遼寧省梨樹溝煤礦區地質環境恢復治理淺析

陳鐵力，張秀敏，趙宏慶，楊淑紅，鮑巨才

（1.遼寧省有色地質局108隊，遼寧沈陽110013；2.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026）

遼寧省梨樹溝煤礦區地質環境恢復治理淺析

陳鐵力1,2，張秀敏1，趙宏慶1，楊淑紅1,2，鮑巨才1

（1.遼寧省有色地質局108隊，遼寧沈陽110013；2.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026）

梨樹溝煤礦歷經多個開采階段，形成大面積的采空區及大量的廢石堆，并引發地面塌陷、地面沉降及地裂縫等多種地質災害，耕地、植被、水環境及大氣環境等生態環境遭到嚴重破壞.采用物探、鉆探等多重技術圈定采空區，實地調查橋梁、道路破損程度，針對橋梁、道路、采空區、廢石堆等采取鉆孔回填、灌注加固、搬運平整等不同技術手段進行處理.分別就坍陷坑、采空區、道路、廢石堆復墾及水環境保護和花園式綠化提出不同的施工方案及技術要求，對該礦區地質環境恢復治理提出行之有效的建議.

地質環境；恢復治理；煤礦；采空區；復墾；遼寧省

Abstract：After a long period of mining,the Lishugou coal mine is left with large mined-out areas and numbers of waste heaps,causing ground collapse,land subsidence,geofractures and other geological disasters.The cultivated land,vegetation,water and air environment have been severely damaged.To locate the mined-out areas,geophysical exploration and drilling techniques are adopted.The damage degree of bridges and roads are investigated on the spots.The technical methods of drilling and backfilling,perfusion,moving and leveling are used.Different construction plans and technical requirements are made for the recovery of geological environment of the coal field.

Key words：geological environment;recovery;coal mine;mined-out area;Liaoning Province

1 地質環境恢復治理緣由

梨樹溝煤礦屬于較大的市級國有煤礦，位于遼寧省丹東市賽馬鎮西北約1 km，行政隸屬于賽馬鎮，距國鐵沈丹線草河口車站45 km，距鳳上線灌水車站45 km?陳鐵力，鮑巨才，等.2009年度地質環境恢復治理項目可行性研究報告——丹東梨樹溝煤礦礦區地質環境恢復治理項目.2009.（詳見圖1）.

圖1 礦區交通位置示意圖Fig.1 Traffic position map of the coal field

礦山自日偽時期開始，歷經多個勘探階段，共計鉆孔幾十個?鮑巨才，朱建華，等.遼寧省鳳城市梨樹溝煤礦采空區調查與生態環境恢復設計.2005..該區從日偽時期已經進行開采，至后來的多次擴建擴采—破產停采—拍賣復采，直至目前資源枯竭而破產停采，經歷多個開采時期.資料顯示，該區已經資源枯竭，除部分保安礦柱外均為采空區，礦區地質環境嚴重受損.

該礦區開采活動延續時間較長，采空區范圍及規模逐步擴大，開采煤層逐年增加，再加上不合理的以包代管等管理方式，造成的地質災害現象逐漸顯現出來，已經形成了大小不一的廢石堆十幾個，發生地面塌陷20余處、地裂縫多處，已經有部分地區發生地面沉陷.多年開采形成的廢石堆主要分布在河道兩側及附近山坡上，對環境造成一定程度的污染，對周邊水資源也造成一定影響.已經發生的地面塌陷、地面沉降及地裂縫等地質災害毀壞了農田林地，破壞了道路設施，影響了車輛行人的往來.仍存在的各種地質環境問題隱患，不僅會繼續毀壞山林農田公路，對當地居民的生命財產以及過往的車輛行人也構成嚴重威脅.

該礦區廢石堆、地面塌陷、地面沉陷、水均衡等礦區地質環境問題已經相當突出?陳為民，程國霞，等.遼寧省鳳城市梨樹溝煤礦地質災害危險性評估報告.2007.，原有地形地貌遭到嚴重破壞，礦山生態環境已經惡化，水資源系統被破壞，這些諸多的地質環境問題急需要治理.

2 地質環境恢復治理區特征

礦山地質環境問題是指礦業活動作用于地質環境所產生的環境污染和環境破［1-2］.主要包括：大氣、水、土等遭受污染，采空區引發地面塌陷，山體開裂、崩塌、滑坡、泥石流，侵占和破壞土地、水土流失、土地沙化、巖溶塌陷、礦震、尾礦庫潰壩、水均衡遭受破壞、海水入侵等［3-4］.礦山環境受地質構造條件和礦床產出位置的嚴格限制［5］.

該區地質環境恢復治理主要以礦區范圍為參考界限，以礦區開采影響范圍作為地質環境恢復治理區.

2.1 地形特征

研究區所處地貌單元為山地丘陵和河流階地.該區北部及南部少部分地區屬于山地丘陵，地勢較緩，標高在270～450 m之間，坡度角一般為15～25°；中南部地區屬于河流階地，地勢平坦，標高在246～270 m之間，坡度角小于5°.

2.2 地質特征

區內地層缺損較多，發育的地層主要分為3部分，分別為：元古宇青白口系釣魚臺組（Qnd）及南芬組（Qnn）和古生代寒武—奧陶系（C-O），作為基底巖層；中生界侏羅系中統大堡組（J2d）及三個嶺組（J2s），為主體煤系地層；煤系地層之上為新生界第四系（Q）?陳鐵力，鮑巨才，等.2009年度地質環境恢復治理項目可行性研究報告——丹東梨樹溝煤礦礦區地質環境恢復治理項目.2009..侏羅系與基底巖層、第四系之間均為不整合接觸［6］.該區為一復向斜構造，近東西向，向斜南翼為厚層大堡組，傾向北，傾角一般為40～50°，向斜北翼被三個嶺組超覆掩蓋［7］，傾向南，傾角一般小于10°.

2.3 水文地質特征

研究區存在較為豐富的第四系潛水，并與地表水連通，對煤系地層存在補給作用.區內寒武—奧陶系的石灰巖地層中巖溶較為發育，含水豐富.該區煤系地層（侏羅系）本身也屬于含水地層［8］.最初設計的河道保護煤柱已經遭到破壞，致使河水對地下開采區形成充水作用.區內煤層已大面積開采，引發其上巖層發生下沉甚至斷裂［9］，使地表水更易充分補充，另外井巷及采空區積水也為今后的開采活動帶來困難和危險.

2.4 礦床特征

研究區煤層較發育，厚度大，但變化也大，結構復雜，并遭受火成巖侵入破壞［10］.向斜南翼煤層傾角相對較大，一般為40～50°；向斜北翼煤層傾角相對較緩，一般約為10°.該區可采煤賦存于中生代侏羅系中統大堡組，共有5個煤組.其中三煤組保存最好，厚度大，分布廣；二煤組較之三煤組略差；一煤組保留面積較小，僅存在于礦區東部；四煤1、2在成煤后期遭受較強的剝蝕作用，致使尚存范圍很小，僅在礦區中部可見.

3 地質環境恢復治理區地質環境問題

3.1 礦業活動引發的主要地質災害

研究區除部分保安礦柱外均為采空區.采空區埋深大部分都大于50 m，僅在煤層露頭附近小于50 m.伴隨著資源枯竭，對部分采場保留礦柱進行殘采，礦區地面塌陷、地面沉降及地裂縫日趨頻繁.

3.1.1 地面塌陷隱患

該區目前已經發生地面塌陷24處.其中，2008年以前共發生21處，目前已經回填；2009年新發生3處?陳鐵力，鮑巨才，等.2009年度地質環境恢復治理項目可行性研究報告——丹東梨樹溝煤礦礦區地質環境恢復治理項目.2009.（見圖2）.

圖2 2009年新發生的塌陷坑之一Fig.2 Collapse crater formed in 2009

3.1.2 地面沉降隱患

據現場調查和走訪，該區內普遍發育采空沉陷地質災害，較大沉降帶有3個，長度在幾十米至幾百米，寬度一般幾十米，最寬的超過百米.

3.1.3 地裂縫隱患

區內地裂縫發育較多，大小不一.較大的地裂縫長度約100 m，寬度0.7～0.8 m，深度不明.多處地裂縫都已經及時填埋，實際規模無法核實.

3.2 環境污染

3.2.1 大氣環境污染

目前該區已經因資源幾近枯竭而停止開采，對大氣環境的影響主要來源于矸石的自燃以及當地居民生活產生的燃煤廢氣.居民生活廢氣對大氣環境影響較小，矸石自燃產生的廢氣對大氣環境起到破壞性的影響.廢氣中主要污染物有CO2、CO、SO2等.除矸石自燃破壞大氣環境外，先前礦山的生產對大氣環境也產生了較大影響.

3.2.2 水環境污染

開采階段大量的礦井排水已經造成該區地下水水位下降，大部分民用水井已經干涸，居民幾乎失去了基本的生活用水來源.河床底部的采空區容易形成塌陷，使河水匯入采空區，造成河流斷流.

污染該區水環境的廢水主要來自礦坑排水、廢石堆滲水以及日常生活用水，廢水中可能含有可溶性礦物及廢棄物等.這些廢水流經地表匯入河流，使河流水質有所改變（見圖3），并對周邊居民的飲用水造成影響.

圖3 被污染的河流Fig.3 The polluted river

根據丹東市疾病預防控制中心對河水采樣監測結果（取樣、檢測依據《生活飲用水標準檢測方法》），其30個檢測項目中，色度、渾濁度、臭和味、肉眼可見物、總硬度、菌落總數、COD、游離性余氯、總大腸菌群等9項指標均有不同程度地超過《生活飲用水衛生標準》（GB/T5749-2006）中標準要求，已經不能滿足居民的生活飲用.再度污染之后很有可能不能滿足其他生物生存需要，形勢十分嚴峻.

3.2.3 生態環境破壞

梨樹溝煤礦經過幾十年的開采，在礦區內形成了規模不同的矸石堆十幾個，主要分布在河道兩側及附近山坡上.堆積面積達到46 519 m2，體積達到116 946 m3，存儲量達到19.88×104t.其中堆積高度最大的達到10 m，占地面積最大的超過10 000 m2.

3.3 區內建筑受損情況

3.3.1 居民房屋受損情況

經過現場調查走訪，對區內房屋受損狀況有了清楚的了解.本區共有居民422戶，調查了274戶居民.按照《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB50292-1999）和《危險房屋鑒定標準》（JGJ125-99），房屋受損嚴重的有239戶，較嚴重的有27戶，較輕的有8戶?陳為民，程國霞，等.遼寧省鳳城市梨樹溝煤礦地質災害危險性評估報告.2007..房屋均為磚混結構，墻體內外均出現1～3 cm的裂縫，個別超過5 cm，部分墻體向外傾斜，墻壁斷開，少數房屋出現整體下沉、傾斜，受損時間一般在2000～2007年間.

3.3.2 道路、橋梁受損情況

采礦活動造成區內道路、橋梁嚴重破壞.道路出現不同程度的裂縫、凹陷、破碎等情況，路面變得起伏不平.河流橋體已經開裂，橋面及橋底破壞都比較嚴重.

4 地質環境恢復治理技術路線和工作方法

地質環境恢復治理要堅持以保護人的生命財產和生存環境為中心［11］，采取以下技術路線：通過野外對塌陷區的調查，采用物探、鉆探等多種技術手段，設置沉降觀測點、水文觀測點、大氣監測點等方法，比較精確地圈定塌陷區的范圍、塌陷程度及沉陷區沉降幅度、水環境變化情況、大氣變化情況等，提出合理的防范與治理措施，并進行土地整理，創造有利的生存條件，通過植樹種草恢復生態環境，并以此推動周邊礦區的全面治理與生態環境恢復.

根據該區地質、地貌、氣候、水文、水土化學條件等諸多因素，選用因地制宜的技術方法：由于采空區距離地表較近，采用物探方法即可識別其地下形態，采用平行剖面或網狀剖面布線以達到較為準確的目的，并采用鉆孔方式進行局部驗證；對塌陷坑進行回填，復墾綠化，消除地面塌陷隱患，保障當地居民生命財產和農業、林業生產的基本條件；對廢石堆采用搬運、平整壓實、綠化治理相結合的方式治理，從根本上改善礦區地表砂礫化、荒漠化景觀；對就坡的不易平整的廢石堆實施溢洪疏通，排水溝、道路修復工程，覆土綠化，徹底消除泥石流隱患對當地居民的生命財產威脅；對礦井排水、廢石滲水進行水環境治理工程，保證下游村民牲畜飲水安全；對礦區內原有道路、橋梁及新設計的道路、排水溝、防洪墻進行防塌陷工程；土地整理采用帶狀和穴狀整地［12］的方法，并配套道路修筑；種植樹種選擇本地生樹種為主，適當引進新的草本和灌木因地制宜分區種植；對部分受采礦影響較輕、房屋損壞程度較小的居民住宅實施修復保護工程，確保當地居民的生命、財產安全；對受采礦影響較大、房屋損壞嚴重的居民實施整體搬遷；消除原國有礦山遺留地質環境問題，為全省類似礦區地質環境治理探索積累經驗，推動礦山地質環境恢復治理工程的進程.

5 地質環境恢復治理施工技術要求

5.1 塌陷坑回填復墾技術要求

塌陷坑回填施工前應進一步核準其邊界，并由外向內邊回填邊壓實，逐步推進.下部用矸石充填，上部近地表0.5～1.5 m處應覆蓋黏土和耕植土，平整壓實后進行植樹綠化或恢復耕種.黏土層起到防止降水入滲作用，保護深部采空區，利于植物生長.對存在塌陷可能的采空區或巷道，應在其影響范圍附近設立警示標志，避免地面塌陷造成人員傷亡.

5.2 采空區回填復墾技術要求

目前，廢棄巷道已經缺少通風設施，并且個別地段已經存在塌方，缺少必要的安全保證，所以采空區（包括廢棄巷道）已經無法通過原有巷道進行回填，只能采取自然冒落、打孔灌漿［13-14］（主要針對采空區或廢棄巷道上方原有及規劃道路、礦部、橋梁、河床以及復雜采空地段）的方式進行處理.部分廢棄的井口已經堵死，包括人為工程及自然塌方；其余未被堵死的井口，采取爆破灌漿方式將其堵死，并按照當地地形及植被將其恢復治理.在存在塌陷可能的區域設置簡易警示標志，在廢棄巷道口設置長期性警示牌.

5.3 道路復墾技術要求

原有部分公路、礦部、河床、橋梁及規劃新設計的部分道路、防洪墻、排水溝等位于采空區或巷道之上，存在遭受地面沉陷而破壞的可能.在公路兩側采空區及廢棄巷道、居民房屋上方合理設置投料孔，要求打到設計要求的采空區或巷道位置.

通往各礦部及各開采礦井重新鋪設6 m寬公路；為方便農民耕種鋪設3.5 m寬的田間道路.公路及道路下面用廢石鋪墊，摻和細小廢石，上面鋪墊薄層黏土，其上用細砂壓實.道路兩側分別修建簡易排水溝，公路兩側按照0.5 m寬、0.3 m深修建，其他道路兩側按照0.25 m寬、0.3 m深修建.沿公路兩側種植3排樹木、田間道路兩側種植兩排樹木，用于綠化環境及防風固沙.其他清理之后的土地與原耕地統一進行復墾，應用于農田耕種.

5.4 廢石堆復墾技術要求

廢石堆治理以搬運、平整壓實、綠化治理相結合為基本原則［15］.需要客土覆蓋時首先按照種草的標準覆蓋0.2 m黏土層、0.05 m耕土，再以0.5 m×0.5 m×0.6 m規格的穴栽法進行樹木種植，樹木之間種草.

耕地區范圍內的廢石可以用于回填；斜坡上的廢石堆依據地形條件進行平整、壓實，設計為坡度角30°的綠化斜坡；河岸兩側的廢石堆修建底寬0.8 m、上寬0.4 m、高1.5 m的毛石混凝土結構防洪墻（見圖4），防止河水過大時攜帶廢石；匯水區域內的廢石堆修建寬0.8 m、高0.5 m的毛石混凝土結構的排水溝（見圖5），將山坡匯水直接導入河流支流中.部分廢石可用于修建防洪墻、排水溝，部分矸石可以進行粉碎用于制磚、水泥及其他建材產品.

圖4 防洪墻設計施工簡圖Fig.4 Design drawing of the flood wall

圖5 排水溝設計施工簡圖Fig.5 Design drawing of the drain

5.5 水環境保護工程

對河床下面及附近的采空區及時回填，在枯水季節對河流進行引流或截流，用黏土對河床進行隔水層設置，鋪設防水卷材，并在河流兩岸修筑防洪墻，減小河水的入滲，消除其灌入采空區的可能；在巷道內合理位置設置污水處理設施，對礦井排水進行處理，減小甚至消除礦井污水對地下水及河流的污染；對廢石堆進行處理，并在上面設置隔水層，防止雨水對廢石的淋濾作用造成地下水及河流的污染.

5.6 花園式綠化工程

對居民區、道路兩側存在的荒地進行精心設計，因地制宜種植觀賞性樹木、花草［16］，構成一條完美的生態走廊.對歷史形成的廢石堆進行清理，種植適宜的樹木、草皮或爬藤類植物護坡，全面提高該區植被覆蓋率，減少水土流失，減輕或消除千瘡百孔、粉塵飛揚的不良景觀，將該區建設成為山清水秀的花園式居民區.

研究區地質環境恢復治理工程概況見圖6.

圖6 梨樹溝礦區地質環境恢復治理工程概況簡圖Fig.6 Sketch map of the geologic environment recovery engineering in the Lishugou coal field

6 地質環境恢復治理工作小結及探討

通過以上地質環境恢復治理方式方法對研究區進行地質環境恢復治理之后，該區地表基本可以保持礦山開采工程活動之前的地貌原狀，在耕地面積、綠化程度、交通狀況及水環境、大氣環境均會有不同程度的提高，但是所需治理費用也是相當高的.

全國類似于本區的歷史遺留礦區多之又多，特別是東北地區這樣的老工業基地，這些礦區的恢復治理費用只能由國家及當地政府來承擔，投入會相當巨大［17-18］.對于類似于該區的老礦區，是否可以采用以下方式呢？對交通流量相對較大的道路及相應橋梁進行加固治理，其他采空區域平整復墾后通過植樹種草進行綠化，使其隨著時間推移自然冒落或沉降［19］，這樣需要的費用相對較小，可以大大節省一次性投入.當然，該種恢復治理方法弊端也較大，首先是整平復墾綠化的過程中存在很大危險性，其次該區域日后必須盡量控制人為活動，三是需要長期的不定時的投入.

總之，地質環境恢復治理是一個比較新的課題，在不斷探索新方法新技術的同時，還要根據不同地區不同環境不同的恢復治理要求進行個案分析，進行更為合理的設計施工.

［1］礦山地質環境保護規定［G］.中國國土資源部，2009.

［2］趙力強.礦山地質環境狀況及防治措施的研究［J］.浙江地質，2001，17（2）:59—62.

［3］姚迪，張上武.我國礦山環境破壞治理現狀及對策研究［J］.煤炭技術，2008（10）:1—2.

［4］張梁.我國礦山生態環境恢復治理現狀和對策［J］.中國地質礦產經濟，2002（4）:26—28，32.

［5］張守國，王麗君.礦山開發對地質環境的影響及保護研究［J］.中國地質災害與防治學報，2002，13（1）:35—37.

［6］崔洪慶，韋重韜，司榮軍.地質學基礎［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2008.

［7］許家林，錢鳴高，金宏偉.巖層移動離層演化規律及其應用研究［J］.巖土工程學報，2004（5）:632—636.

［8］徐永圻.煤礦開采學［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1999.

［9］錢鳴高，繆協興，許家林，等.巖層控制的關鍵層理論［M］.中國礦業大學出版社，2003.

［10］蔡美峰.巖石力學與工程［M］.北京：科學出版社，2002.

［11］胡魁，殷慕慈.礦業城市保護礦山地質環境形勢對策論［J］.資源產業，2003，5（6）:98—100.

［12］張明亮，史同廣，王海霞.采煤沉陷對生態環境的影響及其修復措施［J］.資源開發與市場，2006（5）:436—437.

［13］劉敦文，古德生，徐國元.地下礦山采空區處理方法的評價與優選［J］.中國礦業，2004（8）:54—57.

［14］彭續承.充填理論及應用［M］.長沙：中南工業大學出版社，1998.

［15］馮金生，范俊娥，趙景逵，等.陽泉煤矸石山復墾種草的研究［J］.山西農業大學學報：自然科學版，1995（4）:370—374，421.

［16］白中科，賀振偉，李晉川，等.礦區土地復墾與生態產業鏈總體規劃設計［J］.山西農業科學，2010（1）:53—57，99.

［17］冀奉之，張進勇，崔海平，等.礦山地質環境保護初探［J］.礦業快報，2002（17）：5—7.

［18］程伯禹.礦山地質災害防治與地質環境保護［J］.中國地質災害與防治學報，1994（S1）:147—151.

［19］楊勝強，張人偉，邸志前，等.綜采面采空區自燃“三帶”的分布規律［J］.中國礦業大學學報，2000（1）:93—96.

PRELIMINARY ANALYSIS ON THE GEOLOGICAL ENVIRONMENT RECOVERY IN LISHUGOU COAL FIELD,LIAONING PROVINCE

CHEN Tie-li1,2,ZHANG Xiu-min1,ZHAO Hong-qing1,TANG Shu-hong1,2,BAO Ju-cai1
（1.No.108 Team,Liaoning Bureau of Nonferrous Geology,Shenyang 110013,China;2.School of Construction Engineering,Jilin University,Changchun 130026,China）

1671-1947（2012）03-0326-06

X141

A

2011－06－15；

2012-05-15.編輯：張哲.

陳鐵力（1979—），男，地質工程師，在職碩士研究生，主要從事建設項目地質災害、礦山地質環境等研究工作，通信地址遼寧省沈陽市沈河區北京街7號遼寧有色大廈29樓，E-mail//charm79tn@126.com