豫安煤矿开采对矿山地质环境影响及治理技术

王鹏飞,赵振杰,张亚杰,刘 勇

(1.河南省资源环境调查一院,河南 郑州 450000; 2.河南省自然资源监测和国土整治院,河南 郑州 450000)

豫安煤矿历史开采形成的采空区主要位于22采区及21采区,采空区面积约31.94 hm2。采空区上部存在较严重沉陷区域,地面下沉明显,平均下沉高度为0.1～3.4 m,地质灾害危险性大,并伴生有地裂缝。影响居民已搬迁,仅剩开裂房屋、地面塌陷及地裂缝等。经监测与分析,此次拟研究区已沉稳,地面沉降不会再扩大,主要的矿山地质环境问题表现为对地形地貌景观和土地资源的破坏,耕地生产力下降、房屋开裂无法居住和道路的损坏。影响耕地面积16 hm2,影响并搬迁67户,地裂缝16条。

此次矿山环境治理主要针对塌陷较严重区域,采空区影响范围面积约23 hm2。根据现场地形条件、交通条件和常规的施工方法,并且考虑工程量尽量少的前提下,结合豫安煤矿采空区集中在矿区北部位置且塌陷影响面积范围较大,参考该矿环境治理方案,拟对研究区塌陷土地设计土地复垦,受影响耕地通过挖填以及平整、翻耕、培肥等措施恢复为旱地。考虑到区内排水及耕作等问题,拟对旱地采取排水沟以及生产道路等配套设施;对区内受损的废弃房屋进行拆除,部分建筑垃圾清运至塌陷严重区,进行回填覆土,后通过土地翻耕、施肥等措施恢复为旱地。其余建筑垃圾运至道路修建区,作为路基材料。地裂缝较小,在场地平整过程中就势回填,不再另计工作量。技术措施[1-6]主要包括:废弃房屋拆除、地面塌陷治理、土地平整、土地翻耕、土壤培肥、排水渠、道路技术等。

1 矿井概况

豫安煤业位于禹州煤田蔡寺—白沙普查区的北中部。

(1)矿山开采历史及现状。豫安煤业由原登封市大龙山—禹州市桃园煤矿勘探探矿权和登封市宣化镇岳爻煤矿、岳窑联营煤矿、富民煤矿3个采矿权于2005年整合而成,自取得采矿证后,矿井一期范围21、22、31、32四个采区中,21、22采区已基本回采结束,目前正在31采区生产。拟研究区与矿区相对位置关系如图1所示。

图1 豫安煤矿矿区及研究区范围关系Fig.1 Relationship between mining area and research area of Yu′an Coal Mine

(2)土地利用现状。矿区面积为9.477 km2,根据土地利用现状(图2),矿区范围内耕地面积721.46 hm2,林地面积118.22 hm2,城镇建设用地面积89.17 hm2,其他用地面积为18.85 hm2。

图2 矿区土地利用现状Fig.2 Current situation of land use in mining areas

(3)地形地貌。研究区以剥蚀地形为主,呈东西向展布,北高南低,区内最低点在白沙水库东北角,标高为+217.9 m,最高点在大龙山,标高为+404.8 m,相对高差为186.9 m。矿区北东部有基岩出露,大部为松散层半掩盖区,残山附近地形坡度8°～15°,农耕地地形平坦。

2 矿山地质环境问题评价

2.1 矿山地质灾害

根据《地质灾害危险性评估》(DZ/T 0286—2015),结合豫安煤矿相关资料与现状调查结论[7-12],研究区主要地质灾害为塌陷、地裂缝。

(1)地面塌陷。根据资料和现场调查,采空区主要集中在21采区及22采区,采空区面积31.94 hm2。此次矿山环境治理主要针对塌陷较严重区域,采空区影响范围面积约23 hm2。塌陷深度0.5～1.0 m。地面塌陷及变形主要造成地面建筑物出现裂缝和坍塌、农田地表出现塌陷坑、道路破坏等。地面塌陷如图3所示。

图3 豫安煤业范围内建筑物裂缝及坍塌Fig.3 Cracks and collapses in buildings within the scope of Yu′an Coal Industry

(2)地裂缝。地裂缝为地面塌陷的伴生产物,多分布在塌陷坑外围。受多水平重复开采的影响,对地面造成一定的破坏,如图4所示。

图4 豫安煤业范围内地裂缝Fig.4 Cracks in Yu′an Coal Industry

2.2 含水层破坏

根据区域地下水资料,研究区地下水位埋深大,地表露采影响深度远小于地下水位埋深,因此采矿活动没有破坏含水层,对含水层的影响破坏较轻。

现状条件下,研究区因采空而形成的塌陷影响区面积约为23 hm2,采空塌陷区沉陷90 cm左右。居民房屋开裂明显,地质灾害发育程度强。据现场调查,登封市豫安煤业有限公司二1煤层底距顶板砂岩(P1s)空隙裂隙承压水含水层平均5.53 m,煤层至含水层距离大于垮落带高度,二1煤层的开采对该含水层结构未影响。该含水层平均厚4.87 m,含水性较弱,补给条件较差,对周围生产、生活用水影响较轻。矿井一期技术开采范围内,即-200 m水平,正常涌水量为102.75 m3/h,最大涌水量为377.25 m3/h。现状条件下,二1煤层开采对含水层影响程度较轻。综合来看,现状条件下,采矿活动对二1煤层含水层的破坏程度较轻。

2.3 地形地貌影响破坏

采空塌陷、地裂缝对农林植被会产生破坏,植被覆盖率将降低,水土流失将增加;采空形成的地表塌陷,会造成地面标高较大的变化,地层产状会沿地裂缝及地面塌陷发生局部连续、大面积断续分布的变化,从而改变评估区微地貌形态,对原生地形地貌景观影响和破坏程度较大。

2.4 土地资源破坏

拟研究区为采煤沉陷区,研究区内遗存大量废弃房屋。破坏的主要地类有:旱地(013)12.350 hm2,有林地(031)0.337 hm2,村庄用地(203)12.479 hm2,采矿用地(204)0.413 hm2,总计面积25.579 hm2。现状条件下,矿山活动对土地资源破坏程度严重。研究区土地利用现状如图5所示。

图5 研究区土地利用现状Fig.5 Current situation of land use in the research area

研究区土地利用现状见表1。

表1 研究区土地利用现状Tab.1 Current situation of land use in the research area

3 矿山地质环境恢复治理技术

矿山地质环境治理技术遵循安全可靠、经济合理、技术可行的设计原则,确保技术质量,提高技术效益,达到地灾防治、改善环境、促经济发展和提升城镇形象的目的[13-16]。

此次研究区面积较大为25.579 hm2,分布集中,田块紧密相连。一条主干道路DLA为柏油马路长880.8 m,宽约10 m。水泥混凝土路面编号为DLB,共7条,总计长1 496 m。泥结碎石路面DLC共6条,共计长995 m。主干道路旁排水渠PSQ-2,内径100 cm×100 cm,厚20 cm。排水渠PSQ-1,内径60 cm×60 cm,厚15 cm。

3.1 矿山地质环境综合治理技术

此次矿山地质环境综合治理技术包含废弃房屋拆除清理、道路及排水渠[17-19]。

3.1.1 清理技术

塌陷区废弃村庄建筑面积3.7 hm2,在治理之前需要先对建筑物进行拆迁,拆除量按照河南省住房和城乡建设厅文件(豫建墙〔2016〕4号)文计算。单位面积产生垃圾量1.3 t,垃圾密度为1.9 t/m3,拆迁完成后需对拆除产生的垃圾进行统一清运,村庄下土层较厚无需单独覆土,只需就地土地平整、施肥、翻耕,种植耕地。采用1 m3挖掘机装自卸汽车运石渣,运距0.5～1.5 km。地基清理工作内容为破碎、撬移、解小、翻渣、清面。按前述参数计算,具体工程量见表2。

表2 房屋拆除工程量Tab.2 Engineering quantity of house demolition

3.1.2 道路技术

为方便通行及生产,本次设计主干道,编号DLA,以建筑废弃物作为路基材料,厚30 cm,沥青路面厚8 cm,全长880.8 m,宽约10 m。道路参数见表3,断面如图6所示。

表3 沥青路技术量Tab.3 Technical quantity of asphalt road

图6 道路单体设计Fig.6 Road monomer design

3.1.3 排水渠技术

为防止沥青路面被冲毁,设计在道路一侧预留排水沟,疏导汇水,编号为PSQ-2,内径100 cm×100 cm,厚20 cm。设计断面如图7所示。

图7 排水渠PSQ-2单体设计Fig.7 PSQ-2 monomer design of drainage channel

3.2 土地复垦技术

土地复垦技术包括场地平整技术、道路技术、排水渠技术、绿化技术、土壤培肥与翻耕、管护技术等[20-26]。

3.2.1 场地平整技术

场地平整技术包括挖填方技术及场地平整技术。

(1)挖填方技术。根据塌陷后的地形特征,具体设计如下:①依据地形和生产的需要,在实用的基础上兼顾美观。具体为基本沿等高线划分治理田块,同时小块变大块,挖填方后田块与周边的道路、建筑地面等高差尽量控制在1.5 m以内;②以在总体上总挖填方平衡、减小总的挖填方量,局部上地块挖填方内部平衡为原则。为减少挖填方量,结合现状田块的倾向和坡度,尽量保留利用现有的田块的倾向;③挖填时,以田块为单位,采用挖高填低的方式,填方部位分层压实,分层厚度为0.3～0.5 m。以研究区1∶2 000实测地形图为底图,计算该区总挖方量。计算得出,该区总挖土方量60 255 m3,填方量为58 659 m3。

(2)场地平整技术。挖填方完成后,需对每个田块进行场地平整。采取顺坡就势对土方回填后的场地进行挖高填低、平整压实,使其形成缓坡平台恢复为旱地。考虑排水等标准和要求,平台控制在坡降2%左右,平整面积为25.58 hm2。其中,23.486 hm2恢复为旱地,道路面积占据2.078 hm2,蓄水池占据0.015 hm2。房屋拆除部分地基以下为土层,故不再进行覆土。

3.2.2 道路技术

为了方便后期耕作,设计在研究区内新修建生产路共7条,总计长1 496 m。路面采用水泥混凝土路面,路面、路基宽4～6 m,路基厚30 cm,路面厚15 cm。则工程量为:碎石路基6 793.47 m2,水泥混凝土路面6 793.47 m2。设计断面如图8所示。

图8 水泥混凝土路单体设计Fig.8 Design of cement concrete road monomer

泥结碎石路6条,共计长995 m。路面、路基宽3～5 m,路基厚30 cm,路面厚20 cm。则工程量为:碎石路基3 544.02 m2,水泥混凝土路面3 544.02 m2。设计断面如图9所示。

图9 泥结碎石路单体设计Fig.9 Single design of mud bound gravel road

3.2.3 排水渠技术

为防止道路被冲毁,在道路一侧修建排水渠技术,编号为PSQ-1,内径60 cm×60 cm,厚15 cm。根据排水沟参数,设计断面如图10所示。

图10 排水渠技术断面Fig.10 Technical section of drainage channel

3.2.4 绿化技术

本次绿化主要是美化道路,在田块及沥青路间设置绿化带,沿路种植2行侧柏,林下撒播草籽。侧柏喜光,幼时稍耐荫,适应性强,对土壤要求不严,在酸性、中性、石灰性和轻盐碱土壤中均可生长。侧柏每隔2 m种植,共种植2行,树坑规模为0.6 m×0.8 m×0.8 m;台阶上穿插种植苗木,在苗木林下撒播草籽,以荆条为主,撒播量30 kg/hm2。根据测定,在栽植前播撒复合肥40 g/m2,播撒在树坑底部的外围,远离树干。栽植后前3 d,每天浇水1次,透墒,保证树木成活。本治理单元林地面积1 198.9 m2,共需侧柏616棵。林地下播撒草籽,撒播面积为1 198.9 m2。

3.2.5 土壤培肥与翻耕及养护技术

(1)土壤培肥与翻耕。结合当地化肥施用的经验。土地翻耕面积为23.486 hm2,培肥面积为23.486 hm2。

(2)养护技术。养护期为3年。种植后第1个月,前3 d每天浇水1次,第4—9天每3 d浇水1次,第10—30天每10 d浇水1次,共7次,先保证成活。第2—4个月,每20 d浇水1次,以后每3个月浇水1次,共23次。乔木每次浇水100 kg。治理单元共有乔木616棵,3年共需用水1 416.8 t。人工管护3年,共计养护21次,工人工资按1 500元/(次·hm2)计算,林地面积共计0.12 hm2,人工费共需3 780元。

4 技术效益分析

4.1 社会效益

(1)减缓社会矛盾,促进社会稳定。矿山开采频频引发各种地质灾害,破坏研究区生态环境,对当地居民生产生活产生极大影响,存在不稳定因素。通过登封市豫安煤业有限公司矿山地质环境综合治理与土地复垦技术的实施,可有效消除各种地质灾害隐患,极大地减少出现灾害事故,促进社会稳定,营造和谐社会氛围。

(2)生态环境逐渐改善,生活质量不断提高,为实现全面小康打下坚实的基础。全面小康不仅要求经济收入达到一定的数量,而且要求生活质量达到适当的标准。生态环境质量影响居民的生活质量,没有一定的环境质量保证,全面小康就不能实现。通过技术的实施,可改善当地居民生态环境质量,为实现全面小康打下坚实的基础。

(3)生态环境改善奠定登封市可持续发展基础。可持续发展要求经济、社会和环境协调发展,不能以牺牲环境作为经济和社会发展的前提。可持续发展的基础是有一个良好的支持经济和社会发展的生态环境,生态环境改善有利于维持经济和社会的持续发展。通过治理技术的实施,将有效地保护和恢复研究区内的地质环境,有力促进经济的发展。这将增加广大人民群众对党和政府的信任,增加发展经济、全面建设小康的信心,对促进登封市实现经济可持续发展具有重要的战略意义。

4.2 环境效益

(1)技术实施,加快生态功能修复。通过技术防护和植被防护相结合,既能消除地质灾害事故隐患、保障道路畅通和人身安全,又可部分恢复研究区植被,减少水土流失,具有明显的生态效益和环境效益。建立与周边景观协调一致的生态环境,对城市生态环境恢复治理和具有示范及指导意义。

(2)有效消除矿山地质灾害隐患,保护脆弱的矿山地质环境。通过登封市豫安煤业有限公司矿山地质环境综合治理与土地复垦技术,一方面,可以消除地质灾害隐患,改善地表景观和当地居民生活环境质量;另一方面,对研究区土地开展综合整治,恢复土地生态功能。

4.3 经济效益

通过技术措施、生物措施对登封市豫安煤矿矿山地质环境进行治理,修复破坏的地形地貌景观,恢复矿山地质环境面积25.579 hm2,栽植乔木616棵,恢复耕地面积约为23.486 hm2,修复道路2.078 hm2。新增耕地面积为11.136 hm2,使当地生态环境与农业生产环境得以改善,增加农民收入,促进人与自然的和谐发展,可促进当地经济发展。

5 结语

(1)通过对豫安煤矿矿山开采地质环境影响评价得出,研究区主要地质灾害为塌陷、地裂缝;研究区地下水位埋深大,地表露采影响深度远小于地下水位埋深,因此采矿活动没有破坏含水层,对含水层的影响破坏较轻;采空塌陷、地裂缝、地表塌陷改变评估区微地貌形态,对原生地形地貌景观影响和破坏程度较大;拟研究区为采煤沉陷区,研究区内遗存大量废弃房屋,现状条件下,矿山活动对土地资源破坏程度严重。

(2)此次矿山地质环境综合治理技术包含废弃房屋拆除清理、道路及排水渠,土地复垦技术包括场地平整、道路、排水渠、绿化、土壤培肥与翻耕、管护等措施。