干旱半干旱地区煤矿开采生态影响研究.pdf

南京师范大学 硕士学位论文 干旱半干旱地区煤矿开采生态影响研究 姓名钱者东 申请学位级别硕士 专业地理学；环境地理学 指导教师蒋明康 20110521 摘要 随着经济的发展，我国的能源需求增长迅速。在我国的能源结构中，煤炭占 有极其重要的地位。目前，我国东部地区赋存条件好的煤炭资源已经基本枯竭， 开采难度增大，煤炭开采的重心开始向西北地区转移。 我国西北为干旱半干旱地区，气候干燥，水资源缺乏，地表植被不良，水土 流失和荒漠化严重，生态环境十分脆弱。煤炭资源的开发势必会增加当地的环境 负担，使得生态环境进一步恶化。与发达国家相比，我国煤炭资源地下开采的比 重较大，占总储量的9 2 ．5 ％。干旱半干旱地区水资源短缺，植被对地下水的依赖 较为明显，这一地区煤矿地下开采带来的生态影响主要是地面沉陷、地下水疏干 造成的植被破坏和土地荒漠化。因此，根据地区特点，建立一套合理、科学、可 行的煤矿开采生态影响评价指标体系对当地的生态环境保护有着重要的意义。 本文通过资料收集、实地调查、专家咨询、文献研究等方法，深入分析了煤 矿开采项目生态影响的产生机理；并从矿井开采强度、自然背景条件两个角度， 将煤矿开采的生态影响分为土地占用、地面沉陷、地下水位变化、生态敏感程度 四个子系统，选取1 3 项量化指标，构建了干旱半干旱地区煤矿开采的生态影响 评价指标体系。 本文以神木大保当煤矿为例，验证了该指标体系的针对性和可操作性。研究 表明大保当煤矿在首采层全部开采的情况下，井田范围内影响严重的区域占总 面积的1 6 ％，主要分布在井田东部与中南部；影响轻微的区域占总面积的3 7 ％， 分布在井田北部和西部；其余为影响中等的区域，占总面积的4 7 ％。针对其生态 影响，本文提出了相应的减缓措施。 本文系统地分析了干旱半干旱地区煤矿开采的生态影响，建立了相应的生态 影响评价指标体系，为今后该地区的环境影响评价工作提供了有益的参考。 关键词干旱半干旱地区，煤矿开采，生态影响，指标体系 A b s t r a c t A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , C h i n a ’Se n e r g yd e m a n di sg r o w i n g r a p i d l y ．I n C h i n a se n e r g ys t r u c t u r e ，c o a lo c c u p i e sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tp o s i t i o n ．A tp r e s e n t ， c o a lr e s o u r c e se a s i l ye x p l o i t e di ne a s t e r nC h i n a , h a sb a s i c a l l yd r i e d u p ．W i t ht h e d i f f i c u l t yo fe x p l o i t a t i o ni n c r e a s i n g , t h ec e n t e ro fc o a lm i n i n gh a ss h i f tt ot h e n o r t h w e s t r e g i o n ． N o r t h w e s tC h i n ai sa r i da n ds e m ia r i da r e a s ，w i t hd r yc l i m a t e ，s c a r c ew a t e r , p o o r v e g e t a t i o n ，s e r i o u ss o i le r o s i o na n dd e s e r t i f i c a t i o n ，w h e r ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti s v e r yf r a g i l e ．T h ee x p l o i t a t i o no fc o a lr e s o u r c e si sb o u n dt oi n c r e a s et h eb u r d e no f l o c a l e n v i r o n m e n t ，m a k i n gt h ee n v i r o n m e n tw o r s e ．C o m p a r e dw i t hd e v e l o p e d c o u n t r i e s ，u n d e r g r o u n dm i n i n gt a k e su pal a r g e rp r o p o r t i o ni nC h i n a , w h i c ha c c o u n t s 9 2 ．5 ％o ft o t a lr e s e r v e s ．V e g e t a t i o nd e p e n d e n to ng r o u n d w a t e ri sm o r ee v i d e n ti na d d a n ds e m ia d da r e a s ，w h e r ei s s h o r to fw a t e r ．L a n ds u b s i d e n c e ．g r o u n d w a t e r d e w a t e r i n gc a u s e db yu n d e r g r o u n dm i n i n gi nt h i sr e g i o nm a k ev e g e t a t i o nd e s t r u c t i o n a n dd e s e r t i f i c a t i o n ．T h u s ，a c c o r d i n gt or e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t oe s t a b l i s ha r m i o n a l 。 s c i e n t i f i c ，f e a s i b l ee c o l o g i c a li m p a c ta s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mo fc o a lm i n i n gh a sa n i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo nt h el o c a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ． T h r o u g hd a t ac o l l e c t i o n ，f i e l ds u r v e y s ，e x p e r tc o n s u l t a t i o n ，l i t e r a t u r er e s e a r c h a n do t h e rm e t h o d s ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h em e c h a n i s mo ft h ee c o l o g i c a li m p a c tc a u s e d b yc o a lm i n i n g ；f r o mt h ea s p e c t so fe x p l o i t a t i o ni n t e n s i t ya n dn a t u r a lb a c k g r o u n d ， d i v i d e dt h ee c o l o g i c a l i m p a c to fc o a lm i n i n gi n t ol a n du s e ，l a n ds u b s i d e n c e ， g r o u n d w a t e rl e v e lc h a n g e ，e c o l o g i c a l s e n s i t i v i t y , f o u rs u b s y s t e m s ；s e l e c t e d14 q u a n t i t a t i v ei n d i c a t o r s ；c o n s t r u c t e de c o l o g i c a li m p a c ta s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mo fc o a l m i n i n gi na r i da n ds e m ia d da r e a s ． T h e nt h i sp a p e rt o o kS h e n m uD a b a o d a n gc o a l m i n ea sa ne x a m p l e ，v e r i f i e dt h e r e l i a b i l i t ya n dd i r e c t i o no ft h ei n d e xs y s t e m ．T h er e s u l t ss h o wt h a t w h e nt h ef i r s t l a y e rW a sa l le x p l o i t e d ，s e r i o u si m p a c tr e g i o na c c o u n t s16 ％o ft h et o t a la r e a ，m a i n l y i ne a s ta n ds o u t h - c e n t r a la r e a ；m i n i m a li m p a c tr e g i o na c c o u n t s3 7 ％o ft h et o t a la r e a , l o c a t e di nt h en o r t h e ma n dw e s t e r np a r t ；t h er e s ti sm e d i u m i m p a c tr e g i o n ．F i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ee c o l o g i c a li m p a c t ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ec o r r e s p o n d i n gm i t i g a t i o n m e a s u r e s ． T h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h ee c o l o g i c a li m p a c t so fc o a lm i n i n gi na d d a n ds e m ia r i d a r e a s ，e s t a b l i s h e dt h ec o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo f H A b s t r a c t e c o l o g i c a li m p a c t ，p r o v i d i n g au s e f u l a s s e s s m e n ti nt h i sr e g i o n ． K e yw o r d s A r i da n ds e m i a r i dr e g i o n s ， s y s t e m r e f e r e n c ef o rt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t C o a lm i n i n g ，E c o l o g i c a li m p a c t ，I n d i c a t o r I I I 第1 章绪论 1 ．1 研究背景及选题意义 第1 章绪论 工业革命以来，煤炭被广泛地用作工业生产的燃料，给社会带来了前所未有 的巨大生产力。同时煤炭经过化学加工，能制造出成千上万种化学产品，所以它 又是一种非常重要的化工原料。因此，煤炭被称作“工业的粮食”。中国是煤炭资 源丰富的国家，截至2 0 0 3 年底，累计探明资源量1 0 2 1 0 ．5 6 亿吨，排在俄罗斯和 美国之后，居世界第三位 张绍强，2 0 0 6 。中国的能源消费以煤炭为主，在全 国已探明的化石能源资源储量中，煤炭、石油和天然气所占比重分别为9 4 ％、5 ．4 ％ 和0 ．6 ％，资源禀赋特点决定了中国能源生产与消费以煤为主的格局将长期存在。 自2 0 世纪8 0 年代末以来，中国的煤炭年生产量一直保持在世界第一位。过去很 长一段时间内，中国都是世界上重要的煤炭净出口国，但是随着经济的发展，国 内的煤炭需求增长迅速，2 0 0 7 年中国煤炭进口首次超过出口。为缓解煤炭供应 紧张局面，中国加大已有煤矿产量并积极建设新矿区。 我国的煤炭资源分布不均衡，总体上呈“西多东少、北多南少“ 的局面。昆 仑山秦岭一大别山一线以北，大兴安岭一太行山以西的地区，煤炭资源占全国 的8 9 ％。新中国成立以来，大多时期煤炭开发重点集中在东部地区，大量消耗了 东部地区的煤炭资源。目前东部地区赋存条件好，距地表浅，容易开采的资源， 基本都已开发开采，使得东部资源开采逐步向1 0 0 0 m 以下的深部发展，开采难 度增大。随着西部开发战略的实施，我国煤炭资源的开发重心向西部转移。2 1 世纪初我国能源的重点开发地区为毛乌素沙地外围与河西走廊两端 李树志， 2 0 0 3 。2 0 0 7 年国家发改委发布的煤炭产业政策中明确提出将建设1 3 个大 型煤炭基地，其中神东、陕北、宁东、黄陇等基地即位于该地区。 煤炭资源的大规模开采，势必会给当地带来一系列的生态环境问题，这些问 题涉及面广、因素多，概括起来主要包括两方面一是煤矿生产排污对环境的影 响，主要指废气、废水、废渣排放对环境的影响；二是煤炭开采引起的地面沉陷、 地下水疏干等造成的农田损失、植被破坏、土地荒漠化等非污染影响 范英宏， 2 0 0 3 ；孟江红，2 0 0 8 ；赵娟，2 0 0 8 。相比之下，后者的影响更显著，更能反映 煤矿生产的影响特征，也是本文研究的主要内容。 截止2 0 0 7 年，全国采煤造成的沉陷面积已达6 3 ．3 万h m 2 ，并以每万吨沉陷 0 ．2 - - - , 0 ．2 7h m 2 的速度增加。煤炭资源赋存和地域条件不同，其开发活动造成的生 态影响也不相同。我国中东部地区地势平坦，耕地广布，人口密集，地下潜水位 高，煤炭开采引起的主要生态环境问题是，沉陷区积水，耕地减产或丧失；我国 第1 章绪论 西南地区地形复杂，气候温和湿润，降雨充沛，其主要生态环境问题是山体滑坡， 泥石流等地质灾害以及对景观生态的影响和破坏 顾广明，2 0 0 7 。 秦岭一大别山以北，大兴安岭一太行山以西地区大部分为大陆性干旱、半干 旱气候带，年降雨量在4 0 0 r a m 以下，干旱少雨、植被稀疏、土地贫瘠，荒漠化 十分严重。黄土高原地区地形复杂、沟壑纵横、水土流失十分严重，泥石流、滑 坡等地质灾害频繁，植被覆盖率低，生态环境十分脆弱。新的矿区建设向这一地 区转移，导致煤炭资源开发与环境保护矛盾日益突出。位于毛乌素沙地东部边缘 的神东矿区开发于上世纪八十年代，由于在开采之初只注重污染的防治而忽略了 煤矿开采带来的非污染生态影响，从而导致了一系列问题。如位于神东矿区的大 柳塔镇采煤塌陷区7 7 ．3 ％村民水井干涸或水位下降，附近原有的大量海子已经消 失；该镇的一个村庄原有水浇地和大片的杨树等乔木，由于地下煤层的开采导致 村庄的水浇地变成了旱地，杨树大面积枯死 徐友宁，2 0 0 8 。 目前，针对煤矿开采的生态影响评价，环境影响评价技术导则中推荐的评价 方法具有普遍的指导意义，但是具体到某个地区时则显得针对性不强。同时，现 有的生态影响评价方法，较多地采用定性描述的方法，定量评价较少或只将部分 评价指标进行量化，而要做到科学准确的评价，仅从定性的角度是不够的。此外， 在我国煤炭开发项目环境影响评价中，为了满足有关文件规定和审查的需要，“地 表沉陷预测与影响评价”、“水环境影响分析与评价”、“生态环境影响分析与评价” 等往往分别列在不同的章节里，使内容显得比较分散，缺乏系统。煤炭开采引发 的生态影响，是各种因素综合作用的结果，其影响产生途径主要为一方面，煤 炭开采产生的地裂缝和塌陷，导致植被根系拉断，枯萎死亡。另一方面，开采沉 陷形成的地表裂缝与采空区形成了直接通道，破坏了开采煤层上的含水层，导致 地下水疏干，进而造成地表植被退化、演替和死亡 聂镇龙，1 9 9 8 。由此可见， 开采沉陷是影响产生的根本原因，地下水位下降是开采沉陷的连锁反应，地表生 态环境的破坏则是两者共同作用的结果。 我国西北地区气候干燥，水资源短缺，地表植被不良，水土流失严重，生态 环境脆弱，生产力低下，对各种自然和人为扰动极为敏感 许冬梅2 0 0 8 。煤炭 资源的进一步开发势必会增加该区的环境负担，造成地下水疏干，植被覆盖率降 低，水土流失、荒漠化加剧等问题，使得生态环境进一步恶化。因此，根据地区 特点，建立一套合理、科学、可行的煤矿开采生态影响评价指标体系对当地的生 态环境保护有着重要的意义。 本文试图从煤矿开采引发的地面沉陷、地下水位下降、地表植被破坏等方面 研究干旱半干旱地区煤矿开采的生态影响，选取合适的评价因子构建生态影响评 价指标体系，并以神木大保当煤矿为例，对煤矿开采的生态影响进行定量评价， 2 第1 章绪论 最终提出生态减缓措施，以期为这一地区煤矿开发的环境影响评价和环境管理提 供有益的参考。 1 ．2 研究内容与方法 通过资料收集、实地调查、专家咨询、文献研究等方式，识别干旱半干旱地 区煤矿开采的生态影响因子，建立煤矿开采生态影响评价指标体系；并以榆神矿 区大保当煤矿为例，对其生态影响进行定量分析和评价，最终提出生态减缓措施。 本文主要研究内容如下 1 ．总结国内外现有的煤矿开采生态影响及评价研究成果，为本研究奠定理论 基础； 2 ．识别干旱半干旱地区煤矿开采的生态影响因子； 3 ．根据煤矿开采的特点对其评价指标进行归纳筛选，形成完整的评价指标体 系； 4 ．对榆神矿区大保当煤矿开采的生态影响进行评价，并提出相应的生态影响 减缓措施。 第1 章绪论 1 ．3 技术路线 4 第2 章国内外研究现状 第2 章国内外研究现状 2 ．1 国内外煤矿开采的生态影晌研究 煤炭资源的开采由于埋藏深度不同，开采方式一般有地下开采和露天开采之 分。世界上大部分矿层均远离地表，地下开采目前占世界煤矿生产的6 0 ％，在中 国须进行地下开采的煤矿更是占到总储量的9 2 ．5 ％。本文主要讨论煤矿地下开采 的生态影响。 工业革命以来人类便开始进行大规模的矿产资源开采，矿山开采带来的环境 影响很早就被人类所认识。对于煤矿开采的生态影响国内外学者已经做了大量的 研究工作。苏联的秦巴列维奇 1 9 5 3 提出台阶下沉假说，指出当煤层埋藏较浅 时，随工作面推进，顶板将沿煤壁斜上方垮落，从而影响地表。美国I t a s c a 公司 开发的F L A C 程序，能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的 破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大变形，已 被用于煤矿开采沉陷分析 郑天涯，2 0 1 0 。印度的K i r A n m a yS a r m a 2 0 0 5 发现煤炭开采区与非开采区相比，植被的种类与生物多样性都相对较低，濒危 物种相对较多；煤炭开采区的生物多样性指数明显低于非开采区；林地向无林区 域的转变速度加快。李新平 2 0 0 6 实地调查了山西省煤炭开采区、采空区和受 煤炭开采影响表征比较明显的区域，发现采煤区林地土壤含水量低于非采煤区， 油松群落的生物量、物种丰富度、多样性、水土保持和水源涵养功能均呈下降态 势。全占军等 2 0 0 6 在遥感及地理信息系统技术的支持下，把植被景观现状与 地表沉陷影响区叠加，通过沉陷前后景观格局的变化分析，发现地表沉陷后，植 被景观破碎及隔离程度严重，原有的稳定态景观格局被打破，随着地形、土壤的 空间变化，植被开始新一轮发展演替。 煤矿开采不可避免地对地下水资源产生影响，而地下水水位变化产生的生态 影响是当今国内外研究的热点。地下水位的异常变化会引发一系列生态问题，水 位过高会引发土壤盐渍化和沼泽化，过低会引起土壤干化、沙化和天然植被衰退 王嵩，2 0 0 5 。俄罗斯学者V ．1 4 ．O s t r o v s k i 于1 9 9 1 年首先提出了“生态水文地 质学”的概念，将水文地质的概念引入生态系统中 E v g e n i ，1 9 9 6 。美国学者 J o n a t h a nL ．H o r t o n 2 0 0 1 了针对植物在不同地下水位埋深的生理反映进行了研究， 提出了植物进行光合等生理作用的地下水位埋深阈值。我国在生态水文地质学方 面起步较晚，万力于2 0 0 5 年首次系统介绍了该学科的相关理念。杨泽元 2 0 0 6 在野外调查和综合分析的基础上，提出了陕北风沙区生态安全地下水位埋深的概 第2 章国内外研究现状 念，并探讨了地下水位埋深与植被生长及土地荒漠化的关系，确定了风沙滩地区 生态安全地下水位埋深。张茂省 2 0 0 8 采用生态水文地质调查与遥感定量 分析相结合的方法，在研究植被生态空间分布特征、近3 0 年来的演化趋势的基 础上，从植物类型、植物根系、植被指数与潜水埋深对比分析入手，建立了陕北 地下水位埋深与植被生态的依存关系，确定了影响植被生态的地下水位阈值。 西北干旱半干旱地区生态环境十分脆弱 马秀芬，2 0 0 1 程水英，2 0 0 8 ， 在这一地区进行煤矿开采所产生的地表塌陷、含水层、土地资源和植被资源破坏、 沙漠化加剧等一系列生态影响，已经越来越被人们所重视，不少学者针对榆神府 矿区在开采中产生的问题进行了研究。王经明 1 9 9 8 对毛乌素沙漠东缘沙土下 采煤的环境地质效应进行分析，认为采矿造成的地下水位下降是该地区土地沙化 的根本原因。王健 2 0 0 6 运用土壤学基本理论和方法，测定、计算了补连塔煤 矿，采煤塌陷对风沙区土壤理化性质的影响。王力 2 0 0 8 在分析榆神府矿区生 态环境现状、地下水基本特征、采煤对地下水和植被的影响、以及矿区地下水与 植被的相瓦关系说明地下水资源是支撑矿区生态环境可持续发展的重要因子， 采煤对地下水的破坏会严重影响矿区植被的恢复与重建。董英 2 0 0 8 在研究陕 北风沙滩地区地下水位埋深与植被生态关系的基础上，建立了风沙滩地区地下水 流数值模拟模型和植被生态随机模型，根据地下水水位埋深与植被生态的关系实 现了地下水流模型和植被生态模型的耦合求解，对煤炭资源开发可能引起的植被 生态变化进行预测和风险评估。王双明 2 0 0 9 指出陕北沙漠区唯一具有供水意 义和重要生态价值的含水层位于煤层之上，表生生态对萨拉乌苏组地下水位埋深 具有较强的敏感性，煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降，表生生态退化，控 制地下水水位是西部生态脆弱矿区科学开采的核心。张茂省 2 0 1 0 在经验公式 和数值法预测结果的基础上，综合考虑陕北风沙区实际，提出了该区能够保障生 态和水资源安全的“三带“ 高度，并据此将煤采区划分为非导水区、无水导水区、 贫水导水区和富水导水区。 2 ．2 国内外煤矿开采的生态影响评价研究 生态影响评价是煤矿项目环境影响评价中的一个重要内容，用于探讨生态系 统、栖息地以及物种的生存能力、敏感性和价值在开发活动中受影响的程度 T r e w e e k ，1 9 9 6 ；T h o m p s o n ，1 9 9 7 。目前，生态影响评价方法正处于探索与 发展阶段 L o h a n i ，1 9 9 7 ；A l l a n ，2 0 0 9 。美国是世界上较早开展生态影响评价 的国家，从7 0 年代开始，美国的研究者开发了多种生态影响评价方法，如L e o p o l d 1 9 7 1 为生态影响评价提出了矩阵法，即采用敏感度分析矩阵将影响因子与生 态因子之间的影响和被影响关系表述出来；美国野生生物联合会 N W F 推荐 6 第2 章国内外研究现状 用“多维欧氏空间距离法”对拟议项目生态影响进行半定量评价 陆书玉，2 0 0 1 美国鱼类和野生动物局颁布了基于栖息地和生态系统的生境评价程序 L a r r y ， 1 9 9 6 W a i t e r s 于1 9 8 6 年提出种群动力模型，指出在环境影响评价中，应首先 预测动物生存所依赖的因素，如种群规模、繁殖力、可产卵地等，一旦这些参数 被确定，模型即可预测出种群的变化。加拿大学者W i l l i a m 于1 9 9 2 年提出了生 态足迹分析方法，通过核算人类生产生活所需的生物生产面积，与国家或区域的 生态承载力相比较，判断一个国家或区域的生产生活活动是否处于生态承载力范 围内。近年来，国外学者以3 S 技术为基础，评价开发建设项目对生态环境影响 的研究也日益增多，如韩国的K i mK i ．D o n g 2 0 0 6 在收集了三陟市废弃的煤矿 沉陷区地形地质、矿坑通道、土地利用、钻孔数据的基础上，结合G I S 技术和 沉陷区的野外调查，选取了埋深、坡度、地下水位、覆岩强度、土地类型等9 个指标，利用比例模型和逻辑回归模型确定每个指标的等级，最终得出土地沉陷 影响等级划分图，与现实取得了很好的一致性。 长期以来，我国的生态影响评价主要是按照环境影响评价技术导则非 污染生态影响 H J ／T1 9 1 9 9 7 的要求，采用定量或半定量与定性相结合的 评价方法，具体有图形叠置法、生态机理法、生产力评价法和景观生态学方法 等 国家环境保护总局，1 9 9 8 。近年来，我国在生态环境保护方面开展了大量的 科学实践工作，建立了一系列生态环境评价指标体系。叶亚平、刘鲁君 2 0 0 0 从生态环境质量背景、人类对生态环境的影响程度及人类对生态环境的适宜度等 三方面，提出相应的评价指标和评价方法，分别建立了中国省域和县域生态环境 质量评价指标体系。万本太等 2 0 0 4 选择了生物丰度指数、植被覆盖指数、水 网密度指数、土地退化指数和生态环境质量指数等5 类1 6 个指标，构建了生态 环境综合评价指标体系。刘新卫 2 0 0 5 基于景观生态学理论，选用格局优化度、 变化良性度、功能强弱度、人为胁迫度等4 类3 0 个指标，建立了区域生态环境 质量评价指标体系，并以塔里木河中下游典型区作为案例，评判了该地区的生态 环境质量状况。周铁军 2 0 0 6 以宁夏回族自治区盐池县为例，建立了毛乌索沙 地县域尺度上的生态环境质量综合评价指标体系，全面地评价了盐池县1 9 9 1 “ “ 2 0 0 0 年间的生态环境质量动态变化状况，并且对盐池县生态环境质量状况进行 了发展趋势预测。 随着我国环境管理工作的逐步加强，环境影响评价技术及相关科学技术的不 断发展，环境影响评价技术导则存在的“行业特点不突出’’问题逐渐显现。 目前，我国对于煤炭采掘类项目还没有相应的环境影响评价技术导则，对于煤矿 开采的非污染生态影响评价，主要技术依据为环境影响评价技术导则非污 7 第2 章国内外研究现状 染生态影响，但它对于煤炭开采业而言缺乏一定的针对性，难以反映出煤炭开 采行业的特点。 近年来，随着对煤矿开采特点的认识不断加深和评价手段的更新，国内不少 学者对煤炭开采的生态影响评价做出了进一步研究。杨宏科 2 0 0 3 通过分析各 种地理、地质背景和条件参数、各地质环境因素之间的联系，在对它们作综合评 价的基础上，选取含煤性、含水性、潜水位埋深、植被覆盖率、水土流失强度等 指标，建立了榆神府矿区煤炭资源、水资源和生态环境综合评价指标体系。郝永 新 2 0 0 5 针对煤矿建设项目生态环境影响的定量化表述问题，将评价区划分为 井田、矸石堆场和工业场地三个亚区，选取植被覆盖率、水土流失量、土地生产 力、土壤肥力等评价指标，采用多维欧氏空间距离法，对煤矿开采的生态影响进 行了分析。程经权 2 0 0 6 提出西部地区煤矿开发项目的生态影响评价应关注重 大生态问题，如地面沉陷、地下水疏干等，将解决重大生态问题与恢复以及提高 生态功能紧密结合，以适应当地经济、社会发展的需求。黄烈生 2 0 0 7 将矿区 生态环境评价分为四大指标群矿区大气环境指标群、矿区水环境指标群、矿区 噪声环境指标群、矿区土地环境指标群，构建了煤炭矿区生态环境评价指标体系。 李志铎 2 0 0 9 根据大同雁儿崖煤矿生态环境的特点，选取林草覆盖率、水土流 失强度、干燥指数、采空区面积、景观破损度等1 6 个评价指标，利用模糊评估 模型对雁儿崖矿区的生态环境进行了评价。杜瑶 2 0 1 0 认为煤矿的生态环境影 响评价是一种极为复杂的综合性评价，对一个具体区域而言，各个评价因子的状 况对区域生态环境产生的影响是不一样的，在数据较充分的情况下，可根据影响 力大小，对评价因子排序，采用数学方法建立模型，最终进行定量化研究。 2 ．3 小结 综上所述，国内外学者对煤炭开采造成的生态影响已经进行了一系列的研究 和探索，取得了一些具有指导意义的成果。但由于生态系统的多样性与复杂性， 生态环境影响研究的理论体系不同于以污染物为主要特征的建设项目研究。目 前，生态保护的理论基础研究还不够深入，生态影响评价的理论和方法还没有统 一的认识，在实践和应用中遇到不少问题和困难 首先，环境影响评价技术导则中推荐的评价方法具有普遍的指导意义，但是 具体到某个地区时则显得针对性不强。由于煤炭资源分布地区的环境以及开采方 式不同，其对应的环境影响因子会有所不同，西部干旱半干旱地区水资源缺乏， 生态环境脆弱，如何有效地识别在这一地区进行煤炭资源开采的环境制约因子， 进行科学的评价，进而提出有效的减缓措施，是实现该地区资源与环境可持续发 展的关键。 8 第2 章国内外研究现状 第二，目前，生态影响评价中较多的采用定性描述的方法，定量评价较少或 只将部分评价指标进行量化，要想做到科学准确的评价，单单从定性的角度是远 远不够的。这就意味着，构建一套可量化的煤矿开采生态影响评价指标体系成为 急需解决的问题。 第三，煤矿开采尤其是地下开采具有特殊性，在以往的环境影响评价中“生 态环境影响分析与评价”章节一般只考虑地表生态因子的影响，“地表沉陷预测与 影响评价”章节对地表生态影响的分析比较少，而关于地下水位下降造成的生态 影响分析则更少，生态影响评价显得内容分散、零乱，缺乏整体性。 综上所述，建立一套能够综合考虑地面沉陷、地下水位下降等因素，对干旱 半干旱地区煤矿开采造成的生态影响进行定量评价的指标体系显得尤为必要。 9 第3 章煤矿开采的生态影响 3 ．1 土地占用 第3 章煤矿开采的生态影响 煤矿开采需要占用大量的土地。首先，煤矿工业场地、风井场地以及煤炭加 工、火力发电等相关配套设施的建设，需要占用部分土地。其次，随着煤矿的开 采，矿区人口增长迅速，大量的生活设施建设与之而来。再次，煤矿建设过程中 会产生建筑弃渣，开采过程中则会产生大量矿渣和煤矸石，这些固体废弃物的堆 放也会导致部分土地被占用。最后，由于煤炭资源的运输量巨大，对交通基础设 施的要求比较高，因此，矿区内大量的铁路、公路建设随之而来，从而造成大片 土地被占用。 以陕北风沙区为例，神东矿区在开发前几乎没有公路，随着煤炭资源的开采， 如今四通八达的交通网络体系已经建成，矿区内修建铁路6 0 0 k m ，专用公路 6 3 k i n ，国道9 8 k m ，省道2 7 5 k m ，一般公路8 0 6 k m ，。车站1 2 个，受影响的土地 面积达1 1 6 ．1 2 k i n 2 高国雄，2 0 0 5 。与之相邻的榆神矿区近8 年来建设用地面 积以每年1 1 ．8 8 ％的速度增长 钱者东，2 0 1 1 。 3 ．2 开采沉陷 煤炭开采前，地层中的岩体处于平衡稳妥的自然状态。煤矿开采相当于在岩 体内任意取一小块立方岩体，此时，岩块处于三向受力状态，改变了地层岩体内 原有的自然应力场，应力将重新分布以达到新的平衡状态 黄祥嘉，2 0 0 4 。在 开挖空间四壁产生减压区，开挖空间内部压应力消失，岩层聚集的弹性能被释放 出来，造成岩石被压碎并向开挖空间内突出。同时，开挖空间底部产生减压区， 压应力为拉应力所代替，从而引起周围岩石被破坏，造成开挖空间附近地层的移 动与变形。采动引起的移动与破坏稳定后，按岩层破坏程度的不同，岩体内可分 为三个不同的开采影响带，简称“三带”，即冒落带、断裂带、弯曲带 图3 ．1 。 l O 第3 章煤矿开采的生态影响 图3 ．1 煤层开采后上覆岩层“三带”分布 地下矿体开采后，地表按一定规律形成塌陷盆地 图3 ．2 。在塌陷盆地范 围内的不同位置将产生大小不同的沉陷变形。 图3 ．2 下沉盆地 随着采空区的逐渐扩大，采空区顶部岩体失去支撑，承受不住矿山压力，造 成覆盖岩层发生破裂或移动，当开采面积达到一定范围后，移动与破坏将扩展到 地表，以至地面形成了地裂缝，台阶状塌陷盆地，塌陷坑等不良地质现象 照片 3 ．1 、3 ．2 。 第3 章煤矿开采的生态影响 照片3 ．1 煤炭开采引发的地表沉陷 照片3 ．2 煤炭开采引发的地裂缝 地面塌陷的程度，主要跟矿产埋深、矿层厚度、矿层产状、覆岩性质、地质 构造以及开采方式和顶板管理方法等因素有关 雷崇利，2 0 0 7 。一般来说，矿 产埋深愈大，开采变形扩展到地表所需的时间愈长，地表变形值愈小，变形比较 平缓均匀，但地表的影响范围加大；矿层厚度愈大，开采空间愈大，会使地表变 形值增大；矿层倾角大时，水平移动值增大，地表出现地裂缝的可能性增大，塌 陷区中心向倾斜的方向偏移；岩层节理裂隙发育，会促使变形加快，增大变形范 围，断层会破坏地表移动的正常规律，使地表变形更加剧烈；厚度大、塑性大的 软弱岩层或土体，覆盖于较硬岩层上时，后者产生破坏，会被前者缓冲或掩盖， 使地表变形平缓。反之，上覆软弱层较薄，则地表变形会快，并出现裂缝。 采空区和塌陷对周围岩层影响较大，往往形成以采空区和塌陷区为中心的 放射状裂隙发育带，直接影响地表植被和农田，导致土壤耕作层厚度变小，降低 了土壤的可耕作性，对农作物和树木生长构成了威胁。地表塌陷改变了土壤质地 结构，加大了土壤的导水率，使土壤水分和养分大量流失，降低了土壤肥力 杜 瑶，2 0 10 。地表塌陷对植被生长影响很大，使得树木倾倒，草被植物根系裸露， 水分吸收难，导致干枯、死亡，进一步导致土壤肥力下降，生产能力降低，植被 覆盖率减小，水土流失量增加。 以陕西省榆林市为例，到2 0 0 6 年4 月，榆林地区己形成的地下采空区面积 2 0 0 k m 2 左右，除国有大矿采用全陷开采方法已产生5 0 k m 2 左右的地表塌陷范围 外，其余采空区均处于悬空状态。其中神木县开采产生的地表塌陷面积约4 3 k m 2 ， 造成1 8 9 6 户6 5 8 7 人受灾