山東鄆城縣城區(qū)地質(zhì)環(huán)境“孤島”問題初探

摘"要：鄆城縣作為“孤島”礦區(qū)城市，城市地質(zhì)環(huán)境問題主要表現(xiàn)為采礦塌陷、地表水質(zhì)變化、地下水流場變化、空氣污染、坑口電廠及煤化工企業(yè)綜合影響等一系列問題，礦震的復合作用也有可能威脅到城市建筑物安全。文章分析了鄆城縣城市地質(zhì)環(huán)境影響因素并對未來發(fā)展趨勢進行了預測，對采煤塌陷地的變化、地下水環(huán)境影響、空氣質(zhì)量變化等分別進行了論述，提出了開展鄆城縣城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價和建設(shè)城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)建議。

關(guān)鍵詞：孤島城市；地質(zhì)環(huán)境；災(zāi)害；污染；監(jiān)測

Preliminary exploration of geological environment \"isolated island\" problem in urban area of "Yuncheng County， Shandong Province

WU Bo¹， HUANG Wenfeng²， WANG Yuzhen²

（1.Natural Resources and Planning Bureau of Yuncheng County， Yuncheng， Shandong 274700， China；

2.Heze Mineral Resources Exploration and Development Center， Heze， Shandong 274000， China）

Abstract： As a city of \"isolated island\" mining area， Yuncheng County's urban geological environment mainly faces such problems as mining collapse， changes in surface water quality and groundwater flow field， air pollution， comprehensive impacts of pithead power plants and coal chemical enterprises， and so on. The combined effect of mining earthquakes may also threaten the safety of urban buildings. This paper analyzes the influencing factors of urban geological environment and predicts the future development trend in Yuncheng County. It discusses the changes in coal mining collapse areas， impact on groundwater environment， and changes in air quality. Suggestions are put forth regarding urban environmental geological survey and evaluation， and the establishment of an urban geological environment monitoring network in Yuncheng County.

Keywords： isolated island city; geological environment; disaster; pollution; monitoring

鄆城縣地處巨野煤田腹地，城區(qū)全部為礦區(qū)范圍，現(xiàn)已被周邊3個煤礦包圍，呈“孤島”狀態(tài)。隨著采礦活動的不斷發(fā)展，城市周邊出現(xiàn)的采空塌陷、水體污染、土壤鹽漬化、水資源枯竭等現(xiàn)象，不可避免地會使城市“孤島”化現(xiàn)象因采礦活動而愈加嚴重。本文分析了礦區(qū)“孤島”城市地質(zhì)環(huán)境問題，并對城市地質(zhì)環(huán)境的未來發(fā)展做出預測。

1 "研究區(qū)概況

1.1 "地質(zhì)概況

鄆城縣域范圍內(nèi)均為第四系和新近系沉積物覆蓋，根據(jù)鉆探調(diào)查揭示，巨野井田范圍內(nèi)的地層從上到下依次為第四系、新近系、二疊系上統(tǒng)上石箱組與下統(tǒng)下石箱組、山西組、石炭系上統(tǒng)上太原組與中統(tǒng)本溪組、奧陶系中下統(tǒng)、下統(tǒng)，儲煤層以山西組、太原組為主。

1.2 "水文地質(zhì)條件

本區(qū)域?qū)冱S河沖洪積平原區(qū)，區(qū)內(nèi)廣泛分布有巨厚的新生界松散堆積物，下伏石炭-二疊紀煤系地層。區(qū)域地下水含水巖組根據(jù)不同巖層的地下水賦存條件、水文地質(zhì)條件、地下水循環(huán)狀況、水質(zhì)特征等，分為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖類孔隙裂隙水含水巖組。其中，目前這一地區(qū)開發(fā)利用的含水層主要是松散巖類孔隙水（姜堯發(fā)等，2011）。

1.3 "礦山開采現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，截至2023年12月31日，鄆城縣所轄煤礦企業(yè)累計煤炭資源儲量為10 271.1萬t，累計采出8 740萬t，累計損失1 531.1萬t。其中：李樓煤業(yè)240萬t·a^-1，井田面積198.28 km2，累計采出資源儲量為1 333.2萬t，累計虧損261.7萬t；趙樓煤礦生產(chǎn)規(guī)模300萬t·a^-1，礦區(qū)面積143.35 km²，累計采出3 368.8萬t，累計損失788萬t；郭屯煤礦生產(chǎn)能力為240萬t/a，礦區(qū)面積"69.33 km²累計采出2 603.5萬t，累計損失230.8萬t；彭莊煤礦，生產(chǎn)能力為60萬t·a^-1，面積67.19 km2，累計采出量1"434.5萬t，損失量250.6萬t。

2 "城市地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀

鄆城縣內(nèi)現(xiàn)有4對開采井田，由南至北分別為趙樓煤礦、郭屯煤礦、彭莊煤礦和李樓煤礦（圖1）。因采礦活動引發(fā)的鄆城縣城區(qū)地質(zhì)環(huán)境“孤島”問題將逐漸顯現(xiàn)。

2.1 "采煤塌陷地

截至2023年底，鄆城縣采煤塌陷地總面積30.69 km²，與2022年29.22 km²相比，新增采煤塌陷地1.47 km²。鄆城縣2023年采煤塌陷地范圍內(nèi)的基本農(nóng)田面積12.13 km²，占2023年采煤塌陷地總面積39.53%；采煤塌陷地范圍內(nèi)涉及鄆城縣城鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)面積0.15 km²，占2023年采煤塌陷地總面積0.48%。

2.2 "水環(huán)境影響

由于鄆城縣城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)地下水為禁采區(qū)，鄆城縣城區(qū)地面變形的影響目前尚不明顯。但隨著礦區(qū)煤系地層地下水不斷被疏干，地下水滲流場和補給條件的不斷變化（劉哲，2012），地下水越流和城市地面塌陷將不可避免的在局部出現(xiàn)（李德珅，2019）。

開采煤礦對地下水資源的影響主要體現(xiàn)在以下3"點。

1）造成水資源浪費

在采煤過程中，由于大量的礦坑水需要強制排放，很多煤礦直接將水排出，而不是綜合利用，這就造成了地下水資源的浪費（表1），使礦區(qū)水資源更加緊缺。

2）地下水補給量的變化

地表水流向地下水的過程因礦山開采造成的地表裂縫和塌陷而得到促進，降水滲透速度加快。另外，礦山排水造成地下水位下降，導致水資源侵占周邊土地現(xiàn)象增多。以郭屯煤礦為例，根據(jù)《臨沂礦業(yè)集團菏澤煤電有限公司郭屯煤礦采煤塌陷地現(xiàn)狀調(diào)查報告（2022）》，治理后的常年積水區(qū)面積為2.60 km2。

3）可利用水資源量減少

地表水資源的可利用量減少，煤礦開采后，“三帶”（冒落帶、彎曲帶、裂縫帶）的出現(xiàn)，改變了大氣降水、地表水、地下水三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（張宗祜等，1997）。在采區(qū)范圍內(nèi)，地表污染水可能通過松散層裂縫、煤層露頭或?qū)严稁B入井下補入地下水，使地下水受到污染，從而造成可利用的地下水資源減少或枯竭（張建成，2005）。

4）水質(zhì)影響

在煤炭開采過程中，會產(chǎn)生大量的廢水和廢渣，其中含有重金屬、硫化物等有害物質(zhì)。這些有害物質(zhì)通過排放口或滲漏進入水體，造成水質(zhì)污染，影響水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。礦井水中含有懸浮物、廢機油、乳化油等有機物污染物，其總離子含量比一般地表水高，且往往pH值特別低，常伴有大量的亞鐵離子，增加了處理的難度。由于鄆城縣城周邊皆為開采礦區(qū)，隨著采礦活動的加劇，城區(qū)水環(huán)境將受到一定程度影響。

目前，隨著鄆城縣內(nèi)4個煤礦的礦井水脫鹽處理BOT項目的陸續(xù)上馬，礦井水高鹽化對當?shù)厮h(huán)境的影響在一定范圍內(nèi)得到遏制。根據(jù)李樓煤礦DX2號監(jiān)測井地下水水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，地下水溶解性總固體由2020年度的1 075 mg·L^-1上升為2022年度的1 366 mg·L^-1，水中鈉離子由2020年度的287.87 mg·L^-1上升為2022年度的305.51 mg·L^-1，主要超標指標呈上升趨勢，但變幅不大。

2.3 "空氣污染

礦區(qū)開發(fā)建設(shè)所產(chǎn)生的空氣污染源主要是煤化工區(qū)和礦井坑口熱電廠鍋爐所產(chǎn)生的煙塵和二氧化硫等，以及煤炭在儲運過程中產(chǎn)生的粉塵，同時臨時堆積的矸石場以及民間煤場也會產(chǎn)生風蝕揚塵污染。由于鄆城縣城位于李樓煤礦、郭屯煤礦、彭莊煤礦3個礦區(qū)之間，南距隨官屯鎮(zhèn)煤化工園區(qū)和大唐（郭屯煤礦）、趙樓煤礦2個坑口電廠也不到15 km，煤礦開采、坑口電廠發(fā)電煤化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)等不可避免的會影響城區(qū)空氣質(zhì)量，2019年以來，鄆城縣大氣污染防治攻堅戰(zhàn)一直把煤化工園區(qū)、煤礦等作為整治重點。

2.4 "坑口電廠和煤化工企業(yè)綜合影響

2019年3月，總投資90億元的大唐鄆城國家電力示范工程在鄆城縣啟動。該工程擬新建2臺100萬kW超臨界燃煤發(fā)電機組，并啟動正式運行。這是“十三五”期間國家在電力方面唯一的一項示范工程。熱電廠主要環(huán)境問題涉及施工期間產(chǎn)生的噪聲、粉塵、廢水、固體廢棄物等對周圍環(huán)境造成的影響，以及對生態(tài)環(huán)境造成的惡劣影響等。

菏澤煤化基地三大園區(qū)之一的鄆城煤化工園區(qū)，所涉及的環(huán)保問題主要是廢氣和廢液問題。煤化工園區(qū)產(chǎn)生的廢氣主要包括：燃煤破碎篩分及轉(zhuǎn)運過程中產(chǎn)生的廢氣、低壓閃蒸槽氣體在煤氣化廢水處理中產(chǎn)生的廢氣、酸性廢氣在轉(zhuǎn)化汽提過程中產(chǎn)生的廢氣、低溫甲醇洗出的廢氣、硫回收冷凝器廢氣、氮氧化物及空分裝置排放的廢氣等。氣體經(jīng)過篩選吸附處理，再經(jīng)烘干爐氣和汽車尾氣處理的火焰燃燒尾氣。

煤化工產(chǎn)業(yè)對水資源供應(yīng)可靠性要求極高，需要大量的水資源。如果用粉煤氣化工藝，不采用或者少采用空冷，整個項目的用水量為1 600 t·h^-1，煤制甲醇耗水約15 t·t^-1、煤制烯烴耗水約20 t·t^-1、煤直接液化制油耗水7"t·t^-1，煤化工產(chǎn)業(yè)對地下水的依賴，會使它對環(huán)境的影響繼續(xù)加劇。

根據(jù)煤化工生產(chǎn)工藝，煤化工廢水主要包括液化廢水、氣化廢水和焦化廢水。其中煤液化分為直接液化和間接液化。直接液化廢水的特征污染物主要為硫化物和氨氮。間接液化廢水的特征污染物為酮、酸、醇等小分子有機物；氣化廢水一般含有氨氮、酚類和油類等有機污染物；焦化廢水的特征污染物是氰化物和酚類化合物，有毒且難降解。

3 "城市礦山地質(zhì)環(huán)境發(fā)展趨勢

3.1 "采空塌陷影響預測

地表沉陷面積將隨著鄆城縣城周邊礦山的持續(xù)開采而逐漸增大。根據(jù)新發(fā)布實施的《菏澤市采煤塌陷地專項規(guī)劃（2021—2030年）》，預計截至2030年底，鄆城縣采煤塌陷地累計面積為44.334 km²，其中穩(wěn)沉塌陷地27.22 km²，遠期（2026—2030年）新增采煤塌陷地8.15 km²。

隨著采煤塌陷地的持續(xù)擴大，勢必對鄆城縣城區(qū)影響越來越大。目前，鄆城縣城南的宋金河水庫（城南水庫），受郭屯煤礦采礦影響，庫堤已經(jīng)產(chǎn)生塌陷。以遼寧省撫順市為例，從1901年撫順開始規(guī)模開采煤炭，至今已經(jīng)開采了120年，開采出的煤炭達6億多噸，而今撫順煤炭資源已經(jīng)枯竭。但是，比資源枯竭更為嚴重的是，因采煤留下的塌陷、地裂等地質(zhì)災(zāi)害，使撫順危機四伏。特別是撫順的煤礦都是建在撫順城區(qū)，屬于城市煤礦，對城市的破壞力就更加突出。僅采煤形成的城市沉陷、地裂等區(qū)域就有74.7 km²，涉及了撫順4個行政城區(qū)中的3個，約占撫順城區(qū)面積的1/3（龔旭，2018）。

3.2 "地下水環(huán)境影響預測

對地下水資源量和水質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)為礦山開采對地下水環(huán)境的影響。

1）礦井開發(fā)期滿后，全礦區(qū)將形成常年積水區(qū)，改變了原有地下水的自然狀況。其次大氣蒸發(fā)將使地下水水質(zhì)鹽化、礦化度增加，并誘發(fā)附近的土壤鹽漬化（隋建紅等，2017）。

2）長壁冒落方式開采完工作面后，長期的疏排水將使深層巖溶水水位急劇下降。表現(xiàn)為富水區(qū)水位下降速度較快，貧水區(qū)水位下降的速度相對較慢。地下水水力坡度增大，使地下水循環(huán)通路發(fā)生變化。

3）煤氣化廢水污染成分包括COD、BOD5、總氨、總酚、揮發(fā)酚、石油類、氰化物、硫化物等（李得第等，2017），是煤轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的主要工業(yè)廢水。如果不控制煤炭化工企業(yè)的用水，不控制廢水的排放，必然會對水環(huán)境造成滅頂之災(zāi)。

3.3 "空氣質(zhì)量影響

1）煤礦生產(chǎn)對大氣環(huán)境的影響

煤礦開采產(chǎn)生的大氣污染源主要是風井排放的井下廢氣，煤礦選礦過程對大氣的主要污染源是以篩分、破碎矸石山產(chǎn)生的粉塵為主（矯興艷等，2007）。除此以外，其他都是汽車運輸、散煤場等無規(guī)律的粉塵排放。從具體的污染物來看，多數(shù)礦區(qū)總懸浮物顆粒物和降塵量超標，有的降塵量超標幾倍甚至十幾倍。

2）坑口電廠對大氣環(huán)境的影響

廢氣排放：坑口電廠在運行過程中會產(chǎn)生大量的廢氣，包括煙塵、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_X）等，這些廢氣的排放如果不經(jīng)過有效處理，會持續(xù)對周圍大氣環(huán)境造成污染（黃漢生，2001）。

噪聲污染：坑口電廠的噪聲源主要包括鍋爐排汽、汽輪機、水泵及各類風機等，這些設(shè)備的運行會產(chǎn)生噪聲污染，持續(xù)對周圍居民的生活產(chǎn)生影響。

土壤和地下水影響：電廠的運行還可能對土壤和地下水造成影響，尤其是煙氣中的汞等重金屬通過大氣沉降和灰渣的垂直入滲作用，可能對土壤造成污染，未來修復難度較大。

3）煤化工工藝廢氣污染

煤塊釋壓釋氣，煤氣化廢水、灰渣等是煤氣化過程中主要的排放污染方式，經(jīng)過旋風除塵處理后，主要工藝廢氣（葉濤等，2017）中含有的污染成分包括粉塵、一氧化碳、苯并芘、二氧化碳、氫氣、甲烷等，這些污染成分隨后被排放到高空中，廢氣中含有的二氧化碳、氫氣、甲烷等被排放到高空中。工藝廢氣只能逐漸在大氣中稀釋、降解。

3.4 "“孤島”城市發(fā)展新問題

孤島礦區(qū)城市，國內(nèi)鮮見。隨著礦區(qū)回采工作面向城市推進，煤礦開采誘發(fā)的礦震和地裂縫對地質(zhì)環(huán)境的影響將逐步加大。

1）“包圍式”礦震開始危害城市

鄆城縣內(nèi)煤礦普遍采用走向長臂式開采，允許冒落（李煒煜等，2016）。在煤礦開采過程中，礦震成為嚴重威脅井下安全生產(chǎn)重要災(zāi)害之一，煤礦普遍面臨著嚴重的地壓沖擊現(xiàn)象（趙繼虎等，2024；李金奎等，2019）。因此隨著周邊煤礦工作面向城市的不斷推進，礦震影響勢必要逐漸擴大，礦震的復合作用有可能威脅到城市建筑物安全（李永靖等，2008）。

2）復合地裂縫的潛在影響

構(gòu)造斷裂廣泛分布于鄆城縣城區(qū)，由于城區(qū)物探條件限制，煤田勘探時只能控制較大斷層。紅廟斷層及其支斷層，近北北東方向穿越市區(qū)，斷距15～95 m；城區(qū)東南方向的八里廟斷層及其支斷層發(fā)育較為密集，斷層范圍0～80 m；西南斷距為70～120 m。非構(gòu)造地裂縫主要由地下采礦活動引發(fā)，分布在采空沉陷區(qū)的邊緣。采區(qū)接近城區(qū)后，地裂縫對城區(qū)的破壞將加劇（孫秀波，2018），尤其是采礦活動誘發(fā)一些斷層活化，其破壞性結(jié)果將是非常嚴重的。

4 "結(jié)論和建議

鄆城縣作為“孤島”礦區(qū)城市，城市地質(zhì)環(huán)境問題主要表現(xiàn)為采礦塌陷、礦震影響、水質(zhì)污染、水位下降、地下水流場變化、土壤鹽漬化等一系列問題，礦震的復合作用也有可能威脅到城市建筑物安全。礦區(qū)地表沉陷面積將隨著鄆城縣城周邊礦山的持續(xù)開采而逐漸增大，也將影響城區(qū)規(guī)劃建設(shè)的進行。

菏澤市礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作從2007年開始部署，但是針對鄆城縣城區(qū)的監(jiān)測工作至今尚未全面開展，這嚴重制約了礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測成果效益的發(fā)揮，推進鄆城縣城區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作已經(jīng)到了非常緊迫的階段。

一是首先開展鄆城縣城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作。旨在對水資源、水土污染、采空塌陷等制約社會經(jīng)濟發(fā)展的環(huán)境地質(zhì)問題進行調(diào)查，綜合評價地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，并在查明區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出防治對策。

二是建議針對鄆城縣城區(qū)在巨野煤田中獨特的地理位置，相關(guān)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作，建立科學的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為“孤島”式的礦區(qū)腹地城鎮(zhèn)地質(zhì)環(huán)境保護積累珍貴的監(jiān)測和保護經(jīng)驗。地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)組成，監(jiān)測范圍為鄆城縣城市規(guī)劃區(qū)，監(jiān)測對象主要為地面沉降、礦震、地表水質(zhì)、地下水質(zhì)、地下水位、土壤質(zhì)量等內(nèi)容。

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