深部煤矿闭坑后矿区环境监测及影响分析

贺超峰

(国家能源集团国际工程咨询有限公司，江苏 南京 210000)

近20年来，随着经济的腾飞，国家快速发展对能源的需求量显著增加。而我国能源结构是富煤、少油的国家，对煤炭的单方面依赖短期内无法改变。然而煤炭资源的开采有利有弊，资源的采出对国家经济的发展有着重要贡献，同时也造成了矿区生态环境的破坏，尤其对矿区附近地面及建筑沉陷、地下水及固体废弃物的污染等方面存在影响[1 -4]。因此对闭坑煤矿进行矿区环境影响监测与评估十分必要。

许多学者对煤矿闭坑的影响进行监测分析，王来贵等[5]根据大中型露天煤矿在生产过程中诱发的大量地质灾害，针对不同地质灾害提出矿山在闭坑后可能发生的灾害类型，分类指出不同的灾害防治措施。汪旭[6]分析歙县洪村口废弃石煤矿闭坑概况，提出关于歙县洪村口废弃石煤矿山的地质环境恢复与治理建议。毕尧山等[7]以岱河煤矿为研究对象，选用回采空间法计算了该煤矿闭坑后采空区积水体积，并分析了闭坑后采空区积水过程。许延春等[8]以三河尖煤矿闭坑工程为研究背景，通过理论分析、数值模拟的方法，从不同角度分析三河尖与姚桥煤矿井田边界隔水煤(岩)柱留设的安全性，研究了三河尖煤矿井田边界煤柱留设合理宽度、地质钻孔导水通道，从而分析三河尖煤矿闭坑后矿井积水对姚桥矿西翼采区开采安全性的影响程度。张健俐[9]分析了淄川区洪山、寨里煤矿闭坑工程，研究表明矿井闭坑后矿区隐伏灰岩裂隙岩溶水的污染范围与矿井老空水相一致，是由于矿井老空水水位升高与岩溶水联通导致污染。针对这种窜层污染制定了控制及治理对策。任辉等[10]提出加快关闭煤矿煤层气资源开发利用，首先建立资源评价方法，完善闭坑煤矿煤层气监测制度。提出建立相关制度，通过产业政策激励闭坑矿井的煤层气资源的高效利用。刘小琼等[11]分析了闭坑煤矿对矿区及周边区域潜在的地质及环境灾害，研究其对社会、当地经济及矿区环境的危害，呼吁高度关注闭坑煤矿对矿区生态环境造成的影响，预先制定矿区生态环境保护措施。

众多学者研究表明煤矿闭坑后对矿区的生态环境会造成潜在威胁。因此，针对淮北某煤矿闭坑后对矿区环境影响进行研究，通过介绍矿区现有资源储量及闭坑原因，然后对矿区地面沉陷、地表及地下水、固体废弃物的污染等方面分析矿区环境现状并提出应对措施，以期为类似矿井闭坑后矿区环境监测及治理提供技术参考。

煤矿位于淮北市东北方向，距离市区约16 km的朔里镇境内，具体位于淮北煤田的闸河复式向斜中段西翼。南北长约7.3 km，东西宽2～4 km，面积约17.995 8 km2。矿井上覆40.10～80.00 m第四系冲积层，实际标高32.04～34.99 m。矿区地势呈现北部偏高而南部稍低特征，区域内无河流通过，现仅在矿区北方葛洼村附近存在人工开凿的增产河。河流水量随季节变化，旱季干涸。1982年7月，增产河最高洪水位高达36.6 m，造成过一定的积水灾害。矿区范围属海洋 -大陆过渡性气候，冬冷夏热，多雨水，其中雨季多集中于每年的6～8月份，年降水量约为600～1 480 mm。冻结期为每年12月上旬至次年2月中旬，冻土深度为0.2 m，最深为0.3 m。矿区气温历年在12～40 ℃，平均相对湿度为73%，气压为99～104.1 kPa。夏季多东南风，冬季多西北风，风力一般3～5级，最大风力为9～11级[12]。

根据皖煤化办函〔2017〕2号《安徽省煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展办公室关于淮北矿业集团请求暂缓关闭石台、朔里等五对煤矿意见的复函》，为响应国家有序退出过剩产能要求，综合考虑煤炭资源枯竭等因素，2019年7月底之前淮北矿业须关闭该煤矿，退出产能165万t/a。煤矿煤层最低可采厚度采用0.7 m，最高可采灰分为40%，最高硫分为3%，最低发热量为17.0 MJ/kg。风化带为煤层露头至-45 m，风氧化带内的煤层不估算资源储量。截至2019年7月31日，矿权范围内全矿井保有资源储量419.5万t，另有天然焦515.5万t，累计查明资源储量7 662.8万t。现矿区保有的剩余资源储量占累计探明矿区资源储量的5.5%左右。

3.1 矿区沉陷地质环境变化

3.1.1 主采煤层上覆顶板裂隙发育范围

依据国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局、国家铁路局颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，矿井可采煤层覆岩内为中硬岩层，按照规范公式，通过本矿井揭露煤层厚度计算了3、5、6号煤层开采时垮落带、导水裂隙带高度，见表1。

表1 煤层开采导水裂隙带及垮落带高度计算

通过表1可以看出主采煤层开采后上覆岩垮落带及裂隙带发育高度。从引发矿井上覆岩层开采时的突水灾害发生可能性角度分析，大都因导水裂隙带破坏覆岩而发生松散层含水层突水，然而该矿区矿田范围内上覆巨厚松散层覆盖，开采引起的上覆导水裂隙带及垮落带一般不会与地表裂缝相互导通，因此不存在矿井突水破坏灾害。

3.1.2 地表沉降及塌陷

矿区内采空塌陷影响面积合计约13.1 km2(约占矿区面积的72.9%，地表塌陷从南向北逐渐扩展。矿区地层塌陷呈现规模大，地面塌陷稳定期长，其中矿区地表下沉最大点深达8.0 m；
塌陷区积水面积合计约6.49 km2(约占矿区总面积的35.3%)，最大积水深度约6.5 m。根据矿区内塌陷毁损情况，现将采空塌陷影响区划分为3个区域。采空塌陷地质灾害影响严重区(区域一)，塌陷深度大于1.5 m区域，该区域面积约合计为8.9 km2；
采空塌陷地质灾害影响较严重区(区域二)，塌陷深度约为0.5～1.5 m区域，该区域面积约合计为2.9 km2；
采空塌陷地质灾害影响较轻区(区域三)，塌陷深度小于0.5 m区域，该区域面积约合计为1.2 km2。

3.1.3 地表塌陷的综合治理

矿采空塌陷区现状治理工程主要为矿区工业广场周边塌陷区的复垦工程，主要治理措施为稳沉后直接用煤矸石回填塌陷区，然后直接作为建设用地，建设工人村及塌陷区搬迁村庄的回迁村址。治理面积约0.55 km2，还剩余约12.5 km2的塌陷区未进行治理。治理效果明显，通过稳沉后回填煤矸石、土等方式是可行的，可作为后续塌陷区治理工程的参照。

3.2 矿区水体污染分析

通常矿区污废水由矿区人员生活污水、井下生产排水和选煤工艺废水组成。这些污废水会对矿区范围内的地表及地下水产生潜在的污染可能性。

3.2.1 地表水环境质量现状

矿区地面范围内无大的河流和湖泊，仅有矿区北部由人工开凿的矿井增产河，河面宽约25 m。目前，葛洼桥以西到陈谷堆段河道已发生塌陷，河面变宽，最宽处约100 m。增产河两岸边坡形状不规则，据调查，此人工河河水暂未受到污染矿井煤体及污水影响[12]。对工业广场西侧的朔西湖内取地表水样检测结果见表2。

根据表2可知，项目区地表水水质均符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅳ类水标准。

3.2.2 地下水环境质量现状评价

通过对矿区地下水水质监测分析表明，矿区主要煤层开采对矿区内孔隙含水地层没有造成较大影响，地层中隔水层并未发生破坏，区域地下水的均衡未受到破坏。地下水水位并未呈现变大、减小或枯竭的现象，因此可见矿区含水地层水质未受到污染，径流、水位未受到破坏。此外，矿区采掘边缘的地层风化带，其发育裂隙导致含水地层水量减小，但由于该处水体水量较小，因此对地下水平衡影响较小。分析结果表明矿区浅层地下水水质能达到《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ类要求。研究表明矿区居民井水(浅层地下水)水质较好，未受到矿区污、废水影响。

表2 矿区地表水水质监测结果

3.2.3 矿区污废水对区域水环境的影响

由矿区水质监测报告可知，矿区生活污水中污染源主要为SS、CO2、BOD5、NH3—N等，水体中重金属污染物浓度较低，但含浓度较高的含菌物。此外，煤矿矿井水由水泵运至地面后经处理，被用于矿井井下生产及防尘用水、工业广场绿化等用水。对矿井生产废水处理前后的水样进行了取样并检测，结果表明矿井生产水中各污染物指标的排放浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中第I类污染物允许排放浓度范围以及国家一级水质标准的限制要求。

此外，对矿区赋存的高岭土矿层及各煤层进行取样分析化验，监测结果表明均无毒、无有害及放射性元素；
据矿煤层采样化验资料可知，矿区赋存各煤层中硫含量小于1.2%，其中赋存贫煤属低硫煤，其余煤层属于特低硫煤。另外，各煤层中磷的含量小于0.05%。但各个煤层赋存的有害元素依然会对矿区地表水及浅层地下水水质造成一定的污染，但污染程度有限，并且对矿区深部地下水体基本不会产生影响。

3.2.4 煤层开采对水资源影响分析

矿井煤层开采而大量排放水，会引起矿区地下水水位持续下降，其中特别是煤系含水层位于疏干、半疏干状态，并且水位恢复缓慢。矿区地层中太灰水补给较为方便，对6号煤层开采时，会对地下水产生一定影响，随着6号煤层回采结束，太灰水很快得以恢复。松散层底部含水层水由于底部隔水层存在，受矿井排水影响极小。煤矿建立5 000.0 m3/d处理能力矿井水净化水厂，矿井水处理后直接用于矿井井下生产及防尘用水、工业广场绿化、卫生及生活等用水，基本无剩余。

3.3 矿区废弃物的堆放与综合利用

3.3.1 固体废弃物的堆放

矿井工业广场内有一处煤矸石中转站，据本次调查访问，煤矸石直接用于塌陷区回填、筑路或综合利用等，其中井下矸石的临时堆积高度应低于2.0 m，不超过100 m3。这样不易引发或遭受崩塌地质灾害，矿井产出的煤会及时外运，煤堆场基本无存煤。矿井产出的高岭土会及时运至高岭土淮北金岩高岭土公司进行加工，然后进行外卖，其高岭土堆临时堆高不超过2.0 m，土方堆积量总体较小，且四周建有围栏，不易引发崩塌地质灾害。

3.3.2 综合利用

矿井及选煤厂生活垃圾运往淮北市垃圾处理站处理。矿井产生的矸石由副井提升至地面后，由架线机车牵引矿车运输至煤矸石中转站，再经翻罐笼装入汽车，直接用于塌陷区回填、筑路或综合利用等。矿井锅炉灰渣年排放量较小，与煤矸石一并处理，用于塌陷区回填、筑路或综合利用等。

以淮北矿区某矿为工程背景，综合考虑煤炭资源枯竭等因素，矿井保有资源煤炭储量419.5万t、天然焦煤515.5万t，保有资源储量占累计查明资源储量的5.5%。闭坑矿井采空塌陷区治理工程主要为矿区工业广场周边塌陷区的复垦工程，用煤矸石回填塌陷区，作为建设用建设工人村及塌陷区搬迁村庄的回迁村址。煤层中有害元素的流失可能会对地表水及浅层地下水水质造成一定的污染，但对深层地下水质没有影响。矿井及选煤厂生活垃圾运往淮北市垃圾处理站处理。矸石用于塌陷区回填、筑路或综合利用等。矿区闭坑后矿区环境监测及治理经验可为类似矿井提供技术参考。

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