黄河几字弯区煤炭基地地质灾害与生态环境典型特征

申艳军，杨博涵，王双明，寇海波，陈 兴，徐雅丽，韩森磊

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院，陕西 西安 710054；3.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054)

2019 年9 月18 日，***总书记在河南郑州举行的黄河流域生态保护和高质量发展座谈会发表重要讲话，将“黄河流域生态保护和高质量发展”上升为国家重大战略；2021 年10 月8 日，中共中央、国务院联合印发了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，成为指导当前和今后时期黄河流域生态保护和高质量发展的纲领性文件[1]。黄河流域是我国重要的生态屏障，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道[2]。同时，黄河流域又被称为“能源流域”，是我国煤炭开发规模最大的地区，煤炭年产量约占全国总产量的70%。目前，我国14 座大型煤炭生产基地有9 座分布在黄河流域。但黄河流域煤炭基地与黄河中游生态脆弱区地理位置高度重叠，煤炭开发易对地表地质环境、地表水和地下水产生严重影响，并诱发一系列地质灾害与生态环境问题，成为黄河流域中游煤炭基地生态保护与高质量发展的显著制约因素。

黄河几字弯区域地处黄河流域中游，涵盖晋、陕、蒙、宁、甘5 省(区)21 市(县)[3]。该区域煤炭资源丰富，区内拥有神东、宁东、陕北、黄陇、晋北、晋中等6 座国家级大型煤炭基地，约占全国煤炭产量的40%，煤炭资源经济可采量及产量均居全国首位。同时，该区内煤种齐全，煤质好，地质赋存条件好，拥有一批具有国际先进水平的千万吨级、大型和特大型现代化煤矿群，是我国煤炭资源最具经济价值和开发潜力的地区，也是我国未来30～50 a 煤炭资源重点开发区域[4]，在我国能源安全供给保障领域具有举足轻重地位。

然而，黄河几字弯地处西部干旱-半干旱地区，水资源匮乏，蒸发量大，蒸发量/降水量比值可达4～8，其中，“能源金三角”(宁东、榆林和鄂尔多斯)地区煤炭储量占全国 27%，但水资源仅占0.37%[5]。黄河几字弯区域主要发育有风积沙区、黄土区2 种地貌，此2 类地貌普遍存在生态环境脆弱、抗扰动能力差等特点，易在煤炭开采中诱发土地塌陷、滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害；同时引发区域水位下降、水土流失、加速土地沙化、生态系统退化等生态问题[4]。目前，相关研究多针对具体矿区地质灾害与生态环境开展分析与对策研究，如：彭苏萍等[6]针对黄河流域矿区所处的战略地位，剖析了该流域面临的主要生态环境问题；兰恒星等[7]梳理了黄河流域地质地表过程与重大灾害效应的研究现状，并探讨了针对性研究趋势和面临挑战。但整体而言，立足于黄河几字弯区域地质环境特征，系统探究区域内煤炭基地所面临的普遍性地质灾害与生态环境等问题尚有待强化。

据此，笔者针对黄河几字弯煤炭基地的资源规模化开发与生态地质环境脆弱的突出矛盾现状，开展黄河几字弯煤炭基地地质环境特征归纳总结，明确各煤炭基地分布特征及地质环境背景；系统分析区域内面临的地质灾害与生态环境典型特点及关键问题，并基于不同区划条件下的地质灾害与生态环境典型特征，开展了差异性防治对策探究，以期对推动黄河几字弯区煤炭基地的可持续开发，实现黄河流域生态保护和高质量发展提供基础借鉴作用。

1 黄河几字弯区煤炭基地分布及地质环境背景

黄河几字弯区分布着6 座国家规划或正在建设的大型煤炭基地，沿黄河自西向东流向分别为：宁东、神东、晋北、陕北、晋中与黄陇煤炭基地，并贯穿黄河几字弯整个区域。依据前期各基地的区域地质资料，其大体分布范围如图1 所示。

图1 黄河几字弯区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

基于该区域的整体地貌特征分类，6 座大型煤炭基地主要涉及黄土区、风积沙区2 种地貌类型[8](图1)。其中，黄土区约占该区域总面积85%，而风积沙区约占9.3%[6]。笔者基于前人相关研究报道，以两大地貌类型单元为基本划分思路，系统梳理了各煤炭基地所处范围内的典型气象水文、地形地貌、土壤植被类型、含煤地层及煤层赋存地质特征等，统计结果见表1。现对各分区的含煤地层及赋存地质环境特征详述如下。

表1 黄河几字弯区大型煤炭基地禀赋的典型地质环境状况Table 1 Typical geological environmental characteristics endowed with large coal bases in the bends area of the Yellow River

1.1 风积沙区

神东、宁东两大煤炭基地及陕北煤炭基地西北部主要位于风积沙区。属于温带干旱荒漠大陆性气候，地表被厚风积沙层覆盖，气候干燥、植被稀疏、生态脆弱；土壤类型主要为风沙土、棕灰漠土和淡灰钙土等，有机质含量低，相对贫瘠，植被以草原和沙生植被为主[10]。区内蒸发量远高于降水量，年均降水量不足250 mm，蒸发量则高达1 400 mm[11]；地表径流较少，乌兰木伦河、悖牛川、窟野河等水系流经矿区，但整体水资源匮乏。雨季大气降水汇入洼地中，通过风积沙渗入地下，补给松散潜水含水层；依据含水介质类型，区内地下水含水系统可划分为：新生界松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙-裂隙水和烧变岩孔隙-裂隙水3 类[6,12]。

该区域的主要含煤地层为中下侏罗统延安组，开采煤层埋深呈现从东北向西南逐渐增加趋势，含煤地层的大体地质发育特征为：赋存地质环境稳定-较稳定，煤层厚而稳定，地质构造简单，构造格局为单斜构造，煤层倾角1°～10°，岩石裂隙不发育，区内无火成岩活动等；水文地质条件简单，研究区延安组基岩除少数地区风化严重、裂隙较发育外，多数地区较为完整，且无明显导水构造，潜水含水层易形成相对独立而稳定的水文地质单元，含水层富水性相对较弱；煤层顶底板条件好，覆岩近水平，硬厚砂岩可控制顶板稳定，砂/泥岩互层作为隔水岩组可有效阻隔潜水含水层水下渗。

1.2 黄土区

黄陇、晋北、晋中煤炭基地及陕北煤炭基地东南部位于黄土区。属温带半干旱大陆性季风气候，年均降水量400～700 mm[8]，具有光照足，温差大，降雨少、气温低、风沙大、霜期长等特点。而该区域地形地貌复杂，多以山地丘陵为主，广泛发育有梁、峁、塬台地。土壤类型以黄绵土、栗钙土、灰钙土、褐土及潮土为主，适宜落叶阔叶林、针叶林、乔木、灌木等多种类型植物生长。地表径流包括秃尾河、桑干河、滹沱河、泾河、洛河、汾河、沁河和昕水河等水系，但整体水资源相对匮乏。地下含水介质主要由第四系松散层孔隙含水层、侏罗系碎屑岩裂隙含水层、奥陶系碳酸盐岩含水层等组成[13-14]。

该区域的主要含煤地层有：石炭-二叠系太原组、二叠系山西组、侏罗系大同组及侏罗系延安组等，含煤地层地质环境特征与风积沙区相似，煤层埋深总体较浅，一般在100～500 m，埋深多为1 000 m 以浅区域，瓦斯含量偏低，且基本无地温热害，断层少，岩层倾角缓，地质环境稳定-较稳定、水文地质条件简单-中等，局部受底板奥陶系灰岩含水层(简称奥灰水)影响变为复杂。煤尘多具有爆炸性，煤层易自燃，并在韩城、铜川及沁水盆地矿区多存在高瓦斯矿井。

2 黄河几字弯区煤炭基地地质灾害类型及典型特征

黄河几字弯区煤炭基地地质环境脆弱，因区域内大规模采煤活动，导致地质灾害问题严重，典型灾害类型包括：(1) 由采煤活动形成地下采空区而引起的地面塌陷与地裂缝等灾害；(2) 因区域浅表部发育的松散堆积层地质特征而产生的滑坡、崩塌、泥石流等表生灾害，而此类地质灾害同样与采矿及人类工程活动存在密切关联。

但考虑各煤炭基地所处的地质环境存在的局部差异，面临的地质灾害类型及问题仍具有一定不同。基于中国地质调查局前期完成的《黄河中上游矿山环境地质图》[15]相关资料，笔者团队进一步梳理了黄河几字弯区主要煤炭基地区域发育的地质灾害类型、分布状况及严重程度等级，如图2 所示。

图2 黄河几字弯区煤炭基地内发育的典型地质灾害类型及严重程度分区(据文献[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])

从图2 可看出，黄河几字弯区发育的常见地质灾害与主要煤炭基地存在地理区位的较大重叠，反映出采煤活动对地质灾害孕育、发生具有强关联关系；其中，因煤炭地下开采导致的地面塌陷、地裂缝问题最为严重，而崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害影响次之，并存在一定的区位特征。不同煤炭基地发育的主要地质灾害类型存在差异；其中，宁东、神东、陕北等基地地质灾害主要为地面塌陷、地裂缝；而晋北、晋中、黄陇等基地则受季节性强降雨或采煤活动影响，易发育黄土崩塌、滑坡、泥石流等灾害。依据《地质灾害防治条例》中关于地质灾害危险性等级评估方法[16]，区内地质灾害发育程度整体处于高度易发区，其中，陕北、黄陇、晋中、晋北煤炭基地达到了高度-极度易发程度，且灾害基本覆盖了主采区。

结合图2，笔者团队梳理了黄河几字弯煤炭基地发育的典型地质灾害类型，并对其存在的关键问题予以详细阐述。

2.1 地面塌陷与地裂缝

地面塌陷与地裂缝是煤炭开采区所面临的最典型地质灾害。当煤层采空后，采场周围岩体应力重分布，使上覆岩体发生变形、位移和破坏，当采空区达到一定范围后，造成地表塌陷，塌陷形成的同时也会造成周边地裂缝的产生，二者存在明显的耦合共生关系，但发育特征存在一定差异。

地面塌陷具有以下特征：(1) 其地表空间分布与煤矿主采区存在高度重叠，该类灾害主要集中在陕北基地的榆神府煤矿区、黄陇基地的关中渭北煤矿区；此外，在晋北基地的大同煤矿区、晋中基地的西山与汾西煤矿开采区此类问题同样严重。(2) 塌陷规模、分布特征与煤层的埋藏条件、开采条件等因素存在密切关联[17]。具体而言，采空区面积小，地表往往会形成小规模的带状或串珠状塌陷区；而若采空区面积偏大，则会呈现整体性的梯级塌陷，具有规模大、影响范围广等特点，并造成地面建筑物受损。

地裂缝具有以下典型特征：(1) 不同地貌单元区地裂缝显现规律存在一定差异。一般而言，黄土区显现更明显，宽度大，区内台阶状地裂缝发育显著；风积沙区则识别难度大，虽然地裂缝分布多，但多数自然弥合或被植物覆盖，难以长期保留[18]。(2) 空间展布范围及展布方向与坡体沟壑展布、煤炭开采状况密切相关，一般而言，坡体上的裂隙较集中，且地表下沉量大，沟壑区裂缝较少；同时，采煤形成的地表裂缝方向与工作面回采方向普遍呈现垂直分布特征[10]。(3) 往往伴生其他表生地质灾害，具体而言，地裂缝因改变了土体结构和微地貌单元，导致崩塌、滑坡的发生频率增加，并可与采空区产生贯通，易引发突水溃砂等地下地质灾害。

基于前期相关学者对黄河几字弯区地面塌陷与地裂缝灾害发育状况调查，均表明地面塌陷、地裂缝与煤炭开采活动具有密切相关性。如：范立民等[10]对陕北榆神府矿区的地质灾害调查结果显示，采煤形成的地面塌陷95 处，总面积共计94.47 km2，其中，面积大于 1 km2的塌陷区23 处，总面积 69.98 km2，占总塌陷区面积的74.08%；面积小于0.1 km2的塌陷区16 处，面积总计1.00 km2，占总塌陷区面积的1.06%。矿区地裂缝大量发育，现有1 802 条(或组)地裂缝，分布极不均匀，多条成群(或组)出现，并为直线状或弧形(或椭圆状)展布，地裂缝规模一般为十几米到上千米，单条裂缝宽度为数厘米到2.2 m 左右，陷落距离为几厘米到2.9 m 不等[18]。图3 为神东煤炭基地神东矿区补连塔煤矿12406 工作面、活鸡兔煤矿21306 工作面开采引发的典型地面塌陷与地裂缝灾害。可见，地裂缝分布方向与工作面回采方向基本垂直，而部分浅埋煤层开采顶板直接垮落影响至地表形成地面塌陷，其呈现整体梯级塌陷。

图3 黄河几字弯区煤炭基地地面塌陷与地裂缝的典型发育特征[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]

总体而言，相对脆弱的地质条件加之大规模的煤炭开采活动，极易造成矿区地面塌陷与地裂缝等问题。因此，笔者团队建议针对不同矿区地质灾害特征及采煤工艺方法，研究不同地质灾害保护性开采方案的优化思路。基于前人相关研究归纳如下：(1) 就地取材，充分开展地裂缝充填技术研发；如风积沙区可采用流沙+泥浆、小粒径煤矸石+流沙或小粒径煤矸石+泥浆对地裂缝进行充填；黄土区可使用覆土+泥浆、小粒径煤矸石+泥浆充填技术。(2) 积极发展井下绿色高效充填开采技术；如可采用煤矸石、风积沙等固废材料进行采空区全域或局部化充填，同时重视覆岩离层精准注浆充填技术的发展，相关技术对于减缓或控制岩层移动以及地表沉陷具有较好的控制效果。

但上述技术研究仍存在亟待解决的问题，包括：(1) 尚缺乏全面系统的动态监测体系，无法实现对地面塌陷和地裂缝灾害动态化监测与预警；因此，建立“开采-监测-预警”三位一体监测体系应是该领域未来重点工作之一。(2) 矿区地质灾害往往以灾害链形式出现，并在时空上产生连续扩展累积放大致灾效应。而目前围绕矿区地面塌陷与地裂缝等地质灾害孕灾条件、灾害演化过程、灾害链转化及评价模式等研究体系尚未完全建立，应是该领域亟待攻克的另一技术难题。(3) 探索适宜于矿区地面塌陷与地裂缝的充填减损技术势在必行；现阶段矿区采空区的充填材料及充填工艺方法仍不够成熟，存在充填材料经济性与安全性矛盾问题、充填减损效果科学评价问题及充填方案设计成熟性问题等。

2.2 崩塌、滑坡与泥石流

黄河几字弯区因煤炭开采诱发的崩塌、滑坡、泥石流地质灾害问题同样突出，且呈现一定的区位特征，具体表现为：(1) 崩塌灾害与基地所处地形地貌有关；统计发现，该类大型灾害主要分布于陕北黄土高原东北部黄土梁峁区、关中断陷盆地渭北前黄土塬边等；而黄河沿岸山区崩塌规模则以中小型为主。(2) 滑坡灾害与人类采矿工程活动关系密切；地下开采产生的采空区覆岩变形往往导致地表斜坡不同程度的位移，改变了自然边坡天然稳定状态，进而诱发滑坡灾害发生；而露天开采剥离表土以及采矿弃渣堆放形成的排矸场或排土场，会随着矸石或排土堆积高度增加，出现人工堆土边坡失稳隐患。(3) 受区内集中性降雨活动影响，加之地表土壤松散、植被覆盖率低，同时，矿区多存在煤矸石、矿渣等松散堆积体，极易在强降雨作用下发生矿区泥石流灾害。

近年来，黄河几字弯区发生的大量崩塌、滑坡、泥石流灾害多符合上述特征。如陕北庙哈孤矿区采煤引发崩塌23 处，造成煤矿经济损失约168.6 亿元[21]。而区内采煤深度小，开采形成的地裂缝极易沟通地表，塌陷拉张裂缝发育，遇暴雨季节，黄土层遇水软化发生密集崩塌。2018 年10 月24 日，陕西榆林市横山区波罗镇宋家洼方圆煤矿发生山体滑坡，造成2 人死亡[19]。灾害发生区域位于陕北黄土高原和关中盆地黄土台塬区，下伏发育厚隔水层为地下水位持续抬升提供了良好地质条件，并在强降雨作用下发生黄土软化乃至静态液化，导致流滑型黄土滑坡灾害发生。2013 年5 月26 日，陕西黄陵矿区突发矿渣型泥石流，造成7 人死亡，12 人受伤，究其原因在于：矿区内地形沟壑纵横，采煤强度高，并存在多处大体积矿渣尾矿库堆放情况，最终在连续强降雨后发生大规模泥石流灾害。

基于上述分析可知，黄河几字湾区崩塌、滑坡、泥石流成灾过程与地貌及气候作用存在时空差异性，而目前立足于地貌-气候耦合作用下崩塌、滑坡、泥石流地质灾害演化过程及临灾特征判识研究仍有待深化。同时，对于不同灾害及承灾主体的联动机制，开展黄河几字弯区煤炭基地多灾种链动衍生关系研究仍存在不足。此外，随着北斗、遥感与GIS 地理信息技术的发展，黄土灾害预警系统已取得显著发展，但结合采矿活动特点，开展煤炭基地矿区地质灾害预警与预报研究有待加强。

2.3 突水溃砂

黄河几字弯风积沙区煤炭基地煤层埋藏较浅、地表多为厚风积沙覆盖层，导水裂隙带可导通地表，而饱和含水沙层在重力作用下，沿采动裂隙进入井下，造成突水溃砂事故[22-24]，如图4 所示。因开采引起的突水溃砂灾害已成为风积沙区煤炭基地安全开采面临的重要地质灾害之一[25-27]。如2010 年陕西神木哈拉沟煤矿22402 工作面在推进到离工作面 38 m 时发生突水溃砂事故，导致地面形成了直径 47 m、深 12 m 的巨型塌陷漏斗坑；2012 年陕西神木隆德煤矿在施工电缆孔时因钻孔穿透采空区顶板导致发生了突水溃砂事故，在初始仅为直径91 mm 的电缆孔条件下，因强大的水动力作用使钻孔迅速扩大，导致大量水砂溃入矿井，并在地表形成塌陷坑，沙丘下陷25 m，突水溃砂量巨大。可见，突水溃砂灾害具有突发性、放大性及强危害性等特点，关注风积沙区煤炭基地突水溃砂灾害问题同样至关重要。

图4 煤矿地下开采引起的突水溃砂地质灾害典型特征Fig.4 Typical characteristics of sudden water and sand collapse disasters caused by underground mining in coal mines

据此，笔者团队建议突水溃砂灾害科学防控应立足于其煤层埋深、岩层组合特征、水文地质状况及地表补水条件等因素，探究溃砂源、通道、开采活动影响等互馈演化机理，同时，研究基于突发性与多准则信息精准判识的突水溃砂灾害预测预警模型；此外，厘清水砂流注浆扩散及封堵机理是实现溃砂治理和抢险救灾方案科学决策的重要依据，也是该领域亟待解决的重点问题。

3 黄河几字弯区煤炭基地生态环境问题及典型特征

黄河几字弯区生态环境脆弱，抗扰动能力差且水资源短缺。而煤炭资源的大规模开采成为该区域生态环境最严重的干扰因素，导致生态环境急剧恶化，并引发了一系列生态环境问题，主要表现为：开发区域的地下水位下降、水土流失、土地荒漠化及废水废渣污染等[6]。现结合黄河几字弯区煤炭基地生态环境问题及典型特征予以详细阐述。

3.1 地下水位下降

由于不同煤炭基地、不同矿区开采条件以及禀赋地质环境存在较大差异，其对地下水扰动的严重程度有所不同。具体而言，黄河几字弯区煤炭基地中神东、陕北基地采煤对地下水的扰动较为强烈。范立民[28]、彭捷[29]等对神东、陕北煤炭基地地下水进行了长期跟踪研究，发现近20 年来榆神府矿区地下水位下降非常明显，部分区域第四系萨拉乌苏组地下水被疏干，地下水位下降至基岩界面以下，如：窟野河逐渐演变为季节性河流，部分井、泉甚至出现干涸现象。1996-2015 年的20 年内，榆神府矿区8 971.5 km2范围内有记录泉眼由2 580 处减少至376 处，占原有泉眼总量的85%；总流量由原来的4 997.059 7 L/s 减少至996.392 L/s，占原流量的80.06%[28]。鄂尔多斯盆地的神东煤炭基地因开采引起了地表沉陷、地面塌陷和地裂缝，导致矿区地下水位大范围和大幅度下降，原统计的121 个泉眼减少了104 个[6]。此外，黄陇煤炭基地因采煤导致的地下水位下降同样十分明显。如：陕西彬长矿区煤炭开采后白垩系含水层地下水流场受到显著影响，其中，亭南煤矿局部水位降深达到194.87 m，矿区北部煤矿开采区水位普遍下降，降深大于30 m，东部火石咀煤矿降深更大，达到60～70 m[30]。

煤炭开采除可诱发承压含水层水位下降外，同样对潜水位埋深具有明显影响；据陕西省一八五煤田地质勘探队对陕北煤炭基地榆神府矿区内潜水埋深调查发现[31-32]：潜水位埋深一般小于15 m，符合生态水位合理埋深，对于保障毛乌素沙地植被生态安全具有重要价值。王双明等[33-36]前期研究发现：地下水位埋深是影响矿区表生生态环境的主控因素，榆神府矿区合理的生态水位埋深为1.5～5.0 m，5～8 m 为警戒地下水位埋深。当采煤造成的水位下降超过 5 m 时，表生生态受到严重影响。但据2015 年范立民团队[37-38]对榆神府矿区潜水位埋深调查发现：窟野河、秃尾河沿岸潜水位下降明显，下降幅度大于8 m 的面积达到 758.9 km2，占调查区总面积的7.3%，且全部位于煤炭高强度开采区；其他73%未采煤区潜水位却未出现明显下降。可见，黄河几字弯区开展保水采煤及减损开采技术研究势在必行。

基于前期研究发现，大规模的煤炭开采对黄河几字弯区地下水位的影响明显，而地下水位降低显著影响了表生生态环境，易引起土地荒漠化，河流、泉流量衰减等生态问题。因此，着重关注该区域煤矿开采对地下水位扰动影响规律及内在演化机制，是后期该区域生态地质及环境保护的重点研究工作之一。

3.2 水土流失

黄河几字弯区水土流失生态问题同样严重，且主要发生在黄土地貌区，具体分布于晋中、晋北、黄陇、陕北煤炭基地东部-东南部。具体而言，因采煤过程对地下水位产生下降影响，导致地面植被遭受一定程度破坏，形成土壤松散裸露；而黄土结构疏松，黏聚力和抗剪强度较弱[39]，易在强降雨作用下发生大规模流滑现象，进而导致水土流失的发生。

晋中、晋北煤炭基地地处黄河几字弯区，由于暴雨集中、植被稀疏，土壤抗蚀性差，一直是我国水土流失最严重的地区之一[40-41]。图5 为山西省2017 年部分大型煤炭基地水土流失分布，据图可知，水土流失区域与煤矿区的分布存在密切相关性，其中，晋中、晋北煤炭基地大部分矿区为重度、中度水土流失。而部分矿区(离柳、乡宁、河保偏、岚县)位于黄河沿岸，受湿陷性黄土影响加之规模化采煤，水土流失程度严重，可达到重度水土流失程度，这与相关矿区内河流众多、地形复杂、环境脆弱，加之采煤强扰动活动有关。

图5 山西省2017 年部分大型煤炭基地水土流失分布(数据来源于中国地质调查局)Fig.5 Water and soil erosion distribution map of some large coal bases in Shanxi Province in 2017 (Data from China Geological Survey)

图6 为黄陇煤炭基地2017 年度水土流失分布特征图，从图可看出，黄陇煤炭基地内所有矿区均存在不同程度的水土流失现象。具体而言，黄陇煤炭基地属黄土高原丘陵沟壑区，降雨集中，沟壑交错，采煤活动加剧水土流失。彬长矿区则是黄陇煤炭基地水土流失最为典型区域，也是黄河中游水土流失重点区域之一。究其原因，该矿区属陕北黄土高原南部塬梁沟壑区，部分矿井处于黄土塬边缘地带，地表水系发达，植被稀少，采煤活动导致水土流失严重。据前期调查统计发现，目前矿区1 270 km2土地，水土流失面积占全区面积的81.4%[42-43]。

图6 黄陇煤炭基地2017 年度水土流失分布特征图(数据来源于中国地质调查局)Fig.6 Distribution map of soil and water loss in Huanglong Coal Base in 2017 (Data from China Geological Survey)

此外，陕北煤炭基地东部-东南部地区位于黄土区，区内受多次黄土堆积和侵蚀作用影响，地形破碎、沟壑纵横，水土流失极为严重，主要发生区位于各大支流的上游边界地带和东部、南部沟壑区。因沟壑区裸露的沙质黄土、红土和松散的风积沙为水土流失提供了丰富物质来源。尤其在地形坡度大于15°区域，暴雨产生急剧的地表径流，形成巨大的冲刷力，强烈侵蚀表层土壤而产生水土流失[6,18]。

以上研究均表明，黄河几字弯区煤炭基地水土流失严重，并受到煤炭开采活动密切影响，因此，确保煤炭大规模开采的同时，探索适宜于开采区高效水土保持技术方案是后续亟待解决的技术问题之一。

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、气候及人为活动影响。黄河几字弯区宁东基地大部、神东基地中西部、陕北基地西北部均存在土地荒漠化现象。上述区域因气候干燥、植被稀疏，生态环境脆弱。高强度、大规模的煤炭开采活动客观上加速了土地荒漠化[35]。

深入剖析可知，神东、陕北煤炭基地处于毛乌素沙地与黄土丘陵复合侵蚀严重的接壤地带。其中，神东基地万利、神东矿区主要位于毛乌素沙地。矿区北部为高大新月形流动沙丘链覆盖，强度沙漠化风蚀土地占矿区总面积的70%以上，风蚀程度达2.5～22.0 cm/a，风蚀强度大于2 500 t/(km2·a)的土地占总面积的90%以上，沙漠化土地年均自然增长率为0.5%[44-45]。加之大规模煤炭开采，造成了地貌改变，加速了土地荒漠化[6]。

此外，陕北煤炭基地榆神、榆横矿区位于毛乌素沙地。其中，榆神矿区中西部由起伏沙丘沙地、半封闭的相对低洼滩地构成，约占矿区总面积的5/6。东部为黄土丘陵，由风沙地貌及黄土丘陵地貌组成，属荒漠-半荒漠生态系统[46-48]，地表覆盖风积沙为土地荒漠化提供了丰富的物质基础，干燥少雨、植被稀疏以及煤炭开采活动加剧了土地沙漠化问题。宁东煤炭基地因位于风沙区，土地荒漠化问题同样严重，且主要集中于基地北部区域[49]。

但随着生态文明建设被列为国家发展战略，国家长期实施退耕还林还草及人工治沙政策的持续推进，土地荒漠化问题得到了极大改善。据宁东基地2000-2015 年度土地沙化面积变化统计表明(图7)，基地土地沙化主要以轻度沙化为主，中度及以上沙化面积及所占比例逐年下降；而无沙化和非沙化面积及所占比例整体上呈现逐年增加趋势。榆林沙区已建成1 166.73 km2的防护林和4 000 km2的固沙林，沙区林草面积已达9 733.82 km2，植被覆盖率由建国时的1.8%上升到39.8%，治理面积达69.01%；宁东煤炭基地除石嘴山矿区西北部分区域仍存在重度沙漠化现象外，其他矿区均无土地沙化现象。上述数据说明，植树造林、防沙治沙等措施可较好地遏制土地荒漠化的蔓延，但加强矿区生态环境的长效化治理仍刻不容缓[2,50-52]。

图7 宁东煤炭基地土地沙化变化情况统计结果(数据来源于中国地质调查局西安地质调查中心)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 废水与废渣污染

煤炭开采中废水来源主要为井下矿坑水、洗煤废水及生活污水。废渣主要为采煤过程中排出的固体废物煤矸石、粉煤灰等。矿井水、洗煤水处理不当会对水体造成污染；而废渣则压占大量土地，影响植被生长，破坏原始地貌，严重情况下诱发地质灾害并对生态环境造成破坏。

依据黄河几字弯6 大煤炭基地废水废渣排放分区图(图8)，黄河几字弯煤炭基地废水废渣污染严重地区主要分布在晋中(离柳、霍东、霍州、汾西等矿区)、晋北(大同、岚县、河保偏等矿区)、黄陇(彬长、韩城等矿区)、陕北(榆神矿区)及神东(神东、府谷矿区)等。对上述废水污染严重区域进行归纳发现，其具有以下典型特点：(1) 废水排放量大，且存在部分矿井废水排放缺乏科学管控问题。如晋中煤炭基地离柳矿区在2019年矿坑排水量达到了20 284 m3/d[53]，而矿坑水易污染河流，往往对当地生态环境造成较大威胁。(2) 废水破坏了原有水体循环规律，地表水污染严重。神府-东胜矿区在煤炭开采后河水的硬度变为开采前的3 倍，矿化度是开采前的8 倍，河水由开采前的中矿化型硬水变成开采后的高矿化型硬水[54]。

图8 黄河几字弯区煤炭基地废水与废渣排放污染严重程度分区[15](数据来源：中国地质调查局西安地质调查中心)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)

煤矸石是因煤炭开发造成废渣污染的主要来源，也是目前我国排放量最大的固体废弃物之一。目前，我国每年煤矸石的排放量平均为煤炭总产量10% 。据统计(表2)，2018 年黄河几字弯6 大煤炭基地排放的煤矸石等固废总量为35 961.62 万t，平均排放强度0.74 t/d；年利用固废量为22 393.93 万t，平均利用率为62.27%，高于全国平均值52.65%。其中，神东、晋北、陕北煤炭基地由于大型露天矿数量稍多、区域循环经济产业链较短等因素，煤矸石的排放量较大，排放强度较高。煤矸石的大量堆放易造成诸多废渣污染问题：(1) 矸石堆积造成土地压占，破坏地貌景观；且在一定条件下堆积体边坡失稳，易发崩塌、滑坡灾害；若发生强降雨，加之其他客观因素会造成泥石流灾害。(2) 煤矸石在风蚀作用下会产生扬尘；同时，矸石含易燃成分，受外界空气影响会发生自燃，产生有害有毒气体污染大气环境。(3) 在雨水作用下，煤矸石会发生淋滤，形成硫酸或酸性水，其渗入地下导致土壤、地表水及地下水污染。

表2 黄河几字弯区六大煤炭基地煤矸石等固废循环利用指标统计[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]

开展区内煤矸石等固废资源化综合利用，是降低煤矸石对当地生态环境影响的最佳方案之一。近年来，我国在积极推进固废资源循环利用工作，黄河几字弯区各大煤炭基地也在积极探索煤矸石等固废资源转化利用方式，并取得了良好的实践效果。如神东、晋北、黄陇基地煤矸石转化率均较高(≥60%)，基地内受固废污染影响较小。因此，做好黄河几字弯煤炭基地煤矸石等固废利用工作，发展采空/塌陷区回填、筑基修路、土地复垦新材料；同时，积极探索以煤矸石为原料的建筑及环境化工应用等技术发展，将对降低煤矸石等废渣对生态环境的影响大有裨益。

4 结 论

a.黄河几字弯6 座大型煤炭基地主要分布于黄土区、风积沙区两大地貌类型，黄土区在气候条件、土壤肥力、植被类型略优于风积沙区，但存在蒸发量大，水资源紧缺等问题；风积沙区主要成煤期为侏罗纪，黄土区则主要为石炭-二叠纪及侏罗纪，含煤地层普遍地质构造相对简单、顶板条件较好、埋藏较浅、厚度大，适合开展煤炭生产基地规模化建设。

b.黄河几字弯煤炭基地地质灾害处于高度易发区，面临的地质灾害类型为：地面塌陷与地裂缝、崩塌、滑坡与泥石流和突水溃砂等。地面塌陷与地裂缝灾害系区域内采煤活动形成地下采空区引发；区内存在的松散覆盖层地质条件与人类活动等因素而导致产生滑坡、崩塌、泥石流等表生地质灾害；导水裂隙带导通地表，通过采动裂隙造成突水溃砂灾害。同时，地质灾害类型因煤炭基地地理位置和地貌类型而产生差异。

c.黄河几字弯因大规模采煤活动引发地下水位下降、水土流失、土地荒漠化和废水废渣污染等生态问题，神东、陕北煤炭基地采煤对地下水位下降的影响更为明显；风积沙区(宁东、神东煤炭基地)以土地荒漠化问题突出，而黄土区(陕北、黄陇、晋中、晋北煤炭基地)则以水土流失问题最为严重；探索煤矸石等固废资源高效、清洁化转化利用是该区域矿区生态环境保护工作面临的紧迫问题。

d.黄河几字弯区地处流域中上游干旱-半干旱区，生态系统脆弱，受区域采煤活动影响产生了显著的地质灾害与生态环境问题，建议依据“山水林田湖草沙生命共同体”生态综合修复治理理念，结合风沙区、黄土区等不同地貌单元特点，探讨具有地貌特征差异性的地质防治与生态环境修复技术，同时重点关注因地下采煤活动对地下水及生态环境的影响，探索以保持生态水位及降低环境污染的绿色减损开采技术，是现阶段黄河几字弯区煤炭开采与生态环境协调化发展的重要工作之一。