一、阳泉矿区自然环境概括
1.地理位置
阳泉市地处山西省的中东部，西距太原市119km，是我国最大的无烟煤生产基地之一。阳泉市面积4452km2，人口122万，辖城区、矿区、郊区、盂县、平定县共三区两县。属大陆性季风气候，无霜期170天左右，年降水量576mm。境内山谷纵横，地形复杂，山地和丘陵占全境面积的85%左右，大部分地区在海拔700m以上，地形北高东南低，呈阶梯状分布。
阳煤集团位于阳泉市中心，矿区规划井田面积1387.8km2，地质储量142×108t，可采储量79.68×108t，现有10个矿。一矿、二矿、三矿、四矿和新景矿地处阳泉市区的西北部，五矿地处阳泉市的西南部，开元矿地处寿阳县西部，石港矿位于左权县西南部，正在建设的寺家庄矿位于昔阳县西南，新元矿位于寿阳县西部。
2.地形地貌
矿区位于太行山脉北段西麓，为西北高、东南低的中低山区，地形复杂。境内群山环绕，山峦起伏，沟壑纵横，区内平均海拔为1000m以上。矿区中低山区广泛出露二叠系砂岩，覆盖黄土，呈黄土丘陵和土石山区地。区内最高峰坪塔梁海拔为1372.6m，最低处娘子关谷地海拔350m。
3.地质与水文地质
（1）地质
矿区位于太行山背斜两翼，寿阳向斜之东翼，属沁水煤田的东北部分，其基岩大片裸露，由北东向南西方向地层由老到新依次出露。煤系地层之基盘为奥陶系中统马家沟灰岩，全层厚577.94m。向上为中石炭系本溪组地层，假整合于奥陶系灰岩侵蚀面之上，全层厚41.95～49.90m，由灰色、黑灰色砂质泥岩，泥岩，砂岩和石灰岩组成。往上为石炭系上统太原组，是区内主要含煤地层之一。它连续沉积于本溪组之上，以灰黑色砂质泥岩、泥岩、灰白色砂岩、石灰岩及7～10层煤组成，全层厚107.30～140.60m。再上为二叠系下统山西组，连续沉积于太原组之上，为陆相沉积，亦为区内主要含煤地层之一，由灰黑色砂质泥岩、泥岩、灰白色中到粗粒砂岩及4～6层煤组成。全层厚度43.7～72.2m，最上层为二叠系下统下石合子组、上统上石合子组与石千峰组，其厚度分别为161、312和80m。上述地层出露部分直接与新生代第四纪地层相接。
主采煤层为3号煤及15号煤。3号煤伪顶厚0.14～0.25m，由灰黑色砂质页岩与细砂岩组成。直接顶为灰色砂质页岩，老顶厚13.4m，为灰白色中-粗粒砂岩，顶部为砂质页岩。煤层与顶板节理较发育，因此顶板岩层在开采后具有良好的自然冒落条件。
（2）水文地质
根据含水岩层岩性、水力特征及贮存条件，阳泉市地下水可分为以下5种基本类型。
1）碳酸盐岩裂隙岩溶水。主要分布于本市中南部，中奥陶统石灰岩含水层是主要含水层。
2）松散岩类间隙水。主要分布于河谷、山间盆地与黄土丘陵区，含水层厚度5～10m，岩性多为砂砾石及含砂砾石。
3）碎屑岩裂隙水。分布于西部地区，含水层为二、三叠纪的砂岩，相对隔水层多由页岩和泥岩组成。
4）碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水及变质岩裂隙水。含水为裂隙或溶洞的石炭系灰岩。地下水主要补给途径为大气降水与河道渗漏。
5）地表水。阳泉市河流属于海河流域子牙河水系，主要河流为滹沱河及其支流乌河、龙华河、绵河及支流温河、桃河。河流的流向大体上与山脉走向一致。阳泉市河川径流量主要为外区入境水量（占河川径流量的60%），本地区河川径流量仅占总量的40%。
4.气候
阳泉矿区属于暖温带大陆性气候，是山西省较为温暖的地区之一。根据气象台资料统计，年平均气温为10.7℃，1月份最冷，平均气温为-4.6℃，最低气温为-19.0℃；7月份最热，平均气温24.3℃，最高气温曾达40.2℃。
阳泉市历年平均降雨量为609.8mm，年际变化较大，多雨年份曾达886.4mm，少雨年份仅为240.2mm，降雨主要集中在7、8、9月。
该区风向多变，全年以西北偏东风最多。但夏季多偏东风，冬季盛行偏西风，年平均风速为1.7m/s，冻结期为11月中旬至次年3月中旬，土壤冻结深度为0.7m。
根据山西省地震局资料，阳泉地区地震烈度为7度，由于区内断层稀少，大部分基岩裸露或覆层很薄，古河道少，因而震害影响比较弱。
5.自然生态环境
生态系统特点。本区属于新兴的工业城市，经济繁荣，人口稠密、工业集中，品类较少。农村自然生态环境简单，仍为原始生产状态。
农业生态特点。由于阳泉市区域“山多、地少、石头多”土地贫脊，耕地多为梯田和河滩地，水源缺乏，从很大程度上制约了农业的发展，主要农作物为谷子、玉米、小麦及土豆，无特殊的经济作物种植。
6.植被
矿区自然植被以草丛为主，有酸枣、荆条、狗尾草、虎尾草、马唐、白草等旱生植物。
经调查，阳泉矿区适宜生长的植物有乔木、灌木、草本3种。
乔木：油松、柏树、杨树、旱柳、臭椿、槐树、枫树和皂角等；
灌木：丁香、杜鹃、黄刺玫、绣线菊、榛和火炬树等；
草本：黑麦草、狗牙草、野牛草、羊胡子草、紫苏和爬山虎等。
二、阳泉矿区煤矸石概况及自燃的原因
阳煤集团建于1950年，现有6个矿12对矿井，年生产能力在3000×104t以上。已堆积有20余座煤矸石山，堆积总量约2×108t，并以每年700×104t的速度在继续增加。如果以1m的厚度铺开，可以覆盖两个阳泉市区。目前排出的煤矸石超过1400×104t的大型煤矸石山有4座。除新景矿煤矸石山的含硫量在0.4%以外，其他煤矿的含硫量均在1.3%～1.4%之间，最高可达2.0%。这些自燃煤矸石山均有较高的自燃特征。
从阳泉的煤吸氧量与吸氧速度看，自燃倾向性属于容易自燃。煤矸石的吸氧量虽然不大，但具有相当的自燃危险性。
阳泉煤中含硫量在1%左右，煤矸石中的黄铁矿含量较多，尤其是部分洗矸中黄铁矿含量普遍在6%以上，同时洗矸粒度小，又比较潮湿，这些都是黄铁矿快速氧化的有利条件。洗矸中还含有15%～30%左右的煤炭，在合适的条件下黄铁矿快速氧化并放出大量热量，这些热量不仅会促使黄铁矿的进一步氧化，也会促进煤的低温氧化过程。可以认为具有自燃倾向的煤与较高含量的黄铁矿是导致阳泉煤矸石自燃的内因。
阳泉矿区的煤矸石山一般是先将矸石拉到排矸场的最高处，再用推土机将其推至坡面自由滚落。这种堆积方式促进了煤矸石山的自燃，主要原因如下：
一是斜坡暴露面积大，矸石堆积疏松，空隙率大，矸石供氧条件好。矸石的渗透率较高，仅依靠分子扩散供氧，便可使煤矸石山温度上升至自燃临界温度以上，此时产生的热对流速度已大于煤矸石山自燃所需的临界风流速度。
二是煤矸石山的窒息带、可能自燃带、不自燃带是动态的，随着排矸坡面的推进在不断变化。排到煤矸石山上的煤矸石从暴露在表面到被其他煤矸石掩埋到深部的过程中，经历了不自燃带—可能自燃带—窒息带这样的变化。因为这种堆积方式排矸面积大，排矸坡面推进速度极慢，使得煤矸石可以较长时间停留在可能自燃带。一旦这段时间超过煤矸石的最短自燃发火期，就有可能发生自燃。
三是煤矸石在重力作用下，斜坡上自由滚落的过程中，大块煤矸石更多地滚落到煤矸石山底部，粒径小的煤矸石多数留在上部，形成了煤矸石山的自然分级。分级的结果：①导致空隙率增大；②使发热量高的小粒径煤矸石发生了富集。
综上所述，不合理的堆积方式给煤矸石的持续氧化提供了良好的条件，这是导致阳泉煤矸石山自燃的主要外因。
三、阳泉矿区自燃煤矸石山的自燃治理概况
自“七五”开始，阳煤集团相继建成5座大型洗煤厂，大量洗矸源源不断排上煤矸石山，引起一至四矿四座堆积量均在1400×104t以上的大型矸石山自燃。4个矿相距较近，造成环境污染更加突出。目前煤矸石山自燃产生大量的SO2、CO、CO2等有害气体，排放量占到全市总排放量的80%，在排矸场局部地区SO2最高浓度达138mg/Nm3，CO最高浓度达237mg/Nm3，分别超过国家大气环境质量标准的196倍和10.9倍，致使该市大气环境质量在国内113个重点监控城市中排名倒数第二。阳泉矿区的煤矸石山发生自燃后，因各煤矿相距较近，又受地形限制，大气扩散条件很差，煤矸石山附近生态环境十分恶劣，寸草不生。而且阳泉市区位于矿区的下风向，因此，煤矸石山自燃引起的大气污染问题更加突出，同时也引起了一系列的社会问题。自燃煤矸石山的治理显得十分必要。
图7-1 阳泉自燃煤矸石山绿化后效果
阳煤集团于1992～1996年对煤矸石山自燃现象进行了灭火治理和绿化复垦，并取得了一定的效果，煤矸石山自燃得到了初步控制。但目前许多地方监测有复燃现象，从监测得到的数据发现SO2含量仍然严重超标，必须采取一定的措施予以治理。近几年来，阳煤集团对阳泉矿区自燃煤矸石山进行了大量的投资，用于自燃煤矸石山的灭火与绿化（表7-1），许多自燃煤矸石山已经成功得到绿化（图7-1）。
表7-1 近年来阳煤集团自燃煤矸石山的投资及绿化面积