田立強(qiáng)，范士彥，門兆龍

(1.山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安 271000；2.山東省煤田地質(zhì)局，山東 濟(jì)南 250000)

我國(guó)礦業(yè)的快速發(fā)展，在為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供重要物質(zhì)保障的同時(shí)，也累積了不少礦山地質(zhì)問(wèn)題[1]，礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響和破壞較為突出。具體到井工煤礦，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響和破壞主要是煤礦地下開采導(dǎo)致地表變形，進(jìn)而損毀土地及造成地形地貌景觀和植被破壞；煤礦形成的采空區(qū)造成地面塌陷、地裂縫等災(zāi)害；破壞地下水系統(tǒng)；“三廢”排放造成環(huán)境破壞。

1 煤礦采空區(qū)的地下水污染

煤礦在建礦、采煤過(guò)程中進(jìn)行礦坑疏干排水造成地下水資源減少或枯竭，是煤礦區(qū)存在的一個(gè)普遍問(wèn)題，部分煤礦在閉坑后，將井口改造成水源井，以作為周邊范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要來(lái)源。煤是含有礦物雜質(zhì)的復(fù)雜有機(jī)物，其礦物雜質(zhì)含量約5%～50%[2]，開采、洗選過(guò)程中的物理化學(xué)作用及人為作用，都對(duì)地下水體產(chǎn)生一定的污染[3]。根據(jù)對(duì)撫順礦區(qū)、淄川礦區(qū)等地的地下水及采空區(qū)地下水的檢測(cè)結(jié)果，水中硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、全鐵、氨氮、總硬度等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，且隨著時(shí)間的推移有污染逐漸加重的趨勢(shì)(表1、表2)[4-5]。

表1 撫順礦區(qū)地下水污染狀況對(duì)比 (mg/L)

表2 淄川礦區(qū)133號(hào)監(jiān)測(cè)井地下水

我國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)遺跡的監(jiān)測(cè)尚處于起步和探索階段[6]，人們對(duì)礦區(qū)地下水污染對(duì)農(nóng)業(yè)的危害未能引起足夠的重視。例如滕縣煤礦區(qū)，礦山廢水對(duì)地下水質(zhì)影響嚴(yán)重區(qū)域面積77.54km2，影響較嚴(yán)重區(qū)域面積154.49km2，影響較輕區(qū)域面積1454.97km2[7]。長(zhǎng)期使用煤礦采空區(qū)積水灌溉，必將嚴(yán)重影響糧食和耕地的質(zhì)量，給人畜的健康造成一定的影響。抽取采空區(qū)污染水的同時(shí)，導(dǎo)致采空區(qū)周邊凈水對(duì)污染水的補(bǔ)給而造成二次污染。

煤礦閉坑了并不代表其對(duì)地下水的污染結(jié)束，其對(duì)地下水的動(dòng)力場(chǎng)及水化學(xué)場(chǎng)產(chǎn)生了深刻影響[8]，目前的當(dāng)務(wù)之急是首先停止對(duì)污染采空區(qū)地下水的抽采，對(duì)井口排水設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)閉；設(shè)置采空區(qū)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)了解采空區(qū)地下水的水質(zhì)、水量的變動(dòng)情況，有效防止非法抽取(注入)污染水；調(diào)查采空區(qū)的補(bǔ)給來(lái)源，采取地面防滲、含水層內(nèi)帷幕注漿等工藝隔絕采空區(qū)地下水的補(bǔ)給通道；采用無(wú)污染的膨化材料將采空區(qū)充填；第五，封閉串層污染井[8]；第六，提高對(duì)煤礦排水的治污技術(shù)與管理，逐步提高礦區(qū)地下水質(zhì)量。

2 有效利用采空區(qū)地溫能

我國(guó)的中部和北部煤田內(nèi)，大部分高溫礦井(約占90%)是由于開采深度大，巖石溫度高所致，例如新汶孫村礦(采深776m，巖溫34.9℃)，徐州三河尖礦(采深736m，巖溫37℃)，湖州長(zhǎng)廣煤炭公司(采深920m，巖溫40℃)[9]，菏澤鄆城煤礦(采深900m，巖溫41.8℃)[注]山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì),山東省巨野煤田鄆城煤礦建井地質(zhì)報(bào)告,2014年。，濟(jì)寧許廠煤礦(540m以深，巖溫>31℃，840m以深，巖溫>37℃)等[注]山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì),山東省濟(jì)寧煤田許廠煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告，2015年。。對(duì)于上述存在熱害(巖溫>31℃)的礦井，往往需要大量的降溫投入，但對(duì)于煤礦內(nèi)(干)熱巖地溫能(高巖溫地?zé)豳Y源)的回收，目前尚未見報(bào)道。目前全國(guó)煤礦數(shù)量減少到8000處，預(yù)計(jì)今后還將大量關(guān)停煤礦，如果在生產(chǎn)過(guò)程中以及關(guān)停以前將高溫礦井內(nèi)的高巖溫地?zé)豳Y源予以利用，將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

開發(fā)煤礦采空區(qū)地溫能的原理與開發(fā)深部干熱巖地?zé)豳Y源及淺層地溫能原理相似，在采空區(qū)形成的過(guò)程中，采用導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕的集熱管材鋪設(shè)于采空區(qū)的上下山巷道內(nèi)，兩端通過(guò)大口徑鉆孔將循環(huán)水聯(lián)通至地面(或于任意位置設(shè)置一個(gè)鉆孔布置U型管)，閉坑礦井也可以采用主、副、風(fēng)井代替鉆孔，將冷水自地面注入井下集熱管中，再將熱水抽至地面利用(圖1)。高巖溫巖土體作為地?zé)崮艿闹饕x存體，其溫度場(chǎng)特征影響熱泵機(jī)組的功耗和系統(tǒng)性能指標(biāo)[10]，通過(guò)水源熱泵系統(tǒng)提取循環(huán)水中的熱量[11]，讓煤礦采空區(qū)周邊(干)熱巖(高巖溫地?zé)豳Y源)產(chǎn)生綠色能源。

圖1 采空區(qū)回收地溫能原理示意圖

根據(jù)魯西地區(qū)淺部巖土體每延米換熱量和平均熱導(dǎo)率，花崗巖大于石灰?guī)r，石灰?guī)r大于第四系松散層的特點(diǎn)[12]，宜選擇換熱量和熱導(dǎo)率較好的混凝土材料將導(dǎo)熱管與高巖溫巷道固結(jié)為一體，盡量避免導(dǎo)熱管與礦坑水直接接觸。

地?zé)豳Y源主要用于供暖，部分用于洗浴、理療、娛樂(lè)、養(yǎng)殖和種植等[13]，相信該項(xiàng)技術(shù)一旦成熟，高巖溫煤礦在生產(chǎn)與閉坑后都將會(huì)煥發(fā)出綠色生機(jī)。

3 農(nóng)耕地范圍內(nèi)地面采空塌陷積水區(qū)

我國(guó)東部平原地區(qū)因地勢(shì)平坦，地下潛水位較高，不少塌陷區(qū)常年積水，淹沒(méi)良田[14]。

以魯西南煤田為例，其地面以沖積平原區(qū)農(nóng)耕地為主，煤礦開采后一般形成深度0～5m的塌陷積水區(qū)。目前采取的治理原則為“宜農(nóng)則農(nóng)、宜漁則漁、宜景則景”，雖然取得了較好的效果，但遠(yuǎn)未達(dá)到恢復(fù)為耕地的初衷。原因在于充填物不能滿足(采空區(qū))大面積實(shí)施，應(yīng)進(jìn)一步研究替代充填物料[15]。

胡振琪等[16]綜合分析了引黃河泥沙充填復(fù)墾耕地的可行性，如果利用黃河多泥沙的特點(diǎn)，從國(guó)家宏觀層面進(jìn)行統(tǒng)一治理，在現(xiàn)有人工河流的基礎(chǔ)上，將黃河與煤礦區(qū)通過(guò)運(yùn)河聯(lián)通起來(lái)，通過(guò)船舶遠(yuǎn)距離輸送黃河泥沙。

(1)利用梁山至濟(jì)寧、二級(jí)壩的魯南運(yùn)河，將黃河與濟(jì)寧、滕南等礦區(qū)聯(lián)通。魯南運(yùn)河(圖2)，北起黃河，南至二級(jí)壩，全長(zhǎng)159km。黃河至濟(jì)寧段，全長(zhǎng)80.9km。北部梁山段長(zhǎng)20km，河道嚴(yán)重淤積，水深不足，尚不能通航；梁山至南旺段長(zhǎng)33.8km，枯水期航道水深0.5m，為季節(jié)性航道；南旺至濟(jì)寧段長(zhǎng)27.1km，底寬15m，枯水期水深0.5m，為季節(jié)性航道。濟(jì)寧至二級(jí)壩段長(zhǎng)78.1km，航道順直，枯水期水深1m以上，底寬50m，可通航100t級(jí)船舶。建議按通航100t級(jí)船舶標(biāo)準(zhǔn)全面疏通魯南運(yùn)河，將開挖泥沙用于回填采空區(qū)及塌陷區(qū)；在南運(yùn)河的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況，將黃河泥沙通過(guò)水運(yùn)或陸運(yùn)輸送至各個(gè)采空塌陷積水區(qū)。

圖2 魯南運(yùn)河位置圖

(2)在魯南運(yùn)河的基礎(chǔ)上，逐漸形成運(yùn)輸網(wǎng)，將黃河泥沙輸送至魯西南及周邊礦區(qū)。黃河下游年均來(lái)沙量12.30億t，以山東省煤炭產(chǎn)量1.5億t(計(jì)劃2020年減少至1億t)為例，煤炭產(chǎn)量在逐年減少，而運(yùn)沙經(jīng)驗(yàn)會(huì)越來(lái)越成熟。因此，一旦方案可行，預(yù)計(jì)利用黃河泥沙可以在30～50年內(nèi)解決一個(gè)采煤大省的耕地減少問(wèn)題。不但緩解了黃河河道的淤堵問(wèn)題，還可以抬高部分低洼災(zāi)區(qū)的地面標(biāo)高，減少洪澇災(zāi)害帶來(lái)的損失。

4 歷史遺留的矸石山

歷史遺留的矸石山，由于堆放時(shí)間比較長(zhǎng)，矸石山中含煤矸石經(jīng)氧化作用后燒結(jié)成為顏色混雜、結(jié)構(gòu)不均的錐形矸石山體，多年來(lái)無(wú)序的取矸作業(yè)形成了多個(gè)陡峭的危險(xiǎn)斷面。山體孔隙多、結(jié)構(gòu)不均、硬度不一，既有燒結(jié)成一個(gè)整體的磚紅色礫石體，又有粉末狀的松軟體，更多的是結(jié)構(gòu)松散的碎石堆積體，一般無(wú)植被覆蓋。由于矸石山自然條件惡劣，修復(fù)成本高，技術(shù)難度大，生態(tài)修復(fù)工程效果不佳[17]。

山東省共有歷史遺留礦山煤矸石堆(山)39處[18]，以淄博市一矸石山為例，雖然其具備制磚、鋪路等用途，但從山體底部取矸，易引起崩塌、滑坡、揚(yáng)塵等災(zāi)害，從山頂施工，由于山體軟硬不均，導(dǎo)致挖掘機(jī)傾翻事故。常規(guī)工藝難以開發(fā)利用，導(dǎo)致空氣、地下水、視覺污染、崩塌、滑坡等災(zāi)害。

影響其資源化利用或生態(tài)治理的關(guān)鍵問(wèn)題是民用爆破工程在削坡過(guò)程中容易導(dǎo)致崩塌、滑坡等災(zāi)害，危及人身、財(cái)產(chǎn)安全。離開矸石山體一定距離施工便可以避免人身傷害事故的發(fā)生，利用水力采煤的高壓射流原理，設(shè)計(jì)一種壓力大于50MPa的水槍，有效射程15～20m，用于矸石山的碎巖和鉆炮眼，配合安全區(qū)域使用破巖機(jī)和挖掘機(jī)聯(lián)合作業(yè)，可以較容易地將矸石山的坡度削減至穩(wěn)定角度，按常規(guī)工藝對(duì)其進(jìn)行綜合治理。該高壓水槍設(shè)備主要體現(xiàn)在高壓泵、高壓管(膠管、鉆桿等)和噴嘴三個(gè)方面，目前常用高壓泵的壓力通常為30～60MPa，流量一般50～150L/min，高壓膠管最高耐壓可達(dá)70～200MPa[19]。高壓泵、高壓管及噴嘴的技術(shù)參數(shù)滿足對(duì)矸石割縫及鉆孔要求，技術(shù)上可行。

5 結(jié)語(yǔ)

限于專業(yè)水平及掌握資料所限，該文只是初步探討，目的僅提供一種解決問(wèn)題的思路，拋磚引玉，依靠社會(huì)的力量，逐步從政策和技術(shù)層面得到完善，依靠市場(chǎng)的力量完成煤礦山生態(tài)恢復(fù)治理，更好地服務(wù)社會(huì)。