大柳塔矿区煤炭开发与地质环境互馈效应
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发布时间：2022-04-24 08:58
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时间：2022-06-18 07:03
一、矿区概况
大柳塔煤矿是神华集团神府东胜煤炭有限责任公司所属的一座特大型现代化矿井，地处陕西省神木县境内大柳塔镇南端的乌兰木伦河畔，所辖大柳塔、活鸡兔两个矿井，拥有井田面积189.80km2，煤炭地质储量23.18亿t，可采储量15.27亿t。井田地质构造简单，煤层倾角平缓，赋存稳定，具有埋藏浅、易开采的优势。煤炭品种为中高发热量的不黏煤和长焰煤，主采煤层煤质优良，具有低灰、低硫、低磷、化学反应性强、热稳定好的特点，是良好的动力、气化、化工和民用煤。
1.地理位置
大柳塔矿区位于陕西省榆林市神木县大柳塔镇与中鸡镇部分境内，地理坐标为东经110°05'00″～110°20'00″，北纬39°15'00″～39°27'00″，面积约376km2。区内交通便利，有西安—包头铁路，包头—神木铁路、神木—黄骅港铁路。神木—东胜公路贯穿矿区南北，府谷—新街公路经过矿区南部，矿区内各乡镇间均有公路相通(图4-1)。
2.地形地貌及水系
井田地处陕北黄土高原之北侧和毛乌素沙地东南缘。地势北高南低，中间高而东西低。最高点在井田北部的陈家坡附近，海拔1334.1m;最低点在井田西南角乌兰木伦河谷，海拔1057.5m。相对最大高差276.6m，一般海拔1120～1280m之间。区内大部属风沙堆积地貌，沙丘、沙垄和沙坪交错分布，植被稀少。东西两部沟壑纵横，切割强烈，沟谷两侧基岩裸露。属河流侵蚀地貌。区内河流有:西界的乌兰木伦河、东界的牛川。井田中部柠条梁为分水岭，母河沟、王渠沟、双沟等河流均向西流入乌兰木伦河;七概沟、活朱太沟、三不拉沟则向东流入牛川。
3.气象
本区属半干旱*性季风气候，冬季干旱寒冷，夏季干燥炎热，昼夜温差悬殊。年平均气温8.5°C，年极端气温38.9～28.1℃。年平均降雨量441.2mm，雨季多集中在7，8月份;年平均蒸发量为2111.2mm。秋末、冬春盛行西北风，夏季多为东南风，年平均风速2.2m/s。
4.地震
井田地处稳定的鄂尔多斯向斜上，历史上未发生过破坏性地震，基本地震烈度为Ⅵ度。
图4-1 矿区地理位置图(据西安地质调查中心，2006)
5.经济
本矿区地处陕西省榆林市与内蒙古自治区的鄂尔多斯市交界处，生态环境脆弱，土地贫瘠，水土流失严重。地区经济基础薄弱，生产力水平低下，是一个经济落后的地区。但本地区地域广阔，矿产资源丰富，特别是煤炭资源得天独厚，适应建设特大型的现代化煤炭生产基地。井田内多为沙丘覆盖，当地农民居住稀散，耕地少且为沙土耕地，在各沟内有河滩淤积耕地，农产品以玉米、谷子、荞麦等杂粮为主。畜牧业主要是喂养猪、羊等牲畜。工业近年来发展迅速，主要有煤炭、电力、化工等。
二、煤炭开发引起的地质环境问题
自1985年大柳塔煤矿始建至今，现有大柳塔、活鸡兔两个年产原煤均超1000万t的矿井。大规模的矿业开发引起的水资源枯竭、水质恶化、地面沉降、露天边坡失稳及煤矸石的存放和污染等对地质环境及自然生态环境的危害也日趋严重，必须引起足够的重视。
中国地质调查局2005年初部署了“陕西大柳塔煤矿区地质环境问题调查”项目，经过两年研究，西安地质调查中心的研究人员调查得出，截至2005年底，调查区煤矿井下开采形成了采空区，煤矿地面塌陷、地裂缝都对农业生产造成了不良影响，并对地面建筑物形成了不同程度的损坏，对当地群众的人居生活和农业生产产生了一定程度的危害。调查还发现，采煤塌陷区77.3%的村民水井干涸或水位下降，73.3%的泉水干涸或流量显著下降。
另外，大矿周边分布有十余家地方和个体煤矿，年产原煤约500万t(徐友宁等，2007)。高强度、大规模的机械化采煤引发了一系列地质环境问题，加剧了脆弱生态环境的恶化。结合本项目野外调查结果，本区由于采煤引起的地质环境问题可以归结为以下三个方面:①地面塌陷与地裂缝;②土壤环境恶化;③地表水与地下水系统破坏。
1.地面塌陷与地裂缝
地面塌陷与地裂缝是煤矿区普遍存在的一种地质环境问题。随着煤炭开采量的不断增加，地下采空区急剧扩大，采煤塌陷已成为矿区危害范围最广、危害程度最大、延续时间最长的一种环境地质灾害。
神东公司矿井均采用综合机械化开采技术，综采工作面长200～240m，采高4m，每向前推进1m，就会形成800～960m3的采空区，加之所采煤层埋深仅为50～150m，开采后地表会立即发生下沉、地表形成裂缝等。截止2005年7月，大柳塔矿区累计形成采空区面积42.69km2(其中，大柳塔矿井采空区面积已达27.087km2)，地面塌陷影响面积48.23～54.64km2(徐友宁等，2008)。
采煤塌陷是由于矿层采出后，采空区在上覆岩土层重力作用下，发生变形弯曲，冒落而形成塌陷。地下煤层采出后，采空区围岩体内原有的应力状态失去平衡，出现应力集中现象，经过一段时间后，集中应力超过岩石的强度时，顶板岩层开始断裂、冒落，形成冒落带。冒落带上部岩层也随后发生弯曲、断裂，随着采空区的逐渐增大，地表开始坍塌、破坏(图4-2)。
图4-2 塌陷剖面示意图
大柳塔矿区主要分布的塌陷类型为基岩上覆薄土层塌陷类型以及基岩上覆厚风积沙层塌陷类型。前者为上覆第四系砂土或黄土，但土层都很薄，一般为0.2m左右。地表植被较少，塌陷表现明显，如出现塌陷洞、地裂缝等(图4-3)。在废弃的房屋壁上也发现有裂缝存在。后者第四系覆盖砂层很厚，塌陷表现为地裂缝、塌陷坑、塌陷阶地等，塌陷初期表现为菱形网格状地裂缝，稳定后，地裂缝易被风积沙所填埋(图4-4)。
采煤过程造成的地表塌陷与地裂缝不同程度地损害了土壤、水体、植被等人类赖以生存的基本环境因素，从而对生态环境产生了严重的影响。
2.土壤环境恶化
(1)土壤结构破坏
煤炭开发造成的地面塌陷使地表产生很多地裂缝、塌陷坑、塌陷洞等，破坏了土壤结构。地表土壤在经历了最初的破坏、重组，以及随后的再度沉压、密实，使土壤的粒度组成、孔隙度、容重、含水量等均发生一定程度的改变。
图4-3 基岩上覆薄土层塌陷区塌陷洞
图4-4 基岩上覆厚风积沙层塌陷区地裂缝
本项目在大柳塔采煤塌陷区建立了两个土壤剖面，一个在非塌陷区，记为 S1; 另一个在塌陷区，记为 S2。土壤剖面图见图 4-5，分层描述如下:
非塌陷区剖面 S1:
细砂层 ( 0 ～160 cm) : 含细粒细砂，夹极少量砾石;
粗砂层 ( 160 ～175 cm) : 含砾粗砂，夹较多砾石;
细砂层 ( 175 ～ 275 cm) : 其中 175 ～ 250 cm为粉质亚砂土 ( 细粒土) ，泥质含量较多; 250 ～265 cm 为 粉 土 质 粉砂，黑色，泥 质 含 量 较 多;265 ～ 275 cm 为含细粒细砂;
中砂层 ( 275 ～ 320 cm) : 其中 275 ～ 285 cm为*条带状粉土质中砂; 285 ～ 295 cm 为含细粒中砂; 295 ～320 cm 为粉土质中砂。
图 4-5 土壤剖面图
塌陷区剖面 S2:
细砂层 ( 0 ～70 cm) : 其中 0 ～60 cm 为含细粒细砂; 60 ～70 cm 为粉土质粉砂，夹少量砾石;
中砂层 ( 70 ～100 cm) : 为粉土质中砂，含少量粘粒;
粗砂层 ( 100 ～ 310 cm) : 其中 100 ～ 130 cm 为粗砂; 130 ～ 230 cm 为含细粒粗砂;230 ～ 310 cm 为砾砂;
砾石层 ( 310 ～330 cm) : 为细砾石，含少量粉土;
中砂层 ( 330 ～400 cm) : 为中砂，夹少量砾石。
土壤的颗粒组成状况对土壤物理和化学性质均有很大影响。塌陷区和非塌陷区土壤粒组含量在研究深度范围内总体的差异情况如表 4-1 中所示。
从表中可以发现，塌陷区土壤层粒度较粗，砾粒组含量较多，而细粒组含量较少。
表 4-1 塌陷区和非塌陷区各土壤粒组总体含量 ( %)
另外，我们对矿区塌陷区、非塌陷区以及裂缝区表层 0 ～60 cm 的土壤容重进行了测试，结果表明裂缝区土壤容重较大，不利于植被正常生长，随着塌陷时间的增长，土壤容重大小趋近于正常土壤容重水平 ( 表 4-2) 。
表 4-2 表层土壤容重统计值
( 2) 土壤侵蚀加剧
采煤对土壤环境的影响还表现在使地表原有的地形、地貌与植被等自然景观受到破坏，加剧了土壤侵蚀作用，加速了土壤的干旱和沙化，造成地表土壤退化和水土流失加剧，使矿区的生态环境受到影响。研究表明，地表坡度的变化是引起土壤侵蚀与退化的主要因素。地下开采引起地表塌陷形成塌陷盆地、塌陷阶地等新的微地貌 ( 图 4-6) ，从而改变了原有的地表坡度，由此将引起原有的地表径流发生改变，坡度越大径流量越大，引起的水土流失和土壤侵蚀也越严重。另外，由于地表裂缝的产生，地表与地下水向深部渗漏，使潜水位下降，导致土壤湿度减小，使本来干燥的土地更加干燥。由于土壤侵蚀程度的加剧与土壤湿度的减小，使土壤退化、沙化现象日益加重，严重影响地表植被景观。
图 4-6 大柳塔双沟塌陷阶地
( 3) 土壤水分减少
包气带土壤水在西北干旱半干旱降雨稀少的地区显得尤为重要。矿区采煤塌陷后，包气带岩土结构被破坏，使包气带水分的分布和运移机制发生相应的改变。采煤产生的地裂缝使得降水入渗的补给水源更易渗入地下，补给地下水，从而减少了对包气带土壤水的补给，且地裂缝的存在增加了土壤层与外界的接触面积，因此土壤水的蒸发量也相应增加。补给减少而蒸发量增加，必然导致包气带土壤含水量的减少。另外，采煤塌陷作用引起的土壤侵蚀作用使包气带岩土层的土壤颗粒粗化，导致其持水能力的下降，也是包气带土壤含水量减少的一个重要原因。本次研究采集了大柳塔矿区内塌陷区和非塌陷区 0 ～60 cm的土样进行土壤体积含水量的测试分析，结果证实了采煤塌陷作用尤其是地裂缝对矿区土壤的持水能力具有明显的负面影响 ( 图 4-7、4-8) 。
图 4-7 塌陷区与非塌陷区土壤含水量垂向变化特征
图 4-8 裂缝壁与非裂缝壁土壤含水量垂向变化特征
( 4) 地表植被破坏
采煤对地表植被的影响，是矿区生态环境恶化的直接原因。土壤和水分是植物生存的必要条件，煤炭开采引发的地面塌陷与地裂缝造成了水土流失和土壤侵蚀，以及地表水和土壤水的破坏，必然对地表植被产生严重影响。
由于地面塌陷作用破坏了地面原有形态和包气带岩土层固有结构，地表塌陷坑、塌陷洞、地裂缝等发育，土壤颗粒粗化，容重改变，对地表植被和农作物产生不利影响。塌陷区内植被覆盖率小，植物种属少，许多在非塌陷区分布的沙生植物 ( 如柠条、沙柳等)在塌陷区不能生存，而且，塌陷区的原生植物 ( 如沙蒿等) 部分枯死，农田全部废弃。
另外，水作为植被正常生长必不可少的要素，土壤中水分含量的多少直接影响着地表植被的生存环境。当土壤水分低于凋萎点时，植物将无法萌发和成活。煤炭开采造成的地表塌陷作用导致土壤持水性减弱，含水率降低，不利于地表植被的生长。研究结果显示，塌陷区土壤含水量在 0 ～60 cm 的深度层内均小于非塌陷区，由此造成了两者地表景观上的显著差异 ( 图4-9、4-10) 。从图中可以看到，塌陷区尤其地裂缝发育的初塌区，塌陷还未稳定，土壤结构仍处在动态变化过程中，在此过程中土壤被拉伸或压缩变形，易导致植物根系被扯断、植物枯死，从而表现出塌陷条件下的典型景观特征 ( 宋亚新，2007) 。
3. 煤炭开发造成地表水与地下水系统的破坏
煤炭开发对水环境的影响是生态环境恶化的最主要因素之一。露天矿床的开采大面积剥离矿体上覆岩层，其上的含水层被破坏，改变了地下水的储水条件和补给、径流、排泄条件，造成矿区地下水位的大幅度下降，使影响范围以内的一些大泉断流或消失，一些取水建筑物的供水能力降低。有研究表明，活鸡兔露天矿先期露天矿排水形成的地下水降落漏斗最大影响范围为 2. 029 km2。
井硐矿的煤层采空区将引起顶板岩层的变形、破裂，直至岩体的冒落和塌陷，当这些冒落、冒裂带的裂隙与上覆含水层连通时，将改变地下水径流条件，使地下水沿着这些裂隙通道涌入矿井，引起地下水位下降，甚至疏干。另外，为了保证安全生产，往往是在大规模开采之前就要先排去巷道上部的地下水，造成地下水流失，以致其影响范围内的植被因缺水而干枯死亡，土地无法耕种。
图 4-9 塌陷区地表植被状况
图 4-10 非塌陷区地表植被状况
首先，地表塌陷与地裂缝在某种程度上直接改变了地面大气降水的径流和汇水条件，使部分地表水通过塌陷裂缝渗入地下，使地表水系流量减小，甚至干涸; 其次，地表由于地裂缝的存在，使土壤水的蒸散面积增大，包气带土壤的持水能力下降; 最后，大的地裂缝将沟通煤层上覆各含水层，使地下水位降低，地表井泉干涸。
( 1) 煤炭开采造成地表水减少
煤炭开采对地表水的影响主要有两方面。一方面是对地表沟泉的影响。大规模的采煤活动产生的地裂缝、塌陷洞、塌陷盆地等使地表径流条件发生变化。原有沟水、泉水易于沿地裂缝、塌陷洞等渗漏到地下，导致采煤塌陷区范围内的沟泉干涸。最典型的是神府-东胜大柳塔矿区塌陷区范围内的双沟水源地，1996 年发生初塌，据 1996 年 9 月观测资料，双沟水流量为 0. 079 m3/ s; 到 2005 年笔者去大柳塔双沟水源地调查的时候，双沟塌陷区范围扩大，沟中水已完全干涸，沟壁两侧树木也大部分枯死 ( 图 4-11) 。而与乌兰木伦河流域仅一梁 ( 柠条梁) 之隔的 牛川流域，目前尚属于未开采区域。其所属一级支流七概沟和二级支流大、小水头沟均有水。小水头沟宽约20 m，沟深约8 m，两侧长有树木和茂盛的芦苇。沟脑处有一侵蚀下降泉，侵蚀切割至潜水位以下，流量约 3 m3/ h。沟两侧也可见地下水从第四系或侏罗系地层接触面流出，与泉水汇合成溪。该沟为季节性河流，每年 8 ～10 月有水。小水头沟北为大水头沟，与小水头沟同是七概沟的支流，是常年性河流，四季有水。大、小水头沟水均流入七概沟，再汇入 牛川。七概沟河流量约0. 04 m3/ s，两岸长有茂盛蒲草 ( 图 4-12) 。
另一方面是对地表河流的影响。矿区内河流的补给方式主要有三种: 一是降雨入渗补给; 二是沟泉侧向补给; 三是地下水上渗补给。由于采煤形成许多地裂缝使得降雨补给来源大部分渗漏到地下，使地表径流明显减少，对河流的补给也相应减少; 另外，地表沟泉干涸使得河流的侧向补给来源明显减少; 有的地裂缝贯通上下含水层，造成潜水向深层渗漏，潜水位大幅下降，也导致地下水对地表河流补给的减少 ( 赵红梅，2006) 。
( 2) 煤炭开采破坏地下水系统
地下水是影响矿区生态环境的关键因素。地下水位的深浅对沙地植物群落组成、地貌景观及治理的难易有举足轻重的影响。煤层开采后，上覆岩层不断发生冒落，形成冒落带及导水裂隙带，从而使含水层结构和地下水径流、排泄条件发生变化。第四系松散层潜水由水平径流、排泄为主转化为以垂向渗漏为主，地下水位发生较大变化 ( 张发旺等，2006) 。
图 4-11 双沟水流植被状况
图 4-12 七概沟水流植被状况
· 煤炭开采对地下水补给的影响
在大柳塔地区，潜水主要靠降雨入渗补给。由于采煤塌陷造成的地裂缝的存在，当降雨强度很大，地面出现积水并产生径流时，径流经过塌陷裂缝时都会被截流，从而缩短了降雨入渗补给时间，减少蒸发，加大入渗量。
另一方面，大柳塔矿区自煤矿开采以来，由于采煤活动 ( 矿坑疏干排水以及采煤塌陷) 造成地下水位大幅下降，从而形成了厚度可达 40 m 左右的深厚包气带。这种深厚包气带对上部接收到的水分具有明显的滞后分配作用，当包气带厚度很大时，这种滞后分配作用的时间尺度甚至可以达到年，其结果是降水通过深厚包气带对潜水实现均匀补给。因此，采煤塌陷使降雨入渗补给量增加，并且通过深厚包气带实现对潜水的均匀补给，对地下水补给的影响为正效应。
·煤炭开采对地下储水空间及地下水运动的影响
采煤塌陷作用往往会破坏潜水含水层，使其与地下采空区连通，成为新的、统一的含水层，称之为 “含水层再造” ( 张发旺等，2006) 。由于含水层与采空区相连通，明显加大了地下水的储水空间，形成一个 “含水层再造”后的地下水库。
在天然条件下，煤、水资源共存于地质体中，并且各有其自身的赋存条件和变化规律。由于煤矿排水以及塌陷渗漏打破了地下水原有的自然平衡状态，形成以矿井为中心的降落漏斗，使地下水向矿坑汇流，在其影响半径内，地下水流速加快，水位下降，贮存量减少，局部由承压转为无压，使地下水运动受到明显影响。因此，采煤塌陷将加大地下储水空间，并改变地下水的运动规律。
·煤炭开采对地下水排泄的影响
如前所述，采煤塌陷造成地下含水层再造，使原本相对独立的含水层变成统一含水体，引起潜水位降低，导致地下水流场、水头压力发生变化，形成以矿井为排泄点的新的地下水排泄方式，进而使原有的地下水排泄点干枯或泉流量减少。
如大柳塔井田 201 工作面，该工作面上部为第四系萨拉乌苏组含水层，属母河沟泉域，沙层厚度20 ～50 m，含水层厚度0 ～30 m，富水性中等至强。采矿前，地下水以母河沟泉为排泄点，而开采后，由母河沟排泄变成了矿井排水 ( 通过疏放排水钻孔和导水裂隙带进入矿井) 排泄; 活鸡兔矿试生产时间不长，其顶部也出现了地面裂隙和塌陷，引起了含水层水位下降，其中王家壕一带地下水位也由开矿前埋深 1 m 左右，降至 6 m 左右; 布袋壕一带煤矿开采前，地下水位埋深仅 1 ～2 m，低洼地带常年积水形成海子，近年来随着煤矿的开采地下水位已下降至4 m 以下，多数海子已经干枯。矿区内民井水位也有明显下降趋势 ( 李连娟，2005) 。
·煤炭开采对地下水资源量的影响
大柳塔地区的地下水资源，主要是赋存于第四系松散含水层中的潜水，其次是烧变岩中的基岩裂隙水，二者为统一的含水系统，具有统一的水位和良好的水力联系，第四系松散含水层中的潜水，是其下伏烧变岩裂隙潜水的补给来源。煤炭开采对地下水资源量的影响主要来自两方面。
1) 采煤塌陷造成含水层结构破坏，使原来水平径流为主的潜水，沿导水裂隙垂直渗漏，转化为矿坑水; 在采矿疏干水过程中又被排出到地表，在总量上影响地下水资源。
2) 采煤塌陷形成塌陷坑、自上而下的贯通裂隙，使当地本就稀缺的地表水、地下水进入矿坑而被污染，使地下水质受到影响，进而影响到地下水的可用资源量。
在大柳塔矿区，煤炭开采一方面使萨拉乌苏组含水层中地下水与细沙大量涌入矿坑，造成井下突水溃沙事故; 另一方面矿坑排水需大量排放地下水，既浪费了宝贵的水资源，又破坏了矿区的水环境。
三、地质环境问题对煤炭开发的反作用
煤炭开发破坏了矿区的生态环境，严重影响当地居民的生存环境。恶化的生态地质环境反过来又给煤炭开发带来了严重的影响，造成了巨大的直接和间接经济损失。
首先，地面塌陷破坏农田、损毁房屋，所造成的经济损失要由煤矿来承担，增加了煤炭生产成本，也加剧了煤矿与当地居民的矛盾，甚至可能成为阻碍煤矿进一步发展的重要因素。如大柳塔煤矿开采造成前柳塔村除村子及附近农田以外的大面积塌陷，使双沟沟泉干涸，地下水位下降至40 m 以下，当地居民饮用水要依靠神东公司从镇上引来的自来水。2006 年，项目组通过访问前柳塔村民了解到，大柳塔煤矿要把原本保留煤柱的前柳塔村及附近大片农田也都纳入下期开采规划中，正与村民协商补偿问题。村民没了土地，要求的补偿较高，而矿上又不肯答应，于是双方协商陷入僵局，问题迟迟不能解决，煤炭开采的下一步工作也将无法顺利实施。
其次，煤炭开发破坏了地表水和地下水系统，使该地区本来就十分缺乏的水资源变得更加稀缺，使煤矿生产用水和工人、居民生活用水面临无水可用的境地，形成了煤炭开发过程中难以逾越的障碍。据报道，陕北神木县中鸡镇李家畔村，由于地面塌陷，地下水遭到破坏，塬上的井水干涸，村民吃水非常困难，人吃水必须到 1. 5 km 以外的地方去运水，每次用牛车拉一罐，得 4 元钱。羊吃水就到附近煤矿的进风口去，吃那种混着煤屑的黑乎乎的地下水。
再次，煤矿旧采空区容易发生冒顶，贯通正在开采的工作面，造成煤矿工人受伤，甚至死亡，也使开采工作陷入混乱。据 《三秦都市报》2008 年 12 月 5 日最新报道，12 月 3日15时10分，神木县大柳塔镇后柳塔煤矿井下旧采空区发生大面积冒顶事故，冲击波将两处标准密闭墙冲塌，从旧采空区涌出的有毒气体致运输大巷中的9名运煤车司机不同程度中毒，经全力抢救升井并立即送往当地医院救治，其中4人不幸遇难，5人正在医院救治并已脱离危险。冒顶地点距主井口约1200m处的主运大巷西侧旧采空区(1996～1997年采空，已封闭多年)，事故发生时，共有19人在井下作业，除9人中毒以外，其余人员都安全升井。
最后，地表植被的破坏还使矿区风蚀严重，影响了煤矿的生产环境，也影响到煤炭的生产，如增加了成品煤的含沙量等。
