鄂尔多斯能源基地地质环境保护与治理适用技术研究
需要针对不同类型的矿区和矿区存在的主要地质环境问题，结合当地的气候、地貌和经济条件，选择适宜的煤炭开发地质环境保护与治理技术。例如，在广泛收集资料和调查的基础上，我们发现大柳塔矿区的主要地质环境问题有:一是地面沉降和地裂缝；二是煤矸石山的堆积和自燃；第三是水资源的破坏。铜川矿区不仅存在地面沉降、地裂缝、煤矸石山、水污染等问题，还面临煤炭资源枯竭型城市的转型。以铜川矿区大柳塔矿区地面沉降和地裂缝、煤矸石堆积、水资源破坏和煤炭枯竭型城市改造为例，探讨了两个重点地区煤炭开发中地质环境保护和治理的适用技术。
(一)地面沉降和地裂缝治理的适用技术
1.矿区土地利用分布
大柳塔地区位于毛乌素沙地和黄土高原的交界地带，属于黄沙覆盖的黄土丘陵区和黄土丘陵区。大柳塔镇平均农业人口14.2人/km2，耕地(水浇地和川地)15亩/km2，山区18亩/km2，属地广人稀地区。70.5%的土地面积为草灌地、沙地和基岩区，综采形成的塌陷区完全是塌陷区，与原有的丘陵地貌难以区分。这些地区控制地面沉降的关键是回填大型地裂缝。
同时，也不能忽视塌陷对耕地的破坏作用，以及塌陷区耕地的管理和恢复。根据2005年7月31日SPOT5卫星遥感影像和野外调查(许，2006)，大柳塔矿区耕地面积占全矿区耕地面积的15.8%，其中旱地占6.6%，水浇地占9.2%。旱地分布在沙丘、梯田、低山丘陵和河谷平原之间的沙滩上，面积24.84km2，主要农作物有玉米、谷子、黍、薯类、向日葵等。灌溉土地主要分布在乌兰木伦河和水源河谷。如双沟、木河沟、活鸡面沟、郝家沟、哈拉沟。主要农作物有玉米、谷子、黍、薯类、黍、蔬菜、瓜类、药柴等植物，面积9.24km2，这些农业用地虽然在整个矿区中所占比例很小，但却是当地农民赖以生存的基础。因此，对耕地的破坏需要着重处理。
2.地面沉降和地裂缝处理适用技术。
根据大柳塔矿区的地形地貌和土地利用情况，在草灌地、沙地和基岩区可简单填充大裂缝，塌陷坑穴只要不影响采煤，不需要特殊处理，可自然稳定，与当地丘陵地貌自然融合。
对于农业用地，需要应用一些工程控制技术结合生物控制技术来恢复耕地的用途。鉴于大柳塔矿区煤矸石含有一定量的重金属和氟化物，不能用于塌陷坑穴的充填复垦。因此，大柳塔矿区塌陷耕地可以采用深挖浅垫的简易方法进行复垦，土地平整后适合恢复耕地。结合泥浆泵复垦技术或酸碱中和法、绿肥法等简单、廉价、有效的生物复垦技术，复垦土壤的容重、孔隙度、含水量和入渗量、有机质含量、养分含量适宜提高土地生产力。
(2)煤矸石山治理适用技术
1.矿区煤矸石的性质及存在的问题
神东矿区所有煤层均属于低变质煤，煤岩类型属于半亮、半暗、暗淡型煤。其成分为亮煤和暗煤，含少量镜质组和丝煤，总有机质达98%以上，可燃。煤中有害成分低，多为超低灰低灰、超低硫、超低磷、高热值煤。煤矸石和精选煤矸石由黑色煤矸石组成，主要含有煤层中的假顶和假底的岩石。开采煤矸石掺煤增加了煤矸石的可燃性。机械化程度越高，掺入的煤矸石越多。因此，即使在矸石中含硫量较低，矸石中混有可燃煤的情况下，在外部条件允许的情况下，矸石山自燃也是不可避免的。调查区域前，柳塔大柳塔煤矿矸石场存在矸石自燃现象。
煤矸石存放在堆场时，在大风天气容易产生风蚀粉尘，其扬尘条件主要取决于其粒径、表面含水率和风速。据气象统计，该地区年平均风速为1.7m/s，春季多风。一年中风速超过4.8m/s的频率约为5.53%，说明矸石山在一定条件下可以降尘。
此外，煤矸石含有一定量的重金属和氟化物，如果随意堆放，不采取措施进行复垦，会污染土壤环境。
2.煤矸石山综合治理适用技术。
预防是煤矸石山自燃的重中之重。鉴于大柳塔矿区选煤机械化程度高，防止煤矸石自燃最有效的措施是有效清除混入其中的煤屑或煤块。此外，针对矿区煤矸石重金属污染的可能性，采用分层堆积、覆土复垦和绿化的方法是有效的。根据火区、自燃严重程度、地理环境和施工条件的不同，选择合理有效的煤矸石山自燃治理方案。从国内外的工程实践来看，以注浆法为主，辅以地表封闭、压实和注入泡沫灭火剂的综合措施是目前治理矸石山自燃的成熟有效技术。
近年来，为了提高效益、降低成本、减少污染，大柳塔矿区在矿山设计和建设阶段就考虑并实施了矸石渣地下处理技术，将矸石全部消化处理到地下(Julia，2002)。
井下矸石和矿渣处理是用矿用铲车和无轨胶轮车将生产过程中产生的矸石和矿渣排至就近巷、矸石巷、施工巷等废弃巷，并辅以其他安全辅助措施。
(1)用胶带处理巷道延深、巷道口、巷道头硐室施工阶段的矸石。
根据排矸量，在附近预留的永久煤柱中开挖井下排矸硐室，尽量充分利用矿井原有废弃巷道。
(2)处理煤层变薄过程中的矸石或其他构造。
根据设计，两相邻平巷之间每隔50m应开设一条15m的巷道。除生产过程中必须预留的巷道外，其他巷道均可作为排矸巷道。如果预留的巷道仍不足以排矸，根据需要，在附近的巷道煤柱内挖一条与巷道断面相同、深度约为8m的巷道。对于一些废弃的施工车道，也作为排矸车道。排矸时，在矸石较少的情况下，由矿用铲车直接铲到排矸巷；当矸石较多时，用无轨胶轮车将矸石倾倒至排矸巷，再用矿用铲车进行堆放，最大限度利用排矸巷。
为防止矸石自燃，所有排矸巷均修建挡土墙。用碎煤填筑的矸石巷，矸石表面应覆盖严密的黄土；为防止矸石二次污染，应设置隔水层；车道入口被永久密封，以防止自燃。
采用煤矸石炉渣地下处理技术，降低吨煤成本，不占用土地，杜绝煤矸石中有毒有害物质在风化淋滤下对环境和水体的污染；杜绝煤矸石自燃，降低空气中硫化物等有毒有害物质的含量，取得良好的经济和生态环境效益。
(3)矿区水资源综合利用适用技术
1.矿区水文地质条件与水资源破坏
矿区位于毛乌素沙地和陕北黄土高原的交界地带，地势西北高，东南低。西部和北部为沙丘、沙丘和沙滩，东部和东南部为黄土丘陵区。矿区地下水类型可分为三类:松散岩类孔隙含水岩组、烧变岩类裂隙含水岩组和侏罗系碎屑岩类孔隙含水岩组。受煤炭开发影响的含水岩层主要有:第四系上更新统萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层。
由于煤炭资源的开发，对该地区水资源的破坏是全方位的:地下采煤引起的地表塌陷和地裂缝改变了包气带的岩土结构，矿井排水改变了地下水的补给、直径和排泄条件，导致含水层排水、地下水位下降、地表水体干涸、水质恶化等一系列问题，从而影响矿区可利用水资源的总量和质量。风积沙含水层在矿区受影响最大，部分区域含水层已被抽干，原有含水层已成为深层包气带。在目前条件下，该区地下水的影响范围受天然含水层规模控制，从几百米到几公里不等。乌兰木伦河西侧，由于风积沙和黄土含水层规模较小，影响范围较小；乌兰木伦河东侧，尤其是敖包十里一带，含水层较大，开采对地下水的影响较大(许，2006)。
2.矿区水资源综合利用适用技术
在神东煤炭公司的有效管理下，大柳塔矿区基本实现了矿井水的资源化利用。具体措施是采用先进技术处理生活污水，同时结合矿井水、采空区及其充填物的特点，重点开发矿井水采空区过滤净化技术，并在大柳塔井田成功实施，取得了客观的经济、环境和生态效益。
大柳塔矿区虽然成功实现了矿井水的综合利用，但由于矿区地处西北干旱荒漠区，降水少，蒸发多，水资源自然短缺，再加上煤炭开发造成的水资源破坏问题，水资源的流失已成为日益严重的赤字，需要考虑其他途径对矿区水资源进行综合有效利用。
鉴于这种情况，国内外学者将目标转向了土壤水分利用的研究。但这些研究都处于基础理论研究阶段，包括:塌陷对土壤水分影响的研究，塌陷区土壤水分迁移机理的研究，采矿引起的土壤水污染的研究。目前还没有关于提高塌陷区土壤水分利用率的研究。2005-2007年，国家自然科学基金面上项目“开采沉陷下包气带水分迁移机理研究”(项目编号:40472124)，开展了神府东胜采煤沉陷区包气带水分迁移与生态环境研究，取得了一些初步成果，为煤矿区土壤水资源的保护和综合利用提供了理论依据和技术支持。在此基础上，进一步探讨采煤沉陷区土壤水的综合利用，提出适合大柳塔矿区土壤水综合利用的保护和治理方案，为节约矿区生态用水做出一定贡献。
(D)适用于煤炭枯竭城市改造的技术
1.矿业城市发展现状
铜川矿务局是在老铜官煤矿65438至0955基础上发展起来的大型煤炭企业。在册职工30041人，退休人员32691人，职工家属约216千人。由于生产矿井大多建于50年代末60年代初投产，矿井的煤炭储量、井田范围、生产能力和服务年限都受到当时地质条件和开采条件的限制。自20世纪80年代以来，已有9对矿井报废、关闭，减少设计能力396万吨。目前全球8对矿井的核定产能为965万t/a，无关联矿井。东部地区部分矿山资源枯竭，负担重，生产成本高，正在申请国家资源枯竭矿山关闭破产项目。生产发展问题日益突出，企业的生存和发展面临严峻挑战。
2.资源枯竭型矿业城市转型适宜技术
参考国内外资源枯竭型城市转型的经验，我们认为以下几点对于铜川矿业城市的成功转型非常重要。
(1)以大力发展替代产业为核心推动其经济转型。
具体来说:充分挖掘现有煤炭资源的利用潜力；加强伴生资源和废弃物的综合利用和再利用，减少资源浪费；积极申请延续矿井，延长煤炭资源开采期限，延长开采时间；根据自身的功能定位、特点和市场需求，尽快发展替代产业(如旅游业)，最终形成多元化的产业结构。
(2)推进以促进就业和完善社会保障为重点的社会转型。
具体措施包括:培训下岗职工的技能；支持中小企业发展；鼓励自营职业；建立和完善社会保障机制。
(3)以改变环境为目标，促进矿业城市的环境改造。
具体措施包括:因地制宜地将废弃矿山、露天矿改造成矿山公园，以改善矿业城市的人居环境，促进矿业城市旅游业的发展。
二是石油开发中的地质环境保护与治理技术研究
鄂尔多斯油田开发区内存在大量的石油污染物，主要以含油污水、原油、含废气泥浆等形式存在。这意味着如果不及时采取措施，石油污染将成为该地区的主要污染方式，污染程度将进一步加深，生态环境将进一步恶化。根据以往的研究成果和本次研究的结论，含油污水、原油和含废气泥浆对当地地下水的直接污染不存在，对地表水的污染相对较小，但对土壤的污染非常严重。土壤生态环境的保护和管理对人们的生存和生活意义重大，应受到普遍重视。根据黄土地区的土壤性质和污染情况，结合该地区的地质、气候和城市规划等综合因素，可以考虑生物修复技术。通过分析、调查和测试，发现黄土土壤中存在大量的微生物菌群，为利用微生物修复油污土壤提供了先天条件。
因此，基于这一事实，通过原油落地造成土壤污染的突破和示范，开展该地区土壤的微生物原位修复实验，探索黄土地区生态修复的可行方法。
(A)黄土地区石油污染土壤补救中应考虑的因素
在陕北和陇东地区，土壤的石油污染更为严重，而且由于石油工业的发展和石油使用量的增加，土壤的石油污染将越来越普遍和严重。鉴于以上分析，黄土地区土壤石油污染修复应考虑以下因素:①污染场地的气候特征、地质结构和土壤类型；(2)根据污染物种类、数量和性质的不同，采用适宜的修复技术；(3)修复的效果、时间、难度和费用；④选择的方法应适合当地经济发展和城市规划；⑤尽量采用成本低、无污染、效率高、可操作性强的技术；⑥因地制宜开发新技术。
(二)修复方法的选择
对于黄土地区，土壤容易吸附石油类污染物。一方面，从石油污染物的性质来看，石油是一种大分子疏水粘稠物质，因此石油分子容易到达土壤表面，容易附着在土壤颗粒表面，而附着在土壤颗粒表面的石油污染物更容易附着更多的石油污染物；同时，油比水轻，水中的油主要是溶解相和乳化油，分散性好，容易被土壤颗粒胶体捕获和吸附。而且石油在水中的溶解度低，根据吸附的经验规律，溶解度越低，吸附量越大；最后，水中的油在水的湍流状态下以微小颗粒的形式存在，其吸附机理不仅是油分子在分子间力和电荷力的作用下与颗粒的吸附，还有整个油颗粒对颗粒的粘附，使油在较短的时间内以较高的速度达到吸附平衡，这也是油吸附的特点；另一方面，从黄土的性质来看，多孔介质的吸附速度主要取决于颗粒的外部扩散速度和空隙扩散速度。颗粒外的扩散速率与溶解浓度、吸附剂的表面积和吸附剂的粒径成正比，而空隙的扩散速率通常与吸附剂粒径的高次幂成反比。而黄土主要由粉粒(0.05~0.005mm)组成，粒径较小，外部面积较大，颗粒内扩散距离较小，导致其吸附速度较快。正是由于黄土地区的这些特点，需要一种高效、经济、生态负担得起的清洁技术来修复黄土地区的石油污染土壤。自然衰减是在生物降解基础上发展起来的一种新型清洁技术，是传统生物处理方法的发展。与污染土壤的物理和化学修复相比，微生物修复可以通过优化环境因子来加快自然生物降解的速度，无疑是一种高效、经济、生态负担得起的清洁技术，也是控制石油污染最有生命力的方法。
综上所述，目前利用微生物技术修复黄土地区石油污染土壤更为合适。