草原生态脆弱区采煤沉陷区地表损毁特征研究*

张洋洋

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

东部草原是我国重要的煤炭资源供应地，普遍具有储量大、土壤贫瘠、生态脆弱等特点，随着煤炭的地下开采，对环境和土地就会产生破坏，造成地面沉陷、地裂缝等矿山环境地质问题[1]。采煤沉陷破坏了土壤结构，加速了土壤的干旱和沙化进程，进而对地表土壤的养分指标产生了影响，使生产力降低，加剧了草原生态环境恶化进程[2～8]，黎炜等也指出地表土壤的养分会受环境的影响[9]。研究草原生态脆弱区煤炭开采对地表的损毁形式及土壤性质的变化，寻求合理的控制和治理技术，对于保障矿井生产安全、减轻地下开采对草原脆弱生态环境的影响具有重要的理论和实用价值。

1 研究区概况

1.1 矿井概况

敏东一矿隶属于神华国网能源内蒙古大雁集团有限公司，行政区划属内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗管辖，2008年建矿，位于伊敏河东矿区东南部，大兴安岭西坡，呼伦贝尔草原伊敏河中下游的东侧，矿井东西长约10.3 km，南北宽约7.57 km，面积约49.142 2 km2，设计生产能力为500万t/a，采用立井方式开拓，走向长臂综采放顶煤开采工艺。敏东一矿属于我国北方典型的上侏罗统-白垩系泥质膨胀软岩分布区，综放开采平均采厚约8 m，特殊的地质条件与采矿条件决定了地下开采对地表的影响具有其自身特征。

1.2 自然概况

矿区全部被第四系土层覆盖，主要为砂砾石、风成砂、亚粘土及腐植土等现代沉积物,厚度在20～120 m之间，不整合于所有其它地层之上。工作面上方地表土地利用类型为草地。

矿区位于伊敏河以东的缓坡丘陵干草原与河谷冲、湖积平原的过渡带，西部属缓坡丘陵，东部为河谷、湖积平原，隐域性土壤发育。在区域内，以草甸土为主，构成非地带性土壤，有机质含量少，土壤贫瘠。气候属于寒温带大陆性季风气候,冬季寒冷漫长、夏季温凉短促、春季干燥风大、秋季气温骤降，霜冻早。

矿区属于缓坡丘陵典型草地及河流两岸非地带性草甸草场类，为芨芨草——杂草类、芨芨草——针茅+羊草+杂草类植被组成，植被盖度40%～75%。

1.3 采矿地质条件

敏东一矿开采深度为+603～-550 m。该区全部为第四系所覆盖，根据已有资料，地层有古生界的寒武系、泥盆系、石炭～二迭系；中生界侏罗系上统兴安岭群的龙江组、甘河组和扎赉诺尔群的大磨拐河组、伊敏组；新生界的第四系。白垩系下统大磨拐河组和伊敏组为含煤地层。伊敏河组为该区的主要含煤岩组，以含巨厚煤层为其特征。主要岩性为灰白色砾岩、砂砾岩、粗砂岩等陆源碎屑岩，含少量的中、细砂岩、粉砂岩及泥岩。厚度最大为720 m左右，一般在300～500 m之间。含14、15、16等三个煤层组计12层煤层，由上至下编号依次为14、15-1、15-2、15-3、15-4、15-5、15-6、15-7、16-1、16-2、16-3和16-4。其中,16-1及16-3两个煤层全区可采，14及15-6煤层为不可采煤层，其它煤层为全区大部可采或局部可采煤层。煤层一般为中、厚煤层，其中,16-3煤层为巨厚煤层，煤层埋深一般在300～500 m左右，顶板为含砾砂岩，泥质胶结，密度较大，底板为粉砂岩。该组含煤总厚度最大90.19 m，最小0.30 m，平均28.11 m；含可采煤层总厚最大69.62 m，最小1.05 m，平均20.07 m；含有益煤层平均总厚22.23 m。现开采煤层为16-3上，工作面宽度约为235 m，平均开采厚度约为11.42 m，其总的趋势是西南部较薄，向东南部逐渐变厚。

2 井工开采对地表影响分析

2.1 概率积分法预计参数

根据敏东一矿开采区域的地质采矿条件，采用概率积分法进行地表移动变形预计。地表移动变形计算参数有下沉系数(q)、水平移动系数(b)、主要影响角正切(tanβ)、开采影响传播系数(k)、拐点偏移距(s)。在敏东一矿16-3上煤层I01163上01首采综放工作面上方地表岩层移动范围内布设地表岩层移动观测站并定期进行观测，参照敏东一矿地表移动变形实测资料和研究成果，确定本区地表移动与变形预计参数如表1所示[10]。

表1 地表移动与变形预计参数

2.2 地表移动与变形分析

根据现场踏勘情况，该矿区在I1106300工作面开采后，出现了地表裂缝、隆起现象，如图1、图2所示。

图2 挤压隆起

地表移动破坏范围一般都比对应的采空区范围大，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规定，下沉10 mm是地表移动的边界，地表移动边界圈定的范围就是开采产生的地表移动范围，此范围所属的区域即为煤矿沉陷区，下沉曲线如图3所示，预计下沉最大值在工作面中心，最大值为8 000 mm，与实际下沉值基本相符，由于矿区软基岩沙质松散层的特殊地质条件，沉陷区范围内没有产生大的台阶裂缝及漏斗状的塌陷坑，地表移动变形类型为连续性变形。

图3 I1106300工作面下沉曲线/mm

在采空区上方地表，水平方向主要受到压缩作用，因此，地表主要出现挤压应力，从而形成挤压隆起，而在采空区边界上方地表，主要受到水平拉力作用，从而出现拉伸型裂缝。结合现场实测裂缝、隆起的发育位置，在I1106300工作面上方，当水平压缩变形大于8 mm/m时产生隆起，水平压缩曲线如图4所示，图中阴影部分为产生隆起的区域;水平拉伸变形大于4 mm/m时产生裂缝，水平拉伸曲线如图5所示。

图4 I1106300工作面水平压缩曲线/(mm/m)

图5 I1106300工作面水平拉伸曲线/(mm/m)

3 井工开采对地表土壤理化性质的分析

从研究区内不同的地点采样进行研究，根据样点数据的可获取性，采用梅花型布点法进行采样，采样地点分别为原生草原对照区、I1106300工作面上方裂缝区及隆起区。每个样点分土壤上层0～20 cm和下层20～40 cm分层取样，每层各取三个混合样，用土钻采样。土壤养分分析指标为pH值、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮及有机质，pH值采用电位法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸取-钼锑抗比色法测定，速效钾采用浸提火焰光度法测定，全氮含量采用半微量凯氏法测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定，实测数据如表2所示，并利用Excel计算工具对实测数据进行差异显著性分析。

表2 对照区、隆起区与裂缝区土壤特性对比

由表2可知，矿区地表土壤基本呈现中性(6.33～6.51)，参照《第二次全国土壤普查土壤养分分级标准》，对照区上层(0～20 cm)碱解氮平均含量属于2级，隆起区、裂缝区上层(0～20 cm)碱解氮平均含量属于3级；对照区、隆起区及裂缝区上层(0～20 cm)有效磷平均含量属于5级；对照区、隆起区及裂缝区上层(0～20 cm)速效钾平均含量属于3级；对照区上层(0～20 cm)全氮平均含量属于1级，隆起区、裂缝区上层(0～20 cm)全氮平均含量属于2级；对照区、隆起区及裂缝区上层(0～20 cm)有机质平均含量均属于6级。结合对土壤养分指标的显著性分析，得出对照区、隆起区、裂缝区上层(0～20 cm)的有效磷、速效钾、碱解氮含量均有不同程度的下降，而全氮、有机质含量出现了显著性差异(P<0.05),如图6、图7所示。对照区、隆起区、裂缝区下层(20～40 cm)指标含量没有明显的变化，部分采样点裂缝区的养分指标相对于隆起区的养分指标有所下降。

注：不同小写字母表示处理间0.05水平差异显著图6 对照区、隆起区与裂缝区全氮含量显著性分析

注：不同小写字母表示处理间0.05水平差异显著图7 对照区、隆起区与裂缝区有机质含量显著性分析

对于造成土壤肥力显著差异的原因，主要是因为地下煤炭开采引起地表沉陷后，沉陷区土壤养分的赋存特征发生了明显改变，地表发生的沉陷、裂缝、隆起，使原地貌的地表形态、土壤结构发生了改变，增加了地表的土壤侵蚀和水土流失强度，使0～20 cm地表土壤的养分流失加剧，由于地表植被的根系主要分布在0～20 cm处，导致植被退化，加剧了矿区地表土壤沙化。同时，卞正富、赵明鹏等[11～12]也认为开采沉陷造成的地面坡度对土壤养分指标也存在一定的影响，而裂缝区基本发育在沉陷区的边坡上，隆起区发育在工作面的正上方，即沉陷区的坡底，造成了裂缝区的土壤养分指标下降程度相对较大。

矿区处于干旱半干旱的生态脆弱区，软基岩沙质松散层的地质条件下，地表土壤比较贫瘠，有机质含量为6级，厚度较小，一般为40～50 cm，水土保持能力差，所以土壤养分并未出现“逆序”特征。

4 结 论

煤炭开采带来经济利益的同时，对地表土壤以及生态环境也造成了不可避免的破坏，使地表土壤肥力下降、植被退化，综合实验研究结果，得出以下结论：

(1)结合对地表移动变形的预计和现场调查的结果，给出了沉陷区、裂缝区以及隆起区的发育范围，为今后的矿区生产以及生态治理规划提供依据。

(2)与对照区草地相比较,裂缝区、隆起区上层土壤(0～20 cm)碱解氮、有效磷、速效钾、全氮及有机质指标含量相对降低,尤以全氮和有机质变化显著。