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其中二氧化硫是常规煤电的首要污染物，将造成酸雨的形成；

其次是氮氧化物，会造成光学烟雾，而且它产生的温室效应大约是二氧化碳的200—300多倍；

二氧化碳可能会使全球气候变暖；

粉煤灰含有放射性元素；

悬浮颗粒则会危害人的呼吸系统。

大中型露天煤矿闭坑地质灾害浅析

摘要:

未来10年,我国大中型露天煤矿将陆续达到设计服务年限,闭坑后的大中型煤矿,如果管理和治理不当,将会诱发大量的地质灾害,造成重大的社会、经济、环境和生态问题。

文章根据大中型露天煤矿在生产过程中诱发的大量地质灾害,提出这些矿山在闭坑后可能诱发的地质灾害类型及因素,并对防治措施提出建议。

关键词:

露天煤矿;

闭坑;

地质灾害;

变形;

滑坡;

诱发地震;

水系变化

0　引言

我国有大中型露天矿山300多个,其中80%为金属、建材和化工原材料矿山,煤炭露天矿虽在数量上不如其它露天矿山,但在规模和产量上却有特点。

大型露天矿年产量在1000万t以上的有130个,其余中型露天矿都在300万t以上。

大中型露天矿的开发、生产形成了众多的资源依赖型城市,它们依存矿山的开采而发展。

伴随着资源开采的兴衰,城市的经济与之对应。

大多数矿山已经开采数10年,到了开采后期,如抚顺西露天矿是我国最早开采的露天煤矿,已开采到最底部,预计2007年闭坑;

阜新海州露天矿已开采50余年,接近达到设计年限,预计2008年闭坑;

阜新新邱露天矿已在10年前闭坑;

平庄西露天矿已开采40余年,设计年限为2011年。

这些露天煤矿的特点是:

（1）占地面积大。

如抚顺西露天矿和排土场占地为4216km2,占抚顺市区面积的27%,阜新市的海州露天矿、新邱露天矿及其排土场占市区面积的1/4;

（2）灾害种类多。

历史上,露天煤矿在设计时并没有考虑或没有充分考虑到生产过程中的各种灾害,对闭坑后出现的各种灾害更是难以顾及。

生产过程中发生的灾害种类包括变形（边坡变形、塌陷、地面沉降、地裂缝等）;

边坡和排土场滑坡（平面滑坡、楔体滑坡、圆弧滑坡、倾倒滑坡、崩塌、复合滑坡、泥石流等）;

地震（天然地震、诱发地震）;

水系变化（地表水渗流、地下水位升降、成湖、水质污染、软化岩石、诱发地震）;

其它灾害（残煤自燃,岩土风化,水土流失等）;

（3）发生频率高。

在露天矿,每年都发生数起较大规模的阻碍生产的大中型滑坡,尤其在春季融冰和雨季;

（4）治理难度大。

灾害一旦发生,治理就要花费大量的人力物力。

如抚顺西露天矿在日伪统治的1945年下盘滑落岩石750万m3,埋没了全部采煤工作面,致使东西两大卷扬运输系统中断12a,直到1957年才完成清理,恢复正常生产。

结束阜新海州露天矿工作西部非工作帮发生大滑坡,滑落岩石16万m3,造成人车系统停产;

（5）经济困难。

矿区老化,灾害种类多,规模大,无足够的资金进行改造和转产。

1993～1995年3年间,抚顺西露天矿灾害造成经济损失就达4亿元。

如果不提前进行研究,随着闭坑时间的临近,灾害会越来越严重,直接制约着老矿区城市的经济发展、社会稳定和环境改善等重大战略问题,所以对露天煤矿闭坑后灾害发生的预研已刻不容缓。

对大中型露天煤矿闭坑后灾害的研究,没有现成的经验可以借鉴。

但在生产过程中发生的灾害,如果治理不当,闭坑过程及闭坑后绝大部分灾害还会发生。

本文以历年露天煤矿在生产过程中发生的

灾害为基础,提出露天煤矿闭坑后灾害发生的类型及其防治对策,为同类露天煤矿防治灾害提供借鉴。

1　露天煤矿生产过程中发生灾害简析

表1为抚顺西露天矿典型的地质灾害一览表,表2为阜新海州露天矿典型滑坡灾害一览表。

从两个露天矿历年近100次地质灾害发生的结果统计分析,导致地质灾害发生的原因主要有:

（1）断层的影响。

由于矿区地质条件复杂,断层和不连续面控制边坡的变形和滑动,在近100次的滑坡灾害中,约有1/2受断层和不连续面控制;

（2）软岩及断层泥控制。

煤系地层中多为沉积岩,其中含有大量的泥质成份,遇水强度降低,产生软化效应。

同时软岩遇水膨胀,使变形能力也大大增加。

断层中的断层泥与软岩具有相似的性质;

（3）水与岩石相互作用。

露天煤矿发生滑坡、变形、泥石流,80%与水的直接或间接参与有关;

（4）震动诱发。

露天煤矿生产每天都须放泡、行车,故震动诱发源主要来自放炮、行车等释放的能量;

（5）井工开采和露天开采相互影响。

浅部煤炭资源采用露天开采,深部一般采用井工开采,两者有时同时进行,常常互相作用,诱发地质灾害。

2　大中型露天煤矿闭坑后可发生的灾害

　　闭坑后的大中型露天煤矿,由于停止生产,同样的边坡变形、破坏甚至滑动,能否造成大规模灾难性的地质灾害,除了与露天矿结构、岩层分布、断层赋存、环境条件等有关外,还与管理及防治有关。

根据国内外露天煤矿生产过程所遇到的地质灾害,闭坑后的露天矿可发生的灾害主要类型有:

211　边坡及边帮影响范围内的变形

由于露天矿的存在,使边坡及边帮影响范围内发生变形、塌陷、地面沉降、地裂缝等。

如抚顺西露天矿北帮变形影响范围内包括国家特大型企业石油一厂、发电厂、水泥厂等。

不均匀变形造成石油管道破裂、厂房地基下沉、厂房墙体破裂甚至倒塌。

其周围的商业区及附近的居民区也受到不同程度的影响。

加之矿坑和北帮与胜利矿深部多年大规模地下开采,使露天矿北帮几乎全部处于井工采动后的岩移扰动范围,向北影响范围近1km。

根据最新观测结果,变形仍在进行,局部尚有加快趋势,直接威胁附近人民的生命安全,造成城市地质生态环境进一步恶化。

212　边坡和排土场滑坡

由于大中型露天煤矿开采深度大,形成高大陡边坡。

如抚顺西露天矿最深处已达442m,最终坡角为30～3415°

;

阜新海州露天矿设计最深处为350m。

随着时间的推移,深度加大,所暴露的弱面就越多,开挖使岩体结构越来越弱化,围岩的支承能力逐渐减小;

同时,为了更多地开采煤炭,剥离与开采的矛盾日益突出,整个露天矿的结构趋于不稳定,具有发生大规模滑坡的潜在危险。

排土场为松散的粒状材料,随着时间的推移,风化加剧,不利于排土

场的长期稳定。

滑坡的种类主要包括:

平面滑坡、楔体滑坡、圆形滑坡、倾倒滑坡、崩塌滑坡、复合滑坡和泥石流等。

无论何种形式的滑坡,对整个露天矿都可造成灾害。

213　地震

矿区地震可分为天然地震和诱发地震。

许多矿区地处地震带,根据地震发生的周期性,近10a又是地震发生的活跃期,天然地震是矿区岩体结构稳定性的大敌。

矿区发生诱发地震的条件是充分的,一是地下开采,破坏了原有地层系统的结构,打破了原系统的平衡,使采矿过程中不断诱发地震。

如阜新矿区和抚顺矿区地下开采所发生的冲击地压（岩爆或煤爆）、瓦斯突出等就诱发了地震,最高震级已达4级以上,震源距离地表很近。

一般来说,

诱发地震尽管强度低但烈度大,危害不小。

二是露天矿生产过程中的开挖和闭矿后积水成湖,使水位升降,由此会引起地层应力发生变化。

水弱化岩石,使岩体承载能力下降,加之地震动力作用,边坡的稳定性明显降低。

研究表明,地震力作用,使边帮围岩不仅发生平行和垂直边坡的振动,而且由于边坡台阶和岩层分布的不均匀性及地震力来源的随机性,边帮围岩还将发生扭动变形。

214　水系变化

露天矿生产过程中,每年要花费大量的资金拦截疏导地表水,聚集在坑底的积水也要通过排水系统疏干。

闭坑后,坑内水源主要有:

大气降雨、地表水渗流、河流渗透、工业和民用废水排放及地下水补给等。

如不加强管理,及时治理,露天矿闭坑后就可形成人工湖泊,并且可能并发地下水质污染、边坡岩石软化、诱发矿区地震等相关灾害。

如抚顺西露天矿闭坑后形成一个10多亿m3的大坑,据测算,每年可汇入坑内的水量约有4000万m3,如果

不加治理,10～20年后,西露天矿就有可能形成一个大型人工湖。

由于露天开采与地下井工开采相连,造成地下井工系统排水,使地采系统积水,排水困难,甚至直接影响正常生产。

215　其他灾害

在闭坑过程和闭坑后,露天矿和排土场还会发生伴生灾害,如残煤自燃、岩土风化、水土流失等。

残煤自燃,影响城市的大气环境。

岩土风化、水土流失不仅会污染城市地下水资源,同时还给矿区城市的环境和生态系统造成很大影响。

3　防治建议

随着一些大中型露天煤矿闭坑期限的临近,现提出以下建议,供参考。

311　综合治理

正如大中型露天煤矿立项设计、投入生产一样,其闭坑也是一个复杂的巨系统,它涉及到政治、经济、社会、法律、环境、生态、技术等方面的综合问题,不是哪一个部门或行业能够解决的。

单从技术方面来说,灾害研究涉及采矿、地质、测量、数学、力学、机电、环保等多学科联合攻关。

从时间上看,闭坑前的研究,只是一种预研,闭坑后随着时间的推移,灾害发生的范围、程度在不同时间地点会有不同的特征,提出何种防治措施,要依据当

时的条件而定。

312　提前规划、超前研究

大中型露天煤矿闭坑时间是可预测的,这样就可根据经济效益、社会效益和环境效益提前规划,超前研究。

在总结历年来各个大中型露天煤矿生产过程中发生灾害的基础上,究其原因,寻其根源,为以后研究相关灾害提供依据。

同时,对大中型露天煤矿闭坑可能发生的灾害进行预估,寻求发生灾害的机理,建立防灾减灾的理论,为防灾减灾做好理论基础。

313　加强监测

闭坑后发生的灾害,往往是生产过程中变形破坏的积累,利用现有的理论对监测结果进行预测,对可能引起灾害的现象,提前采取相应措施。

314　兼顾生产与治理

现在正在生产的大中型露天矿,距离闭坑尚有一定的时间,要边生产;

边治理。

特别是与环境和生态有关的治理工程,如残煤自燃、岩土风化、水土流失等。

提前进行就会节省时间,达到闭坑后再治理所起不到的作用。

关于煤炭开采引发的地质灾害及治理

论文关键词:

地质灾害 

地面塌陷 

地裂缝 

煤矸石 

灾害治理

　　论文摘要:

本文以沙峪煤矿为例,论述了煤炭开采引发的地质灾害以及对矿区居民生活造成的危害。

详细阐述了沙峪煤矿的地质灾害现状及地质灾害类型,对矿区内的地面塌陷、房屋塌陷、地裂缝以及煤矸石所造成的潜在威胁进行了实地调查分析,提出了因地制宜治理地质灾害的综合方案,对于沙峪煤矿地质灾害治理的工程量进行了详细计算,并依据建筑工程定额进行了预算,指出了地质灾害治理耗资不菲、工期较长,进一步提出地质灾害要以防为主,治理与避让相结合的方针。

　　分布在山西省91个县（区、市）的小煤矿绝大部分是县及县以下煤矿,多数诞生于20世纪80年代。

改革开放以来,山西省煤矿发展迅猛,最多时有10000多座小煤矿。

长期以来,煤矿多、分散的格局和粗放落后的矿业经济增长方式给山西带来了严重后果,资源浪费、环境污染、生态破坏,已直接影响到煤炭工业的可持续发展以及当地居民的生存环境。

　　1　矿山环境地质问题

　　以沙峪煤矿为例,沙峪煤矿矿区范围内分布着4个行政村,农业人口2000余人。

矿区内沟谷发育,地形破碎,土地较贫瘠,受采煤的影响,使原本脆弱的生态环境日趋恶化。

土地退化、荒芜、房屋裂缝、水源干枯等环境地质问题日益突出,居民的基本生存条件受到严重威胁。

煤炭的大规模开采造成了对矿山环境的较大破坏,采空塌陷、地面裂缝、区域地下水位下降、煤矸石堆放、矿坑排水等一系列地质灾害和地质环境问题相继发生和出现。

　　沙峪煤矿是一个具有34年开采历史的集体矿山,采掘生产机械化程度中等,回采率达65%,累计原煤产量110万,t采动面积约2.6km2。

采煤活动对矿山地质环境的破坏和影响,主要包括以下几个方面。

　　1.1　地下水位下降

　　据调查,沙峪煤矿现采2#煤,矿坑排水主要来自其顶板（多层）砂岩裂隙水,达300~500m3/d,由于其集中排放,改变了地下水运移状态,周边地下水向井下巷道汇流,地下水位呈下降趋势,使煤层之上含水层储水结构遭到破坏。

矿区中部出露于二叠系石盒子组砂岩中的1眼天然泉以及各村中8处水井,浅层均先后干枯,使矿区内的村庄、居民及大小牲畜用水受到不同程度影响。

而矿坑排水大多数直接排放,造成了水资源的浪费。

　　1.2　采煤引发的地面裂缝、塌陷等地质环境问题

　　沙峪煤矿采用长壁式采煤法,全冒落顶板管理,回采率65%以上,煤矿投产34年来,采动面积达2·

6km2,因井田地处低—中山区,地表大面积黄土覆盖,松散层厚度30~70m。

据实地调查,在采空影响范围内发现地裂缝20余处,矿区内部分民居于1997年末开始出现地裂缝（图1）,地裂缝宽度1·

5~2cm,最大降幅1cm,最大宽度5cm。

农田中也可见到多条地裂缝,宽度10~20cm,最大降幅15cm,最大宽度38cm。

采空塌陷面积达0·

1km2,造成33·

3hm2土地破坏（图2）,房屋轻微破坏51间,严重破坏32间,给当地居民的生产和生活造成极大危害。

　　1.3　煤矸石堆放的潜在危害

　　据相关资料,煤矸石对环境的危害主要有以下三点:

　　1）煤矸石自燃对环境的污染

　　据统计,我国大约有1/3的矸石山发生过自燃,放出大量的SO2、H2S、CO、CO2和氮氧化物等有害气体并伴有大量烟尘（图3）,对矿区环境造成严重污染[1];

　　2）煤矸石对水体和土壤的污染

　　煤矸石经雨水淋溶进人水域或渗入土壤,会影响水体和土壤,并被植物根部所吸收,影响农作物的生长,造成农业减产,同时,还会通过食物链进入人体,危及人类健康[2];

　　3）矸石山造成的滑坡和泥石流

　　矸石山堆积过高,坡度过大,就容易造成滑坡;

由于降雨等作用使得矸石山的含水量达到饱和状态时便可能形成泥石流。

　　沙峪煤矿现有废石堆放场2处,分别堆放于主井口西侧的山坡和风井附近的沟谷中,堆放量分别为8万m3、12万m3,形成了约38°

的松散边坡。

高度分别达12~20m、8~10m。

废石堆放既压占土地,破坏植被,又存在引发相关地质灾害的隐患。

主井口附近的废石堆距东-夏公路仅10~15m,在极端暴雨条件下极可能形成滑坡,严重威胁过往车辆、行人安全。

风井附近废石堆距风井约10m,在极端暴雨条件下极可能形成泥石流,从而对风井造成毁坏,给煤矿安全生产带来极大隐患。

废石露天堆放,在降水淋滤下还会造成地下水的污染。

　　2　治理与恢复方案

　　2.1　避让搬迁

　　由于煤矿的多年开采,采空塌陷面积达0·

1km2,造成村民房屋不同程度的破坏,目前塌陷还在不断扩大。

村庄地下浅层水疏干,人畜吃水困难,对村民生命财产均造成威胁,需采取部分避让搬迁方式进行治理。

选取的新村址范围内地形地貌较好,有一定量的地下水资源,可基本满足当地人畜用水。

耕地、植被情况较好,水土流失轻微,仅有挖方量较小的交通、居住、耕作方面的人类工程活动,交通方便,无采空区、地面裂缝、地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害,适宜建筑[3]。

　　2.2　采空塌陷、裂缝的治理与恢复耕地

　　首先清理旧村庄,用推土机推平,通过压道机、推土机和运送汽车往复压实,及时覆盖黄土。

对因采空塌陷造成破坏的耕地采用人工或机械方式进行填埋（夯实）裂缝和陷坑,平整田面,因地制宜,修筑相应的田间道路及排水工程,并在各级梯田的外边缘修筑护田堤,控制水土流失,保护坝田,恢复农田的耕种功能。

土地复垦后,耕作层的土壤大部分变为生土,不利于作物的生长,需要在深翻的同时,配方施肥,培肥土壤。

同时,为了保持人工土壤中的水分,宜尽量在其底部回填约0·

5m的亚粘土或粘土,形成人工隔水层,然后再回填亚砂土。

恢复耕地后种植一些抗旱性强的乡土植物。

　　2.3　煤矸石堆放场的治理

　　沙峪煤矿每年矸石排出量1万~1·

5万,t现在较大的煤矸石堆放场2处,累计堆放量20万m3,本次治理工程拟修筑一条煤矸石坝,并将残余煤矸石堆进行平整,表面覆盖0·

5m黄土,然后种草植树,尽可能减轻或消除对生存环境、生态环境的危害。

　　2.4　修建回风竖井地下储水仓,解决居民人畜用水

　　区内奥陶系岩溶水埋藏深,富水性不均匀,施工深井风险较大,增设井下储水仓将新施工的回风竖井井下排水作为供水水源加以利用,既避免水资源浪费,又降低了施工深井带来的风险。

同时,可满足矿区居民供水。

　　2005年4月,沙峪煤矿在草桥村闫家庄北约600m的沟谷中新建回风竖井,竖井垂直深度402m,在84·

80-90·

91m和156·

63-159·

14m穿过两层砂砾石层,地下水微具承压性,松散层之下2#煤层之上的K10（厚2·

62m）、K9（厚6·

99m）、K8（8·

39m）砂岩中均含有丰富的地下水,水质良好,竖井揭露上述含水层后,排水量较为稳定,枯水季节450m3/d,雨季过后600m3/d。

为使矿区村民吃上卫生方便的自来水,可在回风竖井井底修建井下主、付储水仓各1个,配套建设井下泵房及管道仓,用于储存上述含水层中的地下水,并配套建设井上蓄水池、铺设供水管道,解决蔺家庄、曹家庄、闫家庄、韩家庄4个村的人畜用水。

　　3　治理工程工程量

　　3.1　农田整治与恢复

　　对已破坏的60hm2农田进行整治与恢复,复垦工程程序及标准为:

　　①将田面阳土剥离集中堆放一边;

　　②农田内塌陷、裂缝填平、夯实;

　　③田面平整,田面平整为梯田形式,梯田单级高差宜根据地形变化而定,一般控制在2~5m之间,各级梯田田面基本保持水平,并向内侧略有倾斜。

　　④因地制宜,修筑相应的田间道路及排水工程;

　　⑤在各级梯田的外边缘修筑护田堤,控制水土流失,保护坝田;

　　⑥地表覆盖阳土,厚度0·

5m以上,并适度压实,覆盖土壤PH值为7~8·

5[3]。

　　根据沙峪煤矿农田整治区的地形情况粗略计算,达到上述标准共应动用土方量约497610m3,工程量见表1。

　　3.2　煤矸石的整治

　　采用浆

砌石修筑一条煤矸石坝,坝长205m,高6m,顶宽1m,底宽2·

85m,外侧坡角约72°

基础底宽4·

9m,顶宽3·

65m,内外侧坡度均为72°

深2m,砌筑石方4120·

5m3。

在煤矸石坝下部预留三排排水孔,最下一排位于坝体底部,每两排排水孔之间的垂向距离为1m,每两个排水孔之间的水平距离为1·

5m,三排排水孔呈“梅花形”布置,基础开挖动用土石方2173m3。

将残余煤矸石表面整平、压实,覆盖厚约0·

5m黄土,然后进行种草、植树,预计土方工程5000m3,树苗10000株。

　　3.3　回风竖井井底储水仓及供水配套

　　3.3.1　回风竖井井底储水仓

　　回风竖井井下储水仓的井下平面布置由煤矿实施,必须做到既保证井下排水（来自煤层之上含水层）不受采煤的污染,又不影响煤矿正常生产。

　　本工程设井下主、付储水仓各1个,配套建设中央水泵房,管道仓和水泵房绕道仓。

主、付储水仓及中央水泵房、管道仓、水泵房绕道仓的断面形态均为门洞形（下部为矩形,上部为拱形）。

主、付储水仓长分别为113·

8m和52·

3m,横断面下部矩形宽3·

6m、高1·

8m,上部拱形半径为1·

951m,拱高1·

2m（图3）;

中央水泵房长17m,下部矩形宽4m,高1·

8m,上部拱形半径为2·

168m,高1·

2m;

管道仓和水泵房绕道仓长分别为22·

6m、33·

6m,下部矩形宽为2·

5m,高1·

7m,上部拱形半径为1·

355m,拱高0·

8m。

以上工程均采用机械挖掘成仓,仓壁喷厚200mm的混凝土仓壁,工程量见表2。

　　3.3.2　供水配套工程

　　①配套深井泵1台（扬程400~500m）,地面多级泵2台（扬程150m）。

　　②配套4寸供水管道4200m。

　　③修筑井口蓄水池1个,高位蓄水池3个,容积分别为800m3和400m3。

　　④配置150KW专用变压器一台。

　　4　工程经费预算与工期

　　4.1　工程经费预算和工期

　　根据上述工程量,沙峪煤矿矿山环境整治与恢复工程共需经费479·

44万元[4]（表3）。

沙峪煤矿矿山环境整治与恢复工程工期共需1年。

　　5　地质灾害的预防

　　综上所述,煤炭开采所引发的地质灾害直接危害了矿区居民的生命和财产的安全,地质灾害的产生和延续,使人们无法安居乐业,治理灾害的工程量巨大,耗资不菲,工期较长。

在煤炭开采之前对可能引发的地质灾害进行预测是十分重要的环节,对于有可能产生的灾害应遵循“以防为主,避让和治理相结合”的方针[5]。

在煤炭开采过程中,对于可能产生地面蹋陷及地裂缝等地质灾害的煤矿,可采取特殊的开采方法和顶板管理措施,以防止或减少地面塌陷地地裂缝等地质灾害的产生,对塌陷的地表随时进行综合治理,以恢复和进一步改善矿区环境质量,使治理后的环境比原有环境质量更好。

　　近年来,我国矿山环境保护法不断完善,煤炭开采技术日益进步,由于煤炭开采而引发的地质灾害将会逐渐减少,随着科