甘肃省靖远县某采煤沉陷区地质环境评估及治理研究

刘青松

（甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730020）

1 概述

加强矿山地质环境恢复与综合治理，将矿山开采对生态环境的影响降低到最低程度是贯彻落实党中央、国务院“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念的重要体现[1-3]。靖远县东升镇有4处废弃矿山、2处政策性关闭矿山，属历史遗留矿山。该区域采煤沉陷发育、存在乱采乱挖、渣堆无序堆放的现象，加之早期开采技术落后，开采条件简陋，开采手段粗放，致使矿区周围地质环境遭到严重破坏，造成自然景观破坏、植被破坏、水土流失及生态环境恶化等，实施靖远县某采煤沉陷区治理工程非常必要和迫切，本次工作通过野外勘察工作和收集的矿山基础资料及地质环境资料，查明了项目区地质环境现状和矿山地质环境问题的发育程度、表现特征及原因，针对地质环境问题设计恢复治理方案。通过治理不仅可以改善项目区的矿山生态环境，对于促进区内经济发展和社会稳定也具有非常积极的作用。

2 采煤沉陷区地质环境条件

2.1 自然地理条件

靖远县深居内陆，属温带大陆性半干旱气候区。项目区无河流经过，距离最近河流为黄河干流，全长154km，县境内流域面积4923.1km2。项目区主要有栗钙土、灰褐土、灌淤土、灰钙土、盐土、潮土、红土和风沙土等8个土类。植被类型有针茅、小黄菊、猪毛草等。

项目区总体地势是西南高、东北低由西南向东北倾斜。依据地貌特征和成因类型，项目区地貌类型可划分为侵蚀—堆积黄土丘陵地貌：由黄土梁峁、黄土残塬组成，海拔1400～1900m，地形遭受强烈切割，形成孤立、不连续的黄土峁、残塬、黄土梁等地形形态。沟谷平均切割深度200～400m，切割密度1.8～3.6km/km2。

2.2 地层岩性

据区域地质资料及本次现场调查、勘查结果，项目区出露地层较为简单，由老到新主要有三叠系(T)、侏罗系（J）、白垩系（K）和第四系（Q）。三叠系为上统南营儿群，为本区侏罗纪煤系地层的基底。岩性为灰绿色、黄绿色细、中、粗粒砂岩，局部含砾，含炭质碎屑、煤屑、黄铁矿结核等，具有清晰的斜波状层理及交错层理。中侏罗统窑街组为区内主要含煤地层，岩性主要由灰白色中、粗粒砂岩，灰、深灰、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩及煤层组成。中侏罗统新河组下段为草黄色砂岩段，上段为油页岩段。上侏罗统苦水峡组为紫灰色砂岩与红色泥岩互层。白垩系为浅棕红色、褐红色的砂砾岩、砂岩。第四系为上更新统马兰黄土和全新统采矿堆渣形成杂填土。

2.3 地质构造

靖远县地处陇西旋卷构造体系与河西构造体系交汇地带，构造形迹复杂。陇西旋回构造体系的三个旋回褶带在境内均有显现。县域跨古浪—香山—同心旋回褶带的中部、乌鞘岭—屈吴山—六盘山旋回褶带的中西部、永登—白银—会宁旋回褶带的中东部，三个旋回褶带将靖远县分割成多个隆起和盆地[4]。

新生代以来，靖远县新构造运动比较活跃，特别是第四纪以来表现非常明显，主要为大面积的周期性节奏波动上升运动，并伴随有断裂和地层微斜倾的构造行迹。表现为屈吴山、黄家凹山、水泉尖山、松山等中低山的崛起，低山丘陵区基岩多级阶梯状台阶地形的出现，黄土地区塬面高差悬殊、河谷多级阶地和堆积层的发育等，仅有堡子川盆地持续下降，为本区第四纪沉降带。

2.4 岩土体工程地质特征

治理区岩体类型简单，依据沉积建造、岩体结构类型、工程特性及工程地质指标划分，区内岩体工程地质类型主要有由三叠系构成的坚硬薄层—中厚层状结构岩组和由侏罗系—白垩系构成的较坚硬薄层—中厚层状岩组。

土体工程地质类型包括黄土和杂填土。黄土广泛分布于项目区，土体具有大孔隙，结构疏松，垂直节理发育，无层理，土体处于软塑—可塑状态。天然重度为14.9～17.1kN/m3，粘聚力为 15.5～18.6kPa，内摩擦角为27.2°～28.8°，承载力特征值为100～110kPa。杂填土因推填整平场地形成。浅黄—杂色,土质不均，主要由粉土、煤矸石组成，含量约为80%，含有约20%碎石、砖块、砼、建筑垃圾等杂物，承载力特征值约80kPa。

2.5 人类工程活动

根据项目区人类工程活动特征以及破坏地质环境的方式，项目区人类工程活动主要为矿业活动。项目区矿产资源丰富，自20 世纪50 年代以来，项目区矿业活动强烈，长期以来没有合理的规划，忽视了对矿山地质环境的保护，无序开采，受开采条件、开采方式、生产工艺、技术设备等综合影响，使矿山地质环境遭受严重破坏，到目前为止引发了一系列严重的矿山地质环境问题。同时调查发现区内渣堆不规则无序堆放，造成了土地资源的压占及植被的破坏。

3 矿区主要地质环境问题

经野外实地调查及资料收集，项目区历史遗留矿山在矿业活动过程中，由于缺乏对生态环境的保护措施，大量的渣堆无序堆放严重破坏了矿区的生态环境，导致水土流失严重，地表及植被遭受严重破坏。区内存在的矿山地质环境问题主要表现在以下3个方面：一是采矿活动引发的地质灾害；二是矿业活动对土地资源破坏；三是矿业活动对地形地貌景观的影响。

3.1 采矿活动引发的地质灾害

勘查区由于开采年限较长（含民采），且开发强度较大，项目区南侧采空区地面塌陷（隐患）点较多，规模较大。经过现场调查，勘查区内洞采较为分散，目前在项目区南侧发现塌陷坑22 个，地裂缝普遍发育于整个治理区，治理区中部地段形成地裂缝连片，对地形地貌景观造成了破坏，对旱地及草地造成了破坏。

工作区范围内塌陷区和地裂缝发育于红湾村南侧王家山一带的采煤区，呈带状分布，走向北东—南西向80°～260°，长约2.6km，宽0.4～1km。通过调查，在项目区南侧发现塌陷坑22个，塌陷坑呈带状或串珠状分布，深度5～20m 不等，面积最大达2833m2；地裂缝多发育于项目治理区，长几十米至上百米不等，最大宽度达到2m，最大错台高3m，各时段塌陷地带相连成片，区内大部整体沉陷，最大下沉值1.6m，最大水平位移为1.5m。其中治理区整体分为两大片，地表裂缝纵横交错，裂缝走向45°～65°。造成山体严重破碎，塌陷裂缝大多呈弧形，弧半径指向沟底，裂缝最宽达0.6m，错动最大达3.5m。

采煤沉陷区主要分布在红湾村，现场调查其沉陷区形成于2004 年之前，矿区各煤矿早期开采方式选用“倾斜分层走向长壁灌浆采煤法”及“长壁倾斜分层放顶煤采煤法”进行采煤，由于早期开采煤层较浅，大多为100～400m，加之煤层覆岩为软岩，上覆半坚硬岩整体性状软弱，使得煤层采空后顶板冒落，岩石应力场重分布后，在地面产生陷落的状况。因此，地下煤层采空的区域，必将对应地产生地面塌陷，且塌陷面积较采空区面积大。矿山开采过程在地下采空很快导致顶板冒落（冒落带），继而覆岩产生弯曲内鼓、张裂塌落（基岩裂隙带），并逐步向上扩展直至地面第四系松散覆盖层陷落形成塌陷洼地（弯曲带），在煤田边缘煤层埋藏较浅处，冒落带可直达地表。从地下采空、顶板冒落发展至地表沉陷造成灾害的滞后时段与煤层回采进度有关，当回采工作面推进到一定距离时，地表开始移动，这个距离为开采深度的1/3～1/2，随着工作面的继续推进，地表出现下陷，且其范围在逐渐扩大，最终形成目前的地面塌陷区。

3.2 矿业活动对土地资源破坏

经野外实地调查及资料收集，项目区历史遗留矿山在矿业活动过程中，由于缺乏对生态环境的保护措施，大量的渣堆无序堆放严重破坏了矿区的生态环境，导致水土流失严重，地表及植被遭受严重破坏。

勘察区历史遗留矿区对土地资源的破坏主要为压占破坏，表现为渣堆沿道路或草地无序堆放，对原生草地造成了严重破坏，压占的废渣成分主要以碎石土为主，碎石粒径一般5～30cm，最大达80cm。废渣在坡面和坡脚松散堆积，偶尔会发生顺坡滑塌现象。由于废渣堆无序堆放、松散、保水性差，闭矿以来坡面一直无法自然生长植被，对当地的生态环境影响较大，对区内自然环境的整体协调性造成不良影响。区内还存在私自采煤，遗留多处废弃采硐及临时窑洞。区内共计分布有127处废弃矿洞及窑洞。

where Lq1(?) is the likelihood function used in the EM to estimate the parameters of GMM ofobservableq1,andis the set of parameters of observable q1in the GMM.

3.3 矿业活动对地形地貌景观的影响

地形地貌景观破坏指因矿山建设或采矿活动而改变原有的地形条件与地貌特征，造成土地损毁、山体破损、地面塌陷、裂缝、植被破坏等现象，致使地质遗迹、人文景观、土地植被景观等被影响或破坏从而使矿山自然景观的观赏性、连续性、完整性、原始性等属性遭受破坏的现象。

经调查分析，勘查区历史遗留矿区地形地貌类型为侵蚀—堆积黄土丘陵地貌。区内的矿山开采方式为地下，形成采煤沉陷区，调查范围内塌陷面积达1.39km2，治理区内受影响面积达0.7575km2；废弃采硐、临时窑洞及废弃生产生活区遍布三条沟，总占地面积11032.23m2，废弃生活区建筑物多为1层砖砌体及土坯房，拆除废弃建筑物15998.482m3；早期开采过程中，对山体进行开挖取土回填洞口，造成山体破损，挖损平地处，又称为临时选矿厂及废弃渣场，并产生大量废石、废渣堆积于坡体或坡脚地带，造成区内山体切割严重，废渣随地堆放，虽然后期部分地段已经清运，但是造成地形地貌损毁，植被遭到破坏，开挖山体形成的采场有3处，靠山侧开挖坡度一般50°～80°，局部近直立，平面形态呈半凹状。据统计：渣堆总面积91768.7m2，总体积为490206.6m3；采场总面积为108146.99m2。据统计，造成地形地貌景观破坏面积约75.75hm2。根据以上分析，矿业活动对原生景观影响和破坏程度大，对勘查区内地形地貌景观影响严重。

4 恢复治理方案

4.1 恢复治理的目标

本次针对靖远县某采煤沉陷区内裂缝分布区、坡面挖损区、废渣堆填压埋区进行生态修复治理，本次工作区内地面塌陷对矿山地质环境的影响严重，对南侧地面塌陷陷坑本次不进行治理，仅对地面塌陷引起的地裂缝夯填治理。通过对工作区地质环境生态修复治理工程（主要对工作区渣堆平整、裂缝夯填、采坑回填、土壤改良、恢复植被）的实施，减轻水土流失，缓解因水土流失造成对山地、农田的污染，改善生态环境。目标完成治理区恢复植被1105.8 亩（其中，恢复成旱地185.2 亩，恢复成草地920.6 亩），成活率达95%以上。达到有效遏制区内生态环境持续恶化，恢复自然植被，降低水土流失，使采矿区地质生态环境步入良性循环轨道，为其周边地区创造一个良好的生产、生活环境。

4.2 恢复治理方案设计

根据现场调查，项目区目前主要的地质环境问题主要为：渣堆无序堆放、压占草地和地面塌陷等，故采用渣堆平整+采坑回填坡面整平+地裂缝整治+覆土绿化方案，具体设计如下：

（1）渣堆平整：根据区内渣堆分布、堆积厚度以及破坏范围等，结合矿区地形条件，采取因地制宜的措施进行工程设计。除ZD1、ZD4 需要部分矿渣拉转运填采土坑外，渣堆均进行原地平整，在平整过程中将颗粒较小的渣堆铺设于平整区上部，首先与周围地形地貌相适应，且坡度不陡于1∶2（有利于坡体自身稳定且有利于种植土批覆），经统计，渣堆转运方量约30732.3m3；原地平整渣堆方量约88946.7m3。

（2）采坑回填：针对矿区分布的3处采坑运用渣堆、坡面弃土进行回填，回填坡度不大于28°（有利于坡体自身稳定且有利于种植土批覆），回填后与周边地形地貌景观协调一致，后覆土绿化。

（3）坡面整平：针对地裂缝及挖损造成的坡脚地形地貌损毁地带，先进行表面30cm 耕植土收集，再将沟道挖损地带进行削方、回填进行整平，两侧山包削方原则为坡度不陡于1∶1.75（有利于坡体自身稳定且有利于种植土批覆），整平后与周边地形地貌景观协调一致，整平方式为机械整平。

（4）地裂缝整治：针对区内发育的两片地裂缝，其中，旱地原恢复成旱地，其他草地恢复成其他草地。先进行表面30cm 耕植土收集，再对地裂缝外扩1m 进行开挖，开挖深度约2m，回填时进行碾压，压实系数不小于0.9，最后上覆之前收集的30cm 厚的根植土恢复成旱地，草地地段继续播撒草籽恢复成草地。

（5）覆土绿化：渣堆平整、采坑回填以及沟道整平后上覆30cm厚的根植土，进行种草绿化，其中，旱地覆土面积123538.2m2；草地覆土绿化总面积614037.9m2。

（6）取土场设计：本项目不单独设立取土场，在沟道整平时，先进行表面30cm 耕植土收集，再进行取土及坡面整理，客土拉运平均距离100m。土质为土壤类型为二类土的黄土。治理工程覆土需土方量约为222112.4m3，可满足治理工程需土量。

5 结论

（1）项目区历史遗留矿山地质环境问题主要表现在以下3个方面：一是采矿活动引发的地质灾害；二是矿业活动对土地资源破坏；三是矿业活动对地形地貌景观的影响。

（2）针对项目区内渣堆无序堆放、压占草地和地面塌陷等主要的地质环境问题，设计并采用了渣堆平整+采坑回填坡面整平+地裂缝整治+覆土绿化方案。