介休市义棠青云煤矿地质环境现状评估与恢复治理研究

2021-11-29陈威龙许海峰

能源与环保 2021年11期

江泳，陈威龙，郝廷，许海峰

(1.山东省临沂市自然资源开发服务中心，山东临沂 276001； 2.江苏工勘岩土工程有限公司，江苏徐州 221000)

义棠青云煤矿设计生产规模为90万t/a，作为当地经济发展的支柱产业，为当地经济社会发展做出了巨大贡献[1]。而矿山开采势必会造成当地生态地质环境的破坏，如何实现矿产开发与生态地质环境保护并重，是目前矿业开发的首要任务[2-4]。

通过矿山地质环境现状调查发现，矿区目前主要有不稳定斜坡、地裂缝、泥石流、土地占压、地形地貌破坏等不同的地质环境问题。预测矿山在建设过程中可能加剧引发地面塌陷、地裂缝、崩塌及泥石流等地质灾害，沟道及沟坡上堆放的矸石可能加剧泥石流地质灾害[5-6]，严重威胁当地人民群众生命财产安全。为最大限度地减少、减轻矿业开发对矿山地质环境的负面影响，提高企业的经济效益、增强企业市场竞争力，建设高产高效能的现代化矿山，通过对矿区生态地质环境进行评估，提出综合治理方案，恢复矿山生态环境，促进资源合理开发与环境保护协调发展[7-11]，达到预期消除或减轻地质灾害隐患、重塑被破坏的地形地貌景观、复垦矿山损毁土地、改善区域生态环境、提高水源涵养功能、减少水土流失、促进生态系统良性循环的总体治理目标[12]。

1 地质环境特征

1.1 地层

井田内大面积为第四系松散层覆盖，仅在沟谷、坡底中见基岩出露。根据地表出露和井田内利用钻孔资料，井田内主要地层由老到新分别为：奥陶系中统上马家沟组、峰峰组，石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组和第四系。含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组。

石炭系上统太原组为一套海陆交互相含煤沉积地层，由河漫滩相之砂岩、沼泽相之泥岩、煤层，海相之石灰岩组成，厚度为91.01～106.21 m，平均厚99.12 m；二叠系下统山西组为一套陆相含煤沉积建造，岩性为灰色、灰黑色砂岩、砂质泥岩和煤层，底部为灰色中砂岩，组厚度63.78～89.11 m，平均厚75.13 m。

1.2 构造

井田总体为倾向北西的单斜构造，岩层倾角一般在3°～20°，多为5°～14°。井田及周边发育8条落差20 m以上的断层，开采过程中揭露落差5 m以下的断层9条。区内未发现陷落柱，未发现岩浆岩侵入。断层对采区的合理划分和采煤工作面的连续推进有一定影响，地质构造复杂程度为中等。

2 矿体特征及水文地质条件

2.1 矿体地质特征

井田内主要含煤地层为太原组和山西组。山西组地层平均厚75.13 m，含煤7层，煤层平均总厚5.49 m，含煤系数为7.3%；可采煤层总厚3.91 m，可采含煤系数5.20%。其中，5号煤层为全区稳定可采煤层，2号煤层为较稳定的大部可采煤层，3号煤层为不稳定的局部可采煤层，其余均为不可采煤层。

2.2 水文地质条件

(1)含水层。①奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。含水岩性为石灰岩，静止水位埋深110 m，水位标高+900 m，出水量12.5 L/s，水位降深40 m，水质为HCO3·SO4-Ca·Mg型，pH值为7.8，矿化度为0.477 8 g/L，总硬度为390.3 mg/L，总碱度为202.7 mg/L。②太原组碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。地层厚100.90 m，含水层厚19.13 m，水位标高+892.625 m，水位最大降深37.07 m，钻孔单位涌水量0.031 76 L/(s·m)，渗透系数0.249 1 m/d。水化学类型SO4-Na型，矿化度0.61 g/L，pH值为8.50，属弱富水含水层。

(2)隔水层。①碎屑岩层间隔水层。由泥岩塑性岩石组成，分布于各砂岩含水砂岩层之间，在纵向上使含水层、隔水层组合成平等复合结构，含水层、隔水层处于分散间隔状态，含水层间的水力联系被其间的隔水层所隔，形成独立的含水体系，地表沟谷切割处常沿隔水层顶板出露泉水。②石炭系中统铝土质泥岩至石炭系上统太原组煤层之下隔水层组。主要由泥岩、铝土质泥岩、砂质泥岩组成，分布于碳酸盐类含水层与碎屑岩夹碳酸盐类的交界处，为其间的天然隔水层。

3 矿山地质环境影响(破坏)现状评估

3.1 地面塌陷、地裂缝地质灾害危险性现状评估

现状条件井田范围内2号、5号煤层存在一定范围的采空区，主要位于井田东南部。形成2号煤层采空区面积0.508 6 km2，5号煤层采空区面积0.551 4 km2，各煤层采空区叠加水平投影面积达0.724 0 km2，占整个井田面积的13.2%。矿区采空区及影响范围分布如图1所示。

图1 矿区采空区及影响范围分布

评估区内赵家窑村分布于2号和5号煤层采空区，煤层埋深较大，一般为700～800 m。该村曾发生严重的地裂缝、地面塌陷地质灾害，政府已于2018年开始组织赵家窑村全村统一搬迁，搬迁费用大于500万元。现状条件下，赵家窑村居民区地面塌陷、地裂缝地质灾害危险性大，地质灾害影响程度严重[12-15]。

3.2 崩塌、滑坡地质灾害危险性现状评估

新建的主井工业场地占地面积0.113 7 km2，位于矿区中部涧庄沟东侧的一条支沟内，受地形的控制，场地内扩建工程建设挖方量较大，分别在职工宿舍楼东侧至洗煤车间北侧(XP1)、办公楼北侧至筒仓北侧(XP2)、储煤棚南侧至筒仓南侧(XP3)形成3处不稳定斜坡(图2)。

图2 主井场地布置和斜坡分布

(1)不稳定斜坡XP1。位于职工宿舍楼东侧至洗煤车间北侧，坡高约25 m，长 230 m，坡度约75°。岩性为第四系上更新统砂质黏土，由于坡度较陡，坡面土质疏松，现状条件下稳定性较差，长期的振动、降雨、冻融等诱发因素影响下，造成的崩塌、滑坡地质灾害可能性较大，损失大于500万元，影响程度“严重”[10]。

(2)不稳定斜坡XP2。位于办公楼北侧至筒仓北侧，边坡高20～30 m，长约160 m，岩性为第四系上更新统砂质黏土。边坡风化严重，土体结构松散，抗剪强度低，稳定状态较差。现状条件下，XP2斜坡东段约100 m范围内稳定性较差，XP2斜坡直接威胁地面生产人员、排矸车间、筒仓等，存在崩塌、滑坡地质灾害隐患[11]。

(3)不稳定斜坡XP3。位于储煤棚南侧至筒仓南侧，高20～25 m，长约150 m，总体坡度约80°，局部坡体近于直立，边坡风化严重，土体结构松散，柱状裂隙发育，抗剪强度低，稳定状态较差。XP3斜坡直接威胁地面生产人员、过往车辆和行人、储煤棚、筒仓等，存在崩塌、滑坡地质灾害隐患[12]。

不过天不遂人愿，这天上午除了其他店铺的老板们，就没人来了。这天本来就不是节假日，天气还不好，连买完菜的大叔大婶们都急着回家收衣服，谁还有心情来买假货啊。但是老道还是信心满满、精力旺盛的样子。王祥都不禁担心起老道的精神状况了，别是一直卖不出去自己的玉器，把老道给急出病来了……

3.3 泥石流现状评估

(1)主井工业场地泥石流地质灾害现状评估。主井工业场地位于矿区中部涧庄沟西侧的一条支沟内，建筑设施主要位于润庄沟西侧支沟内，筒仓为该条支沟的东侧沟头处，该条沟汇水面积为0.19 km2，沟长约450 m，纵坡约17.7%，两侧边坡已经过人工治理，呈台阶式分布，沟内也进行了地面硬化和排水设施建设，无松散物堆积。现状条件下，主井工业场地泥石流地质灾害不发育。

(2)矸石场泥石流地质灾害现状评估。矸石场所在沟谷为一条自然荒沟，荒草覆盖，排矸由沟头处自上而下填沟。矸石场所在沟谷断面呈“V”字形，主沟长约850 m、宽约100 m、深约80 m，汇水面积为0.31 km2。两侧坡度50°～80°，流域相对高差90 m，主沟纵坡10.3%，植被覆盖率10%左右。平时沟中无水，只有雨季时洪水从沟中快速流过，现状条件下泥石流地质灾害不发育。

(3)风井工业场地泥石流地质灾害现状评估。回风井建于河床北岸约30 m处，风井井口高出河床约6 m。泥石流物源为沟谷中黄土崩落物，风井工业场地上游松散崩落物约3 000 m3，上游方向的主沟长约3.7 km，底宽10～20 m，工业场地上游汇水区面积为7.2 km2，两侧坡度30°～50°，流域相对高差220 m，主沟纵坡4.5%，植被覆盖率30%左右。现场调查，涧庄沟为季节性河流，雨季时洪水从沟中快速流过，属于潜在泥石流沟谷。

4 地形地貌景观破坏现状

4.1 采空区

采空区形成的地面裂缝、地面塌陷规模较小，但改变了原始地表的标高，对地表含水层的破坏直接影响植被的生长。现状条件下，已有采空区对地形地貌影响程度为“较严重”，面积为0.724 0 km2。

4.2 主井工业场地

现有工业场地占地面积11.21 hm2(图3)。受原生地形的限制，在涧庄沟修建了排水涵洞，扩建工业场地与各功能区对沟谷内排水涵洞之上进行了大面积的填方，对沟谷两侧进行了挖方，使其所在范围的原生地形地貌景观发生较大的改变，破坏了原来连续分布的自然山体生态景观，产生了与原有自然景观极不协调的生态斑块，对井田原生的地形地貌景观影响和破坏程度大。现状评估工业场地与各功能区对地形地貌景观的影响程度为“严重”[12-18]。

图3 工业场地现状照片

4.3 风井工业场地

风井工业场地占地面积为3.17 hm2。该工业场地原有的旧建筑大部分已经废弃，但还没有拆除，原煤堆放和煤炭运输而导致工业场地呈明显的黑色斑块，未经治理，与周围环境极不协调，破坏了原生连续分布的自然山地生态景观。现状评估风井工业场地与各功能区对地形地貌景观的影响程度为“严重”。

5 矿山地质环境治理分区及治理工程

5.1 矿山地质环境治理分区

根据现状评估，将评估区范围划分为重点防治区和一般防治区。重点防治区面积5.469 0 km2，包括主井工业场地重点防治区、风井工业场地重点防治区、矸石场重点防治区、采空区重点防治区；一般防治区面积1.251 4 km2，预测煤层开采将引发地质环境问题[15-19]。

5.2 地质灾害治理工程

(1)不稳定斜坡治理工程。边坡的工程地质特征：XP1、XP2、XP3不稳定斜坡坡体岩性为第四系上更新统(Q3)，岩性为灰黄色亚砂土、粉土，局部夹透镜状砂砾层，稍湿，稍密—中密，垂直节理发育。主要物理力学指标：土粒密度2.69 t/m3，天然容重13.8～14.6 kN/m3，天然含水量1.4%～6.5%，天然孔隙比0.868～1.076，液限22.2%～22.5%，塑限15.8%～ 15.9%，塑性指数6.4～6.6，压缩系数0.09～0.11 MPa-1，压缩模量18.5～20.4 MPa，湿陷系数0.072 8～0.081 9，内摩擦角23.1°～40.2°，凝聚力21.7～24.1 kPa。

斜坡XP1治理工程，削方工程量约21 450 m3，设置排水沟总长约130 m，削方后坡度为63°，重力挡墙顶向上每升高8 m设置一个平台，平台宽度为2 m，平台上修筑截水沟，削坡土方主要用于工业场地的填方整平，少部分用于地裂缝填埋，运距一般为300 m左右(图4)。

图4 斜坡XP1治理工程示意

(2)泥石流治理工程。工业场地所在的沟谷属泥石流易发区，且可能对工业场地产生威胁。对于泥石流，具体措施主要有疏畅沟谷，及时清理沟谷两侧崩塌、滑坡等造成的松散堆积物，以防堵塞河道、造成排洪不利，应加强排水，同时对工业场地上游水情加强监测。工业场地上游沟谷现状条件下，存在第三、四系松散层堆积物约3 000 m3，需挖方土量约3 000 m3。

5.3 土地复垦治理工程

(1)沉陷区土地复垦[20]。①土地平整。沉陷区耕地主要为梯田，梯田面积246.79 hm2、坡地面积10.13 hm2，平整方法为抽槽法，以开挖线为分界线，把待平整的地面线分成若干带(宽度一般为2～5 m)，平整时依次逐带地先将熟土翻到一侧，然后挖去沟内多余的土，按施工图运至填方部位。填方部位也要先把熟土翻到一侧，填土达到一定高度后，再将熟土平铺在生土上。②土地翻耕。将一定深度的紧实土层变为疏松细碎的耕层，从而增加孔隙度，以利于接纳和贮存雨水，促进土壤中潜在养分转化为有效养分和促使根系的伸展，复垦翻耕深度30 cm。③土壤培肥。由于基本农田占耕地比例较大，此次复垦通过对所有耕地增加培肥量，保证耕地、尤其是基本农田质量不降低。

(2)工业场地复垦工程。工业场地面积11.21 hm2，拟复垦旱地10.30 hm2、田坎0.91 hm2，复垦工程措施主要为：砌体拆除总量约10 000 m3，场地清理面积约11.21 hm2、覆土面积约11.21 hm2，培肥面积约10.30 hm2。

(3)矸石场综合治理工程。矸石场治理主要包括矸石堆置与覆土绿化，矸石由沟底开始自下而上采取分段分层排放，用推土机将煤矸石推平，并通过推土机往返对煤矸石进行分层压实。矸石每堆放2.0 m覆土0.5 m厚并压实，当堆矸至坝顶标高后，随着堆矸的升高，下游形成1∶3永久边坡，煤矸石排放到设计高度时表层覆土0.6 m，并植树造林。两堆矸坡面之间设计宽10 m的平台，平台设计灌草结合进行绿化。