大柳塔矿区煤炭开发与地质环境的相互反馈效应
大柳塔煤矿是神华集团神府东升煤业有限公司所属的超大型现代化矿井，位于陕西省神木县大柳塔镇南端的乌兰木伦河畔。拥有大柳塔和活鸡图两个矿井，井田面积189.80km2，煤炭地质储量23180万t，可采储量1527万t，井田地质构造简单，煤层倾角平缓，赋存稳定，具有埋藏浅、易开采的优点。煤的类别是中高发热量的不粘煤和长焰煤。主煤层煤质优良，具有低灰、低硫、低磷、化学反应性强、热稳定性好的特点。它是一种很好的动力、气化、化工和民用煤。
1.地理位置
大柳塔矿区位于陕西省榆林市神木县大柳塔镇和中集镇，地理坐标为北纬110 05 ' 00 " ~ 110 20 ' 00 "，北纬39 15' 00 "~ 39 "。区内交通便利，有Xi安包铁路、包神铁路、神木黄骅港铁路。神木至东胜公路贯穿矿区南北，府谷至新街公路贯穿矿区南部，矿区各乡镇均有公路相连(图4-1)。
2.地形和水系
井田位于陕北黄土高原北部和毛乌素沙地的东南边缘。地势北高南低，中间高，东西低。最高点在井田北部陈家坡附近，海拔1334.438+0m；最低点在井田西南角的乌兰木伦谷，海拔1057.5m，相对最大高差276.6m，一般在海拔1120 ~ 1280 m之间。该地区大部分地区为风积地貌，沙丘、沙脊、沙坪交错分布，植被稀少。东西两侧沟壑纵横，切割强烈，沟壑两侧基岩裸露。属于河流侵蚀地貌。区内河流有:西部的乌兰木伦河和东部的牛川。井田中部的柠条梁为分水岭，木河沟、王渠沟、双沟等河流均向西流入乌兰木伦河。七一沟、火柱台沟、三布拉沟向东流入牛川。
3.气象学
该地区属于半干旱大陆性季风气候，冬季干冷，夏季干热，昼夜温差大。年平均气温8.5℃，年极端气温38.9 ~ 28.1℃..年平均降雨量441.2mm，雨季多集中在7、8月份。年平均蒸发量为2111.2毫米..深秋、冬季和春季盛行西北风，夏季盛行东南风，年平均风速2.2m/s。
4.地震
井田位于稳定的鄂尔多斯向斜上，历史上从未发生过破坏性地震。地震基本烈度为ⅵ度。
图4-1矿区地理位置图(根据Xi安地质调查中心，2006年)
5.经济
矿区位于陕西省榆林市和内蒙古自治区鄂尔多斯市交界处，生态环境脆弱，土地贫瘠，水土流失严重。区域经济基础薄弱，生产力水平低下，是经济落后地区。但该地区幅员辽阔，矿产资源特别是煤炭资源丰富，适合建设超大型现代化煤炭生产基地。矿田大部分被沙丘覆盖，当地农民居住稀少，耕地少且多沙。每条沟里都有淤塞的河滩耕地，农产品以玉米、小米、荞麦等杂粮为主。畜牧业主要饲养猪、羊等家畜。工业近年来发展迅速，主要包括煤炭、电力和化工。
二、煤炭开发引发的地质环境问题
大柳塔煤矿自1985创建以来，现有大柳塔煤矿和活鸡图煤矿两个矿井，年产量超过10万吨。大规模的矿业开发造成了水资源枯竭、水质恶化、地面沉降、露天边坡失稳、煤矸石堆存和污染，对地质环境和自然生态环境的危害越来越大，必须引起足够的重视。
2005年初，中国地质调查局部署了“陕西省大柳塔煤矿区地质环境问题调查”项目。经过两年的研究，Xi安地质调查中心的研究人员发现，到2005年底，调查区内煤矿的地下开采已经形成了采空区，煤矿的地面沉降和地裂缝已经对农业生产造成了不利影响，不同程度地破坏了地面建筑物，对当地群众的生活和农业生产造成了一定程度的危害。调查还发现，77.3%的村民水井干涸或水位下降，73.3%的泉水干涸或流量明显下降。
此外，大矿周边还有十余个地方和个体煤矿，每年原煤产量约500万吨(许等，2007)。高强度、大规模的机械化采煤引发了一系列地质环境问题，加剧了脆弱的生态环境的恶化。结合本项目现场调查结果，该地区煤炭开采引发的地质环境问题可概括为以下三个方面:①地面沉降和地裂缝；(2)土壤环境恶化；(3)地表水和地下水系统破坏。
1.地面沉降和地裂缝
地面沉降和地裂缝是煤矿区常见的地质环境问题。随着煤炭开采量的不断增加，地下采空区迅速扩大，采煤塌陷已成为矿区范围最广、危害程度最大、持续时间最长的环境地质灾害。
神东公司所有矿井均采用综合机械化开采技术。综采工作面长200 ~ 240 m，采高4 m，每推进1m，会形成800 ~ 960 m3的采空区。此外，煤层埋深仅为50 ~ 150 m，开采后地表会立即下沉开裂。截至2005年7月，大柳塔矿区采空区面积为42.69km2(其中大柳塔矿采空区面积已达27.087km2)，受地面沉降影响面积为48.23~54.64km2(许等，2008)。
采煤塌陷是由于煤层开采后，在上覆岩土层重力作用下，采空区发生变形、弯曲和冒落。地下煤层开采后，采空区围岩中原有应力状态失去平衡，出现应力集中现象。经过一段时间后，当集中应力超过岩石的强度时，顶板岩层开始破裂冒落，形成冒落带。冒落带上部岩层也发生弯曲断裂，随着采空区的逐渐增大，地表开始塌陷破坏(图4-2)。
图4-2坍塌断面示意图
大柳塔矿区塌陷的主要类型为基岩上覆薄土层塌陷和基岩上覆厚风积沙层塌陷。前者为第四纪砂土或黄土覆盖，但土层很薄，一般在0.2m左右，地表植被较少，塌陷明显，如塌陷洞、地裂缝等(图4-3)。废弃房屋的墙壁上也发现了裂缝。后者第四系覆盖砂层很厚，塌陷以地裂缝、塌陷坑、塌陷阶地等为特征。塌陷初期以菱形网格地裂缝为特征，稳定后地裂缝容易被风积沙掩埋(图4-4)。
煤矿开采引起的地面塌陷和地裂缝，不同程度地破坏了土壤、水、植被等基本环境要素，对生态环境产生了严重影响。
2.土壤环境恶化
(1)土壤结构损坏
煤炭开采引起的地面沉降造成了许多地裂缝、塌陷坑、塌陷洞等。在表面上，这破坏了土壤结构。表层土壤经历了最初的破坏、重组，以及随后的沉降和压实，在一定程度上改变了土壤的粒度组成、孔隙度、容重和含水量。
图4-3基岩上有薄土层的塌陷区塌陷洞穴
图4-4基岩上有厚风积沙层的塌陷区地裂缝
本项目在大柳塔煤矿塌陷区建立了两个土壤剖面，一个在非塌陷区，标记为s 1；另一个在沉降区，记载为S2。土壤剖面如图4-5所示，分层描述如下:
不沉陷段S1:
细砂层(0 ~ 160 cm):含细砂，含少量砾石；
粗砂层(160 ~ 175 cm):含砾粗砂，混较多砾石；
细砂层(175 ~ 275 cm):其中175 ~ 250 cm为含较多泥质的粉质粘土质粉土(细粒土)；250 ~265 cm为粉砂质粉土，黑色，含较多泥质；265 ~ 275 cm为细砂；
中砂层(275 ~ 320 cm): 275 ~ 285 cm为黄色条带状粉砂质中砂；285 ~ 295 cm为含细颗粒的中砂；295 ~320 cm为粉砂质中砂。
图4-5土壤剖面图
塌陷区S2剖面图:
细砂层(0 ~ 70 cm): 0 ~ 60 cm为细砂；60 ~70 cm为粉砂质粉土，含少量砾石；
中砂层(70 ~100 cm):粉砂质中砂，含少量粘土；
粗砂层(100 ~ 310 cm):其中100 ~ 130 cm为粗砂；130 ~ 230 cm为粗砂，颗粒较细；230 ~ 310 cm为砾砂；
砾石层(310 ~330 cm):为细砾石，含少量粉砂；
中砂层(330 ~400 cm):中砂，含少量砾石。
土壤的颗粒组成对土壤的理化性质有很大的影响。研究深度内塌陷区与非塌陷区土壤颗粒含量总体差异见表4-1。
从表中可以看出，塌陷区土层粒度较粗，砾石组较多，细粒组较少。
表4-1塌陷区和非塌陷区土壤颗粒群总含量(%)
此外，我们还测试了矿区塌陷区、非塌陷区和裂隙区表层0 ~ 60 cm的土壤容重。结果表明，裂缝区土壤容重较大，不利于植被的正常生长。随着沉降时间的增加，土壤容重接近正常土壤容重水平(表4-2)。
表4-2表层土壤容重统计值
(2)水土流失加剧。
煤炭开采对土壤环境的影响还表现在破坏了原有的地形、地貌、植被等自然景观，加剧了水土流失，加速了土壤干旱和荒漠化，加剧了地表土壤退化和水土流失，影响了矿区的生态环境。研究表明，地表坡度的变化是引起土壤侵蚀和退化的主要因素。地下开采使地表沉陷形成沉陷盆地、阶地等新的微地貌(图4-6)，从而改变了原有的地表坡度，会使原有的地表径流发生变化。坡度越大，径流量越大，水土流失越严重。此外，由于地表裂缝的产生，地表和地下水向深处渗漏，使地下水位下降，导致土壤水分减少，使原本干燥的土地更加干燥。由于水土流失的加剧和土壤水分的减少，土壤退化和荒漠化日益严重，严重影响地表植被景观。
图4-6大柳塔双沟崩塌阶地
(3)土壤水分减少
包气带土壤水分在中国西北干旱半干旱地区显得尤为重要。矿区采煤塌陷后，包气带岩土结构被破坏，包气带水的分布和运移机制也随之改变。采煤引起的地裂缝使降水入渗的补给水源更容易渗入地下，补给地下水，从而减少了包气带土壤水的补给，地裂缝的存在增加了土层与外界的接触面积，因此土壤水的蒸发量也相应增加。补给量的减少和蒸发量的增加必然导致包气带土壤含水量的降低。此外，采煤沉陷引起的土壤侵蚀使包气带岩土层中的土壤颗粒变粗，导致其持水能力降低，这也是包气带土壤含水量降低的重要原因。本研究采集了大柳塔矿区塌陷区和非塌陷区0 ~ 60 cm土壤样品进行土壤体积含水量测试分析，结果证实采煤塌陷，尤其是地裂缝对矿区土壤持水能力有明显的负面影响(图4-7和图4-8)。
图4-7塌陷区和非塌陷区土壤水分垂直变化特征
图4-8裂缝墙体与非裂缝墙体间土壤含水量的垂直变化特征
(4)地表植被的破坏
煤炭开采对地表植被的影响是矿区生态环境恶化的直接原因。土壤和水是植物生存的必要条件。采煤引起的地面沉降和地裂缝，造成了水土流失和水土流失，以及地表水和土壤水的破坏，必然会对地表植被产生严重影响。
由于地面沉降，破坏了地面的原有形状和包气带岩土层的固有结构，地表塌陷坑、塌陷洞和地裂缝发育，土壤颗粒粗化，容重发生变化，对地表植被和农作物产生不利影响。塌陷区植被覆盖度小，植物种类和属少。许多分布在非沉陷区的沙生植物(如柠条、沙柳)无法在沉陷区生存。而且塌陷区的一些原生植物(如沙蒿)已经死亡，农田全部荒废。
另外，水是植被正常生长必不可少的要素，土壤中的含水量直接影响地表植被的生存环境。当土壤水分低于枯萎点时，植物就不会发芽存活。采煤引起的地表沉陷导致土壤持水能力减弱，含水量降低，不利于地表植被的生长。研究结果表明，塌陷区在0 ~ 60 cm深度层的土壤含水量小于非塌陷区，导致两者地表景观差异显著(图4-9和图4-10)。从图中可以看出，塌陷区，尤其是地裂缝发育的初始塌陷区，目前还不稳定，土壤结构还处于动态变化过程中。在这个过程中，土壤被拉伸或压缩，容易导致植物根系撕裂和植物死亡，从而表现出典型的沉陷条件下的景观特征(宋亚新，2007)。
3.煤炭开发对地表水和地下水系统的破坏。
煤炭开发对水环境的影响是生态环境恶化的重要因素之一。露天矿床的开采大面积剥离了矿体的上覆岩层，其上的含水层遭到破坏，改变了地下水的储存、补给、径流和排泄条件，使矿区地下水位急剧下降，使受影响地区的一些大泉断流或消失，降低了部分取水建筑物的供水能力。研究表明，活鸡图露天矿早期露天排水形成的地下水降落漏斗最大影响范围为2。029平方公里。
竖井平硐矿井煤层采空区会引起顶板岩石的变形和破裂，直至岩体的冒落和坍塌。当这些冒落裂隙带中的裂隙与上覆含水层连通时，地下水径流条件将发生变化，地下水将沿着这些裂隙通道流入矿井，造成地下水位下降甚至排泄。此外，为了保证安全生产，大规模开采前往往需要抽干巷道上部的地下水，造成地下水流失，使其影响区域内的植被因缺水而干枯死亡，土地无法耕种。
图4-9塌陷区地表植被
图4-10非塌陷区地表植被
首先，地面沉降和地裂缝在一定程度上直接改变了地表降水的径流和汇水条件，使部分地表水通过沉降裂缝渗入地下，使地表水系统流量减少甚至干涸；其次，由于地表地裂缝的存在，土壤水分蒸散面积增大，包气带土壤持水能力降低；最后，大的地裂缝将连接覆盖在煤层上的含水层，这将降低地下水位，并使地表井泉干涸。
(1)采煤造成地表水减少。
煤炭开采对地表水的影响主要有两个方面。一方面对地表沟壑和泉水有影响。大规模采煤活动造成的地裂缝、塌陷洞穴和塌陷盆地改变了地表径流条件。原有的沟水、泉水容易沿着地裂缝、塌陷坑等渗漏到地下。导致采煤塌陷区内的沟泉干涸。最典型的是神府-东胜大柳塔矿区塌陷区内的双沟水源地，塌陷于1996。根据1996九月观测资料，双沟的水流量为0。079立方米/秒；到2005年，笔者前往大柳塔双沟水源地调查时，双沟塌陷区范围扩大，沟内的水完全干涸，沟壁两侧的树木大部分枯死(图4-11)。然而，与乌兰木伦河流域仅一梁之隔的牛川河流域仍是未开发区域。一级支流七沟有水，二级支流大小头沟有水。小水头沟宽约20米，深8米，两侧树木茂盛，芦苇丛生。沟脑处有一个侵蚀下降泉，在地下水位以下侵蚀切割，流量约3m3/h..沟渠两侧也可见地下水从第四纪或侏罗纪地层接触面流出，与泉水汇合形成溪流。该沟为季节性河流，每年8月至10有水。小水头沟是北方的一条大沟，与小水头沟同为关琦沟的一条支流。它是一条常年河流，一年四季都有水。大小头沟的水流入关琦沟，然后流入牛川。七桂沟河流量约为0。04 m3/ s，两岸香蒲茂盛(图4-12)。
另一方面是对地表河流的影响。矿区河流的补给途径主要有三种:一是降雨入渗补给；二是沟泉侧向补给；三是地下水的渗透和补给。由于煤矿开采形成许多地裂缝，大部分降雨补给源向地下渗漏，明显减少了地表径流和对河流的补给。此外，地表沟泉干涸显著减少了河流的侧向补给源；一些地裂缝贯穿上下含水层，导致地下水渗入深层，地下水位急剧下降，这也导致对地表河流的地下水补给减少(赵红梅，2006)。
(2)采煤破坏地下水系统。
地下水是影响矿区生态环境的关键因素。地下水位埋深对沙地植物群落的组成、景观和管理的难易程度有决定性的影响。煤矿开采后，上覆岩层不断冒落，形成冒落带和导水裂隙带，改变了含水层结构和地下水径流排泄条件。第四系松散层潜水由水平径流和排泄变为垂直渗漏，地下水位变化较大(张法旺等，2006)。
图4-双沟流+01植被状况
图4-12七一沟水流植被状况
煤炭开采对地下水补给的影响
在大柳塔地区，潜水主要由降雨入渗补给。由于采煤沉陷引起的地裂缝的存在，当降雨强度很大时，地面积水产生径流，径流经过沉陷裂缝时会被拦截，从而缩短降雨入渗的补给时间，减少蒸发，增加入渗。
另一方面，自大柳塔矿区煤炭开采以来，由于煤炭开采活动(矿井排水和采煤塌陷)，地下水位大大降低，从而形成了厚度约40 m的深层包气带。该深层包气带对上部接收的水具有明显的延迟分布效应。当包气带厚度很大时，这种延迟分布效应的时间尺度甚至可以达到数年，其结果是降水可以均匀地补充通过深层包气带的潜水。因此，采煤塌陷增加了降雨入渗补给，实现了地下水通过深层包气带的均匀补给，对地下水补给有积极作用。
煤炭开采对地下储水空间和地下水运动的影响
采煤塌陷常破坏潜水含水层，使其与地下采空区相连，成为新的统一含水层，称为“含水层重建”(张法旺等，2006)。由于含水层与采空区相连，地下水的储存空间明显增大，含水层改造后形成地下水库。
在自然条件下，煤炭和水资源存在于地质体中，各有其赋存条件和变化规律。因为煤矿排水和塌陷渗漏打破了地下水原有的自然平衡状态，形成了以矿井为中心的降落漏斗，使地下水汇聚到矿坑。在其影响半径内，地下水流速加快，水位下降，库容减少，局部压力变为无压力，明显影响地下水运动。因此，采煤沉陷会增加地下储水空间，改变地下水的运动规律。
煤炭开采对地下水排放的影响
如前所述，采煤塌陷造成地下含水层重建，使原来相对独立的含水层成为统一的含水体，使地下水位下降，导致地下水流场和水头压力发生变化，形成以矿井为排泄点的新的地下水排泄方式，使原来的地下水排泄点进一步干涸或泉流量减少。
如大柳塔井田201工作面，工作面上部为第四系萨拉乌苏组含水层，属母亲河沟泉域，砂层厚度20 ~50 m，含水层厚度0 ~ 30 m，涌水量中等。开采前地下水由母亲河沟泉排出，开采后由母亲河沟排入矿井排水(通过排水钻孔和导水裂隙带进入矿井)；活鸡图矿试生产时间不长，其顶部也出现了地面裂缝和塌陷，导致含水层水位下降，王家豪地区地下水位也从开采前的1 m左右下降到6 m左右；卜泰壕地区采煤前，地下水位仅为1 ~2 m，低洼地区常年积水形成海子。近年来，随着煤矿的开采，地下水位下降到4米以下，大部分海子已经干涸。矿区人民井水位也有明显的下降趋势(李连娟，2005)。
煤炭开采对地下水资源的影响
大柳塔地区地下水资源主要为第四系松散含水层中的潜水，其次为火成岩中的基岩裂隙水，为统一的含水系统，水位统一，水力联系良好。第四系松散含水层中的潜水是下伏火成岩中潜水的补给源。煤炭开采对地下水资源的影响主要来自两个方面。
1)采煤塌陷造成含水层结构破坏，使原本以水平径流为主的潜水沿导水裂隙垂直渗漏，转化为矿井水；在采矿排水过程中，水排放到地表，总体上影响地下水资源。
2)采煤塌陷形成塌陷坑和自上而下的贯通裂缝，使当地稀缺的地表水和地下水进入坑内受到污染，影响地下水水质，进而影响地下水可利用资源。
在大柳塔矿区，煤炭开采一方面使萨拉乌苏组含水层中的地下水和细砂涌入矿坑，造成井下突水突砂事故；另一方面，矿井排水需要排放大量地下水，不仅浪费了宝贵的水资源，还破坏了矿区的水环境。
第三，地质环境问题对煤炭开发的反作用
煤炭开采破坏了矿区的生态环境，严重影响了当地居民的生活环境。日益恶化的生态地质环境反过来又给煤炭开发带来了严重影响，造成了巨大的直接和间接经济损失。
首先，地面塌陷破坏农田和房屋，造成经济损失由煤矿承担，增加了煤炭的生产成本，激化了煤矿与当地居民的矛盾，甚至可能成为阻碍煤矿进一步发展的重要因素。例如，大柳塔煤矿的开采导致前柳塔村除该村及附近农田外的大面积塌陷，使双沟沟泉水干涸，地下水位降至40 m以下，当地居民的饮用水依靠神东公司从镇上抽取的自来水。2006年，项目组通过走访前六塔村民了解到，大柳塔煤矿在下一步的开采计划中，还应该包括前六塔村和附近的一大片农田，这些地方原本是保留煤柱的，正在与村民协商补偿事宜。村民失去了土地，要求更高的赔偿，但矿方拒绝同意，于是双方谈判陷入僵局，问题长期得不到解决，下一步的煤矿开采也无法顺利实施。
其次，煤炭的开采破坏了地表水和地下水系统，使该地区本来就十分稀缺的水资源更加稀缺，使煤矿生产和职工居民生活用水面临无水可用的局面，这在煤炭开采过程中形成了不可逾越的障碍。据报道，在陕北神木县中集镇李家畔村，由于地面沉降，地下水遭到破坏，袁尚上的井水干涸，村民饮水十分困难。人们不得不去1以外的地方。5公里运水，而且他们每次都要用牛车拉一罐，所以他们得到了4元钱。羊去附近煤矿的进气口吃混有煤尘的深色地下水。
再次，煤矿老采空区容易发生冒顶，冒顶贯穿正在开采的工作面，造成煤矿工人受伤甚至死亡，也使开采工作陷入混乱。据三秦都市报(65438+2008年2月5日)最新报道，18+00年2月3日15时，神木县大柳塔镇后柳塔煤矿老采空区发生大面积冒顶事故，冲击波冲垮两个标准密闭墙，老采空区散发的有毒气体造成运输巷9名运煤车司机死亡。冒顶地点在大巷西侧老采空区(1996 ~ 1997采空，已封闭多年)距主井口约1200m。事故发生时，井下有19人。除9人中毒外，其余均安全升井。
最后，地表植被的破坏也造成了矿区严重的风蚀，影响了煤矿的生产环境和煤炭生产，如增加了成品煤的含砂量。