肥城市曹庄煤矿区矿山地质问题及防治措施

耿国锐

(山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安 271000)

肥城曹庄煤矿位于山东省肥城市王瓜店镇境内， 地下开采，生产能力100万t/a，面积10.2064 km2，为地质环境条件复杂的中型矿山。

1 自然地理

矿区属暖温带半湿润季风性气候区，四季明显，全年降水主要集中在7—8月份，大气降水与矿井涌水量无明显关系；属低山丘陵地貌，为山麓与平原过渡带，地势北高南低；发育月庄河、仪仙河、马庄河和尚古庄河四条季节性小河；有栾庄水库、马庄水库、尚古庄水库、文昌阁水库和19个煤矿采空塌陷形成的塌陷积水坑，最大沉陷深度大于3 m(雨季丰水期潜水位深度2.4 m)；因自然条件和人类活动的影响，自然植被基本消失，土地资源多被栽培植物覆盖；土壤主要为褐土和潮褐土土类，土层厚，比较肥沃，土质良好。

2 地质环境背景

2.1 地层

区内主要出露太古代泰山岩群花岗片麻岩；寒武—奥陶系灰岩和页岩；上石炭统本溪组灰岩、粉砂岩与黏土岩，太原组细砂岩、粉砂岩和泥岩夹11层煤；下二叠统山西组中粒砂岩与砂泥岩互层夹4层煤；中二叠统下石盒子组和上石盒子组中细粒砂岩、粉砂岩和泥岩，不含煤；第四系砂质黏土和黏土质砂砾层。

2.2 地质构造

矿区位于鲁中隆块肥城凹陷东端，为一以断层为主的单斜构造。地层走向近东西，倾向北，大部分倾角8°～17°；东部边界由F23与F30正断层组成地堑构造，北部以F2正断层构成井田的控制边界；共揭露落差大于3 m的正断层25条，逆断层12条。

2.3 水文地质

矿区含水层主要为第四系含水砂层及砂砾层，山西组3煤层顶板砂岩，太原组第一、二、四层灰岩，9煤层顶板泥灰岩及11煤层顶板无名灰，本溪组徐家庄灰岩(五灰)，奥陶系石灰岩(奥灰)。隔水层主要为各层灰岩间黏土岩和粉砂岩，并受裂隙岩溶水、断裂构造导水和老空水影响，水文地质条件复杂[1]。

2.4 工程地质

煤层顶板主要为粉砂岩、石灰岩、炭质页岩和复合顶板4类。其中，粉砂岩厚0～18.17 m，性脆，节理发育，岩石的坚固性系数f为4，中等稳定；石灰岩厚3.62～8.62 m，坚硬，裂隙发育，f为8，中等稳定；炭质页岩厚0.1～0.2 m，易垮落，f为2，为中等稳定；复合顶板由薄层煤、岩构成，厚度2.48 m，易破碎，强度低，f为3，为不稳定顶。底板主要为黏土岩、粉细砂岩和薄层煤岩3类，前者厚0.4～9.07 m，f为3～4，遇水易软化，造成支柱钻底；中者厚0.80～8.55 m，f为3～4，易产生底鼓；后者厚2.48 m，强度较低，f为3。故矿区工程地质条件中等。

2.5 矿体地质特征

含煤地层为石炭—二叠系山西组和太原组，总厚248.70 m，含煤15层，煤层厚度18.71 m，可采及局部可采煤层为山西组的1、3煤和太原组的6、7、8、9、102、11煤层共8层，厚13.89 m。其中，1、6、7、11煤为薄煤层，8、9、102煤为中厚煤层，3煤为厚煤层。

3 地质环境现状

3.1 地质灾害

区内地质灾害主要为采空塌陷及伴生地裂缝。自建井生产以来，采空塌陷区面积约711.03 hm2，分布于井田的东部、南部、西南部和东南部等煤层埋藏较浅地区，土地类型主要为农田耕地，局部延伸到村庄和农村道路。以栾庄—曹庄—马庄一带为例，相对塌陷深度约1.0 m，最大塌陷深度约4.8 m。实施了填土整平、农田复垦、鱼塘改造、房屋重建或加固和村庄搬迁等治理恢复措施。

采空塌陷及伴生地裂缝对农田、村庄、道路等影响程度大，但进行了适宜的治理，故地质灾害危险性小[2]。

3.2 含水层破坏

区内拥有7套含水层，矿山排水对山西组3煤层顶板砂岩、太原组第一、二、四层灰岩、9煤层顶板泥灰岩及11煤层顶板无名灰等煤系地层含水层结构影响严重；对第四纪含水砂层及砂砾层、本溪组徐家庄灰岩(五灰)和奥陶纪石灰岩(奥灰)含水层结构影响较轻。此外，矿井水、地表水以及井巷奥灰水、五灰水样测试显示硫酸盐、亚硝酸盐和氯化物均超或远超Ⅲ类标准值。

采矿活动对地下水和地表水质量的影响严重。

3.3 地形地貌破坏

矿区地形地貌景观破坏主要为煤矸石堆积场和地表变形形成的采空塌陷。其中，煤矸石堆积场占地面积约3.0 hm2，高约30 m，对原生的地形地貌景观影响和破坏程度大；矿山不断生产，采矿面积不断扩大，地表变形范围不断扩大，面积约748.22 hm2，塌陷最大塌陷深度约6.0 m；浅层地下水水位埋深多数月份为5～6.5 m，雨季地下水位埋深一般为2.4 m，采空塌陷深度大于2.4 m的区域形成季节性积水的可能性较大，对原生的地形地貌影响和破坏程度较大，其余部分对原生的地形地貌影响和破坏程度小。

总之，采空塌陷深度大于2.4 m的区域对地形地貌景观影响严重，1.0～2.4 m的区域为影响较严重，其余部分为影响较轻。

3.4 水土环境污染

区内水土资源丰富，主要为基本农田、一般农田及矿区工业广场、村庄、公路及河流占地。南部采空区的地表变形程度较大，对区内的土地资源产生了一定破坏，部分地段因塌陷较深，已经改造为水塘用于水产养殖，其他塌陷较浅地段进行了整理复垦后继续用于农田种植。

除塌陷较深地段改造为水塘外，其他地段没有改变原来的土地用途。矿山开采对土地资源的影响和破坏除塌陷较深地段较严重以外，其他地段较轻。

3.5 地质环境分级

根据地质灾害危险性、地形地貌景观、土地资源和含水层等的影响现状，将区内矿山地质环境影响程度划分为严重区(A区)、较严重区(B区)和较轻区(C区)(表1)。其中，严重区位于采空区的中心地带，面积约0.6438 km2；较严重区位于工业广场的周围，面积约1.4880 km2；较轻区位于矿区的边缘地带，面积约8.0899 km2。

表1 矿山地质环境影响程度分级表

4 土地损毁现状

区内对土地造成的损毁主要为采空塌陷的塌陷损毁和工业广场及配套设施的压占损毁。

4.1 塌陷损毁土地

曹庄煤矿于1965年1月1日投产，至今已有近60年的开采历史，对土地的损毁为采空塌陷及伴生地裂缝。

土地塌陷损毁基本覆盖整个矿区，最大塌陷深度为6.0 m，部分地区常年或季节性积水，积水深度0～5 m，总面积为723.29 hm2，主要包括水浇地、旱地、果园、林地、铁路用地、公路用地、农村道路、坑塘水面、设施农用地、村庄用地、采矿用地、风景名胜及特殊用地。其中，损毁耕地面积为351.64 hm2，约占损毁总面积的48.62%，影响了农作物的生长，导致耕地减产、绝产。部分塌陷损毁土地由矿山出资、村民自行治理，农田保持耕作状态。

4.2 压占损毁土地

压占损毁土地主要为工业场地和矸石堆放场，总面积24.93 hm2。前者位于矿区中部，主要为绞车房、风机房、配电室、充电室、机修车间、材料库、煤场、矿井、选煤厂、综合办公区等建筑物，占地面积为21.93 hm2，压占土地为耕地，损毁时间自开采至今。后者位于工业广场西南侧，压占损毁面积3.00 hm2，累计堆存20.4万t，矸石堆体高度约30 m，压占土地均为耕地，损毁时间自开采至今。矸石可作铺路、充填塌陷区和其他建材生产，正逐步合理利用[3]。

5 治理措施

区内矿山地质环境问题主要为地面塌陷和土地损毁，含水层破坏和水土污染较轻，故对地面塌陷和土地损毁提出具体的治理措施。

5.1 地质灾害治理

地面塌陷采取土地平整、削高填低、挖深垫浅等措施对塌陷区土地进行恢复治理；对塌陷盆地影响范围内的沟渠堤防进行垫高、加固，保证度汛安全；及时维修受影响的公路和农用生产道路，并适时规划新的田间道路。

5.2 土地复垦

根据采空塌陷损毁程度，土地复垦分为简单治理区、一般治理区和煤矸石充填治理区。

简单治理区为轻度塌陷区，塌陷深度小于1.0 m的地段，地表略显凸凹不平，但变化不大，且土层并未发生较大改变，土壤养分状态无变化，只稍作平整即可耕种。

一般治理区为中度塌陷区，塌陷深度1.0～2.4 m的地段，地表出现土丘或土坑，影响农田的正常耕作。首先将地表30 cm的耕植土剥离，就近堆放，然后推土整平，最后将剥离耕植土覆上整平，便可恢复土地原有使用功能。

煤矸石充填治理区为重度塌陷区，塌陷深度大于2.4 m的地段，地表凹凸变化较大或地面坡度较大，对农田的正常耕作影响较大。首先将地表30 cm的耕植土剥离，堆放于地势较高处；然后利用挖掘机械将煤矸石垫到塌陷区季节性潜水位(2.4 m)以上；最后将剥离耕植土覆上整平，便可恢复土地原有使用功能。

此外，加强地表变形、含水层破坏、水土污染监测，防止地质环境破坏、地下水水位下降和水土污染的发生。

6 结论

(1)曹庄煤矿区主要地质问题为采空塌陷及伴生地裂缝、煤矸石堆积场和地表变形形成的地形地貌破坏、塌陷损毁和压占损毁，含水层破坏和水土污染影响较轻。

(2)地面塌陷区采取土地平整、削高填低、挖深垫浅等措施进行恢复治理；塌陷盆地影响范围内的沟渠堤防进行垫高加固，保证度汛安全；采空塌陷区土地复垦经煤矸石充填、推土整平和耕植土覆上整平等，恢复土地原有使用功能。