的监测孔若干个,闭井后对含水层持续监测直到水位基本恢复稳定,并分析监测成果,为当地城市规划和社会建设提供数据支撑。

(4) 建议推广矿产资源勘探、开发及闭坑不同阶段的矿山地质环境问题预防、监测、治理一体化的防治理念；同时矿山企业在以后的矿山地质环境问题治理中,应积极争取当地政策和政府配套资金，加强优化设计和科技投入,进一步创新煤炭城市矿山地质环境问题治理方法。