杜家沟煤矿地质环境保护与治理恢复的研究

邵元虎

（霍州煤电集团有限责任公司计划发展部资源科，山西 霍州 031400）

霍州煤电集团河津杜家沟煤矿是由原杜家沟煤业、原杨洼煤矿、原高门沟煤业和原朝阳公司兼并重组而成，年生产能力60万t。该煤矿可采煤层3、4、7层，总可采厚度1.2～1.3m。矿区的断裂构造十分复杂，煤层分布连续性差。矿区地下水位较高，地形标高较低的塌陷区域极易成为塌陷积水区。本文主要是就该矿煤炭开采与加工利用引发的环境问题进行分析并提出相应的环境保护与治理恢复措施。

1 煤炭开采与加工利用引发的环境问题

杜家沟煤矿的开采对自然景观格局及生态环境造成了较大影响，主要表现在地表塌陷，耕地损毁，水面扩大，地面建筑、城乡基础设施破坏等。同时，矿区的煤矿生产和居民生活产生的废水及固体废弃物排放会造成一定的环境污染问题。

1.1 地表塌陷与自然景观格局改变

由于矿区地处平原地带，煤层产状平缓且累计可采厚度较大，开采导致的地面和塌陷区积水现象极为普遍。截至2017年底，杜家沟煤矿地表塌陷区总面积已达4500hm2，积水区域面积为1107hm2，占地表影响面积的32.62%，并以每年175hm2的速度增加。矿区采煤塌陷导致耕地大量减少，失地农民约3万人，对传统的农业耕作活动造成影响。同时，塌陷区居民搬迁耗费大量建设资金，新迁居民无地可耕。另外，采煤塌陷很大程度上改变了矿区的自然景观格局，除传统农田景观外，城市空间布局也受到较大影响，塌陷区增加大片积水区域，形成了新的自然景观格局并对城市规划及发展产生深远影响。

1.2 水环境与水资源条件改变

由于矿区地下水位较高，塌陷深度较大区域大多成为地面水体，部分水域与天然水系联通。矿区因塌陷积水极大地改善了矿区水资源条件。矿区现共有采煤塌陷区8处多，可利用的塌陷水域总库容约1200×104m3。在部分相对封闭区域，塌陷区水质相对较好，塌陷区水域水质达到Ⅲ类水标准。但是很多塌陷水域和淮北市天然地表水系贯通，受地表河流排污及人为活动影响较大，水质相对较差，为Ⅲ～Ⅴ水体，主要污染物为有机物和营养盐类，水体污染较为严重的区域给塌陷区水环境保护带来相当的压力。

1.3 煤矿固体废弃物

杜家沟煤矿是一个以精煤生产为主的企业，每年煤炭洗选不可避免地产生大量的煤矸石，选煤厂每年产生矸石和生产矿井每年产生的矸石一共约300×104t。这些矸石不仅占用土地，还会产生大量粉尘，对周围空气和水体造成影响。因此，与煤矿固体废弃物综合削减治理工程相关的煤矸石安全处理与处置技术研究显得尤为重要。

2 矿区环境综合治理技术研究

矿区的企业在进行煤炭资源开发的同时，积极开展矿区环境治理技术研究与实践。包括有利于矿区环境保护与治理的矿区煤炭资源开发的规划设计及开采工艺研究、水系治理与塌陷水域水质控制技术研究、土地复垦和煤矸石处置处理技术等方面的研究和工程实践，实现采前规划以提升塌陷区治理和资源转化利用效果，采后分区分类治理，保障区域水资源与水环境功能，土地高效利用，以及生态环境与自然人文景观相和谐。

2.1 矿区资源开发规划设计与开采工艺

杜家沟煤矿矿区地面建筑物密集，存在严重的建筑物压煤问题。针对区域地质构造复杂、采区内断层发育、工作面间多数需留设断层煤柱的特点，开展采动覆岩分区隔离注浆充填减少地面下沉采煤技术研究，并在该矿井成功实施，采动覆岩分区隔离注浆充填工艺如图1所示。

图1 采动覆岩分区隔离注浆充填工艺示意图

2.2 矿区水环境综合治理与污染控制技术

矿区的地面天然水体少，河流小且少，蓄水能力弱。区内人均水资源量327m3，不足全国的1/2和全省的1/4。因此，开展塌陷区水环境污染控制技术的研究，保护水资源环境，实现雨洪水资源化，对缓解淮北市经济发展与水资源短缺的矛盾具有战略意义。该矿区目前建设有煤焦化电产业基地，年最大用水量约2500×104m3。为解决用水问题，满足工业园建设发展需要，集团公司发起成立矿区的水务有限责任公司，建设了引供水配套工程，该工程以中水、矿井疏干水作为水源，日处理净水3.1×104t，设计投资2800万元。同时，在煤矿塌陷区投资建立水库，以有效利用雨洪资源。

其中塌陷区Ⅰ位于河流拦河闸上游1500m处，与河流干流连成一体；塌陷区Ⅱ位于拦河闸左侧，两塌陷区之间有连通沟，建有控制闸。塌陷区Ⅱ向工业园输水，承担着调蓄水和应急储备两大功能。通过项目的实施，对工业园的水库进行预挖深处理，使园区水库有效扩容；同时对原有已受到开采损害的地质环境进行修复，形成滨湖公园1.1hm2，有效地改善了矿区的环境质量和景观格局。

2.3 土地复垦与高效利用

杜家沟矿区主要为土地利用率高的农业耕作区域，人口密集，土地垦殖程度高，人均占有耕地面积不足800m2。结合该矿的生产工况，决定利用煤矸石进行垫底复垦技术的应用。

充填复垦工艺主要由表层熟土剥离、边界与标高设计、基质分层充填、平整碾压和表土还原等环节构成。在充填复垦技术研究中，解决了如下问题：一是根据复垦土地利用类型的不同，在考虑经济性前提下，研究解决最小覆土厚度，阻止煤矸石中微量有害元素通过暴露或植物根系吸收、累积迁移而对人体产生危害；二是针对农林复垦用地植物生长对水分和养分的要求，揭示水分运动特征，以促进降雨入渗与蒸发条件下土壤水分和养分的植物有效性。经复垦后动态监测，表层土壤与地下水中未发现污染迹象，煤矸石造地符合国家土壤质量标准。

2.4 煤矸石利用

煤矸石进行分类与资源化利用。热值高的用于燃烧发电，热值低的用于制砖，部分用于建筑路基，或井下充填开采。当前霍州煤电集团已建设拥有装机容量4×30万kW的煤矸石综合利用电厂1座，主要用来处理杜家沟煤矿等矿区的煤矸石。年产量近3亿标块的煤矸石砖厂也建成投产，可消耗部分煤矸石，取得了良好的经济和环境效益。

3 矿区环境治理综合效益

杜家沟煤矿在开展环境综合治理研究的基础上，加强了对地质灾害、塌陷土地、煤矸石等方面的环境工程实践，取得了良好的经济、社会和安全效益。

3.1 经济效益分析

土地整理与复垦工程使得矿区新增农业和建设用地198.13hm2，恢复园林绿地和城市交通用地172.21hm2，建成的平原水库为附近工业和居民生活用水提供保障，每年可实现经济收入71.13万元。另外，塌陷区还形成了景观、休闲水域248.73hm2，每年可产生经济效益253.86万元。

3.2 环境效益分析

方案的实施环境效益显著。具体表现在：

（1）通过塌陷区的恢复治理减轻对地形地貌景观的破坏

通过对地面塌陷、地裂缝的恢复治理，可以防止塌陷区的地面因裂缝、塌陷、滑坡、崩塌等灾害的影响而支离破碎，防止水土流失和土地沙漠化，减轻了对地形地貌景观的破坏，有效地改善了矿区的地质环境质量，使得矿区土地的使用功能得到恢复和增加，对促进社会经济的可持续发展、建设和谐矿区、和谐社会具有积极的作用。

（2）通过恢复植被有效地改善生态环境

通过对受地面塌陷和地裂缝影响的林地、草地采取补种油松和白羊草等措施，可以恢复和增加植被覆盖率，进一步促进野生动物的繁殖，减少风沙，调节气候，净化空气，美化环境，改善生态环境，创建一个有利于生产生活、环境优美的矿山生态环境。

3.3 社会效益

本项目地质环境保护与恢复治理方案的实施，将极大地避免地质灾害的威胁，使各类地质灾害发生的可能性大大降低，有效地保障了矿区附近的村庄、土地、水等资源，营造了一个良好的生产和工作环境。