宁武县南沟煤矿矿山地质环境现状及土地复垦措施

2022-04-08郭立霞樊子玉

能源与环保 2022年2期

郭立霞，樊子玉

(河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南郑州 450001)

宁武县南沟煤矿位于距宁武县县城 7.3 km处的南沟村，，开采标高为-1 971～-892 m，主要开采2号—5号煤层，面积为7.635 6 km2，生产规模为120万t/a，为生产矿井。本文在充分收集已有地质资料的基础上，开展水文地质和工程地质调查，查明南沟煤矿现状地质环境问题，并提出土地复垦的措施，不仅保证南沟煤业经济可持续发展，而且改善生态环境，使得大部分土地使用功能得到恢复利用，促进经济和社会的和谐发展。

1 概况

矿区属温带大陆性气候高山寒冷干燥区，气候寒冷，多大风，温差大，年多年平均降水量438.3 mm；雨量集中于6—8月，占全年的50%以上；中高山区雨水多，低山—盆地雨水少。属海河流域桑干河水系，主要河流为南部的石湖河，河床最宽处60 m，水量甚少，仅山洪爆发时水量大，最低侵蚀基准面为1 525 m，主井和副平硐井口均高于最低侵蚀基准面和最高洪水位。属剥蚀侵蚀中山地貌，地势北高南低，沟谷较为发育，呈树枝状，个别沟谷切割较厉害，地势较陡峭；地表大面积黄土覆盖，属黄土冲蚀地貌，局部出露有基岩，冲沟发育，多呈V形切割强烈，沟谷纵横，地形复杂。土壤多为褐土，植被以次生灌丛为主；主体为农田耕地，水土流失严重。

2 地质环境

2.1 地质特征

矿区位于吕梁—太行断块宁武—静乐块坳北段，地层总体为一向南倾斜的单斜，地层倾角7°左右[1]。在井下，采掘2号煤层时揭露断层27条，5号煤层时揭露断层5条，未发现陷落柱。地层自下而上主要出露中奥陶统上马家沟组泥灰岩、白云质灰岩和灰岩；上石炭统本溪组铝土岩、泥岩和泥质粉砂岩，太原组砂岩和泥岩夹6层可采煤层；下二叠统山西组泥岩、石英砂岩和炭质泥岩夹含煤层 1～2层，下石盒子组砂岩、砂质泥岩和泥岩；中二叠统上石盒子组泥岩、砂质泥岩和石英砂岩；第四系中上更新统黄土、砂土夹古土壤及钙质结核。

区内主要含煤地层为山西组和太原组，含煤地层平均总厚度152.78 m，共含煤7层，煤层平均总厚度为24.00 m；含可采煤层4层，可采煤层平均总厚度为22.85 m；山西组含01、1 号煤层，煤层平均总厚度为0.23 m，均为不可采煤层；太原组含2、3、4、5上、5、6号煤层，煤层平均总厚度为23.77 m。

2.2 矿体特征

区内共有可采煤层5层，均位于太原组，分别为2、3、5上、5、6号煤层(表1)，2、3、5号煤层为稳定的全区可采煤层，5上号煤层为局部可采煤层，6号煤层为较稳定的大部可采煤层。

表1 可采煤层特征Tab.1 Characteristics of minable coal seams

2.3 水文地质

(1)含水层特征。区内含水层以第四系松散岩类孔隙含水层、二叠系上石盒子组和下石盒子组砂岩裂隙含水层、二叠系山西组砂岩裂隙含水层、石炭系太原组砂岩裂隙含水层、奥陶系中统上马家沟组石灰岩岩溶裂隙含水层。

第四系松散岩类孔隙含水层主要为第四系砂土为主，厚 0～20 m，分布于井田内的梁峁，主要接受大气降水和地表水入渗补给，一般雨季含水，平时含水极弱，径流条件好、富水性弱、径流途径短，排泄于河谷中，部分消耗于人工开发；二叠系上石盒子组和下石盒子组砂岩裂隙含水层砂岩裂隙较为发育，单位涌水量0.007 3 L/(s·m)，渗透系数0.055 m/d，水位+1 513.071 m，为弱富水性含水岩组；二叠系山西组砂岩裂隙含水层发育较稳定的砂岩4层，主要为长石石英砂岩，本组K2砂岩为2号煤层主要充水水源，单位涌水量0.010 7～0.034 0 L /(s·m)，平均涌水量0.020 2 L/(s·m)，渗透系数0.007～0.034 m/d，平均0.024 6 m/d，富水性弱，pH值为7.62，水质类型为HCO3·SO4—Ca·Mg 型，属弱含水岩组；石炭系太原组砂岩裂隙含水层主要为泥岩夹中粗粒砂岩，裂隙不发育；单位涌水量0.010 7～0.034 L/(s·m)，平均0.020 2 L/(s·m)，渗透系数0.007～0.036 m/d，平均0.024 6 m/d，富水性弱，水位标高+1 504.911 m，水质类型为HCO3·SO4-Ca·Mg 型，pH值为7.62，属弱含水岩组；中奥陶统上马家沟组石灰岩岩溶裂隙含水层为中厚层灰岩，含水空间以岩溶裂隙为主，单位涌水量0.412～0.414 L/(s·m)，平均0.413 L/(s·m)，渗透系数为3.26～3.32 m/d，平均3.29 m/d，属富水性中等的含水层，水位标高为+1 091.071 m，水化学类型属HCO3-Ca·Mg类型，硬度327.8 mg/L，pH值为7.69，为中等富水性含水岩组。

(2)主要隔水层。井田内隔水层较多，各基岩含水层之间都有厚度稳定的泥岩、砂质泥岩，可起到隔水作用。井田内隔水层主要有：本溪组泥岩和铝土岩，厚度16.65～32.50 m，透水性极弱，为区域性隔水层；各煤层之间和砂岩含水层之间均夹有厚度不等的泥岩或砂质泥岩，一般不透水，可起到相对层间隔水作用。此外，5号煤层至奥灰岩间压盖有隔水层，厚度平均50 m，岩性以泥岩和砂质泥岩为主，具有较好的隔水作用。

(3)矿井充水条件。大气降水是矿井的主要充水水源，它通过松散覆盖层的孔隙、裸露基岩与煤层露头风化裂隙、地表裂缝以及各种人工通道直接或间接地向矿井充水。矿井涌水量随降水量的增加而增加，矿井充水具有明显的季节性，一年之中7—9月最大。无常年地表水流，主要充水含水层富水性较弱。

(4)采空区积水。矿井采空区积水来源主要为大气降水，采空区积水主要集中在开采煤层的最下部，上部采空区积水基本上顺着煤层的层理及煤层与底板的层理裂隙向下山开采区域渗透。矿井采用二级排水，采空区一般情况下没有积水，只有低洼处会有积水存在。

(5)奥灰水。井田属神头泉岩溶区域，奥灰水流向北西，在神头泉排泄。据已有资料推测，井田奥灰水水位标高为+1 093～+1 112 m。井田内2号、 3号、 5上号、 5号、 6号煤层最低底板标高分别为+1 160、+1 150、+1 120、+1 108、+1 100 m，5号煤层南部存在带压开采。

2.4 工程地质

(1)煤层顶底板。2号煤层顶板为泥岩，厚 9.44 m，抗压强度100.0～94.8 MPa，平均 91.1 MPa，抗拉强度3.5～4.0 MPa，平均3.7 MPa，抗压抗剪强度较大，属坚硬岩石；底板为泥岩局部夹砂岩，致密块状，垂直节理及水平层理发育，抗压强度39.2～44.8 MPa，平均41.5 MPa，抗拉强度 1.7～1.4 MPa，平均 1.5 MPa，属较坚硬岩石。3号、5上号和5号煤层和2号煤层相似，顶板为泥岩，局部夹砂岩，属较坚硬岩石；底板为泥岩和细砂岩，多属中硬岩石。总体工程地质条件属三类二—三型。

(2)瓦斯。矿井最大绝对瓦斯涌出量为9.55 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为2.52 m3/t；回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为3.58 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为1.15 m3/min；属低瓦斯矿井。此外，采2号和5号煤层自燃倾向等级为Ⅱ级，属自燃煤层；煤尘具有爆炸危险性。

3 地质环境现状

3.1 地质灾害现状

(1)采空区分布。区内煤炭资源丰富，开采历史悠久，主采2、5、5上号煤层，现状条件下形成煤层地下采空区叠合面积为3 197 373 m2。其中，2号煤层厚度为2.06～8.45 m，平均厚度 6.11 m，埋深为37.2～175.0 m；现状条件下形成煤层地下采空区面积 1 218 135 m2，主要形成时间为2001—2017年以前；5号煤层厚度为61.83～92.10 m，平均为 89.17 m，埋深140～220 m，现状条件下形成煤层地下采空区面积 1 856 027 m2，主要形成时间为2006—2013年；5上号煤层厚度4.22～18.60 m，平均为10.98 m，埋深140～220 m，现状条件下形成煤层地下采空区面积 1 136 160 m2，主要形成时间为2012—2017年。

(2)地质灾害现状。区内曾引发过地裂缝和地面塌陷等地质灾害，主要采取裂缝填充、坡改梯工程和村民自己复垦对土地进行恢复治理[2-3]。现场地质调查发现地裂缝群2 处和不稳定斜坡3处。①L1地裂缝群：发生于2020年2—3月，分布于矿区中部其他草地和耕地中，走向100°，地裂缝延伸长100～250 m，宽0.30～0.80 m，深0.50～1.20 m，主缝向外侧衍生树枝状小裂缝(图1(a))，主缝沿走向展布，逐渐变窄消失，主要危害对象为耕地和其他草地。②L2地裂缝群：发生于2019年10—12月，分布于矿区东部的其他草地和耕地中，平面上呈折线，长50～200 m，缝宽10～80 cm(图1(b))，深0.5～1.0 m，间距3～8 m，主要危害对象为耕地和其他草地。③边坡W1：位于工业场地北部，系矿山修建工业场地时挖方形成(图1(c))，边坡坡高7～9 m，长度约30 m，坡角约75°，走向约NE60°；坡体上部覆盖厚0.5～1.0 m的黄土，垂直节理发育，稳定性差；坡体下部出露的岩层为下石盒子组砂岩和砂质泥岩，岩层倾向SSE，倾角约7°，岩层倾向与坡向高角度斜交，上部坡体较破碎，节理裂隙发育，稳定性差；边坡下部为职工宿舍，距离边坡坡底5～6 m；2014年对边坡进行挂网锚喷护坡，喷浆厚度10 cm，坡体下部设排水沟，现状条件下相对较稳定[4]。④边坡W2：位于工业场地西北部，为2012—2013年修建职工活动中心时形成(图1(d))，边坡坡高 6～8 m，长度约为50 m，坡角约为80°，走向近东西向；坡体岩性为第四系黄土，坡体上部为薄层腐殖土，植被中等发育，垂直节理发育，稳定性差，边坡下部无建筑，为场地内道路，潜在威胁对象为边坡下部的过往人员；2014 年对边坡进行挂网锚喷护坡，喷浆厚度10 cm，坡体下部设排水沟，现状条件下相对较稳定。⑤边坡W3：位于工业场地南部，高20～25 m，长度约为150 m，切坡面坡角约为70°，走向约NE35°，岩性为下石盒子组砂岩和砂质泥岩，上面植被覆盖较稀，开挖作业使得切坡面基岩裂缝加剧，严重破碎，散落在切坡面上，另外由于挖方破坏，在山体上部有一定孔隙，垂直节理发育，稳定性差；潜在威胁对象为工地施工的工作人员和机械设备。2014年对不稳定斜坡进行挂网锚喷护坡，喷浆厚度10 cm，坡体下部设排水沟，现状条件下相对较稳定。

图1 地裂缝和不稳定斜坡Fig.1 Ground fissures and unstable slopes

总之，现状地质灾害对评估区影响程度较轻，现状条件下遭受地面塌陷、地裂缝和不稳定斜坡地质灾害影响程度较轻，引发地质灾害影响和破坏程度较轻。

3.2 含水层破坏现状

随着煤层开采，顶板发生垮落，形成冒落带和导水裂隙带，受其影响，地下含水层与开采煤层之间的隔水层被破坏，导致含水层水量漏失，水位下降，间接对与被破坏含水层有水力联系的其他含水层产生影响，造成水量有所减少，水位缓慢下降[5-7]。

(1)含水层的结构破坏。矿区主要开采 2、5、5上号煤层，形成了大面积煤层采空区。2号煤层位于太原组顶部，其直接充水含水层为二叠系山西组砂岩裂隙含水层，K2砂岩为主要充水水源，属弱含水岩组，开采煤层产生的导水裂隙带及冒落带，对其直接充水源山西组砂岩裂隙含水层结构产生破坏；5和5上号煤层位于太原组下部，直接充水水源为太原组碎屑岩裂隙水，弱含水岩组，对其直接充水含水层太原组碎屑岩裂隙水结构产生破坏；造成含水层水位下降，主要分布在煤层采空区及含水层疏干范围内。

(2)地下水位的影响。矿区南沟村原饮用水源来自石湖河河床附近水井，其含水层为第四系含水层；小安村原饮用水源为沟谷二叠系含水层，靠人力挑上去饮用；豆沙圪坨村饮用水源为水井，其含水层为二叠系含水层；现状条件下，生产和生活用水主要为奥灰水。经村庄走访，村内浅水井水位已经下降，最大下降约6 m，基本干涸无水，矿山开采的2、5、5上号煤层采空产生的地裂缝、塌陷等已对第四系松散层孔隙水产生破坏，一定程度上影响村庄生产和生活用水，对地下水位影响程度较严重。

(3)对下部岩溶水的影响。区内奥灰水水位标高为+1 093～+1 112 m，水位和水量稳定。含水层与下伏奥陶系灰岩之间存在较厚的太原组泥岩、煤层和本溪组铝土岩隔水层。井田2、3、5上、5、6号煤层最低底板标高分别为+1 160、+1 150、+1 120、+1 108、+1 100 m；5号煤层南部存在带压开采，压区最大突水系数为0.012 15 MPa/m，煤层突水系数小于0.1 MPa/m的临界值，且带压区位于井田南灵河高速路保安煤柱范围内，不存在采矿活动，采矿活动对下伏岩溶水含水层影响较轻。

(4)对生产和生活供水的影响。区内有豆沙圪坨村、南沟村和小安村3个村庄。目前豆沙圪坨村已搬迁，小安村现无人居住，南沟村采用奥灰水作为饮用水源，其含水层为奥陶系灰岩含水层，井深约 600 m，水深150 m，能够满足需求；煤矿生产生活用水来源于主井场地内的奥灰深水井，其含水层为奥陶系灰岩含水层，井深约708 m。采矿活动对当地居民生产生活用水影响较轻。

总之，区内采矿活动对含水层的影响与破坏可划分为较严重区和较轻区(图2(a))。其中，较严重区位于以往采矿影响区域，影响面积481.91 hm2，采矿活动破坏开采煤层之上的主要含水层结构；较轻区位于评估区其他区域，影响面积289.28 hm2。

图2 含水层和地形地貌景观现状评估Fig.2 current situation assessment of aquifer and landform landscape

3.3 地形地貌景观破坏现状

采矿活动对原生地形地貌景观的影响主要表现为工业场地工程建设对原生地形地貌景观的改变、煤层采空后产生的地面塌陷和地裂缝等地面变形现象对原生地形地貌景观的改变[8-9]。

工业场地位于矿区西部，地势平缓，地形起伏较小，内设有主斜井、副斜井、生产办公楼、变电站和煤场等地面建筑，占地面积9.90 hm2；风井位于矿区中南部，占地面积0.40 hm2，设有风机房和变电站等地面建筑；场地建设过程中平整场地，改变了原有地形地貌，对原生的地形地貌景观影响和破坏程度大，对地形地貌景观影响严重。排矸场位于工业场地东侧，占地面积3.76 hm2，已堆放了矸石，排矸场部分区域已进行了复垦绿化工作，排矸场下游基础设施已建成，为防止流域上游和坡面产流对矸石的冲蚀，在矸石沟顶部平台边缘、坡面两岸布设截水沟，将雨水引排至拦矸坝下端沟道内；并沿等高线布置截水沟，从沟头设置排洪涵洞。矸石堆积对原生的地形地貌景观影响和破坏程度大，对地形地貌景观影响严重。

地裂缝影响区域主要分布于煤层采空区，在采空区上部发现有2处地裂缝明显的地面变形现象，对原生的地形地貌景观影响程度较严重。其他区域为进行工程建设和开采，对原始地形地貌景观影响较轻。

总之，区内采矿活动对地形地貌景观影响和破坏程度分为严重区、较严重区和较轻区(图2(b))。其中，严重区位于工业场地、风井场地及矸石场影响区域，影响面积 14.06 hm2；较严重区位于已有采空区引发地裂缝地质灾害影响区域，影响面积76.47 hm2；较轻区位于评估区其他区域，影响面积680.66 hm2。

3.4 土地损毁现状

本矿井为生产矿井，已损毁土地包括工业场地、风井场地、排矸场、道路、洗煤厂和沉陷区。

(1)压占损毁。矿山压占损毁土地包括工业场地、风井场地、排矸场、道路及洗煤厂，主要占用地类为旱地、灌木林地、其他草地、田坎、裸地和村庄等(表2)，已压占损毁土地总面积 16.07 hm2。

表2 已损毁土地情况Tab.2 Damaged land hm2

(2)塌陷损毁。区内先后开采2号、3号煤层，形成沉陷损毁面积为76.47 hm2，主要占用地类为旱地、基本农田、田坎和农村道路等(表2)。

3.5 环境污染与生态破坏

(1)环境污染现状。区内大气污染源主要为锅炉房、动筛车间、圆筒仓储存和矸石仓等；主要水污染源为井下排水和生活污水，主要污染物为COD、BOD5、S等；固体废物为煤矸石和生活垃圾；噪声污染主要为鼓(引)风机、空风机、风井通风机、水泵、坑木加工房电锯和交通噪声等。

(2)生态环境现状。南沟煤业现设有1座工业场地，占地面积为9.90 hm2；办公楼对面山坡和办公楼后山坡区域地面无植被；取土场1个，面积为2.89 hm2，位于排矸场西侧，占地地类为其他草地，无林地分布，黄土大部分裸露；排矸场位于工业场地西北0.5 km的1条自然冲沟，占地面积为3.76 hm2，矸石沟长约250 m，沟宽150～200 m，深20～30 m，占用地类均为其他草地与村庄用地；采空区已塌陷，影响栽培植被面积为42.15 hm2，灌草丛植被面积为1.70 hm2，草丛植被表现为出现裂缝，裂缝宽度20～40 cm，植被损毁率20%以上。

4 土地复垦措施

区内地质灾害防治工程主要为地裂缝防渗处理、削高填低、回填整平和植被重建等综合治理措施[10]；地形地貌景观恢复治理主要为工业场地清理垃圾、覆土和恢复地貌景观。矿区地势较为平坦，原有面貌主要为耕地、林地、草地和农村道路等，生态修复主要归于土地复垦，恢复土地功能、恢复地形地貌景观，与周边自然景观相协调[11-12]。

(1)耕地复垦。区内耕地复垦总面积为208.70 hm2。其中，塌陷损毁区恢复耕地196.25 hm2，压占损毁工业场地复垦耕地面积8.71 hm2，风井场地复垦耕地面积0.35 hm2，压占损毁洗煤厂复垦耕地面积1.66 hm2，挖损损毁恢复耕地1.73 hm2。为保证基本农田复垦不降低，不大面积地扰动地表，对于轻度损毁的基本农田不进行表土剥离工程[13-15]，只做适当的土地平整工程、田埂修筑、田坎压实与土地翻耕与培肥工程；工业场地、风井场地和洗煤厂主要为砌体拆除、客土覆盖、田埂修筑与田坎压实、土地翻耕与培肥工程，复垦为耕地；取土场整片取土，取土后边坡坡角为65°，经田埂修筑等措施将平台复垦为耕地，边坡复垦为田坎。

(2)林地复垦。林地复垦总面积为189.75 hm2。其中，沉陷区原有林地修复原面积为40.34 hm2，沉陷区其他林地修复面积13.00 hm2，排矸场平台复垦有林地1.51 hm2和灌木林地复垦134.90 hm2。沉陷区原有林地和其他林地补栽油松与刺槐，混种比例 1∶1，株行距为2 m×2 m，种植密度为2 500株/hm2，同时林下播撒紫花苜蓿草籽，播撒的密度为30 kg/hm2；排矸场林地先整片覆土，平台覆土厚度为0.6 m，后采用沉陷区林地复垦方式。灌木林地主要为充填裂缝，补种柠条，并播撒紫花苜蓿草籽，播撒的密度为30 kg/hm2。

(3)草地复垦。草地复垦总面积为167.39 hm2。其中，沉陷区其他草地的修复166.06 hm2，沉陷区裸地复垦0.07 hm2，沉陷区内陆滩涂复垦其他草地0.94 hm2，压占区排矸场道路复垦其他草地面积0.12 hm2。内陆滩涂、裸地和排矸场道路先整片覆土，覆土厚度为 0.3 m，再和其他草地一样，播撒紫花苜蓿与披碱草草籽，播撒的密度为30 kg/hm2。

(4)农村道路。原沉陷损毁农村道路3.74 hm2，主要为田间道与生产路，对被破坏的道路进行整修，两侧种植毛白杨，种植间距为3 m/株，同时道路一侧修筑排水沟。