山东安居煤矿矿山地质环境保护与恢复治理探讨

初娜，王猛，解鑫，宋亚新，相爱芹，李淑贞，王志红

（1.有色金属矿产地质调查中心，北京100012；2.中国煤炭工业协会咨询中心，北京100713；3.北京中色资源环境工程有限公司，北京100012；4.中国环境监测总站，北京100012）

山东安居煤矿矿山地质环境保护与恢复治理探讨

初娜1，王猛2，解鑫4，宋亚新1，相爱芹1，李淑贞3，王志红1

（1.有色金属矿产地质调查中心，北京100012；2.中国煤炭工业协会咨询中心，北京100713；3.北京中色资源环境工程有限公司，北京100012；4.中国环境监测总站，北京100012）

安居煤矿现状条件下，仅存在工业场地压占耕地的问题。通过野外调查和室内预测分析认为，全矿井开采完毕、地表沉陷稳定后，预测地表最大下沉值为2506 mm，对东部南阳湖影响最大，对村庄、G105、S251公路和兖新铁路的影响不大；开采过程中将破坏3上煤层顶底板砂岩含水层，对下伏三灰含水层也将产生较严重的影响；受地面塌陷影响的耕地面积将达到58.43 km2，其中89.22%的耕地下沉值小于0.5 m，受塌陷影响轻微。建议矿山采用土地平整和矸石充填工程治理受塌陷影响的耕地，闭坑后进行土地复垦绿化工程，并建立矿山地质环境监测体系。关键词：井工开采；地质环境；预测评估；恢复治理

矿产资源开发利用，有力地支撑和保障了国家经济建设和社会发展，同时也不可避免地对地质环境造成破坏［1］。随着人们对环境保护意识的加强，矿山开采对地质环境造成的破坏越来越被重视［2-4］。为了做好矿山地质环境保护工作，山东省济宁矿业集团有限公司特编制《安居煤矿矿山地质环境保护与恢复治理方案》［5］。本文以此为依据，对井采煤矿矿山地质环境保护与恢复治理进行探讨研究。

1矿山基本情况及地质环境背景

1.1矿山基本情况

安居煤矿位于山东省济宁地区，井田南北长约13 km，东西宽2.3～10 km，面积约75.4027 km2。矿山生产能力为1.50 Mt/a，服务年限53.6 a。含煤地层为二叠系下统山西组和太原组，煤层埋深为820～1300 m，其中山西组含煤有三层（2、3上、3下），煤3上厚度较大，分布广，为本矿主采煤层。本矿井生产系统采用立井开拓方式，长壁综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板，胶带输送机运输。地面工程由工业场地和场外道路组成。

1.2矿山地质环境背景

矿区位于鲁西南北温带半湿润季风区，四季分明。地势平坦，地面高程+36.0～36.5 m。区域为华北型全隐蔽石炭、二叠系含煤地层，由老至新发育有奥陶系、石炭系本溪组、二叠系太原组、山西组、石盒子组、侏罗系三台组和第四系。矿区出露地层为第四系全新统、更新统粘土质砂、砂质粘土。井田构造复杂程度总体为中等，西北部和中部偏复杂。区内以基岩裂隙充水为主，煤层的直接充水含水层为3上煤层顶底板砂岩含水层，岩性较致密，裂隙不发育，渗透性弱，主要受区域层间径流补给，为弱含水层。3上煤层直接顶板主要为粉砂岩、泥岩，底板主要为中、细砂岩，夹少量粉砂岩，为极稳定顶底板。

2矿山地质环境现状评估

根据安居煤矿野外调查，该矿目前处于矿建阶段，尚未投入生产，现状条件下无崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷及其他地质灾害分布。煤矿主副井掘进过程中，对含水层采取了高复合浆液注浆封堵工艺，对含水层结构、水位水量、水质、居民饮用水的影响较轻。煤矿的地面建设工程为工业场地，占地面积21.39 km2，占地类型主要为耕地。总体来看，矿山地质环境现状良好。

3矿山地质环境预测评估

3.1采矿工程引发地表变形预测评估

（1）全矿井开采后地表变形预测。依据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关规定［6］，参照安居矿井具体地质采矿技术条件、周边矿井观测经验等资料［5］，本文采用开采沉陷概率积分法数学模型计算全矿井开采完毕引起的地表移动与变形。

经计算，安居煤矿全矿井开采完毕、地表沉陷稳定后，最大下沉值为2506 mm（图1），最大水平变形值2.4 mm/m，最大倾斜值-4.5 mm/m，最大曲率0.01610-3/m。开采沉陷影响面积为80.0 km2。矿井可采煤层埋藏深度大，开采引起地面下沉及变形范围大，但水平变形、曲率、倾斜变形小。

图1　全矿井开采后地表下沉等值线Figure 1 Isogram of surface subsidence after coalmine exploited

（2）地表变形对构筑物的影响程度分析。根据矿山开采设计，将采用离层注浆控制矿区中西部地表下沉，预计中西部地表下沉量不大。根据开采沉陷概率积分法对部分村庄地表变形数据的计算结果［5］（图1和表1），全井田开采后地表变形对所有村庄最终破坏程度为Ⅰ级。对区内G105、S251公路和兖新铁路的影响不大，严密监视地表变形情况，及时维护路面等，基本不影响交通安全。对京杭运河、龙拱河、洙水河等河流的主要影响为可能造成河堤或湖堤变形，逐段缓慢下沉，整个过程要持续几十年。矿区东部为南阳湖，由于离层注浆施工困难，预计开采后受采动影响大，最大下沉值2506 mm出现在该地区，局部湖堤受影响程度将达到Ⅱ级，62.39%的区域地表沉陷深度小于1 m，将造成部分水域变深，沉水植物及其生物量增加，但对鸟类的生境等自然保护区的整体生态环境影响不大。

表1　全矿井开采完毕后部分村庄地表变形数值及破坏情况Table 1 Partial village surface deformation values and damage situation after coalmine exploited

3.2含水层破坏预测评估

（1）含水层结构破坏预测。采煤过程中，煤层顶板冒落后，将通过导水裂隙带沟通煤系地层含水层及上覆含水层［7］。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［6］，计算冒落带和导水裂隙带最大高度：H=100ΣM/（0.84ΣM+4.57）+6.30（式中M为煤层开采厚度）。根据计算结果［5］（表2），推断采煤引发的导水裂隙带高度将发育至侏罗系底界均在100 m之上，因此开采3上煤层将只破坏3上煤层顶底板砂岩含水层，对上部的侏罗系砂砾岩水及其上部第四系含水层影响较轻［8］。3上煤层的下覆含水层为三灰含水层，经计算矿山突水系数K为0.124 MPa/m［9］，说明矿山正常开采情况下有发生突水的可能［10-11］，对下覆三灰含水层的影响将较严重。

（2）含水层水位影响预测。将煤矿的采空区假设为一个大井，矿井排水假设为抽水，可根据抽水试验中的影响半径公式来概化的计算矿井排水的影响范围，公式如下：

R——影响半径，m；SW——水位平均降深，m；K——平均渗透系数，m/d。

表2　3上煤层冒落带高度计算Table 2 Estimation of coal 3U caving zone height

经计算，煤矿疏干排水将造成3上煤层顶底板砂岩含水层水位降落漏斗范围122.42 km2，对区内含水层影响严重［12］。

3.3地形地貌景观预测评估

安居煤矿的地面设施主要为工业场地，该场地始建时破坏了原生地形地貌景观，永久性占用了大量耕地，较大程度地改变了原有地貌，对该部分地形地貌影响严重。安居煤矿矿井开采完毕后，地表变形相对较小，地表经过综合整治，土地利用类型基本不会发生变化，不会造成植被生态环境的破坏。

3.4土地资源破坏预测评估

根据安居煤矿地表变形预测结果，全井田受地面塌陷影响的耕地面积为58.43 km2（图2）。根据当地地下水潜水位情况，将地面塌陷对耕地的影响分为2级，1级为下沉值小于0.5 m的耕地，面积达52.13 km2，占受影响耕地总面积的89.22%，这部分耕地受塌陷影响轻微；2级为下沉值大于0.5 m的耕地，面积为6.30 km2，占受影响耕地总面积的10.78%。

4矿山地质环境防治措施

4.1矿山地质环境治理工程

根据对安居煤矿的现状评估和预测预估，治理工程主要有两个方面：地面塌陷治理工程和土地复垦绿化工程。

（1）地面塌陷治理工程。该地区经济发展以农业为主，塌陷区治理应以发展高产高效农业为目标，统一规划分区、分期实施，根据塌陷的不同深度，采用多种方式对塌陷区进行治理，恢复农耕生产用地。

①土地平整：地表下沉量在0.5 m以下的区域的农田，受影响程度轻微，可采用平整的方法稍加修整继续耕种。平整时基本维持原有农田水利设施的走向，在相对低洼的地带间重建排水沟，同时可以利用相邻塌陷较深部的土壤进平整。

图2　全矿井开采后受地面塌陷影响的耕地范围Figure 2 Surface subsidence impacted farmland range after coalmine exploited

②矸石充填造地：地表下沉在大于0.5 m范围内的塌陷区，农业耕地受影响程度相对较重，如不进行治理，可能会出现季节性积水区，无法正常耕种，因此建议采取平整和矸石回填方式进行治理。

（2）土地复垦和绿化工程。安居煤矿闭坑后，将对工业场地进行土地复垦为主的恢复治理工程。

①拆除工程：矿山闭坑后，对场区内的井架、施工生产生活区、仓库区等进行拆除，拆除方法为机械+人工。

②封闭井筒：矿山闭坑后，对2个井筒进行封闭回填。封闭的技术方法为：用矿山的废弃渣石回填至竖井内，在井口以下1～6 m处用三合土回填，并夯实，在井孔0～1 m处用混凝土浇注。

③土地清理：对拆除建筑物区域、临时堆矸石场区、专用场地区进行平整清理。

④植树种草绿化：对工业场地内除场前区外的其他区域进行植树绿化。

4.2矿山地质环境监测工程

（1）地质灾害监测。针对矿区内的地面塌陷进行监测。监测方法主要是利用水准仪、全站仪、GPS等多种仪器对规模较大的地面塌陷区进行定期监测［13-15］。监测网点主要布置在受地面塌陷影响的村庄、工业场地、兖新铁路、济宁至鱼台省道、105国道、济宁市南外环路、河堤及塌陷区边缘等处，共布设2条监测线（255个点）和23个离散监测点。

地面塌陷监测频次为每半年监测1次。在实施过程中，监测频率视采动影响程度而定，一般在采动影响前主要进行巡视监测，在采动影响过程中要间隔1～3个月监测一次。另外，在地表移动活跃阶段，在地面塌陷影响严重区段，可适当增加监测次数。

（2）含水层监测。矿区地下水监测内容是对水位、水量、水质、水温等要素随时间的变化情况进行监测［15］。地下水监测的频次、方法、精度要求执行《地下水监测规范》（SL183-2005）［16］。安居矿区地下水水位、水质监测点共布设25孔，其中第四系含水层监测10孔，主要利用矿区及周边民井；侏罗系砂岩含水层监测孔5孔，利用恢复已施工钻孔1孔及新施工钻孔4孔；3上煤层顶底板含水层5孔，利用现有监测孔及新施工3孔；三灰含水层监测孔5孔，利用恢复已施工钻孔3孔和新施工钻孔2孔。水量（和水质）监测点布设6点，其中井下监测点3点，在东部集中轨道大巷、东部集中运输大巷、东部集中回风巷等主要巷道内出水点；井上监测点3点，矿井总排水监测点、工业场地生产生活废水排放口监测点、废水达标排放口监测点。

（3）地形地貌景观和土地资源监测。主要监测地面塌陷破坏土地资源的类型和面积。监测方法为结合遥感影像图（分辨率为2.5 m），利用GPS定点，利用全站仪、数码相机等工具，通过现场实地调查和勘测，填表记录地形地貌景观和土地资源治理及破坏等情况［14］。监测频率为每年一次。

5结论

（1）山东安居煤矿采用立井开拓方式，长壁综合机械化采煤法，全部垮落管理顶板。该矿尚未投入生产，现状无崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷及其他地质灾害分布，对含水层影响较轻，仅有工业场地占用区内耕地。

（2）全矿井开采后，引起地面下沉及变形范围大，但水平变形、曲率、倾斜变形小，对区内村民建筑物、公路、铁路等地面设施及南阳湖产生一定影响。采煤的过程中将破坏煤层顶底板砂岩含水层，可能造成下覆三灰含水层突水灾害。同时采煤引发的地面塌陷，对区内地形地貌景观和土地资源都会产生一定影响。

（3）治理措施有：针对地面塌陷的土地，通过平整和矸石充填造地工程进行复垦，恢复农耕生产用地。闭坑后对工业场地进行拆除、封闭井筒、土地清理、植草绿化等工程。

（4）建立矿山地质环境监测体系，系统地对矿区地面塌陷、含水层、地形地貌景观和土地资源进行监测。

（5）建议煤矿边开采、边治理。严格按照开发利用方案设计的方法开采，及时对出现的地质环境问题进行防护和治理，达到矿业开发与矿山环境保护和谐发展的目的。

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Probe into Mine Geological Environment Protection and Rehabilitation in Anju Coalmine，Shandong

Chu Na1，Wang Meng2，Xie Xin4，Song Yaxin1，Xiang Aiqin1，Li Shuzhen3and Wang Zhihong1
（1.China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing 100012；2.Consulting Center，China National Coal Association，Beijing 100713；3.Resource&Environment Engineering（Beijing）Co.Ltd.，Beijing 100012；4.China National Environmental Monitoring Center，Beijing 100012）

Under the status quo of the Anju coalmine，only one issue is existed，thus the coalmine surface installations farmland occupying.Through field investigation and indoor prediction analysis have considered that after coalmine exploited and surface subsidence stabilized，predicted surface maximum subsidence is 2 506 mm；and impacting largely on the Nanyang Lake bottom in the east，less impacting on villages，G105，S251 highways and Xinxiang-Yanzhou railway.During the mining will do harm to coal 3U roof and floor sandstone aquifers，also seriously impact underlying third limestone aquifer.Totally 58.43 km2of farmland will be impacted by surface subsidence，in which，subsidence of 89.22%farmland will be less than 0.5 m，thus slightly impacted.It is suggested to govern impacted farmland through land leveling and gangue filling，after coalmine closed can carry out land rehabilitation and landscape engineering，establish mine geological environment monitoring system.

underground mining；geological environment；predictive assessment；rehabilitation governing

X141

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.13

1674-1803（2016）09-0062-05

全国矿山地质环境调查项目（编号：12120114082801）资助

初娜（1983—），女，山东滨州人，硕士，工程师，主要从事矿山地质环境研究与地质灾害防治工作。

2016-01-04

责任编辑：樊小舟