1. 引言
煤炭作为我国的主体能源,在国民经济发展中占据重要地位,图1是国家统计局在2024年《中国统计年鉴》中公布的2023年能源消费数据[1]。然而,长期高强度的煤炭开采活动对矿区地质环境造成了严重破坏,包括地表沉陷、地裂缝、滑坡崩塌等地质灾害,以及土壤污染、水体污染等环境问题。近年来,随着国家生态文明建设战略的深入推进和“双碳”目标的提出,煤矿地质环境保护与治理工作面临着新的机遇和挑战。传统的“先破坏、后治理”模式已无法满足新时代绿色发展的要求,在此背景下,煤矿地质环境治理的理论研究也如雨后春笋般涌现,监测和治理技术也在不断革新[2] [3]。
Figure 1. China’s energy consumption structure chart in 2023 (China statistical yearbook 2024)
图1. 2023年中国能源消费结构图(中国统计年鉴2024)
InSAR监测技术逐步应用于煤矿地质环境治理,郑美楠等[4]利用永久散射体干涉法和小基线集技术获取数据,通过时序形变分析,将淮南矿区关闭矿井地表次生沉陷规律归纳为下沉阶段–稳定阶段–上升阶段,对治理矿区沉陷具有重要启示作用。此外,迟凤妹等[5]提出了一种联合SBAS-InSAR技术与概率积分法的矿区地表沉降监测方法,来反演盆地中心,通过对郓城煤矿49景Sentinel-1A数据的处理,与水准数据对比验证表明,SBAS-InSAR与概率积分模型融合,为复杂地质条件下矿区沉降监测、治理提供了可靠技术路径。遥感技术的快速发展,也为煤矿地质环境的治理提供了强有力的技术支撑,李全生等[6]开发了一种基于多时相遥感影像的生态参数定量反演方法,利用先进的定量遥感技术精确反演与土壤、水、植被相关的生态参数,开发了基于累积分布函数相似性的生态参数时间一致性校正的高精度插值技术,使测量精度提高了约20%,为矿区生态修复提供了精准数据支撑。刘传泽[7]基于GIS利用无人机航拍获取的高分辨率影像,结合数字高程模型(DEM)数据,能够清晰识别矿区地表的微小裂缝和塌陷坑,为地质灾害危险性评价提供了重要的基础数据,可进一步构建了多因子耦合的环境危险性评价模型。同时,智能传感器技术的快速发展为煤矿地质环境监测提供了新的技术手段,特别是光纤传感技术的应用,极大促进了矿山地质环境的监测和治理[8] [9]。
宋海彬等[10]采用层次分析法,对其鸡西市鸡冠区煤矿沉陷区进行了生态修复效益评价,其矿区生态系统改善良好,对周边环境产生积极的正面影响。范静涛等[11]在矿山生态修复土壤重构技术研究中,系统总结了从固体废物利用到生态恢复的技术路径。该研究为矿区废弃地生态功能重建提供了参考。刘峰等[12]在双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径研究中,提出了矿区生态修复 + 碳汇的创新技术路径。范立民等[13]提出将地质灾害与人口安全与资产易损性相结合扩宽了煤矿地质灾害综合评估和治理的维度。赵洪宝等[14]采用模糊层次分析法(FAHP)和专家评分理论法建立了露天煤矿排土场土壤肥力综合评价模型。刘婧婧[15]对地裂缝、地面塌陷以及不稳定斜坡提出了混合治理修复模式,取得较好成果。尽管目前矿区生态修复与地质灾害治理已取得显著进展,仍缺乏统一的评价标准与治理规范,导致不同矿区间修复效果差异显著。本研究结合矿区生态修复目标与地质灾害治理需求,以淮南市谢家集矿区为例,采用层次分析法、综合指数法构建多指标评价体系,并给出了相关治理措施建议,研究结果能够为相似地区提供可复制的技术路径与治理模式参考,提升矿区生态功能恢复效率与地质灾害防控能力。
2. 煤矿地质环境的影响因素
煤矿地质环境的影响因素是指影响煤矿开采的地质要素、地球物理和地球化学条件等因素组合所形成的地质特征。这些因素既包括岩层结构、构造发育、水文地质条件等自然属性,也包含采动应力、开采方式、排水强度等人为活动影响。
2.1. 煤炭资源状况
煤炭地质是煤矿地质环境的核心组成部分,也是影响煤矿的生产成本和效益的重要因素。煤炭地质条件的不同,决定了不同地区的煤炭储量和质量,煤层地质结构的复杂程度和煤层埋深的深浅等,这都直接影响到采矿工艺、矿井设计、安全生产等方面[16]。例如,煤层埋深较浅的地区,一般采用露天开采方式,而煤层深埋的地区则需要通过井下采矿方式开采煤炭。煤炭地质的条件还会影响矿区的治理和环境保护措施的选择和实施。因此,煤矿的规划和经营需要准确地掌握煤炭地质信息。
2.2. 水文地质
煤矿地下水是采矿过程中不能忽视的因素。它既是对煤炭开采安全的制约因素,又是煤炭开采的必要条件[17]。一方面,水文地质条件的不同,会影响煤矿井下的水位、水质、水量、水压、温度等;从而决定着矿井的开采方案、立井方式、抽水方式等;另一方面,水文地质条件不良的地区,会对矿井生产和安全生产产生重要影响,进一步对煤矿地质环境产生影响[18]。因此,对煤矿地质环境的保护和治理中,水文地质通常涉及煤矿开采过程中的排水和防水问题,需要综合考虑地层、孔隙介质、水流动力学以及人工措施等多个方面,所以水文地质方面也是煤矿地质环境的重要影响因素。
2.3. 地质构造
地质构造是指地球表面各种巨观级别的地质建筑,包括构造线、构造带、构造盆等。它来自于地球内部的自然力量,如板块运动、地震等。地质构造对煤矿开采有直接影响,煤矿一般位于构造线的折合部位,容易发生断层、褶皱等地质灾害,构造同样影响煤炭的分布[19]。因此在煤矿地质环境的保护和治理中,需要对地质构造进行综合评估和针对性调查,制定相应的构造控制措施。
煤矿地质环境的影响是多层面的。为了有效保护和治理煤矿地质环境,必须对其组成进行深入研究,结合实际情况开展精细化和定位化的环境保护和治理工作,提高治理的针对性和有效性,从而达到保护煤炭资源和维护生态环境的双重目标。
3. 煤矿地质环境评价
3.1. 煤矿地质环境污染评价方法
当前国内外进行地质环境评价时采用的方法较为多样化,主要有加权比较法、层次分析法、与GIS相结合的图层叠加分析法、模糊综合评判法、综合指数法等。
3.1.1. 层次分析法
层次分析法[20]-[23] (Analytic Hierarchy Process, AHP)是一种将复杂问题分解为多个层次,通过建立层次结构模型,对各层次元素进行两两比较确定相对重要性,进而综合得出各元素权重的方法。在煤矿地质环境评价中应用广泛,基本原理为:将问题分解成各个组成因素,再将这些因素按支配关系分组形成阶递层次结构,通过两两比较的方式确定层次中诸多因素的相对重要性,就可以得到一个重要性比较矩阵,进行归一化处理即可得到各指标因素的权重。这种方法极大程度的降低了分析难度,使这类问题的决策和排序得到了简化。
针对上一层某元素,对本层与之相关元素进行两两比较,根据相对重要程度赋予1~9标度值,构建判断矩阵。例如,对于准则层B1属性的C1和C2两个指标,若认为C1比C2稍重要,可赋予C1与C2比较值为3,反之C2与C1比较值为1/3。具体见表1。
Table 1. On the scale of judgment matrix and its meaning
表1. 判断矩阵标度及其含义
指标Xi和Xj的重要程度比较 |
Xi |
Xj |
指标Xi和Xj一样重要 |
1 |
1 |
指标Xi比Xj稍微重要 |
3 |
1/3 |
指标Xi比Xj明显重要 |
5 |
1/5 |
指标Xi比Xj强烈重要 |
7 |
1/7 |
指标Xi比Xj极端重要 |
9 |
1/9 |
指标Xi与Xj重要程度介于上述等级之间2、4、6、8相应倒数 |
对于已经确定的构造矩阵,我们需要对所构造出来矩阵进行一致性的判断,通过计算判断矩阵的最大特征根
及对应的特征向量
,将特征向量归一化后得到各元素权重向量。
一致性指标CI计算:
(1)
计算的结果如果为 0,则表示具有一致性;如果计算的结果不为0,我们可以通过下表进一步进行一致性的判断。寻找对应的平均随机一致性指标RI,随机一致性指标RI可查表得到[20]。
一致性比例:
(2)
当
< 0.1时,认为判断矩阵的一致性可以接受,权重向量合理,否则应对判断矩阵作适当修正。
将各指标权重与对应指标值相乘并累加,即可得到综合评价值,具体为设置设
为准则层权重向量,
为第
个指标层权重向量,
为第
个准则层下第
个指标值,则综合评价值
:
(3)
其中
为准则层元素个数,
为第
个准则层下指标层元素个数。根据不同指标层赋分得出综合评分。
3.1.2. 综合指数法
综合指数法是将多个评价指标通过一定的数学方法综合成一个指数,以反映煤矿地质环境的总体状况[24] [25]。该方法通过能反映煤矿地质环境特征的指标,构建煤矿地质环境综合评价指数模型,可通过熵权法确定指标权重
,通过计算指标的信息熵
来确定权重,信息熵越小,该指标提供的信息量越大,权重越高。信息熵:
(4)
其中,
(5)
(6)
为第
个指标第
个样本的值,
为样本数量,权重
:
(7)
由于各评价指标的量纲和数量级不同,需对指标进行标准化处理,将其转化为无量纲的数值。通常可采用极差标准化、标准差标准化。以极差标准化为例,
为标准化之后的值,
和
分别为第
个指标的最小值和最大值。
(8)
综合指数
:
(9)
根据综合指数
的大小对煤矿地质环境进行分级评价,一般来说,综合指数越高,表明煤矿地质环境状况越差。
3.2. 谢家集区煤矿地质环境评价
矿区主要受谢一矿、李一矿和新庄孜矿采煤活动影响,形成的地下采空区诱发覆盖岩层变形破坏、地表形成采煤沉陷凹地、积水洼地、沉陷湖塘等,造成土地、道路、建筑、环境等均受到不同程度的破坏。
3.2.1. 评价指标体系构建
基于谢家集矿区的实际情况和生态修复特点,本研究构建了包含目标层、准则层和指标层的三级评价指标体系。如表2所示。下面分别代入层次分析法和综合指数法进行计算。
Table 2. Indicators of coal mine geological environment evaluation in Xiejiaji district
表2. 谢家集区煤矿地质环境评价指标表
目标层 |
准则层 |
指标层 |
指标性质 |
评价标准 |
谢家集区
煤矿地质
环境评价 |
沉降环境B1 |
年均沉降速率(mm/a) C1 |
负向指标 |
≤2:优,2~5:良,5~10:中,>10:差 |
沉陷面积占比(%) C2 |
负向指标 |
≤10:优,10~20:良,20~30:中,>30:差 |
土体环境B2 |
有机质含量(g/kg) C3 |
正向指标 |
≥20:优,15~20:良,10~15:中,<10:差 |
Cd含量(mg/kg) C4 |
负向指标 |
≤0.3:优,0.3~0.6:良,0.6~1.0:中,>1.0:差 |
pH值C5 |
范围指标 |
6.5~7.5:优,6.0~6.5或7.5~8.0:良,其余:中差 |
水体环境B3 |
COD含量(mg/L) C6 |
负向指标 |
≤20:优,20~30:良,30~40:中,>40:差 |
TN含量(mg/L) C7 |
负向指标 |
≤1.0:优,1.0~1.5:良,1.5~2.0:中,>2.0:差 |
TP含量(mg/L) C8 |
负向指标 |
≤0.1:优,0.1~0.2:良,0.2~0.3:中,>0.3:差 |
注:表中评价标准基于研究区实际情况和相关标准(《土壤环境质量标准》《地表水环境质量标准》)制定。
结合前人的研究成果以及相关文献,通过野外实地调查。最后邀请相关单位的专家结合这些因素对各个评价指标进行了打分,得出目标层判断矩阵表,如表3所示。
Table 3. Target layer judgment matrix table
表3. 目标层判断矩阵表
目标层A |
B1 |
B2 |
B3 |
B1 |
1 |
2 |
3 |
B2 |
1/2 |
1 |
2 |
B3 |
1/3 |
1/2 |
1 |
求取目标层矩阵A的最大特征值为
= 3.0092,一致性指标CI = 0.0046,对应阶数下平均随机一致性指标RI = 0.58,计算得随机一致性比率CR = 0.0079 < 0.1,表明判断矩阵具有满意的一致性,权重分配合理。对目标层矩阵A每一列进行归一化处理,将归一化A矩阵各行相加,得到一个关于目标层A的列向量,最后将得到的A的列向量进行归一化,即可得目标层各准则层权重向量为B1:0.545,B2:0.303,B3:0.152。采用同样的方法确定各指标层权重,在此不再赘述计算过程。经处理后,各指标层权重依次为:C1 (0.250)、C2 (0.250)、C3 (0.183)、C4 (0.124)、C5 (0.087)、C6 (0.045)、C7 (0.035)、C8 (0.030)。由此构建层次分析模型,结合各指标数据进行综合评价。根据式(3)进行计算,得到综合评价值分值。
采用综合指数法时要区分正向指标与负向指标的处理方式,对负向指标需进行倒数等标准化处理,将负向指标数据进行倒数转换,使其与正向指标具有相同的变化趋势。对范围指标要进行区间标准化处理,使其数值映射到统一可比的区间内。通过式(4)计算出信息熵值,进而确定各指标的客观权重,分别为C1 (0.132)、C2 (0.141)、C3 (0.125)、C4 (0.118)、C5 (0.109)、C6 (0.097)、C7 (0.086)、C8 (0.083)。再根据式(9)就能得出不同指标综合指数S的分值。
根据评价标准进行打分,其中评价为优得1分,良得0.7分,中得0.5分,差得0.3分,综合评价值在0.6~0.8为一般区,在0.4~0.6之间为较重区,小于0.4的为严重区。结合煤矿区实际情况,对地区内煤矿地质环境影响范围进行分区。
3.2.2.评价结果及差异分析
采用AHP法对谢家集矿区治理前的污染状况进行评价,结果表4所示。
Table 4. AHP evaluation result calculation table
表4. AHP法评价结果计算表
区域 |
综合得分 |
评价等级 |
谢一矿区域 |
0.32 |
严重区 |
李一矿区域 |
0.48 |
较重区 |
西部边缘区域 |
0.65 |
一般区 |
根据AHP法评价结果,治理前谢家集矿区可划分为三个污染等级,严重区包括谢一矿区域,污染综合得分为0.32,面积约2.8 km2。该区域由于长期高强度开采,地表沉陷严重,年均沉降速率超过20 mm/a,土壤有机质含量低于10 g/kg,Cd含量超过1.0 mg/kg,沉陷湖水质为劣Ⅴ类,生态环境严重恶化。
较重区为李一矿区域,综合得分为0.48,面积约5.2 km2。该区域开采强度相对较低,但仍存在明显的地表变形和环境污染问题,年均沉降速率在10~20 mm/a之间,土壤质量和水体环境处于中等污染水平。
一般区主要分布在矿区西部边缘,面积约42 km2。该区域受开采影响较小,地表相对稳定,环境质量相对较好,但仍存在一定程度的生态退化问题。
采用综合指数法对谢家集矿区治理前的污染状况进行评价,计算结果如表5所示。
Table 5. CI evaluation result calculation table
表5. CI法评价结果计算表
区域 |
综合得分 |
评价等级 |
与AHP法对比 |
谢一矿区域 |
0.31 |
严重区 |
一致 |
李一矿区域 |
0.46 |
较重区 |
一致 |
西部边缘区域 |
0.59 |
较重区 |
略有差异 |
CI法的评价结果与AHP法基本一致,但在轻度污染区的评价上存在一定差异。AHP法将西部边缘评价为一般区(0.65),而CI法评价为较重区(0.59)。
差异主要源于两种方法在指标权重赋值上的不同。AHP法通过层次分析主观赋予各因子权重,存在单一因子较强现象,如沉降环境B1的权重就较高,而CI法采用等权处理,各指标权重均等,弱化了单一因子的主导作用。在西部边缘区域,土壤重金属污染较轻但生态退化指标偏高,CI法因等权叠加导致综合得分上升,故评级略高。两种方法互为补充,AHP法更适用于复杂污染源区的分级管理,而CI法可作为快速评估工具用于大范围筛查,结合两种方法结果,可更科学制定分区治理策略。
4. 煤矿地质环境保护与治理建议
4.1. 防治原则
(1) 以人为本的防治原则。
(2) 以预防为主,防治结合的原则。
(3) 在开发中保护,在保护中开发原则。
(4) 依谁开发、谁保护,谁破坏、谁治理的原则。
(5) 对资源的循环利用原则。
4.2. 煤矿地质环境防治措施
4.2.1. 预防措施
煤矿地质环境的治理一定要以预防性工作为主,在矿区建立初期选址开始就应该减少对当地土地资源和地形地貌所造成的影响和破坏。应科学规划开采布局,合理设计开采方案,采用先进开采技术,减少采空区形成和地表沉陷。
煤矿区地质灾害的预防措施:在选址的过程中应避开地质灾害高发的地区,做好前期地质勘查。同时,在施工前要制定合理的工程设计方案,避免因施工造成崩塌、滑坡等地质灾害。此外,采用井下开采时,应合理布置采区和留设保护煤柱,防止地表沉陷和岩层移动引发灾害,在采空区的范围内要尽量减少人员活动。禁止开展人类工程活动,如修建房屋建筑物等。在矿区内设立长期监测系统,对地表位移进行实时监控,及时预警潜在风险。
含水层破坏的预防措施:在开采过程中,需对煤矿区地下水的水质、水位、水量展开持续监测,并记录各项指标,防止回注水污染含水层。煤矿开采过程中所产生的废水需进行循环利用,尽可能不抽取新鲜地下水。同时,政府要加大环保督查力度,确保各项环保指标得到有效落实。
土地资源与地形地貌的保护:煤矿开采对土地资源的破坏,主要源于工业广场建设和煤矸石堆积所导致的土地压占。因此,在矿区建设伊始,就应遵循最优化的建设方案,尽可能减少占地面积,提升空间利用率。同时,煤矸石堆也需进行集中且合理的堆放,尽可能减少土地压占面积,并采取防风、防雨、防流失等措施,避免造成二次污染。
4.2.2. 分区治理
根据矿区地质环境问题的分布特征和破坏程度,实行分区治理策略。谢家集应重点以谢一矿区域进行治理,对该区域的地表沉陷、地下水漏失及煤矸石堆存等问题进行系统修复。对李一矿区域以生态恢复为主,采取植被重建、土地复垦等措施;对西部边缘区实施以自然恢复为主、人工干预为辅的保护性治理模式,逐步恢复区域生态功能,减少人为扰动,保护原生植被与土壤结构。同时,结合区域自然条件和社会发展需求,合理规划土地功能再利用方向,推动矿区可持续发展,如淮南市春申湖治理[26] [27],因地制宜进行矿山修复。在分区治理实施过程中,应建立动态评估机制,定期开展地质环境质量评价,根据监测数据调整治理方案。对已修复区域进行长期跟踪,确保生态功能稳定恢复。同时,强化多部门协同管理,落实企业主体责任,引导公众参与监督,形成防治结合、标本兼治的长效机制,全面提升矿区地质环境保护与治理效能[28]。
4.2.3. 治理措施建议
(1) 地质灾害治理:煤矿开采过程中,常见的地质灾害类型包括崩塌、滑坡、泥石流及地面塌陷等[29]。其中,滑坡与泥石流的诱发机制与煤矸石的不合理堆放密切相关——开采产生的固体废弃物顺坡堆积时,若堆积高度超限或坡角过陡,易因降雨入渗、重力失衡等因素引发失稳。因此,煤矸石堆的稳定性防控是滑坡与泥石流治理的核心环节:通过削坡减载降低坡体高度,平整渣体表面以优化径流路径,辅以植被恢复或柔性防护网铺设,可有效提升堆体抗滑稳定性[30]。同时,在易发生地面塌陷区域布设实时监测系统,利用无人机与InSAR技术对地表位移进行动态追踪,结合地质雷达探测地下空洞发育情况,提前预警潜在风险[31]-[33]。
(2) 水资源保护:由于煤矿开采对周围含水层的破坏,使得地下水严重缺失,水资源异常紧张,会极大影响开采区居民饮用水和生活用水。治理方面主要采取完善的防渗措施,对于煤矸石的淋溶水要循环利用,防止其往第四系松散层内渗透,对其中的孔隙水水质造成影响[34]。同时在煤矸石临时的堆放场地外围修建排水沟,将淋溶水引导到循环利用池,以实现节约用水的目标[35]。对于露天开采区域,应分层设置截排水系统,有效导排大气降水与地表径流,避免积水入渗加剧边坡失稳[36]。
(3) 土地资源和地形地貌:应依据矿区地形地貌特征实施阶梯式回填与土地整形工程,对采空塌陷区采用煤矸石充填并覆土复垦,恢复可利用土地资源[37]。对于露天矿坑壁和排土场边坡,采取阶梯状削坡与植被重建技术,降低水土流失风险[38] [39]。同时结合高分辨率遥感影像与数字高程模型(DEM)动态监测地形变化,优化整治方案,提升土地承载力与生态功能[40]。
(4) 煤矸石综合利用:目前阶段,煤矸石的主要应用在对路基填充、对采空塌陷区填充或是在土地复垦过程中用其进行地形改造[41] [42]。其他还有用于制造建筑材料,如煤矸石砖和水泥等,同时部分高热值煤矸石可作为制砖原料,在高温焙烧过程中实现能源自给[43]-[46]。
5. 结论
煤矿开采带来的生态环境问题需通过系统性、多维度的治理措施加以解决。本文系统分析了煤矿地质环境影响因素及评价方法,以谢家集矿区为例,基于层次分析法、综合指数法构建了评价体系,将矿区划分为严重区、较重区、一般区三类区域。同时,本文总结“预防为主、分区治理、综合利用”的治理思路,包括了地质灾害防控、水资源保护、土地复垦、煤矸石资源化等针对性措施,形成了“评价–分区–治理”的技术框架,丰富了煤矿地质环境治理的理论与方法,为煤矿开采地区可持续发展、推动矿区生态修复提供了参考。未来应进一步加强生态修复与绿色采矿技术的融合,在保障能源供应的同时,实现矿区可持续发展,推动形成人与自然和谐共生的现代化矿业发展格局。