采煤沉陷区地质环境受损特征及修复措施探究：以山西屯兰矿为例

高凌峰

(西山煤电集团屯兰矿，山西 太原 030000)

我国煤炭资源丰富，已探明煤炭储量占世界煤炭储量的12.6%，可采量居世界第三位，产量居世界第一位[1]。煤炭开采在带来经济效益的同时也引发了环境污染问题，造成了地表大面积塌陷、下沉、裂缝发育，导水裂隙带受损，地表生态环境退化，同时使得地面建筑物、设施遭受到不同程度损伤。根据相关研究可知，采煤塌陷侵占了可利用性土地，造成耕地、林地面积锐减，加剧了生态环境恶化。采煤造成岩体移动变形，地层结构破坏，导水裂隙带导通采空区，使得采煤沉陷区地表水系结构遭受破坏，河流断流，短时间内无法恢复，原本稀缺的地表水资源严重短缺[2]。采煤造成的地表塌陷、下沉使得地表产生大量裂缝，近地表水位下降，松散层土壤含水量相应降低，裂缝发育导致地表生态植被根系阻断，土壤内部应力结构发生改变，植物受扰动影响，获取土壤水分来源受阻，遭受缺水逆境胁迫而面临死亡。同时，采煤导致地质构造内部应力改变，岩体内部受力失稳，引发山体滑坡、泥石流，进而造成水体污染，耕地、林地、公路及地表建筑受损。诸多研究表明采煤在带来经济效益的同时，无可避免地导致了采动破坏问题。因此，以山西屯兰矿为例，通过探究山西屯兰矿区采动破坏特征，收集整理采煤沉陷区不同塌陷、裂缝、下沉、滑坡等治理方法，提出相关控制防范和预防举措[3]，论证采动破坏导致的破坏特点及形式，结合土地复垦技术的有效性及适宜性，研究出成套的修复技术路线为采煤塌陷区治理研究提供科学依据。

1 研究区概况

屯兰矿位于山西省古交市西南6 km，距离太原市60 km，井田位于吕梁山东翼，北部以鸦崖底断层与虎峪断层为界，与杜儿坪井田接壤，西部以三家庄断层为界与官地井田相邻，东邻西峪矿寨沟井田，南邻金胜煤矿和晋源煤矿。井田坐标：东经112°23′19″～112°26′44″，北纬37°46′21″～37°50′15″，属于中低山区，地形切割剧烈，沟壑纵横，以山地为主，地秒标高950～1 450 m。该区域海拔在1 000 m以上，气候干燥，春秋多风，昼夜温差大。矿区流域水系属于汾河水系，九院河与高家庄河属于井田内较大的两条河流，春冬季流量小，夏秋季，雨水充沛，极易形成洪流。每年8月份和9月份多雨，11月份结冰，根据近五年统计，夏季气温最高可达42 ℃，最低气温可达-32 ℃，最大降雨量达到635 mm。

2 调查分析方法

针对采煤沉陷区五种不同地质灾害类型，主要采用野外现场踏勘以及遥感技术、钻孔勘测进行分析。地表盆地、滑坡以及特大地裂缝塌陷坑采用遥感影像分析；小型地裂缝宽度、台阶高度等采用人工测量；塌陷坑测量借助激光测距仪、卷尺等测量工器具，分析该矿区地表小型地质灾害类型位置、性状、深度、尺寸等基础数据。

3 研究区地质环境现状

3.1 地质环境受损

煤炭开采使得原始沉积的煤岩层在采掘活动的影响下发生上覆岩体垮落、错动、起伏，加之构造带等特殊地质条件，导致原本处于应力平衡状态变为失衡状态，应力变化促使岩体发生坍塌、挤压、向外释放，从而改变了原有应力分布，进而引发上覆岩体在重力和应力失衡状态下发生移动变形下沉、采空区冒落，裂缝发育直达地表，使地表产生塌陷、滑坡、地裂缝、建筑物受损发生崩塌等地质灾害(表1)。

表1 采煤沉陷区地质环境受损特征及类别划分Table 1 Damage characteristics and classification of geological environment in subsidence area

根据2019—2020年的调查统计，屯兰矿地质灾害主要分为五大类，分别为地表下沉盆地、地裂缝、塌陷坑、台阶及滑坡(图1)，其中，地裂缝为主要地质灾害类型，占比为56.5%，几乎遍布整个采煤沉陷区；其次为塌陷坑占比23.2%；台阶占比14.0%，滑坡占比4.0%左右，而地表盆地灾害占比为2.3%(图2)。

图1 屯兰矿采煤沉陷区地质灾害Fig.1 Geological hazards in coal mining subsidence area of Tunlan Mine

图2 屯兰矿采煤沉陷区地质灾害占比情况Fig.2 Proportion of geological hazards in coal mining subsidence area of Tunlan Mine

1) 地表盆地。通常地质构造简单、地层结构均匀的情况下，只形成一个下沉盆地。但通过调查发现屯兰矿采煤沉陷区域有4个下沉地表盆地，其中1个为较大盆地，3个为较小盆地。形成原因与该矿区复杂的地质构造有关，部分区域下沉，部分区域受采空区上覆岩层交错、折叠导致垮落未延伸至地表，个别区域存在挤压使得地表甚至隆起。

2) 地裂缝。对裂缝的调查结果显示，屯兰矿采煤沉陷区域范围内裂缝条数合计80余条，有局部连续变形裂缝和非连续变形裂缝，绝大部分非连续裂缝出现在切眼、采空区巷道一侧，连续变形裂缝多随工作面推进过程发生连续变化，会出现张开愈合过程，并且呈现均匀展布式分布特征。所有裂缝呈现的外形特点是上宽下窄，随地表移动变形难以愈合，并且多以撕裂为主，也有错位、拉伸形成的裂缝。宽度、深度大小不一，极细裂缝宽度只有2～5 mm，数量为14条；绝大部分裂缝宽度为5～30 cm，数量为47条；少部分裂缝宽度为30～50 cm，数量为21条；极个别较大裂缝宽度介于0.5～2.0 m，数量为2条，深度达到2.0～8.0 m；有的裂缝甚至可直接导通采空区。

3) 塌陷坑。屯兰矿采煤沉陷区域地面塌陷合计62处，其中，典型塌陷38处，非典型塌陷24处。由于调查区在山区，形成的地面塌陷外形和规模差异较大，外加水蚀作用、风蚀作用，使得部分塌陷边界受损，长时间在自然愈合作用下，边界处衍生出新的生态植被。

4) 台阶。屯兰矿采煤沉陷区域台阶一般为错落式，呈带状分布，错落高差比较均匀，高差为5～10 cm的错落台阶39处，10～30 cm的错落台阶12处，30 cm以上的错落台阶8处。台阶错落面土壤外漏，部分呈现断崖式，台阶错落面边缘生态植被受损明显，受落差影响，植物主根系受损，长时间暴露在干旱、少雨的西北地区，植物获取土壤水分及营养物质受阻，导致台阶错落面边缘带25%的生态植被难以存活。

5) 滑坡。屯兰矿采煤沉陷区域存在2处明显滑坡，受采动影响山体、边坡区域出现滑坡现象，滑坡的特点是在一定坡度和倾角条件下产生的“滑动”，从孕育到形成，需要经历裂、蠕、滑、稳四个阶段。“滑动”的速度受地形坡度制约，即地形坡度较缓时，滑坡运动速度较慢；地形坡度较陡时，呈现堆砌式、倾斜式滑落，这类条件下，滑坡一般产生的速度较快。由于屯兰矿坡顶和台阶、塌陷坑相对集中，受地质条件影响，滑坡产生的形式也各不相同。

3.2 水系统受损

采煤造成的水系受损主要包含两类：一类是采煤岩层土体内部产生大量裂缝，导通地表，形成地裂缝、塌陷孔洞，使得地表水下泄导入采空区，地表径流减少，地表水系结构受损，造成河流中断[4]；另一类是采煤造成地表塌陷、下沉，使得隔水层发生错动、断裂，破坏了原有的水系分布，使得含水层、潜水层水沿着新产生的裂隙带不断流失，造成水系破坏。屯兰矿区井田上下共有四个含水层，第四系砂砾含水层组，石盒子组砂岩含水层，太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水组。采煤主要造成第四系砂砾含水层破坏严重，使得水位标高下降0.8～2.2 m不等，钻孔涌水量由采前2.5～106 L/(s·m)降低到1.8～95 L/(s·m)；井田内较大的河流，如九院河与高家庄河一级支流受采动影响，地表河流径流量减少，一度出现断流状态。太原组灰岩含水层及奥陶系岩溶水地下水也受到不同程度破坏，基岩裂隙水损失殆尽，单位涌水量显著下降，下降值介于0.013～1.232 L/(s·m)之间。 采动造成区域水循环受阻，使得地上下水系统受损，且在短时间内无法循环恢复。此外，采动使得煤炭中的重金属离子、二氧化硫等不稳定化合物混入水体，造成导致水体受污染等破坏[5]。

3.3 生态环境退化

采煤造成地形地貌改变，引发的地裂缝、塌陷导致土壤内部水循环受阻，植物根系结构遭受裂缝撕裂损伤，使得地表植被获取水分来源受阻。受采动影响，地表水不断入渗，降低了岩体、土体的强度[6]。屯兰矿区土壤以黄土为主，采动使得地表生态受损严重，根据遥感数据，矿区3 200 m2耕地面积遭受破坏，1.2万m2林区面积受破坏，灌木、林草受损面积达到6 200 m2，形成塌陷、滑坡、泥石流等灾害的受损面积达2 870 m2，局部区域河流水体受污染，所在的屯兰矿井田调查区域范围内，植被覆盖率相对于开采前降低12.5%，土壤盐碱化面积相对于采前增加了6.2%。采后在水力、风力侵蚀作用下，表层土壤结衣受损，土壤内部胶结物质、盐分、有机质流失严重，使得调查区域内侵蚀破坏面积占比增加了14.36%，土地沙化面积占比增加了5.6%，造成土地污染的面积增加了3.6%。

4 受损区修复措施研究

针对采煤造成的地质、生态环境破坏问题，在政策方面，山西省自然资源厅从创新矿山环境治理恢复基金管理办法、规范矿产资源开发利用和矿山环境保护与土地复垦方案编制及审查备案制度等6个方面推出系列新举措，统筹推进矿山生态保护修复治理工作[7]。在修复技术方面，针对屯兰矿采煤沉陷区特有的矿山地质灾害，因地制宜，改进常规的修复举措，充分开发矿山开采生态减损工艺及修复技术以及推广使用充填采矿工艺。最大限度减少地表沉陷，对已造成地表塌陷、下沉、裂缝发育等的区域，在充分修复后，进行表土覆盖，最后恢复生态植被。针对不同的地质环境问题，采用的修复措施如下所述。

1) 地表盆地修复。针对屯兰矿下沉盆地灾害问题，对边缘裂缝整治和中心盆地分级整治，充分借助地形优势和特点，因地制宜进行整治。对沉陷盆地深度小于3 m的塌陷深坑进行修复，主要是利用煤矿周围固体废弃物，如矸石、河床石料、石块对沉陷盆地进行粗骨架填充后，再进行密实充填，采用河床泥沙、粉煤灰填料进行密实填充，接近地表50 cm高度后，采用表土覆盖，给土壤施加有机肥、生活有机垃圾，再投入污染物降解菌或接种丛枝菌根，播撒本主植物种子，以促进沉陷盆地修复区域植被修复。盆地下沉深度大于3 m，则借助地形优势，对边缘整治添堵裂缝，中心区域添堵塌陷裂缝后，在盆地内添加不少于30 cm的石料搅拌加入粉煤灰、加入水，待凝固后，再添加30 cm厚度的黏土夯实，表层覆盖30 cm土壤夯实。无法利用的塌陷盆地则依靠地形特点优势，直接撒播草籽、添堵裂缝，种植林、草植被，因地制宜建设公园、灌木林地等。

2) 地裂缝修复。对于采煤沉陷区裂缝，通常经过现场实地考察，勘察裂缝特征，获取采动边界塌陷裂缝宽度、深度以及发育状况是否稳定，划分为人工修复和机械作业修复两大类，人工修复裂缝工程量较小，作业任务单一，机械修复需要土方、石料等填充材料，修复任务和难度相对较大[8]。采用机械修复，则需要完成现场踏勘，裂缝勘测，根据勘测结果进行裂缝填充区域划分，针对不同宽深裂缝，采用不同粒径的骨料充填，并做近地表黏土铺设，防止水力侵蚀浸泡导致出现漏斗，最后采用外来土方回填，表土回填完成地表生态修复(图3)。

图3 地裂缝修复工艺流程Fig.3 Process flow of ground crack repair

3) 滑坡修复。首先确定采煤沉陷区滑坡范围和区域，分析滑坡走向，主要与岩石、土体内部受力不均衡以及地表地形、坡度有关。判断发生再次滑坡区域范围，掌握滑坡受力倾向特点，设置支护结构[9]。其中，挡土墙是最常见的治理方式，将石块、条石、锚索进行挡墙设置，根据所需强度，调整锚索疏密程度，必要情况下设置混凝土挡墙增加掩挡强度。降雨等对滑坡土体的浸润、浸泡使得土体、岩体之间的内摩擦力降低，增加了滑坡再次发生的可能性，因此为了避免再次滑坡，在滑坡区域范围内，设置排水沟体，实施导流。通常将排水构体坡度控制在1∶3左右，排水量根据当地最大降雨量以及汇流区域面积计算。通常在实际布设过程中，结合地形、水流走向设置排水沟。此外，为了保障滑坡的稳定性，在滑坡一带采取工程与植被控制相结合的方式，主要是种植灌木、草本作物。滑坡坡度大于35°时，所选择的植物要以草本植物为主，抗旱性强，根系发达，易存活；滑坡坡度小于35°时则通过人工降坡度的方式，将草本与灌木、林木相结合，以达到有效治理防护的目的。

4) 塌陷坑修复。塌陷坑的修复一般分为稳定区和非稳定区。对于稳定区塌陷坑修复，主要方式是充填塌陷坑，以矸石、建筑垃圾、河床石料直接充填塌陷坑，充填至地表50 cm的距离，回填表土或者富含肥力的土壤，播撒草籽或栽植人工经济林、灌木林等。对于非稳定区塌陷坑修复，按照采煤进程及影响范围，安排阶段性复垦，采用阶段性复垦工艺，在形成的非稳定区先进行裂缝、塌陷坑充填，以平整土地，待沉陷稳定后补修二次塌陷造成的塌陷、裂缝，再进行表土覆盖，恢复耕植(图4)。

图4 塌陷坑耕地机械修复工艺流程图Fig.4 Process flow chart of mechanical restoration of cultivated land in collapse pit

5) 台阶修复。采煤沉陷区台阶修复相对容易，通常将台阶边缘作切割处理，高低落差处于30 cm以下的台阶，直接进行削高垫底，使得上下台阶高差形成缓坡，坡度一般不大于15°即可。而高低落差较大的台阶则采用机械作业修复，通常采用卡车取土，挖掘机、推土机作业，剥离表土台阶边缘带表土，将台阶推平后，填补落差条带后夯实，形成的坡度不大于15°，再将剥离的表土回填塌陷坑，平整坡度。此外，高低落差较大的台阶受地理条件受限，可借助台阶形成的高低落差，直接改造为梯田，将台阶坡度降低，借助机械设备将其改造为梯田后，施加有机肥和回填表土，提高土壤肥力，达到果园种植等标准。

5 结 语

煤炭开采对地表的破坏是无法避免的，但随着开采工艺及先进设备、技术的发展，减少地质灾害是不断探索和研究的发展趋势[10]。针对屯兰矿采动造成的不同地形地貌、地质条件及破坏特征划分，分类治理，对塌陷、台阶、裂缝等地质灾害，依据地形、地貌、塌陷程度、坡度、下沉倾角、落差高度、土方量、土壤质地以及取土工程量大小进行灾害等级划分、坡度倾角划分、工程实施方式归类，系统构建了一套适用于屯兰矿的采动破坏区域修复技术，有效解决了屯兰矿的地质环境破坏问题，取得了良好的恢复效果，生态稳定性得到大幅提升。此外，需要进一步研究采动造成的地质环境破坏规律，充分研究采空区回填、地表沉降控制技术等，减少地质灾害，处理好资源经济与生态环境协调发展关系，为我国建设“绿水青山就是金山银山”的发展理念贡献应有的力量[11]。