第28卷第2期渤海大学学报(自然科学版)Vol.28No.2 2007年6月Journal o f Bohai U niversity(Natural Science Edition)J un.2007
废弃矿山的安全与环境灾害问题及其
系统科学研究方法
王来贵，潘一山，赵 娜
(辽宁工程技术大学力学与工程科学系，辽宁阜新123000)
摘 要：资源开采完毕后，形成了大量的废弃矿山，在多种、多相复杂因素作用下，已经导致地面、水系和大气环境灾害。废弃矿山的地面、水系和大气环境灾害渐变积累，就可演化并诱
发突变性的安全灾害问题。建议利用非线性系统科学研究方法，研究废弃矿山系统的非线性结
构、环境及其演化过程和控制变量，来探讨废弃矿山安全和环境灾害的孕育、潜伏、爆发、持续、衰减、终止等过程及评估、评价、监测、预测、预报、治理等。
关键词：废弃矿山；安全；环境灾害；系统科学
中图分类号:X45 文献标识码:A 文章编号:1673-0569(2007)02-0097-05
0 引 言
我国目前有矿业城市(镇)426座，有51座资源枯竭。近期全国约有近千座矿山已经或将要关闭。这些煤矿为国家贡献了大量的矿产资源，获得了人类生活和社会经济发展所需的矿业产品。然而，经过了几十年、上百年过度、掠夺式与环境不协调的开采，造成矿业城市地面环境、水资源环境及大气环境的恶化，许多矿区满目疮痍，令人触目惊心，已经严重影响了矿区人民的生活水平和质量。据专家预测，在未来的二十年内，我国各类矿山又有近百座矿区城市(镇)资源枯竭。由于长时间大面积开采，致使在漫长的地质年代中形成的原始地层结构，水、气循环系统与生态环境系统遭到严重破坏和调整。地层结构变化主要体现在:(1)采矿引起地层大面积多层悬空，地下废旧巷道、采场等立体交错。如阜新、鹤壁、焦作、开滦等矿区悬空区分别为73.69、33.83、34.34、85平方公里。(2)、采矿累计已损毁土地达40万公顷，引起地面沉降、塌陷、地裂缝，毁坏山林、草场、耕地、文物等达数千处；倒塌、损坏房屋达5000万平方米；造成公路、铁路、隧道基础沉陷。如阜新、阳泉、开滦、鸡西、七台河等矿区沉陷区面积均超过100平方公里，最大塌陷量均超过8米，抚顺矿区最大塌陷量超过40米，并且很多矿区发生突然塌陷。(3)、采矿塌陷及断裂、裂隙发育，沟通了地表径流、地下蓄水构造与矿坑、上含水层与矿坑之间的水力联系，使地表、地下径流渗透汇集到废旧采空区，形成地下暗湖。采矿过程残留大量的煤柱、岩柱、顶底板等对上覆岩层起到支承的作用，这些煤、岩柱、顶底板岩石为
沉积岩，含有泥质成分，在积水的长期浸泡下强度降低，导致地表沉陷灾害加剧，甚至会诱发塌落地震。例如大同市每年人均水资源为540m3，由于采矿诱发水资源流失，市区仅为220m3/(人年)，不足全国人均水资源2300m3/(人年)的1/10，不足世界人均水资源
收稿日期:2007-01-05.
喀什景点基金项目：国家自然科学基金重点项目(No:50434020)，面上项目(No:50374042)；辽宁省科学技术基金(No:20022155)和辽宁省教育厅重大基础研究(No:202182055).
作者简介：王来贵(1962-)，男，博士，教授，博士生导师。从事岩石力学系统稳定性理论、环境岩石力学及岩石动力学方向研究.
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量的1/40。山西省因采矿导致1678个村庄、80多万人、11万头牲畜饮水困难，近20年因采矿造成经济损失达386亿元。(4)、另一方面，在有些矿区如两淮、唐山等地，采矿破坏了地表地下水系，形成了大面积低洼区，陆地被水淹没，甚至形成了沼泽地，通过径流，会破坏周围的土地、水域，其影响面将远远超过沉陷区的地域和空间。全国采矿已形成区域降落漏斗150个，漏斗总面积达8.7万km2(5)、在采矿诱发大气环境灾害方面，例如北票矿区开采造成覆岩与井下老采区形成了通路，废气溢出到地
面，不仅可燃，而且熏死10余人等；同样，阜新矿区造成大面积果树死亡；开挖水井时熏死、中毒13人；平顶山、阜新等矿区的矸石山或露天采区残煤自燃，在与水的混合作用下发生爆炸。
由于继续开采，据预测每年引起新的环境灾害造成:(1)采煤每年损毁土地600km2，矿区地面生存环境继续恶化!(2)每年煤矿排放废水达26亿T，矿区战略水资源继续短缺，生存命脉告急!(3)每年因采煤排放瓦斯90～100亿立方，大气环境进一步恶化!就煤矿沉陷区综合治理，黑龙江四矿区已经花费40多亿元、吉林六矿区已经花费32.5亿元、大同矿区已经花费31亿元、淮南矿区已经花费12亿元，阜新矿区已经花费11.8亿元等等，矿区环境治理费用居高不下!
开采的累积使煤矿生态环境已经受到极大损害，特别是废弃矿山矿区尤为突出，环境更加脆弱。据预测，在未来的二十年内，我国各类矿山又有近三分之一的矿区城市资源枯竭，各种废弃矿山的数量在不断增加。环境损害是不可逆的，大大地超过了环境的承载力和自然恢复能力，难以治愈，并且还在继续发展，已成为制约矿区城市国民经济和区域经济可持续发展的重要因素，同时又是环境恶化的根源并导致社会不稳定。而复杂环境作用下大面积废弃矿山安全与环境灾害演化过程复杂，机理不清，灾害严重，影响深远，涉及多学科交叉与融合，其演化规律是国内外尚未解决的重大科学技术难题。这些科学难题的解决，属于前瞻性基础理论研究，对相关学科发展具有重要科学意义。
洁面啫喱装修价格预算120平方1 废弃矿山安全与环境灾害问题的特征
1.1 重视程度不足、治理资金筹措困难
矿山废弃后，矿主、当地政府、国家在灾害治理、环境修复、安全评价、投资利用等方面的职责已经有章可寻，但在执行的的过程中尚存在法律、制度、资金、效益等方面的矛盾，致使废弃矿山的环境、安全、灾害等问题尚无引起足够的重视和投入。
1.2 开采资源的种类全、数量多、面积大
从资源种类上来看，除了煤矿外，还有金属矿山、化工矿山、建材开发、隧道开挖、油汽开发等各类资源的矿山。从开采方式上来看，地下开采、露天开采及混合开采方式。一般的矿区城市少则几十个矿山企业，多则达数千甚至更多。在矿业城市，废弃矿山的面积(包括采场及其影响范围、选矿场、废渣排弃场等)少则为几十平方公里，多则达几百平方公里。
1.3 安全与环境灾害问题隐患种类多、影响范围广，地采露采相互影响
包括了地表、地下、水环境及大气环境等各种类型。灾害的影响面远远超过矿区存在的时间和空间范围，同时与资源的地质赋存条件、矿种、生产过程及管理过程有密切的关系。露天开采的矿区，在深部资源开采时采用地采的方式，地采、露采相互影响。
1.4 废弃时间长，具有潜伏性，为积累性的二次或数次灾害
很多矿山的开采可追溯到上千年甚至更长的时间，但最主要是建国以后的大规模开采。废弃时间为近几年、几十年。长期采动和废弃，本质上是一种地层结构的弱化，而弱化结构本身随着时间的推移可能导致进一步的弱化，抵抗外界的干扰能力会随着时间的推移加强。因此这种潜伏的安全和环境灾害，是随时间的积累而形成二次或数次灾害。
1.5 废弃区域时空位置不清，矿区与城区相互交错
由于矿山废弃的时间长短不一、面积大小各异，没有或遗留的资料不全，并且矿区与城区相互交错，废弃区域的空间位置很难确定。这为废弃矿山的安全和环境灾害问题的研究增加了很大的困难，使得评估、评价、监测、预测、预报、治理等工作更加复杂。
1.6 影响因素复杂
主要包括:(1)、地震作用。我国70%的地区属于地震设防区，在全国六百多个城市中，有四分之一位于地震烈度为七度乃至七度以上的地震设防区，如北京(京西)、唐山、邢台、大同、海城等矿区大城市都位于八度高烈度地震区。近十多年，我国天然地震处于一个明显的活跃期。况且采矿本身诱发地震(煤爆、岩爆、塌陷)。(2)、岩层结构在上覆岩层受重力和采掘引起附加应力长期叠加作用，形成大面积高应力集中区，随着时间的推移，采空区上覆岩层还会进一步变形、裂缝、塌陷。(3)、地表水如降雨(雪)、地下水作用，弱化岩体强度。(4)、残煤自燃进一步导致岩层结构破坏，导致地应力场进一步
重构等。(5)、其它如核爆炸、工程爆破等动力作用。2.7渐发与突发并存，环境灾害问题的演化导致安全问题的突发长时间开采累积，一方面使原始地层大面积结构、水、气循环系统与生态环境系统遭到严重破坏，弱化了系统结构，另一方面降雨(雪)、地震、地应力场重构、地表及地下岩层原生及次生结构破坏、水系调整等多种、多相复杂环境耦合作用，废弃矿山大面积采动地层演化仍在进行，导致二次或多次灾害。其演化规律和趋势如何，是否可诱发连锁反应，能否发生突变而形成灾难性后果，这些问题必须仔细研究。
1.7 新的问题不断出现
我国仅煤炭年开采已超过19亿吨，据预测，到2020年每年需煤26亿吨。各种采矿会形成新的废弃矿山，并导致新的安全和环境灾害问题。如矿区地震、矿区辐射、矿区水土流失、矿区沙尘暴、矿区酸雨、矿区沙漠化等。
2 废弃矿山安全与环境灾害面临的科学问题
废弃矿山安全与环境灾害的发生，与资源的地质赋存条件、矿种、生产过程及管理过程有密切的关系。采动过程实质上是对地层结构的人为调整和弱化，因而形成不同的采动地层结构。矿山废弃后，长时间大面积开采形成了大面积弱化地层结构，在外界复杂外界环境作用下，地面环境、水环境、大气环境及其相互耦合灾害的演化过程显示出更明显的复杂性，因此对应地面环境、水环境、大气环境
及其相互耦合灾害的科学问题。
(1)多种、多相复杂因素作用下废弃矿山大面积采动地层结构演变和灾变与环境互馈机理、控制基础理论。
(2)废弃矿山大面积采动地层结构水系调整、动态演化规律及水质复合污染形成机制与控制的新理论与方法。
(3)废弃矿山有害气体的生成、运移扩散规律及控制的新理论与可燃气体的致灾机制。
(4)废弃矿山地面环境、水环境、大气环境及其相互耦合灾害演化过程。
3 废弃矿山安全与环境问题的研究方法
根据废弃矿山地面环境、水环境、大气环境及其相互耦合灾害演化过程的安全和灾害问题，须了解安全与灾害发生的来龙去脉和前因后果，统筹考虑安全和灾害的孕育、潜伏、爆发、持续、衰减、终止等演化过程和控制因素。废弃矿山的安全与灾害是地层结构，水、气循环系统，生态系统与降雨(雪)、地震、地应力场调整等多种、多相复杂环境，物理、化学、力学甚至生物等过程相互耦合作用而导致的灾害。应对废弃矿山安全与灾害演化的复杂巨系统模型，多相、多场耦合作用下大面积采动地层结构演变与灾变机理，地表及地下水系破坏动态演化机理和地下水的污染、扩散与迁移规律以及
废弃矿山有害气体生成、迁移、致灾机理及控制等几方面科学技术难题进行研究；该科学难题具有非线性、随机性、复杂性等特点，须深入开展以现代科学交叉、融合为特征，以现代高新技术为标志的资源枯竭城市衍生灾害机理与控制的基础理论研究，为科学有效地防灾减灾、保护环境提供理论基础。
3.1 废弃矿山的结构演化过程研究
废弃矿山的结构，是导致安全和环境灾害的基础，是安全和环境灾害发生的内因。开矿前的岩层结构，尽管煤系地层中含有大量断层、褶曲等构造形迹，并且大部分为沉积岩，经过了漫长地质年代的演99
第1期王来贵，潘一山，赵 娜：废弃矿山的安全与环境灾害问题及其系统科学研究方法
简单科学小制作化，由于岩层系统结构本身及其整体性没有受到破坏，处于稳定的平衡状态。开挖(包括矸石的堆积)是人为调整岩层系统结构的过程，是一个典型的动态结构非线性问题。当开采的规模较小时，系统结构的变化并不会影响原来岩层结构的性质，可忽略结构变化。当开挖(包括矸石堆积)规模达到一定程度时，系统岩层结构已不是原来的结构，抵御外界干扰的能力将会降低，遇到扰动就可能发生破坏，此时系统岩体结构的变化不能忽略。当大面积开采和矸石堆积时，岩层结构人为地弱化，抵御外界干扰的能力随结构的弱化程度而降低
3.2 外界环境作用
对废弃矿山组成的系统来说，外界环境作用是不可避免的，它是安全和环境灾害发生的外因，废弃矿山组成的系统是一个开放的系统，与外界环境有物质、能量和信息的交换与传递，外界干扰时时刻刻都在发生。外界环境的作用主要有:(1)天体如银河系及太阳系对地球的万有引力引起固体潮;(2)太阳给地球输送的能量;(3)地球的自重及自转;(4)降雨、降雪;(5)刮风;(6)地震、火山爆发;(7)人为活动如开挖、回填、堆积、行车、放炮、核爆炸、抽水、排水、植树等;(8)其它生物、植物作用。
3.3 安全与环境灾害系统演化过程
安全与环境灾害的发生是一个系统结构与外界环境相互作用的非线性演化过程，开挖、堆积等导致边界、结构、参数、破坏等不断演化，整个过程如果造成人员、财产、环境、生态等方面的损害，即灾害演化过程。在外界复杂环境的作用下，安全与环境灾害不断演化，其演化过程主要包括研究以下内容:(1)边界演化过程;(2)岩层系统结构演化过程;(3)岩层参数演化过程;(4)岩层结构破坏过程;(5)安全与环境灾害演化过程。
安全与环境灾害在演化过程中，一般有一个或一组连续、缓慢变化的变量，主宰着系统的演化过程，决定着系统的演化方向和结果，这一个或一组变量就为控制变量。控制变量一般包含系统的内因即结构因素和外因即外界环境因素。
3.4 安全与环境灾害问题的控制
在研究安全与环境灾害系统的结构和主导结构的基础上，分析由开挖、堆积以及外部作用形成的弱场效应；然后考虑废弃矿山的安全与环境灾害系统的外界环境作用，并寻灾害系统的控制变量，采用人为调整、调节系统的控制变量的方法，使系统储存的能量尽量少，减少灾害发生的过程中释放的能量，减小灾害发生规模、减少灾害发生频度，达到减灾、防灾的目的，思路见图
1图1 废弃矿山防灾减灾的研究思路
雨爱 歌词100渤海大学学报(自然科学版)第28卷
4 结 论
1)废弃矿山存在大量的地面、水系和大气安全和环境灾害问题，这些问题是多种、多相复杂因素作用下形成并进行演化的。
2)废弃矿山的地面、水系和大气环境灾害渐变积累，可能演化并诱发突变性的安全灾害问题。
3)采用研究废弃矿山系统的非线性结构、环境及其演化过程和控制变量的系统科学方法，来探讨废弃矿山安全和环境灾害的孕育、潜伏、爆发、持续、衰减、终止等过程及评估、评价、监测、预测、预报、治理等整体工作。
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Safety and environment hazard problem and research method of
system science of discarded mine
WA NG L ai -g ui ,PA N Yi -shan ,ZHA O N a
(Department of M ech an ics Engin eering Science,Liaonin g T echnical U nivers ity ,Fuxin 123000,China)
Abstract :After the r esources m ining is finished ,it forms massively the discar ded mine .Under many kinds of co mplex factor function,it has alr eady caused the ground,the w ater sy stem and the atmosphere environment disasters.T he ground,the w ater system and the atm osphere environment disaster s of the discar ded mine accumulate g radually and may evolv e and induce the mutability security disaster question.T his paper aims at using the nonlinear sy stem science r esearch m ethod
to research the non-linear structure,the environment and its the evo lutionary process and the contr ol variable of the discarded mine system ,to discuss the security and enviro nm ent disaster process o f inoculating ,the latent ,the eruption ,persistence ,ending etc .and the appraisal ,the evaluation ,the monitoring ,the fo recast and so on of the discarded mine.
Key words :discarded m ine;safety;enviro nm ent hazard;system science 101 第1期王来贵，潘一山，赵 娜：废弃矿山的安全与环境灾害问题及其系统科学研究方法
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