山西省大同塔山煤礦地質環境問題與治理對策研究

彭建陽，崔朋濤，朱文慧，尚佳楠，蘇永江

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

塔山煤礦位于山西省大同市云岡區口泉鄉上窩寨村北，礦區東北側有京包鐵路線、大秦線，東側有北同蒲線，塔山煤礦鐵路裝車線已經形成(接軌北同蒲線)[1]。礦區東側有大運高速公路，可通往河北省、內蒙古等地，礦區建有煤炭專用二級公路與大運公路相連，交通十分方便。

大同塔山煤礦目前開采水平+1 045 m，現采煤層3—5號煤層，井筒數量3個，采煤工藝為綜采放頂煤，生產能力為300萬t/a[1]。礦山開采過程中造成了一系列的地質環境和生態破壞問題，為了合理開發利用礦產資源，實施保護、監測和恢復治理礦山地質環境問題[1-6]，本文通過現場地質環境調查，提出具體問題，根據具體問題進行綜合治理[3-5]。為預防和治理煤礦生產對土地造成的損毀及對生態環境的影響提供參考[5-8]。

1 地質環境特征

1.1 礦區地質

塔山煤礦位于大同煤田中東邊緣地段，屬大同向斜中東翼。礦區出露地層為太古界集寧群，古生界寒武系、奧陶系下統冶里組，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組，侏羅系下統永定莊組、中統大同組、云岡組、第四系中、上更新統和全新統[1]。

礦區巖漿活動主要為印支期侵入的煌斑巖，其入侵通道可能為斷裂構造，主要以小巖床的形式侵入煤系地層，分布范圍較小。塔山煤層走向北東，傾角平緩。礦區揭露斷層22條，落差0.20～5.10 m。

1.2 礦體特征

(1)含煤地層。礦區賦礦煤層主要為侏羅系大同組、二疊系山西組、石炭系上統太原組等[1]。侏羅系大同組含可采煤層現已大部分采空，二疊系山西組多為不可采煤層，石炭系上統太原組煤層，為礦區主要采煤層，煤層厚73.67～93.40 m，平均厚85.45 m，含煤系數為42%。

(2)可采煤層。礦區可采煤層自上而下分別為2號、3—5號、7號、8號、9號煤層。2號煤層厚0.10～3.90 m，平均厚2.33 m，位于太原組，大部分已被采空；3—5號煤層上距2號煤層1.55～6.67 m，平均4.35 m，該煤層厚度15.72～26.77 m，平均厚17.93 m，變異系數為0.16%，屬穩定煤層，夾矸一般為5～11層；7號煤層上距5號煤層3.57～15.84 m，平均8.10 m，煤層厚度0～3.92 m，平均厚1.67 m，夾矸一般為0～3層；8號煤層上距7號煤層16.18～26.23 m，平均20.31 m，煤層厚度1.47～7.45 m，平均厚4.24 m，含0～2層夾矸，屬可采穩定煤層；9號煤層上距8號煤層1.50～9.98 m，平均7.28 m，煤層厚度0～3.35 m，平均厚1.43 m，含0～3層夾矸。

1.3 水文地質條件

(1)含水層。主要包括：①第四系孔隙水，含水性較弱且易受到污染；②大同組含水層，該含水層由于采煤破壞，處于疏干狀態；③永定莊組含水層，涌水量為0.002 5 L/(s·m)，滲透系數為0.004 m/d，富水性弱；④山西組含水層，涌水量為0.000 465 8 L/(s·m)，滲透系數為0.000 552 m/d，富水性弱；⑤太原組含水層，涌水量為0.000 27 L/(s·m)，滲透系數為0.000 89 m/d，為承壓水，富水性弱[1]。

(2)隔水層。 礦區隔水層主要為石炭系中統本溪組，其次為煤系地層中泥質巖類。隔水層具有相對性，在隔水層受到風氧化或構造破壞的情況下，其隔水性能將降低，甚至失去隔水作用。

1.4 工程地質條件

礦區為多煤層含煤巖系，巖體結構以層狀結構為主，頂板多為粉砂巖、細砂巖或砂質泥巖，穩定性一般。底板多為砂質泥巖、炭質泥巖或細砂巖，由于該礦地質構造簡單，含水層富水性弱，煤層頂底板以中等穩定類型為主。基本頂初次來壓及周期來壓明顯，初次來壓步距為工作面長度的85%～110%，周期來壓步距為工作面長度的20%～30%；直接頂的初次垮落距為工作面長度的20%～40%；當基本頂為整體厚砂巖時，冒落高度可達30～50 m，呈倒臺階狀，并始終留有0.4～0.6 m高的間隙。

2 礦山地質生態環境現狀

根據礦山地質環境調查結果，礦區面積8.146 km2，礦區北部、西部和南部與同煤大唐塔山井田相接，東南部與山西煤運集團七峰山井田相接，礦區北部井筒以東區域為煤層露頭。礦井風井廣場與矸石場位于礦界外。

2.1 采空區地質災害危險性現狀

礦山具有較長的開采歷史，侏羅系煤層已基本采完，采深多在 80～120 m，據統計，累計形成采空區面積約4.432 1 km2(圖1)。

圖1 礦區采空區分布Fig.1 Distribution map of mined-out area

(1)采空區引發的地面沉陷、地裂縫地質災害問題。根據野外實地調查，目前可見明顯的地裂縫群主要分布在礦區中北部，以3—5號煤層工作面開采區域上方較為集中，地裂縫走向多呈北東—南西向，多呈直線型或略帶有小弧度，剖面上多呈從采空區邊緣向采空區中部逐級下錯的臺階狀，裂縫寬度0.1～1.2 m，長 10～60 m，可見深度0.3～0.8 m，裂縫間距5～20 m，每組地裂縫群有裂縫3～5條(圖2)。

圖2 采空區地表塌陷區Fig.2 Surface subsidence area of goaf

受地面沉陷、地裂縫影響的耕地面積約43.97 hm2，約合44hm2旱地遭受減產損失，按減產損失4 500元/hm2計算，造成的耕地區直接經濟損失約19.8萬元。2017—2020年礦方累計投入地裂縫、地面沉陷治理費用>100 萬元。

(2)采空區引發工業場地崩塌、滑坡地質災害問題。①工業場地辦公樓北側邊坡。該邊坡為修建時平整場地切坡而成，坡高10～15 m，坡寬約120 m，坡體已治理，坡面漿砌石護面，建有坡頂截水渠、坡腳排水渠，分三級臺階護坡，每級臺階高5～6 m，現狀條件下邊坡穩定性好，地質災害危險性小(圖3)。②工業場地風井西側邊坡。該邊坡切坡坡高25～35 m，坡寬約85 m，坡體出露巖性為寒武系灰巖、白云巖，巖體表層風化較強烈，節理裂隙發育，邊坡坡角約 40°，巖層產狀286°∠40°。坡體下部為漿砌石護面墻，坡體中部噴漿護面，坡下主要建構(筑)物為礦井風井與配電室，現狀條件下邊坡穩定性較好，地質災害危險性小(圖4)。

圖3 工業場地辦公樓邊坡Fig.3 Slope of office building in industrial site

圖4 工業場地風井邊坡Fig.4 Slope of air shaft in industrial site

2.2 泥石流地質災害危險性現狀

礦區內地表呈典型的低山丘陵地貌，第四系較發育，形成眾多的黃土陡坡。矸石周轉場地位于工業場地西北側溝谷一自然沖溝內，沖溝剖面形態為V形，長度約180.0 m，溝寬30.0 m，溝深20.0 m，占地面積0.83 hm2，庫容20萬 m3，服務年限3.0年。現狀條件下，只有少量矸石堆放約1 000 m3，最大填方高度10.5 m，現狀調查評估區內未發生過泥石流地質災害。現狀調查，溝底堵塞情況輕微。

2.3 地形地貌景觀破壞現狀

礦區不涉及任何保護區和生態敏感區，對地形地貌景觀產生影響的主要為人類工程活動，煤層開采、工業場地的修建、矸石的堆放等，此次野外調查，影響面積約為187.52 hm2。

(1)煤礦采空區地表可見不同規模的地裂縫群分布，在裂縫群分布區內使其原始地形遭受不同程度的破壞，造成了地形輕度不連續、植物傾斜等。地裂縫、地面沉陷對原生地形地貌景觀影響和破壞程度較大，對地形地貌景觀影響和破壞程度為“較嚴重”。

(2)工業場地建設過程中，由于場地整平、挖高填低改變了原有地貌形態，增加景觀破碎度，產生生態斑塊，地形地貌景觀影響程度為“嚴重”。

(3)臨時矸場位于風井工業場地東側的自然沖溝內，占地面積5.75 hm2，矸場堆高達 30～50 m，分5～8 級臺階，對原始溝谷地形地貌改變較大，對原始地形地貌景觀影響和破壞程度為“嚴重”。

2.4 環境污染與生態破壞現狀

礦山大氣污染主要為原煤儲存煤塵、物料運輸過程揚塵、儲煤場面源揚塵等粉塵污染；水污染主要為井下排水和生活污水，主要污染物為COD、BOD5、氨氮、SS等；固體廢棄物污染主要為矸石堆放占壓農田、綠地等。

3 礦山地質環境治理和生態修復

3.1 礦山地面塌陷、裂縫治理措施

此類地質環境問題，主要采用取表土剝離、土石充填并混凝土實、表土回覆等措施治理。就近取土進行沉陷坑的填埋、整平，通過挖高填低進行土地平整，消除開采沉陷產生的附加坡度，恢復土地功能[6-12]。

(1)礦區輕度和中度地裂縫工程量。先對耕地中地裂縫進行表土剝離(包括現狀調查未治理的耕地面積)，表土剝離量4 926.27 m3。然后直接將拉運土方填入所有地裂縫，拉運充填土方量29 819.11 m3，人工夯實土方量29 819.11 m3，最后進行耕地表土回覆，表土回覆工程量4 926.27 m3。

(2)礦區重度地裂縫工程量。先對耕地中地裂縫進行表土剝離，近期耕地無重度區。然后所有地裂縫直接將拉運土石方填入，拉運充填土石方總量為80 416.84 m3。其中，充填矸石量按照充填土石方總量的80%估算，剩余為土方，則估算充填矸石量為64 333.47 m3；估算充填土方量為16 083.37 m3。

3.2 泥石流、滑坡防治措施

泥石流、滑坡地質災害危險性較低，需定期巡查溝谷兩岸坡體，對溝谷兩岸松散堆積物進行清理，預測適用期內清理溝谷松散堆積物約2 000 m3。

3.3 地形地貌景觀保護與恢復治理

(1)土地復墾措施。土地平整工作主要是針對局部出現的地表沉陷進行平整，避免出現局部積水和水土流失現象[5-11]。采用機械與人工結合的方法平整土地，平整時先挖第1取土帶，直至標準地面以下0.3 m，將土填入第1填土帶，將第2取土帶厚約0.3 m耕層肥土，填入第1取土帶槽底，再開挖第2取土帶生土，填入第2填土帶，同時將第3填土帶表土反卷在第2填土帶上，如此抽生留熟，依次平整。對平整后的土地進行翻耕，翻耕深度0.3 m，土地翻耕面積118.42 hm2，增設灌溉設施、配套道路工程。道路行道樹主要種植油松，道路兩側各種1行，每3 m種植1株[4-8]。

(2)林地生態恢復措施。對受損的樹木，及時扶正樹體，適時進行管理，包括施肥等措施，保證其正常生長，對已枯死的樹木進行人工補種[2-3]。有林地復墾擬選用油松和刺槐為補種樹種，補種比例為1∶1，株行距2.0 m×2.5 m，栽植密度2 000株/hm2。采用魚鱗坑整地形式，長徑為0.5～0.7 m，短徑為0.4～0.5 m，坑下沿做成弧形土埂，埂高0.2～0.3 m。苗木規格為3年生一級苗，胸徑5～10 cm，高度1～2 m。為盡快恢復地表植被，保證有林地的植被覆蓋率，設計在回填縫處及兩邊0.5 m撒播紫花苜蓿和無芒雀麥，播種比例為1∶1，紫花苜蓿和無芒雀麥播種均為22.5 kg/hm2。

(3)矸石場復墾期滿，通過綜合治理形成邊坡和平臺后進行復墾，矸石場面積5.75 hm2，平臺面積3.50 hm2，邊坡面積2.25 hm2。根據適宜性評價，矸石場平臺復墾為有林地，邊坡復墾為灌木林地。

(4)工業場地復墾面積14.18 hm2，復墾為有林地，首先對廢棄物進行拆除、清運，然后做土地平整、覆土0.5 m，運距1～2 km，需土方量7.08萬，根據適宜性評價，工業場地復墾方向為有林地，并進行穴狀整地，栽植油松和刺槐，栽植比例為1∶1，株行距為2.0 m×2.5 m，栽植密度為2 000株/hm2。 穴深40 cm左右，直徑40 cm，并筑土堰，土堰寬20 cm，高20 cm，呈中間高兩邊低狀。苗木規格為3年生一級 苗，胸徑5～10 cm，高度1～2 m，共需28 360株油松與刺槐。

4 效益分析

礦山地質環境保護與復墾工程實施后，可有效防治地質災害的發生，達到防災減災的目的；最大限度地減少采礦對土地資源的破壞，也及時恢復了礦區土地功能，減緩含水層和地形地貌景觀破壞，遏制生態環境的惡化，恢復損毀的植被[11-14]。

礦山復墾工程實施后，增加耕地54.77 hm2，有林地49.74 hm2，灌木林地3.34 hm2，人工牧草地469.08 hm2。按照每年耕地平均增收1.2萬元/hm2、林地增收0.8萬元/hm2、草地增收0.3元/hm2的純收入計算，復墾土地每年可增加經濟效益250萬元。

5 結論

(1)通過對塔山煤礦地質災害現狀調查，地質災害現狀問題主要以采空區引發的地面沉陷、地裂縫，邊坡崩塌、滑坡等，矸石堆放引發的泥石流等為主；生態環境問題主要為礦山生產造成的地形地貌景觀破壞、土地占壓，原煤儲存、運輸等造成的粉塵污染。

(2)針對具體的地質災害、生態環境等問題，開展有效的治理措施，盡可能地減緩因礦山開采造成的生態環境惡化問題，實現礦山開采與環境保護的和諧發展。

(3)通過對礦山地質災害調查分析，可提高地質災害的監測預警工作，增強防范意識，保護人民生命、財產損失，可達到防災減災的目的。