山西煤矿地质环境调查的现状与思考
(1中国地质大学水资源与环境工程学院，北京，100083；2山西省地质调查院，太原，030001)
简要介绍了山西六大煤田煤矿的环境地质问题现状，并对目前调查中存在的问题和今后要开展的工作提出了一些思考。对于矿山环境地质的综合评价，笔者认为对各类煤矿环境地质问题的分析应从专业角度扩展到社会经济方面，并以后者作为统一综合比较的结合点。同时提出，应在煤矿开采影响岩溶水引起的地应力变化、煤矿开采引起的土地沙化、各种保安煤柱的计算和运动角度的测定、煤矿环境地质模型和煤矿各种环境地质模型的建立方法等方面开展研究工作。
关键词煤矿环境地质调查思考
1山西煤田概况
山西含煤地层主要为晚古生代上石炭统太原组和下二叠统山西组，分布于全省各煤田，煤炭储量占全省总储量的98%，开采潜力巨大。其次是中生代侏罗系大同组，分布在大同煤田和宁武煤田北部，其储量约占全省的1.6%，可采煤层所剩无几；三是新生代第三纪含煤建造，分布在樊氏、垣曲等地，储量很少。根据沉积环境、地质构造特征、煤质劣变规律等综合因素，山西从北到南主要分布着大同、宁武、西山、霍西、沁水、河东六大煤田，煤矿的环境地质问题在这里也比较普遍，其他地区小煤田的问题越来越不严重。六个煤田的基本情况见表1。
表1山西省六大煤田基本情况统计表
2山西煤矿环境地质问题现状
据统计，目前山西省煤矿开采面积约为5500km2。根据山西省地质调查院2002年6月5438+10月提交的《山西省重点地区矿山生态环境地质调查评价报告》，主要地质灾害为大同、宁武、西山、霍西、沁水五大煤田(含太原东山、阳泉、潞安、晋城四大矿区)的开采沉陷、地裂缝、崩塌和滑坡。各类环境地质问题见表2。
表2各类环境地质问题统计表
3山西煤矿环境地质调查的思考
山西是中国北方地质灾害频发的省份，也是煤矿环境地质问题最严重的省份。但由于种种原因，山西煤矿环境地质问题的调查从1990开始逐渐引起重视，而1999之前开展的大部分工作都是在环境地质问题引发矛盾纠纷后进行的，为甲乙双方协调或诉诸法律案件提供依据。代表性有限，整体法律性不强。难以宏观确定山西煤矿环境地质问题的总体规模、程度和损失，难以分析确定不同地质环境、不同开采矿种、不同开采层位、不同开采方式下的不同环境地质问题模式。山西省环境地质总站1999提交的大同矿区地质灾害调查报告、2000年2月10: 50万的山西省环境地质调查报告和2002年6月山西省地质调查院完成的山西省重点地区矿山生态环境地质综合调查评价(10: 25万)揭示了山西煤矿的环境地质。
根据山西省1 ∶ 50万环境地质调查，将山西省环境地质问题按灾害程度划分为4个区、34个亚区，并采用定性分析的方法进行评价和预测。山西省重点地区矿山生态环境地质综合调查与评价(1∶25万)根据地面沉降、地裂缝、房屋裂缝、固体废弃物、塌陷、滑坡、泥石流、煤层自燃等8类矿山生态环境地质问题的实际数量，在2km×2km单元内进行灾害分布统计，进行数字叠加分析，采用扰动系数法进行矿山生态环境地质综合评价。确定重点区域生态环境地质破坏面积为1925km2，其中严重破坏面积562km2，中度破坏面积696km2，轻度破坏面积667km2。根据各矿井2010年前的生产计划和国家十五计划，将各矿区生态环境地质发展趋势划分为恶化区、恢复区和自然状态区。分别对2km×2km单元内的1∶65438+百万地图进行了评价和预测。
上述两个项目以及近年来部分矿区大规模环境地质调查和1 ∶ 5万县(市)地质灾害调查与区划，为总结山西省煤矿环境地质问题宏观规律、建立形成模式和提出防治对策积累了资料，奠定了基础。笔者就当前调查中存在的问题和今后应开展的工作提出以下思考。
3.1矿山环境地质综合评价
矿山环境地质综合评价以各种环境地质问题的强度规模、活动次数、分布密度和损失大小为标志。这些因素决定了环境地质问题的破坏强度、发生次数和危害范围，是综合评价和确定损失程度的关键因素。然而，不同类型的煤矿环境地质问题具有不同的危险因素征兆。当矿山存在多种环境地质问题时，各种问题权重的确定问题就会突现出来，而这种权重与开采种类、地质环境、开采规模、开采层位、开采方法密切相关，具有多样性、复杂性和不确定性，使得不同部门、不同地区、不同时期甚至不同部门。虽然近年来许多学者和研究机构提出了一些建议，但到目前为止，还没有形成统一的点、面或区域矿山环境地质要素综合评价方法，这是我们今后开展这类工作要解决的首要问题，应尽快建立相应的规范或要求。
目前，各种环境地质问题的权重确定方法主要有专家打分法、调查统计法、序列综合法、公式法、数理统计法、层次分析法、复杂性分析法等。矿山环境地质综合评价方法主要有专家判定法、工程类比法、因子得分法、攻击系数法、概率统计法和聚类分析法。这些都是为了评价环境地质问题的风险性，专业性强，很难用不同的评价方法和结果进行综合比较。作者认为，对各种矿山环境地质问题的分析应从专业角度扩展到社会经济方面，后者应是统一综合比较的结合点。有必要论证这些问题对人类、城镇、建筑、交通、土地、水源、农作物、植被等的破坏性影响。，然后确定具体的受灾体，再根据国家相关标准确定受灾体的损害等级和价值损失率，最后从经济角度评估矿山环境地质问题的损害损失。对于一些仅通过区域调查难以确定灾害点数量和破坏范围的区域评价，可采用环境地质问题危害强度指数(危害指数×脆弱性指数)的方法进行评价。以其大小或强弱作为矿山环境地质问题灾害程度的划分标准，可以做到统一标准，综合比较。总之，要把矿山环境地质问题的危险性分析和脆弱性分析有机结合起来，以其破坏损失(经济价值)或危害强度评价为目标开展工作。
3.2采煤、地应力与岩溶水的关系
对于局部地层，采煤相当于人工卸载。煤矿开采后，采空区周围一定范围内的地应力必然会发生变化，地应力的变化必然会对岩溶地下水在碳酸盐岩裂隙和溶蚀空间(洞、洞)中的运移产生影响。首先，由于地应力的变化，在水动力场中正常运动的岩溶地下水的运动速度和方向必然发生变化；其次，煤炭开采和地应力变化导致裂隙发育，加强了煤系地层与下伏奥陶系岩溶地层的联系。对于带压开采区，采煤位移增大，加速了岩溶水资源的减少；对于无压开采区，煤系地层中的地下水渗漏使岩溶水资源受到污染。在我们过去的工作中，地应力的实测数据很少，这方面的研究还是空白，今后应该加强。有必要研究地应力变化对岩溶水运移的影响方式和机制，以及地应力变化对山西煤矿开采引起的岩溶水的影响程度。
3.3采煤造成的土地荒漠化
露天采煤，剥离了上覆的岩土层和植被，必然导致土地沙化；地下煤矿采空区形成的地面沉降和地裂缝，往往将土层中的细颗粒带入地下深处，使上部土地逐渐沙化，并伴有耕地跑肥现象，一般复垦手段难以恢复。煤矿这些环境地质问题的形成方式、危害程度、评价方法和防治措施是什么？在我们之前的调查工作中被忽视或者忽略了，也是我们今后要注意的一个课题。
3.4安全支柱设计问题
山西绝大多数煤矿位于丘陵山区，沟壑纵横，使得煤层采空区上部的载荷分布很不均匀。然而，过去和现在使用的《建筑物、水体、铁路和大巷煤柱规则》中计算安全煤柱关键参数(上山、下山和走向)的实测值，在山西大部分主要矿区都没有得到执行。仅阳泉市一、二、三、四号煤矿和太原市西曲、官地、镇城地、明希煤矿进行过测量，代表性有限。所以山西很多保安煤柱的计算本来就存在不足，因为大多引用了运动角，计算公式没有考虑上部荷载分布不均匀的因素。在荷载分布不均匀的采空区上部，容易形成剪切作用，使得煤矿环境地质问题的表现形式和灾害程度不同于荷载分布均匀或不均匀的采空区上部。这也是为什么山西很多煤矿企业按照国家相关要求预留了保安矿柱，但在采煤过程中，保护区内仍然产生开采沉陷、地面裂缝、房屋裂缝的主要原因之一。今后应加强这方面的研究。
3.5环境地质问题模式确定
山西地质构造条件复杂。由于每个煤矿的地质环境、煤层、开采规模和开采方式不同，各地上覆岩层的岩性和厚度也不同，煤矿环境地质问题的程度和方式也有较大差异。例如，在大同矿区，由于侏罗系大同组煤层顶板坚硬、脆性大、抗压强度高，采空区稳定时间难以预测。当矿柱支撑条件不足时，往往会发生一次性垮落地震，危害极大。潞安矿区由于山西组和太原组顶板硬度相对较软，地表平坦，地表下沉逐渐超过采空区，稳定时间相对容易预测。分布在山区的煤矿，由于上部荷载分布不均匀，往往会造成保安煤柱中煤矿的环境地质问题。在65，438+0 ∶ 25万矿山环境地质调查的基础上，开展65，438+0 ∶ 65，438+0，000 ~ 65，438+0 ∶ 5万甚至更大比例尺的调查，进行综合研究，确定各矿区环境地质问题模式，对煤矿环境地质问题的整治和预防是十分必要的。
3.6分析和预测模型的建立
单个煤矿环境地质问题分析预测模型的建立，对掌握灾害发展趋势，进行灾害预警预测，为政府部门制定减灾防灾规划和宏观决策具有重要意义。目前，山西在这方面的工作还处于起步阶段，建立的模型较少，难以满足工作的需要。“山西省重点地区矿山生态环境地质综合调查与评价”项目利用三维可视化渗流软件Visual Modflow，建立了符合平朔安家岭煤矿矿井水的可视化三维渗流模型，并进行了模拟预测。其他项目也在长治崔蒙矿区、太原西山矿区建立了相应的模式，受到中央领导的关注。模型的建立要以地质灾害模型的确定为基础，利用空间信息系统从三维角度研究灾害体，然后结合长期观测数据进行模拟，最后用于预警预报。目前，用于模拟煤矿开采对地下水影响的软件有很多，如GMS、Peflow、Modflow等。，但开采沉陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等方面的软件较少，今后应加强研究。
参考
[1]郭。山西煤矿开采地质灾害模式分析。中国地质灾害与防治杂志第八卷增刊，1997(10)。
周等。地质环境质量评价理论与应用。武汉:中国地质大学出版社，1998。
张亮等。地质灾害评估的理论与实践。北京:地质出版社，1998。
刘·。地质灾害勘探指南。北京:地质出版社，2000。