初娜，王猛，解鑫，宋亞新，相愛芹，李淑貞，王志紅

（1.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京100012；2.中國煤炭工業(yè)協(xié)會咨詢中心，北京100713；3.北京中色資源環(huán)境工程有限公司，北京100012；4.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京100012）

山東安居煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復(fù)治理探討

初娜1，王猛2，解鑫4，宋亞新1，相愛芹1，李淑貞3，王志紅1

（1.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京100012；2.中國煤炭工業(yè)協(xié)會咨詢中心，北京100713；3.北京中色資源環(huán)境工程有限公司，北京100012；4.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京100012）

安居煤礦現(xiàn)狀條件下，僅存在工業(yè)場地壓占耕地的問題。通過野外調(diào)查和室內(nèi)預(yù)測分析認(rèn)為，全礦井開采完畢、地表沉陷穩(wěn)定后，預(yù)測地表最大下沉值為2506 mm，對東部南陽湖影響最大，對村莊、G105、S251公路和兗新鐵路的影響不大；開采過程中將破壞3上煤層頂?shù)装迳皫r含水層，對下伏三灰含水層也將產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響；受地面塌陷影響的耕地面積將達到58.43 km2，其中89.22%的耕地下沉值小于0.5 m，受塌陷影響輕微。建議礦山采用土地平整和矸石充填工程治理受塌陷影響的耕地，閉坑后進行土地復(fù)墾綠化工程，并建立礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測體系。關(guān)鍵詞：井工開采；地質(zhì)環(huán)境；預(yù)測評估；恢復(fù)治理

礦產(chǎn)資源開發(fā)利用，有力地支撐和保障了國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展，同時也不可避免地對地質(zhì)環(huán)境造成破壞［1］。隨著人們對環(huán)境保護意識的加強，礦山開采對地質(zhì)環(huán)境造成的破壞越來越被重視［2-4］。為了做好礦山地質(zhì)環(huán)境保護工作，山東省濟寧礦業(yè)集團有限公司特編制《安居煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復(fù)治理方案》［5］。本文以此為依據(jù)，對井采煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復(fù)治理進行探討研究。

1礦山基本情況及地質(zhì)環(huán)境背景

1.1礦山基本情況

安居煤礦位于山東省濟寧地區(qū)，井田南北長約13 km，東西寬2.3～10 km，面積約75.4027 km2。礦山生產(chǎn)能力為1.50 Mt/a，服務(wù)年限53.6 a。含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和太原組，煤層埋深為820～1300 m，其中山西組含煤有三層（2、3上、3下），煤3上厚度較大，分布廣，為本礦主采煤層。本礦井生產(chǎn)系統(tǒng)采用立井開拓方式，長壁綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板，膠帶輸送機運輸。地面工程由工業(yè)場地和場外道路組成。

1.2礦山地質(zhì)環(huán)境背景

礦區(qū)位于魯西南北溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)，四季分明。地勢平坦，地面高程+36.0～36.5 m。區(qū)域為華北型全隱蔽石炭、二疊系含煤地層，由老至新發(fā)育有奧陶系、石炭系本溪組、二疊系太原組、山西組、石盒子組、侏羅系三臺組和第四系。礦區(qū)出露地層為第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)粘土質(zhì)砂、砂質(zhì)粘土。井田構(gòu)造復(fù)雜程度總體為中等，西北部和中部偏復(fù)雜。區(qū)內(nèi)以基巖裂隙充水為主，煤層的直接充水含水層為3上煤層頂?shù)装迳皫r含水層，巖性較致密，裂隙不發(fā)育，滲透性弱，主要受區(qū)域?qū)娱g徑流補給，為弱含水層。3上煤層直接頂板主要為粉砂巖、泥巖，底板主要為中、細(xì)砂巖，夾少量粉砂巖，為極穩(wěn)定頂?shù)装濉?/p>

2礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀評估

根據(jù)安居煤礦野外調(diào)查，該礦目前處于礦建階段，尚未投入生產(chǎn)，現(xiàn)狀條件下無崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷及其他地質(zhì)災(zāi)害分布。煤礦主副井掘進過程中，對含水層采取了高復(fù)合漿液注漿封堵工藝，對含水層結(jié)構(gòu)、水位水量、水質(zhì)、居民飲用水的影響較輕。煤礦的地面建設(shè)工程為工業(yè)場地，占地面積21.39 km2，占地類型主要為耕地?？傮w來看，礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀良好。

3礦山地質(zhì)環(huán)境預(yù)測評估

3.1采礦工程引發(fā)地表變形預(yù)測評估

（1）全礦井開采后地表變形預(yù)測。依據(jù)國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定［6］，參照安居礦井具體地質(zhì)采礦技術(shù)條件、周邊礦井觀測經(jīng)驗等資料［5］，本文采用開采沉陷概率積分法數(shù)學(xué)模型計算全礦井開采完畢引起的地表移動與變形。

經(jīng)計算，安居煤礦全礦井開采完畢、地表沉陷穩(wěn)定后，最大下沉值為2506 mm（圖1），最大水平變形值2.4 mm/m，最大傾斜值-4.5 mm/m，最大曲率0.01610-3/m。開采沉陷影響面積為80.0 km2。礦井可采煤層埋藏深度大，開采引起地面下沉及變形范圍大，但水平變形、曲率、傾斜變形小。

圖1　全礦井開采后地表下沉等值線Figure 1 Isogram of surface subsidence after coalmine exploited

（2）地表變形對構(gòu)筑物的影響程度分析。根據(jù)礦山開采設(shè)計，將采用離層注漿控制礦區(qū)中西部地表下沉，預(yù)計中西部地表下沉量不大。根據(jù)開采沉陷概率積分法對部分村莊地表變形數(shù)據(jù)的計算結(jié)果［5］（圖1和表1），全井田開采后地表變形對所有村莊最終破壞程度為Ⅰ級。對區(qū)內(nèi)G105、S251公路和兗新鐵路的影響不大，嚴(yán)密監(jiān)視地表變形情況，及時維護路面等，基本不影響交通安全。對京杭運河、龍拱河、洙水河等河流的主要影響為可能造成河堤或湖堤變形，逐段緩慢下沉，整個過程要持續(xù)幾十年。礦區(qū)東部為南陽湖，由于離層注漿施工困難，預(yù)計開采后受采動影響大，最大下沉值2506 mm出現(xiàn)在該地區(qū)，局部湖堤受影響程度將達到Ⅱ級，62.39%的區(qū)域地表沉陷深度小于1 m，將造成部分水域變深，沉水植物及其生物量增加，但對鳥類的生境等自然保護區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境影響不大。

表1　全礦井開采完畢后部分村莊地表變形數(shù)值及破壞情況Table 1 Partial village surface deformation values and damage situation after coalmine exploited

3.2含水層破壞預(yù)測評估

（1）含水層結(jié)構(gòu)破壞預(yù)測。采煤過程中，煤層頂板冒落后，將通過導(dǎo)水裂隙帶溝通煤系地層含水層及上覆含水層［7］。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［6］，計算冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度：H=100ΣM/（0.84ΣM+4.57）+6.30（式中M為煤層開采厚度）。根據(jù)計算結(jié)果［5］（表2），推斷采煤引發(fā)的導(dǎo)水裂隙帶高度將發(fā)育至侏羅系底界均在100 m之上，因此開采3上煤層將只破壞3上煤層頂?shù)装迳皫r含水層，對上部的侏羅系砂礫巖水及其上部第四系含水層影響較輕［8］。3上煤層的下覆含水層為三灰含水層，經(jīng)計算礦山突水系數(shù)K為0.124 MPa/m［9］，說明礦山正常開采情況下有發(fā)生突水的可能［10-11］，對下覆三灰含水層的影響將較嚴(yán)重。

（2）含水層水位影響預(yù)測。將煤礦的采空區(qū)假設(shè)為一個大井，礦井排水假設(shè)為抽水，可根據(jù)抽水試驗中的影響半徑公式來概化的計算礦井排水的影響范圍，公式如下：

R——影響半徑，m；SW——水位平均降深，m；K——平均滲透系數(shù)，m/d。

表2　3上煤層冒落帶高度計算Table 2 Estimation of coal 3U caving zone height

經(jīng)計算，煤礦疏干排水將造成3上煤層頂?shù)装迳皫r含水層水位降落漏斗范圍122.42 km2，對區(qū)內(nèi)含水層影響嚴(yán)重［12］。

3.3地形地貌景觀預(yù)測評估

安居煤礦的地面設(shè)施主要為工業(yè)場地，該場地始建時破壞了原生地形地貌景觀，永久性占用了大量耕地，較大程度地改變了原有地貌，對該部分地形地貌影響嚴(yán)重。安居煤礦礦井開采完畢后，地表變形相對較小，地表經(jīng)過綜合整治，土地利用類型基本不會發(fā)生變化，不會造成植被生態(tài)環(huán)境的破壞。

3.4土地資源破壞預(yù)測評估

根據(jù)安居煤礦地表變形預(yù)測結(jié)果，全井田受地面塌陷影響的耕地面積為58.43 km2（圖2）。根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤疂撍磺闆r，將地面塌陷對耕地的影響分為2級，1級為下沉值小于0.5 m的耕地，面積達52.13 km2，占受影響耕地總面積的89.22%，這部分耕地受塌陷影響輕微；2級為下沉值大于0.5 m的耕地，面積為6.30 km2，占受影響耕地總面積的10.78%。

4礦山地質(zhì)環(huán)境防治措施

4.1礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程

根據(jù)對安居煤礦的現(xiàn)狀評估和預(yù)測預(yù)估，治理工程主要有兩個方面：地面塌陷治理工程和土地復(fù)墾綠化工程。

（1）地面塌陷治理工程。該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主，塌陷區(qū)治理應(yīng)以發(fā)展高產(chǎn)高效農(nóng)業(yè)為目標(biāo)，統(tǒng)一規(guī)劃分區(qū)、分期實施，根據(jù)塌陷的不同深度，采用多種方式對塌陷區(qū)進行治理，恢復(fù)農(nóng)耕生產(chǎn)用地。

①土地平整：地表下沉量在0.5 m以下的區(qū)域的農(nóng)田，受影響程度輕微，可采用平整的方法稍加修整繼續(xù)耕種。平整時基本維持原有農(nóng)田水利設(shè)施的走向，在相對低洼的地帶間重建排水溝，同時可以利用相鄰塌陷較深部的土壤進平整。

圖2　全礦井開采后受地面塌陷影響的耕地范圍Figure 2 Surface subsidence impacted farmland range after coalmine exploited

②矸石充填造地：地表下沉在大于0.5 m范圍內(nèi)的塌陷區(qū)，農(nóng)業(yè)耕地受影響程度相對較重，如不進行治理，可能會出現(xiàn)季節(jié)性積水區(qū)，無法正常耕種，因此建議采取平整和矸石回填方式進行治理。

（2）土地復(fù)墾和綠化工程。安居煤礦閉坑后，將對工業(yè)場地進行土地復(fù)墾為主的恢復(fù)治理工程。

①拆除工程：礦山閉坑后，對場區(qū)內(nèi)的井架、施工生產(chǎn)生活區(qū)、倉庫區(qū)等進行拆除，拆除方法為機械+人工。

②封閉井筒：礦山閉坑后，對2個井筒進行封閉回填。封閉的技術(shù)方法為：用礦山的廢棄渣石回填至豎井內(nèi)，在井口以下1～6 m處用三合土回填，并夯實，在井孔0～1 m處用混凝土澆注。

③土地清理：對拆除建筑物區(qū)域、臨時堆矸石場區(qū)、專用場地區(qū)進行平整清理。

④植樹種草綠化：對工業(yè)場地內(nèi)除場前區(qū)外的其他區(qū)域進行植樹綠化。

4.2礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程

（1）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。針對礦區(qū)內(nèi)的地面塌陷進行監(jiān)測。監(jiān)測方法主要是利用水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS等多種儀器對規(guī)模較大的地面塌陷區(qū)進行定期監(jiān)測［13-15］。監(jiān)測網(wǎng)點主要布置在受地面塌陷影響的村莊、工業(yè)場地、兗新鐵路、濟寧至魚臺省道、105國道、濟寧市南外環(huán)路、河堤及塌陷區(qū)邊緣等處，共布設(shè)2條監(jiān)測線（255個點）和23個離散監(jiān)測點。

地面塌陷監(jiān)測頻次為每半年監(jiān)測1次。在實施過程中，監(jiān)測頻率視采動影響程度而定，一般在采動影響前主要進行巡視監(jiān)測，在采動影響過程中要間隔1～3個月監(jiān)測一次。另外，在地表移動活躍階段，在地面塌陷影響嚴(yán)重區(qū)段，可適當(dāng)增加監(jiān)測次數(shù)。

（2）含水層監(jiān)測。礦區(qū)地下水監(jiān)測內(nèi)容是對水位、水量、水質(zhì)、水溫等要素隨時間的變化情況進行監(jiān)測［15］。地下水監(jiān)測的頻次、方法、精度要求執(zhí)行《地下水監(jiān)測規(guī)范》（SL183-2005）［16］。安居礦區(qū)地下水水位、水質(zhì)監(jiān)測點共布設(shè)25孔，其中第四系含水層監(jiān)測10孔，主要利用礦區(qū)及周邊民井；侏羅系砂巖含水層監(jiān)測孔5孔，利用恢復(fù)已施工鉆孔1孔及新施工鉆孔4孔；3上煤層頂?shù)装搴畬?孔，利用現(xiàn)有監(jiān)測孔及新施工3孔；三灰含水層監(jiān)測孔5孔，利用恢復(fù)已施工鉆孔3孔和新施工鉆孔2孔。水量（和水質(zhì)）監(jiān)測點布設(shè)6點，其中井下監(jiān)測點3點，在東部集中軌道大巷、東部集中運輸大巷、東部集中回風(fēng)巷等主要巷道內(nèi)出水點；井上監(jiān)測點3點，礦井總排水監(jiān)測點、工業(yè)場地生產(chǎn)生活廢水排放口監(jiān)測點、廢水達標(biāo)排放口監(jiān)測點。

（3）地形地貌景觀和土地資源監(jiān)測。主要監(jiān)測地面塌陷破壞土地資源的類型和面積。監(jiān)測方法為結(jié)合遙感影像圖（分辨率為2.5 m），利用GPS定點，利用全站儀、數(shù)碼相機等工具，通過現(xiàn)場實地調(diào)查和勘測，填表記錄地形地貌景觀和土地資源治理及破壞等情況［14］。監(jiān)測頻率為每年一次。

5結(jié)論

（1）山東安居煤礦采用立井開拓方式，長壁綜合機械化采煤法，全部垮落管理頂板。該礦尚未投入生產(chǎn)，現(xiàn)狀無崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷及其他地質(zhì)災(zāi)害分布，對含水層影響較輕，僅有工業(yè)場地占用區(qū)內(nèi)耕地。

（2）全礦井開采后，引起地面下沉及變形范圍大，但水平變形、曲率、傾斜變形小，對區(qū)內(nèi)村民建筑物、公路、鐵路等地面設(shè)施及南陽湖產(chǎn)生一定影響。采煤的過程中將破壞煤層頂?shù)装迳皫r含水層，可能造成下覆三灰含水層突水災(zāi)害。同時采煤引發(fā)的地面塌陷，對區(qū)內(nèi)地形地貌景觀和土地資源都會產(chǎn)生一定影響。

（3）治理措施有：針對地面塌陷的土地，通過平整和矸石充填造地工程進行復(fù)墾，恢復(fù)農(nóng)耕生產(chǎn)用地。閉坑后對工業(yè)場地進行拆除、封閉井筒、土地清理、植草綠化等工程。

（4）建立礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測體系，系統(tǒng)地對礦區(qū)地面塌陷、含水層、地形地貌景觀和土地資源進行監(jiān)測。

（5）建議煤礦邊開采、邊治理。嚴(yán)格按照開發(fā)利用方案設(shè)計的方法開采，及時對出現(xiàn)的地質(zhì)環(huán)境問題進行防護和治理，達到礦業(yè)開發(fā)與礦山環(huán)境保護和諧發(fā)展的目的。

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Probe into Mine Geological Environment Protection and Rehabilitation in Anju Coalmine，Shandong

Chu Na1，Wang Meng2，Xie Xin4，Song Yaxin1，Xiang Aiqin1，Li Shuzhen3and Wang Zhihong1
（1.China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey，Beijing 100012；2.Consulting Center，China National Coal Association，Beijing 100713；3.Resource&Environment Engineering（Beijing）Co.Ltd.，Beijing 100012；4.China National Environmental Monitoring Center，Beijing 100012）

Under the status quo of the Anju coalmine，only one issue is existed，thus the coalmine surface installations farmland occupying.Through field investigation and indoor prediction analysis have considered that after coalmine exploited and surface subsidence stabilized，predicted surface maximum subsidence is 2 506 mm；and impacting largely on the Nanyang Lake bottom in the east，less impacting on villages，G105，S251 highways and Xinxiang-Yanzhou railway.During the mining will do harm to coal 3U roof and floor sandstone aquifers，also seriously impact underlying third limestone aquifer.Totally 58.43 km2of farmland will be impacted by surface subsidence，in which，subsidence of 89.22%farmland will be less than 0.5 m，thus slightly impacted.It is suggested to govern impacted farmland through land leveling and gangue filling，after coalmine closed can carry out land rehabilitation and landscape engineering，establish mine geological environment monitoring system.

underground mining；geological environment；predictive assessment；rehabilitation governing

X141

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.13

1674-1803（2016）09-0062-05

全國礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查項目（編號：12120114082801）資助

初娜（1983—），女，山東濱州人，碩士，工程師，主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境研究與地質(zhì)災(zāi)害防治工作。

2016-01-04

責(zé)任編輯：樊小舟