深部煤礦閉坑后礦區環境監測及影響分析

賀超峰

(國家能源集團國際工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

近20年來，隨著經濟的騰飛，國家快速發展對能源的需求量顯著增加。而我國能源結構是富煤、少油的國家，對煤炭的單方面依賴短期內無法改變。然而煤炭資源的開采有利有弊，資源的采出對國家經濟的發展有著重要貢獻，同時也造成了礦區生態環境的破壞，尤其對礦區附近地面及建筑沉陷、地下水及固體廢棄物的污染等方面存在影響[1 -4]。因此對閉坑煤礦進行礦區環境影響監測與評估十分必要。

許多學者對煤礦閉坑的影響進行監測分析，王來貴等[5]根據大中型露天煤礦在生產過程中誘發的大量地質災害，針對不同地質災害提出礦山在閉坑后可能發生的災害類型，分類指出不同的災害防治措施。汪旭[6]分析歙縣洪村口廢棄石煤礦閉坑概況，提出關于歙縣洪村口廢棄石煤礦山的地質環境恢復與治理建議。畢堯山等[7]以岱河煤礦為研究對象，選用回采空間法計算了該煤礦閉坑后采空區積水體積，并分析了閉坑后采空區積水過程。許延春等[8]以三河尖煤礦閉坑工程為研究背景，通過理論分析、數值模擬的方法，從不同角度分析三河尖與姚橋煤礦井田邊界隔水煤(巖)柱留設的安全性，研究了三河尖煤礦井田邊界煤柱留設合理寬度、地質鉆孔導水通道，從而分析三河尖煤礦閉坑后礦井積水對姚橋礦西翼采區開采安全性的影響程度。張健俐[9]分析了淄川區洪山、寨里煤礦閉坑工程，研究表明礦井閉坑后礦區隱伏灰巖裂隙巖溶水的污染范圍與礦井老空水相一致，是由于礦井老空水水位升高與巖溶水聯通導致污染。針對這種竄層污染制定了控制及治理對策。任輝等[10]提出加快關閉煤礦煤層氣資源開發利用，首先建立資源評價方法，完善閉坑煤礦煤層氣監測制度。提出建立相關制度，通過產業政策激勵閉坑礦井的煤層氣資源的高效利用。劉小瓊等[11]分析了閉坑煤礦對礦區及周邊區域潛在的地質及環境災害，研究其對社會、當地經濟及礦區環境的危害，呼吁高度關注閉坑煤礦對礦區生態環境造成的影響，預先制定礦區生態環境保護措施。

眾多學者研究表明煤礦閉坑后對礦區的生態環境會造成潛在威脅。因此，針對淮北某煤礦閉坑后對礦區環境影響進行研究，通過介紹礦區現有資源儲量及閉坑原因，然后對礦區地面沉陷、地表及地下水、固體廢棄物的污染等方面分析礦區環境現狀并提出應對措施，以期為類似礦井閉坑后礦區環境監測及治理提供技術參考。

1 工程背景

煤礦位于淮北市東北方向，距離市區約16 km的朔里鎮境內，具體位于淮北煤田的閘河復式向斜中段西翼。南北長約7.3 km，東西寬2～4 km，面積約17.995 8 km2。礦井上覆40.10～80.00 m第四系沖積層，實際標高32.04～34.99 m。礦區地勢呈現北部偏高而南部稍低特征，區域內無河流通過，現僅在礦區北方葛洼村附近存在人工開鑿的增產河。河流水量隨季節變化，旱季干涸。1982年7月，增產河最高洪水位高達36.6 m，造成過一定的積水災害。礦區范圍屬海洋 -大陸過渡性氣候，冬冷夏熱，多雨水，其中雨季多集中于每年的6～8月份，年降水量約為600～1 480 mm。凍結期為每年12月上旬至次年2月中旬，凍土深度為0.2 m，最深為0.3 m。礦區氣溫歷年在12～40 ℃，平均相對濕度為73%，氣壓為99～104.1 kPa。夏季多東南風，冬季多西北風，風力一般3～5級，最大風力為9～11級[12]。

2 煤礦閉坑原因及現有資源儲量

根據皖煤化辦函〔2017〕2號《安徽省煤炭行業化解過剩產能實現脫困發展辦公室關于淮北礦業集團請求暫緩關閉石臺、朔里等五對煤礦意見的復函》，為響應國家有序退出過剩產能要求，綜合考慮煤炭資源枯竭等因素，2019年7月底之前淮北礦業須關閉該煤礦，退出產能165萬t/a。煤礦煤層最低可采厚度采用0.7 m，最高可采灰分為40%，最高硫分為3%，最低發熱量為17.0 MJ/kg。風化帶為煤層露頭至-45 m，風氧化帶內的煤層不估算資源儲量。截至2019年7月31日，礦權范圍內全礦井保有資源儲量419.5萬t，另有天然焦515.5萬t，累計查明資源儲量7 662.8萬t。現礦區保有的剩余資源儲量占累計探明礦區資源儲量的5.5%左右。

3 閉坑煤礦對礦區環境影響評估

3.1 礦區沉陷地質環境變化

3.1.1 主采煤層上覆頂板裂隙發育范圍

依據國家安全監管總局、國家煤礦安監局、國家能源局、國家鐵路局頒發的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，礦井可采煤層覆巖內為中硬巖層，按照規范公式，通過本礦井揭露煤層厚度計算了3、5、6號煤層開采時垮落帶、導水裂隙帶高度，見表1。

表1 煤層開采導水裂隙帶及垮落帶高度計算

通過表1可以看出主采煤層開采后上覆巖垮落帶及裂隙帶發育高度。從引發礦井上覆巖層開采時的突水災害發生可能性角度分析，大都因導水裂隙帶破壞覆巖而發生松散層含水層突水，然而該礦區礦田范圍內上覆巨厚松散層覆蓋，開采引起的上覆導水裂隙帶及垮落帶一般不會與地表裂縫相互導通，因此不存在礦井突水破壞災害。

3.1.2 地表沉降及塌陷

礦區內采空塌陷影響面積合計約13.1 km2(約占礦區面積的72.9%，地表塌陷從南向北逐漸擴展。礦區地層塌陷呈現規模大，地面塌陷穩定期長，其中礦區地表下沉最大點深達8.0 m；塌陷區積水面積合計約6.49 km2(約占礦區總面積的35.3%)，最大積水深度約6.5 m。根據礦區內塌陷毀損情況，現將采空塌陷影響區劃分為3個區域。采空塌陷地質災害影響嚴重區(區域一)，塌陷深度大于1.5 m區域，該區域面積約合計為8.9 km2；采空塌陷地質災害影響較嚴重區(區域二)，塌陷深度約為0.5～1.5 m區域，該區域面積約合計為2.9 km2；采空塌陷地質災害影響較輕區(區域三)，塌陷深度小于0.5 m區域，該區域面積約合計為1.2 km2。

3.1.3 地表塌陷的綜合治理

礦采空塌陷區現狀治理工程主要為礦區工業廣場周邊塌陷區的復墾工程，主要治理措施為穩沉后直接用煤矸石回填塌陷區，然后直接作為建設用地，建設工人村及塌陷區搬遷村莊的回遷村址。治理面積約0.55 km2，還剩余約12.5 km2的塌陷區未進行治理。治理效果明顯，通過穩沉后回填煤矸石、土等方式是可行的，可作為后續塌陷區治理工程的參照。

3.2 礦區水體污染分析

通常礦區污廢水由礦區人員生活污水、井下生產排水和選煤工藝廢水組成。這些污廢水會對礦區范圍內的地表及地下水產生潛在的污染可能性。

3.2.1 地表水環境質量現狀

礦區地面范圍內無大的河流和湖泊，僅有礦區北部由人工開鑿的礦井增產河，河面寬約25 m。目前，葛洼橋以西到陳谷堆段河道已發生塌陷，河面變寬，最寬處約100 m。增產河兩岸邊坡形狀不規則，據調查，此人工河河水暫未受到污染礦井煤體及污水影響[12]。對工業廣場西側的朔西湖內取地表水樣檢測結果見表2。

根據表2可知，項目區地表水水質均符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水標準。

3.2.2 地下水環境質量現狀評價

通過對礦區地下水水質監測分析表明，礦區主要煤層開采對礦區內孔隙含水地層沒有造成較大影響，地層中隔水層并未發生破壞，區域地下水的均衡未受到破壞。地下水水位并未呈現變大、減小或枯竭的現象，因此可見礦區含水地層水質未受到污染，徑流、水位未受到破壞。此外，礦區采掘邊緣的地層風化帶，其發育裂隙導致含水地層水量減小，但由于該處水體水量較小，因此對地下水平衡影響較小。分析結果表明礦區淺層地下水水質能達到《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類要求。研究表明礦區居民井水(淺層地下水)水質較好，未受到礦區污、廢水影響。

表2 礦區地表水水質監測結果

3.2.3 礦區污廢水對區域水環境的影響

由礦區水質監測報告可知，礦區生活污水中污染源主要為SS、CO2、BOD5、NH3—N等，水體中重金屬污染物濃度較低，但含濃度較高的含菌物。此外，煤礦礦井水由水泵運至地面后經處理，被用于礦井井下生產及防塵用水、工業廣場綠化等用水。對礦井生產廢水處理前后的水樣進行了取樣并檢測，結果表明礦井生產水中各污染物指標的排放濃度均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中第I類污染物允許排放濃度范圍以及國家一級水質標準的限制要求。

此外，對礦區賦存的高嶺土礦層及各煤層進行取樣分析化驗，監測結果表明均無毒、無有害及放射性元素；據礦煤層采樣化驗資料可知，礦區賦存各煤層中硫含量小于1.2%，其中賦存貧煤屬低硫煤，其余煤層屬于特低硫煤。另外，各煤層中磷的含量小于0.05%。但各個煤層賦存的有害元素依然會對礦區地表水及淺層地下水水質造成一定的污染，但污染程度有限，并且對礦區深部地下水體基本不會產生影響。

3.2.4 煤層開采對水資源影響分析

礦井煤層開采而大量排放水，會引起礦區地下水水位持續下降，其中特別是煤系含水層位于疏干、半疏干狀態，并且水位恢復緩慢。礦區地層中太灰水補給較為方便，對6號煤層開采時，會對地下水產生一定影響，隨著6號煤層回采結束，太灰水很快得以恢復。松散層底部含水層水由于底部隔水層存在，受礦井排水影響極小。煤礦建立5 000.0 m3/d處理能力礦井水凈化水廠，礦井水處理后直接用于礦井井下生產及防塵用水、工業廣場綠化、衛生及生活等用水，基本無剩余。

3.3 礦區廢棄物的堆放與綜合利用

3.3.1 固體廢棄物的堆放

礦井工業廣場內有一處煤矸石中轉站，據本次調查訪問，煤矸石直接用于塌陷區回填、筑路或綜合利用等，其中井下矸石的臨時堆積高度應低于2.0 m，不超過100 m3。這樣不易引發或遭受崩塌地質災害，礦井產出的煤會及時外運，煤堆場基本無存煤。礦井產出的高嶺土會及時運至高嶺土淮北金巖高嶺土公司進行加工，然后進行外賣，其高嶺土堆臨時堆高不超過2.0 m，土方堆積量總體較小，且四周建有圍欄，不易引發崩塌地質災害。

3.3.2 綜合利用

礦井及選煤廠生活垃圾運往淮北市垃圾處理站處理。礦井產生的矸石由副井提升至地面后，由架線機車牽引礦車運輸至煤矸石中轉站，再經翻罐籠裝入汽車，直接用于塌陷區回填、筑路或綜合利用等。礦井鍋爐灰渣年排放量較小，與煤矸石一并處理，用于塌陷區回填、筑路或綜合利用等。

4 結語

以淮北礦區某礦為工程背景，綜合考慮煤炭資源枯竭等因素，礦井保有資源煤炭儲量419.5萬t、天然焦煤515.5萬t，保有資源儲量占累計查明資源儲量的5.5%。閉坑礦井采空塌陷區治理工程主要為礦區工業廣場周邊塌陷區的復墾工程，用煤矸石回填塌陷區，作為建設用建設工人村及塌陷區搬遷村莊的回遷村址。煤層中有害元素的流失可能會對地表水及淺層地下水水質造成一定的污染，但對深層地下水質沒有影響。礦井及選煤廠生活垃圾運往淮北市垃圾處理站處理。矸石用于塌陷區回填、筑路或綜合利用等。礦區閉坑后礦區環境監測及治理經驗可為類似礦井提供技術參考。