河北隆尧亦城煤矿矿山环境影响研究

李万阳，邢再亮，尚洪田，范志强

（河北省煤田地质局第四地质队，河北宣化075100）

河北隆尧亦城煤矿矿山环境影响研究

李万阳，邢再亮，尚洪田，范志强

（河北省煤田地质局第四地质队，河北宣化075100）

准确划定矿山环境影响范围是编制矿山地质环境保护与恢复治理方案的重要内容，是有效开展矿山环境保护与综合治理的基础。亦城煤矿矿业活动对矿山环境会造成地面塌陷、地面变形、地裂缝等环境地质问题。根据采掘活动过程中的开采深度、移动角、边界角和地下水均衡原理，系统分析和计算了隆尧亦城煤矿矿业活动对矿山环境同影响范围。根据采动移动角确定地面塌陷区、利用边界角划分地面变形区，利用地下水位降落漏斗"大井法"定出疏排水影响范围。通过煤矿开采环境问题类型影响程度分析，将煤矿开采影响划分为严重区、较严重区和较轻区3类。

环境现状评价；安全开采深度；环境影响范围分区；亦城煤矿

亦城煤矿属地方国有煤矿，1995年10月建井，2002年正式生产，采用一对立井开拓，自行垮落式管理顶板，生产能力15万t/a。矿井面积4.6458 km2，批准开采深度由+53～-650 m。目前开采范围集中在矿井北部，开采煤层主要是6号、7号煤，开采深度约280 m，由于开采范围和深度较小，产生的环境地质问题尚不显著。随着开采范围和深度的增加，必将会产生地面塌陷、地面变形、地裂缝等较大环境地质问题，本文的研究可为其采取防范措施提供依据。

1地质背景

1.1地层

亦城煤矿为全隐蔽型矿井，矿井内地层由老至新依次为奥陶系中统峰峰组（O2f）；石炭系上统本溪组（C2b）、太原组（C2t）；二叠系下统山西组（P1s）、下统下石盒子组（P1x），中统上石盒子组（P2s）；新近系（N）和第四系（Q）。

含煤地层为本溪组、太原组及山西组，主要可采煤层位于太原组中，可采煤层叙述如下：

6号煤：位于太原组中部，下距7号煤18.70 m。煤层厚度0.80～2.08 m，顶底板多为粉砂岩，为全区可采煤层。

7号煤：位于太原组中部，下距9上煤52.31 m。煤层厚度0.70～1.40 m，顶底板岩性为粉砂岩，为全区可采煤层。

9上煤：位于太原组下部，下距9号煤平均间距11.34 m。顶板为粉砂岩或细砂岩，底板为粉砂岩。煤层厚度0～1.49 m，为大部可采煤层。

9号煤：位于太原组底部，下距奥陶系灰岩24.6 m。顶板岩性为粉砂岩或泥岩，底板为铝土质粉砂岩或铝土质泥岩。煤层厚度1.11～2.53 m，为全区可采煤层。

1.2构造

矿井主体构造为宽缓的倾伏向斜构造，向斜轴部在亦城东南，轴向南部呈北东向，北部呈北北东向，向SW倾伏。该倾伏向斜构造在矿井北部西北翼较完整，而南部西北翼受F5断层破坏不完整，向斜东翼受F1、F2、F10等断层的破坏仅保留核部形态。矿井北部西北翼浅部地层走向N40°E，倾角20°～30°，向深部倾角逐渐变缓，倾向也由SE逐渐转为SW，倾角5°～12°。

1.3水文地质与工程地质条件

1.3.1水文地质条件

矿井内主要含水层为第四系孔隙含水层、新近系砂岩裂隙含水层、石炭—二叠系薄层灰岩和砂岩裂隙含水层、奥陶系岩溶含水层。各含水层之间隔水性良好。在井田浅部新近系缺失的地方，第四系孔隙含水层直接覆盖在基岩含水层地区，补给煤系层间含水层，是诸煤层顶板进水主要补给源，存在突水威胁；石炭—二叠系薄层灰岩和砂岩裂隙含水层，富水性弱至中等，对未来矿井的充水影响较小；奥陶系岩溶含水层以静储量为主，补给、径流条件相对较弱。

根据资料，矿井的最大涌水量为402 m3/h，正常涌水量约80 m3/h。

1.3.2工程地质条件

根据勘查资料和矿山开采揭露，矿区内6煤层顶板岩性为粉砂岩，其抗压强度仅为14.9 MPa，不易支护；底板岩性为粉砂岩，抗压强度为18.4 MPa，较易管理。7煤顶板为粉砂岩，粉砂岩风化后成层剥离或破碎，顶板冒落带可波及6下煤，不易管理；底板为粉砂岩或细砂岩，细砂岩抗压强度为44.8 MPa，易于管理。9上煤顶板以粉砂岩为主，局部为泥岩，风化后呈破碎状，易冒落；底板为铝质泥岩或含铝粉砂岩，遇水膨胀，易变形，开采时易产生底鼓，铝质粉砂岩抗压强度为25.3 MPa；顶底板均不易管理。

区内主要可采煤层顶底板属中等稳定型，工程地质条件中等。

1.4开采地质环境现状评价

亦城矿区位于平原区，地形起伏变化不大，自然排水条件较好，年均降水量中等，降水多集中在7、8、9月份；地质构造中等，断裂较发育，地层产状较稳定，岩性较复杂，主要矿层位于当地侵蚀基准面以下，充水含水层构造破碎带富水性中等，补给条件差，水文地质条件复杂；煤炭、矸石和矿坑水有害组分少，含量低，对水土环境污染轻，无热害；开采合理，开采方式规范，破坏矿山地质环境的人类工程活动一般。

综合以上各因素，根据矿山地质环境条件复杂程度分类规定，亦城煤矿矿山环境地质问题类型较多，发育中等，危害中等，确定目前的矿山地质环境条件复杂程度中等。

2煤矿主要地质环境影响范围确定

煤矿开采活动对地质环境的影响是多方面的，下面就开采深度、地表移动变形范围和疏排水影响范围地矿区环境的影响进行分析。

2.1煤矿安全开采深度

煤矿开采深度是影响覆岩及地表破坏的主要因素之一。河北隆尧亦城煤矿最低开采标高为-650 m，根据相关技术要求，开采煤层上覆岩层安全开采深度按下式计算：

式中：H3为安全开采深度，M为矿层采高或煤层综合作用厚度，K为安全系数，按Ⅰ类矿山Ⅱ级保护级别确定，K=150。

确定开采煤层群安全深度时，需计算综合作用厚度M，该厚度对地面所造成的影响是整个矿井回采数个煤层之后给地面造成的总影响。

开采4层煤无回填情况下，重复开采时，计算开采影响的综合作用厚度公式如下：

式中：m1～m4分别为煤层9、9上、7、6可采煤层厚度；C为系数，为相邻两煤层间距离h与两层中靠下一层的厚度m之比的函数，C值可由查表得知；M1～M4分别为开采9、9上、7、6煤层的综合作用厚度。计算结果见表1。

由表1可知：当上覆岩层厚度＜1122 m时，引发地面塌陷、地裂缝的可能性大。由于矿区地层向南西倾斜角度比较小（平均9°），造成最下层可采煤层9的上覆岩层厚度不超过400 m（图1），远远小于其安全开采厚度。该矿区顶部山西组、下石盒子组和上石盒子组岩层岩性主要为粉砂岩、中细砂岩和泥岩，工程地质条件较差，因此在煤矿开采中，可能会发生地面塌陷、地裂缝等地质灾害。

2.2地面塌陷区

野外地质详细勘查表明，亦城煤矿上覆岩层为二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组；新近系和第四系。以粉砂岩、黏土岩为主，为中硬岩类型。地层总体走向北东，倾向南西，倾角5°～12°，平均为9°；可采煤层有6、7、9上、9等4层。根据规程，按中硬覆岩类型，该区下山方向移动角β计算如下：

图1　矿山环境影响耦合分区剖面（Ⅲ-Ⅲ′）Figure 1 Mine environmental impact coupled partition section（III-III’）

式中：δ为走向移动角（取=60°），α为岩层平均倾角（取α=9°）。

依据规程，本矿涉及多煤层采动，移动角取值应折减（5°～10°）：即上山移动角为55°，下山移动角为50°。上山、下山移动角与地形线的交点就是移动盆地主断面上临界变形点。将每一条剖面上两个临界变形点之间的范围就是地面塌陷区。找到各个剖面在平面图上的投影点，并将所有的投影点用曲线连接。然后根据矿区地形，对投影曲线进行适当的修正，就可得到地面塌陷区（图1，图2）。

2.3地面变形区

假定煤矿是充分采动，依据移动盆地边界点和采空区边界点的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角确定边界角。根据边界角反推出移动盆地边界点。亦城煤矿矿山覆岩为中硬覆岩类型，走向边界角δ0和上山边界角γ0取值55°～60°。依据规程，亦城煤矿属于多煤层重复采动，两次（每次边界角相应减小2°～7°（取3°））折减的取值原则，选取走向边界角δ0及上山边界角γ0均为49°、下山边界角β0= 49°-0.7 α≈43°（α为煤层平均倾角，取平均值9°），即上山边界角为49°、下山边界角43°。将剖面上矿界内最下伏的可采煤层，上山、下山边界角与地形线的交点确定为移动盆地主断面上的移动边界点，将剖面上两边界点之间的范围确定为地面变形区范围。亦城煤矿的地面变形区范围（图1，图2）。

图2　矿山环境影响耦合分区平面图Figure 1 Mine environmental impact coupled partition plan

2.4疏排水影响范围

亦城煤矿最低开采标高为-650 m。利用大井法公式计算，预测矿井疏排水降落漏斗影响半径，计算公式为：，式中：R为降落漏斗影响半径，S为水位下降深度，取值250 m；H为均质含水层厚度，取值120 m；K为渗透系数，取经验数值0.010 m/d。

计算结果，R=548 m，即亦城煤矿疏排水影响半径为548 m。依据矿井疏排水影响半径R，上山方向，将疏排水影响范围线顺着煤层露头线，然后结合地形作相应的修正；下山方向，疏排水影响范围线以影响半径R为平距画圆滑曲线（拐点处按圆弧考虑），根据地形作适当调整。圈定亦城煤矿的疏排水影响范围（图1，图2）。

3矿山环境影响分区

地质环境影响分区主要依据地质环境问题类型及影响程度进行划分。遵循“地表为主、区内相似、区际相异、影响取重”的原则，地面塌陷区内主要环境地质问题是地面塌陷、地面沉降，同时也是疏排水地下水降落漏斗的中心，环境影响最强烈，因此，将地面塌陷区范围划为矿山环境影响严重区；地面塌陷区范围外围至地面变形区内主要环境地质问题是地裂缝，同时位于疏排水地下水降落漏斗范围内，环境影响较大，因此，将地面变形区划为矿山环境影响较严重区；地面变形区范围外围至疏排水影响范围内主要环境地质问题是地下水位下降，环境影响一般，因此，将其划为矿山环境影响较轻区（图1，图2）。

表1　安全开采深度计算Table 1 Safe mining depth estimation

亦城煤矿最上部6号可采煤层的上覆岩层厚度不到200 m，远远小于其安全开采深度。因此，在进行煤矿开采时，会引起强烈的地面变形。矿山环境影响严重区内会发生严重地面塌陷、地裂缝等地质灾害；矿山环境影响较严重区可能会出现地裂缝等地质灾害；矿山环境影响较轻区内，基本不会出现地面变形地质灾害，但存在地下水资源流失，地下水位降低，地下水环境恶化问题。

亦城村位于矿区中部，矿山环境影响严重区之内，须搬迁或留设村庄保护煤柱才能进行矿业开采。北村位于矿区外围东南部，矿山环境影响较轻区内，煤矿开采地下水疏排将会影响该区内村庄居民的日常生活，给村民用水带来困扰。

4结论

①本文根据亦城煤矿煤层赋存地质条件，计算煤矿安全开采深度为1122 m，亦城煤矿的煤层赋存深度远小于安全开采深度，因此，煤矿开采将导致强烈的地面变形，矿山地质环境影响严重。

②依据有关的规程，确定煤矿开采移动角、边界角并计算煤矿开采环境影响范围，将煤矿地表变形分为塌陷区、变形区，利用大井法计算矿井疏排水影响范围，疏排水影响半径为548 m。

③依据地质环境类型及影响程度进行煤矿环境影响分区研究，将河北亦城煤矿矿山环境影响划分为矿山环境影响较严重区、较严重区和较轻区三种类型。

［1］陈剑平.环境地质与工程［M］.北京：地质出版社，1990.

［2］河北省煤田地质勘查院.河北尧安矿业有限公司亦城煤矿资源储量核实报告［R］.石家庄：河北省煤田地质勘查院，2014.

［3］张荣立.采矿工程设计手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2003.

［4］汪吉林，吴圣林，丁陈建，等.复杂地貌多煤层采空区的稳定性评价［J］.煤炭学报，2007.

［5］于元祥，谷拴成，朱彬.开采沉陷的地表移动规律初探［J］.西安科技大学学报，2007.

［6］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2000.

［7］国土资源部.矿山地质环境保护与恢复治理方案编制规范［M］.北京：中国标准出版社，2011.

Mine Environmental Impact Study in Yicheng Coalmine，Longyao，Hebei

Li Wanyang，Xing Zailiang，Shang Hongtian and Fan Zhiqiang
（The Fourth Exploration Team，Hebei Bureau of Coal Geological Exploration，Xuanhua，Hebei 075100）

Correct delimitation of mine environmental impact extent is a major part to draw up mine geological environment protection and rehabilitation governance scheme，and the basis to effectively carry out mine environment protection and comprehensive control. Mining activities in the Yicheng coalmine have caused environment geological problems in surface subsidence，deformation，ground fissure etc.Based on mining depth，angle of critical deformation，angle of subsidence and groundwater balance principle during mining activities，systematically analyzed and estimated mine environmental impact extent in Yicheng coalmine，Longyao.According to mining angle of critical deformation determined surface subsidence area；using the angle of subsidence partitioned surface deformation areas；using groundwater depression cone“virtual large-diameter well method”determined water drainage impacting range.Through coalmine exploitation environmental problem impacting degree analysis，have partitioned into 3 categories of serious area，rather serious area and rather light area.

Environment status quo assessment；safe mining depth；environmental impacting range division；Yicheng coalmine

X141

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.14

1674-1803（2016）08-0068-04

李万阳（1962—），男，河北宣化人，工程师，长期从事煤田地质工作。

2016-01-06

责任编辑：樊小舟