黃河幾字彎區(qū)煤炭基地地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境典型特征

申艷軍，楊博涵，王雙明，寇海波，陳 興，徐雅麗，韓森磊

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，陜西 西安 710054)

2019 年9 月18 日，習(xí)近平總書記在河南鄭州舉行的黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會發(fā)表重要講話，將“黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展”上升為國家重大戰(zhàn)略；2021 年10 月8 日，中共中央、國務(wù)院聯(lián)合印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》，成為指導(dǎo)當(dāng)前和今后時期黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的綱領(lǐng)性文件[1]。黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障，是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態(tài)廊道[2]。同時，黃河流域又被稱為“能源流域”，是我國煤炭開發(fā)規(guī)模最大的地區(qū)，煤炭年產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的70%。目前，我國14 座大型煤炭生產(chǎn)基地有9 座分布在黃河流域。但黃河流域煤炭基地與黃河中游生態(tài)脆弱區(qū)地理位置高度重疊，煤炭開發(fā)易對地表地質(zhì)環(huán)境、地表水和地下水產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并誘發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境問題，成為黃河流域中游煤炭基地生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展的顯著制約因素。

黃河幾字彎區(qū)域地處黃河流域中游，涵蓋晉、陜、蒙、寧、甘5 省(區(qū))21 市(縣)[3]。該區(qū)域煤炭資源豐富，區(qū)內(nèi)擁有神東、寧東、陜北、黃隴、晉北、晉中等6 座國家級大型煤炭基地，約占全國煤炭產(chǎn)量的40%，煤炭資源經(jīng)濟可采量及產(chǎn)量均居全國首位。同時，該區(qū)內(nèi)煤種齊全，煤質(zhì)好，地質(zhì)賦存條件好，擁有一批具有國際先進水平的千萬噸級、大型和特大型現(xiàn)代化煤礦群，是我國煤炭資源最具經(jīng)濟價值和開發(fā)潛力的地區(qū)，也是我國未來30～50 a 煤炭資源重點開發(fā)區(qū)域[4]，在我國能源安全供給保障領(lǐng)域具有舉足輕重地位。

然而，黃河幾字彎地處西部干旱-半干旱地區(qū)，水資源匱乏，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)量/降水量比值可達4～8，其中，“能源金三角”(寧東、榆林和鄂爾多斯)地區(qū)煤炭儲量占全國 27%，但水資源僅占0.37%[5]。黃河幾字彎區(qū)域主要發(fā)育有風(fēng)積沙區(qū)、黃土區(qū)2 種地貌，此2 類地貌普遍存在生態(tài)環(huán)境脆弱、抗擾動能力差等特點，易在煤炭開采中誘發(fā)土地塌陷、滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；同時引發(fā)區(qū)域水位下降、水土流失、加速土地沙化、生態(tài)系統(tǒng)退化等生態(tài)問題[4]。目前，相關(guān)研究多針對具體礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境開展分析與對策研究，如：彭蘇萍等[6]針對黃河流域礦區(qū)所處的戰(zhàn)略地位，剖析了該流域面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題；蘭恒星等[7]梳理了黃河流域地質(zhì)地表過程與重大災(zāi)害效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，并探討了針對性研究趨勢和面臨挑戰(zhàn)。但整體而言，立足于黃河幾字彎區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征，系統(tǒng)探究區(qū)域內(nèi)煤炭基地所面臨的普遍性地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境等問題尚有待強化。

據(jù)此，筆者針對黃河幾字彎煤炭基地的資源規(guī)模化開發(fā)與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境脆弱的突出矛盾現(xiàn)狀，開展黃河幾字彎煤炭基地地質(zhì)環(huán)境特征歸納總結(jié)，明確各煤炭基地分布特征及地質(zhì)環(huán)境背景；系統(tǒng)分析區(qū)域內(nèi)面臨的地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境典型特點及關(guān)鍵問題，并基于不同區(qū)劃條件下的地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境典型特征，開展了差異性防治對策探究，以期對推動黃河幾字彎區(qū)煤炭基地的可持續(xù)開發(fā)，實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供基礎(chǔ)借鑒作用。

1 黃河幾字彎區(qū)煤炭基地分布及地質(zhì)環(huán)境背景

黃河幾字彎區(qū)分布著6 座國家規(guī)劃或正在建設(shè)的大型煤炭基地，沿黃河自西向東流向分別為：寧東、神東、晉北、陜北、晉中與黃隴煤炭基地，并貫穿黃河幾字彎整個區(qū)域。依據(jù)前期各基地的區(qū)域地質(zhì)資料，其大體分布范圍如圖1 所示。

圖1 黃河幾字彎區(qū)6 大煤炭基地位置分布Fig.1 Location of six large coal bases in the bends area of the Yellow River

基于該區(qū)域的整體地貌特征分類，6 座大型煤炭基地主要涉及黃土區(qū)、風(fēng)積沙區(qū)2 種地貌類型[8](圖1)。其中，黃土區(qū)約占該區(qū)域總面積85%，而風(fēng)積沙區(qū)約占9.3%[6]。筆者基于前人相關(guān)研究報道，以兩大地貌類型單元為基本劃分思路，系統(tǒng)梳理了各煤炭基地所處范圍內(nèi)的典型氣象水文、地形地貌、土壤植被類型、含煤地層及煤層賦存地質(zhì)特征等，統(tǒng)計結(jié)果見表1?，F(xiàn)對各分區(qū)的含煤地層及賦存地質(zhì)環(huán)境特征詳述如下。

表1 黃河幾字彎區(qū)大型煤炭基地稟賦的典型地質(zhì)環(huán)境狀況Table 1 Typical geological environmental characteristics endowed with large coal bases in the bends area of the Yellow River

1.1 風(fēng)積沙區(qū)

神東、寧東兩大煤炭基地及陜北煤炭基地西北部主要位于風(fēng)積沙區(qū)。屬于溫帶干旱荒漠大陸性氣候，地表被厚風(fēng)積沙層覆蓋，氣候干燥、植被稀疏、生態(tài)脆弱；土壤類型主要為風(fēng)沙土、棕灰漠土和淡灰鈣土等，有機質(zhì)含量低，相對貧瘠，植被以草原和沙生植被為主[10]。區(qū)內(nèi)蒸發(fā)量遠高于降水量，年均降水量不足250 mm，蒸發(fā)量則高達1 400 mm[11]；地表徑流較少，烏蘭木倫河、悖牛川、窟野河等水系流經(jīng)礦區(qū)，但整體水資源匱乏。雨季大氣降水匯入洼地中，通過風(fēng)積沙滲入地下，補給松散潛水含水層；依據(jù)含水介質(zhì)類型，區(qū)內(nèi)地下水含水系統(tǒng)可劃分為：新生界松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙-裂隙水和燒變巖孔隙-裂隙水3 類[6,12]。

該區(qū)域的主要含煤地層為中下侏羅統(tǒng)延安組，開采煤層埋深呈現(xiàn)從東北向西南逐漸增加趨勢，含煤地層的大體地質(zhì)發(fā)育特征為：賦存地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定-較穩(wěn)定，煤層厚而穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單，構(gòu)造格局為單斜構(gòu)造，煤層傾角1°～10°，巖石裂隙不發(fā)育，區(qū)內(nèi)無火成巖活動等；水文地質(zhì)條件簡單，研究區(qū)延安組基巖除少數(shù)地區(qū)風(fēng)化嚴(yán)重、裂隙較發(fā)育外，多數(shù)地區(qū)較為完整，且無明顯導(dǎo)水構(gòu)造，潛水含水層易形成相對獨立而穩(wěn)定的水文地質(zhì)單元，含水層富水性相對較弱；煤層頂?shù)装鍡l件好，覆巖近水平，硬厚砂巖可控制頂板穩(wěn)定，砂/泥巖互層作為隔水巖組可有效阻隔潛水含水層水下滲。

1.2 黃土區(qū)

黃隴、晉北、晉中煤炭基地及陜北煤炭基地東南部位于黃土區(qū)。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量400～700 mm[8]，具有光照足，溫差大，降雨少、氣溫低、風(fēng)沙大、霜期長等特點。而該區(qū)域地形地貌復(fù)雜，多以山地丘陵為主，廣泛發(fā)育有梁、峁、塬臺地。土壤類型以黃綿土、栗鈣土、灰鈣土、褐土及潮土為主，適宜落葉闊葉林、針葉林、喬木、灌木等多種類型植物生長。地表徑流包括禿尾河、桑干河、滹沱河、涇河、洛河、汾河、沁河和昕水河等水系，但整體水資源相對匱乏。地下含水介質(zhì)主要由第四系松散層孔隙含水層、侏羅系碎屑巖裂隙含水層、奧陶系碳酸鹽巖含水層等組成[13-14]。

該區(qū)域的主要含煤地層有：石炭-二疊系太原組、二疊系山西組、侏羅系大同組及侏羅系延安組等，含煤地層地質(zhì)環(huán)境特征與風(fēng)積沙區(qū)相似，煤層埋深總體較淺，一般在100～500 m，埋深多為1 000 m 以淺區(qū)域，瓦斯含量偏低，且基本無地溫?zé)岷?，斷層少，巖層傾角緩，地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定-較穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件簡單-中等，局部受底板奧陶系灰?guī)r含水層(簡稱奧灰水)影響變?yōu)閺?fù)雜。煤塵多具有爆炸性，煤層易自燃，并在韓城、銅川及沁水盆地礦區(qū)多存在高瓦斯礦井。

2 黃河幾字彎區(qū)煤炭基地地質(zhì)災(zāi)害類型及典型特征

黃河幾字彎區(qū)煤炭基地地質(zhì)環(huán)境脆弱，因區(qū)域內(nèi)大規(guī)模采煤活動，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害問題嚴(yán)重，典型災(zāi)害類型包括：(1) 由采煤活動形成地下采空區(qū)而引起的地面塌陷與地裂縫等災(zāi)害；(2) 因區(qū)域淺表部發(fā)育的松散堆積層地質(zhì)特征而產(chǎn)生的滑坡、崩塌、泥石流等表生災(zāi)害，而此類地質(zhì)災(zāi)害同樣與采礦及人類工程活動存在密切關(guān)聯(lián)。

但考慮各煤炭基地所處的地質(zhì)環(huán)境存在的局部差異，面臨的地質(zhì)災(zāi)害類型及問題仍具有一定不同。基于中國地質(zhì)調(diào)查局前期完成的《黃河中上游礦山環(huán)境地質(zhì)圖》[15]相關(guān)資料，筆者團隊進一步梳理了黃河幾字彎區(qū)主要煤炭基地區(qū)域發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型、分布狀況及嚴(yán)重程度等級，如圖2 所示。

圖2 黃河幾字彎區(qū)煤炭基地內(nèi)發(fā)育的典型地質(zhì)災(zāi)害類型及嚴(yán)重程度分區(qū)(據(jù)文獻[15]，修改)Fig.2 Typical types of geological hazards and severity zoning developed of coal bases in the bends area of the Yellow River (Modified from reference [15])

從圖2 可看出，黃河幾字彎區(qū)發(fā)育的常見地質(zhì)災(zāi)害與主要煤炭基地存在地理區(qū)位的較大重疊，反映出采煤活動對地質(zhì)災(zāi)害孕育、發(fā)生具有強關(guān)聯(lián)關(guān)系；其中，因煤炭地下開采導(dǎo)致的地面塌陷、地裂縫問題最為嚴(yán)重，而崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害影響次之，并存在一定的區(qū)位特征。不同煤炭基地發(fā)育的主要地質(zhì)災(zāi)害類型存在差異；其中，寧東、神東、陜北等基地地質(zhì)災(zāi)害主要為地面塌陷、地裂縫；而晉北、晉中、黃隴等基地則受季節(jié)性強降雨或采煤活動影響，易發(fā)育黃土崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害。依據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》中關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害危險性等級評估方法[16]，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度整體處于高度易發(fā)區(qū)，其中，陜北、黃隴、晉中、晉北煤炭基地達到了高度-極度易發(fā)程度，且災(zāi)害基本覆蓋了主采區(qū)。

結(jié)合圖2，筆者團隊梳理了黃河幾字彎煤炭基地發(fā)育的典型地質(zhì)災(zāi)害類型，并對其存在的關(guān)鍵問題予以詳細闡述。

2.1 地面塌陷與地裂縫

地面塌陷與地裂縫是煤炭開采區(qū)所面臨的最典型地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)煤層采空后，采場周圍巖體應(yīng)力重分布，使上覆巖體發(fā)生變形、位移和破壞，當(dāng)采空區(qū)達到一定范圍后，造成地表塌陷，塌陷形成的同時也會造成周邊地裂縫的產(chǎn)生，二者存在明顯的耦合共生關(guān)系，但發(fā)育特征存在一定差異。

地面塌陷具有以下特征：(1) 其地表空間分布與煤礦主采區(qū)存在高度重疊，該類災(zāi)害主要集中在陜北基地的榆神府煤礦區(qū)、黃隴基地的關(guān)中渭北煤礦區(qū)；此外，在晉北基地的大同煤礦區(qū)、晉中基地的西山與汾西煤礦開采區(qū)此類問題同樣嚴(yán)重。(2) 塌陷規(guī)模、分布特征與煤層的埋藏條件、開采條件等因素存在密切關(guān)聯(lián)[17]。具體而言，采空區(qū)面積小，地表往往會形成小規(guī)模的帶狀或串珠狀塌陷區(qū)；而若采空區(qū)面積偏大，則會呈現(xiàn)整體性的梯級塌陷，具有規(guī)模大、影響范圍廣等特點，并造成地面建筑物受損。

地裂縫具有以下典型特征：(1) 不同地貌單元區(qū)地裂縫顯現(xiàn)規(guī)律存在一定差異。一般而言，黃土區(qū)顯現(xiàn)更明顯，寬度大，區(qū)內(nèi)臺階狀地裂縫發(fā)育顯著；風(fēng)積沙區(qū)則識別難度大，雖然地裂縫分布多，但多數(shù)自然彌合或被植物覆蓋，難以長期保留[18]。(2) 空間展布范圍及展布方向與坡體溝壑展布、煤炭開采狀況密切相關(guān)，一般而言，坡體上的裂隙較集中，且地表下沉量大，溝壑區(qū)裂縫較少；同時，采煤形成的地表裂縫方向與工作面回采方向普遍呈現(xiàn)垂直分布特征[10]。(3) 往往伴生其他表生地質(zhì)災(zāi)害，具體而言，地裂縫因改變了土體結(jié)構(gòu)和微地貌單元，導(dǎo)致崩塌、滑坡的發(fā)生頻率增加，并可與采空區(qū)產(chǎn)生貫通，易引發(fā)突水潰砂等地下地質(zhì)災(zāi)害。

基于前期相關(guān)學(xué)者對黃河幾字彎區(qū)地面塌陷與地裂縫災(zāi)害發(fā)育狀況調(diào)查，均表明地面塌陷、地裂縫與煤炭開采活動具有密切相關(guān)性。如：范立民等[10]對陜北榆神府礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果顯示，采煤形成的地面塌陷95 處，總面積共計94.47 km2，其中，面積大于 1 km2的塌陷區(qū)23 處，總面積 69.98 km2，占總塌陷區(qū)面積的74.08%；面積小于0.1 km2的塌陷區(qū)16 處，面積總計1.00 km2，占總塌陷區(qū)面積的1.06%。礦區(qū)地裂縫大量發(fā)育，現(xiàn)有1 802 條(或組)地裂縫，分布極不均勻，多條成群(或組)出現(xiàn)，并為直線狀或弧形(或橢圓狀)展布，地裂縫規(guī)模一般為十幾米到上千米，單條裂縫寬度為數(shù)厘米到2.2 m 左右，陷落距離為幾厘米到2.9 m 不等[18]。圖3 為神東煤炭基地神東礦區(qū)補連塔煤礦12406 工作面、活雞兔煤礦21306 工作面開采引發(fā)的典型地面塌陷與地裂縫災(zāi)害?？梢?，地裂縫分布方向與工作面回采方向基本垂直，而部分淺埋煤層開采頂板直接垮落影響至地表形成地面塌陷，其呈現(xiàn)整體梯級塌陷。

圖3 黃河幾字彎區(qū)煤炭基地地面塌陷與地裂縫的典型發(fā)育特征[19-20]Fig.3 Typical development characteristics of ground collapse and ground fracture of coal base in the bends area of the Yellow River[19-20]

總體而言，相對脆弱的地質(zhì)條件加之大規(guī)模的煤炭開采活動，極易造成礦區(qū)地面塌陷與地裂縫等問題。因此，筆者團隊建議針對不同礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征及采煤工藝方法，研究不同地質(zhì)災(zāi)害保護性開采方案的優(yōu)化思路。基于前人相關(guān)研究歸納如下：(1) 就地取材，充分開展地裂縫充填技術(shù)研發(fā)；如風(fēng)積沙區(qū)可采用流沙+泥漿、小粒徑煤矸石+流沙或小粒徑煤矸石+泥漿對地裂縫進行充填；黃土區(qū)可使用覆土+泥漿、小粒徑煤矸石+泥漿充填技術(shù)。(2) 積極發(fā)展井下綠色高效充填開采技術(shù)；如可采用煤矸石、風(fēng)積沙等固廢材料進行采空區(qū)全域或局部化充填，同時重視覆巖離層精準(zhǔn)注漿充填技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)對于減緩或控制巖層移動以及地表沉陷具有較好的控制效果。

但上述技術(shù)研究仍存在亟待解決的問題，包括：(1) 尚缺乏全面系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測體系，無法實現(xiàn)對地面塌陷和地裂縫災(zāi)害動態(tài)化監(jiān)測與預(yù)警；因此，建立“開采-監(jiān)測-預(yù)警”三位一體監(jiān)測體系應(yīng)是該領(lǐng)域未來重點工作之一。(2) 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害往往以災(zāi)害鏈形式出現(xiàn)，并在時空上產(chǎn)生連續(xù)擴展累積放大致災(zāi)效應(yīng)。而目前圍繞礦區(qū)地面塌陷與地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)條件、災(zāi)害演化過程、災(zāi)害鏈轉(zhuǎn)化及評價模式等研究體系尚未完全建立，應(yīng)是該領(lǐng)域亟待攻克的另一技術(shù)難題。(3) 探索適宜于礦區(qū)地面塌陷與地裂縫的充填減損技術(shù)勢在必行；現(xiàn)階段礦區(qū)采空區(qū)的充填材料及充填工藝方法仍不夠成熟，存在充填材料經(jīng)濟性與安全性矛盾問題、充填減損效果科學(xué)評價問題及充填方案設(shè)計成熟性問題等。

2.2 崩塌、滑坡與泥石流

黃河幾字彎區(qū)因煤炭開采誘發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害問題同樣突出，且呈現(xiàn)一定的區(qū)位特征，具體表現(xiàn)為：(1) 崩塌災(zāi)害與基地所處地形地貌有關(guān)；統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該類大型災(zāi)害主要分布于陜北黃土高原東北部黃土梁峁區(qū)、關(guān)中斷陷盆地渭北前黃土塬邊等；而黃河沿岸山區(qū)崩塌規(guī)模則以中小型為主。(2) 滑坡災(zāi)害與人類采礦工程活動關(guān)系密切；地下開采產(chǎn)生的采空區(qū)覆巖變形往往導(dǎo)致地表斜坡不同程度的位移，改變了自然邊坡天然穩(wěn)定狀態(tài)，進而誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生；而露天開采剝離表土以及采礦棄渣堆放形成的排矸場或排土場，會隨著矸石或排土堆積高度增加，出現(xiàn)人工堆土邊坡失穩(wěn)隱患。(3) 受區(qū)內(nèi)集中性降雨活動影響，加之地表土壤松散、植被覆蓋率低，同時，礦區(qū)多存在煤矸石、礦渣等松散堆積體，極易在強降雨作用下發(fā)生礦區(qū)泥石流災(zāi)害。

近年來，黃河幾字彎區(qū)發(fā)生的大量崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害多符合上述特征。如陜北廟哈孤礦區(qū)采煤引發(fā)崩塌23 處，造成煤礦經(jīng)濟損失約168.6 億元[21]。而區(qū)內(nèi)采煤深度小，開采形成的地裂縫極易溝通地表，塌陷拉張裂縫發(fā)育，遇暴雨季節(jié)，黃土層遇水軟化發(fā)生密集崩塌。2018 年10 月24 日，陜西榆林市橫山區(qū)波羅鎮(zhèn)宋家洼方圓煤礦發(fā)生山體滑坡，造成2 人死亡[19]。災(zāi)害發(fā)生區(qū)域位于陜北黃土高原和關(guān)中盆地黃土臺塬區(qū)，下伏發(fā)育厚隔水層為地下水位持續(xù)抬升提供了良好地質(zhì)條件，并在強降雨作用下發(fā)生黃土軟化乃至靜態(tài)液化，導(dǎo)致流滑型黃土滑坡災(zāi)害發(fā)生。2013 年5 月26 日，陜西黃陵礦區(qū)突發(fā)礦渣型泥石流，造成7 人死亡，12 人受傷，究其原因在于：礦區(qū)內(nèi)地形溝壑縱橫，采煤強度高，并存在多處大體積礦渣尾礦庫堆放情況，最終在連續(xù)強降雨后發(fā)生大規(guī)模泥石流災(zāi)害。

基于上述分析可知，黃河幾字灣區(qū)崩塌、滑坡、泥石流成災(zāi)過程與地貌及氣候作用存在時空差異性，而目前立足于地貌-氣候耦合作用下崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害演化過程及臨災(zāi)特征判識研究仍有待深化。同時，對于不同災(zāi)害及承災(zāi)主體的聯(lián)動機制，開展黃河幾字彎區(qū)煤炭基地多災(zāi)種鏈動衍生關(guān)系研究仍存在不足。此外，隨著北斗、遙感與GIS 地理信息技術(shù)的發(fā)展，黃土災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)已取得顯著發(fā)展，但結(jié)合采礦活動特點，開展煤炭基地礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與預(yù)報研究有待加強。

2.3 突水潰砂

黃河幾字彎風(fēng)積沙區(qū)煤炭基地煤層埋藏較淺、地表多為厚風(fēng)積沙覆蓋層，導(dǎo)水裂隙帶可導(dǎo)通地表，而飽和含水沙層在重力作用下，沿采動裂隙進入井下，造成突水潰砂事故[22-24]，如圖4 所示。因開采引起的突水潰砂災(zāi)害已成為風(fēng)積沙區(qū)煤炭基地安全開采面臨的重要地質(zhì)災(zāi)害之一[25-27]。如2010 年陜西神木哈拉溝煤礦22402 工作面在推進到離工作面 38 m 時發(fā)生突水潰砂事故，導(dǎo)致地面形成了直徑 47 m、深 12 m 的巨型塌陷漏斗坑；2012 年陜西神木隆德煤礦在施工電纜孔時因鉆孔穿透采空區(qū)頂板導(dǎo)致發(fā)生了突水潰砂事故，在初始僅為直徑91 mm 的電纜孔條件下，因強大的水動力作用使鉆孔迅速擴大，導(dǎo)致大量水砂潰入礦井，并在地表形成塌陷坑，沙丘下陷25 m，突水潰砂量巨大?？梢?，突水潰砂災(zāi)害具有突發(fā)性、放大性及強危害性等特點，關(guān)注風(fēng)積沙區(qū)煤炭基地突水潰砂災(zāi)害問題同樣至關(guān)重要。

圖4 煤礦地下開采引起的突水潰砂地質(zhì)災(zāi)害典型特征Fig.4 Typical characteristics of sudden water and sand collapse disasters caused by underground mining in coal mines

據(jù)此，筆者團隊建議突水潰砂災(zāi)害科學(xué)防控應(yīng)立足于其煤層埋深、巖層組合特征、水文地質(zhì)狀況及地表補水條件等因素，探究潰砂源、通道、開采活動影響等互饋演化機理，同時，研究基于突發(fā)性與多準(zhǔn)則信息精準(zhǔn)判識的突水潰砂災(zāi)害預(yù)測預(yù)警模型；此外，厘清水砂流注漿擴散及封堵機理是實現(xiàn)潰砂治理和搶險救災(zāi)方案科學(xué)決策的重要依據(jù)，也是該領(lǐng)域亟待解決的重點問題。

3 黃河幾字彎區(qū)煤炭基地生態(tài)環(huán)境問題及典型特征

黃河幾字彎區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，抗擾動能力差且水資源短缺。而煤炭資源的大規(guī)模開采成為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境最嚴(yán)重的干擾因素，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境急劇惡化，并引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，主要表現(xiàn)為：開發(fā)區(qū)域的地下水位下降、水土流失、土地荒漠化及廢水廢渣污染等[6]?，F(xiàn)結(jié)合黃河幾字彎區(qū)煤炭基地生態(tài)環(huán)境問題及典型特征予以詳細闡述。

3.1 地下水位下降

由于不同煤炭基地、不同礦區(qū)開采條件以及稟賦地質(zhì)環(huán)境存在較大差異，其對地下水?dāng)_動的嚴(yán)重程度有所不同。具體而言，黃河幾字彎區(qū)煤炭基地中神東、陜北基地采煤對地下水的擾動較為強烈。范立民[28]、彭捷[29]等對神東、陜北煤炭基地地下水進行了長期跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)近20 年來榆神府礦區(qū)地下水位下降非常明顯，部分區(qū)域第四系薩拉烏蘇組地下水被疏干，地下水位下降至基巖界面以下，如：窟野河逐漸演變?yōu)榧竟?jié)性河流，部分井、泉甚至出現(xiàn)干涸現(xiàn)象。1996-2015 年的20 年內(nèi)，榆神府礦區(qū)8 971.5 km2范圍內(nèi)有記錄泉眼由2 580 處減少至376 處，占原有泉眼總量的85%；總流量由原來的4 997.059 7 L/s 減少至996.392 L/s，占原流量的80.06%[28]。鄂爾多斯盆地的神東煤炭基地因開采引起了地表沉陷、地面塌陷和地裂縫，導(dǎo)致礦區(qū)地下水位大范圍和大幅度下降，原統(tǒng)計的121 個泉眼減少了104 個[6]。此外，黃隴煤炭基地因采煤導(dǎo)致的地下水位下降同樣十分明顯。如：陜西彬長礦區(qū)煤炭開采后白堊系含水層地下水流場受到顯著影響，其中，亭南煤礦局部水位降深達到194.87 m，礦區(qū)北部煤礦開采區(qū)水位普遍下降，降深大于30 m，東部火石咀煤礦降深更大，達到60～70 m[30]。

煤炭開采除可誘發(fā)承壓含水層水位下降外，同樣對潛水位埋深具有明顯影響；據(jù)陜西省一八五煤田地質(zhì)勘探隊對陜北煤炭基地榆神府礦區(qū)內(nèi)潛水埋深調(diào)查發(fā)現(xiàn)[31-32]：潛水位埋深一般小于15 m，符合生態(tài)水位合理埋深，對于保障毛烏素沙地植被生態(tài)安全具有重要價值。王雙明等[33-36]前期研究發(fā)現(xiàn)：地下水位埋深是影響礦區(qū)表生生態(tài)環(huán)境的主控因素，榆神府礦區(qū)合理的生態(tài)水位埋深為1.5～5.0 m，5～8 m 為警戒地下水位埋深。當(dāng)采煤造成的水位下降超過 5 m 時，表生生態(tài)受到嚴(yán)重影響。但據(jù)2015 年范立民團隊[37-38]對榆神府礦區(qū)潛水位埋深調(diào)查發(fā)現(xiàn)：窟野河、禿尾河沿岸潛水位下降明顯，下降幅度大于8 m 的面積達到 758.9 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的7.3%，且全部位于煤炭高強度開采區(qū)；其他73%未采煤區(qū)潛水位卻未出現(xiàn)明顯下降?？梢?，黃河幾字彎區(qū)開展保水采煤及減損開采技術(shù)研究勢在必行。

基于前期研究發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模的煤炭開采對黃河幾字彎區(qū)地下水位的影響明顯，而地下水位降低顯著影響了表生生態(tài)環(huán)境，易引起土地荒漠化，河流、泉流量衰減等生態(tài)問題。因此，著重關(guān)注該區(qū)域煤礦開采對地下水位擾動影響規(guī)律及內(nèi)在演化機制，是后期該區(qū)域生態(tài)地質(zhì)及環(huán)境保護的重點研究工作之一。

3.2 水土流失

黃河幾字彎區(qū)水土流失生態(tài)問題同樣嚴(yán)重，且主要發(fā)生在黃土地貌區(qū)，具體分布于晉中、晉北、黃隴、陜北煤炭基地東部-東南部。具體而言，因采煤過程對地下水位產(chǎn)生下降影響，導(dǎo)致地面植被遭受一定程度破壞，形成土壤松散裸露；而黃土結(jié)構(gòu)疏松，黏聚力和抗剪強度較弱[39]，易在強降雨作用下發(fā)生大規(guī)模流滑現(xiàn)象，進而導(dǎo)致水土流失的發(fā)生。

晉中、晉北煤炭基地地處黃河幾字彎區(qū)，由于暴雨集中、植被稀疏，土壤抗蝕性差，一直是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[40-41]。圖5 為山西省2017 年部分大型煤炭基地水土流失分布，據(jù)圖可知，水土流失區(qū)域與煤礦區(qū)的分布存在密切相關(guān)性，其中，晉中、晉北煤炭基地大部分礦區(qū)為重度、中度水土流失。而部分礦區(qū)(離柳、鄉(xiāng)寧、河保偏、嵐縣)位于黃河沿岸，受濕陷性黃土影響加之規(guī)?；擅?，水土流失程度嚴(yán)重，可達到重度水土流失程度，這與相關(guān)礦區(qū)內(nèi)河流眾多、地形復(fù)雜、環(huán)境脆弱，加之采煤強擾動活動有關(guān)。

圖5 山西省2017 年部分大型煤炭基地水土流失分布(數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)調(diào)查局)Fig.5 Water and soil erosion distribution map of some large coal bases in Shanxi Province in 2017 (Data from China Geological Survey)

圖6 為黃隴煤炭基地2017 年度水土流失分布特征圖，從圖可看出，黃隴煤炭基地內(nèi)所有礦區(qū)均存在不同程度的水土流失現(xiàn)象。具體而言，黃隴煤炭基地屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，降雨集中，溝壑交錯，采煤活動加劇水土流失。彬長礦區(qū)則是黃隴煤炭基地水土流失最為典型區(qū)域，也是黃河中游水土流失重點區(qū)域之一。究其原因，該礦區(qū)屬陜北黃土高原南部塬梁溝壑區(qū)，部分礦井處于黃土塬邊緣地帶，地表水系發(fā)達，植被稀少，采煤活動導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。據(jù)前期調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，目前礦區(qū)1 270 km2土地，水土流失面積占全區(qū)面積的81.4%[42-43]。

圖6 黃隴煤炭基地2017 年度水土流失分布特征圖(數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)調(diào)查局)Fig.6 Distribution map of soil and water loss in Huanglong Coal Base in 2017 (Data from China Geological Survey)

此外，陜北煤炭基地東部-東南部地區(qū)位于黃土區(qū)，區(qū)內(nèi)受多次黃土堆積和侵蝕作用影響，地形破碎、溝壑縱橫，水土流失極為嚴(yán)重，主要發(fā)生區(qū)位于各大支流的上游邊界地帶和東部、南部溝壑區(qū)。因溝壑區(qū)裸露的沙質(zhì)黃土、紅土和松散的風(fēng)積沙為水土流失提供了豐富物質(zhì)來源。尤其在地形坡度大于15°區(qū)域，暴雨產(chǎn)生急劇的地表徑流，形成巨大的沖刷力，強烈侵蝕表層土壤而產(chǎn)生水土流失[6,18]。

以上研究均表明，黃河幾字彎區(qū)煤炭基地水土流失嚴(yán)重，并受到煤炭開采活動密切影響，因此，確保煤炭大規(guī)模開采的同時，探索適宜于開采區(qū)高效水土保持技術(shù)方案是后續(xù)亟待解決的技術(shù)問題之一。

3.3 土地荒漠化

土地荒漠化主要受煤炭基地特殊的地形地貌、氣候及人為活動影響。黃河幾字彎區(qū)寧東基地大部、神東基地中西部、陜北基地西北部均存在土地荒漠化現(xiàn)象。上述區(qū)域因氣候干燥、植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱。高強度、大規(guī)模的煤炭開采活動客觀上加速了土地荒漠化[35]。

深入剖析可知，神東、陜北煤炭基地處于毛烏素沙地與黃土丘陵復(fù)合侵蝕嚴(yán)重的接壤地帶。其中，神東基地萬利、神東礦區(qū)主要位于毛烏素沙地。礦區(qū)北部為高大新月形流動沙丘鏈覆蓋，強度沙漠化風(fēng)蝕土地占礦區(qū)總面積的70%以上，風(fēng)蝕程度達2.5～22.0 cm/a，風(fēng)蝕強度大于2 500 t/(km2·a)的土地占總面積的90%以上，沙漠化土地年均自然增長率為0.5%[44-45]。加之大規(guī)模煤炭開采，造成了地貌改變，加速了土地荒漠化[6]。

此外，陜北煤炭基地榆神、榆橫礦區(qū)位于毛烏素沙地。其中，榆神礦區(qū)中西部由起伏沙丘沙地、半封閉的相對低洼灘地構(gòu)成，約占礦區(qū)總面積的5/6。東部為黃土丘陵，由風(fēng)沙地貌及黃土丘陵地貌組成，屬荒漠-半荒漠生態(tài)系統(tǒng)[46-48]，地表覆蓋風(fēng)積沙為土地荒漠化提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，干燥少雨、植被稀疏以及煤炭開采活動加劇了土地沙漠化問題。寧東煤炭基地因位于風(fēng)沙區(qū)，土地荒漠化問題同樣嚴(yán)重，且主要集中于基地北部區(qū)域[49]。

但隨著生態(tài)文明建設(shè)被列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，國家長期實施退耕還林還草及人工治沙政策的持續(xù)推進，土地荒漠化問題得到了極大改善。據(jù)寧東基地2000-2015 年度土地沙化面積變化統(tǒng)計表明(圖7)，基地土地沙化主要以輕度沙化為主，中度及以上沙化面積及所占比例逐年下降；而無沙化和非沙化面積及所占比例整體上呈現(xiàn)逐年增加趨勢。榆林沙區(qū)已建成1 166.73 km2的防護林和4 000 km2的固沙林，沙區(qū)林草面積已達9 733.82 km2，植被覆蓋率由建國時的1.8%上升到39.8%，治理面積達69.01%；寧東煤炭基地除石嘴山礦區(qū)西北部分區(qū)域仍存在重度沙漠化現(xiàn)象外，其他礦區(qū)均無土地沙化現(xiàn)象。上述數(shù)據(jù)說明，植樹造林、防沙治沙等措施可較好地遏制土地荒漠化的蔓延，但加強礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的長效化治理仍刻不容緩[2,50-52]。

圖7 寧東煤炭基地土地沙化變化情況統(tǒng)計結(jié)果(數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心)Fig.7 Statistical results of land desertification changes in Ningdong Coal Base (Data from Xi’an Geological Survey Center of China Geological Survey)

3.4 廢水與廢渣污染

煤炭開采中廢水來源主要為井下礦坑水、洗煤廢水及生活污水。廢渣主要為采煤過程中排出的固體廢物煤矸石、粉煤灰等。礦井水、洗煤水處理不當(dāng)會對水體造成污染；而廢渣則壓占大量土地，影響植被生長，破壞原始地貌，嚴(yán)重情況下誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害并對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

依據(jù)黃河幾字彎6 大煤炭基地廢水廢渣排放分區(qū)圖(圖8)，黃河幾字彎煤炭基地廢水廢渣污染嚴(yán)重地區(qū)主要分布在晉中(離柳、霍東、霍州、汾西等礦區(qū))、晉北(大同、嵐縣、河保偏等礦區(qū))、黃隴(彬長、韓城等礦區(qū))、陜北(榆神礦區(qū))及神東(神東、府谷礦區(qū))等。對上述廢水污染嚴(yán)重區(qū)域進行歸納發(fā)現(xiàn)，其具有以下典型特點：(1) 廢水排放量大，且存在部分礦井廢水排放缺乏科學(xué)管控問題。如晉中煤炭基地離柳礦區(qū)在2019年礦坑排水量達到了20 284 m3/d[53]，而礦坑水易污染河流，往往對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成較大威脅。(2) 廢水破壞了原有水體循環(huán)規(guī)律，地表水污染嚴(yán)重。神府-東勝礦區(qū)在煤炭開采后河水的硬度變?yōu)殚_采前的3 倍，礦化度是開采前的8 倍，河水由開采前的中礦化型硬水變成開采后的高礦化型硬水[54]。

圖8 黃河幾字彎區(qū)煤炭基地廢水與廢渣排放污染嚴(yán)重程度分區(qū)[15](數(shù)據(jù)來源：中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心)Fig.8 Schematic diagram of waste water and residue discharge from six major coal bases in the bends area of the Yellow River[15] (Data source:Xi’an Geological Survey Center of China Geological Survey)

煤矸石是因煤炭開發(fā)造成廢渣污染的主要來源，也是目前我國排放量最大的固體廢棄物之一。目前，我國每年煤矸石的排放量平均為煤炭總產(chǎn)量10% 。據(jù)統(tǒng)計(表2)，2018 年黃河幾字彎6 大煤炭基地排放的煤矸石等固廢總量為35 961.62 萬t，平均排放強度0.74 t/d；年利用固廢量為22 393.93 萬t，平均利用率為62.27%，高于全國平均值52.65%。其中，神東、晉北、陜北煤炭基地由于大型露天礦數(shù)量稍多、區(qū)域循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈較短等因素，煤矸石的排放量較大，排放強度較高。煤矸石的大量堆放易造成諸多廢渣污染問題：(1) 矸石堆積造成土地壓占，破壞地貌景觀；且在一定條件下堆積體邊坡失穩(wěn)，易發(fā)崩塌、滑坡災(zāi)害；若發(fā)生強降雨，加之其他客觀因素會造成泥石流災(zāi)害。(2) 煤矸石在風(fēng)蝕作用下會產(chǎn)生揚塵；同時，矸石含易燃成分，受外界空氣影響會發(fā)生自燃，產(chǎn)生有害有毒氣體污染大氣環(huán)境。(3) 在雨水作用下，煤矸石會發(fā)生淋濾，形成硫酸或酸性水，其滲入地下導(dǎo)致土壤、地表水及地下水污染。

表2 黃河幾字彎區(qū)六大煤炭基地煤矸石等固廢循環(huán)利用指標(biāo)統(tǒng)計[55]Table 2 Recycling index of solid waste such as coal gangue from six major coal bases in the bends area of the Yellow River[55]

開展區(qū)內(nèi)煤矸石等固廢資源化綜合利用，是降低煤矸石對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響的最佳方案之一。近年來，我國在積極推進固廢資源循環(huán)利用工作，黃河幾字彎區(qū)各大煤炭基地也在積極探索煤矸石等固廢資源轉(zhuǎn)化利用方式，并取得了良好的實踐效果。如神東、晉北、黃隴基地煤矸石轉(zhuǎn)化率均較高(≥60%)，基地內(nèi)受固廢污染影響較小。因此，做好黃河幾字彎煤炭基地煤矸石等固廢利用工作，發(fā)展采空/塌陷區(qū)回填、筑基修路、土地復(fù)墾新材料；同時，積極探索以煤矸石為原料的建筑及環(huán)境化工應(yīng)用等技術(shù)發(fā)展，將對降低煤矸石等廢渣對生態(tài)環(huán)境的影響大有裨益。

4 結(jié) 論

a.黃河幾字彎6 座大型煤炭基地主要分布于黃土區(qū)、風(fēng)積沙區(qū)兩大地貌類型，黃土區(qū)在氣候條件、土壤肥力、植被類型略優(yōu)于風(fēng)積沙區(qū)，但存在蒸發(fā)量大，水資源緊缺等問題；風(fēng)積沙區(qū)主要成煤期為侏羅紀(jì)，黃土區(qū)則主要為石炭-二疊紀(jì)及侏羅紀(jì)，含煤地層普遍地質(zhì)構(gòu)造相對簡單、頂板條件較好、埋藏較淺、厚度大，適合開展煤炭生產(chǎn)基地規(guī)?；ㄔO(shè)。

b.黃河幾字彎煤炭基地地質(zhì)災(zāi)害處于高度易發(fā)區(qū)，面臨的地質(zhì)災(zāi)害類型為：地面塌陷與地裂縫、崩塌、滑坡與泥石流和突水潰砂等。地面塌陷與地裂縫災(zāi)害系區(qū)域內(nèi)采煤活動形成地下采空區(qū)引發(fā)；區(qū)內(nèi)存在的松散覆蓋層地質(zhì)條件與人類活動等因素而導(dǎo)致產(chǎn)生滑坡、崩塌、泥石流等表生地質(zhì)災(zāi)害；導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通地表，通過采動裂隙造成突水潰砂災(zāi)害。同時，地質(zhì)災(zāi)害類型因煤炭基地地理位置和地貌類型而產(chǎn)生差異。

c.黃河幾字彎因大規(guī)模采煤活動引發(fā)地下水位下降、水土流失、土地荒漠化和廢水廢渣污染等生態(tài)問題，神東、陜北煤炭基地采煤對地下水位下降的影響更為明顯；風(fēng)積沙區(qū)(寧東、神東煤炭基地)以土地荒漠化問題突出，而黃土區(qū)(陜北、黃隴、晉中、晉北煤炭基地)則以水土流失問題最為嚴(yán)重；探索煤矸石等固廢資源高效、清潔化轉(zhuǎn)化利用是該區(qū)域礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護工作面臨的緊迫問題。

d.黃河幾字彎區(qū)地處流域中上游干旱-半干旱區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，受區(qū)域采煤活動影響產(chǎn)生了顯著的地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境問題，建議依據(jù)“山水林田湖草沙生命共同體”生態(tài)綜合修復(fù)治理理念，結(jié)合風(fēng)沙區(qū)、黃土區(qū)等不同地貌單元特點，探討具有地貌特征差異性的地質(zhì)防治與生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)，同時重點關(guān)注因地下采煤活動對地下水及生態(tài)環(huán)境的影響，探索以保持生態(tài)水位及降低環(huán)境污染的綠色減損開采技術(shù)，是現(xiàn)階段黃河幾字彎區(qū)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)化發(fā)展的重要工作之一。