协庄煤矿矿山地质环境治理研究与实践

史俊伟

(山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛 266510)

特殊采煤与矿区环境治理

协庄煤矿矿山地质环境治理研究与实践

史俊伟

(山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛 266510)

通过实地调研,分析协庄煤矿矿山地质环境现状,找出其影响因素,在此基础上提出治理措施:塌陷区矸石回填、修筑矸石坝、矸石充填采空区、采空区注浆防塌,并重点对矸石回填复垦的可行性进行了论证,为矿山地质环境治理提供依据。

矿山地质环境;治理;实践

矿山地质环境问题,是目前我国迫切需要解决的问题之一,而煤矿开采引发的地质环境问题尤为重要。煤矿资源的开发极大地促进了我国经济和社会的快速发展,但与此同时引起了大量的矿山地质环境问题,不仅对生态环境造成威胁,而且严重影响我国经济、社会的全面协调和可持续发展。

协庄煤矿位于新汶煤田西翼,柴汶河自东而西流经本区浅部,至大汶口汇入大汶河,其支流有光明河、崖头河、刘官庄河等多条小河流。井田范围内沿柴汶河分布有 9对地方煤矿,主要开采浅部煤层,随着其资源枯竭,其擅自提高开采上限或盗采破坏露头煤柱,形成采空区塌陷及其伴生的地裂缝,因超层越界整合、关闭 5对。在煤矿的开采过程中积存了大量的废弃尾矿和废弃物,形成了长约1000m,高约 50m,体积 22.3×106m3的排土场,不仅对当地生态环境造成严重破坏,而且还造成矿湖边坡失稳,地面沉陷,附近水体和土地污染,使良田荒废。随着时间的推移,矿山的安全隐患和环保问题愈加突出。因此,制定科学合理的矿山地质环境治理方案,对于恢复矿区的生态环境极其重要。

1 矿区地质环境影响因素

协庄矿自 1958年建矿以来,煤矿开采所带来的地质环境问题主要有:大面积采沙坑、地面沉陷、大范围积水、固体废弃物大量堆积和地表水漏失等。

1.1 大面积采沙坑

由于在井田范围内,非法取土制砖现象严重,在东起东翼九采黄泥庄村,西至地表四采斑裂区这一范围内,共分布有大小砖厂 20个,均分布在汶河两岸,大量砖厂无节制的取土制砖,使矿井留设的露头煤柱暴露地表并遭到破坏,地表水将沿被破坏的露头煤柱或浅部采空区渗漏井下。地表取土制砖后,下部沙层暴露,从而进一步采沙,造成沿河地表形成大面积采沙坑。

1.2 地面沉陷

协庄煤矿自建矿以来,一直进行地下开采,造成了一定范围的采空区,并且 -50m水平以下为冒落法处理顶板,容易使上方岩土体失去支撑,向下陷落,形成地面塌陷。

1.3 河水溃坝

井田露头范围内柴汶河、刘官庄河、黄泥庄小河等河坝雨季容易被冲垮,河水倒灌,造成露头区大面积被淹没,地面存在的大面积取土采沙坑、盗采坑以及低洼区全部积水,积水区总面积近30hm2,水深 2～4m,积水量近 106m3。

1.4 固体废弃物大量堆积

煤矿开采每年要排放大量的煤矸石,选煤厂也有相当的矸石排放,电厂排放粉煤灰。造成固体堆积物占地和环境污染。目前井田内现存矸石山(场)13处,电厂 2处,固体堆积物占地63.9hm2,总量为 9.98×106m3。

1.5 地表水漏失

由于开采沉陷,地表产生裂缝,造成地表水严重漏失,严重破坏了汶河两岸的地质环境。柴汶河沿岸每逢雨季极易被洪水淹没,造成土地盐碱化、砂化,土地荒芜废弃,地表风化,每逢刮风,地面即飞沙扬尘,造成矿区环境质量低劣。

2 矿区地质环境治理实践技术

根据柴汶河流域协庄煤矿矿山地质环境治理现状及治理要求,历年来,矿井不断加强对地质灾害的治理和地质环境恢复的研究。在综合分析的基础上,多种方法并举,因地制宜,综合治理,以有效防止矿区地质环境破坏,提高矿区生态环境质量。

经过多方面的分析和论证,针对矿区的实际情况,主要采用了采沙坑矸石回填、修筑矸石坝、矸石充填采空区、采空区注浆防塌等措施对矿区地质环境进行了大规模的综合恢复治理。

2.1 塌陷区矸石回填方案

针对柴汶河流域地表非法取土、挖沙坑以及斑裂区域,进行矸石回填和覆土治理。既充分利用矿井副产品——煤矸石,减少矸石及其他固体废弃物堆放而造成的环境污染,又增大了可耕地面积。

2.1.1 矸石作为复垦回填材料的可行性

采用矸石作为塌陷地复垦材料的前提必须是:矸石风化后的化学组成与当地黄土相近,并且无毒性,不对土壤、水质等造成污染。

协庄煤矿风化矸石的矿物化学组成与矿区第四系黄土相近,这说明用矸石充填塌陷地,矸石逐渐风化后有利于向土壤形成方向发展。

经化验,协庄煤矿新老矸石中的汞、镉、铅、砷含量均符合我国土壤的理想水平标准,氟含量处于理想水平与可接受之间,即协庄煤矿矸石作为充填复垦材料,其有毒元素含量对环境无毒性影响。

经化验协庄煤矿矸石中N,P养分平均含量较低,除 N含量养分属于土壤 5级水平外,其余指标均为土壤 6级水平;矸石中 K和有机质含量水平属于 5级偏上的土壤水平。土壤阳离子交换量标志着土壤保肥能力大小,一般认为阳离子交换量在20me/100g以上为保肥能力较强的土壤,10～ 20me/100g为保肥能力中等的土壤,小于 10me/ 100g为保肥能力较弱的土壤。从分析结果看,协庄煤矿矸石具有一定的保肥能力,属于保肥能力中等偏弱的土壤。协庄煤矿矸石具有一定的可供植物吸收的养分,但含量偏低,仅相当于 5～6级土壤的营养元素含量,属很贫瘠的土壤养分范围。但老矸石的速效养分比新矸石高。因此,在复垦时应尽量将老矸石覆盖在复垦地表层上。

由上分析,协庄煤矿矸石在化学元素组成、毒性分析上,均满足其作为回填材料要求。在营养成分上偏低,需在回填矸石上方填加耕作土层。因此,协庄煤矿矸石用做塌陷地下部的复垦回填材料,是完全可行的。

2.1.2 矸石回填和覆土技术要点

矸石回填和覆土本着复垦土地既要满足恢复其土地功能,又要充分利用煤矸石资源的原则,采取底部利用煤矸石填平压实,上部复土造田的结构,回填前先清除树木、柴草、杂物和软土,平整、夯实,然后填入矸石,并逐层夯实。最后再上覆一层黄土,并轧实,黄土层厚度 0.5m,至与周围地表一致,以恢复耕地及保证地表水能迅速流走。累计分析,自矿区采用矸石回填方案以来,矿区回填取土、挖沙坑总面积 16.456hm2,回填矸石 40.73× 104m3,覆土 7.2 ×104m3,共计复垦造田23.13hm2。

2.2 修筑矸石坝

对柴汶河北岸,筑一道矸石挡水坝,矸石挡水坝东起铺底护坡段东头,西至崖头河东岸,以防止河水外溢造成隐患。河坝采用矸石筑坝,设计坝迎水坡斜率及背水坡斜率均为 1∶1.5,坝顶宽为8.0m,下宽为 14m,高 2.0m,断面积为 22.0m2。采用矸石逐层压实,筑坝过程中厚度每筑 0.5 m采用压路机压实 1次。仅 2008,2009两年,对柴汶河及其支流共筑坝 8100m。有效地防止了地表水漏失,保护汶河两岸的农田不被洪水淹没。

2.3 矸石充填采空区

协庄煤矿地下开采采用充填法开采,利用矸石充填采空区,防止地表塌陷。矿井浅部开采时采用水沙充填采空区,防止了地表塌陷,但随着沙石资源的减少,取沙破坏地表环境变得越来越严重。矿区历经 50多年的开采,形成了多座矸石山,占用了大面积土地资源,污染了地表及大气环境。矿井采用矸石取代沙石充填采空区,共利用矸石141581m3,既处理了堆积的矸石,又有效地防止了地表塌陷。

2.4 河床下注浆防塌治理

井田范围内浅部分布的地方小煤矿,因资源枯竭,擅自在河床下提高开采上限,破坏了河流煤柱,给矿井留下安全隐患。为杜绝隐患的发生,首先,对有河水渗漏威胁的区域河床采用混凝土铺底进行治理,防止地表水漏失、河床塌陷。仅 2008, 2009两年河床铺底7.5hm2。同时,通过加固河床,避免了河床因下部采空而导致的变形、垮塌,保持了河道的抗洪能力,恢复了沿河的生态环境。

其次,利用残余煤柱做骨架对该区域进行注浆,完成对柴汶河及其支流羊村河、黄泥庄河等筑坝铺底的治理。注浆前,先采用高密度电法或地质雷达等物探手段,对注浆区域进行有针对性地探测,指导注浆布孔。钻孔应尽量在残留的煤柱中布置,或者在靠近残留煤壁的上方布置,避免大范围的空区,以减少注浆工程量和节省注浆材料。通过河床下注浆有效地防止了河床塌陷和地表水的漏失,保护了河床沿岸的生态环境。

3 社会效益和环境效益

(1)通过消耗矸石山,减少占地,空出的大片土地可用于发展非煤产业和农牧养殖产业,使其成为矿区新的经济增长点。此外,在回填复垦的土地上植树和耕种农作物,提高当地农民的土地人均占有率,对缓解人地矛盾,工农关系,实现农民耕地总量的动态平衡具有重大意义;同时,可大幅度提高该地区的经济发展水平,稳定了农业的基础地位,对本矿区产业结构优化及乡镇工业结构调整有很大促进作用。也可为矿区发展非煤产业创造条件,解决矿区职工由于人口不断增加带来的就业难问题,对矿区的安定团结具有明显的稳定作用,为矿区今后持续稳定和谐发展打下牢固基础。

(2)通过对流经区域的河道进行综合治理,防止了雨季期间,河水暴涨,冲垮河坝,淹没农田,同时,也治理改善了沿河两岸的地质环境,消除地表水害隐患。通过植被绿化使矿区绿化覆盖率达到 43%,为员工提供了良好的生活工作环境。目前,矿区绿化达到了四季长青、三季有花、无裸露地面的要求,对改善矿区自然生态平衡及地质环境具有重大的社会意义。

4 结束语

柴汶河流域协庄煤矿矿山地质环境治理研究与实践,不仅对本矿区具有指导意义而且对具有相同地质环境条件的其他矿山也具有借鉴意义。因此,实施矿山地质灾害的治理和生态环境恢复的治理无论是从保证矿井防治水安全上,还是治理地质生态环境上都具有重大意义,该项目的实施不仅将促进该矿区经济、社会和生态环境的发展,还实现了企业、人与自然的和谐发展和可持续发展。

[1]解 伟 .矿山地质环境治理技术浅谈 [J].西部探矿工程, 2010,3(2):154-157.

[2]邓学军 .矿山地质灾害及其防治 [J].中国地质,1999,1 (9):32-34.

[3]匡文龙,邓义芳 .采煤塌陷地区土地生态环境的影响与防治研究 [J].中国安全科学学报,2007,17(1):116-120.

[4]梁 凯,兰井志,郑 伟 .对我国矿山地质环境保护工作的对策建议 [J].环境经济,2007(11):19-22.

[责任编辑:徐乃忠]

Research and Practice of Geological Environment Treatment in Xiezhuang Colliery

SH IJun-wei

(Resource&Environment Engineering School,ShandongUniversity of Science&Technology,Qingdao 266510,China)

This paper analyzed mine geological environment status of Xiezhuang Colliery and obtained its influence factors by on-thespot survey.On the basis of this,it presented following treatments:backfilling with waste in subsidence area,building waste dam, backfilling gob with waste and grouting into gob.Feasibility of backfillingwith waste wasmainly discussed in order to provid basis for geological environment trea tment.

mine geological environment;treatment;practice

TD355.4

A

1006-6225(2010)06-0036-03

2010-04-21

史俊伟 (1987-),男,山西平遥人,硕士研究生,从事矿山灾害防治方面的研究。