甘肅省靖遠縣某采煤沉陷區地質環境評估及治理研究

劉青松

（甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

加強礦山地質環境恢復與綜合治理，將礦山開采對生態環境的影響降低到最低程度是貫徹落實黨中央、國務院“創新、協調、綠色、開放、共享”的新發展理念的重要體現[1-3]。靖遠縣東升鎮有4處廢棄礦山、2處政策性關閉礦山，屬歷史遺留礦山。該區域采煤沉陷發育、存在亂采亂挖、渣堆無序堆放的現象，加之早期開采技術落后，開采條件簡陋，開采手段粗放，致使礦區周圍地質環境遭到嚴重破壞，造成自然景觀破壞、植被破壞、水土流失及生態環境惡化等，實施靖遠縣某采煤沉陷區治理工程非常必要和迫切，本次工作通過野外勘察工作和收集的礦山基礎資料及地質環境資料，查明了項目區地質環境現狀和礦山地質環境問題的發育程度、表現特征及原因，針對地質環境問題設計恢復治理方案。通過治理不僅可以改善項目區的礦山生態環境，對于促進區內經濟發展和社會穩定也具有非常積極的作用。

2 采煤沉陷區地質環境條件

2.1 自然地理條件

靖遠縣深居內陸，屬溫帶大陸性半干旱氣候區。項目區無河流經過，距離最近河流為黃河干流，全長154km，縣境內流域面積4923.1km2。項目區主要有栗鈣土、灰褐土、灌淤土、灰鈣土、鹽土、潮土、紅土和風沙土等8個土類。植被類型有針茅、小黃菊、豬毛草等。

項目區總體地勢是西南高、東北低由西南向東北傾斜。依據地貌特征和成因類型，項目區地貌類型可劃分為侵蝕—堆積黃土丘陵地貌：由黃土梁峁、黃土殘塬組成，海拔1400～1900m，地形遭受強烈切割，形成孤立、不連續的黃土峁、殘塬、黃土梁等地形形態。溝谷平均切割深度200～400m，切割密度1.8～3.6km/km2。

2.2 地層巖性

據區域地質資料及本次現場調查、勘查結果，項目區出露地層較為簡單，由老到新主要有三疊系(T)、侏羅系（J）、白堊系（K）和第四系（Q）。三疊系為上統南營兒群，為本區侏羅紀煤系地層的基底。巖性為灰綠色、黃綠色細、中、粗粒砂巖，局部含礫，含炭質碎屑、煤屑、黃鐵礦結核等，具有清晰的斜波狀層理及交錯層理。中侏羅統窯街組為區內主要含煤地層，巖性主要由灰白色中、粗粒砂巖，灰、深灰、灰黑色粉砂巖、砂質泥巖及煤層組成。中侏羅統新河組下段為草黃色砂巖段，上段為油頁巖段。上侏羅統苦水峽組為紫灰色砂巖與紅色泥巖互層。白堊系為淺棕紅色、褐紅色的砂礫巖、砂巖。第四系為上更新統馬蘭黃土和全新統采礦堆渣形成雜填土。

2.3 地質構造

靖遠縣地處隴西旋卷構造體系與河西構造體系交匯地帶，構造形跡復雜。隴西旋回構造體系的三個旋回褶帶在境內均有顯現。縣域跨古浪—香山—同心旋回褶帶的中部、烏鞘嶺—屈吳山—六盤山旋回褶帶的中西部、永登—白銀—會寧旋回褶帶的中東部，三個旋回褶帶將靖遠縣分割成多個隆起和盆地[4]。

新生代以來，靖遠縣新構造運動比較活躍，特別是第四紀以來表現非常明顯，主要為大面積的周期性節奏波動上升運動，并伴隨有斷裂和地層微斜傾的構造行跡。表現為屈吳山、黃家凹山、水泉尖山、松山等中低山的崛起，低山丘陵區基巖多級階梯狀臺階地形的出現，黃土地區塬面高差懸殊、河谷多級階地和堆積層的發育等，僅有堡子川盆地持續下降，為本區第四紀沉降帶。

2.4 巖土體工程地質特征

治理區巖體類型簡單，依據沉積建造、巖體結構類型、工程特性及工程地質指標劃分，區內巖體工程地質類型主要有由三疊系構成的堅硬薄層—中厚層狀結構巖組和由侏羅系—白堊系構成的較堅硬薄層—中厚層狀巖組。

土體工程地質類型包括黃土和雜填土。黃土廣泛分布于項目區，土體具有大孔隙，結構疏松，垂直節理發育，無層理，土體處于軟塑—可塑狀態。天然重度為14.9～17.1kN/m3，粘聚力為 15.5～18.6kPa，內摩擦角為27.2°～28.8°，承載力特征值為100～110kPa。雜填土因推填整平場地形成。淺黃—雜色,土質不均，主要由粉土、煤矸石組成，含量約為80%，含有約20%碎石、磚塊、砼、建筑垃圾等雜物，承載力特征值約80kPa。

2.5 人類工程活動

根據項目區人類工程活動特征以及破壞地質環境的方式，項目區人類工程活動主要為礦業活動。項目區礦產資源豐富，自20 世紀50 年代以來，項目區礦業活動強烈，長期以來沒有合理的規劃，忽視了對礦山地質環境的保護，無序開采，受開采條件、開采方式、生產工藝、技術設備等綜合影響，使礦山地質環境遭受嚴重破壞，到目前為止引發了一系列嚴重的礦山地質環境問題。同時調查發現區內渣堆不規則無序堆放，造成了土地資源的壓占及植被的破壞。

3 礦區主要地質環境問題

經野外實地調查及資料收集，項目區歷史遺留礦山在礦業活動過程中，由于缺乏對生態環境的保護措施，大量的渣堆無序堆放嚴重破壞了礦區的生態環境，導致水土流失嚴重，地表及植被遭受嚴重破壞。區內存在的礦山地質環境問題主要表現在以下3個方面：一是采礦活動引發的地質災害；二是礦業活動對土地資源破壞；三是礦業活動對地形地貌景觀的影響。

3.1 采礦活動引發的地質災害

勘查區由于開采年限較長（含民采），且開發強度較大，項目區南側采空區地面塌陷（隱患）點較多，規模較大。經過現場調查，勘查區內洞采較為分散，目前在項目區南側發現塌陷坑22 個，地裂縫普遍發育于整個治理區，治理區中部地段形成地裂縫連片，對地形地貌景觀造成了破壞，對旱地及草地造成了破壞。

工作區范圍內塌陷區和地裂縫發育于紅灣村南側王家山一帶的采煤區，呈帶狀分布，走向北東—南西向80°～260°，長約2.6km，寬0.4～1km。通過調查，在項目區南側發現塌陷坑22個，塌陷坑呈帶狀或串珠狀分布，深度5～20m 不等，面積最大達2833m2；地裂縫多發育于項目治理區，長幾十米至上百米不等，最大寬度達到2m，最大錯臺高3m，各時段塌陷地帶相連成片，區內大部整體沉陷，最大下沉值1.6m，最大水平位移為1.5m。其中治理區整體分為兩大片，地表裂縫縱橫交錯，裂縫走向45°～65°。造成山體嚴重破碎，塌陷裂縫大多呈弧形，弧半徑指向溝底，裂縫最寬達0.6m，錯動最大達3.5m。

采煤沉陷區主要分布在紅灣村，現場調查其沉陷區形成于2004 年之前，礦區各煤礦早期開采方式選用“傾斜分層走向長壁灌漿采煤法”及“長壁傾斜分層放頂煤采煤法”進行采煤，由于早期開采煤層較淺，大多為100～400m，加之煤層覆巖為軟巖，上覆半堅硬巖整體性狀軟弱，使得煤層采空后頂板冒落，巖石應力場重分布后，在地面產生陷落的狀況。因此，地下煤層采空的區域，必將對應地產生地面塌陷，且塌陷面積較采空區面積大。礦山開采過程在地下采空很快導致頂板冒落（冒落帶），繼而覆巖產生彎曲內鼓、張裂塌落（基巖裂隙帶），并逐步向上擴展直至地面第四系松散覆蓋層陷落形成塌陷洼地（彎曲帶），在煤田邊緣煤層埋藏較淺處，冒落帶可直達地表。從地下采空、頂板冒落發展至地表沉陷造成災害的滯后時段與煤層回采進度有關，當回采工作面推進到一定距離時，地表開始移動，這個距離為開采深度的1/3～1/2，隨著工作面的繼續推進，地表出現下陷，且其范圍在逐漸擴大，最終形成目前的地面塌陷區。

3.2 礦業活動對土地資源破壞

經野外實地調查及資料收集，項目區歷史遺留礦山在礦業活動過程中，由于缺乏對生態環境的保護措施，大量的渣堆無序堆放嚴重破壞了礦區的生態環境，導致水土流失嚴重，地表及植被遭受嚴重破壞。

勘察區歷史遺留礦區對土地資源的破壞主要為壓占破壞，表現為渣堆沿道路或草地無序堆放，對原生草地造成了嚴重破壞，壓占的廢渣成分主要以碎石土為主，碎石粒徑一般5～30cm，最大達80cm。廢渣在坡面和坡腳松散堆積，偶爾會發生順坡滑塌現象。由于廢渣堆無序堆放、松散、保水性差，閉礦以來坡面一直無法自然生長植被，對當地的生態環境影響較大，對區內自然環境的整體協調性造成不良影響。區內還存在私自采煤，遺留多處廢棄采硐及臨時窯洞。區內共計分布有127處廢棄礦洞及窯洞。

where Lq1(?) is the likelihood function used in the EM to estimate the parameters of GMM ofobservableq1,andis the set of parameters of observable q1in the GMM.

3.3 礦業活動對地形地貌景觀的影響

地形地貌景觀破壞指因礦山建設或采礦活動而改變原有的地形條件與地貌特征，造成土地損毀、山體破損、地面塌陷、裂縫、植被破壞等現象，致使地質遺跡、人文景觀、土地植被景觀等被影響或破壞從而使礦山自然景觀的觀賞性、連續性、完整性、原始性等屬性遭受破壞的現象。

經調查分析，勘查區歷史遺留礦區地形地貌類型為侵蝕—堆積黃土丘陵地貌。區內的礦山開采方式為地下，形成采煤沉陷區，調查范圍內塌陷面積達1.39km2，治理區內受影響面積達0.7575km2；廢棄采硐、臨時窯洞及廢棄生產生活區遍布三條溝，總占地面積11032.23m2，廢棄生活區建筑物多為1層磚砌體及土坯房，拆除廢棄建筑物15998.482m3；早期開采過程中，對山體進行開挖取土回填洞口，造成山體破損，挖損平地處，又稱為臨時選礦廠及廢棄渣場，并產生大量廢石、廢渣堆積于坡體或坡腳地帶，造成區內山體切割嚴重，廢渣隨地堆放，雖然后期部分地段已經清運，但是造成地形地貌損毀，植被遭到破壞，開挖山體形成的采場有3處，靠山側開挖坡度一般50°～80°，局部近直立，平面形態呈半凹狀。據統計：渣堆總面積91768.7m2，總體積為490206.6m3；采場總面積為108146.99m2。據統計，造成地形地貌景觀破壞面積約75.75hm2。根據以上分析，礦業活動對原生景觀影響和破壞程度大，對勘查區內地形地貌景觀影響嚴重。

4 恢復治理方案

4.1 恢復治理的目標

本次針對靖遠縣某采煤沉陷區內裂縫分布區、坡面挖損區、廢渣堆填壓埋區進行生態修復治理，本次工作區內地面塌陷對礦山地質環境的影響嚴重，對南側地面塌陷陷坑本次不進行治理，僅對地面塌陷引起的地裂縫夯填治理。通過對工作區地質環境生態修復治理工程（主要對工作區渣堆平整、裂縫夯填、采坑回填、土壤改良、恢復植被）的實施，減輕水土流失，緩解因水土流失造成對山地、農田的污染，改善生態環境。目標完成治理區恢復植被1105.8 畝（其中，恢復成旱地185.2 畝，恢復成草地920.6 畝），成活率達95%以上。達到有效遏制區內生態環境持續惡化，恢復自然植被，降低水土流失，使采礦區地質生態環境步入良性循環軌道，為其周邊地區創造一個良好的生產、生活環境。

4.2 恢復治理方案設計

根據現場調查，項目區目前主要的地質環境問題主要為：渣堆無序堆放、壓占草地和地面塌陷等，故采用渣堆平整+采坑回填坡面整平+地裂縫整治+覆土綠化方案，具體設計如下：

（1）渣堆平整：根據區內渣堆分布、堆積厚度以及破壞范圍等，結合礦區地形條件，采取因地制宜的措施進行工程設計。除ZD1、ZD4 需要部分礦渣拉轉運填采土坑外，渣堆均進行原地平整，在平整過程中將顆粒較小的渣堆鋪設于平整區上部，首先與周圍地形地貌相適應，且坡度不陡于1∶2（有利于坡體自身穩定且有利于種植土批覆），經統計，渣堆轉運方量約30732.3m3；原地平整渣堆方量約88946.7m3。

（2）采坑回填：針對礦區分布的3處采坑運用渣堆、坡面棄土進行回填，回填坡度不大于28°（有利于坡體自身穩定且有利于種植土批覆），回填后與周邊地形地貌景觀協調一致，后覆土綠化。

（3）坡面整平：針對地裂縫及挖損造成的坡腳地形地貌損毀地帶，先進行表面30cm 耕植土收集，再將溝道挖損地帶進行削方、回填進行整平，兩側山包削方原則為坡度不陡于1∶1.75（有利于坡體自身穩定且有利于種植土批覆），整平后與周邊地形地貌景觀協調一致，整平方式為機械整平。

（4）地裂縫整治：針對區內發育的兩片地裂縫，其中，旱地原恢復成旱地，其他草地恢復成其他草地。先進行表面30cm 耕植土收集，再對地裂縫外擴1m 進行開挖，開挖深度約2m，回填時進行碾壓，壓實系數不小于0.9，最后上覆之前收集的30cm 厚的根植土恢復成旱地，草地地段繼續播撒草籽恢復成草地。

（5）覆土綠化：渣堆平整、采坑回填以及溝道整平后上覆30cm厚的根植土，進行種草綠化，其中，旱地覆土面積123538.2m2；草地覆土綠化總面積614037.9m2。

（6）取土場設計：本項目不單獨設立取土場，在溝道整平時，先進行表面30cm 耕植土收集，再進行取土及坡面整理，客土拉運平均距離100m。土質為土壤類型為二類土的黃土。治理工程覆土需土方量約為222112.4m3，可滿足治理工程需土量。

5 結論

（1）項目區歷史遺留礦山地質環境問題主要表現在以下3個方面：一是采礦活動引發的地質災害；二是礦業活動對土地資源破壞；三是礦業活動對地形地貌景觀的影響。

（2）針對項目區內渣堆無序堆放、壓占草地和地面塌陷等主要的地質環境問題，設計并采用了渣堆平整+采坑回填坡面整平+地裂縫整治+覆土綠化方案。