南疆库尔勒地区弱胶结覆岩煤矿地质环境调查及评价

张利飞 谭晓东 吕倩俐

摘要：“富煤、贫油、少气”是我国目前的储量现状，因此煤炭资源长期仍将是我国的主要能源。煤炭开发作为南疆库尔勒地区重要产业，大规模开采对地质环境产生较为严重的破坏。南疆库尔勒地区气候干旱，生态环境极为脆弱，该地区煤矿的上覆岩层多为弱胶结，为此开展对弱胶结覆岩煤矿开采所产生地质环境问题的研究十分必要。本论文采用现场取样与实验分析的手段，从地质灾害、含水层影响破坏、水土污染三个方面对该地区煤矿开采引发的地质环境问题及其影响程度进行分析。通过分析得出该地区主要地质环境问题包括：弱胶结覆岩煤矿的开采易引发地面塌陷地质灾害；矿山涌排水在干旱气候条件下对地下含水层产生疏干破坏；煤矸石淋虑液会对地表土壤产生污染，但由于南疆地区降水量少蒸发量大，在短时间内对地质环境影响较小。研究成果可以为弱胶结覆岩煤矿地质环境保护与治理提供参考依据。

关键词：矿山地质环境；地质灾害；含水层影响；水土污染；弱胶结覆岩

1.矿山自然地理概况

1.1地理位置

本次研究的煤礦塔什店二井田煤矿位于新疆库尔勒市塔什店镇，属南疆地区。库尔勒金川矿业有限公司塔什店二井田煤矿位于库尔勒市北30km，隶属新疆生产建设兵团第二师管辖，东北距焉耆47km，北距塔什店镇15km。自矿区中部沿沟谷内的公路东南行约2km至塔什店镇，沿国道G314线向南至库尔勒市约30km，向东北至焉耆回族自治县县城约47km；距塔什店火车站约18km，距库尔勒机场约50km。塔什店二井田煤矿至塔什店镇有柏油公路相通，矿山交通条件较为便利。

1.2地形地貌

塔什店镇地貌类型按成因类型划分，为中低山和丘陵地貌类型，矿区三面环山，主要为断块上升遭受侵蚀剥蚀的中低山丘陵区。矿区地处焉耆盆地西南缘，其西南有海拔+1500～+2500的库鲁塔克山，西北有海拔+3000余米的霍拉山，东北与开都河流域相连，开都河在矿区以东40余千米入博斯腾湖。孔雀河距井田内主井口约4000m。矿区位于塔什店井田北侧，地处霍拉山与库鲁塔克山之交汇处。地势东、西高，中间低，北高南低之趋势。矿区海拔+1114.23m～+1261.20m。

1.3地层岩性

矿区范围内分布的地层由老至新为：元古界兴地塔格群（Pt1xn）、三叠系小泉沟群（T2+3xq）、下侏罗统哈满沟组（J1h）、中侏罗统塔什店组（J2ts）、新近系上新统葡萄沟组（N2p）、中新统—渐新统桃树园组（E3-N1）t和第四系，区内无岩浆岩出露，煤系地层无岩浆岩侵入。矿山地层主要为侏罗系、新近系和第四系，其中侏罗系为含煤地层，可采煤层有3层；上覆岩层岩性主要为砂砾岩、泥岩、粉砂岩与中砂岩，具有胶结差、强度低、易风化、抗水性差、对扰动较为敏感等物理特性，均为弱胶覆岩，大多数岩层饱和单轴抗压强度低于30MPa。

1.4水文

井田内地表无水系，其中部宽缓低平略呈“S”形展布的谷地及两侧冲沟，除雨洪期有短暂水流外，一般多呈干涸状态。矿区距离最近的常年性地表水系为孔雀河，孔雀河源于博斯腾湖，从井田外南部由东向西流过，最近处离井田南界约1000m，据塔什店水文站资料，每年4月～9月为丰水期，10月至翌年2月为枯水期。年平均流量31.22m3/s，径流量9.855×108m3/s，水位标高为1044.77m～1046.26m。

1.5气候

井田所处地区属大陆性干旱气候，据库尔勒市气象站资料：最高气温38.3℃：最低气温-16℃。年降水量59.3mm，年蒸发量2506.5mm；相对湿度30%～69%，冻冰期11月到翌年3月，冻土深度5cm～41cm；1月～2月、12月积雪厚度2cm～ 6cm。5月、7月多东风，其余月份缺少西南风。全年以南西风为主，平均风速4.1m/s，最大风速32m/s。

2.采矿方法及生产工艺

2.1采煤方法

矿山采用地下开采、斜井开拓方式。矿山各煤层采煤方法均采用走向长壁综合机械化采煤法，全部跨落法控制顶板，后续开采方式不会发生变化。根据矿井开拓布置，回采工作面采用后退式。矿井下山采区回采8-2+3+4号煤层，两翼开采。工作面之间为两翼交替进行，以便回采和掘进的综合管理。

2.2顶底板管理方法

根据本矿井各煤层赋存条件，结合设计选择的采煤方法及工艺，设计确定工作面顶板控制采用全部跨落法，快速推进，采空区除保留的安全煤柱外尽量不留残煤，提高煤炭回收率、及时封闭采空区。

3.矿山地质环境问题分析

3.1地质灾害

矿区地貌类型为构造侵蚀中低山地貌，大部分地区地势较为平坦，起伏不大，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害一般不发育。该煤矿为地下开采，此次地质灾害的分析重点是地面塌陷地质灾害。采空区上覆岩层岩性主要为砂砾岩、泥岩、粉砂岩与中砂岩，单轴饱和抗压强度为20.4MPa～ 37.67MPa，具有胶结差、强度低、易风化、抗水性差、对扰动较为敏感等物理特性，属弱胶结岩层。矿山西采空区地表投影面积1.522km2，东采空区地表投影面积0.401km2，目前采空区顶部地表局部已发生了移动和变形。

依据地质灾害危险性评估规范，以地质灾害发育程度和危害程度确定地质灾害危险性，地质灾害危害程度和危险性分级见表1与表2。地面塌陷灾害主要威胁采矿人员、车辆安全，威胁人员20人～30人，威胁财产数100万元～300万元。采矿活动遭受地面塌陷灾害的危害程度中等，危险性大。

3.2含水层的影响破坏

3.2.1采矿活动对含水层结构的影响

开采煤层位于侏罗系承压裂隙弱富水性含水层，含水层厚度28.66m～193.74m，平均厚72.92m。煤层所在含水层上下部为古风化壳泥岩。开采煤层使侏罗系裂隙承压含水层在开采范围之上的导水裂隙带高度内结构受到破坏，产生导水通道，且贯通上部隔水层，对含水层结构造成了一定的破坏。

3.2.2采矿活动对地下水水质影响

为研究矿区地下水水质的变化情况，对比同一地点的2012年和2019年地下水水质分析结果，其中检测指标值变化最大的为总硬度值，从2012年的564mg/L（以CaCO3计）增长到2019年的1306mg/L（以CaCO3计），反映出地下水质受到了采矿废水的污染。检测结果表明，矿化度、硫酸盐、硫化物以及氯化物超过《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）中Ⅲ类标准要求，其余各项指标均符合《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）中Ⅲ类以及《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类标准要求。监测指标中矿化度、硫酸盐、硫化物以及氯化物超标主要是由于矿井涌水为侏罗系弱含水层，地下水流动较慢，其地下水中本底值较高引起的。总体来看，本区地下水水质无明显的变化趋势，区内地下水水质较好。

3.2.3采矿活动对地下水资源量影响

该煤矿经多年的开采，存在一定量的积水，矿井正常涌水量为125m3/h，最大涌水量为150m3/h，矿井涌水经处理后用作井下生产、井下消防、洒水降尘和矿区绿化。因该地区气候干旱，降雨补给地下水量少，长期的涌水排水已造成地下水水位不同程度的发生沉降，通过矿区地下水位观测孔发现其水位最大降幅达约14m。

3.3水土环境污染

煤矿产生的主要固体废弃物为煤矸石，煤矸石露天堆放于矸石周转场内，经雨淋溶后，易对土壤、地表水及地下水产生影响。为研究矿区内的矸石淋溶水对环境的影响，对矸石周转场内矸石进行浸出毒性试验，具体结果见表4。淋滤液中pH值9.05、高锰酸钾指数1.6、氨氮含量2.92mg/L和氟化物0.4mg/L超出地表水Ⅲ类标准（6-9，≤0.002，≤1.0，≤0.02）。其他含Pb、As和Cl-分别为0.036、<0.001和21.3mg/L，SS和COD分别小于350mg/L和50mg/L。因此矸石淋滤液除高锰酸钾指数、氨氮含量和氟化物外其他指数远低于《污水综合排放》（GB8978-1996）一级排放标准，同时低于地表水Ⅲ类标准（0.05、0.05和1.0mg/L），库尔勒金川矿业有限公司塔什店二井田煤矿矸石浸出液水质能够满足《污水综合排放》（GB8978-1996）一级排放标准，矸石淋溶水的主要污染物是悬浮物，对地表水和地下水的影响甚微。

4.结论

4.1上覆岩层为弱胶结覆岩的煤矿，岩体力学性质较差，具有胶结差、强度低、易风化、抗水性差、对扰动较为敏感，地表易发生变形和移动，易产生地面塌陷地质灾害，危险性大。

4.2南疆库尔勒地区为暖温带大陆性干旱气候，煤矿井工开采容易破坏含水层结构，地表水补给量甚微，疏干排水会造成地下水位的下降，通过地下水水质监测，检测结果表明，矿化度、硫酸盐和氯化物超过《地下水质量标准》（GB/ T14848-2017）中Ⅲ类标准要求，其余各项指标均符合Ⅲ类标准要求。总体来看，本区地下水水质无明显的变化趋势，区内地下水水质较好。

4.3煤矸石浸出液成分检测结果表明，因此矸石淋滤液除高锰酸钾指数、氨氮含量和氟化物外其他指数远低于《污水综合排放》（GB8978-1996）一级排放标准，同时低于地表水Ⅲ类标准（0.05、0.05和1.0mg/L），库尔勒金川矿业有限公司塔什店二井田煤矿矸石浸出液水质能够满足《污水综合排放》（GB8978-1996）一级排放标准，矸石淋溶水的主要污染物是悬浮物，对地表水和地下水的影响甚微。

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