黃河幾字彎區煤炭基地地質災害與生態環境典型特征

申艷軍，楊博涵，王雙明，寇海波，陳 興，徐雅麗，韓森磊

(1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054)

2019 年9 月18 日，習近平總書記在河南鄭州舉行的黃河流域生態保護和高質量發展座談會發表重要講話，將“黃河流域生態保護和高質量發展”上升為國家重大戰略；2021 年10 月8 日，中共中央、國務院聯合印發了《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》，成為指導當前和今后時期黃河流域生態保護和高質量發展的綱領性文件[1]。黃河流域是我國重要的生態屏障，是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態廊道[2]。同時，黃河流域又被稱為“能源流域”，是我國煤炭開發規模最大的地區，煤炭年產量約占全國總產量的70%。目前，我國14 座大型煤炭生產基地有9 座分布在黃河流域。但黃河流域煤炭基地與黃河中游生態脆弱區地理位置高度重疊，煤炭開發易對地表地質環境、地表水和地下水產生嚴重影響，并誘發一系列地質災害與生態環境問題，成為黃河流域中游煤炭基地生態保護與高質量發展的顯著制約因素。

黃河幾字彎區域地處黃河流域中游，涵蓋晉、陜、蒙、寧、甘5 省(區)21 市(縣)[3]。該區域煤炭資源豐富，區內擁有神東、寧東、陜北、黃隴、晉北、晉中等6 座國家級大型煤炭基地，約占全國煤炭產量的40%，煤炭資源經濟可采量及產量均居全國首位。同時，該區內煤種齊全，煤質好，地質賦存條件好，擁有一批具有國際先進水平的千萬噸級、大型和特大型現代化煤礦群，是我國煤炭資源最具經濟價值和開發潛力的地區，也是我國未來30～50 a 煤炭資源重點開發區域[4]，在我國能源安全供給保障領域具有舉足輕重地位。

然而，黃河幾字彎地處西部干旱-半干旱地區，水資源匱乏，蒸發量大，蒸發量/降水量比值可達4～8，其中，“能源金三角”(寧東、榆林和鄂爾多斯)地區煤炭儲量占全國 27%，但水資源僅占0.37%[5]。黃河幾字彎區域主要發育有風積沙區、黃土區2 種地貌，此2 類地貌普遍存在生態環境脆弱、抗擾動能力差等特點，易在煤炭開采中誘發土地塌陷、滑坡、崩塌和泥石流等地質災害；同時引發區域水位下降、水土流失、加速土地沙化、生態系統退化等生態問題[4]。目前，相關研究多針對具體礦區地質災害與生態環境開展分析與對策研究，如：彭蘇萍等[6]針對黃河流域礦區所處的戰略地位，剖析了該流域面臨的主要生態環境問題；蘭恒星等[7]梳理了黃河流域地質地表過程與重大災害效應的研究現狀，并探討了針對性研究趨勢和面臨挑戰。但整體而言，立足于黃河幾字彎區域地質環境特征，系統探究區域內煤炭基地所面臨的普遍性地質災害與生態環境等問題尚有待強化。

據此，筆者針對黃河幾字彎煤炭基地的資源規模化開發與生態地質環境脆弱的突出矛盾現狀，開展黃河幾字彎煤炭基地地質環境特征歸納總結，明確各煤炭基地分布特征及地質環境背景；系統分析區域內面臨的地質災害與生態環境典型特點及關鍵問題，并基于不同區劃條件下的地質災害與生態環境典型特征，開展了差異性防治對策探究，以期對推動黃河幾字彎區煤炭基地的可持續開發，實現黃河流域生態保護和高質量發展提供基礎借鑒作用。

1 黃河幾字彎區煤炭基地分布及地質環境背景

黃河幾字彎區分布著6 座國家規劃或正在建設的大型煤炭基地，沿黃河自西向東流向分別為：寧東、神東、晉北、陜北、晉中與黃隴煤炭基地，并貫穿黃河幾字彎整個區域。依據前期各基地的區域地質資料，其大體分布范圍如圖1 所示。

圖1 黃河幾字彎區6 大煤炭基地位置分布Fig.1 Location of six large coal bases in the bends area of the Yellow River

基于該區域的整體地貌特征分類，6 座大型煤炭基地主要涉及黃土區、風積沙區2 種地貌類型[8](圖1)。其中，黃土區約占該區域總面積85%，而風積沙區約占9.3%[6]。筆者基于前人相關研究報道，以兩大地貌類型單元為基本劃分思路，系統梳理了各煤炭基地所處范圍內的典型氣象水文、地形地貌、土壤植被類型、含煤地層及煤層賦存地質特征等，統計結果見表1。現對各分區的含煤地層及賦存地質環境特征詳述如下。

表1 黃河幾字彎區大型煤炭基地稟賦的典型地質環境狀況Table 1 Typical geological environmental characteristics endowed with large coal bases in the bends area of the Yellow River

1.1 風積沙區

神東、寧東兩大煤炭基地及陜北煤炭基地西北部主要位于風積沙區。屬于溫帶干旱荒漠大陸性氣候，地表被厚風積沙層覆蓋，氣候干燥、植被稀疏、生態脆弱；土壤類型主要為風沙土、棕灰漠土和淡灰鈣土等，有機質含量低，相對貧瘠，植被以草原和沙生植被為主[10]。區內蒸發量遠高于降水量，年均降水量不足250 mm，蒸發量則高達1 400 mm[11]；地表徑流較少，烏蘭木倫河、悖牛川、窟野河等水系流經礦區，但整體水資源匱乏。雨季大氣降水匯入洼地中，通過風積沙滲入地下，補給松散潛水含水層；依據含水介質類型，區內地下水含水系統可劃分為：新生界松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙-裂隙水和燒變巖孔隙-裂隙水3 類[6,12]。

該區域的主要含煤地層為中下侏羅統延安組，開采煤層埋深呈現從東北向西南逐漸增加趨勢，含煤地層的大體地質發育特征為：賦存地質環境穩定-較穩定，煤層厚而穩定，地質構造簡單，構造格局為單斜構造，煤層傾角1°～10°，巖石裂隙不發育，區內無火成巖活動等；水文地質條件簡單，研究區延安組基巖除少數地區風化嚴重、裂隙較發育外，多數地區較為完整，且無明顯導水構造，潛水含水層易形成相對獨立而穩定的水文地質單元，含水層富水性相對較弱；煤層頂底板條件好，覆巖近水平，硬厚砂巖可控制頂板穩定，砂/泥巖互層作為隔水巖組可有效阻隔潛水含水層水下滲。

1.2 黃土區

黃隴、晉北、晉中煤炭基地及陜北煤炭基地東南部位于黃土區。屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均降水量400～700 mm[8]，具有光照足，溫差大，降雨少、氣溫低、風沙大、霜期長等特點。而該區域地形地貌復雜，多以山地丘陵為主，廣泛發育有梁、峁、塬臺地。土壤類型以黃綿土、栗鈣土、灰鈣土、褐土及潮土為主，適宜落葉闊葉林、針葉林、喬木、灌木等多種類型植物生長。地表徑流包括禿尾河、桑干河、滹沱河、涇河、洛河、汾河、沁河和昕水河等水系，但整體水資源相對匱乏。地下含水介質主要由第四系松散層孔隙含水層、侏羅系碎屑巖裂隙含水層、奧陶系碳酸鹽巖含水層等組成[13-14]。

該區域的主要含煤地層有：石炭-二疊系太原組、二疊系山西組、侏羅系大同組及侏羅系延安組等，含煤地層地質環境特征與風積沙區相似，煤層埋深總體較淺，一般在100～500 m，埋深多為1 000 m 以淺區域，瓦斯含量偏低，且基本無地溫熱害，斷層少，巖層傾角緩，地質環境穩定-較穩定、水文地質條件簡單-中等，局部受底板奧陶系灰巖含水層(簡稱奧灰水)影響變為復雜。煤塵多具有爆炸性，煤層易自燃，并在韓城、銅川及沁水盆地礦區多存在高瓦斯礦井。

2 黃河幾字彎區煤炭基地地質災害類型及典型特征

黃河幾字彎區煤炭基地地質環境脆弱，因區域內大規模采煤活動，導致地質災害問題嚴重，典型災害類型包括：(1) 由采煤活動形成地下采空區而引起的地面塌陷與地裂縫等災害；(2) 因區域淺表部發育的松散堆積層地質特征而產生的滑坡、崩塌、泥石流等表生災害，而此類地質災害同樣與采礦及人類工程活動存在密切關聯。

但考慮各煤炭基地所處的地質環境存在的局部差異，面臨的地質災害類型及問題仍具有一定不同。基于中國地質調查局前期完成的《黃河中上游礦山環境地質圖》[15]相關資料，筆者團隊進一步梳理了黃河幾字彎區主要煤炭基地區域發育的地質災害類型、分布狀況及嚴重程度等級，如圖2 所示。

圖2 黃河幾字彎區煤炭基地內發育的典型地質災害類型及嚴重程度分區(據文獻[15]，修改)Fig.2 Typical types of geological hazards and severity zoning developed of coal bases in the bends area of the Yellow River (Modified from reference [15])

從圖2 可看出，黃河幾字彎區發育的常見地質災害與主要煤炭基地存在地理區位的較大重疊，反映出采煤活動對地質災害孕育、發生具有強關聯關系；其中，因煤炭地下開采導致的地面塌陷、地裂縫問題最為嚴重，而崩塌、滑坡、泥石流等地質災害影響次之，并存在一定的區位特征。不同煤炭基地發育的主要地質災害類型存在差異；其中，寧東、神東、陜北等基地地質災害主要為地面塌陷、地裂縫；而晉北、晉中、黃隴等基地則受季節性強降雨或采煤活動影響，易發育黃土崩塌、滑坡、泥石流等災害。依據《地質災害防治條例》中關于地質災害危險性等級評估方法[16]，區內地質災害發育程度整體處于高度易發區，其中，陜北、黃隴、晉中、晉北煤炭基地達到了高度-極度易發程度，且災害基本覆蓋了主采區。

結合圖2，筆者團隊梳理了黃河幾字彎煤炭基地發育的典型地質災害類型，并對其存在的關鍵問題予以詳細闡述。

2.1 地面塌陷與地裂縫

地面塌陷與地裂縫是煤炭開采區所面臨的最典型地質災害。當煤層采空后，采場周圍巖體應力重分布，使上覆巖體發生變形、位移和破壞，當采空區達到一定范圍后，造成地表塌陷，塌陷形成的同時也會造成周邊地裂縫的產生，二者存在明顯的耦合共生關系，但發育特征存在一定差異。

地面塌陷具有以下特征：(1) 其地表空間分布與煤礦主采區存在高度重疊，該類災害主要集中在陜北基地的榆神府煤礦區、黃隴基地的關中渭北煤礦區；此外，在晉北基地的大同煤礦區、晉中基地的西山與汾西煤礦開采區此類問題同樣嚴重。(2) 塌陷規模、分布特征與煤層的埋藏條件、開采條件等因素存在密切關聯[17]。具體而言，采空區面積小，地表往往會形成小規模的帶狀或串珠狀塌陷區；而若采空區面積偏大，則會呈現整體性的梯級塌陷，具有規模大、影響范圍廣等特點，并造成地面建筑物受損。

地裂縫具有以下典型特征：(1) 不同地貌單元區地裂縫顯現規律存在一定差異。一般而言，黃土區顯現更明顯，寬度大，區內臺階狀地裂縫發育顯著；風積沙區則識別難度大，雖然地裂縫分布多，但多數自然彌合或被植物覆蓋，難以長期保留[18]。(2) 空間展布范圍及展布方向與坡體溝壑展布、煤炭開采狀況密切相關，一般而言，坡體上的裂隙較集中，且地表下沉量大，溝壑區裂縫較少；同時，采煤形成的地表裂縫方向與工作面回采方向普遍呈現垂直分布特征[10]。(3) 往往伴生其他表生地質災害，具體而言，地裂縫因改變了土體結構和微地貌單元，導致崩塌、滑坡的發生頻率增加，并可與采空區產生貫通，易引發突水潰砂等地下地質災害。

基于前期相關學者對黃河幾字彎區地面塌陷與地裂縫災害發育狀況調查，均表明地面塌陷、地裂縫與煤炭開采活動具有密切相關性。如：范立民等[10]對陜北榆神府礦區的地質災害調查結果顯示，采煤形成的地面塌陷95 處，總面積共計94.47 km2，其中，面積大于 1 km2的塌陷區23 處，總面積 69.98 km2，占總塌陷區面積的74.08%；面積小于0.1 km2的塌陷區16 處，面積總計1.00 km2，占總塌陷區面積的1.06%。礦區地裂縫大量發育，現有1 802 條(或組)地裂縫，分布極不均勻，多條成群(或組)出現，并為直線狀或弧形(或橢圓狀)展布，地裂縫規模一般為十幾米到上千米，單條裂縫寬度為數厘米到2.2 m 左右，陷落距離為幾厘米到2.9 m 不等[18]。圖3 為神東煤炭基地神東礦區補連塔煤礦12406 工作面、活雞兔煤礦21306 工作面開采引發的典型地面塌陷與地裂縫災害。可見，地裂縫分布方向與工作面回采方向基本垂直，而部分淺埋煤層開采頂板直接垮落影響至地表形成地面塌陷，其呈現整體梯級塌陷。

圖3 黃河幾字彎區煤炭基地地面塌陷與地裂縫的典型發育特征[19-20]Fig.3 Typical development characteristics of ground collapse and ground fracture of coal base in the bends area of the Yellow River[19-20]

總體而言，相對脆弱的地質條件加之大規模的煤炭開采活動，極易造成礦區地面塌陷與地裂縫等問題。因此，筆者團隊建議針對不同礦區地質災害特征及采煤工藝方法，研究不同地質災害保護性開采方案的優化思路。基于前人相關研究歸納如下：(1) 就地取材，充分開展地裂縫充填技術研發；如風積沙區可采用流沙+泥漿、小粒徑煤矸石+流沙或小粒徑煤矸石+泥漿對地裂縫進行充填；黃土區可使用覆土+泥漿、小粒徑煤矸石+泥漿充填技術。(2) 積極發展井下綠色高效充填開采技術；如可采用煤矸石、風積沙等固廢材料進行采空區全域或局部化充填，同時重視覆巖離層精準注漿充填技術的發展，相關技術對于減緩或控制巖層移動以及地表沉陷具有較好的控制效果。

但上述技術研究仍存在亟待解決的問題，包括：(1) 尚缺乏全面系統的動態監測體系，無法實現對地面塌陷和地裂縫災害動態化監測與預警；因此，建立“開采-監測-預警”三位一體監測體系應是該領域未來重點工作之一。(2) 礦區地質災害往往以災害鏈形式出現，并在時空上產生連續擴展累積放大致災效應。而目前圍繞礦區地面塌陷與地裂縫等地質災害孕災條件、災害演化過程、災害鏈轉化及評價模式等研究體系尚未完全建立，應是該領域亟待攻克的另一技術難題。(3) 探索適宜于礦區地面塌陷與地裂縫的充填減損技術勢在必行；現階段礦區采空區的充填材料及充填工藝方法仍不夠成熟，存在充填材料經濟性與安全性矛盾問題、充填減損效果科學評價問題及充填方案設計成熟性問題等。

2.2 崩塌、滑坡與泥石流

黃河幾字彎區因煤炭開采誘發的崩塌、滑坡、泥石流地質災害問題同樣突出，且呈現一定的區位特征，具體表現為：(1) 崩塌災害與基地所處地形地貌有關；統計發現，該類大型災害主要分布于陜北黃土高原東北部黃土梁峁區、關中斷陷盆地渭北前黃土塬邊等；而黃河沿岸山區崩塌規模則以中小型為主。(2) 滑坡災害與人類采礦工程活動關系密切；地下開采產生的采空區覆巖變形往往導致地表斜坡不同程度的位移，改變了自然邊坡天然穩定狀態，進而誘發滑坡災害發生；而露天開采剝離表土以及采礦棄渣堆放形成的排矸場或排土場，會隨著矸石或排土堆積高度增加，出現人工堆土邊坡失穩隱患。(3) 受區內集中性降雨活動影響，加之地表土壤松散、植被覆蓋率低，同時，礦區多存在煤矸石、礦渣等松散堆積體，極易在強降雨作用下發生礦區泥石流災害。

近年來，黃河幾字彎區發生的大量崩塌、滑坡、泥石流災害多符合上述特征。如陜北廟哈孤礦區采煤引發崩塌23 處，造成煤礦經濟損失約168.6 億元[21]。而區內采煤深度小，開采形成的地裂縫極易溝通地表，塌陷拉張裂縫發育，遇暴雨季節，黃土層遇水軟化發生密集崩塌。2018 年10 月24 日，陜西榆林市橫山區波羅鎮宋家洼方圓煤礦發生山體滑坡，造成2 人死亡[19]。災害發生區域位于陜北黃土高原和關中盆地黃土臺塬區，下伏發育厚隔水層為地下水位持續抬升提供了良好地質條件，并在強降雨作用下發生黃土軟化乃至靜態液化，導致流滑型黃土滑坡災害發生。2013 年5 月26 日，陜西黃陵礦區突發礦渣型泥石流，造成7 人死亡，12 人受傷，究其原因在于：礦區內地形溝壑縱橫，采煤強度高，并存在多處大體積礦渣尾礦庫堆放情況，最終在連續強降雨后發生大規模泥石流災害。

基于上述分析可知，黃河幾字灣區崩塌、滑坡、泥石流成災過程與地貌及氣候作用存在時空差異性，而目前立足于地貌-氣候耦合作用下崩塌、滑坡、泥石流地質災害演化過程及臨災特征判識研究仍有待深化。同時，對于不同災害及承災主體的聯動機制，開展黃河幾字彎區煤炭基地多災種鏈動衍生關系研究仍存在不足。此外，隨著北斗、遙感與GIS 地理信息技術的發展，黃土災害預警系統已取得顯著發展，但結合采礦活動特點，開展煤炭基地礦區地質災害預警與預報研究有待加強。

2.3 突水潰砂

黃河幾字彎風積沙區煤炭基地煤層埋藏較淺、地表多為厚風積沙覆蓋層，導水裂隙帶可導通地表，而飽和含水沙層在重力作用下，沿采動裂隙進入井下，造成突水潰砂事故[22-24]，如圖4 所示。因開采引起的突水潰砂災害已成為風積沙區煤炭基地安全開采面臨的重要地質災害之一[25-27]。如2010 年陜西神木哈拉溝煤礦22402 工作面在推進到離工作面 38 m 時發生突水潰砂事故，導致地面形成了直徑 47 m、深 12 m 的巨型塌陷漏斗坑；2012 年陜西神木隆德煤礦在施工電纜孔時因鉆孔穿透采空區頂板導致發生了突水潰砂事故，在初始僅為直徑91 mm 的電纜孔條件下，因強大的水動力作用使鉆孔迅速擴大，導致大量水砂潰入礦井，并在地表形成塌陷坑，沙丘下陷25 m，突水潰砂量巨大。可見，突水潰砂災害具有突發性、放大性及強危害性等特點，關注風積沙區煤炭基地突水潰砂災害問題同樣至關重要。

圖4 煤礦地下開采引起的突水潰砂地質災害典型特征Fig.4 Typical characteristics of sudden water and sand collapse disasters caused by underground mining in coal mines

據此，筆者團隊建議突水潰砂災害科學防控應立足于其煤層埋深、巖層組合特征、水文地質狀況及地表補水條件等因素，探究潰砂源、通道、開采活動影響等互饋演化機理，同時，研究基于突發性與多準則信息精準判識的突水潰砂災害預測預警模型；此外，厘清水砂流注漿擴散及封堵機理是實現潰砂治理和搶險救災方案科學決策的重要依據，也是該領域亟待解決的重點問題。

3 黃河幾字彎區煤炭基地生態環境問題及典型特征

黃河幾字彎區生態環境脆弱，抗擾動能力差且水資源短缺。而煤炭資源的大規模開采成為該區域生態環境最嚴重的干擾因素，導致生態環境急劇惡化，并引發了一系列生態環境問題，主要表現為：開發區域的地下水位下降、水土流失、土地荒漠化及廢水廢渣污染等[6]。現結合黃河幾字彎區煤炭基地生態環境問題及典型特征予以詳細闡述。

3.1 地下水位下降

由于不同煤炭基地、不同礦區開采條件以及稟賦地質環境存在較大差異，其對地下水擾動的嚴重程度有所不同。具體而言，黃河幾字彎區煤炭基地中神東、陜北基地采煤對地下水的擾動較為強烈。范立民[28]、彭捷[29]等對神東、陜北煤炭基地地下水進行了長期跟蹤研究，發現近20 年來榆神府礦區地下水位下降非常明顯，部分區域第四系薩拉烏蘇組地下水被疏干，地下水位下降至基巖界面以下，如：窟野河逐漸演變為季節性河流，部分井、泉甚至出現干涸現象。1996-2015 年的20 年內，榆神府礦區8 971.5 km2范圍內有記錄泉眼由2 580 處減少至376 處，占原有泉眼總量的85%；總流量由原來的4 997.059 7 L/s 減少至996.392 L/s，占原流量的80.06%[28]。鄂爾多斯盆地的神東煤炭基地因開采引起了地表沉陷、地面塌陷和地裂縫，導致礦區地下水位大范圍和大幅度下降，原統計的121 個泉眼減少了104 個[6]。此外，黃隴煤炭基地因采煤導致的地下水位下降同樣十分明顯。如：陜西彬長礦區煤炭開采后白堊系含水層地下水流場受到顯著影響，其中，亭南煤礦局部水位降深達到194.87 m，礦區北部煤礦開采區水位普遍下降，降深大于30 m，東部火石咀煤礦降深更大，達到60～70 m[30]。

煤炭開采除可誘發承壓含水層水位下降外，同樣對潛水位埋深具有明顯影響；據陜西省一八五煤田地質勘探隊對陜北煤炭基地榆神府礦區內潛水埋深調查發現[31-32]：潛水位埋深一般小于15 m，符合生態水位合理埋深，對于保障毛烏素沙地植被生態安全具有重要價值。王雙明等[33-36]前期研究發現：地下水位埋深是影響礦區表生生態環境的主控因素，榆神府礦區合理的生態水位埋深為1.5～5.0 m，5～8 m 為警戒地下水位埋深。當采煤造成的水位下降超過 5 m 時，表生生態受到嚴重影響。但據2015 年范立民團隊[37-38]對榆神府礦區潛水位埋深調查發現：窟野河、禿尾河沿岸潛水位下降明顯，下降幅度大于8 m 的面積達到 758.9 km2，占調查區總面積的7.3%，且全部位于煤炭高強度開采區；其他73%未采煤區潛水位卻未出現明顯下降。可見，黃河幾字彎區開展保水采煤及減損開采技術研究勢在必行。

基于前期研究發現，大規模的煤炭開采對黃河幾字彎區地下水位的影響明顯，而地下水位降低顯著影響了表生生態環境，易引起土地荒漠化，河流、泉流量衰減等生態問題。因此，著重關注該區域煤礦開采對地下水位擾動影響規律及內在演化機制，是后期該區域生態地質及環境保護的重點研究工作之一。

3.2 水土流失

黃河幾字彎區水土流失生態問題同樣嚴重，且主要發生在黃土地貌區，具體分布于晉中、晉北、黃隴、陜北煤炭基地東部-東南部。具體而言，因采煤過程對地下水位產生下降影響，導致地面植被遭受一定程度破壞，形成土壤松散裸露；而黃土結構疏松，黏聚力和抗剪強度較弱[39]，易在強降雨作用下發生大規模流滑現象，進而導致水土流失的發生。

晉中、晉北煤炭基地地處黃河幾字彎區，由于暴雨集中、植被稀疏，土壤抗蝕性差，一直是我國水土流失最嚴重的地區之一[40-41]。圖5 為山西省2017 年部分大型煤炭基地水土流失分布，據圖可知，水土流失區域與煤礦區的分布存在密切相關性，其中，晉中、晉北煤炭基地大部分礦區為重度、中度水土流失。而部分礦區(離柳、鄉寧、河保偏、嵐縣)位于黃河沿岸，受濕陷性黃土影響加之規模化采煤，水土流失程度嚴重，可達到重度水土流失程度，這與相關礦區內河流眾多、地形復雜、環境脆弱，加之采煤強擾動活動有關。

圖5 山西省2017 年部分大型煤炭基地水土流失分布(數據來源于中國地質調查局)Fig.5 Water and soil erosion distribution map of some large coal bases in Shanxi Province in 2017 (Data from China Geological Survey)

圖6 為黃隴煤炭基地2017 年度水土流失分布特征圖，從圖可看出，黃隴煤炭基地內所有礦區均存在不同程度的水土流失現象。具體而言，黃隴煤炭基地屬黃土高原丘陵溝壑區，降雨集中，溝壑交錯，采煤活動加劇水土流失。彬長礦區則是黃隴煤炭基地水土流失最為典型區域，也是黃河中游水土流失重點區域之一。究其原因，該礦區屬陜北黃土高原南部塬梁溝壑區，部分礦井處于黃土塬邊緣地帶，地表水系發達，植被稀少，采煤活動導致水土流失嚴重。據前期調查統計發現，目前礦區1 270 km2土地，水土流失面積占全區面積的81.4%[42-43]。

圖6 黃隴煤炭基地2017 年度水土流失分布特征圖(數據來源于中國地質調查局)Fig.6 Distribution map of soil and water loss in Huanglong Coal Base in 2017 (Data from China Geological Survey)

此外，陜北煤炭基地東部-東南部地區位于黃土區，區內受多次黃土堆積和侵蝕作用影響，地形破碎、溝壑縱橫，水土流失極為嚴重，主要發生區位于各大支流的上游邊界地帶和東部、南部溝壑區。因溝壑區裸露的沙質黃土、紅土和松散的風積沙為水土流失提供了豐富物質來源。尤其在地形坡度大于15°區域，暴雨產生急劇的地表徑流，形成巨大的沖刷力，強烈侵蝕表層土壤而產生水土流失[6,18]。

以上研究均表明，黃河幾字彎區煤炭基地水土流失嚴重，并受到煤炭開采活動密切影響，因此，確保煤炭大規模開采的同時，探索適宜于開采區高效水土保持技術方案是后續亟待解決的技術問題之一。

3.3 土地荒漠化

土地荒漠化主要受煤炭基地特殊的地形地貌、氣候及人為活動影響。黃河幾字彎區寧東基地大部、神東基地中西部、陜北基地西北部均存在土地荒漠化現象。上述區域因氣候干燥、植被稀疏，生態環境脆弱。高強度、大規模的煤炭開采活動客觀上加速了土地荒漠化[35]。

深入剖析可知，神東、陜北煤炭基地處于毛烏素沙地與黃土丘陵復合侵蝕嚴重的接壤地帶。其中，神東基地萬利、神東礦區主要位于毛烏素沙地。礦區北部為高大新月形流動沙丘鏈覆蓋，強度沙漠化風蝕土地占礦區總面積的70%以上，風蝕程度達2.5～22.0 cm/a，風蝕強度大于2 500 t/(km2·a)的土地占總面積的90%以上，沙漠化土地年均自然增長率為0.5%[44-45]。加之大規模煤炭開采，造成了地貌改變，加速了土地荒漠化[6]。

此外，陜北煤炭基地榆神、榆橫礦區位于毛烏素沙地。其中，榆神礦區中西部由起伏沙丘沙地、半封閉的相對低洼灘地構成，約占礦區總面積的5/6。東部為黃土丘陵，由風沙地貌及黃土丘陵地貌組成，屬荒漠-半荒漠生態系統[46-48]，地表覆蓋風積沙為土地荒漠化提供了豐富的物質基礎，干燥少雨、植被稀疏以及煤炭開采活動加劇了土地沙漠化問題。寧東煤炭基地因位于風沙區，土地荒漠化問題同樣嚴重，且主要集中于基地北部區域[49]。

但隨著生態文明建設被列為國家發展戰略，國家長期實施退耕還林還草及人工治沙政策的持續推進，土地荒漠化問題得到了極大改善。據寧東基地2000-2015 年度土地沙化面積變化統計表明(圖7)，基地土地沙化主要以輕度沙化為主，中度及以上沙化面積及所占比例逐年下降；而無沙化和非沙化面積及所占比例整體上呈現逐年增加趨勢。榆林沙區已建成1 166.73 km2的防護林和4 000 km2的固沙林，沙區林草面積已達9 733.82 km2，植被覆蓋率由建國時的1.8%上升到39.8%，治理面積達69.01%；寧東煤炭基地除石嘴山礦區西北部分區域仍存在重度沙漠化現象外，其他礦區均無土地沙化現象。上述數據說明，植樹造林、防沙治沙等措施可較好地遏制土地荒漠化的蔓延，但加強礦區生態環境的長效化治理仍刻不容緩[2,50-52]。

圖7 寧東煤炭基地土地沙化變化情況統計結果(數據來源于中國地質調查局西安地質調查中心)Fig.7 Statistical results of land desertification changes in Ningdong Coal Base (Data from Xi’an Geological Survey Center of China Geological Survey)

3.4 廢水與廢渣污染

煤炭開采中廢水來源主要為井下礦坑水、洗煤廢水及生活污水。廢渣主要為采煤過程中排出的固體廢物煤矸石、粉煤灰等。礦井水、洗煤水處理不當會對水體造成污染；而廢渣則壓占大量土地，影響植被生長，破壞原始地貌，嚴重情況下誘發地質災害并對生態環境造成破壞。

依據黃河幾字彎6 大煤炭基地廢水廢渣排放分區圖(圖8)，黃河幾字彎煤炭基地廢水廢渣污染嚴重地區主要分布在晉中(離柳、霍東、霍州、汾西等礦區)、晉北(大同、嵐縣、河保偏等礦區)、黃隴(彬長、韓城等礦區)、陜北(榆神礦區)及神東(神東、府谷礦區)等。對上述廢水污染嚴重區域進行歸納發現，其具有以下典型特點：(1) 廢水排放量大，且存在部分礦井廢水排放缺乏科學管控問題。如晉中煤炭基地離柳礦區在2019年礦坑排水量達到了20 284 m3/d[53]，而礦坑水易污染河流，往往對當地生態環境造成較大威脅。(2) 廢水破壞了原有水體循環規律，地表水污染嚴重。神府-東勝礦區在煤炭開采后河水的硬度變為開采前的3 倍，礦化度是開采前的8 倍，河水由開采前的中礦化型硬水變成開采后的高礦化型硬水[54]。

圖8 黃河幾字彎區煤炭基地廢水與廢渣排放污染嚴重程度分區[15](數據來源：中國地質調查局西安地質調查中心)Fig.8 Schematic diagram of waste water and residue discharge from six major coal bases in the bends area of the Yellow River[15] (Data source:Xi’an Geological Survey Center of China Geological Survey)

煤矸石是因煤炭開發造成廢渣污染的主要來源，也是目前我國排放量最大的固體廢棄物之一。目前，我國每年煤矸石的排放量平均為煤炭總產量10% 。據統計(表2)，2018 年黃河幾字彎6 大煤炭基地排放的煤矸石等固廢總量為35 961.62 萬t，平均排放強度0.74 t/d；年利用固廢量為22 393.93 萬t，平均利用率為62.27%，高于全國平均值52.65%。其中，神東、晉北、陜北煤炭基地由于大型露天礦數量稍多、區域循環經濟產業鏈較短等因素，煤矸石的排放量較大，排放強度較高。煤矸石的大量堆放易造成諸多廢渣污染問題：(1) 矸石堆積造成土地壓占，破壞地貌景觀；且在一定條件下堆積體邊坡失穩，易發崩塌、滑坡災害；若發生強降雨，加之其他客觀因素會造成泥石流災害。(2) 煤矸石在風蝕作用下會產生揚塵；同時，矸石含易燃成分，受外界空氣影響會發生自燃，產生有害有毒氣體污染大氣環境。(3) 在雨水作用下，煤矸石會發生淋濾，形成硫酸或酸性水，其滲入地下導致土壤、地表水及地下水污染。

表2 黃河幾字彎區六大煤炭基地煤矸石等固廢循環利用指標統計[55]Table 2 Recycling index of solid waste such as coal gangue from six major coal bases in the bends area of the Yellow River[55]

開展區內煤矸石等固廢資源化綜合利用，是降低煤矸石對當地生態環境影響的最佳方案之一。近年來，我國在積極推進固廢資源循環利用工作，黃河幾字彎區各大煤炭基地也在積極探索煤矸石等固廢資源轉化利用方式，并取得了良好的實踐效果。如神東、晉北、黃隴基地煤矸石轉化率均較高(≥60%)，基地內受固廢污染影響較小。因此，做好黃河幾字彎煤炭基地煤矸石等固廢利用工作，發展采空/塌陷區回填、筑基修路、土地復墾新材料；同時，積極探索以煤矸石為原料的建筑及環境化工應用等技術發展，將對降低煤矸石等廢渣對生態環境的影響大有裨益。

4 結 論

a.黃河幾字彎6 座大型煤炭基地主要分布于黃土區、風積沙區兩大地貌類型，黃土區在氣候條件、土壤肥力、植被類型略優于風積沙區，但存在蒸發量大，水資源緊缺等問題；風積沙區主要成煤期為侏羅紀，黃土區則主要為石炭-二疊紀及侏羅紀，含煤地層普遍地質構造相對簡單、頂板條件較好、埋藏較淺、厚度大，適合開展煤炭生產基地規模化建設。

b.黃河幾字彎煤炭基地地質災害處于高度易發區，面臨的地質災害類型為：地面塌陷與地裂縫、崩塌、滑坡與泥石流和突水潰砂等。地面塌陷與地裂縫災害系區域內采煤活動形成地下采空區引發；區內存在的松散覆蓋層地質條件與人類活動等因素而導致產生滑坡、崩塌、泥石流等表生地質災害；導水裂隙帶導通地表，通過采動裂隙造成突水潰砂災害。同時，地質災害類型因煤炭基地地理位置和地貌類型而產生差異。

c.黃河幾字彎因大規模采煤活動引發地下水位下降、水土流失、土地荒漠化和廢水廢渣污染等生態問題，神東、陜北煤炭基地采煤對地下水位下降的影響更為明顯；風積沙區(寧東、神東煤炭基地)以土地荒漠化問題突出，而黃土區(陜北、黃隴、晉中、晉北煤炭基地)則以水土流失問題最為嚴重；探索煤矸石等固廢資源高效、清潔化轉化利用是該區域礦區生態環境保護工作面臨的緊迫問題。

d.黃河幾字彎區地處流域中上游干旱-半干旱區，生態系統脆弱，受區域采煤活動影響產生了顯著的地質災害與生態環境問題，建議依據“山水林田湖草沙生命共同體”生態綜合修復治理理念，結合風沙區、黃土區等不同地貌單元特點，探討具有地貌特征差異性的地質防治與生態環境修復技術，同時重點關注因地下采煤活動對地下水及生態環境的影響，探索以保持生態水位及降低環境污染的綠色減損開采技術，是現階段黃河幾字彎區煤炭開采與生態環境協調化發展的重要工作之一。