井工煤矿生态恢复治理工作中存在的问题探讨

2019-04-08田立强范士彦门兆龙

山东国土资源 2019年4期

田立强，范士彦，门兆龙

(1.山东省煤田地质局第三勘探队，山东泰安 271000；2.山东省煤田地质局，山东济南 250000)

我国矿业的快速发展，在为经济社会发展提供重要物质保障的同时，也累积了不少矿山地质问题[1]，矿产资源开发对生态系统影响和破坏较为突出。具体到井工煤矿，对生态系统影响和破坏主要是煤矿地下开采导致地表变形，进而损毁土地及造成地形地貌景观和植被破坏；煤矿形成的采空区造成地面塌陷、地裂缝等灾害；破坏地下水系统；“三废”排放造成环境破坏。

1 煤矿采空区的地下水污染

煤矿在建矿、采煤过程中进行矿坑疏干排水造成地下水资源减少或枯竭，是煤矿区存在的一个普遍问题，部分煤矿在闭坑后，将井口改造成水源井，以作为周边范围内农业灌溉用水的主要来源。煤是含有矿物杂质的复杂有机物，其矿物杂质含量约5%～50%[2]，开采、洗选过程中的物理化学作用及人为作用，都对地下水体产生一定的污染[3]。根据对抚顺矿区、淄川矿区等地的地下水及采空区地下水的检测结果，水中硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、全铁、氨氮、总硬度等指标严重超标，且随着时间的推移有污染逐渐加重的趋势(表1、表2)[4-5]。

表1 抚顺矿区地下水污染状况对比 (mg/L)

表2 淄川矿区133号监测井地下水

我国矿山地质环境和地质遗迹的监测尚处于起步和探索阶段[6]，人们对矿区地下水污染对农业的危害未能引起足够的重视。例如滕县煤矿区，矿山废水对地下水质影响严重区域面积77.54km2，影响较严重区域面积154.49km2，影响较轻区域面积1454.97km2[7]。长期使用煤矿采空区积水灌溉，必将严重影响粮食和耕地的质量，给人畜的健康造成一定的影响。抽取采空区污染水的同时，导致采空区周边净水对污染水的补给而造成二次污染。

煤矿闭坑了并不代表其对地下水的污染结束，其对地下水的动力场及水化学场产生了深刻影响[8]，目前的当务之急是首先停止对污染采空区地下水的抽采，对井口排水设备进行强制关闭；设置采空区地下水监测网络，随时了解采空区地下水的水质、水量的变动情况，有效防止非法抽取(注入)污染水；调查采空区的补给来源，采取地面防渗、含水层内帷幕注浆等工艺隔绝采空区地下水的补给通道；采用无污染的膨化材料将采空区充填；第五，封闭串层污染井[8]；第六，提高对煤矿排水的治污技术与管理，逐步提高矿区地下水质量。

2 有效利用采空区地温能

我国的中部和北部煤田内，大部分高温矿井(约占90%)是由于开采深度大，岩石温度高所致，例如新汶孙村矿(采深776m，岩温34.9℃)，徐州三河尖矿(采深736m，岩温37℃)，湖州长广煤炭公司(采深920m，岩温40℃)[9]，菏泽郓城煤矿(采深900m，岩温41.8℃)[注]山东省煤田地质局第三勘探队,山东省巨野煤田郓城煤矿建井地质报告,2014年。，济宁许厂煤矿(540m以深，岩温>31℃，840m以深，岩温>37℃)等[注]山东省煤田地质局第三勘探队,山东省济宁煤田许厂煤矿生产地质报告，2015年。。对于上述存在热害(岩温>31℃)的矿井，往往需要大量的降温投入，但对于煤矿内(干)热岩地温能(高岩温地热资源)的回收，目前尚未见报道。目前全国煤矿数量减少到8000处，预计今后还将大量关停煤矿，如果在生产过程中以及关停以前将高温矿井内的高岩温地热资源予以利用，将产生较好的经济和社会效益。

开发煤矿采空区地温能的原理与开发深部干热岩地热资源及浅层地温能原理相似，在采空区形成的过程中，采用导热性能好、耐腐蚀的集热管材铺设于采空区的上下山巷道内，两端通过大口径钻孔将循环水联通至地面(或于任意位置设置一个钻孔布置U型管)，闭坑矿井也可以采用主、副、风井代替钻孔，将冷水自地面注入井下集热管中，再将热水抽至地面利用(图1)。高岩温岩土体作为地热能的主要赋存体，其温度场特征影响热泵机组的功耗和系统性能指标[10]，通过水源热泵系统提取循环水中的热量[11]，让煤矿采空区周边(干)热岩(高岩温地热资源)产生绿色能源。

图1 采空区回收地温能原理示意图

根据鲁西地区浅部岩土体每延米换热量和平均热导率，花岗岩大于石灰岩，石灰岩大于第四系松散层的特点[12]，宜选择换热量和热导率较好的混凝土材料将导热管与高岩温巷道固结为一体，尽量避免导热管与矿坑水直接接触。

地热资源主要用于供暖，部分用于洗浴、理疗、娱乐、养殖和种植等[13]，相信该项技术一旦成熟，高岩温煤矿在生产与闭坑后都将会焕发出绿色生机。

3 农耕地范围内地面采空塌陷积水区

我国东部平原地区因地势平坦，地下潜水位较高，不少塌陷区常年积水，淹没良田[14]。

以鲁西南煤田为例，其地面以冲积平原区农耕地为主，煤矿开采后一般形成深度0～5m的塌陷积水区。目前采取的治理原则为“宜农则农、宜渔则渔、宜景则景”，虽然取得了较好的效果，但远未达到恢复为耕地的初衷。原因在于充填物不能满足(采空区)大面积实施，应进一步研究替代充填物料[15]。

胡振琪等[16]综合分析了引黄河泥沙充填复垦耕地的可行性，如果利用黄河多泥沙的特点，从国家宏观层面进行统一治理，在现有人工河流的基础上，将黄河与煤矿区通过运河联通起来，通过船舶远距离输送黄河泥沙。

(1)利用梁山至济宁、二级坝的鲁南运河，将黄河与济宁、滕南等矿区联通。鲁南运河(图2)，北起黄河，南至二级坝，全长159km。黄河至济宁段，全长80.9km。北部梁山段长20km，河道严重淤积，水深不足，尚不能通航；梁山至南旺段长33.8km，枯水期航道水深0.5m，为季节性航道；南旺至济宁段长27.1km，底宽15m，枯水期水深0.5m，为季节性航道。济宁至二级坝段长78.1km，航道顺直，枯水期水深1m以上，底宽50m，可通航100t级船舶。建议按通航100t级船舶标准全面疏通鲁南运河，将开挖泥沙用于回填采空区及塌陷区；在南运河的基础上，根据实际情况，将黄河泥沙通过水运或陆运输送至各个采空塌陷积水区。

图2 鲁南运河位置图

(2)在鲁南运河的基础上，逐渐形成运输网，将黄河泥沙输送至鲁西南及周边矿区。黄河下游年均来沙量12.30亿t，以山东省煤炭产量1.5亿t(计划2020年减少至1亿t)为例，煤炭产量在逐年减少，而运沙经验会越来越成熟。因此，一旦方案可行，预计利用黄河泥沙可以在30～50年内解决一个采煤大省的耕地减少问题。不但缓解了黄河河道的淤堵问题，还可以抬高部分低洼灾区的地面标高，减少洪涝灾害带来的损失。

4 历史遗留的矸石山

历史遗留的矸石山，由于堆放时间比较长，矸石山中含煤矸石经氧化作用后烧结成为颜色混杂、结构不均的锥形矸石山体，多年来无序的取矸作业形成了多个陡峭的危险断面。山体孔隙多、结构不均、硬度不一，既有烧结成一个整体的砖红色砾石体，又有粉末状的松软体，更多的是结构松散的碎石堆积体，一般无植被覆盖。由于矸石山自然条件恶劣，修复成本高，技术难度大，生态修复工程效果不佳[17]。

山东省共有历史遗留矿山煤矸石堆(山)39处[18]，以淄博市一矸石山为例，虽然其具备制砖、铺路等用途，但从山体底部取矸，易引起崩塌、滑坡、扬尘等灾害，从山顶施工，由于山体软硬不均，导致挖掘机倾翻事故。常规工艺难以开发利用，导致空气、地下水、视觉污染、崩塌、滑坡等灾害。

影响其资源化利用或生态治理的关键问题是民用爆破工程在削坡过程中容易导致崩塌、滑坡等灾害，危及人身、财产安全。离开矸石山体一定距离施工便可以避免人身伤害事故的发生，利用水力采煤的高压射流原理，设计一种压力大于50MPa的水枪，有效射程15～20m，用于矸石山的碎岩和钻炮眼，配合安全区域使用破岩机和挖掘机联合作业，可以较容易地将矸石山的坡度削减至稳定角度，按常规工艺对其进行综合治理。该高压水枪设备主要体现在高压泵、高压管(胶管、钻杆等)和喷嘴三个方面，目前常用高压泵的压力通常为30～60MPa，流量一般50～150L/min，高压胶管最高耐压可达70～200MPa[19]。高压泵、高压管及喷嘴的技术参数满足对矸石割缝及钻孔要求，技术上可行。