煤矿地质环境评价及治理措施研究——以“南梁煤矿”为例

唐正清，杨崇科，田鹏州，马泉来

(1.河南省豫地科技集团有限公司，河南省郑州市，450000；2.河南省资源环境调查一院，河南省郑州市，450000；3.河南省自然资源科技创新中心(资源环境承载能力评价与监测预警研究)，河南省郑州市，450000)

0 引言

煤炭在为我国社会经济发展提供重要资源保障的同时，也会引发如地表塌陷、地下水水位下降等一系列地质灾害问题，此外煤矿开采活动还会引发水土流失、土壤荒漠化等严重的环境问题，因此科学有效地开展地质环境评价、分析煤矿地质环境问题是煤矿环境治理改进工作的前提。同时，地质环境评价也是衡量煤矿生态质量效果、落实矿山环境管理的重要组成部分，因此开展煤矿地质环境评价极为重要。

张伟阁等[1]基于青海省聚乎更煤矿地质环境遥感图像，通过预处理、人机交互解译等方式获取矿山恢复治理、占损土地等关键信息，并将地质环境分为4大类13个评价指标，构建评价指标体系进行矿山地质环境综合评价分析，根据分析结果确认评价指标体系具有较高的评价精准性；汤春新[2]以广东省梅县明山煤矿为例，从地质灾害、环境污染、占地损害、环境恢复4个角度构建加权分值综合评价模型，并根据模型进行矿山环境综合评价，最后根据评价结果提出对应的环境恢复治理建议；杨明等[3]将层次分析法与GIS技术相结合，以GIS遥感数据为基础，利用层次分析法确定指标阈值，进而对南梁煤矿地质环境进行综合评价分析；贾晗等[4]将GIS技术与地质环境评估方法相结合，通过应用叠加分析的方法对区域图层信息进行分级评价，并根据评价结果确认煤矿地质环境并提出相应的治理措施。

由于煤矿地质环境评价具有模糊性、不确定性等特征，单一的评价方法难以保障评价结果的精准性，因此以陕西南梁矿业有限公司(以下简称“南梁煤矿”)为研究对象，采用“层次分析+灰色关联度”的方法对其地质环境进行评价，在保障评价结果精准性的同时，也可为其他相似煤矿地质环境评价提供参考。

1 煤矿概况

南梁煤矿东西长3.0～5.5 km，南北宽约4.5 km，总面积约为19.336 km2。南梁煤矿设计生产能力为0.75 Mt/a，初期开采煤层为2-2煤层，在实施技术改造升级后，核定生产能力提升至1 200万t/a。根据南梁煤矿总体开采规划，确认南梁煤矿井田东部设置一个面积约为6.1 km2的预留区。井田西侧邻近石岩沟煤矿、北侧邻近青龙寺煤矿、东侧邻近沙沟岔煤矿、南侧与多个地方小煤矿相接。

南梁煤矿所在地区属于窟野河流域，以折家梁到神树梁为分水岭，分水岭以北的河流先汇入琵琶沟，再汇入悖牛川；分水岭以南的河流则汇入黄羊城沟，黄羊城沟和悖牛川均汇入到黄河一级支流窟野河。以上河流中琵琶沟和黄羊城沟均属于常年性河流，水量表现为季节性特征。南梁煤矿地形条件较为复杂，沟壑纵横且地表侵蚀强烈，整体地势表现为中部高、南北低的特征。南梁煤矿地层由老到新依次为三叠系上统永坪组、侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、第三系上新统、第四系上更新统马兰组、第四系全新统，其中含水层主要分布于第四系和侏罗系地层。

在地形地貌和气候条件的共同影响下，南梁煤矿植被呈现规律性分布特征，主要植被区属于半干旱大陆性气候区，主要植被种类以草丛、农业植物、灌丛为主，其中草丛具有覆盖率低、生长速度快，休眠期长等特点；农业植物主要包括荞麦、大豆、玉米、红薯等农业植物为主，相关农业植物整体分布较为分散；灌丛植物以扁担木、酸枣、荆条、虎榛子为主。总体来说，南梁煤矿地表植被覆盖率较低。

目前，该煤矿开采主要存在“三废”(固体废弃物、矿山废水、废气)污染、土地资源和自然资源破坏、地面塌陷及地裂缝、含水层破坏等问题，严重影响周边区域居民的正常生产生活，不符合可持续发展及“双碳”目标的要求，需要有针对性地开展治理工作。南梁煤矿及周边矿权分布如图1所示。

根据实地调查与地质勘探结果综合分析，确认南梁煤矿主要存在的地质环境问题表现为以下4个方面：一是煤矿开采过程中地质扰动造成的地面塌陷、地面裂缝、地面崩塌等地质灾害问题；二是煤矿开采过程对南梁煤矿及周边土地资源、自然植被的破坏和影响；三是煤矿开采过程对南梁煤矿及周边水资源、水环境的破坏和影响[5]；四是矿山“三废”对周边环境的影响。

2 煤矿地质环境评价指标体系构建

2.1 地质环境评价指标体系

根据煤矿主要地质环境问题，参考现有的研究结果[6-7]，构建出以下煤矿地质环境评价指标体系，煤矿地质环境评价指标体系如图2所示。

图2 煤矿地质环境评价指标体系

2.2 评价指标量化分级

在实施煤矿地质环境定量评价分析前，需要为各项评价指标进行合理赋值。参考现有研究成果确认分级赋值结果，煤矿地质环境评价指标量化分级见表1[8]。

表1 煤矿地质环境评价指标量化分级

2.3 评价单元网格划分

根据煤矿地形地貌、水系发育特征等多种因素条件，选用不规则多边形网格对南梁煤矿进行网格划分，具体网格尺寸为500 m×500 m，形成的评价单元网格如图3所示。

图3 南梁煤矿评价单元网格划分结果

3 煤矿地质环境综合评价分析

3.1 基于层次分析法的地质环境评价分析

3.1.1 层次分析法的权重确定流程

基于层次分析法的权重确定流程如下，假设B级因子组成的指标集为B={B1，B2，…，Bn}；Ci={Ci1，Ci2，…，Cin}i=(1，2，…，n)为对应于Bi(i=1，2，…，n)评价因子的C级因子组成的指标集见式(1)：

(1)

式中：Bij——根据1～9比率标度法获取的指标两两相对重要程度对比结果。

同理可构建B=(Cij)矩阵，具体矩阵构建过程基本一致，在此不再另行说明。

计算矩阵的最大特征值，获取矩阵的最大特征向量见式(2)：

BW=λmaxW

(2)

式中：W——分量值为各因素对应的权重系数；

λmax——最大特征值。

常用的权重系数计算方法包括合计法和方根法[9]，以下采用方根法进行计算。计算矩阵每行所有元素积的方根见式(3)：

(3)

式中：pi——矩阵每行所有元素积的方根；

aij——同层次指标i相较于指标j的重要性对比结果。

计算矩阵特征向量见式(4)：

(4)

计算矩阵方程特征根见式(5)：

(5)

式中：ωT——矩阵特征向量的转置行列。

实施判断矩阵一致性检验见式(6)：

(6)

实施矩阵偏离一致性检验见式(7)：

(7)

式中：CI——一致性指标，指标值越接近于0，说明矩阵一致性越强，反之越弱；

n——矩阵阶数。

实施随机一致性检验见式(8)：

(8)

式中：RI——随机一致性指标。

一般情况下，CR<0.10可以判断出矩阵通过检验，反之需要重构矩阵。

3.1.2 基于层次分析法的指标权重分析

依据1～9度等比率标度法，通过专家打分及参考其他相关资料可得各个层级指标的判断矩阵。以B级指标为例，专家打分结果见表2。

表2 B级指标专家打分结果

在赋分结果基础上根据以上层次分析权重确定流程，通过MATLAB软件获取南梁煤矿地质环境评价指标权重值如图4所示[10]。

图4 南梁煤矿地质环境评价指标权重值

由图4可以看出，在B级指标中，权重由高到低依次为矿山地质灾害、矿山环境污染、资源破坏程度、地质环境条件。在地质环境条件下属的C级指标中，权重由高到低依次为工程活动强度、植被覆盖率、地形坡度、断层节理分布情况、岩土体强度以及小时降雨量；在矿山地质灾害下属的C级指标中，权重由高到低依次为经济损失、人员伤亡、灾害种类、灾害规模[11]；在矿山环境污染下属C级指标中，权重由高到低依次为固废排放和废液排放；在资源破坏程度下属C级指标中，权重由高到低依次为水资源破坏程度、土地资源破坏比例。

3.1.3 基于层次分析法的单元综合评价分析

根据南梁煤矿各单元实际情况，通过层次分析法对各单元进行综合评价分析结果可知，南梁煤矿地质环境综合评价结果相对较低[12]，结合各单元实际情况差异，将整个矿山地质环境划分为相对严重区、相对较严重区以及相对一般区3个级别。其中相对严重区的综合评分>2，相对较严重区的评分为1.4～2.0，相对一般区的评分为1.4以下，基于层次分析法的各单元综合评价结果如图5所示。

图5 基于层次分析法的各单元综合评价结果

3.2 基于灰色关联度法的地质环境评价分析

根据南梁煤矿各单元实际情况，通过灰色关联度法对各单元进行综合评价分析。根据灰色关联度分析结果可知，各单元之间的灰色关联度结果差异较小，综合评价最大值和最小值之间差值仅有0.37，此分析结果与各单元之间相互邻近但存在一定差异的实际情况相符。同时，结合各单元灰色关联度分析结果和矿山实际情况，将灰色关联度值处于0.70～0.83区间的设置为相对严重区；将灰色关联度值处于0.55～0.70区间的设置为相对较严重区；将灰色关联度0.55以下的设置为相对一般区，基于灰色关联度法的各单元综合评价结果如图6所示。

图6 基于灰色关联度法的各单元综合评价结果

3.3 矿山地质环境综合评价分析

综合层次分析结果和灰色关联度分析结果可知，相对严重区域共包含13个单元，相对较严重区域包含18个单元，剩下单元为相对一般区。在实施煤矿地质环境问题治理时，应重点关注相对严重区和相对较严重区的地质环境治理工作，并根据不同单元存在的问题实施针对性地质环境治理。

4 煤矿地质环境影响程度分区及治理措施

4.1 煤矿地质环境影响程度分区

根据层次分析结果和灰色关联度分析结果，对南梁煤矿地质环境影响程度进行合理分区，其中Ⅰ级分区为地质环境影响严重区；Ⅱ级分区为地质环境影响较严重区；Ⅲ级分区为地质环境影响一般区。煤矿地质环境影响程度分区结果如图7所示。

图7 煤矿地质环境影响程度分区结果

由图7可以看出：

(1)地质环境影响严重区。矿山主要包含2个地质环境影响严重区，分别为Ⅰ1、Ⅰ2。其中，Ⅰ1区面积约2.35 km2，为开采形成塌陷区以及塌陷隐患区，可能诱发大规模塌陷以及山体滑坡、泥石流等地质灾害；Ⅰ2区面积约0.48 km2，为排矸场、工业场地以及生活场地区域，是整个矿山工程活动影响最强烈区域，相关工程活动对土地资源、地表水资源造成严重影响。

(2)地质环境影响较严重区。矿山主要包含3个地质环境影响较严重区，分别为Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3。其中，Ⅱ1区面积约0.52 km2，为煤矿20303综采工作面，地表存在滑坡、崩塌等地质灾害风险，若是区域内冲刷带沟底存在裂缝，可能会导致地表水灌入井下，造成淹井等安全事故；Ⅱ2区面积约1.74 km2，为煤矿20201综采工作面，区域植被覆盖率较低，土地植被多为草丛，并且区域邻近地面坍塌区域，局部区域存在地面裂缝或者地表下沉情况，但整体地质环境影响程度较轻；Ⅱ3区面积约1.21 km2，为煤矿2-2煤层采空区边缘区域，区域内土地资源和水资源破坏问题较为严重，并且地表植被覆盖率较低，存在多处废弃小煤矿，存在地表坍塌、滑坡等地质灾害隐患。

(3)地质环境影响相对一般区。区域面积约13.03 km2，是影响严重区和较严重区以外的其他区域，属于203盘区未开采区域，实际煤矿开采过程中均会在村庄区域预留安全煤柱，确保村庄安全性。区域植被、土地以及水源破坏均较为轻微。

4.2 煤矿地质环境问题治理措施

针对南梁煤矿地质环境较突出问题地质环境影响严重区域和较严重区域，应采用“治理为主，预防为辅”的方针制定地质环境问题防治措施；针对地质环境影响相对一般区，则采用“预防为主，治理为辅”的方针制定防治措施。

4.2.1 坍塌区裂缝充填工程

南梁煤矿在开采过程造成局部区域地表塌陷和伴随多条地面裂缝，破坏程度较小区域的裂缝宽度小于15 cm，破坏程度相对较大的裂缝宽度超过15 cm，最宽地面裂缝宽度约100 cm。针对坍塌区地面裂缝问题，应先采用煤矿开采生产的矸石填充至裂缝底部，再通过就近取土的方式在矸石上方覆土，具体覆土方法可选用人工覆土或者机械覆土。煤矸石充填和覆土过程中应采用分层充填夯实方式，每个分层高度应控制在50 cm以内。充填完成后对覆土进行整平处理，覆土层可用于种植适用于本土的各类植物。

4.2.2 植被恢复工程

南梁煤矿植被破坏问题较为严重，需要重点实施植被恢复工程。具体植被恢复工程可采用“草本植物-灌木植物-乔木植物”构成多层植物群落。其中草本植物可选用针茅、沙蒿等；乔木植物可选用杨柳、旱柳、柠条等；灌木植物可选用扁担木、酸枣、荆条等。具体植物应优先选择适用于本土的各类植物，并尽可能在雨季进行种植播撒和植树作业，确保有足够雨水供应植物的正常生长。此外，南梁煤矿还需要安排专人做好植物种植后的维护工作，保障植物成活率。

4.2.3 排矸场治理恢复工程

南梁煤矿排矸场主要治理恢复措施如下。

(1)设置排水沟、截水沟、拦矸坝等工程设施。

(2)煤矸石排放时应采用分层压实方式，避免后期煤矸石堆放中出现非均匀沉降问题。

(3)通过剥离土对煤矸石表面进行覆土处理，并在覆土后进行压实平整。

(4)针对煤矸石堆放后存在的危险边坡应及时进行加固处理。

(5)在排矸场人工播撒适应性和生存能力相对较强的草种。

4.2.4 工业场区崩塌及滑坡治理工程

矿区内还存在3处工业场地崩塌区域，其中2处崩塌区域已经过有效治理，并在治理后实施评估分析确认危险性较小，第3处崩塌区域位于工业场地北侧新建的变电所区域，可能威胁变电所的安全运行，因此需要对其实施重点治理。具体治理可采用的方法为“削坡-护坡”相结合的方式，其中削坡为人工削坡，护坡则是在削坡后的边坡上种植植物，并在边坡上部设置排水渠，做好滑坡检测，防治引发次生灾害。

4.2.5 地质环境监测工程

地质环境监测工程的主要监测内容包括地质监测和地下水监测，其中地质监测包括矿山坍塌发生位置、坍塌范围、坍塌深度、地面裂缝发育特征、土地破坏情况、地面工程设施破坏情况等，具体监测方法为在南梁煤矿及周边区域设置水基准点网，并结合GPS、水准仪等仪器设备进行定期检测分析，实际检测频率一般为每月1次，在地质活动异常时期需要每周1次或者更短时间进行1次监测；地下水监测内容包括地下水水位、水质等，具体检测方法参考《水文普通测量规范》(SL58-1993)，水位监测频率为每旬1次；水质监测频率为每季度1次。

5 结语

以南梁煤矿为例，分别采用层次分析法和灰色关联度法进行煤矿地质环境综合评价分析，进而确认矿山共包含2个地质环境影响严重区和3个地质环境影响较严重区，剩下区域为相对一般区。

针对地质环境影响严重区域和较严重区域，应采用“治理为主，预防为辅”的方针制定地质环境问题防治措施；针对地质环境影响相对一般区，则采用“预防为主，治理为辅”的方针制定防治措施。同时，为有效提高地质环境问题防治效果，从坍塌区裂缝充填工程、植被恢复工程、排矸场治理恢复工程、工业场区崩塌及滑坡治理工程、地质环境监测工程等角度介绍具体防治措施内容，相关内容具有一定可操作性，可为其他同类工程项目提供参考。