黃土高原井工煤礦地質環境治理與土地復墾
——以彬縣水簾洞煤礦為例

邵新風，張 恒，趙煜博揚，劉 安，宋一民，孟令振，朱志宏

(1.陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710016;2.彬縣水簾洞煤炭有限責任公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

水簾洞煤礦位于陜西省西北部，行政區劃隸屬彬州市大佛寺古鎮管轄。礦區南北寬0.6～1.6 km，東西長5.1 km，面積5.516 3 km2。礦區地處隴東黃土高原東南，屬陜西黃土高原南部塬梁丘陵溝壑區的一部分，海拔850～1 200 m[1]。該區屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年平均氣溫9.7 ℃，年平均降雨量553.8 mm。礦井設計生產能力90萬t/a，開采4號煤層，煤層平均埋深331 m，煤層厚度0.85～16.29 m，采用綜采放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板。

1 礦區地質環境破壞和土地損毀現狀

1.1 地質環境破壞現狀

地質災害：根據彬州市2019年在冊地質災害隱患點結合野外調查結果，區內共發育地質災害10處，其中滑坡1處、崩塌1處、不穩定斜坡1處、地面塌陷7處。①滑坡。據調查，礦區東北側發育有1處滑坡，位于下溝村二組，主要是由于坡腳遭受河流側向侵蝕形成，在降雨、地震等因素作用下可能復活；②崩塌。根據野外調查，區內發育崩塌1處，位于石嶺子溝，為中型土質崩塌，主要是由于地下采空塌陷引起，在降雨、地震及采礦活動等因素作用下可能復活；③不穩定斜坡。對礦區風井場地調查發現，風井場地由礦渣、黃土堆積于邊坡雜填而成，平整場地后在坡頂和坡面做了硬化處理，但場地兩側未設置排水渠道和排水管，降雨后只是讓雨水沿著坡體往下自流，在強降雨或連陰雨條件下可能引發邊坡失穩，威脅場地安全[2-4]；④地面塌陷。根據礦山開采歷史和野外調查，區內共發育有7處采空塌陷，塌陷區總面積4.08 km2，其中已治理塌陷區面積0.9 km2，待治理區面積3.18 km2，塌陷區威脅村莊、公路、通村公路、輸電線路的安全。綜上分析，煤炭開采造成的地質災害嚴重。

含水層：區內具有供水意義的含水層主要為第四系潛水含水層、白堊系砂巖含水層。根據鄰礦4煤開采導水裂縫帶發育高度觀測結果，該區域采煤裂采比為17，據此計算本礦區4煤開采導水裂縫帶導通至白堊系砂巖含水層。即煤層開采不但破壞侏羅系砂巖裂隙含水層，甚至往上造成白堊系砂巖含水層局部破壞，導致礦井涌水量增大，礦區地下水位下降。綜合分析，煤炭開采對含水層影響嚴重。

地形地貌景觀：①礦區工業場地及附屬設施建設，改變了區內原始地貌景觀，造成土地損毀，且與周圍植被茂盛的農田形成一定反差，對地形地貌景觀影響嚴重；②地下采煤形成的地面塌陷、地面裂縫、錯坎等破壞了微地貌，局部地段錯坎高達5 m，對地形地貌影響較嚴重。綜合分析，煤炭開采對礦區地形地貌影響嚴重。

礦區水土環境：①礦區廢水主要為生產、生活污水和井下排水。據調查，礦區生產生活污水經污水處理站處理后用于道路灑水、場地灑水、廠區綠化和水保工程用水等，不外排；井下排水經井下處理站處理后復用于井下消防灑水、綜采設備用水、地面綜合防塵灑水和綠化用水，不外排。②礦區固體廢棄物主要為煤矸石、鍋爐灰渣及生活垃圾。據調查，煤矸石主要用來回填巷道，鍋爐灰渣排至專用垃圾場處理，生活垃圾由地方環衛部門統一處置。綜合分析，礦區水土環境污染較輕。

1.2 土地損毀現狀

據調查，礦區土地損毀的形式主要為地面建筑壓占損毀和采空塌陷損毀，其中塌陷損毀是最主要的土地損毀形式。

壓占損毀：礦區地面建設工程主要為工業場地、風井場地、瓦斯抽放站、炸藥庫和輸電線路，壓占損毀總面積125 800 m2，各地面工程占地面積及壓占地類見表1。

表1 壓占損毀土地面積及地類統計表

塌陷損毀：據調查，區內共發育7處地面塌陷，其中已治理塌陷區面積0.9 km2，待治理塌陷區面積3.18 km2，塌陷程度分為重度、中度和輕度，塌陷區主要威脅村莊、公路、通村公路和輸電線路等的安全，塌陷區損毀土地面積及地類見表2。

表2 塌陷損毀土地面積及地類統計表

2 礦區地質環境破壞和土地損毀預測

2.1 地質環境破壞預測

地質災害：井工煤礦開采引發的地質災害主要為采空塌陷。根據礦區煤層賦存條件、井田開拓與井下開采方式等資料，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中推薦的概率積分法最大值預測法并考慮礦井頂煤回收率影響，預測采煤后地表沉陷、移動與變形[5-7]，結果見表3。塌陷區地面裂縫主要分為兩種，一種為永久性裂縫，位于采區邊界，裂縫的寬度和深度較大，對地質環境破壞嚴重，裂縫區之外的區域影響較輕；另一種為動態裂縫，它隨工作面的持續推進而不斷出現—消失—出現—消失，周而復始直至工作面開采結束，在工作面中間形成微型沉陷盆地，對地質環境破壞較嚴重。塌陷區地面裂縫動態發育過程，如圖1所示。采空塌陷主要威脅地面村莊、風井場地、瓦斯抽放站、道路、輸電線路等地面建設工程。預測煤炭開采造成的地質災害嚴重。

表3 4煤層地表下沉、移動、變形預測結果

圖1 地面裂縫發育過程示意

含水層：根據礦井導水裂縫帶發育高度預測分析，采煤形成的導水裂縫帶導通至白堊系砂巖含水層，破壞含水層結構，導致地下水位降低。預測煤炭開采對含水層影響嚴重。

地形地貌景觀：根據沉陷預測分析，地下采煤形成的地面塌陷、錯坎等局部高差達到7 m，對地形地貌影響較嚴重，預測煤炭開采對礦區地形地貌影響較嚴重。

礦區水土環境：礦區廢水經污水處理站和井下處理站處理后用于道路灑水、消防用水等，不外排；礦井煤矸石主要用來回填巷道，鍋爐灰渣排至專用垃圾場處理，生活垃圾由地方環衛部門統一處置，因此礦區水土環境污染較輕。

2.2 土地損毀預測

水簾洞煤礦為生產礦井，地面生產系統相對完善，無新建工程，因此礦區擬損毀土地主要為塌陷損毀。據采煤沉陷區以往沉降觀測結果，沉降盆地中心部位以垂向下沉為主，水平、傾斜位移量較小；而盆地邊緣及外緣裂隙拉伸帶則以傾斜位移和水平位移變形為主。結合塌陷區地表變形特征，預測沉陷盆地區域土地損毀等級為中度，采區邊緣地帶土地損毀等級為重度，采區沉陷外沿區土地損毀等級為輕度。礦區擬損毀土地面積及地類統計，見表4。

3 礦區地質環境治理與土地復墾技術研究

3.1 礦區損毀土地復墾

根據礦區土地利用總體規劃、自然經濟條件、政策因素及公眾意見確定土地復墾措施[8-10]。

損毀土地復墾措施：①風井場地復墾為人工牧草地，首先進行清理工程(建構筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運)，隨后開展林草恢復工程(撒播紫花苜蓿)；②其他建設場地復墾為旱地，復墾流程首先為清理工程(建構筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運)，隨后進行平整工程(場地平整、土地翻耕)，最后開展土壤改良(土壤培肥)；③已搬遷村莊宅基地復墾為園地，復墾流程為首先進行清理工程(建構筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運)，隨后開展充填工程(地面裂縫充填)，土壤剝覆工程(表土剝離、表土回覆)，平整工程(場地平整、土地翻耕)，接著進行土壤改良(土壤培肥)，接著開展林草恢復工程(栽植彬州梨樹、穴狀整地)，后期村民自建農家樂，開發“農家樂+梨園觀光旅游”；④規劃搬遷村莊宅基地暫定復墾為旱地，復墾工程分為兩個時段，第一時段為村莊開采前搬遷拆除復墾，第二時段為塌陷后修復復墾。第一時段復墾流程為清理工程(建構筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運)，接著平整工程(場地平整)。第二時段復墾流程首先進行充填工程(地面裂縫充填)，其次開展土壤剝覆工程(表土剝離、表土回覆)，接著進行平整工程(土地平整、土地翻耕)，最后為土壤改良(土壤培肥)。其它地類復墾為相應土地類型。

土地復墾監測和管護：根據礦區復墾區域分布特點，在復墾區均勻布設監測點18個，配備監測人員4名，2個月監測1次；對土壤質量每年監測1次，對復墾植被每年監測2次。林草地管護期6年，每年管護2次，春、秋各1次。

3.2 地質環境恢復治理

地質災害治理：崩塌治理示意，如圖2所示。分兩級削坡卸載，上部臺階高度約30 m，坡比為1∶0.5；中部平臺寬約40 m；坡腳高度約30 m，坡比為1∶1，坡面種植紫花苜蓿，平臺栽植刺槐、紫穗槐，種植紫花苜蓿。邊坡頂部和平臺設一條天溝，距邊緣2 m，每級坡腳和漿砌石擋墻前修建排水溝，天溝及截排水溝斷面一般采用內空0.6 m×0.6 m斷面的M7.5漿砌片石。坡底修建漿砌石擋墻，漿砌石擋墻高6 m、寬0.5 m，坡比1∶0.25，梅花形布置3排泄水孔，安裝 PVC泄水管，泄水孔間距為橫向2 m，縱向1.5 m。

滑坡治理，示意圖如圖3所示。分級削坡卸載，臺階高度約10 m，坡比為1∶0.5，平臺寬約5 m，坡面和平臺種植紫花苜蓿。邊坡頂部設一條天溝，距坡頂邊緣2 m，每級坡腳修建截水溝，天溝及截排水溝斷面一般采用內空0.6 m×0.6 m斷面的M7.5漿砌片石。

圖3 滑坡治理示意

不穩定斜坡治理，示意圖如圖4所示。對矸石坡采用坡面清理、修建錨桿格構、修建漿砌石擋墻、安裝泄水管、植草、修建排水溝的措施；對風井場地頂部陡坎采用修建漿砌石擋墻、安裝泄水管、修建排水溝的措施。錨桿格構為現澆鋼筋混凝土方形格構，內空3 mm×3 mm斷面，錨桿長20 m，鋼筋φ25 mm；格構寬0.3 m，縱向鋼筋φ14 mm，箍筋φ6 mm×200 mm，混凝土C25。漿砌石擋墻高6 m、寬0.5 m，坡比1∶0.25，梅花形布置3排泄水孔，安裝PVC泄水管，泄水孔間距為橫向2 m，縱向1.5 m。在矸石坡頂、風井場地頂部陡坎頂設一條天溝，距坡頂邊緣2 m，矸石坡坡腳、風井場地頂部陡坎坡腳、風井場地南北兩側沖溝修建排水溝，采用內空0.6 m×0.6 m斷面的M7.5漿砌片石。

圖4 不穩定斜坡治理示意

地面塌陷治理措施。對受地面塌陷和地面裂縫影響的高壓線路和民用輸電線路的基塔、電線桿等進行修復、加固、扶正。對損毀的公路(瀝青路面)、農村道路(水泥混凝土路面)和田間道路(素土路面)，輕度損毀道路維修面積均按照受損面積的40%進行估算并修復，中度損毀按照受損面積的70%進行估算并修復，重度損毀按照受損面積的100%進行估算并修復。

井口封堵：①與井筒聯絡的巷道預先施工好擋渣墻，擋渣墻采用砼澆灌，砼強度不低于C25；②向井筒內回填矸石，填至井口25 m時，建一擋水墻，墻體采用砼澆灌，砼強度不低于C25；③將井筒周邊外擴3 m范圍的土體全部剝離形成一個剝離坑，坑深3 m，底部平整，坑四周要用錨網噴支護，防止四周土體坍塌；④向剝離坑內澆灌水泥；⑤水泥澆灌后養護3個月，之后覆蓋0.8 m厚土層，并在四周設置柵欄和警戒牌，柵欄內進行綠化。

圖5 井口封堵示意

含水層修復：①建議煤礦采取保水采煤開采方式，限制采高，降低導水裂縫帶發育高度，減輕對含水層結構的破壞；②根據地面塌陷恢復治理工程安排，大力開展植樹種草活動，擴大植被覆蓋面積，加快地下水位的回升。

地質環境監測：在地質災害點和沉陷區設置監測點，每月巡查一次，雨季時每旬巡查一次；設置水土監測點6處，每月監測1次，發現異常立即處理；采用遙感、無人機輔以人工巡查對礦區地形地貌景觀進行巡查，發現地質災害或隱患時，應設立警示標志，防止人員誤入。

4 結語

煤炭工業是關系國家經濟命脈和能源安全的重要基礎產業，而煤炭資源又是化石能源，井工煤炭開采必然會破壞原生地層結構，引發地面塌陷、崩塌等地質災害，破壞土地資源，造成水土污染等環境問題。通過采取災害治理、水土修復和土地復墾措施，改善礦區地質環境，增加礦區耕地、園地面積，提高礦區村民收入，改善礦民關系，實現當地經濟綠色健康可持續發展。