崇信县百贯沟煤矿矿山地质特征及生态修复研究

2022-04-08尚佳楠崔朋涛

能源与环保 2022年2期

尚佳楠，崔朋涛，王让

(河南省航空物探遥感中心，河南郑州 450000)

环境是人类生存与发展的必要条件，矿产资源又是人类生存与发展的物质基础[1]。而矿山的开采势必会造成当地生态地质环境的破坏，地质环境的恶化反过来又破坏矿山资源(如矿区土地资源、风景景观资源、水资源等)[2]。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[3]。

百贯沟煤矿作为当地经济发展的支柱产业，建矿以来通过不断改造生产技术条件，使煤矿生产能力逐步提升至60×104t/a，服务年限为50.4 年，为当地经济社会发展作出了巨大贡献[4]。同时也造成了生态地质环境的破坏，根据现状调查，矿区目前主要有不稳定斜坡、地裂缝(图1)及泥石流3种地质灾害，预测矿山生成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]，严重威胁着当地人民群众生命财产安全。为了最大限度地减少、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，本文通过对矿区生态地质环境调查并作出评估，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]。

图1 矿山开采引起的地面塌陷、裂缝Fig.1 Ground subsidence and cracks caused by mining

1 地质环境特征

1.1 地区地质特征

矿区地处陇东黄土高原和六盘山的过渡地带，黑河支流—百贯沟下游沟谷两岸，地势总体由西北向东南倾斜，最大相对高差约280 m。矿区位于鄂尔多斯西缘分区平凉—马家滩地层小区的东南部，钻孔揭露地层主要有三叠系上统延长群，侏罗系下统富县组，侏罗系中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统志丹群，新近系上统甘肃群及第四系。其中侏罗系中统延安组为区内的主要含煤地层。

1.2 地质构造与地震

矿区在大地构造位置上处于阿拉善—华北板块的次级单元鄂尔多斯盆地的西南缘。区域构造表现为：中东部活动平缓，以整体升降为主，构造形迹不发育，西部紧临六盘山造山带，构造活动强于中东部，断裂褶皱发育(图2)。

图2 区域构造略图Fig.2 Regional structure sketch

矿区处于我国南北地震带的北部，有记录崇信及周围地区发生过烈度大于4.7度的地震32次，1962年以来，本区未发生过破坏性地震。

2 矿体特征及水文地质条件

2.1 矿体地质特征

矿区内主要含煤地层为侏罗系中统延安组，厚度62.14～189.30 m，平均厚128.82 m。共含煤层和煤线4层，煤层平均总厚度为13.02 m，含煤率为10.11%。其中含主要可采煤层2层(煤3、煤5)，可采煤层平均总厚度为12.97 m，可采含煤率10.07%，占煤层总厚度的99.62%。

2.2 水文地质条件

矿区地下水可分为前第四系碎屑岩类裂隙水和第四系松散岩类孔隙水2类。根据井采条件，矿井正常涌水量2 640 m3/h，矿区水文地质条件属简单类型。

(1)前第四系碎屑岩裂隙水，主要赋存于三叠系、白垩系、侏罗系及新近系地层中。三叠系含水层岩性为粗砂岩，位于煤系层之下，孔隙裂隙不甚发育，富水性极弱；侏罗系含水层岩性为粗砂岩及含砾砂岩，平均厚度12.0 m，位于煤层顶底板，单位涌水量0.000 87～0.003 50 L/(s·m)，富水性弱；白垩系含水层为砾岩夹砂岩透镜体，地下水富水性中等—微弱；新近系含水层岩性为砂岩及砂质泥岩和泥岩，地下水富水性微弱。

(2)第四系松散岩类孔隙水，分为河(沟)谷区砂砾卵石孔隙潜水和黄土低山丘陵区潜水。河(沟)谷区砂砾卵石孔隙潜水，分布于黑河河谷及百贯沟沟谷地段，含水层岩性为松散的砂砾卵石，含水层渗透系数10～210 m/d，富水性由上游至下游段，逐渐从弱富水性过渡为强富水性；黄土低山丘陵区潜水，分布于黑河、百贯沟两侧的广大黄土梁峁丘陵区，含水层主要为离石黄土、午城黄土，含水层较薄，富水性差，潜水埋深复杂，水力坡度变化较大，多以泉的形式向沟谷排泄。

3 矿山地质环境影响评估

3.1 矿山地质环境现状及评估

根据现场实际调查和相关资料分析，现状条件下评估区内发育的地质灾害类型主要有不稳定斜坡、地裂缝及泥石流3种地质灾害[13-14]。

(1)不稳定斜坡。矿区不稳定斜坡分布有3处(X1、X2、X3)，均为开挖形成的人工边坡，斜坡长185～240 m，高差10～15 m，为黄土单一结构，在卸荷、降雨及地震等外力作用下，斜坡土体将以滑移的方式发生破坏，进而可能形成崩塌。

3处不稳定斜坡主要威胁采矿工业场地及福利区内距离坡脚30～60 m内的工程建筑物及其附属设施，不稳定斜坡可能造成的直接经济损失中等。斜坡X1和X2的危险性中等，斜坡X3的危险性小。

(2)地裂缝。矿区主要为黄土湿陷裂缝，因湿陷性黄土受地表水或地下水的浸湿，产生沉陷而形成地裂缝灾害。分布于矿区百贯社北侧的黄土丘陵区的斜坡地带，该地段分布上更新统风积黄土厚度在5～10 m，该土体湿陷性强，该裂缝系湿陷性黄土引起的湿陷裂缝。裂缝长约200 m，在平面上呈弧形状，裂缝宽0.1～0.2 m，其规模为小型。该裂缝主要威胁裂缝两侧的稀疏林地，其危害程度较轻，因此其危险性小。

(3)泥石流。经收集调查矿区邻近地区内均发生过稀性泥流灾害，其规模大都为小型，爆发频率为低易发。近50年来不同程度地发生过洪水或泥石流灾害，但没有造成人员伤亡及财产损失的情况。因扩建采矿工业场地，泥石流可能对建成后运营的场地东侧工程设施造成较大的破坏和危害，威胁到施工人员10～20人，直接经济损失占该项目建设总投资的20%左右，因此泥石流灾害可能造成的损失中等。

3.2 矿山地质环境预测及评估

矿山采矿活动可能引发地面塌陷、地裂缝、崩塌及泥石流等地质灾害类型，沟道及沟坡上堆放的矸石可能加剧泥石流地质灾害害[15-16]。

(1)地表地面塌陷、地裂缝预测。该煤矿地表沉陷最终可能影响边界为井田边界向外扩大120 m，由于井田边界、断层、井筒及巷道附近留设安全保护煤柱，因此实际沉陷范围将小于理论估算沉陷范围，预测沉陷范围约为1.74 km2。随着井下采空区的范围不断扩大，沉陷范围也随之扩大，间接对矿山施工机械、生产人员造成危害，可能造成直接经济损失100万～500万元，受威胁人数10～100人，影响程度为“严重”[17]。

(2)加剧不稳定斜坡形成崩塌滑坡灾害的预测。矿山活动加剧不稳定斜坡形成崩塌或滑坡灾害，采矿工业场地东北侧的人工斜坡(X1和X2)，均倾向建筑物场地内，在卸荷、降雨及地震等外力作用下，有可能引发小型滑坡及崩塌灾害，危害到矿山采矿工业场地的建筑物，预测其危险性大，因此影响矿山地质环境的程度严重；而福利区东北侧的人工斜坡(X3)，斜坡岩土体结构为层状砂砾岩结构，斜坡体的局部地段有可能发生掉块等现象，但整体稳定性好，因此影响矿山地质环境的程度为“较轻”[18]。

(3)加剧泥石流灾害的预测。在建设和生产期间，矿山活动产生的矸石均堆放堆放于泥流(N1)沟道和沟脑部位山坡，大大增加了流域内松散物固体储量，为泥石流的发生提供了大量的松散固体物源，有可能引发或加剧沟谷型泥石流灾害的发生，主要威胁和危害采矿工业场地南侧地段的建筑物和通往爆破材料库的矿山道路。因此，预测工程在建设和生产期过程中引发或加剧泥石流灾害的可能性大，预测危险性中等，影响矿山地质环境的程度较为“严重”[19]。

(4)采矿活动对地形地貌景观的影响或破坏程度预测评估。矿山生产开采过程中，因地下采空而导致地面产生裂缝，继而形成地面塌陷。地面沉降过程中，地表产生的裂隙及塌陷坑、切割土层，使地面错动，破坏地形地貌景观。预测的地面塌陷区内对原生地形地貌景观的影响和破坏程度较大，而非开采区对原生的地形地貌景观的影响和破坏程度较轻。在预测的地面塌陷区内对原生地形地貌景观的影响和破坏程度为“严重”；而在非开采区对原生地形地貌景观的影响和破坏程度为“较轻”[19]。

(5)采矿活动对土地资源的影响或破坏程度预测评估。矿区对土地资源的影响或破坏主要有2方面：①因地下采矿活动引发的地面塌陷，会对塌陷区范围内的土地资源造成严重的破坏和影响，预计破坏耕地面积3.74 hm2，其余为稀疏林地、荒山或未开发利用土地，预测塌陷区范围内采矿活动对土地资源的影响或破坏程度为“严重”；②采矿工业场地、福利区及排矸场等矿山场地压占和破坏土地资源，根据现场实际调查和量测，影响和破坏的耕地分别较小，主要土地类型为稀疏林地、荒山或未开发利用土地，预测上述地段采矿活动对土地资源的影响或破坏程度为“较轻”[20]。

4 矿山地质环境治理分区及治理工程

4.1 矿山地质环境治理分区

(1)重点防治区。将矿山预测的采矿工业场地东北侧人工边坡分布地段作为矿山地质环境保护与治理恢复的重点防治区，占地面积1.763 km2，占评估区总面积的19.63%。

评估认为，区内不稳定斜坡(X1、X2)的危险性中等，对矿山地质环境的影响程度属于较严重；采矿活动对地下含水层的影响和破坏程度属较轻；对地形地貌景观和土地资源的影响和破坏程度属较轻；预测评估，不稳定斜坡(X1、X2)的危险性中等，对矿山地质环境的影响程度属于“严重”，地面塌陷对矿山地质环境的影响程度属于“严重”。

(2)次重点防治区。将矿山临时排矸场、永久排矸场及连接采矿工业场地、爆破材料库及临时排矸场之间的矿山道路所在的泥流沟整个流域作为矿山地质环境保护与治理恢复次重点防治区，占地面积0.420 km2，占评估区总面积的4.68%。

现状评估结果，该区泥石流的危险性中等，对矿山地质环境的影响程度属于“较严重”；采矿活动对地下含水层的影响和破坏程度属“较轻”；矸石场、爆破材料库及新建矿山道路对地形地貌景观和土地资源的影响和破坏程度属“较轻”；预测评估，泥石流的危险性中等，对矿山地质环境的影响程度属于“严重”，采矿活动对地下含水层的影响和破坏程度属“较轻”；矸石场、爆破材料库及新建矿山道路对地形地貌景观和土地资源的影响和破坏程度属“较轻”。

(3)一般防治区。将采矿工业场地及福利区所在的地段作为矿山地质环境一般防治区，面积约0.085 km2，占评估区总面积的0.95%。

现状评估结果，该区域内不稳定斜坡(X1)及地裂缝(DL1)的危险性小，对矿山地质环境的影响程度属于“较轻”。采矿活动对地下含水层的影响和破坏程度属“较轻”；采矿工业场地及福利区的建设对地形地貌景观和土地资源的影响和破坏程度属“较轻”。预测评估，不稳定斜坡(X1)及地裂缝(DL1)的危险性小，对矿山地质环境的影响程度属于“较轻”；采矿活动对地下含水层的影响和破坏程度属“较轻”；采矿工业场地及福利区的建设对地形地貌景观和土地资源的影响和破坏程度属“较轻”。

4.2 地质灾害治理工程

4.2.1 不稳定斜坡治理工程

矿区采矿工业场地和福利区东北侧的3处人工斜坡，拟采取浆砌块石护坡工程进行治理(图3)，根据斜坡的总高度及斜坡岩土体结构，进行分级治理，每级高度控制在5～10 m。

图3 浆砌块石护坡示意Fig.3 Schematic diagram of slurryblock stone slope protection

其中，斜坡X1考虑3级放坡，每级坡高5 m，护坡厚度顶宽0.5 m，底宽1.2 m，坡度控制在0.3左右，基础埋深1.5 m，长度240 m；斜坡X2北段考虑3级放坡，每级坡高5 m，护坡厚度顶宽0.5 m，底宽1.2 m，坡度控制在0.3左右，基础埋深1.5 m，长度120 m；斜坡X2南段考虑一级放坡，坡高5 m左右，护坡厚度顶宽0.5 m，底宽1.2 m，坡度控制在0.3左右，基础埋深1.5 m，长度110 m。上述护坡坡顶采用水泥砂浆压顶，厚度20 cm，斜坡平台内侧修建截排水沟[15-20]。

4.2.2 泥石流治理工程

(1)排洪工程。考虑到沟口永久排矸场的布置，影响到沟道内洪水的畅通排泄，因此应在矸石堆积区沟道的左岸侧布置截排水沟，将洪水顺利排导穿越矸石堆积区。考虑到施工的方便，矸石渣面上游段为梯形土渠，而下游段布置成C20现浇混凝土梯形渠，长度100 m，顺利和沟口段的排导渠连接。截排水沟断面底宽1.50m，高1.50m，边坡系数1∶1，厚度0.2 m。

(2)排导工程。在沟口至百贯沟依据地势修建排导沟，结合现有沟床两岸的土地利用及调查获取的泥流情况，排导沟底宽设置为4.0 m，排导堤墙身高2.0 m、顶宽0.6 m，基础埋深1.0 m，墙面坡度为1∶0.20，墙背直立，排导堤累计长度180 m。排导堤每间隔10～14 m，布设伸缩缝1条，缝内填塞沥青木板厚3 cm，伸缩缝处需做好防水处理，排导堤均采用M10浆砌块石砌筑，堤顶采用水泥砂浆压顶，厚度20 cm。在排导堤墙体预留泄水孔，设置二排泄水孔，水平间距2 m，垂直间距1 m，呈梅花形分布，下排排水孔距地面0.5 m，排水孔断面采用φ100 mm的PVC管，外倾坡度5%。

(3)拦渣墙工程。根据煤矿矿山开发利用方案，矸石场进行分级堆放，其最终坡度按1∶2，共分4级边坡，其中两级高度为8.0 m，两级为7 m，共设4个马道，每级马道宽4.0 m。矸石场的下级边坡布设挡土墙，墙高6.0 m，顶宽0.5 m，底宽1.8 m，墙体长度15 m，墙背坡比为1∶0.3，基础埋置深度2.0 m，墙体预留泄水孔，在距离墙底0.5、2.5、4.5 m处各设1排泄水孔，水平间距2.0 m，φ100 mm的PVC管，拦渣墙断面(图4)。其余三级均采用浆砌块石进行护坡，坡度1∶2，护坡厚度0.8 m，长度在15～20 m，另外在各级卸荷平台内侧设置排水边沟，排水边沟宽度0.5 m、高度0.4 m，矩形渠，同时顺利接入左侧的截排水沟。渠道厚度0.2 m，采用C20现浇混凝土。