煤礦地質(zhì)環(huán)境評價及治理措施研究
——以“南梁煤礦”為例

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(yù)警研究)，河南省鄭州市，450000)

0 引言

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(zāi)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(xué)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(yù)處理、人機交互解譯等方式獲取礦山恢復(fù)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(zāi)害、環(huán)境污染、占地損害、環(huán)境恢復(fù)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(yīng)的環(huán)境恢復(fù)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(yīng)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(yīng)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。

1 煤礦概況

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(yù)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(fù)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(dān)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(zāi)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。

2 煤礦地質(zhì)環(huán)境評價指標體系構(gòu)建

2.1 地質(zhì)環(huán)境評價指標體系

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

2.2 評價指標量化分級

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

2.3 評價單元網(wǎng)格劃分

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 煤礦地質(zhì)環(huán)境綜合評價分析

3.1 基于層次分析法的地質(zhì)環(huán)境評價分析

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(yīng)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(yīng)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(zāi)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(zāi)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(zāi)害種類、災(zāi)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

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)度法的地質(zhì)環(huán)境評價分析

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

3.3 礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價分析

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(yīng)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。

4 煤礦地質(zhì)環(huán)境影響程度分區(qū)及治理措施

4.1 煤礦地質(zhì)環(huán)境影響程度分區(qū)

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(zāi)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(zāi)害風(fēng)險，若是區(qū)域內(nèi)沖刷帶溝底存在裂縫，可能會導(dǎo)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(zāi)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(yù)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。

4.2 煤礦地質(zhì)環(huán)境問題治理措施

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(yīng)采用“治理為主，預(yù)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(yù)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(yīng)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(yīng)采用分層充填夯實方式，每個分層高度應(yīng)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(fù)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(fù)工程。具體植被恢復(fù)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(dān)木、酸棗、荊條等。具體植物應(yīng)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(yīng)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(fù)工程

南梁煤礦排矸場主要治理恢復(fù)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(yīng)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(yīng)及時進行加固處理。

(5)在排矸場人工播撒適應(yīng)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(zāi)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。

5 結(jié)語

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(yīng)采用“治理為主，預(yù)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(yù)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(fù)工程、排矸場治理恢復(fù)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。