采煤沉陷區地質環境受損特征及修復措施探究：以山西屯蘭礦為例

高凌峰

(西山煤電集團屯蘭礦，山西 太原 030000)

我國煤炭資源豐富，已探明煤炭儲量占世界煤炭儲量的12.6%，可采量居世界第三位，產量居世界第一位[1]。煤炭開采在帶來經濟效益的同時也引發了環境污染問題，造成了地表大面積塌陷、下沉、裂縫發育，導水裂隙帶受損，地表生態環境退化，同時使得地面建筑物、設施遭受到不同程度損傷。根據相關研究可知，采煤塌陷侵占了可利用性土地，造成耕地、林地面積銳減，加劇了生態環境惡化。采煤造成巖體移動變形，地層結構破壞，導水裂隙帶導通采空區，使得采煤沉陷區地表水系結構遭受破壞，河流斷流，短時間內無法恢復，原本稀缺的地表水資源嚴重短缺[2]。采煤造成的地表塌陷、下沉使得地表產生大量裂縫，近地表水位下降，松散層土壤含水量相應降低，裂縫發育導致地表生態植被根系阻斷，土壤內部應力結構發生改變，植物受擾動影響，獲取土壤水分來源受阻，遭受缺水逆境脅迫而面臨死亡。同時，采煤導致地質構造內部應力改變，巖體內部受力失穩，引發山體滑坡、泥石流，進而造成水體污染，耕地、林地、公路及地表建筑受損。諸多研究表明采煤在帶來經濟效益的同時，無可避免地導致了采動破壞問題。因此，以山西屯蘭礦為例，通過探究山西屯蘭礦區采動破壞特征，收集整理采煤沉陷區不同塌陷、裂縫、下沉、滑坡等治理方法，提出相關控制防范和預防舉措[3]，論證采動破壞導致的破壞特點及形式，結合土地復墾技術的有效性及適宜性，研究出成套的修復技術路線為采煤塌陷區治理研究提供科學依據。

1 研究區概況

屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km，距離太原市60 km，井田位于呂梁山東翼，北部以鴉崖底斷層與虎峪斷層為界，與杜兒坪井田接壤，西部以三家莊斷層為界與官地井田相鄰，東鄰西峪礦寨溝井田，南鄰金勝煤礦和晉源煤礦。井田坐標：東經112°23′19″～112°26′44″，北緯37°46′21″～37°50′15″，屬于中低山區，地形切割劇烈，溝壑縱橫，以山地為主，地秒標高950～1 450 m。該區域海拔在1 000 m以上，氣候干燥，春秋多風，晝夜溫差大。礦區流域水系屬于汾河水系，九院河與高家莊河屬于井田內較大的兩條河流，春冬季流量小，夏秋季，雨水充沛，極易形成洪流。每年8月份和9月份多雨，11月份結冰，根據近五年統計，夏季氣溫最高可達42 ℃，最低氣溫可達-32 ℃，最大降雨量達到635 mm。

2 調查分析方法

針對采煤沉陷區五種不同地質災害類型，主要采用野外現場踏勘以及遙感技術、鉆孔勘測進行分析。地表盆地、滑坡以及特大地裂縫塌陷坑采用遙感影像分析；小型地裂縫寬度、臺階高度等采用人工測量；塌陷坑測量借助激光測距儀、卷尺等測量工器具，分析該礦區地表小型地質災害類型位置、性狀、深度、尺寸等基礎數據。

3 研究區地質環境現狀

3.1 地質環境受損

煤炭開采使得原始沉積的煤巖層在采掘活動的影響下發生上覆巖體垮落、錯動、起伏，加之構造帶等特殊地質條件，導致原本處于應力平衡狀態變為失衡狀態，應力變化促使巖體發生坍塌、擠壓、向外釋放，從而改變了原有應力分布，進而引發上覆巖體在重力和應力失衡狀態下發生移動變形下沉、采空區冒落，裂縫發育直達地表，使地表產生塌陷、滑坡、地裂縫、建筑物受損發生崩塌等地質災害(表1)。

表1 采煤沉陷區地質環境受損特征及類別劃分Table 1 Damage characteristics and classification of geological environment in subsidence area

根據2019—2020年的調查統計，屯蘭礦地質災害主要分為五大類，分別為地表下沉盆地、地裂縫、塌陷坑、臺階及滑坡(圖1)，其中，地裂縫為主要地質災害類型，占比為56.5%，幾乎遍布整個采煤沉陷區；其次為塌陷坑占比23.2%；臺階占比14.0%，滑坡占比4.0%左右，而地表盆地災害占比為2.3%(圖2)。

圖1 屯蘭礦采煤沉陷區地質災害Fig.1 Geological hazards in coal mining subsidence area of Tunlan Mine

圖2 屯蘭礦采煤沉陷區地質災害占比情況Fig.2 Proportion of geological hazards in coal mining subsidence area of Tunlan Mine

1) 地表盆地。通常地質構造簡單、地層結構均勻的情況下，只形成一個下沉盆地。但通過調查發現屯蘭礦采煤沉陷區域有4個下沉地表盆地，其中1個為較大盆地，3個為較小盆地。形成原因與該礦區復雜的地質構造有關，部分區域下沉，部分區域受采空區上覆巖層交錯、折疊導致垮落未延伸至地表，個別區域存在擠壓使得地表甚至隆起。

2) 地裂縫。對裂縫的調查結果顯示，屯蘭礦采煤沉陷區域范圍內裂縫條數合計80余條，有局部連續變形裂縫和非連續變形裂縫，絕大部分非連續裂縫出現在切眼、采空區巷道一側，連續變形裂縫多隨工作面推進過程發生連續變化，會出現張開愈合過程，并且呈現均勻展布式分布特征。所有裂縫呈現的外形特點是上寬下窄，隨地表移動變形難以愈合，并且多以撕裂為主，也有錯位、拉伸形成的裂縫。寬度、深度大小不一，極細裂縫寬度只有2～5 mm，數量為14條；絕大部分裂縫寬度為5～30 cm，數量為47條；少部分裂縫寬度為30～50 cm，數量為21條；極個別較大裂縫寬度介于0.5～2.0 m，數量為2條，深度達到2.0～8.0 m；有的裂縫甚至可直接導通采空區。

3) 塌陷坑。屯蘭礦采煤沉陷區域地面塌陷合計62處，其中，典型塌陷38處，非典型塌陷24處。由于調查區在山區，形成的地面塌陷外形和規模差異較大，外加水蝕作用、風蝕作用，使得部分塌陷邊界受損，長時間在自然愈合作用下，邊界處衍生出新的生態植被。

4) 臺階。屯蘭礦采煤沉陷區域臺階一般為錯落式，呈帶狀分布，錯落高差比較均勻，高差為5～10 cm的錯落臺階39處，10～30 cm的錯落臺階12處，30 cm以上的錯落臺階8處。臺階錯落面土壤外漏，部分呈現斷崖式，臺階錯落面邊緣生態植被受損明顯，受落差影響，植物主根系受損，長時間暴露在干旱、少雨的西北地區，植物獲取土壤水分及營養物質受阻，導致臺階錯落面邊緣帶25%的生態植被難以存活。

5) 滑坡。屯蘭礦采煤沉陷區域存在2處明顯滑坡，受采動影響山體、邊坡區域出現滑坡現象，滑坡的特點是在一定坡度和傾角條件下產生的“滑動”，從孕育到形成，需要經歷裂、蠕、滑、穩四個階段。“滑動”的速度受地形坡度制約，即地形坡度較緩時，滑坡運動速度較慢；地形坡度較陡時，呈現堆砌式、傾斜式滑落，這類條件下，滑坡一般產生的速度較快。由于屯蘭礦坡頂和臺階、塌陷坑相對集中，受地質條件影響，滑坡產生的形式也各不相同。

3.2 水系統受損

采煤造成的水系受損主要包含兩類：一類是采煤巖層土體內部產生大量裂縫，導通地表，形成地裂縫、塌陷孔洞，使得地表水下泄導入采空區，地表徑流減少，地表水系結構受損，造成河流中斷[4]；另一類是采煤造成地表塌陷、下沉，使得隔水層發生錯動、斷裂，破壞了原有的水系分布，使得含水層、潛水層水沿著新產生的裂隙帶不斷流失，造成水系破壞。屯蘭礦區井田上下共有四個含水層，第四系砂礫含水層組，石盒子組砂巖含水層，太原組灰巖含水層和奧陶系灰巖含水組。采煤主要造成第四系砂礫含水層破壞嚴重，使得水位標高下降0.8～2.2 m不等，鉆孔涌水量由采前2.5～106 L/(s·m)降低到1.8～95 L/(s·m)；井田內較大的河流，如九院河與高家莊河一級支流受采動影響，地表河流徑流量減少，一度出現斷流狀態。太原組灰巖含水層及奧陶系巖溶水地下水也受到不同程度破壞，基巖裂隙水損失殆盡，單位涌水量顯著下降，下降值介于0.013～1.232 L/(s·m)之間。 采動造成區域水循環受阻，使得地上下水系統受損，且在短時間內無法循環恢復。此外，采動使得煤炭中的重金屬離子、二氧化硫等不穩定化合物混入水體，造成導致水體受污染等破壞[5]。

3.3 生態環境退化

采煤造成地形地貌改變，引發的地裂縫、塌陷導致土壤內部水循環受阻，植物根系結構遭受裂縫撕裂損傷，使得地表植被獲取水分來源受阻。受采動影響，地表水不斷入滲，降低了巖體、土體的強度[6]。屯蘭礦區土壤以黃土為主，采動使得地表生態受損嚴重，根據遙感數據，礦區3 200 m2耕地面積遭受破壞，1.2萬m2林區面積受破壞，灌木、林草受損面積達到6 200 m2，形成塌陷、滑坡、泥石流等災害的受損面積達2 870 m2，局部區域河流水體受污染，所在的屯蘭礦井田調查區域范圍內，植被覆蓋率相對于開采前降低12.5%，土壤鹽堿化面積相對于采前增加了6.2%。采后在水力、風力侵蝕作用下，表層土壤結衣受損，土壤內部膠結物質、鹽分、有機質流失嚴重，使得調查區域內侵蝕破壞面積占比增加了14.36%，土地沙化面積占比增加了5.6%，造成土地污染的面積增加了3.6%。

4 受損區修復措施研究

針對采煤造成的地質、生態環境破壞問題，在政策方面，山西省自然資源廳從創新礦山環境治理恢復基金管理辦法、規范礦產資源開發利用和礦山環境保護與土地復墾方案編制及審查備案制度等6個方面推出系列新舉措，統籌推進礦山生態保護修復治理工作[7]。在修復技術方面，針對屯蘭礦采煤沉陷區特有的礦山地質災害，因地制宜，改進常規的修復舉措，充分開發礦山開采生態減損工藝及修復技術以及推廣使用充填采礦工藝。最大限度減少地表沉陷，對已造成地表塌陷、下沉、裂縫發育等的區域，在充分修復后，進行表土覆蓋，最后恢復生態植被。針對不同的地質環境問題，采用的修復措施如下所述。

1) 地表盆地修復。針對屯蘭礦下沉盆地災害問題，對邊緣裂縫整治和中心盆地分級整治，充分借助地形優勢和特點，因地制宜進行整治。對沉陷盆地深度小于3 m的塌陷深坑進行修復，主要是利用煤礦周圍固體廢棄物，如矸石、河床石料、石塊對沉陷盆地進行粗骨架填充后，再進行密實充填，采用河床泥沙、粉煤灰填料進行密實填充，接近地表50 cm高度后，采用表土覆蓋，給土壤施加有機肥、生活有機垃圾，再投入污染物降解菌或接種叢枝菌根，播撒本主植物種子，以促進沉陷盆地修復區域植被修復。盆地下沉深度大于3 m，則借助地形優勢，對邊緣整治添堵裂縫，中心區域添堵塌陷裂縫后，在盆地內添加不少于30 cm的石料攪拌加入粉煤灰、加入水，待凝固后，再添加30 cm厚度的黏土夯實，表層覆蓋30 cm土壤夯實。無法利用的塌陷盆地則依靠地形特點優勢，直接撒播草籽、添堵裂縫，種植林、草植被，因地制宜建設公園、灌木林地等。

2) 地裂縫修復。對于采煤沉陷區裂縫，通常經過現場實地考察，勘察裂縫特征，獲取采動邊界塌陷裂縫寬度、深度以及發育狀況是否穩定，劃分為人工修復和機械作業修復兩大類，人工修復裂縫工程量較小，作業任務單一，機械修復需要土方、石料等填充材料，修復任務和難度相對較大[8]。采用機械修復，則需要完成現場踏勘，裂縫勘測，根據勘測結果進行裂縫填充區域劃分，針對不同寬深裂縫，采用不同粒徑的骨料充填，并做近地表黏土鋪設，防止水力侵蝕浸泡導致出現漏斗，最后采用外來土方回填，表土回填完成地表生態修復(圖3)。

圖3 地裂縫修復工藝流程Fig.3 Process flow of ground crack repair

3) 滑坡修復。首先確定采煤沉陷區滑坡范圍和區域，分析滑坡走向，主要與巖石、土體內部受力不均衡以及地表地形、坡度有關。判斷發生再次滑坡區域范圍，掌握滑坡受力傾向特點，設置支護結構[9]。其中，擋土墻是最常見的治理方式，將石塊、條石、錨索進行擋墻設置，根據所需強度，調整錨索疏密程度，必要情況下設置混凝土擋墻增加掩擋強度。降雨等對滑坡土體的浸潤、浸泡使得土體、巖體之間的內摩擦力降低，增加了滑坡再次發生的可能性，因此為了避免再次滑坡，在滑坡區域范圍內，設置排水溝體，實施導流。通常將排水構體坡度控制在1∶3左右，排水量根據當地最大降雨量以及匯流區域面積計算。通常在實際布設過程中，結合地形、水流走向設置排水溝。此外，為了保障滑坡的穩定性，在滑坡一帶采取工程與植被控制相結合的方式，主要是種植灌木、草本作物。滑坡坡度大于35°時，所選擇的植物要以草本植物為主，抗旱性強，根系發達，易存活；滑坡坡度小于35°時則通過人工降坡度的方式，將草本與灌木、林木相結合，以達到有效治理防護的目的。

4) 塌陷坑修復。塌陷坑的修復一般分為穩定區和非穩定區。對于穩定區塌陷坑修復，主要方式是充填塌陷坑，以矸石、建筑垃圾、河床石料直接充填塌陷坑，充填至地表50 cm的距離，回填表土或者富含肥力的土壤，播撒草籽或栽植人工經濟林、灌木林等。對于非穩定區塌陷坑修復，按照采煤進程及影響范圍，安排階段性復墾，采用階段性復墾工藝，在形成的非穩定區先進行裂縫、塌陷坑充填，以平整土地，待沉陷穩定后補修二次塌陷造成的塌陷、裂縫，再進行表土覆蓋，恢復耕植(圖4)。

圖4 塌陷坑耕地機械修復工藝流程圖Fig.4 Process flow chart of mechanical restoration of cultivated land in collapse pit

5) 臺階修復。采煤沉陷區臺階修復相對容易，通常將臺階邊緣作切割處理，高低落差處于30 cm以下的臺階，直接進行削高墊底，使得上下臺階高差形成緩坡，坡度一般不大于15°即可。而高低落差較大的臺階則采用機械作業修復，通常采用卡車取土，挖掘機、推土機作業，剝離表土臺階邊緣帶表土，將臺階推平后，填補落差條帶后夯實，形成的坡度不大于15°，再將剝離的表土回填塌陷坑，平整坡度。此外，高低落差較大的臺階受地理條件受限，可借助臺階形成的高低落差，直接改造為梯田，將臺階坡度降低，借助機械設備將其改造為梯田后，施加有機肥和回填表土，提高土壤肥力，達到果園種植等標準。

5 結 語

煤炭開采對地表的破壞是無法避免的，但隨著開采工藝及先進設備、技術的發展，減少地質災害是不斷探索和研究的發展趨勢[10]。針對屯蘭礦采動造成的不同地形地貌、地質條件及破壞特征劃分，分類治理，對塌陷、臺階、裂縫等地質災害，依據地形、地貌、塌陷程度、坡度、下沉傾角、落差高度、土方量、土壤質地以及取土工程量大小進行災害等級劃分、坡度傾角劃分、工程實施方式歸類，系統構建了一套適用于屯蘭礦的采動破壞區域修復技術，有效解決了屯蘭礦的地質環境破壞問題，取得了良好的恢復效果，生態穩定性得到大幅提升。此外，需要進一步研究采動造成的地質環境破壞規律，充分研究采空區回填、地表沉降控制技術等，減少地質災害，處理好資源經濟與生態環境協調發展關系，為我國建設“綠水青山就是金山銀山”的發展理念貢獻應有的力量[11]。