山西省大同塔山煤矿地质环境问题与治理对策研究

2022-04-08彭建阳崔朋涛朱文慧尚佳楠苏永江

能源与环保 2022年2期

彭建阳，崔朋涛，朱文慧，尚佳楠，苏永江

(河南省航空物探遥感中心，河南郑州 450000)

塔山煤矿位于山西省大同市云冈区口泉乡上窝寨村北，矿区东北侧有京包铁路线、大秦线，东侧有北同蒲线，塔山煤矿铁路装车线已经形成(接轨北同蒲线)[1]。矿区东侧有大运高速公路，可通往河北省、内蒙古等地，矿区建有煤炭专用二级公路与大运公路相连，交通十分方便。

大同塔山煤矿目前开采水平+1 045 m，现采煤层3—5号煤层，井筒数量3个，采煤工艺为综采放顶煤，生产能力为300万t/a[1]。矿山开采过程中造成了一系列的地质环境和生态破坏问题，为了合理开发利用矿产资源，实施保护、监测和恢复治理矿山地质环境问题[1-6]，本文通过现场地质环境调查，提出具体问题，根据具体问题进行综合治理[3-5]。为预防和治理煤矿生产对土地造成的损毁及对生态环境的影响提供参考[5-8]。

1 地质环境特征

1.1 矿区地质

塔山煤矿位于大同煤田中东边缘地段，属大同向斜中东翼。矿区出露地层为太古界集宁群，古生界寒武系、奥陶系下统冶里组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，侏罗系下统永定庄组、中统大同组、云冈组、第四系中、上更新统和全新统[1]。

矿区岩浆活动主要为印支期侵入的煌斑岩，其入侵通道可能为断裂构造，主要以小岩床的形式侵入煤系地层，分布范围较小。塔山煤层走向北东，倾角平缓。矿区揭露断层22条，落差0.20～5.10 m。

1.2 矿体特征

(1)含煤地层。矿区赋矿煤层主要为侏罗系大同组、二叠系山西组、石炭系上统太原组等[1]。侏罗系大同组含可采煤层现已大部分采空，二叠系山西组多为不可采煤层，石炭系上统太原组煤层，为矿区主要采煤层，煤层厚73.67～93.40 m，平均厚85.45 m，含煤系数为42%。

(2)可采煤层。矿区可采煤层自上而下分别为2号、3—5号、7号、8号、9号煤层。2号煤层厚0.10～3.90 m，平均厚2.33 m，位于太原组，大部分已被采空；3—5号煤层上距2号煤层1.55～6.67 m，平均4.35 m，该煤层厚度15.72～26.77 m，平均厚17.93 m，变异系数为0.16%，属稳定煤层，夹矸一般为5～11层；7号煤层上距5号煤层3.57～15.84 m，平均8.10 m，煤层厚度0～3.92 m，平均厚1.67 m，夹矸一般为0～3层；8号煤层上距7号煤层16.18～26.23 m，平均20.31 m，煤层厚度1.47～7.45 m，平均厚4.24 m，含0～2层夹矸，属可采稳定煤层；9号煤层上距8号煤层1.50～9.98 m，平均7.28 m，煤层厚度0～3.35 m，平均厚1.43 m，含0～3层夹矸。

1.3 水文地质条件

(1)含水层。主要包括：①第四系孔隙水，含水性较弱且易受到污染；②大同组含水层，该含水层由于采煤破坏，处于疏干状态；③永定庄组含水层，涌水量为0.002 5 L/(s·m)，渗透系数为0.004 m/d，富水性弱；④山西组含水层，涌水量为0.000 465 8 L/(s·m)，渗透系数为0.000 552 m/d，富水性弱；⑤太原组含水层，涌水量为0.000 27 L/(s·m)，渗透系数为0.000 89 m/d，为承压水，富水性弱[1]。

(2)隔水层。矿区隔水层主要为石炭系中统本溪组，其次为煤系地层中泥质岩类。隔水层具有相对性，在隔水层受到风氧化或构造破坏的情况下，其隔水性能将降低，甚至失去隔水作用。

1.4 工程地质条件

矿区为多煤层含煤岩系，岩体结构以层状结构为主，顶板多为粉砂岩、细砂岩或砂质泥岩，稳定性一般。底板多为砂质泥岩、炭质泥岩或细砂岩，由于该矿地质构造简单，含水层富水性弱，煤层顶底板以中等稳定类型为主。基本顶初次来压及周期来压明显，初次来压步距为工作面长度的85%～110%，周期来压步距为工作面长度的20%～30%；直接顶的初次垮落距为工作面长度的20%～40%；当基本顶为整体厚砂岩时，冒落高度可达30～50 m，呈倒台阶状，并始终留有0.4～0.6 m高的间隙。

2 矿山地质生态环境现状

根据矿山地质环境调查结果，矿区面积8.146 km2，矿区北部、西部和南部与同煤大唐塔山井田相接，东南部与山西煤运集团七峰山井田相接，矿区北部井筒以东区域为煤层露头。矿井风井广场与矸石场位于矿界外。

2.1 采空区地质灾害危险性现状

矿山具有较长的开采历史，侏罗系煤层已基本采完，采深多在 80～120 m，据统计，累计形成采空区面积约4.432 1 km2(图1)。

图1 矿区采空区分布Fig.1 Distribution map of mined-out area

(1)采空区引发的地面沉陷、地裂缝地质灾害问题。根据野外实地调查，目前可见明显的地裂缝群主要分布在矿区中北部，以3—5号煤层工作面开采区域上方较为集中，地裂缝走向多呈北东—南西向，多呈直线型或略带有小弧度，剖面上多呈从采空区边缘向采空区中部逐级下错的台阶状，裂缝宽度0.1～1.2 m，长 10～60 m，可见深度0.3～0.8 m，裂缝间距5～20 m，每组地裂缝群有裂缝3～5条(图2)。

图2 采空区地表塌陷区Fig.2 Surface subsidence area of goaf

受地面沉陷、地裂缝影响的耕地面积约43.97 hm2，约合44hm2旱地遭受减产损失，按减产损失4 500元/hm2计算，造成的耕地区直接经济损失约19.8万元。2017—2020年矿方累计投入地裂缝、地面沉陷治理费用>100 万元。

(2)采空区引发工业场地崩塌、滑坡地质灾害问题。①工业场地办公楼北侧边坡。该边坡为修建时平整场地切坡而成，坡高10～15 m，坡宽约120 m，坡体已治理，坡面浆砌石护面，建有坡顶截水渠、坡脚排水渠，分三级台阶护坡，每级台阶高5～6 m，现状条件下边坡稳定性好，地质灾害危险性小(图3)。②工业场地风井西侧边坡。该边坡切坡坡高25～35 m，坡宽约85 m，坡体出露岩性为寒武系灰岩、白云岩，岩体表层风化较强烈，节理裂隙发育，边坡坡角约 40°，岩层产状286°∠40°。坡体下部为浆砌石护面墙，坡体中部喷浆护面，坡下主要建构(筑)物为矿井风井与配电室，现状条件下边坡稳定性较好，地质灾害危险性小(图4)。

图3 工业场地办公楼边坡Fig.3 Slope of office building in industrial site

图4 工业场地风井边坡Fig.4 Slope of air shaft in industrial site

2.2 泥石流地质灾害危险性现状

矿区内地表呈典型的低山丘陵地貌，第四系较发育，形成众多的黄土陡坡。矸石周转场地位于工业场地西北侧沟谷一自然冲沟内，冲沟剖面形态为V形，长度约180.0 m，沟宽30.0 m，沟深20.0 m，占地面积0.83 hm2，库容20万 m3，服务年限3.0年。现状条件下，只有少量矸石堆放约1 000 m3，最大填方高度10.5 m，现状调查评估区内未发生过泥石流地质灾害。现状调查，沟底堵塞情况轻微。

2.3 地形地貌景观破坏现状

矿区不涉及任何保护区和生态敏感区，对地形地貌景观产生影响的主要为人类工程活动，煤层开采、工业场地的修建、矸石的堆放等，此次野外调查，影响面积约为187.52 hm2。

(1)煤矿采空区地表可见不同规模的地裂缝群分布，在裂缝群分布区内使其原始地形遭受不同程度的破坏，造成了地形轻度不连续、植物倾斜等。地裂缝、地面沉陷对原生地形地貌景观影响和破坏程度较大，对地形地貌景观影响和破坏程度为“较严重”。

(2)工业场地建设过程中，由于场地整平、挖高填低改变了原有地貌形态，增加景观破碎度，产生生态斑块，地形地貌景观影响程度为“严重”。

(3)临时矸场位于风井工业场地东侧的自然冲沟内，占地面积5.75 hm2，矸场堆高达 30～50 m，分5～8 级台阶，对原始沟谷地形地貌改变较大，对原始地形地貌景观影响和破坏程度为“严重”。

2.4 环境污染与生态破坏现状

矿山大气污染主要为原煤储存煤尘、物料运输过程扬尘、储煤场面源扬尘等粉尘污染；水污染主要为井下排水和生活污水，主要污染物为COD、BOD5、氨氮、SS等；固体废弃物污染主要为矸石堆放占压农田、绿地等。

3 矿山地质环境治理和生态修复

3.1 矿山地面塌陷、裂缝治理措施

此类地质环境问题，主要采用取表土剥离、土石充填并混凝土实、表土回覆等措施治理。就近取土进行沉陷坑的填埋、整平，通过挖高填低进行土地平整，消除开采沉陷产生的附加坡度，恢复土地功能[6-12]。

(1)矿区轻度和中度地裂缝工程量。先对耕地中地裂缝进行表土剥离(包括现状调查未治理的耕地面积)，表土剥离量4 926.27 m3。然后直接将拉运土方填入所有地裂缝，拉运充填土方量29 819.11 m3，人工夯实土方量29 819.11 m3，最后进行耕地表土回覆，表土回覆工程量4 926.27 m3。

(2)矿区重度地裂缝工程量。先对耕地中地裂缝进行表土剥离，近期耕地无重度区。然后所有地裂缝直接将拉运土石方填入，拉运充填土石方总量为80 416.84 m3。其中，充填矸石量按照充填土石方总量的80%估算，剩余为土方，则估算充填矸石量为64 333.47 m3；估算充填土方量为16 083.37 m3。

3.2 泥石流、滑坡防治措施

泥石流、滑坡地质灾害危险性较低，需定期巡查沟谷两岸坡体，对沟谷两岸松散堆积物进行清理，预测适用期内清理沟谷松散堆积物约2 000 m3。

3.3 地形地貌景观保护与恢复治理

(1)土地复垦措施。土地平整工作主要是针对局部出现的地表沉陷进行平整，避免出现局部积水和水土流失现象[5-11]。采用机械与人工结合的方法平整土地，平整时先挖第1取土带，直至标准地面以下0.3 m，将土填入第1填土带，将第2取土带厚约0.3 m耕层肥土，填入第1取土带槽底，再开挖第2取土带生土，填入第2填土带，同时将第3填土带表土反卷在第2填土带上，如此抽生留熟，依次平整。对平整后的土地进行翻耕，翻耕深度0.3 m，土地翻耕面积118.42 hm2，增设灌溉设施、配套道路工程。道路行道树主要种植油松，道路两侧各种1行，每3 m种植1株[4-8]。

(2)林地生态恢复措施。对受损的树木，及时扶正树体，适时进行管理，包括施肥等措施，保证其正常生长，对已枯死的树木进行人工补种[2-3]。有林地复垦拟选用油松和刺槐为补种树种，补种比例为1∶1，株行距2.0 m×2.5 m，栽植密度2 000株/hm2。采用鱼鳞坑整地形式，长径为0.5～0.7 m，短径为0.4～0.5 m，坑下沿做成弧形土埂，埂高0.2～0.3 m。苗木规格为3年生一级苗，胸径5～10 cm，高度1～2 m。为尽快恢复地表植被，保证有林地的植被覆盖率，设计在回填缝处及两边0.5 m撒播紫花苜蓿和无芒雀麦，播种比例为1∶1，紫花苜蓿和无芒雀麦播种均为22.5 kg/hm2。

(3)矸石场复垦期满，通过综合治理形成边坡和平台后进行复垦，矸石场面积5.75 hm2，平台面积3.50 hm2，边坡面积2.25 hm2。根据适宜性评价，矸石场平台复垦为有林地，边坡复垦为灌木林地。

(4)工业场地复垦面积14.18 hm2，复垦为有林地，首先对废弃物进行拆除、清运，然后做土地平整、覆土0.5 m，运距1～2 km，需土方量7.08万，根据适宜性评价，工业场地复垦方向为有林地，并进行穴状整地，栽植油松和刺槐，栽植比例为1∶1，株行距为2.0 m×2.5 m，栽植密度为2 000株/hm2。穴深40 cm左右，直径40 cm，并筑土堰，土堰宽20 cm，高20 cm，呈中间高两边低状。苗木规格为3年生一级苗，胸径5～10 cm，高度1～2 m，共需28 360株油松与刺槐。