寧武縣南溝煤礦礦山地質環境現狀及土地復墾措施

郭立霞，樊子玉

(河南省地礦局 第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450001)

寧武縣南溝煤礦位于距寧武縣縣城 7.3 km處的南溝村，，開采標高為-1 971～-892 m，主要開采2號—5號煤層，面積為7.635 6 km2，生產規模為120萬t/a，為生產礦井。本文在充分收集已有地質資料的基礎上，開展水文地質和工程地質調查，查明南溝煤礦現狀地質環境問題，并提出土地復墾的措施，不僅保證南溝煤業經濟可持續發展，而且改善生態環境，使得大部分土地使用功能得到恢復利用，促進經濟和社會的和諧發展。

1 概況

礦區屬溫帶大陸性氣候高山寒冷干燥區，氣候寒冷，多大風，溫差大，年多年平均降水量438.3 mm；雨量集中于6—8月，占全年的50%以上；中高山區雨水多，低山—盆地雨水少。屬海河流域桑干河水系，主要河流為南部的石湖河，河床最寬處60 m，水量甚少，僅山洪爆發時水量大，最低侵蝕基準面為1 525 m，主井和副平硐井口均高于最低侵蝕基準面和最高洪水位。屬剝蝕侵蝕中山地貌，地勢北高南低，溝谷較為發育，呈樹枝狀，個別溝谷切割較厲害，地勢較陡峭；地表大面積黃土覆蓋，屬黃土沖蝕地貌，局部出露有基巖，沖溝發育，多呈V形切割強烈，溝谷縱橫，地形復雜。土壤多為褐土，植被以次生灌叢為主；主體為農田耕地，水土流失嚴重。

2 地質環境

2.1 地質特征

礦區位于呂梁—太行斷塊寧武—靜樂塊坳北段，地層總體為一向南傾斜的單斜，地層傾角7°左右[1]。在井下，采掘2號煤層時揭露斷層27條，5號煤層時揭露斷層5條，未發現陷落柱。地層自下而上主要出露中奧陶統上馬家溝組泥灰巖、白云質灰巖和灰巖；上石炭統本溪組鋁土巖、泥巖和泥質粉砂巖，太原組砂巖和泥巖夾6層可采煤層；下二疊統山西組泥巖、石英砂巖和炭質泥巖夾含煤層 1～2層，下石盒子組砂巖、砂質泥巖和泥巖；中二疊統上石盒子組泥巖、砂質泥巖和石英砂巖；第四系中上更新統黃土、砂土夾古土壤及鈣質結核。

區內主要含煤地層為山西組和太原組，含煤地層平均總厚度152.78 m，共含煤7層，煤層平均總厚度為24.00 m；含可采煤層4層，可采煤層平均總厚度為22.85 m；山西組含01、1 號煤層，煤層平均總厚度為0.23 m，均為不可采煤層；太原組含2、3、4、5上、5、6號煤層，煤層平均總厚度為23.77 m。

2.2 礦體特征

區內共有可采煤層5層，均位于太原組，分別為2、3、5上、5、6號煤層(表1)，2、3、5號煤層為穩定的全區可采煤層，5上號煤層為局部可采煤層，6號煤層為較穩定的大部可采煤層。

表1 可采煤層特征Tab.1 Characteristics of minable coal seams

2.3 水文地質

(1)含水層特征。區內含水層以第四系松散巖類孔隙含水層、二疊系上石盒子組和下石盒子組砂巖裂隙含水層、二疊系山西組砂巖裂隙含水層、石炭系太原組砂巖裂隙含水層、奧陶系中統上馬家溝組石灰巖巖溶裂隙含水層。

第四系松散巖類孔隙含水層主要為第四系砂土為主，厚 0～20 m，分布于井田內的梁峁，主要接受大氣降水和地表水入滲補給，一般雨季含水，平時含水極弱，徑流條件好、富水性弱、徑流途徑短，排泄于河谷中，部分消耗于人工開發；二疊系上石盒子組和下石盒子組砂巖裂隙含水層砂巖裂隙較為發育，單位涌水量0.007 3 L/(s·m)，滲透系數0.055 m/d，水位+1 513.071 m，為弱富水性含水巖組；二疊系山西組砂巖裂隙含水層發育較穩定的砂巖4層，主要為長石石英砂巖，本組K2砂巖為2號煤層主要充水水源，單位涌水量0.010 7～0.034 0 L /(s·m)，平均涌水量0.020 2 L/(s·m)，滲透系數0.007～0.034 m/d，平均0.024 6 m/d，富水性弱，pH值為7.62，水質類型為HCO3·SO4—Ca·Mg 型，屬弱含水巖組；石炭系太原組砂巖裂隙含水層主要為泥巖夾中粗粒砂巖，裂隙不發育；單位涌水量0.010 7～0.034 L/(s·m)，平均0.020 2 L/(s·m)，滲透系數0.007～0.036 m/d，平均0.024 6 m/d，富水性弱，水位標高+1 504.911 m，水質類型為HCO3·SO4-Ca·Mg 型，pH值為7.62，屬弱含水巖組；中奧陶統上馬家溝組石灰巖巖溶裂隙含水層為中厚層灰巖，含水空間以巖溶裂隙為主，單位涌水量0.412～0.414 L/(s·m)，平均0.413 L/(s·m)，滲透系數為3.26～3.32 m/d，平均3.29 m/d，屬富水性中等的含水層，水位標高為+1 091.071 m，水化學類型屬HCO3-Ca·Mg類型，硬度327.8 mg/L，pH值為7.69，為中等富水性含水巖組。

(2)主要隔水層。井田內隔水層較多，各基巖含水層之間都有厚度穩定的泥巖、砂質泥巖，可起到隔水作用。井田內隔水層主要有：本溪組泥巖和鋁土巖，厚度16.65～32.50 m，透水性極弱，為區域性隔水層；各煤層之間和砂巖含水層之間均夾有厚度不等的泥巖或砂質泥巖，一般不透水，可起到相對層間隔水作用。此外，5號煤層至奧灰巖間壓蓋有隔水層，厚度平均50 m，巖性以泥巖和砂質泥巖為主，具有較好的隔水作用。

(3)礦井充水條件。大氣降水是礦井的主要充水水源，它通過松散覆蓋層的孔隙、裸露基巖與煤層露頭風化裂隙、地表裂縫以及各種人工通道直接或間接地向礦井充水。礦井涌水量隨降水量的增加而增加，礦井充水具有明顯的季節性，一年之中7—9月最大。無常年地表水流，主要充水含水層富水性較弱。

(4)采空區積水。礦井采空區積水來源主要為大氣降水，采空區積水主要集中在開采煤層的最下部，上部采空區積水基本上順著煤層的層理及煤層與底板的層理裂隙向下山開采區域滲透。礦井采用二級排水，采空區一般情況下沒有積水，只有低洼處會有積水存在。

(5)奧灰水。井田屬神頭泉巖溶區域，奧灰水流向北西，在神頭泉排泄。據已有資料推測，井田奧灰水水位標高為+1 093～+1 112 m。 井田內2號、 3號、 5上號、 5號、 6號煤層最低底板標高分別為+1 160、+1 150、+1 120、+1 108、+1 100 m，5號煤層南部存在帶壓開采。

2.4 工程地質

(1)煤層頂底板。2號煤層頂板為泥巖，厚 9.44 m，抗壓強度100.0～94.8 MPa，平均 91.1 MPa，抗拉強度3.5～4.0 MPa，平均3.7 MPa，抗壓抗剪強度較大，屬堅硬巖石；底板為泥巖局部夾砂巖，致密塊狀，垂直節理及水平層理發育，抗壓強度39.2～44.8 MPa，平均41.5 MPa，抗拉強度 1.7～1.4 MPa，平均 1.5 MPa，屬較堅硬巖石。3號、5上號和5號煤層和2號煤層相似，頂板為泥巖，局部夾砂巖，屬較堅硬巖石；底板為泥巖和細砂巖，多屬中硬巖石。總體工程地質條件屬三類二—三型。

(2)瓦斯。礦井最大絕對瓦斯涌出量為9.55 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為2.52 m3/t；回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.58 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.15 m3/min；屬低瓦斯礦井。此外，采2號和5號煤層自燃傾向等級為Ⅱ級，屬自燃煤層；煤塵具有爆炸危險性。

3 地質環境現狀

3.1 地質災害現狀

(1)采空區分布。區內煤炭資源豐富，開采歷史悠久，主采2、5、5上號煤層，現狀條件下形成煤層地下采空區疊合面積為3 197 373 m2。其中，2號煤層厚度為2.06～8.45 m，平均厚度 6.11 m，埋深為37.2～175.0 m；現狀條件下形成煤層地下采空區面積 1 218 135 m2，主要形成時間為2001—2017年以前；5號煤層厚度為61.83～92.10 m，平均為 89.17 m，埋深140～220 m，現狀條件下形成煤層地下采空區面積 1 856 027 m2，主要形成時間為2006—2013年；5上號煤層厚度4.22～18.60 m，平均為10.98 m，埋深140～220 m，現狀條件下形成煤層地下采空區面積 1 136 160 m2，主要形成時間為2012—2017年。

(2)地質災害現狀。區內曾引發過地裂縫和地面塌陷等地質災害，主要采取裂縫填充、坡改梯工程和村民自己復墾對土地進行恢復治理[2-3]。現場地質調查發現地裂縫群2 處和不穩定斜坡3處。①L1地裂縫群：發生于2020年2—3月，分布于礦區中部其他草地和耕地中，走向100°，地裂縫延伸長100～250 m，寬0.30～0.80 m，深0.50～1.20 m，主縫向外側衍生樹枝狀小裂縫(圖1(a))，主縫沿走向展布，逐漸變窄消失，主要危害對象為耕地和其他草地。②L2地裂縫群：發生于2019年10—12月，分布于礦區東部的其他草地和耕地中，平面上呈折線，長50～200 m，縫寬10～80 cm(圖1(b))，深0.5～1.0 m，間距3～8 m，主要危害對象為耕地和其他草地。③邊坡W1：位于工業場地北部，系礦山修建工業場地時挖方形成(圖1(c))，邊坡坡高7～9 m，長度約30 m，坡角約75°，走向約NE60°；坡體上部覆蓋厚0.5～1.0 m的黃土，垂直節理發育，穩定性差；坡體下部出露的巖層為下石盒子組砂巖和砂質泥巖，巖層傾向SSE，傾角約7°，巖層傾向與坡向高角度斜交，上部坡體較破碎，節理裂隙發育，穩定性差；邊坡下部為職工宿舍，距離邊坡坡底5～6 m；2014年對邊坡進行掛網錨噴護坡，噴漿厚度10 cm，坡體下部設排水溝，現狀條件下相對較穩定[4]。④邊坡W2：位于工業場地西北部，為2012—2013年修建職工活動中心時形成(圖1(d))，邊坡坡高 6～8 m，長度約為50 m，坡角約為80°，走向近東西向；坡體巖性為第四系黃土，坡體上部為薄層腐殖土，植被中等發育，垂直節理發育，穩定性差，邊坡下部無建筑，為場地內道路，潛在威脅對象為邊坡下部的過往人員；2014 年對邊坡進行掛網錨噴護坡，噴漿厚度10 cm，坡體下部設排水溝，現狀條件下相對較穩定。⑤邊坡W3：位于工業場地南部，高20～25 m，長度約為150 m，切坡面坡角約為70°，走向約NE35°，巖性為下石盒子組砂巖和砂質泥巖，上面植被覆蓋較稀，開挖作業使得切坡面基巖裂縫加劇，嚴重破碎，散落在切坡面上，另外由于挖方破壞，在山體上部有一定孔隙，垂直節理發育，穩定性差；潛在威脅對象為工地施工的工作人員和機械設備。2014年對不穩定斜坡進行掛網錨噴護坡，噴漿厚度10 cm，坡體下部設排水溝，現狀條件下相對較穩定。

圖1 地裂縫和不穩定斜坡Fig.1 Ground fissures and unstable slopes

總之，現狀地質災害對評估區影響程度較輕，現狀條件下遭受地面塌陷、地裂縫和不穩定斜坡地質災害影響程度較輕，引發地質災害影響和破壞程度較輕。

3.2 含水層破壞現狀

隨著煤層開采，頂板發生垮落，形成冒落帶和導水裂隙帶，受其影響，地下含水層與開采煤層之間的隔水層被破壞，導致含水層水量漏失，水位下降，間接對與被破壞含水層有水力聯系的其他含水層產生影響，造成水量有所減少，水位緩慢下降[5-7]。

(1)含水層的結構破壞。礦區主要開采 2、5、5上號煤層，形成了大面積煤層采空區。2號煤層位于太原組頂部，其直接充水含水層為二疊系山西組砂巖裂隙含水層，K2砂巖為主要充水水源，屬弱含水巖組，開采煤層產生的導水裂隙帶及冒落帶，對其直接充水源山西組砂巖裂隙含水層結構產生破壞；5和5上號煤層位于太原組下部，直接充水水源為太原組碎屑巖裂隙水，弱含水巖組，對其直接充水含水層太原組碎屑巖裂隙水結構產生破壞；造成含水層水位下降，主要分布在煤層采空區及含水層疏干范圍內。

(2)地下水位的影響。礦區南溝村原飲用水源來自石湖河河床附近水井，其含水層為第四系含水層；小安村原飲用水源為溝谷二疊系含水層，靠人力挑上去飲用；豆沙圪坨村飲用水源為水井，其含水層為二疊系含水層；現狀條件下，生產和生活用水主要為奧灰水。經村莊走訪，村內淺水井水位已經下降，最大下降約6 m，基本干涸無水，礦山開采的2、5、5上號煤層采空產生的地裂縫、塌陷等已對第四系松散層孔隙水產生破壞，一定程度上影響村莊生產和生活用水，對地下水位影響程度較嚴重。

(3)對下部巖溶水的影響。區內奧灰水水位標高為+1 093～+1 112 m，水位和水量穩定。含水層與下伏奧陶系灰巖之間存在較厚的太原組泥巖、煤層和本溪組鋁土巖隔水層。井田2、3、5上、5、6號煤層最低底板標高分別為+1 160、+1 150、+1 120、+1 108、+1 100 m；5號煤層南部存在帶壓開采，壓區最大突水系數為0.012 15 MPa/m，煤層突水系數小于0.1 MPa/m的臨界值，且帶壓區位于井田南靈河高速路保安煤柱范圍內，不存在采礦活動，采礦活動對下伏巖溶水含水層影響較輕。

(4)對生產和生活供水的影響。區內有豆沙圪坨村、南溝村和小安村3個村莊。目前豆沙圪坨村已搬遷，小安村現無人居住，南溝村采用奧灰水作為飲用水源，其含水層為奧陶系灰巖含水層，井深約 600 m，水深150 m，能夠滿足需求；煤礦生產生活用水來源于主井場地內的奧灰深水井，其含水層為奧陶系灰巖含水層，井深約708 m。采礦活動對當地居民生產生活用水影響較輕。

總之，區內采礦活動對含水層的影響與破壞可劃分為較嚴重區和較輕區(圖2(a))。其中，較嚴重區位于以往采礦影響區域，影響面積481.91 hm2，采礦活動破壞開采煤層之上的主要含水層結構；較輕區位于評估區其他區域，影響面積289.28 hm2。

圖2 含水層和地形地貌景觀現狀評估Fig.2 current situation assessment of aquifer and landform landscape

3.3 地形地貌景觀破壞現狀

采礦活動對原生地形地貌景觀的影響主要表現為工業場地工程建設對原生地形地貌景觀的改變、煤層采空后產生的地面塌陷和地裂縫等地面變形現象對原生地形地貌景觀的改變[8-9]。

工業場地位于礦區西部，地勢平緩，地形起伏較小，內設有主斜井、副斜井、生產辦公樓、變電站和煤場等地面建筑，占地面積9.90 hm2；風井位于礦區中南部，占地面積0.40 hm2，設有風機房和變電站等地面建筑；場地建設過程中平整場地，改變了原有地形地貌，對原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大，對地形地貌景觀影響嚴重。排矸場位于工業場地東側，占地面積3.76 hm2，已堆放了矸石，排矸場部分區域已進行了復墾綠化工作，排矸場下游基礎設施已建成，為防止流域上游和坡面產流對矸石的沖蝕，在矸石溝頂部平臺邊緣、坡面兩岸布設截水溝，將雨水引排至攔矸壩下端溝道內；并沿等高線布置截水溝，從溝頭設置排洪涵洞。矸石堆積對原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大，對地形地貌景觀影響嚴重。

地裂縫影響區域主要分布于煤層采空區，在采空區上部發現有2處地裂縫明顯的地面變形現象，對原生的地形地貌景觀影響程度較嚴重。其他區域為進行工程建設和開采，對原始地形地貌景觀影響較輕。

總之，區內采礦活動對地形地貌景觀影響和破壞程度分為嚴重區、較嚴重區和較輕區(圖2(b))。其中，嚴重區位于工業場地、風井場地及矸石場影響區域，影響面積 14.06 hm2；較嚴重區位于已有采空區引發地裂縫地質災害影響區域，影響面積76.47 hm2；較輕區位于評估區其他區域，影響面積680.66 hm2。

3.4 土地損毀現狀

本礦井為生產礦井，已損毀土地包括工業場地、風井場地、排矸場、道路、洗煤廠和沉陷區。

(1)壓占損毀。礦山壓占損毀土地包括工業場地、風井場地、排矸場、道路及洗煤廠，主要占用地類為旱地、灌木林地、其他草地、田坎、裸地和村莊等(表2)，已壓占損毀土地總面積 16.07 hm2。

表2 已損毀土地情況Tab.2 Damaged land hm2

(2)塌陷損毀。區內先后開采2號、3號煤層，形成沉陷損毀面積為76.47 hm2，主要占用地類為旱地、基本農田、田坎和農村道路等(表2)。

3.5 環境污染與生態破壞

(1)環境污染現狀。區內大氣污染源主要為鍋爐房、動篩車間、圓筒倉儲存和矸石倉等；主要水污染源為井下排水和生活污水，主要污染物為COD、BOD5、S等；固體廢物為煤矸石和生活垃圾；噪聲污染主要為鼓(引)風機、空風機、風井通風機、水泵、坑木加工房電鋸和交通噪聲等。

(2)生態環境現狀。南溝煤業現設有1座工業場地，占地面積為9.90 hm2；辦公樓對面山坡和辦公樓后山坡區域地面無植被；取土場1個，面積為2.89 hm2，位于排矸場西側，占地地類為其他草地，無林地分布，黃土大部分裸露；排矸場位于工業場地西北0.5 km的1條自然沖溝，占地面積為3.76 hm2，矸石溝長約250 m，溝寬150～200 m，深20～30 m，占用地類均為其他草地與村莊用地；采空區已塌陷，影響栽培植被面積為42.15 hm2，灌草叢植被面積為1.70 hm2，草叢植被表現為出現裂縫，裂縫寬度20～40 cm，植被損毀率20%以上。

4 土地復墾措施

區內地質災害防治工程主要為地裂縫防滲處理、削高填低、回填整平和植被重建等綜合治理措施[10]；地形地貌景觀恢復治理主要為工業場地清理垃圾、覆土和恢復地貌景觀。礦區地勢較為平坦，原有面貌主要為耕地、林地、草地和農村道路等，生態修復主要歸于土地復墾，恢復土地功能、恢復地形地貌景觀，與周邊自然景觀相協調[11-12]。

(1)耕地復墾。區內耕地復墾總面積為208.70 hm2。其中，塌陷損毀區恢復耕地196.25 hm2，壓占損毀工業場地復墾耕地面積8.71 hm2，風井場地復墾耕地面積0.35 hm2，壓占損毀洗煤廠復墾耕地面積1.66 hm2，挖損損毀恢復耕地1.73 hm2。為保證基本農田復墾不降低，不大面積地擾動地表，對于輕度損毀的基本農田不進行表土剝離工程[13-15]，只做適當的土地平整工程、田埂修筑、田坎壓實與土地翻耕與培肥工程；工業場地、風井場地和洗煤廠主要為砌體拆除、客土覆蓋、田埂修筑與田坎壓實、土地翻耕與培肥工程，復墾為耕地；取土場整片取土，取土后邊坡坡角為65°，經田埂修筑等措施將平臺復墾為耕地，邊坡復墾為田坎。

(2)林地復墾。林地復墾總面積為189.75 hm2。其中，沉陷區原有林地修復原面積為40.34 hm2，沉陷區其他林地修復面積13.00 hm2，排矸場平臺復墾有林地1.51 hm2和灌木林地復墾134.90 hm2。沉陷區原有林地和其他林地補栽油松與刺槐，混種比例 1∶1，株行距為2 m×2 m，種植密度為2 500株/hm2，同時林下播撒紫花苜蓿草籽，播撒的密度為30 kg/hm2；排矸場林地先整片覆土，平臺覆土厚度為0.6 m，后采用沉陷區林地復墾方式。灌木林地主要為充填裂縫，補種檸條，并播撒紫花苜蓿草籽，播撒的密度為30 kg/hm2。

(3)草地復墾。草地復墾總面積為167.39 hm2。其中，沉陷區其他草地的修復166.06 hm2，沉陷區裸地復墾0.07 hm2，沉陷區內陸灘涂復墾其他草地0.94 hm2，壓占區排矸場道路復墾其他草地面積0.12 hm2。內陸灘涂、裸地和排矸場道路先整片覆土，覆土厚度為 0.3 m，再和其他草地一樣，播撒紫花苜蓿與披堿草草籽，播撒的密度為30 kg/hm2。

(4)農村道路。原沉陷損毀農村道路3.74 hm2，主要為田間道與生產路，對被破壞的道路進行整修，兩側種植毛白楊，種植間距為3 m/株，同時道路一側修筑排水溝。

5 結論

南溝煤礦主要地質環境問題為地質災害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞、土地毀損、環境污染和生態破壞。其中，地質災害主要以地裂縫和不穩定斜坡為主，采礦活動破壞含水層的結構，對地下水位下降影響較嚴重；工業場地、風井場地和矸石場對地形地貌景觀影響嚴重，地裂縫對地形地貌景觀影響較嚴重。

壓占損毀土地主要為工業場地、風井場地、排矸場、道路及洗煤廠，塌陷損毀主要為采空區。擬通過地裂縫防滲處理、削高填低、回填整平和植被重建；工業場地清理垃圾、覆土和恢復地貌景觀；選擇合適的土地復墾工程，恢復土地的原有功能，與周邊自然景觀相協調。