戴 興，郭立霞，景麗媛

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450001)

陽城縣上孔煤礦井田面積11.598 8 km2，批采3—15號煤層，批采標(biāo)高+547～+350 m，生產(chǎn)規(guī)模60萬t/a。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查和礦方提供資料，煤礦一直停產(chǎn)，2020年5月編制完成了“三合一”方案，地面塌陷和地裂縫治理工程尚未實(shí)施。礦山擬開采3、9、15號煤層，在開發(fā)利用過程中，為了有效提高礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治措施，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀及建設(shè)工程區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件、生態(tài)環(huán)境條件、社會環(huán)境條件、現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害的類型、分布規(guī)模、穩(wěn)定程度、活動特點(diǎn)等因素。綜合分析，對礦區(qū)可能發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域及類型做出預(yù)測[1-5]，以進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理分區(qū)以及土地復(fù)墾，提出地質(zhì)環(huán)境防治和土地復(fù)墾工程，以及所需經(jīng)費(fèi)估(概)算和進(jìn)度安排，并提出地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理措施、建議[6-11]。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)地層主要有古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上石盒子組及第四系。含水層為第四系松散沉積物孔隙水、山西組砂巖裂隙水、太原組石灰?guī)r裂隙水等；隔水層為太原組底部泥巖、灰?guī)r、砂巖等。礦區(qū)構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育，主要構(gòu)造表現(xiàn)為背向斜相間的平緩褶皺。

1.2 礦體特征

礦區(qū)含煤地層主要為太原組、山西組地層，煤系地層總厚117.08 m左右。①3號煤層賦存于山西組的下部，煤層厚0.85～7.65 m，結(jié)構(gòu)簡單，頂板為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖。②9號煤層位于太原組中下部，煤層厚0.60～1.60 m，結(jié)構(gòu)簡單，頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖等，底板為泥巖、細(xì)砂巖或石灰?guī)r。上距3號煤層平均間距48.51 m。③15號煤層位于太原組底部，煤層厚 1.03～3.20 m，結(jié)構(gòu)簡單，頂板為泥巖或石灰?guī)r，底板為泥巖或鋁土泥巖。上距9號煤層平均29.01 m。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評估

礦區(qū)3號煤層埋深淺，早年間被附近村民亂采破壞，形成了多處采空區(qū)，采空區(qū)面積 457.85 hm2，采空區(qū)影響面積845.52 hm2，如圖1所示。

圖1 礦山采空區(qū)分布Fig.1 Mined-out area distribution

(1)村莊地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評估?，F(xiàn)狀調(diào)查，采空區(qū)主要影響薛家?guī)X舊村(圖2)，現(xiàn)已搬遷至新村。薛家?guī)X新村、柏溝村、王莊下部均無采空區(qū)分布，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小。

圖2 薛家?guī)X舊村房屋裂縫Fig.2 House cracks in Xuejialing old village

(2)工業(yè)場地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評估。現(xiàn)狀調(diào)查，主副井工業(yè)場地西邊采空區(qū)面積0.17 hm2，影響面積0.2 hm2，多年來工業(yè)場地及周邊場地未出現(xiàn)采空塌陷引起的地表變形。井口附近邊坡穩(wěn)定，綜合分析，現(xiàn)狀工業(yè)場地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小。

(3)陽城縣科發(fā)冶筑有限公司和化肥廠地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評估。陽城縣科發(fā)冶筑有限公司和化肥廠北部區(qū)域下部分布有3號煤層采空區(qū)，這2個(gè)廠區(qū)早已經(jīng)關(guān)閉，現(xiàn)只有部分建筑物分布，危害程度較輕，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小。

(4)陽翼高速地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評估。陽翼高速位于礦區(qū)北部，通過對礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)的治理，現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)采空塌陷對高速公路的影響較輕，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小。

(5)西氣東輸管線地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評估。西氣東輸管線位于礦區(qū)西部，上孔煤礦于2009年煤礦兼并重組而成，自重組以來，一直停產(chǎn)基建。現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)采空塌陷對西氣東輸管線的影響較輕，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小。

2.2 泥石流地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評估

礦區(qū)內(nèi)地表呈典型的低山丘陵地貌，第四系較發(fā)育，形成眾多的黃土陡坡。礦區(qū)位于蘆葦河和沁河之間，礦區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，發(fā)育多條黃土沖溝，均為蘆葦河和沁河支溝。沖溝走向大致為東西向，由中部流向東西兩側(cè)蘆葦河和沁河，為季節(jié)性河流。平時(shí)干涸無水，僅在雨季溝谷有小溪流或短暫洪水排泄，徑流深度為0.55～0.60 m，流量小，時(shí)間短。

矸石周轉(zhuǎn)場地位于工業(yè)場地西北側(cè)溝谷——自然沖溝內(nèi)，沖溝剖面形態(tài)為V形，長度約180 m，溝寬30.0 m，溝深20.0 m，占地面積0.83 hm2，庫容20萬m3，服務(wù)年限3.0年?，F(xiàn)狀條件下，只有少量矸石堆放(約1 000 m3)，最大填方高度10.5 m，現(xiàn)狀調(diào)查評估區(qū)內(nèi)未發(fā)生過泥石流地質(zhì)災(zāi)害，今后發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害性較小。

3 礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評估分析

3.1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評估方法

煤礦地下開采最顯著的特征是地表易產(chǎn)生采空塌陷和地裂縫，對周圍環(huán)境造成一定程度的影響，形成地質(zhì)災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害主要體現(xiàn)在對礦區(qū)內(nèi)地表建筑、道路、耕地、林地、草地的破壞；對地質(zhì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對地表形態(tài)、地下水、地表水等，造成水土流失、滑坡、礦區(qū)內(nèi)植被破壞等結(jié)果。通過預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，采取預(yù)防措施[4-11]。

目前開采沉陷預(yù)計(jì)常用的方法有：概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法和皮爾森Ⅲ型公式法等。概率積分法是我國目前較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)測方法[6-9]。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)范》推薦的礦區(qū)地表移動變形預(yù)測模型[12]，是目前在礦區(qū)應(yīng)用較廣的一種模型，它是在概率積分法的基礎(chǔ)上考慮礦區(qū)采動滑移附加影響建立的[13-16]，本礦井預(yù)測工作面為矩形工作面。

3.1.1 地表移動變形預(yù)測模型

沉陷區(qū)預(yù)測模型種類多樣，根據(jù)礦山調(diào)查結(jié)果，本文采用礦區(qū)地表移動變形預(yù)測模型，預(yù)測地表移動變形。模型中可近似地把移動盆地當(dāng)作鐘形概率曲面看待，導(dǎo)出礦區(qū)任意點(diǎn)、任意方向移動、變形預(yù)測公式[6]：

3.1.2 開采區(qū)地表變形預(yù)測

(1)計(jì)算方法。目前，沉陷預(yù)測多采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和制圖，本文采用中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的礦區(qū)沉陷預(yù)測系統(tǒng)(MSPS)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)煤層各參數(shù)計(jì)算，預(yù)測范圍見表1。

表1 開采塌陷各預(yù)測階段劃分Tab.1 Dividing of each prediction stage of mining collapse

(2)沉陷區(qū)地表移動變形預(yù)測結(jié)果。礦山預(yù)測按充分采動、冒落式開采條件，對整個(gè)井田采后地表移動變形最大值進(jìn)行了預(yù)計(jì)[17-18]，確定的最大移動變形值見表2。

表2 地表移動變形最大預(yù)測值Tab.2 Maximum predicted value of surface movement and deformation

3.2 預(yù)采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評估

根據(jù)以上預(yù)測模式及參數(shù)對3號、9號和15號煤層開采后地表移動變形最大值進(jìn)行了預(yù)測。未來20年內(nèi)，預(yù)計(jì)地表最大下沉值累計(jì)為6 883.54 mm，采空塌陷影響與破壞面積為515.25 hm2，其中破壞程度輕度損毀土地面積244.27 m2，中度損毀土地面積為227.01 hm2，重度損毀土地面積為43.97 hm2。包括旱地面積122.7 hm2(輕度57.26 hm2、中度61.37 hm2、重度4.07 hm2)，林地104.14 hm2，其他草地121.34 hm2，其余為其他類型土地。在此影響范圍內(nèi)，其邊緣附近有可能出現(xiàn)拉伸裂縫，其中心地帶因地處山區(qū)，一般不會出現(xiàn)沉降盆地，但有可能因不同部位地表高低的不同而出現(xiàn)地面裂縫。

3.3 已有采空區(qū)穩(wěn)定性分析

(1)已有采空區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析。煤礦開采后，形成大面積采空區(qū)，由于采空區(qū)上部巖層失去支撐，隨后地表變形塌陷，變形區(qū)可分為中間區(qū)、內(nèi)邊緣區(qū)和外邊緣區(qū)[5-13](圖3)。

圖3 采空區(qū)上方地表變形示意Fig.3 Schematic of surface deformation above goaf

根據(jù)上述分析，評估區(qū)3號煤層采出一定面積后，會引起巖層移動并波及到地表，其地表沉陷和變形在空間上和時(shí)間上都有較明顯的連續(xù)性和一定的分布規(guī)模，3號煤層回采工作面采用走向短壁炮采一次采全高，采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護(hù)頂板，全部垮落法控制頂板，回采率較低，加上由于開采時(shí)間較為久遠(yuǎn)(大于12年)，地表變形極弱，這從現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果也得到了驗(yàn)證(現(xiàn)狀調(diào)查，評估區(qū)地面塌陷和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害均不發(fā)育)。

(2)已有采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測評估。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查和相關(guān)資料，2009年資源整合前煤礦主要開采3號煤層，井田中存在大面積采空區(qū)。開采區(qū)影響范圍內(nèi)已有采空區(qū)存在重新活動的可能性，對薛家?guī)X、柏溝村和王村造成一定程度的影響，威脅人數(shù)有20～30人，預(yù)測造成經(jīng)濟(jì)損失50萬～60萬元，其余已有采空區(qū)只對影響范圍內(nèi)耕地、林地等造成破壞。預(yù)測造成經(jīng)濟(jì)損失10萬～20萬元，已有采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等，地質(zhì)災(zāi)害影響程度較嚴(yán)重。礦區(qū)西北部今后無采區(qū)布置，該區(qū)域分布有高速公路、西氣東輸管線、昌易生活區(qū)和嵩峪村，預(yù)測今后煤礦開采對其影響較輕，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小[14]。

3.4 含水層破壞預(yù)測評估

預(yù)測評估采礦活動對含水層的影響或破壞程度，主要從采礦活動對含水層結(jié)構(gòu)破壞、含水層疏干、地下水水位下降、泉水流量減少、地下水位降落漏斗的分布范圍、含水層破壞對生產(chǎn)生活用水水源的影響等分別進(jìn)行論述[10-15]。

(1)采礦活動對含水層結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)開發(fā)利用方案，煤礦今后開采3號、9號和15號煤層，其上覆含水層。采空區(qū)上覆巖層塌陷形成冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶，破壞含水層。3號煤層埋深7.22～52.4 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為65.32 m，開采后其導(dǎo)水裂隙帶可以到達(dá)地表溝通地表水及大氣降水；9號煤層上距3號煤層37.22～52.4 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為48.51 m，可以溝通3號煤層；15號煤層上距9號煤層24.23～39.63 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為63.67 m，可以溝通9號煤層。

3號、9號和15號煤層厚度較大，開采后地表會劇烈變形，出現(xiàn)大量地裂縫。所以3號、9號和15號煤層開采后形成的垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶將溝通其影響范圍內(nèi)的各含水層，與其有關(guān)的各類地下水可通過垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶向礦坑充水，進(jìn)而通過礦坑排水流失，將會破壞區(qū)內(nèi)石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，礦坑排水將會使該含水巖組的地下水位下降，甚至疏干，對采空區(qū)影響范圍內(nèi)上覆太原組灰?guī)r含水層、山西組砂巖和石盒子組砂巖含水層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

(2)采礦活動對礦區(qū)生產(chǎn)生活供水水源的影響。現(xiàn)狀調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)分布有薛家?guī)X、王村等村莊分布(均采用深井水供給)，工業(yè)場地由礦區(qū)西南部美泉村集中供水，開采奧陶系巖溶水?，F(xiàn)狀調(diào)查，水源水井滿足了礦山及村莊生產(chǎn)生活用水。預(yù)測今后20年內(nèi)，3號、9號和 15號煤層開采后，采礦活動對礦區(qū)生產(chǎn)生活供水水源影響與破壞較輕。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)狀評估，預(yù)測煤層開采對采空區(qū)影響范圍內(nèi)含水層影響與破壞程度分為嚴(yán)重區(qū)和較輕區(qū)。嚴(yán)重區(qū)影響范圍1 163.07 hm2；較輕區(qū)位于評估區(qū)剩余區(qū)域內(nèi)，面積75.28 hm2。

4 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防措施

4.1 重點(diǎn)防治區(qū)

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境問題的類型的差異，劃分為主副井工業(yè)場地重點(diǎn)防治區(qū)、生活區(qū)工業(yè)場地重點(diǎn)防治區(qū)、村莊重點(diǎn)防治區(qū)、高速公路重點(diǎn)防治區(qū)、西氣東輸管線重點(diǎn)防治區(qū)、臨時(shí)矸石場重點(diǎn)防治區(qū)和采空區(qū)重點(diǎn)防治區(qū)，各治理分區(qū)見表3。

表3 各類重點(diǎn)防治說明Tab.3 Key prevention and control instructions

4.2 一般防治區(qū)

一般防治區(qū)位于評估區(qū)剩余區(qū)域內(nèi)，面積90.28 hm2。該區(qū)無采礦活動，對地質(zhì)環(huán)境影響較輕，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育。應(yīng)進(jìn)行原生地質(zhì)環(huán)境條件保護(hù)，盡量避免各類破壞性的人類活動。

4.3 含水層破壞治理區(qū)

礦區(qū)內(nèi)分布有薛家?guī)X、王村等村莊分布(均采用深井水供給)，工業(yè)場地由礦區(qū)西南部美泉村集中供水，開采奧陶系巖溶水?，F(xiàn)狀調(diào)查，水源水井滿足了礦山及村莊生產(chǎn)生活?？紤]到煤礦今后開采3號、9號和15號煤層造成的地表變形可能會對供水管線造成一定程度的破壞，煤礦需對供水管線和水泵等進(jìn)行巡查檢修，確保礦區(qū)工業(yè)場地和村莊供水安全。

5 效益分析

通過礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評估，并采取有效的防治措施，可有效防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的；最大限度地減少采礦對土地資源的破壞，減緩含水層和地形地貌景觀破壞，遏制生態(tài)環(huán)境的惡化，恢復(fù)損毀的植被。通過礦山土地復(fù)墾，恢復(fù)礦區(qū)土地功能，可增加耕地面積，減少土地浪費(fèi)，增加就業(yè)，緩解剩余勞動力問題，促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展[11-20]。

6 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)狀調(diào)查，礦山采礦活動對地形地貌景觀影響與破壞現(xiàn)狀評估分為“嚴(yán)重區(qū)”、“較嚴(yán)重區(qū)”、“較輕區(qū)”。其中“嚴(yán)重區(qū)”位于工業(yè)場地和臨時(shí)矸石場影響范圍內(nèi)，面積15.92 hm2；“較嚴(yán)重區(qū)”位于采空區(qū)影響范圍內(nèi)，面積845.52 hm2；“較輕區(qū)”位于評估區(qū)剩余區(qū)域，面積376.91 hm2。

(2)通過對礦山未來采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合預(yù)測，預(yù)計(jì)地表最大下沉量6 883.54 mm，其中“較輕區(qū)”影響范圍515.25 hm2，“嚴(yán)重區(qū)”影響范圍43.97 hm2。

(3)通過礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測分析，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警工作，增強(qiáng)防范意識，保護(hù)人民生命、財(cái)產(chǎn)損失，可達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。