鄂东石楼北煤层气区块地质环境问题及土地复垦措施

彭建阳，崔朋涛，尚佳楠，朱文慧，王 让

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 453000)

鄂东煤层气田石楼北区块位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带中段，属河东煤田中段离柳矿区西部的三交—柳林单斜含煤区，煤层气资源主要分布在山西组3+4+5号煤层和太原组8+9号煤层中，分布稳定，埋深500～1 100 m，盖层稳定，封盖条件好，保存条件较好，含气量较高，探明煤层气储量315.22亿m3。

1 概况

研究区位于黄河东岸，属吕梁山系中段西部温带大陆半干旱性气候，气温变化昼夜悬殊，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热，秋季凉爽，冬季严寒；河流属黄河水系，呈树枝状分布，黄河为主干河流，较大的支流有三川河、屈产河、留誉河，黄河从区域西缘自北向南流过；沟谷有2条，全部为北西—南东向，沟谷内常年无水，只在雨季降雨之后有短暂的流水；典型的黄土高原地貌，大部分被黄土覆盖，由沟壑纵横，地形破碎，地势南北高、西部与中部低；管线途经的地貌主要为中低山区山梁顶部区、斜梁顶部区、斜坡地带区及冲沟沟谷区，沿线覆盖层较薄，三叠系砂岩普遍出露，地形起伏较大，地势总体南高北低；现有井场9处，占地分散、单个井场占地面积较小，各井场地表形态基本相似，主要位于沟谷内的缓坡之上，场地周边均已整平，边坡高度0.5～2.0 m，无高陡边坡分布；属暖温带落叶阔叶林带，植被覆盖度15%～30%，主要有苔草、大莎科、针矛、野古草、松、柏、杨、荆条、柠条等；土壤以黄绵土为主，土体疏松、软绵，土色浅淡，为黄土母质经直接耕种而形成的一种幼年土壤。

2 地质环境背景

2.1 地质背景

鄂尔多斯石楼北区块位于晋西挠褶带中段柳林东西向断裂背斜带，地表局部构造发育，构造带褶皱排列紧密，规模小，两翼对称发育。主要出露中奥陶统下马家沟组(O2x)豹皮状灰岩、泥灰岩、泥质白云岩、同生角砾状灰岩、白云质灰岩，上马家沟组(O2s)白云质泥灰岩与豹皮状灰岩互层，峰峰组(O2f)角砾状泥灰岩、灰岩、泥灰岩和白云质灰岩；上石炭统本溪组(C2b)铁铝岩、铝质泥岩、细砂岩和灰岩夹煤层；下二叠统太原组(P1t)中细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩和煤层，山西组(P1s)砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、泥岩及煤层，下石盒子组(P1x)粉砂岩和泥岩夹煤线；中二叠统上石盒子组(P2sh)泥岩和砂质泥岩夹中细砂岩；上二叠统石千峰组(P3s)细—粗粒砂岩与泥岩互层；下三叠统刘家沟组(T1l)长石砂岩和粉砂质泥岩，尚沟组(T1h)粉砂岩、粉砂质泥岩与粉细砂岩互层；中三叠统二马营组(T2er)长石砂岩和粉砂岩；新生界第三系上新统(N2)黏土岩及第四系(Q)砂、砾、黄土。

2.2 水文地质

区内共发育6套含水层和3套隔水层。前者主要为新近系、第四系松散层类孔隙含水层，下石盒子组、上石盒子组、石千峰组砂岩裂隙含水层，下石盒子组、上石盒子组、石千峰组碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，下马家沟组、上马家沟组、峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层；后者主要为太古界、元古界变质岩构成寒武、奥陶系碳酸盐岩岩溶含水层的隔水基底，本溪组泥岩、砂岩及灰岩构成奥陶系灰岩含水层与可采煤层之间的隔水层；石炭、二叠、三叠系中泥质岩及裂隙不发育的砂岩为各含水层间的隔水层。

大气降水是区内所有地下水的主要补给源，季节性河流少量补给地下水，但补给量很小。东部地区为浅埋补给区和径流带，第四系全新统砂砾石孔隙潜水含水层透水性好，地形呈缓坡状，径流条件较好[1]；西部奥灰岩溶水为弱径流—滞流带，受地形条件限制，短途径流后在河道或沟谷两侧以泄流或泉的方式排泄[2]；新近系、第四系孔隙水经短途径流排向河道或沟谷或渗入下伏岩层裂隙中，并顺河流向下游径流排泄。

2.3 工程地质

(1)煤层的顶底板特征。区内主要矿体为煤层，其围岩主要以泥岩为主，呈层状结构，各向异性，强度变化大。其中，3+4+5号煤层顶板为泥岩，抗压强度为39.5～65.3 MPa，抗拉强度为3.34～5.24 MPa，强度较大，为较稳定的顶板；底板为泥岩，抗压强度为62.5～80.9 MPa，抗拉强度为3.58 MPa，为普通底板。8+9号煤层顶板以灰岩为主，抗压强度为20.14～81.84 MPa，抗拉强度为0.44～3.19 MPa，强度较大，为较稳定的顶板；底板以泥岩为主，抗压强度为5.41～57.61 MPa，抗拉强度为0.10～2.63 MPa，为普通底板。

(2)岩土体工程地质条件。区内除在沟谷两侧出露二叠系基岩外，其余大部分被新生界覆盖，形成黄土梁、峁及冲沟地形，黄土覆盖厚30～60 m，钻孔揭露最大厚度150 m。第四系残积、坡积、冲洪积土层主要分布于洼地、河床、沟谷等低洼处，呈零星状及条带状。主要为黏土、碎石、砾石等，厚10 m左右，土体呈松散或半固结状，胶结性差，透水性较好，土体强度弱，压缩性较高，力学强度低，工程地质性质差，受力后沉降量大，边坡容易失稳。

2.4 煤层气资源地质特征

区内主要含煤地层为二叠系山西组和太原组。山西组厚43～80 m，平均厚61 m，含煤5层；太原组厚81～117m，平均厚96m，含煤5层；其中山西组3+4+5号煤层和太原组8+9号煤层发育较厚，平面分布较稳定，是主力煤层，也是煤层气的主要开发目的层。

山西组3+4+5号煤较厚，煤层无缺失，煤层净厚2.18～6.63 m，平均厚3.66 m；含气量4.5～16.5 m3/t，平均含气量12.07 m3/t；兰氏压力2.16～2.24 MPa，平均2.20 MPa；储层温度15.68～26.81 ℃，平均23.07 ℃；储层压力4.04～7.57 MPa；储层孔隙度2.37%～4.20%，平均3.44%；渗透率0.01×10-3～1.41×10-3μm2，平均0.59×10-3μm2；割理裂隙线密度一般为10～16条/5 cm。8+9号煤层全区发育，净厚3.80～8.80 m，平均厚6.72 m，含气量6.5～17.0 m3/t，平均12.76 m3/t；兰氏压力1.47～2.25 MPa，平均1.92 MPa；储层温度18.96～30.75 ℃，储层压力4.77～8.53 MPa；储层孔隙度1.72%～4.50%，储层渗透率0.01×10-3～3.55×10-3μm2，平均0.87×10-3μm2；割理裂隙线密度一般在3～18条/5 cm。2套煤层含气量具有明显的随埋深增加而增高的特征[3]。

3 地质环境现状与预测

3.1 地质灾害

(1)地质灾害现状。区内下伏煤层尚未进行大面积开采，区块内无采空区分布，现状条件下，未发现地面塌陷、地裂缝等地质灾害。已建成9处井场，零星布设于沟谷山梁或山顶等地势相对平缓区，依原有地形而建，切坡工程相对较少，未形成大规模的人工边坡；现状条件下，未发现崩塌、滑坡地质灾害。新建矿山未产生大规模固体废弃物，黄土层厚度较大，降水入渗条件好，沟谷径流距离较短，历史上也没有发生泥石流的记录，泥石流地质灾害可能性小，危险性小。总之，区内地质灾害危险性评估为较轻区(图1)，面积171.91 km2。

图1 地质灾害现状和预测评估Fig.1 Current situation,prediction and evaluation of geological hazards

(2)地质灾害评估。区内拟建井场217座(1 823口井)，不进行采煤活动，不会形成采空区，采气活动对煤层采动影响较小，引发或加剧地面塌陷、地裂缝的可能性小，危险性小。78座井场位于山梁、坡顶平台以及河谷阶地等地势相对平缓区，场地建设局部场地平整，零星开挖，坡高1～2 m；66座井场建于山坡的缓坡之上，局部存在小规模人工切坡，坡高2.0～3.5 m，岩性为第四系黄土，人工切坡导致坡体稳定性下降，局部坡体在震动、降雨等条件影响下失稳发生滑塌现象[4-5]，地质灾害危险性小，影响程度较轻。拟建集气站、水处理站和新埋设集输管道约134.967 km，存在挖方边坡或整平工程，挖方坡体表层多为第四系全新统砂土、粉土，土质松散，孔隙度较大。其中，1号水处理站引发或加剧崩塌、滑坡地质灾害的可能性中等，对坡脚集气站地面建(构)筑造成危害的可能性中等，直接经济损失200万～500万元，地质灾害危险性中等，影响程度较严重；其余工程预测引发或加剧崩塌、滑坡地质灾害的可能性小，地质灾害危险性小，影响程度较轻。

总之，雨季地面塌陷、地裂缝地质灾害可能小，地质灾害影响程度为“较轻”；设计井场、水处理站、管线及道路建设引发崩塌、滑坡地质灾害的可能性小，地质灾害危险性小，影响程度为“较轻”；设计1号集气站建设工程引发崩塌、滑坡地质灾害的可能性中等，地质灾害危险性中等(图1)，影响程度为“较严重”，面积0.014 km2；其余区域受影响程度为“较轻”，面积171.91 km2。

3.2 含水层

(1)含水层现状。现状条件下，煤层气开采对含水层的破坏主要有煤层气井钻孔对含水层结构的破坏，煤层气排采过程对地下水疏干影响以及钻井液、钻井废水、矿山生活污水、井场排水对地下水水质的影响等。煤层气开采不同于煤矿开采，煤层气开采对含水层结构的影响主要为钻井开采和压裂[6-7]。钻井打穿太原组碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层、山西组砂岩类裂隙含水层、松散岩类孔隙含水层，采取套管完井，隔离各含水层，对含水层整体结构影响较轻；压裂采用常规水力加砂压裂措施，煤体完整性降低，力学强度下降，顶板附近含水层易被导通、涌水量增大，压裂液渗滤对煤储层和围岩的岩石力学强度的影响主要是由水化作用引起；目前井场较少，分布较为分散，对含水层的压裂破坏仅为点状破坏，未形成区域性影响，现状条件下，其对含水层结构的影响程度为“较轻”。煤系地层富水性弱，且与上覆、下伏的含水层之间无明显的水力联系，现状条件下仅有21口井，单井每天最大产水量均小于16 m3，煤层气开采对含水层水量水位影响程度为“较轻”(图2)。

图2 地下水含水层破坏现状与预测评估Fig.2 Current situation and prediction and evaluation of groundwater aquifer damage

总之，现状条件下，煤层气开采过程中对含水层结构影响较轻，水力压裂过程对煤层顶底板的破坏会产生部分影响；煤层气开采过程对地下水位影响程度为“较轻”(图2)；煤层气开采建设中产生的钻井废水、压裂废水、施工废水对含水层水质影响程度为“较轻”。

(2)含水层预测。区内对含水层结构的影响主要为钻井工程及压裂工程；对地下水位影响主要为排采水。钻井工程对各层含水层的穿越，影响了含水层整体结构，对含水层构成了扰动；水力压裂对煤层顶底板的破坏，使其强度和稳定性降低，含水层易被导通、涌水量增大[8-9]，近期、中远期对含水层结构影响程度为“较严重”。采气排水导致区内及周边地下水流场的改变，使得煤系地层裂隙承压水向上越流量减少甚至发生逆转，在局部地区造成含水层的疏干，近期、中远期对含水层水位水量影响程度为“严重”。此外，局部地下水位下降甚至疏干，对村庄居民生活用水造成影响，影响程度为“较严重”。

总之，预测煤层气开采过程中对含水层结构影响程度为“较严重”；煤层气开采造成局部含水层疏干，影响程度为“严重”；煤层气开采建设中产生的生活污水、井场排水对含水层水质影响程度为“较轻”。

3.3 地形地貌破坏

(1)地形地貌破坏现状。区内对地形地貌景观的影响主要表现为：井场及道路等工程设施时采用切坡、平整场地、堆积人工边坡等手段破坏了原有微地貌和原生植被。区内现有9个井场，占地面积2.97 hm2，占地分散、单个井场占地面积较小，建设过程中有挖损和破坏现象[10]，部分永久占地和对原生植被的破坏，局部地段景观失去协调性，对地形地貌影响程度为“较严重”。井场进场道路均基于原有农村道路，未进行新道路修筑，未造成地形地貌景观破坏。总之，现状条件下，9个井场永久占地对地形地貌景观影响程度为“较严重”(图3)，面积0.030 km2；其他区域影响程度为“较轻”，区域面积171.91 km2。

图3 地形地貌破坏现状与预测评估Fig.3 Current situation and prediction and evaluation of landform damage

(2)地形地貌破坏预测。拟新建集气站3座，面积0.045 km2，长期占地面积0.023 km2；水处理站7座，面积0.091 km2，长期占地面积0.069 km2；建设过程中大规模场地整平、挖高填低，造成场地周边原有地形地貌景观改变和原生植被破坏，对地形地貌景观影响破坏严重。拟建井场217处，零星分散于各处，预计占地面积0.527 km2，长期占地面积0.271 km2，建设过程中，地面整平存在一定的地表挖损破坏，泥浆池工程开挖造成周边原生地形地貌景观改变和和原生植被破坏，对地形地貌景观影响程度为“较严重”。新埋设集输管道面积约1.328 km2，管线施工过程中，大规模管沟开挖致使原生土体结构及原始地形地貌发生改变，管线敷设完毕后进行覆土、绿化，也难以恢复成原有微地貌景观及原生植被形态[11-12]，未来管线施工对周边地形地貌景观影响程度为“较严重”。拟新建道路面积约0.072 km2，道路建设过程中挖填土方工程、路面硬化以及工程切坡势必会在很大程度上改变周边原有地形地貌景观，同时对植被造成破坏，影响破坏程度为“较严重”。

总之，预测未来场站建设活动对周边地形地貌景观影响破坏程度为“严重”(图3)，面积0.136 km2；井场、未来输气管线及进场道路对周边地形地貌景观影响为“较严重”，面积2.018 km2；其余区域影响较轻，面积169.756 km2。

3.4 土地损毁

煤层气的开采从地下到地面，包括地质勘探、钻井、井下作业、完井、采气、气处理、集输及地面建设等。具体为集气站、井场、管道铺设和道路工程，各环节产生土地损毁的可能性、损毁方式如图4所示。

图4 土地损毁环节与形式Fig.4 Links and forms of land damage

(1)已损毁土地。井场建设主要造成压占损毁，压占时间较长对土壤理化性质影响较大，区内井场用地包括站场占地和施工临时占地2部分。已建井场损毁土地总面积2.97 hm2，其中站场占地1.18 hm2，施工临时占地面积1.79 hm2。井场已占用耕地面积1.80 hm2，占用永久基本农田0.67 hm2。

(2)拟损毁土地。拟损毁土地主要为拟建集气站、水处理站、井场和采气管线。拟建3个集气站，损毁土地总面积4.53 hm2，其中站场占地2.28 hm2，施工临时占地2.25 hm2；拟建设9座水处理站，主要造成压占损毁，损毁面积9.08 hm2，其中站场占地6.85 hm2，临时占地2.23 hm2；共建井场226座(1 837口井)，已建成9座(14口井)，拟建217座(1 823口井)，拟损毁面积49.77 hm2，其中站场占地25.92 hm2，临时占地23.85 hm2；铺设管线分为集气管线、集水管线2种，集输管线总长度222.84 km，拟建管线临时占地132.76 hm2，其中集气管线123.30 hm2，集水管线9.46 hm2；建设进场道路12.10 km，路面宽度6 m，材质为砂砾石路面，占地面积7.17 hm2。各类型地类占用情况见表1。

表1 损毁土地和拟损毁土地现状一览Tab.1 List of damaged land and land to be damaged hm2

4 治理分区与土地复垦

4.1 治理分区

按照区内相似，区间相异的原则，区内划分为1个重点防治区和4个重点防治亚区，总面积为175.687 km2。其中，站场重点防治亚区(Ⅰ1)面积0.136 km2，井场重点防治亚区面积(Ⅰ2)0.527 km2，集气管线及进场道路重点防治亚区(Ⅰ3)面积1.399 km2，其他重点防治亚区(Ⅰ4)面积169.848 km2。主要地质环境问题为站场、井场、集气管线及进场道路建设对地形地貌景观和土地资源的破坏；其他区域的含水层疏干。矿山服务期满后，对站场、井场采取清基、翻耕、土地平整、土壤培肥、植被恢复等措施恢复原地形地貌景观和土地的使用功能[6,13-14]；站场和井场建设破坏的临时占地进行翻耕、土地平整，进而开展植被恢复；对集气管线及进场道路建设破坏临时建设用地的土地资源恢复工作，对工程建设破坏的地形地貌景观进行植被复绿；并加强地下水含水层的结构和水位监测。

4.2 土地复垦

区内已损毁土地全部为已建井场压占损毁，总的面积为2.97 hm2；拟损毁土地总面积为203.31 hm2,损毁土地一览见表2。合计复垦面积为206.28 hm2。方案服务期满后无留续使用的永久性建设用地，故复垦面积等于损毁土地面积，为206.28 hm2。

表2 损毁土地一览Tab.2 List of damaged land hm2

煤层气项目损毁土地特点主要为点、线损毁，损毁地类分散，各损毁单元中尽量恢复为原地类。此次复垦土地206.28 hm2，复垦方向为旱地、其他园地、有林地和灌木林地，土地复垦率100%。土地复垦包括工程、生物和化学和监测措施。工程措施主要为土地平整、修筑埂坎、土地翻耕等；生物和化学措施主要为土壤培肥、林草补植和撒播草籽等；监测措施包括土地损毁监测和复垦效果监测。

旱地复垦拟采取清理工程、土地翻耕、表土覆盖及土地平整和人工施肥措施；园地复垦拟采取清理工程、土地平整、表土回覆和种植枣树措施；林地复垦拟采取清理工程、土地平整和种植油松措施；草地复垦拟采取清理工程、土地平整，栽植柠条和紫花苜蓿措施；并加强土地损毁调查与巡查、地面定位观测及临时监测等[7,10]，归还原权属人使用，保证复垦后生态环境不退化，土壤侵蚀及水土流失状况不加剧。

5 结论

(1)鄂东石楼北煤层气区块现状主要环境问题为矿山建设对地形地貌破坏和已建井场损毁土地；预测主要问题为1号集气站建设可能引发崩塌、滑坡地质灾害程度为“较严重”；煤层气开采造成局部含水层疏干影响程度为“严重”，对含水层结构影响程度为“较严重”；未来场站建设活动对周边地形地貌影响破坏程度为“严重”，井场、未来输气管线及进场道路对周边地形地貌影响程度为“较严重”。

(2)鄂东石楼北煤层气区块划分为1个重点防治区，细分为4个重点防治亚区；复垦面积等于损毁土地面积。针对不同的土地类型实施工程、生物和化学、监测措施开展土地复垦，并归还原权属人使用，保证复垦后生态环境不退化、土壤侵蚀及水土流失状况不加剧。