南疆庫爾勒地區弱膠結覆巖煤礦地質環境調查及評價

張利飛 譚曉東 呂倩俐

摘要：“富煤、貧油、少氣”是我國目前的儲量現狀，因此煤炭資源長期仍將是我國的主要能源。煤炭開發作為南疆庫爾勒地區重要產業，大規模開采對地質環境產生較為嚴重的破壞。南疆庫爾勒地區氣候干旱，生態環境極為脆弱，該地區煤礦的上覆巖層多為弱膠結，為此開展對弱膠結覆巖煤礦開采所產生地質環境問題的研究十分必要。本論文采用現場取樣與實驗分析的手段，從地質災害、含水層影響破壞、水土污染三個方面對該地區煤礦開采引發的地質環境問題及其影響程度進行分析。通過分析得出該地區主要地質環境問題包括：弱膠結覆巖煤礦的開采易引發地面塌陷地質災害；礦山涌排水在干旱氣候條件下對地下含水層產生疏干破壞；煤矸石淋慮液會對地表土壤產生污染，但由于南疆地區降水量少蒸發量大，在短時間內對地質環境影響較小。研究成果可以為弱膠結覆巖煤礦地質環境保護與治理提供參考依據。

關鍵詞：礦山地質環境；地質災害；含水層影響；水土污染；弱膠結覆巖

1.礦山自然地理概況

1.1地理位置

本次研究的煤礦塔什店二井田煤礦位于新疆庫爾勒市塔什店鎮，屬南疆地區。庫爾勒金川礦業有限公司塔什店二井田煤礦位于庫爾勒市北30km，隸屬新疆生產建設兵團第二師管轄，東北距焉耆47km，北距塔什店鎮15km。自礦區中部沿溝谷內的公路東南行約2km至塔什店鎮，沿國道G314線向南至庫爾勒市約30km，向東北至焉耆回族自治縣縣城約47km；距塔什店火車站約18km，距庫爾勒機場約50km。塔什店二井田煤礦至塔什店鎮有柏油公路相通，礦山交通條件較為便利。

1.2地形地貌

塔什店鎮地貌類型按成因類型劃分，為中低山和丘陵地貌類型，礦區三面環山，主要為斷塊上升遭受侵蝕剝蝕的中低山丘陵區。礦區地處焉耆盆地西南緣，其西南有海拔+1500～+2500的庫魯塔克山，西北有海拔+3000余米的霍拉山，東北與開都河流域相連，開都河在礦區以東40余千米入博斯騰湖。孔雀河距井田內主井口約4000m。礦區位于塔什店井田北側，地處霍拉山與庫魯塔克山之交匯處。地勢東、西高，中間低，北高南低之趨勢。礦區海拔+1114.23m～+1261.20m。

1.3地層巖性

礦區范圍內分布的地層由老至新為：元古界興地塔格群（Pt1xn）、三疊系小泉溝群（T2+3xq）、下侏羅統哈滿溝組（J1h）、中侏羅統塔什店組（J2ts）、新近系上新統葡萄溝組（N2p）、中新統—漸新統桃樹園組（E3-N1）t和第四系，區內無巖漿巖出露，煤系地層無巖漿巖侵入。礦山地層主要為侏羅系、新近系和第四系，其中侏羅系為含煤地層，可采煤層有3層；上覆巖層巖性主要為砂礫巖、泥巖、粉砂巖與中砂巖，具有膠結差、強度低、易風化、抗水性差、對擾動較為敏感等物理特性，均為弱膠覆巖，大多數巖層飽和單軸抗壓強度低于30MPa。

1.4水文

井田內地表無水系，其中部寬緩低平略呈“S”形展布的谷地及兩側沖溝，除雨洪期有短暫水流外，一般多呈干涸狀態。礦區距離最近的常年性地表水系為孔雀河，孔雀河源于博斯騰湖，從井田外南部由東向西流過，最近處離井田南界約1000m，據塔什店水文站資料，每年4月～9月為豐水期，10月至翌年2月為枯水期。年平均流量31.22m3/s，徑流量9.855×108m3/s，水位標高為1044.77m～1046.26m。

1.5氣候

井田所處地區屬大陸性干旱氣候，據庫爾勒市氣象站資料：最高氣溫38.3℃：最低氣溫-16℃。年降水量59.3mm，年蒸發量2506.5mm；相對濕度30%～69%，凍冰期11月到翌年3月，凍土深度5cm～41cm；1月～2月、12月積雪厚度2cm～ 6cm。5月、7月多東風，其余月份缺少西南風。全年以南西風為主，平均風速4.1m/s，最大風速32m/s。

2.采礦方法及生產工藝

2.1采煤方法

礦山采用地下開采、斜井開拓方式。礦山各煤層采煤方法均采用走向長壁綜合機械化采煤法，全部跨落法控制頂板，后續開采方式不會發生變化。根據礦井開拓布置，回采工作面采用后退式。礦井下山采區回采8-2+3+4號煤層，兩翼開采。工作面之間為兩翼交替進行，以便回采和掘進的綜合管理。

2.2頂底板管理方法

根據本礦井各煤層賦存條件，結合設計選擇的采煤方法及工藝，設計確定工作面頂板控制采用全部跨落法，快速推進，采空區除保留的安全煤柱外盡量不留殘煤，提高煤炭回收率、及時封閉采空區。

3.礦山地質環境問題分析

3.1地質災害

礦區地貌類型為構造侵蝕中低山地貌，大部分地區地勢較為平坦，起伏不大，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害一般不發育。該煤礦為地下開采，此次地質災害的分析重點是地面塌陷地質災害。采空區上覆巖層巖性主要為砂礫巖、泥巖、粉砂巖與中砂巖，單軸飽和抗壓強度為20.4MPa～ 37.67MPa，具有膠結差、強度低、易風化、抗水性差、對擾動較為敏感等物理特性，屬弱膠結巖層。礦山西采空區地表投影面積1.522km2，東采空區地表投影面積0.401km2，目前采空區頂部地表局部已發生了移動和變形。

依據地質災害危險性評估規范，以地質災害發育程度和危害程度確定地質災害危險性，地質災害危害程度和危險性分級見表1與表2。地面塌陷災害主要威脅采礦人員、車輛安全，威脅人員20人～30人，威脅財產數100萬元～300萬元。采礦活動遭受地面塌陷災害的危害程度中等，危險性大。

3.2含水層的影響破壞

3.2.1采礦活動對含水層結構的影響

開采煤層位于侏羅系承壓裂隙弱富水性含水層，含水層厚度28.66m～193.74m，平均厚72.92m。煤層所在含水層上下部為古風化殼泥巖。開采煤層使侏羅系裂隙承壓含水層在開采范圍之上的導水裂隙帶高度內結構受到破壞，產生導水通道，且貫通上部隔水層，對含水層結構造成了一定的破壞。

3.2.2采礦活動對地下水水質影響

為研究礦區地下水水質的變化情況，對比同一地點的2012年和2019年地下水水質分析結果，其中檢測指標值變化最大的為總硬度值，從2012年的564mg/L（以CaCO3計）增長到2019年的1306mg/L（以CaCO3計），反映出地下水質受到了采礦廢水的污染。檢測結果表明，礦化度、硫酸鹽、硫化物以及氯化物超過《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）中Ⅲ類標準要求，其余各項指標均符合《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）中Ⅲ類以及《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類標準要求。監測指標中礦化度、硫酸鹽、硫化物以及氯化物超標主要是由于礦井涌水為侏羅系弱含水層，地下水流動較慢，其地下水中本底值較高引起的。總體來看，本區地下水水質無明顯的變化趨勢，區內地下水水質較好。

3.2.3采礦活動對地下水資源量影響

該煤礦經多年的開采，存在一定量的積水，礦井正常涌水量為125m3/h，最大涌水量為150m3/h，礦井涌水經處理后用作井下生產、井下消防、灑水降塵和礦區綠化。因該地區氣候干旱，降雨補給地下水量少，長期的涌水排水已造成地下水水位不同程度的發生沉降，通過礦區地下水位觀測孔發現其水位最大降幅達約14m。

3.3水土環境污染

煤礦產生的主要固體廢棄物為煤矸石，煤矸石露天堆放于矸石周轉場內，經雨淋溶后，易對土壤、地表水及地下水產生影響。為研究礦區內的矸石淋溶水對環境的影響，對矸石周轉場內矸石進行浸出毒性試驗，具體結果見表4。淋濾液中pH值9.05、高錳酸鉀指數1.6、氨氮含量2.92mg/L和氟化物0.4mg/L超出地表水Ⅲ類標準（6-9，≤0.002，≤1.0，≤0.02）。其他含Pb、As和Cl-分別為0.036、<0.001和21.3mg/L，SS和COD分別小于350mg/L和50mg/L。因此矸石淋濾液除高錳酸鉀指數、氨氮含量和氟化物外其他指數遠低于《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級排放標準，同時低于地表水Ⅲ類標準（0.05、0.05和1.0mg/L），庫爾勒金川礦業有限公司塔什店二井田煤礦矸石浸出液水質能夠滿足《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級排放標準，矸石淋溶水的主要污染物是懸浮物，對地表水和地下水的影響甚微。

4.結論

4.1上覆巖層為弱膠結覆巖的煤礦，巖體力學性質較差，具有膠結差、強度低、易風化、抗水性差、對擾動較為敏感，地表易發生變形和移動，易產生地面塌陷地質災害，危險性大。

4.2南疆庫爾勒地區為暖溫帶大陸性干旱氣候，煤礦井工開采容易破壞含水層結構，地表水補給量甚微，疏干排水會造成地下水位的下降，通過地下水水質監測，檢測結果表明，礦化度、硫酸鹽和氯化物超過《地下水質量標準》（GB/ T14848-2017）中Ⅲ類標準要求，其余各項指標均符合Ⅲ類標準要求。總體來看，本區地下水水質無明顯的變化趨勢，區內地下水水質較好。

4.3煤矸石浸出液成分檢測結果表明，因此矸石淋濾液除高錳酸鉀指數、氨氮含量和氟化物外其他指數遠低于《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級排放標準，同時低于地表水Ⅲ類標準（0.05、0.05和1.0mg/L），庫爾勒金川礦業有限公司塔什店二井田煤礦矸石浸出液水質能夠滿足《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級排放標準，矸石淋溶水的主要污染物是懸浮物，對地表水和地下水的影響甚微。

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