矿山地质环境影响和土地损毁评估研究

2021-05-07秦福锋冯英明张启慧

能源与环保 2021年4期

杨帆，秦福锋，冯英明，张启慧

(山东省煤田地质局第一勘探队，山东日照 276800)

生态环境健康发展是人类赖以生存、维系健康发展的重要源泉。以破坏生态环境为代价的矿山开采，是对人类生存环境的破坏。矿山地质环境治理工作是在考虑生态环境安全的前提下开展的利国利民的一项国家大计，有助于保护和恢复生态环境的健康发展。与地方经济相结合矿山地质环境治理工作的开展解决了发展地方经济和保护生态环境之间的矛盾，使更多的工矿企业可以在履行自身义务的前提下，更好地发展自身潜力，为地方经济贡献力量[1-4]。

1 研究区地理位置

某煤矿位于郑州市西南约60 km处，距新密市约20 km，距登封市约30 km，行政区划隶属新密市平陌镇和登封市大冶镇管辖。新郑—汝州铁路从某煤矿15、16采区北缘通过，井田北部有郑州至汝州的公路通过，登封至许昌公路自井田西部通过，各乡镇之间简易公路纵横成网，交通较为便利。

2 矿山地质环境影响评估

2.1 评估范围和评估级别

(1)评估范围。根据本次矿山地质环境调查结果，结合某煤矿资料，考虑到矿山地质环境问题(主要是采空塌陷、地裂缝)影响，根据煤层埋藏情况、上覆基岩和松散层厚度、不同岩性边界角，来确定采空区地表变形影响边界，以此划定采空塌陷和地裂缝影响范围。评估范围为矿区范围及采矿活动影响范围，面积4.765 2 km2。

(2)评估级别。①评估区重要程度。根据现场调查，主要因素为村庄、人文景观、风景区、公路、铁路、水利工程、水源地、耕地等情况，评估区内分布有500人以上的居民集中居住区，有铁路、公路等重要交通要道。评估区重要程度为重要区。②矿山地质环境条件复杂程度。主要因素为水文地质、矿体围岩、地质构造、矿山地质环境问题、采空区、地形地貌，综上6项分析，本矿矿山地质环境条件复杂程度为复杂型。③矿山生产建设规模。某煤矿为井工开采，设计生产能力为60万t/a，属中型矿山。④评估级别的确定。评估区重要程度为重要区，矿山地质环境条件复杂程度为复杂类型，该矿山生产建设规模属中型矿山，确定该矿山地质环境影响评估精度为“一级”。

(3)矿山地质灾害危险性评估级别。某煤矿生产建设规模60万t/a，属中型矿山，重要性为较重要建设项目。评估区位于丘陵区，地形较复杂；地质构造较复杂，岩土体工程地质条件差；工程地质、水文地质条件中等；地质灾害较发育，人类工程活动对矿区地质环境影响一般。因此，地质环境条件的复杂程度为复杂。

综上所述，地质灾害危险性评估分级见表1，某煤矿矿山地质灾害危险性评估级别为一级。

表1 地质灾害危险性评估分级Tab.1 Geological disaster risk assessment classification

2.2 矿山地质灾害现状分析与预测

结合某煤矿地形地貌特征，以及矿山开采特点确定评估区内地质灾害类型主要为地面塌陷。

2.2.1 矿山地质灾害现状分析

通过调查及访问，现状条件下，评估区内地质灾害类型为采空塌陷及伴生的地裂缝。

(1)采空塌陷灾害。某煤矿开采时间较长，井下采空区面积为225.85 hm2，约占井田面积的47.79%。经野外实地调查，地面塌陷面积比采空区面积要大，约315.82 hm2，地表最大下沉量达5.0 m，暂未发现积水区。其中已治理塌陷区面积为255.54 hm2，未治理塌陷区面积为60.28 hm2。在已治理区域内，地面塌陷不明显，治理效果较好；而未治理区域内，地面塌陷较为明显。其中，地面塌陷较明显都处于相对平坦区域。现场调查，目前地面塌陷较明显区主要分布在主工业场地西侧的13采区、东南侧的21采区。

(2)采空塌陷伴生的地裂缝地质灾害。对于某煤矿来说，煤层埋藏浅，且煤层开采厚度大，井下采空区面积大，发生地面塌陷地质灾害的规模大，采矿影响程度强烈。地面村庄较多，且有公路、铁路等交通干线，塌陷对村庄内的房屋造成损坏，对当地居民人身安全造成威胁，造成的直接经济损失远远大于500万元，受威胁人数远大于100人。现状条件下，在已开采评估区内，未治理区域地面塌陷及地裂缝等地质灾害的危害性大；已治理区域目前已稳定，地质灾害危害性小；其他区域地质灾害危害性小。矿区内地面塌陷及房屋裂缝如图1所示。

图1 矿内地面塌陷及房屋裂缝Fig.1 Ground collapse and house cracks in the mine

2.2.2 矿山地质灾害危险性预测

根据矿山开发利用方案，未来矿井煤炭资源产量仍为60万t/a，采煤方法、采煤工艺和顶板控制方法与现状相同，因而区内未来也将不存在发生崩塌、滑坡、泥石流、岩溶地面塌陷和不稳定边坡等地质灾害的可能性，预测区内未来地质灾害类型为采空塌陷及其伴生地裂缝地质灾害。

(1)煤矿开采引起的地面变形预测。某煤矿设计采用地下开采方式，二1煤层平均厚7.34 m，煤层埋深130～700 m。该矿二1煤层采用放顶法开采，即倾斜长壁后采法或走向长壁后采法，全部垮落法控制顶板。采矿活动可能引发地面塌陷地质灾害。根据《开发利用方案》，未来生产采区为13、14、15、21采区，其余采区均已回采完毕。矿井开采进入后期，21采区尚有4个区段，13采区在进行煤柱回收，14采区剩余3个区段，15采区剩余1个区段。按照各采区回采完毕进行预测，最大下沉值5 589.39 mm，最大倾斜值45.61 mm/m，最大曲率0.61 mm，最大水平移动值1 676.82 mm，最大水平变形值20.80 mm/m，地表塌陷和变形量较大。开采终了地面塌陷沉降等值线如图2所示。

图2 开采结束地面沉降等值线Fig.2 Contour of land subsidence at the end of mining

(2)地表变形引发或加剧地质灾害危险性预测评估。根据计算，地表变形最大下沉值5 589.39 mm，全区地面塌陷面积将达到76.30 hm2，开采后地表水平变形最大值将达到20.80 mm/m，地表将新增地裂缝灾害。因此，预测全井田矿山开采引发地面塌陷和地裂缝危险性大。

(3)建设工程自身遭受地质灾害危险性预测评估。某煤矿工业场地主要为主工业场地、瓦斯抽放工业场地、南风井工业场地及东风井拟建工业场地，主工业场地(包含矸石场)邻近采区及其影响范围，遭受采空塌陷的可能性一般，主工业场地所在区域采空塌陷发育程度中等，危害程度中等，而某煤矿东、南风井场地遭受地面塌陷、地裂缝危险性小。矿区自用铁路及主要公路均设有保安煤柱，地面塌陷对主要道路影响较小。

塌陷发育强区内景家门、耿湾村、吴庄和塔湾村部分村庄，通过对开采区地表移动与变形计算，地表变形对建筑损坏严重，可能造成房屋开裂、甚至倒塌，对村民安全构成严重威胁，地面塌陷和地裂缝对上述村庄危害程度严重，预测遭受地质灾害危险性大。塌陷发育中等区内村庄建筑物遭受危害程度中等，预测遭受地质灾害危险性中等。评估其他区域遭受地质灾害的危险性小。

2.2.3 矿山地质灾害危险性综合评估

地质灾害危险性综合评估是在现状评估与预测评估的基础上，依据《地质灾害危险性评估规范》(DZ/T 0286—2015)中地质灾害危险性分级表对地质灾害危险性级别进行综合分级，地质灾害危险性综合分区如图3所示。

图3 地质灾害危险性综合分区Fig.3 Comprehensive zoning of geological disaster risk

2.3 矿区含水层破坏现状分析与预测

(1)矿区含水层破坏现状分析。根据本次调查访问及矿山的地表水、地下水资料分析，现状条件下，煤矿开采期间矿井正常涌水量300 m3/h。据实地调查，矿山范围内居民的饮用水水源为矿井工业场地内的深水井(奥灰水)，矿山开采已造成浅层地下水疏干，矿山开采对居民饮用水水源影响较严重。因此现状条件下，矿山开采对煤层顶板砂岩裂隙含水层破坏程度较严重，采矿活动对地下含水层的影响或破坏情况的影响程度为较严重。

(2)矿区含水层破坏预测分析。含水层位于二1煤层上部，距离0～520 m，正常情况下与二1煤层间无水力联系，对二1煤层的开采影响不大。但在煤层隐伏露头地段，当煤层回采落顶后所形成的冒落带裂隙破裂(碎)带与该含水层沟通时，则构成直接充水水源。因此煤矿开采有可能对其产生破坏，导致该含水层含水量局部疏干，对其影响为严重。随着开采规模的扩大，将使得区域水资源短缺，进而影响当地居民正常生产和生活。

(3)采矿对含水层疏干预测。评估区煤层开采后，将会使二1煤层顶板含水层水位下降。根据矿区水文地质资料，二1煤层顶板二叠系砂岩裂隙含水层最大渗透系数K=0.06 m/d。据区内抽水试验资料，该含水层静水位标高为+110.13 m，拟采区二1煤层开采水平标高平均为+40 m，则该含水层水位降深S约为70.13 m，将这些数值代入公式进行计算，拟采区煤层开采后，抽水疏干影响半径为42.08 m。

(4)矿业开采对含水层影响综合评估。某煤矿经过多年的开采，目前已造成浅层地下水疏干，地下水位下降，现状评估认为矿山开采对含水层破坏程度为较严重。通过分析预测，未采区开采后，将加剧对含水层的破坏，预测矿山开采对评估区含水层影响或破坏程度为严重。

2.4 矿区地形地貌景观破坏现状分析与预测

2.4.1 矿区地形地貌景观破坏现状评估

(1)地面建设工程对矿区地形地貌景观影响和破坏评估。区内无自然保护区、风景旅游点和文物古迹保护单位。某煤矿矿山地面建设工程主要有3个工业场地，即主工业场地、东风井场地和南风井场地。东风井为回风井，为一立井，位于井田的北翼，场地内布置有通风机房建筑物。占地面积0.75 hm2，东风井场地的建设对地貌景观影响程度为“较严重”。

(2)煤炭开采影响区对矿区地形地貌景观影响和破坏评估。某煤矿位于嵩箕山区中段东南部，属构造剥蚀丘陵区。矿井投产以后，随着井下煤炭资源开采，使采空塌陷影响区内地表逐渐下沉，形成高低不平的塌陷区，造成耕地和村庄房屋毁损，对影响区内地形标高和地表形态产生严重影响，使矿区原生的地形地貌景观发生较大变化。矿方对已稳定采空区上方的地面塌陷进行过治理，已恢复为原地貌，所以依据《矿山地质环境保护与恢复治理方案编制规范》(DZ/T 0223—2011)附录E“矿山地质环境影响程度分级表”中规定，现状条件下，采矿活动对已治理的采空塌陷影响区内原生的地形地貌景观影响程度为“较轻”，对未治理的采空塌陷影响区内原生的地形地貌景观影响程度为“较严重”。

2.4.2 矿区地形地貌破坏预测

(1)场地占用持续影响地貌景观。根据收集评估区内涉及区域土地利用总体规划，区内未来没有规划各类自然保护区、风景旅游点和文物古迹保护单位。同时，依据某煤矿矿山开发利用方案，矿井未来不再新建或扩建地面建设工程，也不再设永久排矸场，副井出井矸石排放到临时矸石中转场地，由汽车外运，矿井所产生的矸石用于矸石充填沉陷区、修复路基及矸石制砖。

(2)新增开采区地形地貌景观破坏预测。区内未来采矿活动对矿区地形地貌景观产生破坏主要为采空塌陷地质灾害。随着井下煤炭资源的持续开采，采空区面积不断扩大，岩层移动波及地表，将使地表受采空塌陷影响范围和塌陷深度不断扩大，造成耕地和部分村庄房屋毁损，持续对影响区内地形标高和地表形态产生严重影响，使矿区原生的地形地貌景观发生较大变化。依据《矿山地质环境保护与恢复治理方案编制规范》(DZ/T 0223—2011)附录E“矿山地质环境影响程度分级表”中规定，预测未来采矿活动对开采影响区内原生的地形地貌景观影响程度为“较严重”。

(3)挖损对地形地貌景观破坏预测。为了满足后期复垦的需要，在塔湾村村委南面存在一处较大土坡，拟将该土坡作为取土场。该场地位于21采区塌陷区内，面积2.0 hm2，最大高差为7.8 m。取土场取土过程中要对原地表进行开挖，导致地表植被造成破坏，使该区域原生的地形地貌景观发生较大变化。故预测取土场内原生的地形地貌景观影响程度为“较严重”。

2.5 现状评估与预测评估分区

(1)由上述矿山地质环境现状评估结果，对照《地质灾害危险性评估规范》(DZ/T 0286—2015)中矿山地质环境影响程度分级表，对评估区影响程度进行划分，可分为2个矿山地质环境影响严重区，5个矿山地质环境影响较严重区。矿山地质环境现状评估综合分区见表2。

表2 矿山地质环境现状评估综合分区Tab.2 Comprehensive zoning of mine geological environment assessment

(2)预测评估分区。由矿山地质环境预测评估结果，对照《地质灾害危险性评估规范》(DZ/T 0286—2015)中矿山地质环境影响程度分级表，对评估区影响程度进行划分，可将全区分为9个矿山地质环境影响严重区。矿山地质环境预测评估综合分区见表3。

表3 矿山地质环境预测评估综合分区Tab.3 Comprehensive zoning of mine geological environment prediction and evaluation

某煤矿现状评估分区如图4所示。

图4 某煤矿现状评估分区Fig.4 Coal mine status evaluation zone

预测评估分区如图5所示。

图5 某煤矿预测评估分区Fig.5 Coal mine forecast evaluation zone

3 矿山土地损毁预测与评估

3.1 已损毁各类土地现状

现状条件下，对土地资源的损毁主要表现为场地建设、排矸场对土地的压占，以及采煤所引起的土地塌陷。

(1)压占。生产建设过程中，工业场地、矸石场等不可避免地要覆盖原地表，造成土地压占损毁，对土地资源的损毁是毁灭性的。现状调查目前某煤矿对土地的压占主要表现为主工业场地、矸石场、南风井工业场地、东风井工业场地的压占，主工业场地面积17.55 hm2，矸石场面积5.51 hm2，南风井工业场地4.58 hm2，东风井工业场地0.75 hm2，共计28.39 hm2。根据《编制规程》和其他参考资料，压占损毁程度分为重度、中度及轻度。某煤矿压占面积大于3 hm2，压占时间大于4个季度，故损毁程度为重度。

(2)塌陷。某煤矿主要开采二1煤层，由于开采时间久，矿区内部存在大片老空区，开采的二1煤层埋藏浅，特别是矿区南部和北部，煤层埋藏较浅，二1煤层为厚煤层，平均厚度约7.34 m，井下煤层的开采引发地面塌陷及地裂缝的规模大，危害性大。地裂缝一般是伴随井下工作面的开采而成。在地势相对较平的区域，地面塌陷比较明显，反之，在地势相对高差较大的丘陵地区，地面塌陷不明显。据调查统计，矿区在登封市境内压占损毁土地27.64 hm2，塌陷区轻度损毁土地44.30 hm2，中度损毁土地15.98 hm2；新密市境内压占损毁土地0.75 hm2。

3.2 拟损毁土地预测与评估

对土地资源的拟损毁主要表现为场地建设、排矸场对土地的压占，取土场对土地的挖损，以及采煤所引起的土地塌陷。

(1)压占损毁预测。矿山生产期工业场地将继续占用土地，主工业场地、矸石场、南风井工业场地、东风井工业场地的压占，面积共计28.39 hm2，损毁程度为重度。

(2)土地挖损预测。为了满足后期复垦的需要，拟选塔湾村村委南面现有的一处较大土坡作为取土场，面积2 hm2，取土厚度按平均5 m计。现状土地类型为旱地和其他草地，该位置土层较厚，面积大，可作为复垦区土源。

(3)塌陷区土地损毁预测。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，以下沉10 mm作为地表移动边界，地表移动边界圈定的范围就是开采产生的地表移动范围。根据前面预测结果，地表变形最大下沉值5 584.82 mm，全区地面塌陷面积将达到76.30 hm2。①拟损毁土地面积。塌陷范围内土地利用类型包括耕地、林地、草地和城镇村及工矿用地等，塌陷区拟损毁土地面积共计76.30 hm2，其中登封市境内拟损毁面积75.57 hm2，新密市境内0.73 hm2。②拟损毁土地损毁程度。煤层开采引起的地表塌陷对地面的扰动较大，改变、损毁了项目区原有地貌、植被及土壤结构，在地表形成了采动裂缝，使土地丧失了原有的固土抗蚀能力，容易产生严重的水土流失，影响矿区正常生产和项目区及周边生态环境状况。

为了使开采塌陷区土地损毁程度评价指标能够更准确确定开采塌陷对土地的损毁，利用开采技术条件和地表移动变形预计来预测开采塌陷损毁土地的损毁程度，按照不同地类分别对损毁土地进行损毁程度分析，土地复垦项目复垦区内以耕地为主。预测塌陷损毁土地总面积为76.309 hm2，其中损毁登封市土地面积75.57 hm2，新密市0.73 hm2，损毁程度为重度5.79 hm2，中度33.78 hm2，轻度36.73 hm2。各利用类型土地损毁程度分析具体见表4和表5。

表4 塌陷拟损毁登封市土地损毁程度Tab.4 Extent of land damage in Dengfeng City due to collapse hm2

表5 塌陷拟损毁新密市土地损毁程度Tab.5 Extent of land damage in Xinmi City due to collapse hm2

(4)损毁土地汇总。根据上述分析，预测拟损毁土地面积106.69 hm2，其中塌陷损毁76.3 hm2，压占损毁28.39 hm2，挖损损毁2 hm2，详细数据见表6。

表6 拟损毁土地汇总Tab.6 Summary of land to be destroyed hm2

3.3 重复损毁情况

参照已损毁土地情况、拟损毁情况及土地利用现状图，从土地利用现状图中可以看出矿山开采时，其预测塌陷塌陷影响范围内存在部分已损毁塌陷区域，因此地下开采塌陷将对已损毁区域造成二次损毁。分县市重复损毁土地情况汇总表见7、表8。

表7 重复损毁土地情况汇总(登封市)Tab.7 Summary table of repeated damaged land(Dengfeng City)

表8 重复损毁土地情况汇总(新密市)Tab.8 Summary of repeated land damage(Xinmi City)

3.4 矿区损毁情况汇总

经土地损毁分析与预测，损毁土地总面积为144.24 hm2。其中，按损毁时序：已损毁344.21 hm2，拟损毁106.69 hm2，已复垦255.54 hm2，重复损毁51.12 hm2；按损毁方式：压占28.39 hm2，挖损2 hm2，塌陷113.85 hm2；按损毁程度：轻度损毁59.30 hm2，中度损毁48.86 hm2，重度损毁36.08 hm2；按损毁地类：旱地50.02 hm2，有林地1.52 hm2，灌木林地0.14 hm2，其他草地3.88 hm2，村庄55.81 hm2，采矿用地27.91 hm2，公路用地4.88 hm2，铁路用地0.08 hm2；按损毁权属分：损毁登封市大冶镇弋湾24.61 hm2，吴庄73.29 hm2，塔湾37.01 hm2，桥板河5.13 hm2，冶东村2.72 hm2，新密市平陌镇界河村0.75 hm2，平陌村0.73 hm2。

4 矿山地质环境保护与恢复治理分区

矿山地质环境保护与恢复治理分区如图6所示。

图6 煤矿保护与恢复治理分区Fig.6 Protection and recovery management division

据矿山地质环境现状评估和预测评估结果，分为重点防治区、次重点防治区、一般防治区，对于现状评估与预测评估结果不一致的采取就上原则进行分区。矿山地质环境保护与恢复治理分区说明见表9。

5 结语

通过对矿山地质环境影响和土地损毁评估的研究，在后续环境治理工程中可以依据开发利用方案及采矿工程布局，紧紧围绕井工开采的矿区地质环境问题的发育特征及其发展趋势，统筹规划矿山地质环境防治工程。根据矿山地质环境影响和破坏程度、地质灾害类型及其危险性稳定状况，本着轻重缓急的原则，全面规划，合理布局，能做到技术可行、经济合理、因地制宜，能做到科学有效，改善矿区地质环境。