煤炭开发中的主要环境地质问题

西北地区煤炭开采区主要分布在黄土高原的陕西韩城—铜川—彬长—黄陵等渭北煤田区、陕西神府及内蒙古东胜煤田区，甘肃平凉华亭、阿干镇、窑街煤田区，宁夏灵武、石嘴山、石炭井煤田区，内蒙古乌达、海勃湾、包头石拐煤田区，新疆的乌鲁木齐、哈密三道岭煤田区等。

总体而言，西北地区煤矿开采引发的环境地质问题十分严重，是所有矿产工业类型中矿山环境地质问题最为严重的一种类型。地下开采和露天开采对矿区地质环境影响方式和程度不同，以地下采煤导致的环境地质问题最为严重。西北地区煤矿以地下开采为主，其产量约占煤炭产量的96%，主要环境地质问题见表3-7。煤矿开采的环境地质问题示意图见图3-3。

表3-7 煤炭开采的主要环境地质问题

图3-3 煤矿开采环境地质问题示意图

露头煤及浅部煤层采用露天开采，改变了原有的地形地貌：高陡边坡诱发滑坡(①)，外排土矸场占压土地(②)，废渣堆积沟坡上，暴雨诱发形成滑坡(①)和泥石流(③)地质灾害。煤层采空区(④、⑤)上方地裂缝(⑥)会造成建筑物开裂、农田被毁，稍深部煤层采空区上方发生地面塌陷(⑦)，耕地被毁，村庄搬迁。煤矸石堆积占压土地的同时，矸石山粉尘及自燃(⑧)产生的有毒有害气体、风井排出的沼气、二氧化碳等污染大气环境(⑨)，危及人类健康。露天矿排矸场及煤矸石淋溶水造成地表水土(⑩)及农作物污染，下渗造成地下水及岩溶水污染(

3.4.2.1 煤矸石压占土地

煤矸石是采煤和选煤过程中的废弃物，通常占煤矿产量的12%～20%，是煤矿最主要的固体废弃物，主要危害是堆积压占土地破坏植被。陕西黄陵店头地处黄土高原地带，小流域地区的森林植被良好，但是部分煤矿排放的煤矸石堆积在山坡上，压占了生长良好的杂木林。陕西韩城下峪口黄河滩湿地芦苇茂密，生态环境良好，但是该矿排放的煤矸石填滩造地，破坏了黄河湿地生态资源与环境。

3.4.2.2 对水资源的影响

产于鄂尔多斯盆地周边的石炭-二叠系中的煤田，其下部是奥陶系石灰岩，上部为侏罗系砂泥岩，属干旱盆地严重缺水地区。矿井疏干排水导致地下水均衡系统破坏，地表水水量减少，地下水位下降。煤矿酸性及高矿化度的井水造成地下水污染，加剧了水资源危机。新疆乌鲁木齐市六道湾煤矿煤系地层倾角67°～78°，开采后形成自上而下的采空区塌陷和裂缝带，造成水资源流失的环境破坏。煤炭资源大面积连续开采，造成了难以恢复的地下水破坏，同时导致地表河流流量锐减，生态环境破坏。1997年以来，陕西神府煤田开发区的不少河流断流，如2000年窟野河断流75d，2001年断流106d。由于煤矿采空区裂缝遍布，最宽达2m多，局部地区地面下降2～3m，导致原流量达7344m³/d的双沟河已完全干枯，26.67ha水田变为旱地，杨树等植被大片枯死。

3.4.2.3 崩塌、滑坡、泥石流

露天矿山高陡边坡开挖或堆积在斜坡体上的采矿废渣因暴雨、地面塌陷、地裂缝等原因引发崩塌、滑坡。煤矿区滑坡主要发生在露天矿、黄土高原以及山地矿山。如新疆哈密三道岭露天煤矿1967、1983 和1999年先后三次发生较大规模的滑坡，造成矿区运输中断，直接经济损失上百万元。内蒙古包头石拐矿区由于采煤使地下采空区面积增大，近几年滑坡活动加剧，目前滑坡体东西长100～370m，南北宽600余m，面积约16×10⁴m²，体积约400×10⁴m³。从1979年至今已毁坏民房及其他建筑物达5000m²，堵塞了通往五当召旅游点的道路600m，造成经济损失约400万元。红旗山出现了多组东西向宽约0.1～1.5m、南北走向长约100～300m的地裂缝，危及山脚下677户1947人的生命财产安全。

陕西韩城象山煤矿因地下采煤及渠道渗水等原因，引起山体蠕滑，直接威胁坑口电厂——韩城电厂主厂房的安全，为此付出了上亿元的防治费用。陕西彬县百子沟煤矿地下采煤采空区上方岩层垮落、下沉，使地表斜坡失去平衡导致1995年7月6日的黄土滑坡，滑距约30m，180×10⁴m³土方量堵塞河道形成堰塞湖。滑坡将矿部三座大楼整体向前推移5～7m，楼房墙壁出现裂缝，地板鼓起，地基被毁。由于事先的预报准确，所幸无人员伤亡。1991年8月9日，陕西铜川金华山煤矿西侧黄土塬边由于地下采煤引起崩塌、滑坡，土方量达1050×10⁴m³，将坡脚处的西龙村埋没，大片良田被毁，损失巨大。

陕西铜川焦坪、王石凹、李家塔、金华山、桃园等煤矿均发生过严重的滑坡，铜川矿区有中等以上规模滑坡1000多处，铜川市区有154处，崩塌体361处。陕蒙神府—东胜矿区地处干旱半干旱地带，植被覆盖率低，土壤风蚀、水蚀交错，岩层结构疏松，易风化，自然灾害频繁，生态环境十分脆弱。20世纪80年代以来煤田大面积开采，采矿废石及排土乱堆乱放，沿山坡开挖加大了地面坡度。矿区人为泥石流均分布在河道两侧，泥石流直接注入河床，使河床过水断面缩小，行洪能力降低，即使中等水深洪水，也能造成很大灾害。1989年7月21日，矿区上游突降暴雨，3h降雨120mm，在乌兰木伦河形成含沙量高达1360kg/m³的泥石流，淤平坑井11处和露天矿坑9处，其中马家塔露天矿被淹没，泥沙淤积15×10⁴m³，冲毁两岸矿堤1870m、水浇地600亩、路基挡墙60m，导致铁轨悬空，中断行车一月之久，经济损失2000多万元。

3.4.2.4 地面塌陷和地裂缝

地下开采形成的地面塌陷、地裂缝造成耕地破坏、公路塌陷、铁轨扭曲、建筑物裂缝，以及洼地积水沿裂隙下渗引发矿井透水等事故。在干旱地区由于地表水系受到破坏，导致矿区生产、生活以及农业用水发生困难。同时，还可诱发山体开裂形成滑坡。

地面塌陷和地裂缝在大中型地下开采的煤矿区最为普遍，灾害也最为严重。如新疆的六道湾煤矿，甘肃的华亭、窑街、阿干镇、王家山等煤矿，宁夏的石嘴山、石炭井煤矿和陕西的渭北韩城—铜川以及神府—东胜煤田矿区。

调查资料表明，在579座各种类型的矿山中，有115座矿山存在地面塌陷，塌陷面积达20236km²。其中非煤矿山10座，仅占8.70%；而煤矿山有105座，占塌陷矿山的91.30%。根据塌陷面积及严重程度，大于10km²的极差级别矿山8座，占8%；1～10km²差级别矿山 37座，占 35%；0.1～1km²中等级别矿山 37座，占 35%；小于0.1km²较好级别矿山23座，占22%。

煤矿区的地面塌陷最为严重，这是因为煤层厚度较金属矿体稳定，分布范围大，煤层产状较平缓，采煤形成的采空区较金属矿山要大得多，并且上覆岩层多为松软的页岩、粉砂岩及泥质岩层。煤矿地面塌陷和地裂缝的范围及深度与采煤方法、工作面开采面积、采区回采率以及煤层产状等多种因素有关。一般而言，在其他因素相同的条件下，充分采动(用长壁工作面全部垮落法采煤时)比非充分采动(条带部分冒落法采煤)引起的地面塌陷影响范围及深度要大。而煤层采厚越大，倾角越小，埋深愈浅，开采面积越大，地面塌陷、裂缝影响范围及深度也越大。地表最大下沉量W可用公式估算：W=qMcosα。

式中：q为下沉系数，全部冒落采煤法 q=0.70～0.90，条带部分冒落采煤法 q=0.02～0.30；M为煤层法线厚度；α为煤层倾角。

当采深与采厚之比小于20时，地表常发生剧烈变形，此比值大到一定程度后塌陷消失。榆林神府矿区大砭窑煤矿开采5^＃煤层，煤层厚4～6m，埋深90～100m，1992年5月5日矿井上方发生地面塌陷12000m²，陷落深度0.7m。有关资料指出，塌陷面积与开采面积之比平均值为1.2，塌陷容积与开采体积之比平均值为0.6～0.7。当采深较大时，地面、地表裂缝则较少。当采深H ＞(100～150)m，或 F=H/M≥20(M 为煤层厚度)时，地表移动和变形在时间和空间上呈明显连续，不出现地裂缝。

根据煤炭工业“九五”环境保护计划，2000年全国(除西北地区，下同)煤矿地面塌陷面积为182.20km²，复垦面积为48.40km²，复垦率为26.6%。西北地区煤矿地面塌陷面积为35.76km²，复垦面积为 4.40km²，复垦率为12.3%，比同期全国平均值低54.9%。2000年西北地区煤炭产量达8994×10⁴t，万吨煤塌陷面积为0.31ha，比全国万吨煤塌陷面积均值0.20ha高55%，而复垦率低51.5%。可见，西北地区煤矿地下开采塌陷区的防治工作应加紧加快。

乌鲁木齐市六道湾煤矿距友好商贸中心仅1.5km，该矿煤层倾角67°～78°，属急倾斜煤层，50年来，地下不同开采水平分段放顶煤采煤后，由于上位顶煤和覆盖层的周期性塌陷断裂，出现与煤层走向一致的条带状塌陷深坑，深度达40～50m，并在塌陷坑两侧形成平行裂缝，造成了连续性的地面塌陷凹槽、地裂缝和塌陷坑。塌陷区目前仅作为乌鲁木齐市城市工业垃圾的填埋场所，在其虚土表面又不断产生新的塌陷深坑和地裂缝，3km²的土地不能开发利用，迫使市政设施建设不得不绕道而行，成为乌鲁木齐城市建设发展的死角。

宁夏石嘴山市石嘴山煤矿开采面积为5.15km²，而塌陷面积已达6.97km²，是其开采面积的135%，形成深达8～20m的地表塌陷凹地，部分地段的裂缝宽达1m。矿区铁路运输基地高出塌陷区10～20m，使得矿山企业每年用于铁路的垫路费高达100万元，穿越矿区的109国道被迫改道。

陕西省煤矿采空区地面塌陷总面积约115km²(表3-8)，主要分布于渭北及陕北煤矿区，陕南秦巴山地区仅有零星分布。其中铜川市老矿区因开采较早，地面塌陷比较严重，到1999年底，据不完全统计其地面塌陷为63.82km²，占到全省煤矿区地面塌陷区的55.38%，其中80%为耕地。而神木县近几年煤矿开发力度不断增大，加之煤层埋藏较浅，地面塌陷面积增大，截至2001年，该县乡镇煤矿造成地面塌陷达5.32km²。

表3-8 陕西省煤矿区地面塌陷

陕西省渭北煤田的铜川、黄陵、合阳、白水、韩城各矿区，陕北神府煤田的大柳塔、大砭窑、洋桃瑁、沙川沟、刘占沟、新民矿等矿区，均出现有不同程度的地面塌陷、地裂缝及山体滑坡，造成大面积的农田被毁、房屋开裂、铁轨扭曲、公路塌陷、矿井涌水等。2001年7月特大暴雨使黄陵店头陕煤建五处矿区仓村三组的1.2km²耕地发生地面塌陷、地裂缝，地裂缝最宽达15m，塌陷落差达7.45m，60%耕地已无法复垦，农田撂荒，预计经济损失达270万元。2000年4月，中央电视台《焦点访谈》对陕西铜川市王益区黄堡镇黑池塬乡镇煤矿地下开采造成的村民窑洞开裂、耕地被毁进行了曝光。陕西白水县县办煤矿开采导致白水县火车站候车室出现裂缝、铁轨下沉、广场地面鼓包。陕西渭北煤田地表水平拉伸变形值达到0.8～2.2mm/m时出现地裂缝，裂缝宽300～700mm，深度达5～15m。铜川煤矿区地裂缝有5400余条，以王石凹煤矿为例，在1：5000 的地形图上填绘的裂缝就有70多条，总长度近7000余米。20世纪90年代，甘肃窑街煤矿区矿井地面占地598.1ha，地面塌陷20处，共计443.54ha，地面塌陷面积比80年代扩大了48.4%，每年以14.47ha的速度扩大，10年间因塌陷引起的特大型山体滑坡等灾难性地质事故数起。80年代造成水土流失面积449～550ha，90年代达到663～720ha。甘肃靖远王家山煤矿1995年8月两次洪水携带泥石流从地面裂缝涌入井下，造成多人伤亡。

陕西神木大柳塔煤矿区1997年以后形成采空区，1998年前后产生地面塌陷和地裂缝。大柳塔矿区采空区约为 3.9km²，总面积约 5.8km²，产生地裂缝的总面积约5.45km²。大柳塔活鸡兔井采空区面积过大，造成大面积地面塌陷，其中205工作面塌陷区宽0.3km，长为3km，面积为0.9km²，共发现16条地表裂缝，沿整个工作面呈断续分布，裂缝宽5～60cm，间距2～8m。206 工作面塌陷区宽0.3km，长为3.5km，面积为1.05km²，共发现 5条裂缝，裂缝宽 5～60cm，间距 5m 左右。207 工作面塌陷区宽0.3km，长为1.5km，面积为0.45km²，是整体陷落，其中裂缝十分发育，共发现5条，宽5～30cm，间距10m左右。从神东矿区大柳塔、补连塔和榆家梁3个矿井实测资料可知，其万吨煤地面塌陷面积为0.35～0.42ha，比全国万吨煤地面塌陷面积0.2ha几乎高出1倍，主要原因是煤层埋藏浅(61～110m)，煤层厚(3.4～5.0m)。

3.4.2.5 水土流失

据水利部1992年统计，西部地区轻度以上的水土流失面积为104.07×10⁴km²，占全国水土流失面积的58.01%。水土流失导致的土壤侵蚀是生态环境恶化的重要因素。在黄土区、黄土与沙漠过渡区，矿区发生水土流失的可能性最大。据陕西铜川、韩城、神府煤矿区有关环境报告资料预测，陕西神府—内蒙古东胜矿区平均侵蚀模数按1.21×10⁴t/km²·a、面积按3024km²计算，年土壤侵蚀量为3659.04×10⁴t；准噶尔矿区平均侵蚀模数按1.30×10⁴t/km²·a、面积按1365km²计算，年土壤侵蚀量为1774.5×10⁴t。据几个矿区开发前后不同时期的遥感资料以及河流、库坝、泥沙资料综合分析和计算表明，煤矿开采后水土流失量一般为开采前的2倍左右。陕西黄陵矿区建矿前土壤侵蚀模数为500t/km²·a，建矿5年后，土壤侵蚀模数已达1000 t/km²·a。甘肃的窑街、阿干镇、靖远煤矿区，宁夏的石嘴山、石炭井煤矿区，陕蒙神府-内蒙古东胜煤矿区水土流失十分严重。内蒙古的乌达等煤矿区，侵蚀模数达10000～30000t/km²·a，是开采前水土流失量的3.0～4.5 倍。这不仅破坏了生态环境，还直接威胁矿区安全。例如，陕西神木中鸡煤矿由于矿渣倾入河道，占据河床2/3的面积，1984年8月雨季时河水受阻回流，造成特大淹井事故。

3.4.2.6 土地沙化

煤炭开采造成的地面塌陷破坏了浅层地下水系统均衡，因地下水位下降使部分地区的塌陷区植被枯死，形成或加剧土地沙漠化。露天煤矿、交通及天然气管道工程建设占用大量耕地，破坏植被，使部分原已固定和半固定的沙丘活化。戈壁沙漠区煤矿废渣的堆放、风化加剧了土地沙化。

陕西神府煤田矿区的大规模开发以及地方、个体开发沿河沟两岸乱挖滥采，破坏植被，导致沙土裸露，加剧了水土流失和土地沙化。自20世纪80年代中期开发以来，毁坏耕地666.7ha，堆放废渣超过6000×10⁴t，破坏植被4946.7ha，增加入黄泥沙量达2019×10⁴t。据“神府东胜矿区环境影响报告书”预测，若不采取必要的防沙措施，在矿区生产能力达到3000×10⁴t规模时，将新增沙漠化面积129.64km²，煤矿开发导致的沙漠化面积为自然发展产生沙漠化面积的1.53倍，新增入河泥沙量480×10⁴t，比现有条件下进河泥沙量增加13.7%。

3.4.2.7 水土环境污染

煤矿水污染源主要是煤矿开采外排的矿井水、洗(选)煤水以及煤矸石淋滤水。据有关文献，莫斯科近郊煤田矿井地质环境的研究表明，距矸石堆底部50～60m远的土壤中，每100g土壤中铁含量达146～160mg，铝含量达11～19mg，分别超过允许值的3～4和1.5倍，土壤被毒化。

长期以来，由于技术水平所限和认识不足，矿井水被当作水害加以防治，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护。2000年西北地区国有矿井煤产量3785×10⁴t，平均吨煤排水量1.3t，其他矿井煤产量5209×10⁴t，平均吨煤排水量0.324t。西北地区的煤矿主要位于干旱、半干旱地区，矿区水资源匮乏，毫无节制的排水不仅大大破坏了地下水资源，增加了吨煤成本，而且还导致地面塌陷、地下水资源流失、水质恶化，还可能造成地下突然涌水淹井事故的产生。

煤矿矿井水多属酸性水，未加处理直接排放，加剧了干旱地区矿山用水危机。陕西、宁夏、内蒙古部分矿井水pH值均小于6，陕西铜川李家塔矿井水pH值为3。酸性矿井水直接排放会破坏河流水生生物的生存环境，抑制矿区植被生长。甘肃、宁夏、内蒙古西部、新疆大部分矿井及陕西中部和东部等矿井水是高矿化度水，一般矿化度均大于1000mg/L，其中甘肃靖远大部分矿井水矿化度在4000mg/L以上，尤其是王家山矿高达15000mg/L以上。

2002年7月在陕西渭北煤矿区的一些矿务局调查时发现，陕西白水县个别矿山存在将坑道废水直接排入地下岩溶裂隙的现象，导致岩溶水污染，此问题应引起有关部门的高度重视，应尽快采取措施保护岩溶水，使地下水资源不受污染。