甘肃省窑天煤田环境特征评估及生态恢复研究

彭建阳，朱文慧，尚佳楠，苏永江

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000)

窑天煤田探获煤炭资源量为105 336.02万t，共分为4个矿区。其中，窑街矿区探获煤炭资源量为61 626.07万t，大有矿区为17 348.240万t，大滩矿区为7 059.00万t，炭山岭矿区为19 306.713万t。截至目前，窑天煤田内探获煤炭资源量占全省探获煤炭资源总量(1 674 436.06万t)的6.29%；煤田保有量为89 756.933万t，占全省保有煤炭资源量(1 586 592.687万t)的5.66%。煤田内现有生产矿井25对，占用资源量69 941.373万t，占全煤田探获煤炭资源量的66.40%；尚未利用资源储量为35 394.65万t。

矿山采用短壁刀柱式采煤方式，因采煤造成的地质环境问题主要有地面塌陷、裂缝等。本文以窑街煤矿为例，通过矿山地质调查，评估矿山地质环境现状，提出综合治理方案，恢复矿山生态环境[1-3]，从而进一步提高企业的经济效益，增强企业市场竞争力，提高所属煤矿的整体生产能力，为建设高效能的现代化矿井服务[4-6]。

1 地质环境特征

1.1 矿区地质特征

煤田东临陇中黄土高原，民和盆地之西北部，高程一般+1 500 m以上，西北部为祁连山东段，高程在+2 500 m以上，地貌上西高东低。矿区含煤地层主要为侏下侏罗统炭洞沟组、中侏罗统窑街组、上侏罗统享堂组。民和盆地受基底构造和后期改造作用的控制和影响，伸展断层、逆断层和走滑断层十分发育。

1.2 控煤因素

窑天煤田发育有厚—巨厚煤层，且都发育在窑街组的下部，主要为炭山岭煤矿、大滩煤矿、大有煤矿、窑街煤矿。

(1)炭山岭煤矿。含煤层分为顶层煤、上层煤、中层煤及下层煤，平均总厚度9.94 m。主要可采煤层为上层煤和中层煤，可采煤层平均总厚度9.82 m。

(2)大滩煤矿。共含煤10层(实际上是一层结构复杂的巨厚煤层)，自上而下编号为1号—10号煤层。煤层平均总厚23.76 m，其中可采煤层6层，总厚度21.87 m。

(3)大有煤矿。含一个煤层组，全区可采，平均厚度18.42 m。

(4)窑街煤矿。1号煤层厚度0～6.45 m，一般厚2.0 m，局部可采，结构简单；2号煤层厚度0.3～110.89 m，一般厚20～30 m，全区主要可采煤层；3号煤层厚度0.80～4.14 m，一般厚1 m，呈鸡窝状局部分布。

2 煤矿开采生态环境破坏现状

2.1 工业场地现状调查

(1)主、副平硐工业场地。包括斜井井口房、空气加热室、空压机房、筛分间、块煤圆筒仓、末煤圆筒仓、供水系统、变电所、锅炉房、地磅房、门卫等建(构)筑物，占地面积15.52 hm2。根据现场调查，矿方已对工业场地进行了硬化处理，2011年底矿方对主、副平硐工业场地面积的20%进行了绿化，场地绿化现状良好。

(2)风井工业场地。风井场地位于主井场地西北方向直线距离约1.6 km的山谷中，由原副井场地改建，占地面积7.49 hm2。场地内有副斜井、通风井及配电控制室、日用消防水池及水泵房、水塔等。现场调查时，场地内已拆除部分构筑物，堆放有大量废弃物料、建筑垃圾等。平整场地可绿化面积2.25 hm2。

2.2 专用道路现状调查

根据现场调查，项目运煤道路为鸦房线村村通道路，该道路宽10 m，东西走向，从工业场地进场向东2.3 km 与S205省道连接。道路路面硬化良好，两侧种植有油松。

2.3 矸石场现状调查

现用矸石场位于副井工业场地东侧荒沟，占地面积5.75 hm2，容量119.70万m3。矸石场不占用农田，植被类型主要为荒草，少量灌木。矿方已依照上期方案完成了矸石场的基础建设工作，已建设拦矸坝、涵洞、截水沟等设施。

2.4 取土场生态现状调查

煤矿设置1个取土场，取土场占地性质为荒地，地貌类型为荒坡型，土壤质地为黄土状粉土，质地中等。目前取土场尚未启用，区域主要类型为草地，零星分布有少量灌木。

3 矿山地质环境现状评估

3.1 地面沉陷、地裂缝地质灾害现状评估

(1)采空区分布(图1)。井田侏罗系含煤地层煤层多、间距近，煤层分叉合并现象普遍，矿井采煤方法多为短壁刀柱式，采深多在80～120 m，据统计，累计形成采空区面积约3.316 9 km2。

(2)地面沉陷、地裂缝地质灾害现状评估。据野外调查，目前可见明显的地裂缝群主要分布在评估区中北部2017—2020年的3号—5号煤层工作面开采区域上方，地裂缝走向多呈北东—南西向，多呈直线型或略带有小弧度，剖面上多呈从采空区边缘向采空区中部逐级下错的台阶状，裂缝宽度一般0.1～1.2 m，长10～60 m，可见深度0.3～0.8 m，裂缝间距一般5～20 m，每组地裂缝群有裂缝3～5 条(图2)。

3.2 崩塌、滑坡地质灾害危险性现状评估

矿区属低山丘陵区，地势西北高东南低，区内主沟呈东南—西北向，两侧支沟偏东西向由东南向西北流入主沟。沟谷呈树枝状分布，形态为“V”字形或“U”字形，梁坡坡度2°～35°，沟谷边坡坡度较大，大多在20°～70°，部分边坡近于直立。边坡主要由工程地质性质差异较大的岩土体组成，边坡上部及黄土梁峁顶部一般由第四系中上更新统黄土薄覆盖，土质疏松多孔，垂直节理发育；边坡岩性主要为砂岩。深切割、大坡角与裸露风化的砂岩边坡地层组合，导致矿区沟谷边坡在降水、地表沉陷、矿山建设等各种因素影响下存在发生崩塌、滑坡的隐患，威胁对象主要为荒沟及零星矿区工作人员[2-7]。

3.3 泥石流地质灾害危险性现状评估

矿区坡体岩性以砂岩为主，局部第四系黄土薄覆盖。植被覆盖率约10%，沟谷支流冲沟极为发育，较大支沟长1 750 m、宽10～20 m，沟谷纵坡80‰，流域面积约2.25 km2。主井工业场地位于矿界东部矿界上以北，场地内地形西高东低，自然地形最高处为+1 670.0 m，最低处为+1 519.0 m，主井工业场地洪水水位+1 688.8～+1 693.8 m，主井工业场地和井口标高均在最高洪水位以上，不受洪水威胁。矿井矸石场位于风斜井工业场地的东部，距井口约150 m。矸石由沟头向沟口排放，在沟口处设置拦矸坝[3-9]。

3.4 地质灾害危险性分区

评估区发育地裂缝群3处，高陡边坡2处，泥石流地质灾害弱发育。现状条件下，矿区村庄遭受地面沉陷、地裂缝地质灾害危害程度为“严重区”，面积约56.40 hm2；矿区其他区域地面沉陷、地裂缝地质灾害危害程度为“较严重区”，面积约187.52 hm2；矿区崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害危害程度为“较轻区”，面积约746.29 hm2[7-9]。

4 矿区生态地质环境恢复治理

通过矿区生态地质环境治理，逐步解决水土流失问题和进行植被修复，消除地质灾害隐患，使矿区开采对生态地质环境的破坏达到有效控制，最终实现煤矿的可持续发展。

4.1 矿区生态环境恢复工程

(1)风井场绿化工程。风井工业场地位于主井场地西北方向直线距离约1.6 km的山谷中，由原副井场地改建，占地面积7.49 hm2。场地内除副斜井、通风井及配电控制室、日用消防水池及水泵房、水塔等外，其余建(构)筑物已在2015年拆除。现场调查时，风井场地处于正常运行中，场地内已拆除部分建(构)筑物。场地平整后，可绿化面积2.25 hm2，栽植油松树/(刺槐)各4 500株。株行距为2 m×2.5 m，栽植密度为2 000 株/hm2。采用为鱼鳞坑整地形式，长径为0.5～0.7 m，短径为0.4～0.5 m，坑下沿做成弧形土埂，埂高0.2～0.3 m。苗木规格为3年生一级苗，胸径5～10 cm，高度1～2 m。

(2)矸石场道路两侧修复工程。运矸道路长1.8 km，两侧各种植一排油松树/(刺槐)混栽，株距3 m，各需1 200株。

(3)矿井运营期废水主要有生活污水、矿井水及初期雨水。 本矿井在工业场地建设生活污水处理站，满足处理需求。处理后的生活污水全部回用于绿化、道路洒水，不外排，建有矿井水处理站1座，采用调节→混凝→沉淀→过滤 →消毒处理工艺，处理后的矿井水正常情况用于井下降尘、消防、绿化、洗煤等，在工业场地南侧低洼处建成初期雨水收集池1座。矿区污水不排入地表水体。

4.2 地质灾害治理工程

4.2.1 矿山地面塌陷、地裂缝防治工程

(1)表土剥覆。主要对耕地中地裂缝进行表土剥离，林地和草地中地裂缝不进行表土剥离、回覆，直接将裂缝两侧表土和拉运土方填入(土方取自取土场，运距平均为3 km)。主要采区范围约87.65 hm2，叠加在原采空区之内，采区两侧为2017—2020年近期采区，合计采空影响范围约287.91 hm2，后期继续开采影响范围约514.50 hm2。其中，影响耕地面积约43.97 hm2，中度毁损约16.19 hm2，轻度损毁约27.78 hm2。其余重度毁损面积117.45 hm2，中度毁损面积46.15 hm2，轻度毁损面积为306.93 hm2。在充填裂缝之前，首先需要对耕地裂缝两侧宽0.5 m的土地进行表土剥离，剥离厚度为0.3 m，剥离土层就近堆放在裂缝两侧[4-6]。

(2)地面塌陷土地类型。①耕地。对耕地出现的沉陷、裂缝，从取土场取土填埋、夯实。区内耕地均为旱地(坡耕地)，对出现轻度裂缝、沉陷较少的耕地，则尽量少动用工程量，以局部平整土地、填堵裂缝为主；对重度有较大的沉陷、裂缝区，采用前述流程，裂缝、陷坑填埋后应疏通过水通道，以免陷坑积水回灌采区。②林地。主要分布在缓坡或梁顶梯田，主要为松树、杨树。对出现裂缝、沉陷较少的林地，则尽量少动用工程量，以局部平整土地、填堵裂缝为主；对有较大的沉陷区，可先回填矸石等，接近周围地表高度时，就近取土、消缓陷坑边坡等方法整平，陷坑填埋(或部分填埋)后应疏通过水通道，以免陷坑积水回灌采区。③灌木林地及其他草地。主要为区内荒山、荒沟及零星裸岩(土)分布区，地形坡度往往较大，灌木林与自然生长的草类植被混生。治理时基本保持原有地形坡度不变。对出现裂缝、沉陷较少区域，则尽量少动用工程量，局部平整土地、填堵裂缝；对较大的沉陷坑，可采取就近取土、消缓陷坑边坡等方法填埋陷坑，陷坑填埋(或部分填埋)后应疏通过水通道，以免陷坑积水回灌采区。

(3)充填裂缝。根据矿区沉陷预测分析及对比区域矿区地面变形特征，结合地裂缝治理的技术方法，地裂缝以填埋为主，可统一类比地面裂缝填埋概算工程量。根据不同类型强度的裂缝情况其充填 土方(矸石)的工程量亦不同。 ①充填轻度、中度损毁地裂缝采用人工作业方式处理。首先，需要对裂缝两侧宽0.5 m的地表土剥离，就近堆放，取土填缝(土方取自取土场，运距平均为3 km)；然后，将堆放的腐殖土均匀回填，基本摊平。②重度裂缝区充填需先进行表土剥离，然后填入煤矸石和土方，再将裂缝两侧表土填入，矸石充填裂缝具体流程如图3所示。矿区梁顶及山坡之上分布有第四系黄土，占矿区面积的70%～85%，地表沉陷、裂缝填埋取土取自取土场进行沉陷坑、地裂缝的填埋、整平，对不同的地类实施的工艺有所不同[7]。

(4)工程量。矿山适用期限内裂缝填充量为218 696.10 m3，表土剥离量13 244.27 m3；近期内裂缝填充量110 236.00 m3，表土剥离量4 926.27 m3。

4.2.2 泥石流防治措施工程

全面巡查沟谷两岸坡体，对沟谷两岸松散堆积物进行清理，预测适用期内清理沟谷松散堆积物约2 000 m3。

4.3 土地复垦工程

依据土地复垦适宜性评价结果，项目区复垦责任范围面积为912.04 hm2，复垦后土地面积为843.56 hm2，复垦率为97.65%，复垦方向为耕地、草地及住宅用地等。

5 效益分析

5.1 社会效益

随着矿山开采，各种地质环境问题必将加剧，开采造成地面沉陷、地裂缝、地形地貌景观破坏等。这些矿山地质环境问题如果不进行治理，不仅违背国家矿山管理条例，而且还会给社会带来不安定因素，影响社会和谐发展和安定团结[9]。

通过矿山地质环境恢复治理，解决当地群众生产生活供水，最大限度地减少采矿对土地资源的破坏，也及时恢复了矿区土地功能，为构建和谐农村、和谐社会创造了条件，具有明显的社会效益。反之，如地表沉陷损毁土地不进行复垦，而采用征地办法处理，这将使耕地减少，造成土地荒废，严重影响矿区农业生产[10-12]。

5.2 环境效益

(1)通过治理减轻对地形地貌景观的破坏。采矿引发的地面沉陷区、地裂缝经治理后，可以防止沉陷区的地面因裂缝、滑坡、沉陷而支离破碎，防止水土流失，防止土地进一步干旱贫瘠而导致沙化。

(2)降低自然灾害发生、减少水土流失。本矿在山地丘陵区进行矿山开采，将对环境造成不小的损毁，对当地农业生产环境造成极大的损毁，并在一定程度上增加了地面坡度，从而加剧了水土流失。矿山地质环境治理与恢复工程及土地复垦工程，通过对矿山地质环境进行综合治理，采取土地平整、覆土及植被重建等措施，减少地质灾害发生，防止周边生态系统退化。

(3)搬迁村庄绿化和恢复植被可使荒沟变成绿地，改善生态环境。通过治理恢复工程的实施，可改善局部生态环境。如搬迁村庄通过治理和恢复植被，可使昔日的荒沟披上绿装，促进和保持生态系统间的良性循环，调节区域小气候[2-5]。

5.3 经济效益

(1)治理方案经济效益。分布于评估区内的不稳定斜坡、崩塌、滑坡、地裂缝治理工程费用为2 100.63万元，治理后可使评估区内的矿区职工免遭地质灾害的危害；同时，实施矿山地质环境保护与治理恢复工程，可有效避免采空区及其影响范围内村庄等遭受破坏[5-8]。

(2)恢复方案经济效益。以种植玉米为例，土地破坏前平均年产量为9 000 kg/hm2，矿山开采可能对旱地造成影响或破坏，影响了粮食产量，致使土地受到破坏后年产量下降到4 500 kg/hm2，平均减产4 500 kg/hm2。采取治理工程后，不仅可以使矿区内旱地恢复原有生产力水平，还能够提高粮食产量和农民收入。预测煤矿开采对井田内的耕地、林地、草地等破坏程度严重。如果不对这些土地进行治理恢复，一方面，严重影响区内农业生产，从而增加企业赔偿费用，给企业造成持续的经济负担；另一方面，降低了土地的利用等级，土地使用价值下降。

(3)复垦方案经济效益。直接经济效益是指通过矿山地质环境进行综合治理、土地复垦工程对土地的再利用带来的农业产值[11-12]。间接经济效益是通过项目的实施而减少的对复垦区林地损毁等需要的生态补偿。本矿山复垦工程实施后，增加耕地54.77 hm2，有林地49.74 hm2，灌木林地3.34 hm2，人工牧草地469.08 hm2。依据项目区实际的情况，按照耕地平均每年增收1.2万元/ hm2，林地每年增收0.8万元/hm2，草地0.3元/ hm2的纯收入计算，复垦土地每年可增加经济效益250万元。

6 结论

(1)窑天煤田作为兰州市及周边重要的能源基地，矿田已开采多年，因采煤造成了一系列的矿山地质环境问题。通过地质灾害危害程度现状调查及评估，将评估区划分为地质灾害危害程度“严重区”、“较严重区”、“较轻区”。

(2)针对不同的地质灾害分区，进行生态修复和地质灾害治理。生态环境修复主要采取场地平整和植被绿化，地质灾害治理主要对地面沉陷进行充填治理，对搬迁村庄场地进行废石废渣清理。对地质灾害及地质灾害隐患进行监测，包括不稳定斜坡地段变形监测、地面变形监测和泥石流地质灾害隐患监测。另外，也要进行含水层和地形地貌景观监测。

通过矿山地质环境恢复治理，取得了较好的生态、环境、社会效益，实现了能源的可持续发展。