胡自遠(yuǎn)，陳威龍，郝 廷，許海峰

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊，山東 臨沂 276000； 2.江蘇工勘巖土工程有限公司，江蘇 徐州 221000)

白銀市平川區(qū)神峰煤礦位于靖遠(yuǎn)煤田紅會礦區(qū)的東北部，距紅會路街道5 km，距平川區(qū)政府所在地30 km，行政區(qū)劃屬白銀市平川區(qū)共和鎮(zhèn)西合村。礦區(qū)經(jīng)紅會路街道在大壩口與省道S308線相連，交通便利。礦區(qū)范圍包括3個區(qū)塊，區(qū)塊由原白銀市平川區(qū)神峰煤礦、原白銀金能煤業(yè)有限公司、原甘肅省定西地區(qū)紅旗山煤礦兼并重組，資源整合后井田東西長約1.23 km，南北寬約2.50 km，井田面積1.807 2 km2，開采煤層標(biāo)高+1 570～+2 009 m，采礦工業(yè)場地分別位于采礦權(quán)境界南北兩端(圖1)。

圖1 礦區(qū)工業(yè)場地分布Fig.1 Distribution of industrial sites in mining area

礦區(qū)采用地下開采的采礦方式進(jìn)行生產(chǎn)，開采歷史長，在特定的歷史時期，出現(xiàn)過一定規(guī)模的胡挖濫采，形成一定空間的地下采空區(qū)，對地下含水層造成一定的破壞[1-3]。而小窯生產(chǎn)技術(shù)資料大多沒有記錄或存留不全，對今后可能引發(fā)采空塌陷的區(qū)域范圍難以準(zhǔn)確預(yù)測防范，并且塌陷破壞地表地形地貌，影響表土結(jié)構(gòu)，危害植物生長，加劇局部水土流失和土地荒漠化[4-7]。礦井地面生產(chǎn)系統(tǒng)包括建(構(gòu))筑物和設(shè)施設(shè)備及輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和生活福利系統(tǒng)，對土地資源產(chǎn)生不同程度壓占和挖損破壞，致使原生植被被毀，地形地貌景觀遭到破壞[8-11]。本文通過對礦山環(huán)境地質(zhì)問題、現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查及評估，并開展了棄渣平整、回填工程、壓占荒地的清理復(fù)墾工程等，防治、恢復(fù)礦山地質(zhì)環(huán)境，保障礦山安全、有序、環(huán)保地開展采礦活動。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 礦區(qū)地質(zhì)

區(qū)域上位于祁連造山帶走廊邊緣坳陷帶，南為北祁連北麓深斷裂，與北祁連加里東褶皺帶相鄰。廣泛分布上古生界和中、新生界，其中石炭二疊系和中侏羅統(tǒng)是主要含煤地層，構(gòu)造行跡多以斷裂為主，褶皺為輔。

礦區(qū)所在西格拉灘復(fù)式向斜帶內(nèi)，構(gòu)造自東北向西南為西格拉灘向斜、下莊背斜和馬家寬溝向斜，東北部的褶皺構(gòu)造比較寬緩，西南部的褶皺構(gòu)造比較緊閉。上述褶皺構(gòu)造的不同部位被東北向斷層所分割。

1.2 礦體特征

礦區(qū)煤層厚度在礦權(quán)范圍中部向南、東、北方向逐漸呈現(xiàn)變薄的趨勢。煤層結(jié)構(gòu)自東向西由簡單變?yōu)閺?fù)雜。煤層厚度0.69～39.46 m，平均厚度10.89 m，傾角一般在10°～14°，總的趨勢比較平緩，煤層穩(wěn)定。資源儲量估算純煤厚度0.69～15.64 m，平均厚度7.80 m。

礦區(qū)東部煤層頂板巖性以粗砂巖、砂礫巖為主，可能是后期沖刷作用將煤層的真正頂板及上部的部分煤分層沖刷缺失所致；礦區(qū)西部煤層頂板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，部分為炭質(zhì)泥巖，個別為細(xì)粒砂巖，因為這部分煤層未遭受沖刷，使煤層頂板及整個煤層得以完好保存。煤層底板大部分為粉砂巖，少部分為泥質(zhì)粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。

1.3 水文地質(zhì)條件

(1)地形地貌及水系。礦區(qū)所處的西格拉灘為三面環(huán)山、一面為高地的自東北向西南傾斜的自流水盆地。區(qū)域?qū)冱S河水系，大部分源于黃家洼山南側(cè)和青石山東側(cè)的溝谷匯聚于西格拉灘盆地，形成幾條大的沙河，平時干涸無水，僅在雨季暴雨來臨時才形成短暫的洪流，在靖遠(yuǎn)東灣一帶匯入黃河。

(2)含水層。①煤層頂板裂隙、孔隙承壓含水層：位于中侏羅統(tǒng)新河組底部，為層煤頂板裂隙、孔隙含水層。由含礫粗砂巖、砂礫巖夾砂質(zhì)泥巖或泥巖組成。一般裂隙較發(fā)育，孔隙度大，礦區(qū)內(nèi)平均厚度26.59 m，純含水層厚度24.10 m。根據(jù)抽水試驗成果，單位涌水量0.010 7 L/(s·m)，換算為降深10 m、抽水孔直徑91 mm時的單位涌水量為0.010 21 L/(s·m)，滲透系數(shù)7.058×10-4cm/s。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：q<0.1 L/(s·m)，10-3cm/s

(3)隔水層。①中侏羅統(tǒng)新河組上段隔水層：該地層平均厚159.96 m，巖性較單調(diào)，由紫紅色泥巖、棕灰色砂質(zhì)泥巖互層、灰綠色砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖和粉砂巖組成，只在底部有粉砂巖和粗粒砂巖薄層。間夾中粒砂巖薄層，裂隙發(fā)育，局部破碎。②中侏羅統(tǒng)新河組中段隔水層：為一層紫紅色、灰綠色砂質(zhì)泥巖與泥巖互層組成的隔水層，其中夾薄層細(xì)砂巖，平均厚58 m，隔水性良好。③中侏羅統(tǒng)窯街組隔水層：為層煤及其頂?shù)装甯羲畬?，巖性為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層，平均厚20 m，隔水性較好。

1.4 工程地質(zhì)條件

煤層頂板按其穩(wěn)固性可分為3種類型。

(1)以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，鐵質(zhì)膠結(jié)為輔的中粗粒砂巖、砂礫巖頂板，巖石堅硬，大部分為塊狀，局部具裂隙，孔隙率為11.8%，密度為2.62 t/m3，堅固性系數(shù)4～6，抗壓強(qiáng)度41.482～63.057 MPa。厚度10～40 m，為穩(wěn)固性較好的頂板。

(2)以泥質(zhì)膠結(jié)為主的粗砂巖、砂礫巖頂板，巖石膠結(jié)程度差，局部具裂隙，比較疏松，堅固性系數(shù)為1～3，抗壓強(qiáng)度9.807～29.420 MPa。厚度10～40 m，為穩(wěn)固性差的頂板。

(3)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖頂板，層理比較發(fā)育，局部具裂隙，孔隙率4.63%，密度2.59 t/m3，堅固性系數(shù)3～4，抗壓強(qiáng)度29.420～42.561 MPa。厚度1～5 m，一般為穩(wěn)固性較差的頂板。

2 礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀評估

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，分析煤層賦存條件和開采厚度與方式，考慮到塌陷影響，確定本次評估區(qū)范圍以采礦權(quán)邊界、主副井工業(yè)場地外邊界、風(fēng)井工業(yè)場地外邊界外延50 m，部分地方截彎取直所組合成的區(qū)域，面積266.25 hm2，包含取土場等所有本礦采礦活動可能影響的區(qū)塊[12-14]。

2.1 不穩(wěn)定斜坡現(xiàn)在評估

礦區(qū)不穩(wěn)定斜坡主要為煤礦灌漿取土場形成，地形為黃土丘陵區(qū)，地層為馬蘭黃土，已取土面積0.26 hm2，開挖高度約14 m，形成的坡度約36°，采土量為8.00×104m3，開采形成的邊坡臺階高度為5 m，坡度為27°(圖2)，邊坡穩(wěn)定性較好，對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度較輕[15-16]。

圖2 灌漿場取土剖面示意Fig.2 Schematic diagram of soil collection section in grouting field

2.2 采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估

(1)采空區(qū)影響現(xiàn)狀。受構(gòu)造影響，煤層直接頂板比較破碎，為不穩(wěn)定頂板。工作面采用后退式回采方式，工作面采用全部垮落法控制頂板。煤層開采深厚比小于120，定性評估礦山后期開采產(chǎn)生地面塌陷的可能性較大。礦區(qū)在充分開采后，采區(qū)地表最大下沉值為4 901.04 mm，最大傾斜值71.36 mm/m，最大曲率值1.78×10-3/m，最大水平移動值1 319.3 mm，最大水平變形值為28.7 mm/m。煤層開采后，采空區(qū)地表可能發(fā)生移動變形，支撐采空區(qū)上部的巖層在應(yīng)力環(huán)境改變及內(nèi)力作用的條件下，將形成一個以采空區(qū)為中心的移動盆地。根據(jù)計算結(jié)果，以下沉10 mm等值線為邊界，有3個塌陷影響區(qū)(圖3)，對應(yīng)采區(qū)接續(xù)順序分別命名為1號、2號、3號塌陷影響區(qū)。1號塌陷影響區(qū)面積為40.00 hm2，2號塌陷影響區(qū)面積為11.30 hm2，3號塌陷影響區(qū)面積為25.38 hm2，規(guī)模均為中型[17-18]。

圖3 塌陷范圍與井田位置關(guān)系示意Fig.3 Schematic diagram of relationship between collapse range and location of well field

(2)采空區(qū)引發(fā)的地面沉陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害評估。1號塌陷影響區(qū)內(nèi)無居民，主要受影響對象為旱地，面積5.87 hm2。其中，包含基本農(nóng)田1.01 hm2。當(dāng)?shù)胤N植作物為玉米、小麥、胡麻和旱地瓜，經(jīng)向當(dāng)?shù)鼐用裾{(diào)查，畝產(chǎn)玉米400 kg，胡麻200 kg，旱地瓜1 500 kg，小麥325 kg。按上一年度銷售價格估算，每畝收入分別為：玉米680元，胡麻1 400元，旱地瓜1 500元，小麥780元。塌陷裂縫等可能造成當(dāng)年莊稼局部死亡，水土流失，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來經(jīng)濟(jì)損失，但是裂縫只是造成局部莊稼受損，范圍相對較小，按經(jīng)濟(jì)收入最高的旱地瓜估計，可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失小于100萬元，受威脅人數(shù)小于10人，危害程度小。2號塌陷影響區(qū)主要受影響對象也是旱地，面積6.20 hm2，包含基本農(nóng)田6.07 hm2，估計可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失小于100萬元，受威脅人數(shù)小于10人，危害程度小。3號塌陷影響區(qū)主要受影響對象也是旱地，面積3.17 hm2，無基本農(nóng)田，估計可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失小于100萬元，受威脅人數(shù)小于10人，危害程度小。

2.3 地形地貌景觀破壞現(xiàn)狀評估

礦區(qū)遠(yuǎn)離各類自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景旅游區(qū)、城市及主要交通干線，礦山開采對地形地貌景觀影響表現(xiàn)在利用的場地對地形地貌持續(xù)破壞。灌漿場取土場地根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害評估，分臺階進(jìn)行取土，無其他建筑，對地形地貌景觀影響程度較輕；地面塌陷影響區(qū)根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測定性定量分析評估，發(fā)生的可能性大，但結(jié)合現(xiàn)狀采空區(qū)地表情況，形成的塌陷影響區(qū)為小規(guī)模緩傾盆地，不會出現(xiàn)塌陷坑或大的錯動陡坎等變形跡象，且可恢復(fù)性較高，故預(yù)測塌陷影響區(qū)對地形地貌景觀影響程度較輕[19-20]?，F(xiàn)狀礦區(qū)地形地貌景觀破壞情況見表1。

表1 礦區(qū)地形地貌景觀破壞現(xiàn)狀評價Tab.1 Assessment of damage status of landform and landscape in mining area

2.4 水土環(huán)境污染現(xiàn)狀評估

(1)水土環(huán)境現(xiàn)狀評估。礦區(qū)對水土環(huán)境造成污染的主要因素是矸石堆存造成土壤黑色污染，降雨形成的淋溶水污染水質(zhì)。地下水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，矸石淋溶水中對區(qū)內(nèi)水土環(huán)境污染因子含量較低，且礦區(qū)為干旱區(qū)，降水稀少，淋溶水排放量很小，故對礦區(qū)地下水環(huán)境和土壤影響較輕，對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度較輕。

(2)土地?fù)p毀現(xiàn)狀評估。礦區(qū)工程活動造成的土地的損毀主要是前期礦山活動造成的損毀，損毀方式主要是土地資源壓占和挖損(圖4)，損毀區(qū)塊為主副井工業(yè)場地、風(fēng)井工業(yè)場地行政福利區(qū)、原取土場、爆炸材料庫、矸石堆放等，土地占壓面積21.58 hm2，損毀面積為0.26 hm2。

圖4 礦區(qū)土地占壓、損毀照片F(xiàn)ig.4 Photos of land occupation and damage in mining area

3 礦山地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)

礦區(qū)主要地質(zhì)環(huán)境問題為地形地貌景觀的影響破壞和地下采空引起的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害[6-14]。

3.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害治理

根據(jù)礦山開采條件，按照采煤塌陷規(guī)律和各采區(qū)煤層采深采厚計算，礦區(qū)塌陷穩(wěn)沉?xí)r間分別為：一采區(qū)2.5年，二采區(qū)2.4年，三采區(qū)1.03年。在此期間及后期可能發(fā)育變形較大的伴生裂縫，采取下矸石夯填、上表土回填的二元結(jié)構(gòu)進(jìn)行恢復(fù)治理。治理過程中，先剝離表土堆存到兩側(cè)，剝離厚度為30 cm，采用矸石對裂縫填埋夯實處理，再回填表土并整修地形(圖5)，預(yù)估動用土石方量約11 720.22 m3。表土回填后進(jìn)行復(fù)綠。

圖5 裂縫填埋治理示意Fig.5 Schematic diagram of crack landfill treatment

3.2 礦區(qū)土地復(fù)墾

(1)土壤重構(gòu)工程。結(jié)合礦區(qū)現(xiàn)狀，盡量利用自然地勢。考慮到損毀土地地形平緩，故在平整工程量計算時按投影面積計算，礦區(qū)土地?fù)p毀面積為22.46 hm2，平整面積為22.46 hm2。復(fù)墾覆土從取土場取土，主副井工業(yè)場地和爆炸材料庫運距平均2.5 km，其余場地最大運距500 m，對平整后的土地采用推土機(jī)進(jìn)行覆土攤鋪，復(fù)墾為旱地的有效土層厚度不小于40 cm。本方案確定覆土 45 cm，其他草地的有效土層厚度不小于10 cm。

(2)植被重建工程。復(fù)墾區(qū)復(fù)墾方向為旱地第一年播種黃豆用于肥地，每畝用種10 kg；復(fù)墾方向為其他草地的，植被重建工程為種草，播種前對種子清洗、去芒及芍物拌種，提高出芽率和防止地老虎等蟲害。采用撒播方式，撒播盡量撒播均勻。播種量視種子的發(fā)芽率而定，通常每公頃播撒量為20 kg，播種深度在2～5 cm。復(fù)綠面積22.46 hm2。

3.3 含水層破壞修復(fù)

采礦活動不可避免地會對地下水含水層造成一定影響，但影響程度較輕，根據(jù)實際情況，含水層修復(fù)強(qiáng)調(diào)水生態(tài)自我修復(fù)，充分發(fā)揮自然生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力。在礦山開采過程中，重點是對含水層破壞的預(yù)防工作，待采礦結(jié)束后，逐步實現(xiàn)自我修復(fù)。

3.4 水土環(huán)境污染修復(fù)

現(xiàn)狀條件下，礦山開采對水土環(huán)境污染程度較輕，預(yù)測采礦活動對水土環(huán)境污染程度為較輕，本區(qū)地表無水體，降水稀少且蒸發(fā)量大，故水土污染甚微。由此確定，該礦山水土環(huán)境污染修復(fù)修復(fù)的目標(biāo)是最大限度地恢復(fù)礦區(qū)自然環(huán)境，減輕礦山開采對區(qū)內(nèi)自然環(huán)境的影響。主要任務(wù)是在礦山地質(zhì)環(huán)境防治的基礎(chǔ)上，通過播撒草種，培育當(dāng)?shù)刂参?，達(dá)到生態(tài)恢復(fù)的目的。生產(chǎn)期主要以預(yù)防為主，建設(shè)污廢水一體化污水處理站，固體廢棄物辦公生活垃圾集中處理，矸石再利用，不進(jìn)行亂排亂棄。在采礦結(jié)束后，采取整飾覆土復(fù)墾措施。

4 效益分析

通過對礦山地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)治理，將減輕或消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，有效保障工業(yè)場區(qū)的安全；同時，通過礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程，及時掌握煤礦開采引發(fā)的地面沉陷變形對地表的損毀程度，及時采取措施進(jìn)行預(yù)防，可避免礦山地質(zhì)災(zāi)害對礦區(qū)人民生命財產(chǎn)安全的危害，其防災(zāi)減災(zāi)效益顯著[3-10]。

通過礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾，使礦區(qū)被破壞和壓占的土地資源及植被資源得到治理、恢復(fù)，地貌景觀得以改善，維護(hù)礦區(qū)的生態(tài)平衡，將產(chǎn)生良好的環(huán)境效益，有利于附近人民群眾安居樂業(yè)和社會穩(wěn)定，對實現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展起到示范作用，經(jīng)濟(jì)效益顯著[11-16]。

5 結(jié)論

(1)礦區(qū)工程地質(zhì)條件良好，石炭二疊系和中侏羅統(tǒng)是主要含煤地層，煤層厚度0.69～39.46 m，平均厚度10.89 m，煤層平緩且穩(wěn)定，剩余服務(wù)年限5.6年。

(2)現(xiàn)狀條件下，礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，后續(xù)開采引發(fā)地面塌陷的可能性大，對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度嚴(yán)重；現(xiàn)狀條件下，礦山開采對地形地貌景觀破壞程度為較嚴(yán)重。

(3)采空區(qū)引起的地面裂縫，采取下矸石夯填、上表土回填的二元結(jié)構(gòu)進(jìn)行恢復(fù)治理，預(yù)估動用土石方量約11 720.22 m3。通過對礦區(qū)土壤重構(gòu)工程、植被重建工程實現(xiàn)土地復(fù)墾面積22.46 hm2。

(4)通過對礦山地質(zhì)環(huán)境的恢復(fù)治理，可取得較高的社會效益、防災(zāi)減災(zāi)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。