山西煤矿山地质环境调查现状与思考
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发布时间：2022-04-22 12:47
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时间：2023-07-09 05:49
郭振中1,2 裴捍华2 黄卫星2 杨亲民2
（1中国地质大学水资源与环境工程学院，北京，100083；2山西省地质调查院，太原，030001）
摘要 本文通过对山西六大煤田与煤矿山环境地质问题现状的概略介绍，对目前调查中存在的问题及今后所应开展的工作，提出了几点思考。对矿山环境地质综合评价问题，笔者认为应将对各类煤矿山环境地质问题的分析从专业角度向社会经济方面延伸，并以后者作为统一综合对比的结合点，同时提出了应开展采煤造成地应力改变影响岩溶水、采煤引起土地沙化、各类保安煤柱计算及移动角实测、煤矿山环境地质模式、各类煤矿山环境地质模型建立方法的研究工作。
关键词 煤矿山 环境地质 调查 思考
1 山西煤田概况
山西含煤建造主要以晚古生界石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为主，分布于全省各煤田，煤炭储量占全省总储量98%，开采潜力巨大；其次为中生界侏罗系大同组，分布于大同煤田及宁武煤田北部地区，其储量约占全省的1.6%，可采煤层已所剩无几；第三为新生界第三系含煤建造，分布于繁峙、垣曲等地，储量不多。按煤田沉积环境、地质构造特征、煤质变质规律等综合因素，山西自北向南主要分布大同、宁武、西山、霍西、沁水、河东六大煤田，煤矿山环境地质问题也多发于此，其他地区的小型煤田，问题较少且程度较轻。六大煤田基本情况见表1。
表1 山西六大煤田基本情况统计表
2 山西煤矿山环境地质问题现状
据统计资料，山西省煤矿目前采动面积约5500km2。造成的环境地质问题，据2002年10月山西省地质调查院提交的《山西省重点地区矿山生态环境地质调查评价报告》，在调查的大同、宁武、西山、霍西、沁水（含太原东山、阳泉、潞安、晋城四大矿区）五大煤田内，主要地质灾害为开采沉陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流、煤层自燃、疏排地下水、污染水资源、破坏耕地植被等。各类环境地质问题情况见表2。
表2 各类环境地质问题情况统计表
3 山西煤矿山环境地质调查工作思考
山西是我国北方地质灾害的多发省，同时也是煤矿山环境地质问题最严重的省，然而由于种种原因，山西煤矿山环境地质问题调查工作自1990年以后才逐步引起重视，且在1999年以前开展的工作大多是由于环境地质问题造成矛盾纠纷后，为甲乙双方进行协调或为诉诸法律案件提供依据而开展的点上调查。代表性有限，整体规律不强，难以宏观确定山西煤矿山环境地质问题的整体规模、程度大小、损失多少，难以分析确定不同地质环境、不同开采矿种、不同开采层位、不同开采方式下产生的不同环境地质问题模式。山西省环境地质总站1999年提交的大同矿区地质灾害调查报告、2000年12月提交的山西省1∶50万环境地质调查报告及山西省地质调查院2002年6月完成的山西省重点地区矿山生态环境地质综合调查评价（1∶25万）工作，揭开了山西煤矿山环境地质问题调查工作的新序幕。
山西省1∶50万环境地质调查根据灾害程度将山西省环境地质问题分为强、中、弱及不发育四个大区、34个亚区，用定性分析法进行了分区评价预测。山西省重点地区矿山生态环境地质综合调查评价（1∶25万）依据实际调查的地面塌陷、地裂缝、房屋裂缝、固体废弃物、崩塌、滑坡、泥石流、煤层自燃8类煤矿山环境地质问题数量按2km×2km单元格进行灾种分布统计，进行数字化叠加分析，采用袭扰系数法进行矿山生态环境地质综合评价；确定重点地区生态环境地质破坏面积为1925km2，其中严重破坏面积562km2，中等破坏面积696km2，轻微破坏面积667km2；据各矿山2010年前生产计划及国家十五规划，将各矿区生态环境地质发展趋势分为恶化区、恢复区及自然状态区；评价及预测分别在1∶10万图件上按2km×2km单元格进行。
上述两项目及近年来开展的部分矿区大比例尺环境地质调查、1∶5万县（市）地质灾害调查与区划等工作，为山西省煤矿山环境地质问题宏观规律的总结、形成模式的建立、防治对策的提出积累了资料、打下了基础。对目前调查中存在的问题及今后所应开展的工作，笔者提出如下思考。
3.1 矿山环境地质综合评价问题
矿山环境地质综合评价是以各类环境地质问题的强度规模、活动次数、分布密度、损失大小等为标志的，这些要素决定了环境地质问题的破坏强度、发生次数、危害范围，是进行综合评价、确定损失程度的关键因素。然而不同种类的煤矿山环境地质问题，危险性要素标志是不一致的，当矿山存在多类环境地质问题时，进行矿山环境地质综合评价，各类问题权重的定权难题就突现出来，而这一权重又与矿山开采矿种、地质环境、开采规模、开采层位、开采方式等密切相关，具多样性、复杂性、不确定性，这就使得不同部门、不同地区、不同时间甚至不同部门在同一地区开展的矿山环境地质综合评价难以对比，给*部门制定治灾减灾防灾预案、方案带来诸多不便。尽管近些年来不少学者和研究机构提出了一些建议，但迄今尚未形成统一的点、面或区域矿山环境地质要素综合评价方法，这是我们今后开展此类工作所应解决的首要问题，应尽快建立相应规范或要求。
目前各类环境地质问题权重的定权方法主要有专家打分法、调查统计法、序列综合法、公式法、数理统计法、层次分析法、复杂程度分析法等；矿山环境地质综合评价方法主要有专家确定法、工程类比法、因子得分法、袭拢系数法、概率统计法、聚类分析法等；这些都是对评价环境地质问题的危险性而言的，专业性较强，不同评价方法及结果难以综合对比。笔者认为应将对各类矿山环境地质问题的分析从专业角度向社会经济方面延伸，并以后者为统一综合对比的结合点。要论证这些问题对人类、城镇、建筑、交通、土地、水源、农作物、植被等产生的破坏效应，进而确定具体的灾害受灾体，再依据国家相关标准对受灾体的损毁等级及价值损失率等进行确定，最后从经济角度对矿山环境地质问题破坏损失进行评价。对一些只进行过区域调查难以确定灾害点数、危害范围的区域评价，可用环境地质问题危害强度指数（危险性指数×易损性指数）法进行评价。以其大小或强弱作为矿山环境地质问题受灾程度的划分标准，就能做到统一标准、综合对比。总之要将矿山环境地质问题的危险性分析与易损性分析有机结合，以其破坏损失（经济价值）或危害强度评价为目标开展工作。
3.2 采煤—地应力—岩溶水关系问题
煤矿开采对于当地地层而言，相当于人工卸荷，采煤后采空区周边一定范围内地应力势必发生变化，地应力的改变对在碳酸盐岩裂隙、溶隙（孔、洞）中运移的岩溶地下水来讲，不可能不产生影响。首先在水动力场中正常运移的岩溶地下水，由于地应力改变，岩溶水的运移速度及方向必然产生变化；其次煤矿开采、地应力改变，造成裂隙发育，加强了煤系地层与下伏奥陶系岩溶层的联系，对带压采区，采煤排水量增加，使得岩溶水资源减少加快；对无压采区，煤系地层地下水渗漏使得岩溶水资源遭受污染。我们过去的工作，地应力实测资料极少，对这方面的研究尚属空白，今后应加强。要研究地应力改变影响岩溶水运移的模式及机理，研究山西省煤矿开采产生地应力改变对岩溶水的影响程度。
3.3 采煤引起土地沙化问题
露天煤矿开采，剥离上覆岩土层及植被，必然造成土地沙化；地下煤矿采空区形成的地面塌陷、地裂缝，往往将土层中的细颗粒物质带入深部地下，使上部土地逐渐沙化，在耕地区还伴随着跑肥现象，这是采用一般复垦手段难以恢复的。这些煤矿山环境地质问题的形成模式、危害程度、评价方法、防治措施？是我们以往调查工作忽视或不重视的，也是我们今后应注意研究的课题。
3.4 保安煤柱留设计算问题
山西煤矿绝大多数分布在沟壑纵横的丘陵山区，这就使得开采煤层采空区上部的荷载分布很不均匀，而以往及目前使用的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中计算保安煤柱的关键参数移动角（上山、下山及走向三方向）的实测值山西各大矿区多未开展，只是阳泉一、二、三、四矿及太原西山西曲、官地、镇城底、西铭矿进行过实测，代表性有限，故山西许多保安煤柱的计算具有先天不足，一是因为移动角多为引用，二是因为计算公式对上部荷载分布不均的因素考虑不够。在荷载分布不均的采空区上部，易形成剪切作用，从而使其产生的煤矿山环境地质问题表现形式、灾害程度与荷载分布均匀或不同分布不均的采空区上部有所不同，这就是山西许多煤矿企业已按国家相关要求预留了保安煤柱，但在煤矿开采过程中，仍就在保护区内产生开采沉陷、地裂缝及房屋等裂缝的主要原因之一。今后应加强此方面的研究。
3.5 环境地质问题模式确定问题
山西地质构造条件复杂，由于各煤矿所处地质环境、开采煤层、开采规模、开采方式各不相同，且上覆地层的岩性、厚度也因地而异，故造成煤矿山环境地质问题的程度和模式是有较大差异的。如大同矿区，由于侏罗系大同组煤层顶板坚硬、性脆、抗压强度高，采空区稳定时间难以预计，当矿柱支承条件不够时，往往发生一次性冒落地震，危害极大；在潞安矿区，由于开采煤层山西组、太原组顶板的硬度相对较软，且地表较平，往往形成渐进式大于采空区的地面沉陷，稳定时间也相对较易预测；分布在山区的煤矿，由于上部荷载分布不均，往往造成保安煤柱内的煤矿山环境地质问题。应在开展1∶25万矿山环境地质调查等的基础上，进行1∶10万～1∶5万甚至更大比例尺的调查，综合研究，确定各矿区环境地质问题模式，这对煤矿山环境地质问题的整治与预防是非常必要的。
3.6 分析预测模型建立问题
单项煤矿山环境地质问题分析预测模型的建立对掌握灾害发展趋势、开展灾害预警预报以及为*部门制定减灾防灾预案、进行宏观决策意义重大。山西目前在此方面的工作尚属起步阶段，建立的模型较少，难以满足工作的需要。《山西省重点地区矿山生态环境地质综合调查评价》项目运用三维可视化渗流软件——Visual Modflow，建立了符合平朔安家岭煤矿矿井水的可视化三维渗流模型并进行了模拟预报；其他项目在受*领导关注的长治崔蒙矿区、太原西山矿区等地也建立了相应模型。模型的建立要在地质灾害模式确定的基础上进行，应用空间信息系统，从三维角度对灾害体进行研究，再与长期观测资料结合，进行模拟，最终用于预警预报。目前用于采煤影响地下水方面建模的软件较多，如GMS、Peflow、Modflow等，而用于采煤造成开采沉陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等方面的软件极少，今后应加强研制。
参考文献
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[2]周爱国等.地质环境质量评价理论与应用.武汉：中国地质大学出版社，1998.
[3]张梁等.地质灾害灾情评估理论与实践.北京：地质出版社，1998.
[4]刘传正.地质灾害勘查指南.北京：地质出版社，2000.
