6 矿山地质灾害与矿山地质环境治理.doc

第六章 矿山地质环境问题及其治理 6.1 固体矿产资源开发中的环境地质问题 1、固体矿产资源 固体矿产资源泛指以固态产出的矿产资源，同样包括固态的金属矿产、固态的非金属矿产和固态的能源矿产。 2、矿产资源的形成与分类 从地质学角度，矿产资源的成因可分为内生矿床型矿产资源、外生矿床和变质矿床型矿产资源。 内生矿床是由内生成矿作用形成的矿床。内生矿床既可由岩浆作用形成，也可由气化热液作用形成。除了与火山、热泉等有关的内生矿床产于地壳表层外，其他的都产在地下一定深度，是在较高温度和较大压力条件下形成的。内生矿床的控制成矿因素包括区域地质构造背景、成矿物质来源、岩浆岩类型、气化热液的性质与成因、控矿构造类型、温度、压力、深度和围岩性质等。内生矿床的种类多，分布广，经济价值大。 外生矿床是在地球表层由外生成矿作用形成的矿床。是在岩石圈表层与水圈、大气圈及生物圈的相互作用下，成矿物质经过迁移和富集形成的。外生矿床的成矿物质主要来自地壳表层，有一部分是地内物质通过火山、喷气或热泉等带到地表的。 外生矿床具有重要的经济价值，它包括全部的煤、石油和天然气，绝大部分的铝矿和锰矿，大部分钴矿和铁矿以及一部分有色和稀有金属矿产，还有重要的农肥和化工原料及其他非金属矿产。 上述外生成矿作用的各种因素基本上决定于自然地理条件，主要是地貌、气候及其影响下的水文、植被等，而这些因素又与地壳内部的构造运动有联系。在不同的地理条件下，地壳表层发生的地质作用可分为风化作用和沉积作用。前者破坏了地表岩石，改变其矿物组成，基本上在原地或附近形成新的物质堆积；后者将风化产物由水、风等运移到适当地点主要是湖、河、海中而分别堆积。通过这两种地质作用而使某些物质富集成矿，因此外生矿床又进一步分为风化矿床和沉积矿床。 3、我国主要矿产资源与分布 能源矿产是我国矿产资源的重要组成部分。已知探明储量的能源矿产有煤、石油、天然气、油页岩、铀、钍、地热等8种，目前已建成能源矿山、油田共10613处。煤、石油、天然气在世界和中国的一次能源消费构成中分别为93和95左右。中国能源矿产资源种类齐全、资源丰富、分布广泛，但结构不理想，煤炭资源比重偏大，石油、天然气资源相对较少。 （1）煤炭资源分布规律我国煤炭资源的特点是蕴藏量大，但勘探程度低；煤种齐全，但肥瘦不均，优质炼焦用煤和无烟煤储量不多；在地域分布上呈现西多东少，北多南少的格局，以大兴安岭太行山雪峰山为界，以西地区查明资源储量约占全国的87，以昆仑山秦岭大别山为界，以北地区的查明资源储量约占全国的90.5。按行政区域来说主要分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等省（区），其次是贵州、宁夏、安徽、云南、河南、山东、黑龙江等省（区）（图6-1）。 图6-1 中国煤炭资源分布图 （2）金属矿产资源分布规律中国属于世界上金属矿产资源比较丰富的国家之一。世界上已经发现的金属矿产在中国基本上都有探明储量。其中，探明储量居世界第一的有钨、锡、锑、稀土、钽、钛，居世界第二位的有钒、钼、铌、铍、锂等。金属矿产资源的特点是分布广泛，但又相对集中于几个地区，如铁矿主要分布在鞍山本溪、冀北和山西等3大地区，铝土矿主要集中于山西、河南、贵州、广西等省区；中小型矿床所占比例大，大型、超大型矿床所占比例小（图6-2）。 图6-2 中国金属矿产资源图 （3）非金属矿产资源分布规律中国是世界上非金属矿产品种比较齐全的少数国家之一，全国现有探明储量的非金属矿产产地5000多处。大多数非金属矿产资源探明储量丰富，其中菱镁矿、石墨、萤石、滑石、石棉、石膏、重晶石、硅灰石、明矾石、膨润土、岩盐等矿产的探明储量居世界前列；磷、高岭土、硫铁矿、芒硝、硅藻土、沸石、珍珠岩、水泥灰岩等矿产的探明储量在世界上占有重要地位；大理石、花岗石等天然石材，品质优良，蕴藏量丰富；钾盐、硼矿资源短缺。 4、固体矿产资源开发产生的环境地质问题 我国是固体矿产资源大国，矿业充分发挥了基础产业的作用，已成为我国国民经济重要的支柱产业之一。固体矿产资源利用是我国一批矿业城市如“煤都”抚顺、大同市、“锡都”个旧市和“铁都”鞍山市等得以建设和发展的物质基础。但同时，固体矿产资源开发利用过程中引发一系列岩、水、土的环境地质问题和生态环境问题，即产生生态环境的负效应，给这些矿山城市带来的环境问题也日益突出，已造成的环境破坏、人员和经济损失以及相关的社会问题比较严重，对人们的生存环境造成了严重的影响，甚至在局部地区引发了矛盾和纠纷。如正在开采的或已废弃的煤矿和金属矿产地既产生诸如岩溶塌陷、采空区塌陷、矿坑突水、滑坡、崩塌、泥石流、侵占农田等环境地质灾害，又会产生严重的水体、大气和土壤的污染等环境问题，它既对当前的城市发展不利，又影响其未来的可持续发展。本文重点讨论我国煤炭和金属矿产资源开发利用中产生的环境地质问题。 一、煤矿开采造成的环境地质问题 煤炭资源开采主要采用两种方式井工开采和露天开采。开采方式不同，其对环境的损害存在差异。井工开采对环境的影响主要包括三方面开采沉陷对土壤环境、水资源环境及生态环境的影响、矿山废弃物矸石、尾矿水等对生态环境的影响和开采过程中的温室气体和矿井水排放对大气、水环境的影响。 图6-3 煤矿区环境地质问题分类（据张希腾,1992） 1、煤矿地下开采造成的环境地质问题 煤炭的开采方式可概括分为地下开采和露天开采两大类。目前，我国煤炭开采以井工开采为主，约占整个煤炭产量的97，煤矿开采深度普遍在1000m以内。露天开采时需先挖走覆盖在煤层上面的全部岩石这种工作称为剥离，然后再进行采煤。所以，一般只适用于开采覆盖岩石比较薄的浅部煤层。地下开采又称为井工开采。 （1）开采沉陷 煤炭被采出后，形成采空区，随着采空区面积增大，煤层顶板岩层在大面积裸露状态下弯曲、断裂、垮落，应力重新分布，达到新的平衡。垮落过程引发采空区周围岩体变形、松动、乃至破坏，也使采空区上覆岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏（开裂、冒落等）,随之弯曲下沉。上覆岩层的这种弯曲达到地面后，即形成地表塌陷的现象,这种现象称之为开采塌陷。 图6-4 地表移动盆地的形成过程（据何国清，1992） 不管是连续性的地表移动盆地还是非连续性的地表下陷，都会对地表环境产生重大影响，主要表现在以下几个方面。 1破坏地表环境。塌陷造成地表积水，耕地减少，粮食减产绝产，地表田地成为洼地，生态环境恶化。如江苏200多座煤矿所造成的塌陷灾害面积达127km2，平均每采10000t煤塌陷面积2670m2；山西省统配煤矿发生塌陷、地裂缝的面积达246.2km2；淮河沿岸的塌陷区近26.61km2 积水，最大水深15m，严重影响了当地的工农业生产和生态环境。 2损坏地表或地下建筑物。下沉本身使楼房地基产生不均匀沉陷，导致建筑物开裂，甚至倾倒，下沉伴生的裂缝也可直接破坏建筑物。如辽宁本溪市在已采空的18.7km2区域中有6.5km2的地面建筑遭到破坏，采空区地表平均下沉2m，最大3.7m，塌陷造成建筑物墙体开裂、房屋倾斜、甚至倒塌，地上和地下的供水、排水、供热、通讯、人防等管网和设施遭受不同程度的破坏。黑龙江七台河市是一座新兴的煤炭工业城市，原市中心建在煤田之上，截至1991年，市区范围内采空面积达4199104m2 ,塌陷平均深度2m，塌陷造成倒塌房屋476间，因墙体开裂无法居住的民房12.9104m2，市区道路、通讯设施、管道等遭受不同程度的破坏。 3造成矿井的报废或灾难。沉陷的加剧，会导致井下塌方和突水，从而造成矿井报废，甚至出现人身灾难。 （2）地表岩溶塌陷问题 岩溶地面塌陷的严重危害，主要表现在①破坏地表供水水源．常导致水库干涸、河流断流，如湖南涟邵的思口、斗笠山、桥头河矿区在岩溶塌陷过程中，曾先后引起矿区内33条溪水断流，600个池塘和700多处泉水干涸，曾使5万人发生水荒。②破坏地面工程设施和房屋道路的安全，如广西玉林鸭爪窝水源地在地下水开采过程中，产生塌陷130多处，引起玉林发电厂主要设备基础倾斜、办公楼不均匀下降、主厂房基础上部砖墙开裂，安全受到严重威胁。③引起降水、地表水回灌，危及矿井安全，轻者增大矿井涌水量，加大排水费用，严重时还会造成淹井事故，如涟邵矿区，因此而发生大小淹井事故达37次之多，雨季排水费用可超过吨煤成本的50。④破坏自然环境，加剧水土流失，从而破坏矿区环境，改变生态平衡。此外，塌陷的形成也为地表水的渗入创造了条件，当塌陷区域接近地面排污系统时，地下水更易受到污染，很多岩溶塌陷区由于供水开采强度过大，岩溶塌陷，污水进入，则可能威胁到供水水源地的正常使用。 （3）水资源环境破坏问题 1 水资源平衡破坏 煤矿开采排水，首先改变了采区范围地下水的补给、径流、排泄条件，使地下水的流场、流向发生变化，在“矿井三带”影响范围内，地下水可以直接流入矿井；其次，局部改变了自然条件下降水与地表水和地下水之间的转化关系，在采区范围内，“三水”均补给矿坑水；最后，受煤矿开采三带的影响，导致煤系各含水层发生了水力联系，引起含水层水位下降，水量发生变化。从目前各煤矿水文地质条件及排水现状分析，采煤对水量影响主要表现为水量减少、水位下降。 2）对地表与浅层地下水的污染矿井水往往具有酸度高、悬浮物浓度大、含重金属离子等特征，另外，也产生F-、CN-、Cr2O42-、Cr207-、酚等有害阴离子污染物。它对地表河流等水资源产生较大的污染。大部分矿区吨煤排水量为24m3，少数矿区吨煤排水量达数10m3，矿井水主要来自地表渗水、岩石孔隙水、地下含水层疏放水以及煤矿生产中防尘、灌浆、充填污水等。我国煤矿年排矿井水量约22亿m3，矿井水的特点是排放量大，但毒性一般较小或无毒性，多呈中性。 （4）煤矸石的不合理处置产生的环境地质问题 一般认为，煤矸石综合排放量占原煤产量的1520。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2000年全国煤矸石排放总量达1亿多吨，除综合利用约6000万t外，其余部分作为工业固体废弃物混杂堆积，煤矸石是目前我国最大的固体废弃物源，约占全国工业废渣排放量的1/4。煤矸石一般都是露天堆放，常年风吹日晒，雨水冲刷，风化分解，从而产生大量粉尘、酸性水、携带有重金属的淋滤水，污染大气、土壤、地表水或地下水。 （5）矿井地质灾害 1）井巷工程围岩松动与冒落煤矿巷道掘进以后，由于卸荷回弹，应力和水分的重分布常使围岩的性状发生很大变化。如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布应力的作用，就会发生变形或破坏。围岩岩体变形及破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态和变形有关外，主要取决于围岩的岩性和岩体结构。 2）冲击地压冲击地压又称岩爆，是指承受强大地压的脆性煤、矿体或岩体，在其极限平衡状态受到破坏时向自由空间突然释放能量的动力现象，是一种采矿或隧道开挖活动诱发的地震，在煤矿、金属矿和各种人工隧道中均有发生。岩爆发生时岩石块或煤块等突然从围岩中弹出，抛出的岩块大小不等，大者直径可达几米甚至几十米，小者仅几厘米或更小。大型岩爆通常伴有强烈的气浪和巨响，甚至使周围的岩体发生振动。岩爆可使洞室内的采矿设备和支护设施遭受毁坏，有时还造成人员伤亡。 3）煤与瓦斯突出在煤矿地下开采过程中，从煤（岩石）壁向采掘工作面瞬间突然喷出大量煤（岩）粉和瓦斯（CH4、CO2）的现象，称为煤与瓦斯突出。而大量承压状态下的瓦斯从煤或围岩裂缝中高速喷出的现象称为瓦斯喷出。 4）煤层自燃煤层自燃是指在自然环境下，有自燃倾向的煤层在适宜的供氧储热条件下氧化发热，当温度超过其着火点时而发生的燃烧现象。 5）矿井水害矿井水害主要包括矿井突水，是煤矿常见的地质灾害，它不仅严重地威胁煤矿的安全生产，而且往往造成重大伤亡事故和财产损失。 6）矿井热害热害是矿井自然灾害之一，随着矿井开采深度增加和机械化水平提高，我国矿井热害问题日益突出，它主要表现在两个方面一是在现生产水平还未出现高温热害的矿井，下一水平开采就可能出现高温热害；二是目前水平仅局部出现高温热害，下一水平就有可能出现更加严重的热害问题。 （6）大气污染 1）有害气体排放排入大气的主要成分是温室气体甲烷，直接影响到人类的生存环境。此外,在井下其他作业过程中还产生部分有害气体,如井下使用的硝胺炸药在放炮中产生CO、NO和NO2；使用柴油动力机械排放的废气中含有大量的NOx；煤炭自燃产生CO、CO2 等。为了井下生产安全，通常采用通风方式将井下的有害气体抽出排入大气中。这些气体都是造成大气污染和温室效应的有害源， 2）粉尘粉尘的主要成分是硅和铝的化合物,煤矿采掘工人患职业矽或硅肺病，采煤工人患职业的煤肺病就是二氧化硅和煤尘微粒在肺部沉积的结果，煤矽肺病是二者混合沉积的结果,在矿工职业病中见得更多。 2、露天开采造成的主要环境地质问题 （1）露天开采对土地资源的破坏 露天开采对土地资源的破坏主要表现为对土地的直接挖损、外排土场和尾矿排弃场压占土地。 （2）露天矿开采对水环境的影响 1）使含水层水位下降。为保证露天采场的安全生产，对采场周围的地下水需要进行疏干排放。 2）露天采场内基岩裸露，使流入露天采场内的地下水酸化并遭受重金属等有害物质的污染。 3）露天矿大量排放的酸性水和排土场淋溶酸性废水，对周围水体均产生一定的污染。 （3）露天开采对大气环境的影响 露天矿对大气环境的污染主要表现为露天爆破和排土场扬尘。 二、金属矿山开采的环境地质问题 1、矿井水的环境地质问题 矿井水排放造成的土地与地表水的污染，但是多数金属矿山的矿区因受矿井水的污染严重的多。主要原因是多数金属矿山的矿井水的理化指标复杂，酸性水排放较煤矿山普遍得多。在众多的金属矿山中，以金属和非金属硫化物矿床开采的酸性矿井水问题最为突出。 2、矿渣与尾矿引起的环境问题 矿渣是金属矿山生产过程产生的固体废物。尾矿，就是选矿厂在特定经济技术条件下，将矿石磨细、选取“有用组分”后所排放的废弃物，也就是矿石经选出精矿后剩余的固体废料。所引起的环境问题除在矿区内压占土地外，同时造成矿区土壤环境、水环境与大气环境的污染。这类固体废物在表生作用下，重金属和其它有害物质的释放，污染矿区土体与水环境。 6.2 矿山地质环境治理 地质环境治理由于漫长的地球演化历史，不同地区因地质条件和气候与水文等条件存在很大差异，加之不同方式不同程度的人类活动，从而造成不同类型的地质环境条件或地质灾害的类型。边坡失稳、泥石流、岩溶塌陷、地面沉降、土壤荒漠化等都是常见的地质灾害类型或地质环境问题。这些地质环境问题若不能被充分认识和有效地得到治理解决，它们将会产生巨大的环境影响，甚至造成巨大的地质灾害。地质环境治理工作就是采用工程治理与生态修复的方法对各种地质灾害和地质环境问题进行治理，消除隐患、恢复环境。 一、矿山地质环境的工程治理技术 1、矿山地面减沉技术 （1）井下矸石（水砂）充填减沉技术充填就是利用砂、石以及厂矿的炉渣、尾矿等充填材料将采空区充满，借以支撑围岩，防止或减少围岩的跨垮落和变形的一种顶板管理方法。目的是减小地面沉陷，最大程度地减小开采沉陷对地表环境的影响。 1）矸石充填减沉技术矸石不出井，直接在井下充填可以消除矸石山及其对周围环境的污染和破坏，也可以减少开采沉陷造成的多方面危害。 图6-5 煤矸石充填工作面示意图 图6-6 冒落矸石空隙注浆胶结充填的工艺流程 2）水砂充填减沉技术目前我国所用的充填法，除部分急倾斜煤层应用自溜填充法外，几乎全部是水力填充，习惯上称水砂填充，也叫湿式填充。使用水砂充填采煤法的矿井，其主要特点是需将大量的填料利用水力运入采空区。因此必须建立为输砂、排泥、排水所需要的工程和设施，以及由他们组成的一系列的生产系统。 （2）覆岩裂隙带注浆加固减沉技术注浆减沉工程实验和理论研究证明注浆减沉起作用的应是灰体。在离层带中，注浆浆液首先是粉煤灰颗粒沉淀，在底层形成饱和水灰体，其上的注浆水则会通过岩层裂隙、孔隙渗流到岩层中，注浆水最终大部分储存于围岩的孔隙或裂隙中，少部分渗流到别处，沉淀于裂隙中的饱和水灰体，在注浆结束之后，要起到支撑上覆岩层的作用，在覆岩压力作用下，饱和水灰体会失去部分水分，最终形成含有一定水分的压实湿灰体，而真正对覆岩与地表下沉起到减沉作用的正是这种压实湿灰体。 2、地表塌陷的治理与复垦技术 （1）煤矿塌陷地煤矸石充填复垦当塌陷地自然回填的煤矸石作为建设用地地基时，其地基承载力是不能满足建筑和道路工程要求的，必须进行地基压实处理，以提高地基的紧实度，才能达到工程要求。 （2）煤矿塌陷地粉煤灰充填复垦电厂粉煤灰充填造地复田，方法简单、经济、安全。利用电厂原有设备和增加所需要的输灰管道，便可将灰水直接充填到塌陷较深区域，充填灰水比例以1∶10～1∶20为宜。 （3）非充填复垦在低潜水位塌陷区，治理模式可仿效北方丘陵山区的“围山转”绿色工程，在塌陷盆地底部挖塘蓄水或打井灌溉，使复垦后的塌陷区成为浇灌型保水、保土、农果相间的陆生生态系统。在中潜水位塌陷区塌陷可造成局部积水或季节性积水，复垦模式是将盆地低部深挖成能蓄水养鱼的深水池塘，使其同时具有蓄洪和浇灌功能，将周围“坡子地”改建为围绕塌陷盆地的宽条带水平梯田，将塌陷前单一陆生农业改造为水陆结合型农业。在高潜水位塌陷区，常年被水淹没，可仿效江南水乡基塘模式，将塌陷区复垦为鱼米之乡，努力发展高产值、高效益农业。 3、煤矿矸石山和金属矿山生态修复技术 （1）煤矸石山的生态修复技术 1）覆土绿化技术覆土绿化是在矸石山表面覆盖一定厚度的土壤、粉煤灰、污泥等。 2）无覆土绿化技术无覆土绿化就是将植物直接栽种于煤矸石山表面的矸石风化物上，对矸石山只采用适宜的整地方法（带状整地或块状整地），然后在植树穴或植树带内进行适量“客土”，而不采用表面全部覆土、覆污泥等基质改良技术。 （2）金属矿山生态修复技术包括1）废弃地前期处理；2）废弃地植被恢复（植物修复 二、地质环境生态治理修复技术 1、土壤环境生态修复技术土壤的生态修复是基于生物的方法，转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物， 使其浓度降低到可以接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质以祛除土壤中的污染物。包括动物修复、植物修复和微生物修复技术。 1）动物修复技术通过土壤动物群的直接（吸收、转化和分解）或间接作用（改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物和微生物的生长）而修复土壤污染的过程。 2）植物修复技术利用自然生长或遗传培育植物修复污染土壤的技术。 3）微生物修复技术利用微生物将环境中的污染物降解或转化为其他无害物质的过程。从修复场地来分，土壤微生物修复技术主要分为两类，即原位微生物修复和异位微生物修复。原位微生物修复技术主要有生物通风法、生物强化法、土地耕作法和化学活性栅修复法等几种；异位微生物修复是把污染土壤挖出，进行集中生物降解的方法。主要包括预制床法、堆制法及泥浆生物反应器法。 2、地下水环境生态修复技术 地下水生态修复技术分可为异位修复和原位修复两类。原位生物修复技术就是指对被污染介质（指地下水）不做搬运或输送而在原位进行的生物修复处理；而异位生物修复技术则是指对被污染介质（指地下水）搬运或输送到他处进行的生物修复处理。 （1）地下水原位修复技术原位生物修复是在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，将受污染的地下水原位进行修复。原位生物修复又分原位工程生物修复和原位自然生物修复。 图6-7 抽提地下水系统和回注系统相结合的生物修复系统 （2）地下水异位生物修复异位生物处理，通过一定方法，将地下水中的液态污染物与气态污染物抽取出来，在地面建造的处理设施内进行生物处理净化，它分为泵-处理修复和气提修复。 图6-8 生物滴滤池修复污染地下水过程 3、边坡与山石采场生态修复技术 国内外现今所采用的边坡和宕口的生态修复技术主要是靠植物根茎与土壤间的附着力以及根茎间的互相缠绕来达到加固边坡、提高坡面抗冲刷的能力。 主要修复技术包括建立人工植被、植生带、液压喷播、网袋工程、框格工程、客土种子喷播工程、厚层基材喷播、OH液植草护坡、植被型多孔混凝土护坡等。 思考题 1． 矿山地质环境问题类型 2． 矿山地质环境治理技术分类 本章讨论的主题及要求 主题两淮矿区地质环境治理技术 要求（1）课前请查阅相关资料，理清关于主题的知识内容体系； （2）请2位同学大体上介绍自己的认识，时间为10分钟； （3）围绕主题，由指导老师组织，结合同学认识开展讨论。