介休市義棠青云煤礦地質環境現狀評估與恢復治理研究

江 泳，陳威龍，郝 廷，許海峰

(1.山東省臨沂市自然資源開發服務中心，山東 臨沂 276001； 2.江蘇工勘巖土工程有限公司，江蘇 徐州 221000)

義棠青云煤礦設計生產規模為90萬t/a，作為當地經濟發展的支柱產業，為當地經濟社會發展做出了巨大貢獻[1]。而礦山開采勢必會造成當地生態地質環境的破壞，如何實現礦產開發與生態地質環境保護并重，是目前礦業開發的首要任務[2-4]。

通過礦山地質環境現狀調查發現，礦區目前主要有不穩定斜坡、地裂縫、泥石流、土地占壓、地形地貌破壞等不同的地質環境問題。預測礦山在建設過程中可能加劇引發地面塌陷、地裂縫、崩塌及泥石流等地質災害，溝道及溝坡上堆放的矸石可能加劇泥石流地質災害[5-6]，嚴重威脅當地人民群眾生命財產安全。為最大限度地減少、減輕礦業開發對礦山地質環境的負面影響，提高企業的經濟效益、增強企業市場競爭力，建設高產高效能的現代化礦山，通過對礦區生態地質環境進行評估，提出綜合治理方案，恢復礦山生態環境，促進資源合理開發與環境保護協調發展[7-11]，達到預期消除或減輕地質災害隱患、重塑被破壞的地形地貌景觀、復墾礦山損毀土地、改善區域生態環境、提高水源涵養功能、減少水土流失、促進生態系統良性循環的總體治理目標[12]。

1 地質環境特征

1.1 地層

井田內大面積為第四系松散層覆蓋，僅在溝谷、坡底中見基巖出露。根據地表出露和井田內利用鉆孔資料，井田內主要地層由老到新分別為：奧陶系中統上馬家溝組、峰峰組，石炭系中統本溪組、石炭系上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組，二疊系上統上石盒子組、石千峰組，三疊系下統劉家溝組和第四系。含煤地層為石炭系上統太原組、二疊系下統山西組。

石炭系上統太原組為一套海陸交互相含煤沉積地層，由河漫灘相之砂巖、沼澤相之泥巖、煤層，海相之石灰巖組成，厚度為91.01～106.21 m，平均厚99.12 m；二疊系下統山西組為一套陸相含煤沉積建造，巖性為灰色、灰黑色砂巖、砂質泥巖和煤層，底部為灰色中砂巖，組厚度63.78～89.11 m，平均厚75.13 m。

1.2 構造

井田總體為傾向北西的單斜構造，巖層傾角一般在3°～20°，多為5°～14°。井田及周邊發育8條落差20 m以上的斷層，開采過程中揭露落差5 m以下的斷層9條。區內未發現陷落柱，未發現巖漿巖侵入。斷層對采區的合理劃分和采煤工作面的連續推進有一定影響，地質構造復雜程度為中等。

2 礦體特征及水文地質條件

2.1 礦體地質特征

井田內主要含煤地層為太原組和山西組。山西組地層平均厚75.13 m，含煤7層，煤層平均總厚5.49 m，含煤系數為7.3%；可采煤層總厚3.91 m，可采含煤系數5.20%。其中，5號煤層為全區穩定可采煤層，2號煤層為較穩定的大部可采煤層，3號煤層為不穩定的局部可采煤層，其余均為不可采煤層。

2.2 水文地質條件

(1)含水層。①奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。含水巖性為石灰巖，靜止水位埋深110 m，水位標高+900 m，出水量12.5 L/s，水位降深40 m，水質為HCO3·SO4-Ca·Mg型，pH值為7.8，礦化度為0.477 8 g/L，總硬度為390.3 mg/L，總堿度為202.7 mg/L。②太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。地層厚100.90 m，含水層厚19.13 m，水位標高+892.625 m，水位最大降深37.07 m，鉆孔單位涌水量0.031 76 L/(s·m)，滲透系數0.249 1 m/d。水化學類型SO4-Na型，礦化度0.61 g/L，pH值為8.50，屬弱富水含水層。

(2)隔水層。①碎屑巖層間隔水層。由泥巖塑性巖石組成，分布于各砂巖含水砂巖層之間，在縱向上使含水層、隔水層組合成平等復合結構，含水層、隔水層處于分散間隔狀態，含水層間的水力聯系被其間的隔水層所隔，形成獨立的含水體系，地表溝谷切割處常沿隔水層頂板出露泉水。②石炭系中統鋁土質泥巖至石炭系上統太原組煤層之下隔水層組。主要由泥巖、鋁土質泥巖、砂質泥巖組成，分布于碳酸鹽類含水層與碎屑巖夾碳酸鹽類的交界處，為其間的天然隔水層。

3 礦山地質環境影響(破壞)現狀評估

3.1 地面塌陷、地裂縫地質災害危險性現狀評估

現狀條件井田范圍內2號、5號煤層存在一定范圍的采空區，主要位于井田東南部。形成2號煤層采空區面積0.508 6 km2，5號煤層采空區面積0.551 4 km2，各煤層采空區疊加水平投影面積達0.724 0 km2，占整個井田面積的13.2%。礦區采空區及影響范圍分布如圖1所示。

圖1 礦區采空區及影響范圍分布

評估區內趙家窯村分布于2號和5號煤層采空區，煤層埋深較大，一般為700～800 m。該村曾發生嚴重的地裂縫、地面塌陷地質災害，政府已于2018年開始組織趙家窯村全村統一搬遷，搬遷費用大于500萬元。現狀條件下，趙家窯村居民區地面塌陷、地裂縫地質災害危險性大，地質災害影響程度嚴重[12-15]。

3.2 崩塌、滑坡地質災害危險性現狀評估

新建的主井工業場地占地面積0.113 7 km2，位于礦區中部澗莊溝東側的一條支溝內，受地形的控制，場地內擴建工程建設挖方量較大，分別在職工宿舍樓東側至洗煤車間北側(XP1)、辦公樓北側至筒倉北側(XP2)、儲煤棚南側至筒倉南側(XP3)形成3處不穩定斜坡(圖2)。

圖2 主井場地布置和斜坡分布

(1)不穩定斜坡XP1。位于職工宿舍樓東側至洗煤車間北側，坡高約25 m，長 230 m，坡度約75°。巖性為第四系上更新統砂質黏土，由于坡度較陡，坡面土質疏松，現狀條件下穩定性較差，長期的振動、降雨、凍融等誘發因素影響下，造成的崩塌、滑坡地質災害可能性較大，損失大于500萬元，影響程度“嚴重”[10]。

(2)不穩定斜坡XP2。位于辦公樓北側至筒倉北側，邊坡高20～30 m，長約160 m，巖性為第四系上更新統砂質黏土。邊坡風化嚴重，土體結構松散，抗剪強度低，穩定狀態較差?，F狀條件下，XP2斜坡東段約100 m范圍內穩定性較差，XP2斜坡直接威脅地面生產人員、排矸車間、筒倉等，存在崩塌、滑坡地質災害隱患[11]。

(3)不穩定斜坡XP3。位于儲煤棚南側至筒倉南側，高20～25 m，長約150 m，總體坡度約80°，局部坡體近于直立，邊坡風化嚴重，土體結構松散，柱狀裂隙發育，抗剪強度低，穩定狀態較差。XP3斜坡直接威脅地面生產人員、過往車輛和行人、儲煤棚、筒倉等，存在崩塌、滑坡地質災害隱患[12]。

不過天不遂人愿，這天上午除了其他店鋪的老板們，就沒人來了。這天本來就不是節假日，天氣還不好，連買完菜的大叔大嬸們都急著回家收衣服，誰還有心情來買假貨啊。但是老道還是信心滿滿、精力旺盛的樣子。王祥都不禁擔心起老道的精神狀況了，別是一直賣不出去自己的玉器，把老道給急出病來了……

3.3 泥石流現狀評估

(1)主井工業場地泥石流地質災害現狀評估。主井工業場地位于礦區中部澗莊溝西側的一條支溝內，建筑設施主要位于潤莊溝西側支溝內，筒倉為該條支溝的東側溝頭處，該條溝匯水面積為0.19 km2，溝長約450 m，縱坡約17.7%，兩側邊坡已經過人工治理，呈臺階式分布，溝內也進行了地面硬化和排水設施建設，無松散物堆積。現狀條件下，主井工業場地泥石流地質災害不發育。

(2)矸石場泥石流地質災害現狀評估。矸石場所在溝谷為一條自然荒溝，荒草覆蓋，排矸由溝頭處自上而下填溝。矸石場所在溝谷斷面呈“V”字形，主溝長約850 m、寬約100 m、深約80 m，匯水面積為0.31 km2。兩側坡度50°～80°，流域相對高差90 m，主溝縱坡10.3%，植被覆蓋率10%左右。平時溝中無水，只有雨季時洪水從溝中快速流過，現狀條件下泥石流地質災害不發育。

(3)風井工業場地泥石流地質災害現狀評估?；仫L井建于河床北岸約30 m處，風井井口高出河床約6 m。泥石流物源為溝谷中黃土崩落物，風井工業場地上游松散崩落物約3 000 m3，上游方向的主溝長約3.7 km，底寬10～20 m，工業場地上游匯水區面積為7.2 km2，兩側坡度30°～50°，流域相對高差220 m，主溝縱坡4.5%，植被覆蓋率30%左右。現場調查，澗莊溝為季節性河流，雨季時洪水從溝中快速流過，屬于潛在泥石流溝谷。

4 地形地貌景觀破壞現狀

4.1 采空區

采空區形成的地面裂縫、地面塌陷規模較小，但改變了原始地表的標高，對地表含水層的破壞直接影響植被的生長?，F狀條件下，已有采空區對地形地貌影響程度為“較嚴重”，面積為0.724 0 km2。

4.2 主井工業場地

現有工業場地占地面積11.21 hm2(圖3)。受原生地形的限制，在澗莊溝修建了排水涵洞，擴建工業場地與各功能區對溝谷內排水涵洞之上進行了大面積的填方，對溝谷兩側進行了挖方，使其所在范圍的原生地形地貌景觀發生較大的改變，破壞了原來連續分布的自然山體生態景觀，產生了與原有自然景觀極不協調的生態斑塊，對井田原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大?，F狀評估工業場地與各功能區對地形地貌景觀的影響程度為“嚴重”[12-18]。

圖3 工業場地現狀照片

4.3 風井工業場地

風井工業場地占地面積為3.17 hm2。該工業場地原有的舊建筑大部分已經廢棄，但還沒有拆除，原煤堆放和煤炭運輸而導致工業場地呈明顯的黑色斑塊，未經治理，與周圍環境極不協調，破壞了原生連續分布的自然山地生態景觀?，F狀評估風井工業場地與各功能區對地形地貌景觀的影響程度為“嚴重”。

5 礦山地質環境治理分區及治理工程

5.1 礦山地質環境治理分區

根據現狀評估，將評估區范圍劃分為重點防治區和一般防治區。重點防治區面積5.469 0 km2，包括主井工業場地重點防治區、風井工業場地重點防治區、矸石場重點防治區、采空區重點防治區；一般防治區面積1.251 4 km2，預測煤層開采將引發地質環境問題[15-19]。

5.2 地質災害治理工程

(1)不穩定斜坡治理工程。邊坡的工程地質特征：XP1、XP2、XP3不穩定斜坡坡體巖性為第四系上更新統(Q3)，巖性為灰黃色亞砂土、粉土，局部夾透鏡狀砂礫層，稍濕，稍密—中密，垂直節理發育。主要物理力學指標：土粒密度2.69 t/m3，天然容重13.8～14.6 kN/m3，天然含水量1.4%～6.5%，天然孔隙比0.868～1.076，液限22.2%～22.5%，塑限15.8%～ 15.9%，塑性指數6.4～6.6，壓縮系數0.09～0.11 MPa-1，壓縮模量18.5～20.4 MPa，濕陷系數0.072 8～0.081 9，內摩擦角23.1°～40.2°，凝聚力21.7～24.1 kPa。

斜坡XP1治理工程，削方工程量約21 450 m3，設置排水溝總長約130 m，削方后坡度為63°，重力擋墻頂向上每升高8 m設置一個平臺，平臺寬度為2 m，平臺上修筑截水溝，削坡土方主要用于工業場地的填方整平，少部分用于地裂縫填埋，運距一般為300 m左右(圖4)。

圖4 斜坡XP1治理工程示意

(2)泥石流治理工程。工業場地所在的溝谷屬泥石流易發區，且可能對工業場地產生威脅。對于泥石流，具體措施主要有疏暢溝谷，及時清理溝谷兩側崩塌、滑坡等造成的松散堆積物，以防堵塞河道、造成排洪不利，應加強排水，同時對工業場地上游水情加強監測。工業場地上游溝谷現狀條件下，存在第三、四系松散層堆積物約3 000 m3，需挖方土量約3 000 m3。

5.3 土地復墾治理工程

(1)沉陷區土地復墾[20]。①土地平整。沉陷區耕地主要為梯田，梯田面積246.79 hm2、坡地面積10.13 hm2，平整方法為抽槽法，以開挖線為分界線，把待平整的地面線分成若干帶(寬度一般為2～5 m)，平整時依次逐帶地先將熟土翻到一側，然后挖去溝內多余的土，按施工圖運至填方部位。填方部位也要先把熟土翻到一側，填土達到一定高度后，再將熟土平鋪在生土上。②土地翻耕。將一定深度的緊實土層變為疏松細碎的耕層，從而增加孔隙度，以利于接納和貯存雨水，促進土壤中潛在養分轉化為有效養分和促使根系的伸展，復墾翻耕深度30 cm。③土壤培肥。由于基本農田占耕地比例較大，此次復墾通過對所有耕地增加培肥量，保證耕地、尤其是基本農田質量不降低。

(2)工業場地復墾工程。工業場地面積11.21 hm2，擬復墾旱地10.30 hm2、田坎0.91 hm2，復墾工程措施主要為：砌體拆除總量約10 000 m3，場地清理面積約11.21 hm2、覆土面積約11.21 hm2，培肥面積約10.30 hm2。

(3)矸石場綜合治理工程。矸石場治理主要包括矸石堆置與覆土綠化，矸石由溝底開始自下而上采取分段分層排放，用推土機將煤矸石推平，并通過推土機往返對煤矸石進行分層壓實。矸石每堆放2.0 m覆土0.5 m厚并壓實，當堆矸至壩頂標高后，隨著堆矸的升高，下游形成1∶3永久邊坡，煤矸石排放到設計高度時表層覆土0.6 m，并植樹造林。兩堆矸坡面之間設計寬10 m的平臺，平臺設計灌草結合進行綠化。

6 效益分析

(1)社會效益。礦山地質環境保護與恢復治理方案實施后，可最大限度地減少采礦對土地資源的破壞。通過方案的實施，可及時恢復礦區土地功能、發展經濟，為構建和諧農村、和諧社會創造條件，具有明顯的社會效益[18]。

(2)環境效益。通過礦山環境保護設施的建立，減少對土地、地形地貌及含水層等的破壞，既預防了水土流失，也防止了次生地質災害的發生，對環境保護具有積極意義，環境效益顯著。

(3)經濟效益。對采礦活動破壞的土地功能進行恢復及廢渣堆治理后，地面林草植被增加，減少了水土流失，破損山體得以恢復，地貌景觀得到改善；恢復了土地的可利用性，土地利用價值提高。礦山生態環境治理有利于農業生產，產生了較好的經濟效益[20]。

7 結論

(1)現狀條件下，礦山地質環境問題的類型少、危害小；采空區面積和空間小，采動影響較輕；地貌單元類型較多，微地貌形態較復雜，地形起伏變化中等，地面傾向與巖層傾向多為斜交，確定地質環境條件復雜程度為中等。

(2)根據礦山地質環境現狀評估和影響預測評估，分析預測礦山地質環境發展趨勢，充分考慮礦山地質環境問題對地質環境的影響，將礦區劃分為重點防治區和一般防治區。

(3)綜合分析可能引發的礦山地質環境問題及礦山地質環境影響預測評估結果，確定地質災害及影響或破壞的土地資源作為治理防治對象，實施針對性的防治工程措施。