大柳塔矿区地质环境保护规划
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发布时间：2022-04-22 11:58
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时间：2023-06-30 09:09
一、矿区现有地质环境保护技术
大柳塔矿区现有治理技术方案主要包括以下3项:①矿井水处理技术;②固体废弃物治理技术;③矿区荒漠沙丘生态环境建设技术与措施。
1.矿井水处理技术
由于矿区地处荒漠区，水资源贫乏，煤炭开发又不可避免地破坏地下水资源，因此，水资源及其利用成为制约矿区生态建设的关键因素之一。针对这种情况，神东公司在采用先进技术对生活污水进行处理的同时，结合矿井水和采空区及其充填物的特点，重点开发了矿井水采空区过滤净化技术，为矿井水的净化与利用开辟了一条新途径。这项工程根据具体地质条件，已经在大柳塔井田成功实施。
在大柳塔井田，由于矿井废水在采空区、集水区发生过滤、沉淀、吸附与离子交换作用、自生矿物生成作用等物理化学过程，矿井废水中悬浮物、钙离子及其他有害离子大幅度减少，可以直接作为工业用水。净化后矿井水主要应用在3个方面:一是井下除尘、消防等;二是作为洗煤厂、热电厂的工业用水;三是经进一步的净化处理后并入管网，供生活用水。处理后的矿井水复用的经济效应极其显著。就大柳塔矿来看，每小时矿井水流量为280m3左右，全年可达245万m3。矿区工业用水的价格为3.2元/m3，排污费为0.96元/m3，因此，利用矿井水可产生经济效益784万元/a，节省排污费235余万元/a，每年的直接经济效益为1019余万元。
矿井水利用的环保生态效益主要表现在以下几个方面:一是基本消除了矿井水引起的地表水体的污染;二是减少了地表水体水量的利用，有利于地表生态环境的维持与改善;三是减少了地下水开采量，减缓地下水位的下降，维持表土层的保水能力，防止水土流失;四是矿井水可直接应用于矿区和周边地区的绿化与生态改善。
2.固体废弃物治理技术
矿区开发初期，乱倒矸石土渣的现象极为普遍，由于没有固定的排矸场地，矸石废渣任意向河槽沟道倾倒，致使大量矸石涌入乌兰木伦河，河床不断提高，矿区向黄河输沙量剧增。活鸡兔矿点沿河床布设的大小17个煤矿，对矿渣无任何处理措施，都向河槽倾倒，使原来150m宽的河道只剩下十几米。
后来，按照规划设计分区征用了沟壑地、开设了矸石场，在沟口建起渣坝，集中有序分层排放，在矸石矿渣处理方面取得了一定的成效。但是，井下矸石矿渣向地面排放处理存在两个致命的弱点:汽车排矸及矸石场平整管理费用较高;矸石矿渣中掺杂的碎煤自燃对周边环境的严重污染。据统计，大柳塔煤矿以前井下向地面排矸费吨公里0.65元，每年仅排矸费一项达百万元以上。矿区空气污染曾经上升到中度。
矿区在进行深入研究后，决定采用矸石矿渣的井下处理的方法消除矸石污染。在矿井设计和建设阶段考虑和实施井下矸石矿渣井下处理技术，在井下消化处理全部矸石。用矿用铲车配合无轨自卸胶轮车将生产过程中产生的矸石矿渣就近排至联巷、排矸巷、施工巷以及其他废弃的巷道内，并配以矸石自燃防治措施，取得了良好的效果。各矿每年节省排矸费上百万元，环境生态效益也十分明显:不占用土地，杜绝了煤矸石中有毒有害物质在风化和淋滤作用下对环境和水体的污染;杜绝了煤矸石的自燃，降低了空气中硫化物以及其他有毒有害物质的含量。
3.矿区荒漠沙丘生态环境建设技术与措施
神东公司通过积极的研究、实践、总结，矿区形成了一套成功的生态建设技术体系。主要有抗逆造林系列技术、风沙治理系列技术、水土流失治理系列技术等，取得了显著的生态和经济效益。
(1)抗逆造林系列技术
针对矿区干旱、贫瘠、品种少等逆性条件及其对造林的制约，采取了一系列抗逆造林技术，包括:种苗建设技术和抗旱造林技术。种苗建设技术就是选择适宜种苗并对其进行引种，进行适应性栽培，使矿区生物物种具有多样性，且这些植物具有较好的抗逆性，从而达到了具有较好生态效益的目的。抗旱造林技术，包括林分结构优化配置、抗旱保水保肥技术、灌溉管网造林和平衡施肥技术4个方面，为保证造林效果、提高成林率提供了良好的保证。
(2)风沙治理系列技术
由于风沙对矿区生产、生活的影响严重，矿区在分析矿区沙地的有关条件后，确定了以植物措施为主，以工程措施为辅，多种手段快速、大面积地治理流沙的技术路线。在不同地段采取不同的技术措施。包括高大流动沙丘植被恢复技术，半固定沙丘植被恢复技术，沙地针叶林造林技术。
(3)水土流失治理系列技术
矿区沟壑纵横、沟深谷陡，地形支离破碎。风化破碎的基岩、疏松易蚀的风成沙与黄土、经常发生的暴雨使该区成为黄河中游水土流失最为严重的地区之一。此外，采矿、筑路等人为活动也是水土流失的诱导因素。
在水土流失防治中，神东公司应用了具有矿区特点的水土保持系列技术。其中，整地技术是水土保持最普遍的与最有效的技术。通过改变小地形，把坡面局部地改为平地、反坡或下洼地，改变了地表径流的形成条件，并形成一定的积水容积。从而改善土壤水分条件、温度条件与养分状况，整地技术包括鱼鳞坑整地技术、水平沟整地技术、撩壕整地技术和植树造林技术，取得了良好的治理效果(叶青，2002)。
二、环境保护技术对煤炭开发的促进作用
矿产的开发不仅会破坏环境，而且影响矿业开发活动自身的发展。如果控制得当，矿产开发引起的环境地质效应还会造福人类，改善环境，并取得巨大的经济效益(张发旺等，2001a)。
对于煤炭开发来说，很容易因塌陷破坏或预先降压而疏干上部含水层，而水资源对于干旱地区至关重要，因此，采取合理的顶板管理保护含水层不被破坏，或者保护被疏干的地下水不被污染，或者对受到污染的地下水进行处理，都可能会是经济可行的办法(张发旺等，2001b)。
本项目以1989年的TM数据、2002年的ETM+数据为基础，对研究区不同时段矿区土地利用的变化进行监测，对比分析研究区环境变化情况，并结合矿山开采的速度等实际情况分析采取积极的环境保护措施之后对矿区地质生态环境的改善。
结合矿区实际情况，对矿区土地利用类型进行如下分类:耕地、草地、河流、居民地、裸地。然后，根据研究区各土地利用类型影像特征，包括从色调、形状、阴影、纹理及影像结构等方面对提取的可视地物要素进行影像的定性分析。通过对这些地物要素其影像的定性分析，总结、归纳出这些地物要素各自所具有的影像特征，以此作为这些地物要素的解译标志和依据，后利用监督分类法开展大柳塔矿区土地利用、覆被动态变化调查，定性分析煤矿开采对区域生态环境的影响。
大柳塔矿区1989年、2002年矿区土地利用、覆被遥感解译图见图4-35、图4-36。1989年及2002年大柳塔矿区各类土地利用/覆被类型占研究区面积的直方图如图4-37所示，由图可以看出，在6类覆被类型中，草地(荒草坡)、耕地面积基本上没有发生多大变化，林地所占比重有所扩大，裸地相对缩小，沙漠控制面积有所减少，但区内的地表水资源也日渐匮乏。
图4-35 大柳塔矿区1989年土地利用/覆被遥感解译图
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。图4-38为1989年及2002年大柳塔矿区的标准化植被指数分布图。图4-39为1989年及2002年大柳塔矿区的标准化植被指数分布图变化趋势图，其中绿色部分为标准化植被指数增大的区域，表示在相对于1989年，2002年该处的植被更加发育，反之，*则表示植被遭受到了破坏，植被指数下降。
从以上分析可以看出，由于神华集团神东公司在煤炭开发的同时，采取了一系列积极有效的环境保护措施，控制了土地沙化进程、改善了地表植被覆盖状况，取得了良好的环境效益、经济效益和社会效益。
大柳塔矿是神东公司第一个井下开采的矿井，由于当时仍按照传统方法向地面排矸，不仅需要为矸石运输投入每吨公里0.65元的费用，还堵塞了河道，引起了严重的空气污染。大柳塔矿初期每年仅排矸费用就达百万元以上，后期为了治理矸石山，2000年大柳塔矿投资70万元，通过采用分层排放填沟造地、上覆黄土、平整碾压，然后植树种草绿化了矸石场，治理面积5.33hm2。
图4-36 大柳塔矿区2002年土地利用/覆被遥感解译图
图4-37 1989年及2002年大柳塔矿区各类土地利用/覆被类型
近年来，为了提高效益、降低成本、减少污染，神东公司在新矿井设计之初就规划了矸石和矿渣井下处理，在井下消化全部矸石，并对排矸巷进行封闭、隔水，防止产生新的污染。采用矸石矿渣井下处置技术，完全可以达到井下矸石不升井就地消化处理的目的，各矿每个可节省排矸费用上百万元。其生态环境效益也十分明显，主要表现在:不占用土地，杜绝了煤矸石中有毒有害物质在风化和淋滤作用下对环境的污染，杜绝了煤矸石的自燃，降低了空气中硫化物及其他有毒有害物质的含量。
另外，神东公司还采取各种措施对矿井水进行处理，复用。处理后的矿井水复用的经济效应极其显著。以大柳塔矿为例，每小时矿井水流量为280m3左右，全年可达245万m3。矿区工业用水的价格为3.2元/m3，排污费为0.96元/m3，因此，利用矿井水可产生经济效益784万元/a，节省排污费235余万元/a。每年可获得经济效益1019万余元。矿井水利用的环保生态效益主要表现在以下几个方面:一是基本消除了矿井水引起的地表水体的污染;二是减少了地表水体水量的利用，有利于地表生态环境的维持与改善;三是减少了地下水开采量，减缓地下水位的下降，维持表土层的保水能力，防止水土流失;四是矿井水可直接应用于矿区和周边地区的绿化与生态改善。
图4-38 1989年及2002年大柳塔矿区标准化植被指数分布图
图4-39 1989年及2002年大柳塔矿区标准化植被指数变化趋势图(绿色为标准化植被指数增加区;*为标准化植被指数减低区)
为了保护生态环境，神东公司还采取多种措施进行植树造林。到2002年底，神东矿区累计营造乔灌木2488万株(穴)，按年产生物量计算，每年可创造直接经济产值1990万元;种苗基地每年可销售苗木200万株，创造产值200万元。生态功能的增加，大大降低了煤灰分，提高了煤质。采取治沙措施的露天采坑，当平均风速为8.4m/s时，两小时的进沙量为19.58/m3，未经治理的煤矿集沙量为331.1g/m2，二者效果之比为1∶17，精煤进沙尘量降低94%，煤质提高，每吨煤的销售收入增加1.925元。矿区露天开采按200万t/a计算，则每年可增加煤炭销售收入385万元。经济效益还表现在延长了机械设备使用期，每年可节约维修费500万元:避免了沙尘暴造成公路停运，提高公路运输产值535万元，水源涵养林的营造有效沉降了水中的含沙，每年节约供水系统清排沙费160万元(叶青等，2002)。
截至2006年年底，神东煤炭分公司累计投入生态治理专项资金超过5亿元，其中2006年投入超过5000万元;完成生态治理面积145km2，已治理面积大约是开采面积的3倍。神东矿区林草覆盖率由开发初期的3%～11%提高到目前的59.4%。
在各种环保措施的保障下，神东公司近年来实现了持续快速发展，原煤产量连续7年实现千万吨增长，2004年集团原煤年生产力已达1亿3000万t。
三、现有地质环境保护技术的不足及治理措施
虽然大柳塔现有地质环境保护技术对煤炭开发起到了良好的促进作用，采取的一系列保护矿区植被和水资源的措施，取得了一定的环境效益、经济效益和社会效益。但在地面塌陷的治理与土壤保护、土壤水综合利用方面还存在不足，周边地方及个人小煤矿存在的地质环境问题的治理也不容忽视。
1.地面塌陷治理与土壤保护技术
前已述及，大柳塔矿区最大的地质环境问题在于地面塌陷与地裂缝。许多其他地质环境问题:诸如土壤环境破坏、地下水系统破坏等也是由地面塌陷与地裂缝引起的。目前矿区对地面塌陷与地裂缝的治理仅是在矿井生产期间组织人力，对采煤后地表出现的裂缝进行充填。对于封闭矿井范围内出现的塌陷坑、洞、塌陷台阶等，未见其实施填平修复以及其他治理措施。
对地下开采引起的塌陷区，因其所在地区的地势地貌、水文气象等条件的不同，对土地的破坏程度和复垦方法均有所不同。对于地处黄土丘陵地与毛乌素沙地边缘的大柳塔矿区而言，可采用原位土壤保护技术，适用的方法主要包括充填复垦、泥浆复垦等工程技术。鉴于大柳塔矿区采煤塌陷破坏了很多耕地，对耕地的恢复复垦非常重要。因此，还需要结合一些生物复垦技术，改善土壤的结构，使复垦后的土壤更有利于提高作物产量。
2.塌陷区土壤水综合利用技术
大柳塔矿区地处西北干旱区，水资源极其缺乏。而采矿活动又造成水资源量的损耗及水质的恶化，使可用水资源大为减少。尽管矿区施行了矿井水资源化的治理，取得了一定的成效，但仍不足以解决矿区水源的根本问题。土壤水的综合利用是西北干旱地区生态环境建设的发展趋势。对于水资源极度缺乏的矿区，土壤水的有效利用尤为重要。
采用微地貌与覆盖措施有机结合的土壤水利用技术能够改变土壤水流动系统特征，*土壤水流动系统的上下边界条件，改善土壤浅部介质的渗透性与储水性，增加降水入渗，减少土面蒸发，从而优化田间微水文系统、微气候系统，改变土壤的微生态环境，使土壤水分、盐分、养分、温度、透气性等要素的时空分布更有利于植被的生长(靳孟贵等，1998)。
根据靳孟贵等对土壤水利用技术的研究，目前可行的土壤水利用技术包括盖膜穴播、缩行密植、秸秆覆盖、沟播等。不盖秸秆沟播的过氧化氢酶活性最高，盖秸秆沟播与覆膜穴播的相差不大，而密植的活性最低。缩行密植促使作物根系深扎，使得作物利用土壤水的范围下移，有利于作物利用深部土壤水，扩大了根系汇流系统，增加可利用土壤水资源。同时，利用小麦自身增加田间覆盖，抑制棵间蒸发，缩小土面蒸发流动系统，在干旱条件下形成有利于作物生长的土壤水流动系统。沟播使得各生态因子(温度、湿度、盐分、pH值等)处于适宜的状态，微生物学过程及作物代谢活动较好，所以土壤过氧化氢酶活性也最高。秸秆还田可以改变浅部土壤的渗透性与储水性，减少土面蒸发，减少灌溉水和降水的深层渗漏，降低了昼夜温差(靳孟贵等，2003)。各种土壤水利用技术对土壤浅层的微生态环境影响较大，对深层土壤影响较小。
矿区耕地由于受到塌陷及地裂缝的影响，农作物产量受到影响。采用土壤水利用技术，不但有利于农作物生长、增加产量，而且对于矿区塌陷土地的植被恢复、生态环境重建也有积极的促进作用。
3.周边地方煤矿的地质环境治理
大柳塔煤矿周边有许多正在开采的地方乡镇或个人小煤矿。包括神木县苏家壕矿、贾家畔时令梁矿、张家渠矿、昌盛煤矿、后柳塔矿、东风联营矿等。这些乡镇煤矿(多为私营煤矿)存在着私开乱挖、伤亡事故多、危及煤矿及矿工安全、环境污染严重等问题(洪勇等，2006)。主要原因是煤矿主对矿山的地质条件没有足够的认识，对采矿引起的地质环境问题不够重视，在经济利益的驱使下，没及时做好地质环境问题的防护措施，对破坏的地质环境也不能及时有效地治理。对于小煤矿的治理技术，完全可以沿用前文所述相关技术，包括塌陷区土地复垦的各种技术、矿井水资源化的技术、生态修复的种植技术等。
但是，对于小煤矿的地质环境治理，不光涉及技术问题，更重要的是制度与管理的问题。许多环节的技术难度并不大，而是由于小煤矿主的思想观念及对大局认识的不足，以及对短期经济利益的盲目追求，使得这项工作难以坚持下去。故需要有关部门能制定出切实可行的*，采取有效的监督管理制度，使其工作规范化、系统化、制度化，在小煤矿生产中具体落实下来，使小煤矿能持续健康地发展，为实现经济建设的可持续发展战略作出新的贡献(赵福平等，2003)。
四、矿区地质环境保护规划
利用大柳塔矿区地质环境调查结果，针对大柳塔矿区存在的主要地质环境问题，结合已有地质环境保护技术及改进方案，本着“采煤保水保生态”的基本原则，在本项目研究重点的基础上，制定大柳塔矿区地质环境保护规划方案。
1.大柳塔矿区地质环境保护目标
按照大柳塔矿区生态地质环境保护与治理的相关法律、法规，在认真分析规划区域内自然地理条件与社会经济发展现状、矿区生态地质环境现状，矿区地质环境保护与治理现状及存在的问题等背景的基础上，制定科学的、可操作的规划目标，包括以下3个方面:
1)整治采煤塌陷土地，尤其是耕地，使之恢复到适宜植物生长、重点是恢复农作物可耕作的状态;
2)使土壤水资源得到有效利用;
3)使矿区周边由于小煤矿引起的各种地质环境问题得到有效解决。
2.大柳塔矿区地质环境保护的重点区域
根据大柳塔矿区所处地质环境和地貌特征、矿区地质灾害隐患特征及矿区地质环境影响程度和涉及面大小等因素，划分矿区生态地质环境保护与治理的重点区(图4-40)。
图4-40 大柳塔矿区地质环境保护规划示意图
在大柳塔矿区地质环境保护现状的基础上，确定出地质环境治理的重点区域首先是采空区，一般而言，采用长臂式井峒开采方式，只要采过的地方必然塌陷，因此，采空区是需要治理的重点区域;其次是矿区周边地方煤矿治理区，大柳塔矿区周边有些小煤矿存在越界开采的行为，造成许多地质环境问题，但由于采区归属的不明确，地质环境治理的责任也就不明确，因此需要进行重点治理。
3.大柳塔矿区地质环境保护治理项目
根据矿区地质环境保护目标与重点区域，结合矿区现有地质环境保护技术及优化方案，可设立以下3个矿区地质环境保护治理项目，并对不同类型地质环境问题提出相应的治理方案，提出具体安排建议及规划实施的对策措施。
(1)大柳塔矿区采煤塌陷区综合治理
大柳塔矿区从1985年创建至2005年底，采空区面积已达27.087km2，地面塌陷影响面积达48.23～54.64km2(徐友宁等，2008)。在综合机械化开采技术条件下，形成即采即塌的塌陷模式。大规模的塌陷土地，尤其是原农耕地，需要进行综合治理。
·塌陷区复垦方案
采煤塌陷区土地复垦根据塌陷前的土地利用类型采取相应的技术措施。采煤前的非农耕地，采取自然恢复的技术措施。在没有其他干扰的情况下，3年后塌陷区地面稳定，植被基本恢复到塌陷前的状况，所以，不干扰、不继续破坏是塌陷区最经济也是非常有效的复垦措施。
对塌陷前的农耕地，为了尽快恢复其生产力，要采用一些适宜的治理技术进行重点治理恢复。大柳塔矿区塌陷地大部分属于山地和丘陵，地势不平，塌陷区与原始地貌差别不大，裂缝较多，潜水位很低，因此，在不影响耕种的情况下，及时填塞裂缝、适当平整后不作其他治理，直接进行复垦;在部分地表破坏较严重、塌陷较深地段，可采用在塌陷区内先充填后覆土的改造方法，然后复垦。
·适宜作物种选择方案
大柳塔矿区有效土层瘠薄，环境条件比较脆弱，要提高作物的产量，就要选择耐瘠薄、耐干旱抗性强的作物种。同时，在选种时还要考虑在相同的投入下，作物收益越高越好。矿区生长较好的作物品种包括马铃薯、玉米、黍子等，抗旱、受塌陷影响小，可在复垦后继续播种。
(2)大柳塔矿区土壤水综合利用方案
大柳塔矿区水资源短缺，如果能够有效利用土壤水资源作为农耕、生态用水，可产生极大的经济效益、社会效益及生态效益。因此，需要在塌陷区土地复垦后，采用各种土壤水利用技术，综合利用土壤水资源，为矿区经济有效地恢复农耕地与生态植被提供保障。
可采用深翻蓄水保墒技术、秸秆高茬还田技术、倒茬轮作技术、微地貌与覆盖措施有机结合的土壤水利用技术等达到综合有效利用土壤水的目的。
·深翻蓄水保墒技术
大柳塔矿区以旱作农业为主，多年平均降雨量仅368.2mm。最大限度地蓄水保墒和提高水分利用率，能够提高土壤含水量，接纳秋季雨水，达到“秋雨春用”的目的。目前主要推广机械深松耕、伏秋机械深耕、山地转头犁深翻和人工铁锨深翻4种形式。
·秸秆高茬还田技术
秸秆高茬还田技术就是在地面保留足够数量的作物残茬或秸秆，以保护土壤，减少土壤水分的损失。植物残留物吸收大量地面水，延迟了地表的水流，使水分有更多的时间渗入地下。根据生产实际，并针对伏秋旱象确定留茬，若伏秋雨水充足，留茬20cm以上，干旱则留茬20cm以下。
·倒茬轮作技术
合理轮作是通过肥(施用有机肥、肥田保水)、作(农作物调剂用水)、蓄(改善土壤条件，扩大蓄水量)、用(挖掘不同层次的有效水，加以利用)等途径来解决有限天然供水下的农业持续增产问题。在大多数情况下，适合当地的轮作能提高水分利用率。轮作倒茬种植结构根据作物种以及其生物学特性而制定，一般深根性作物与浅根性作物、禾类作物与豆、薯类作物搭配，轮作地一般都要加进经济作物，总产值也高(神华集团，2007)。
·微地貌与覆盖措施有机结合的土壤水利用技术
该技术能够改变土壤水流动系统特征，*土壤水流动系统的上下边界条件，改善土壤浅部介质的渗透性与储水性，增加降水入渗，减少土面蒸发，从而使土地更有利于植被的生长。根据塌陷区的地貌类型及作物类型，研究区内可行的技术应为秸秆覆盖、沟播方式。
(3)大柳塔矿区周边地方煤矿地质环境保护治理
大柳塔矿区周边归属地方或个人的小型煤矿，无论是否存在越界开采，均使开采地的地质环境遭到较大破坏。产生的地面塌陷、地裂缝、煤矸石占地、水土环境污染等地质环境问题需要进行综合治理。该治理项目，技术上仍采用前述大柳塔矿区各种地质环境保护治理适用技术。关键在管理制度上存在的问题，建议采取以下措施:首先，坚持依法治理的原则，结合实际情况，制定相应的《大柳塔地方煤矿地质环境治理与保护条例》，对大柳塔地方煤矿地质环境治理的责任划分、治理目标、治理原则、指导思想、办理程序、奖惩兑现等具体事宜做出明确规定，从而将该区地方煤矿地质环境治理与保护纳入法制化、制度化的轨道，增加工作透明度，保证地质环境有序治理。
其次，在治理费用方面，主要采取收取地质环境治理保护费用的方式，按照制定的条例，对区内地方煤矿强制收取生态地质环境保护治理费用。依据“谁破坏、谁治理”的原则，将地质环境治理保护纳入煤炭生产成本，向造成地质环境破坏的煤炭企业收取一定比例的治理费用，并将耕地开垦费、耕地占用费等*起来使用。
最后，要依法监督地质环境治理与保护条例的执行情况，加大执行力度，实行严格的目标责任制，使治理工作有组织、有计划地向前推进。
