甘肃魏家地煤矿矿山环境特征评估及生态恢复

卢守卿，李贞岐，卢声媛，李建喜，潘彦军

(河南省地质矿产勘查开发局 第一地质勘查院，河南 郑州 450001)

环境是人类生存与发展的必要条件，矿产资源是人类生存与发展的物质基础，而矿山的开采势必会造成当地生态地质环境的破坏，地质环境的恶化反过来又破坏矿山资源(如矿区土地资源、风景景观资源、水资源等)。如何实现矿产开发与生态地质环境保护并重，是目前矿业开发的首要任务[1-3]。

魏家地煤矿作为当地经济发展的支柱产业，建矿以来不断改造生产技术条件，使煤矿生产能力逐步提升至300万t/a，为当地经济社会发展做出了巨大贡献。同时也造成了生态地质环境的破坏，矿区目前形成采空区1处，面积5.03 km2，采空区极易引发地面塌陷，严重威胁着当地人民群众生命财产安全。为了最大限度地减轻矿业开发对矿山地质环境的负面影响，提高企业的经济效益、增强企业市场竞争力，建设高产高效能的现代化矿山，本文参考其他类似并已修复的矿山，通过对矿区生态地质环境调查并作出评估，提出综合治理方案，恢复矿山生态环境，促进资源合理开发与环境保护协调发展[2-7]。

1 地质环境特征

1.1 地区地质特征

矿区位于祁连山余脉向黄土高原的过渡地带，矿区地貌为构造侵蚀低中山、侵蚀堆积黄土丘陵、剥蚀—堆积山前倾斜平原。矿区出露地层主要为中侏罗统窑街组、上三叠统南营儿群及大部分第四系，出露岩性有砂岩、页岩、砂质泥岩及炭质泥岩，局部含砾等。中侏罗统窑街组为区内主要含煤地层。

1.2 地质构造与地震

矿区内褶皱、断裂发育。褶皱构造有腰水短轴背斜、花尖子短轴向斜；断裂构造主要为北西向3组断裂，F1为区域性大断层，呈盖层滑动性质的逆掩断裂组合，F2为F1断层组覆盖的隐蔽逆断层，F3为压扭性逆断层(图1)。

图1 魏家地煤矿矿区构造Fig.1 Mining area structure of Weijiadi Coal Mine

根据《中国地震动参数区划图》，矿区的地震动峰值加速度为0.15g，抗震设防烈度为Ⅶ度[4]。矿区及其邻近地区共发生地震17次，该区属地震多发地区。

2 水文地质、工程地质条件

2.1 水文地质条件

魏家地煤矿在区域上属于大水头水文地质盆地的一部分，该水文地质盆地第四系含水层基底隔水底板主要由白垩系砂岩和侏罗系砂、页岩组成。根据区内含水层埋藏及含水介质条件和相应隔水层的分布情况，本区地下水可分为松散岩类孔隙裂隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙水和断裂带脉状水3类。对矿井开采有影响的含水层主要为碎屑岩类孔隙裂隙水，而松散岩类孔隙裂隙潜水和断裂带脉状水分布有限，对矿井开采影响小。

据魏家地煤矿前期已有水文统计资料，建井初期主井涌水量7.6 m3/h，副井涌水量9.7 m3/h，主副井及巷道涌水总量为35～38 m3/h，南风井井筒及巷道涌水总量为35～38 m3/h。东风井井筒施工到+1 067.50 m水平开始涌水，随着深度的增加涌水量逐渐增大，由11.22 m3/h增至38.84 m3/h；井筒深度321.60 m以下至382.00 m涌水量又逐渐减小，由23.30 m3/h减至20.70 m3/h，至后期涌水量仅为12.18 m3/h。造成涌水量由小变大、又由大变小的原因是下白垩统上部砂岩裂隙发育，储水量较多，表现出矿坑涌水由少到多的现象，随着白垩系含水层储存量的疏干以及下部砂质泥岩含水性变差，水量开始出现由大到小的表象。

魏家地煤矿自建成投入生产以来，随着生产规模的扩大、采深的增加，矿井的涌水量不断增大，但增加幅度较小。据该矿历年的矿井涌水量统计结果，矿井中涌水量大部分来自灌浆脱水(占47%)，次为生产用水(占33%)，含水层涌水仅占20%。

根据魏家地煤矿提供的2012—2018年度矿井水文观测资料，近8年来矿井最大涌水量为144.0 m3/h，最小涌水量为97.69 m3/h，平均总涌水量为114.40～133.60 m3/h，除去灌浆脱水和生产用水，含水层实际涌水量为22.88～26.72 m3/h。

2.2 工程地质条件

魏家地煤矿1、2、3煤层是可采和局部可采煤层，其煤层顶、底板岩体工程地质特征叙述见表1。

表1 煤层顶板岩石物理力学性质试验成果Tab.1 Test results of rock physical and mechanical properties of roof of coal seam

3 矿山地质环境影响和土地损毁评估

3.1 矿山地质环境现状及评估

通过对矿区地质环境调查分析，确定评估区内现状情况下发育的地质灾害主要有崩塌4处，地面塌陷及伴生地裂缝1处，矸石堆放可能引发滑坡、崩塌5处[5-7]。

(1)崩塌特征及评估。主要为侵蚀—堆积黄土丘陵地貌，发育崩塌的边坡坡高8～10 m，坡长10～12 m，坡宽40～50 m，坡体近于直立，出露地层为第四系马兰黄土。人工开挖取土造成边坡失稳，形成崩塌，由于仍在取土，故该崩塌的坡长和坡宽仍在不断变化中。崩塌灾害对矿山地质环境的影响程度属较轻，面积总计0.065 hm2。

(2)地面塌陷特征及评估。地面塌陷区位于魏家地煤矿西一采区井巷密集带正上方，地面塌陷最大深度3.1 m，陷坑形状为梯形，长轴方向近南北向，变形区面积约282.50 hm2，发生塌陷至今尚在进一步发展中，所处地貌为黄土丘陵和低中山区。地面塌陷伴生裂缝的单缝多呈直线、弧线形，拉张、下挫状，缝宽0.02～0.50 m，深度达3 m以上，近于贯通，长度可达200～800 m，倾向与阶步指向相同，倾角近直立。群缝排列组合形式呈平行、环围状，裂缝间距不一，一般1～5 m，最大下错距离达3.5 m。

目前魏家地矿区内西一采区1、2、3煤层，东一采区1煤层及北一采区1煤层已全部采完，西二采区对1煤层进行了局部开采。根据魏家地煤矿开发利用方案提供的开采进度计划、开采时间，并结合开采区域来划分开采时段。此次将魏家地煤矿采矿许可证剩余服务年限13.0年(2019年1月—2031年12月)划分为3个开采时段：第1时段(2019年1月—2023年12月)，将西二采区1、2、3煤层、东一采区2、3煤层及北一采区2煤层全部采完；第2时段(2024年1月—2028年12月)，将北一采区3煤层全部采完；第3时段(2029年1月—2031年12月)，对东二采区的1煤层进行局部开采。

根据方案服务期内的地表沉陷范围，绘制了开采时段的下沉等值线图(图2)，以此分析其危害特征及对地质环境的影响程度。方案服务期内所有煤层开采完之后，预测总塌陷面积约823.4 hm2，包括现状塌陷区面积282.5 hm2，拟塌陷不重复塌陷区面积540.9 hm2，重复塌陷面积为72.41 hm2。地表最大下沉值为19 586.69 mm，最大倾斜值为64.22 mm/m，最大曲率为320.1×10-3m-1，最大水平位移7 795.50 mm，最大水平变形值38.85 mm/m。预测采矿活动加剧地面塌陷灾害对矿山地质环境影响程度属严重[8]。

图2 方案服务期地表下沉等值线(概率积分法)Fig.2 Subsidence contours during the service period of the plan(probability integral method)

(3)矸石堆放处可能引发滑坡、崩塌及评估。根据现场调查，魏家地煤矿现有排矸场5处(Z1—Z5)，其中，Z1—Z4排矸场均已废弃，均已采取分级放坡、覆土平整等措施进行了治理，稳定性较好。预测评估Z1—Z4排矸场矸石堆放引发滑坡、崩塌灾害对矿山地质环境影响程度属较轻。

目前及后期使用的Z5排矸场位于矿区南部的大岘沟内，占地面积约8.83 hm2，现状堆积高度为10～30 m，堆积方量约155.10×104m3。根据矿山年产矸石量8.2×104m3推算，至方案服务期的最后一年，预估矸石堆积方量将达到220.70×104m3，堆积高度增加至30～50 m(图3)，每年新增占地约0.58 hm2，占地面积将扩大至16.37 hm2。Z5排矸场堆积规模较大，稳定性较差，引发滑坡、崩塌灾害的可能性较大；危害对象为排矸场工作人员及施工机械设备等，预估受威胁人数3～5人，可能造成的直接经济损失约50万元。故预测评估方案服务期内，Z5矸石堆放引发滑坡、崩塌灾害对矿山地质环境影响程度较严重[9]。

图3 Z5矸石堆现在及预测剖面示意Fig.3 Schematic diagram of the current and predicted profile of Z5 gangue pile

3.2 矿区水土环境破坏现状及评估

魏家地煤矿工程活动对土地造成的损毁主要有土地压占损毁、土地取土挖损、采空区塌陷损毁。

(1)土地压占损毁。根据现场调查，该矿山采矿活动对土地造成压占损毁的地面工程主要包括：1号工业场地33.42 hm2，2号工业场地18.21 hm2，生活区34.95 hm2，南风井场地3.05 hm2，排矸场13.64 hm2，堆煤场8.77 hm2，矿区专用铁路6.10 hm2，矿区道路2.57 hm2。压占损毁土地总计120.71 hm2。

(2)土地取土挖损。魏家地煤矿黄土灌浆取土场共设置4处，其中G1、G3黄土灌浆取土场均已废弃，已挖损土地面积分别为0.81 hm2和0.71 hm2；目前及后期继续使用的G2、G4黄土灌浆取土场，已挖损土地面积分别为0.32 hm2和0.58 hm2。以上4处(G1—G4)黄土灌浆取土场共计挖损土地面积2.42 hm2。后期矿山取土有2处(G2、G4)，主要为黄土灌浆取土，工程复垦时地裂缝充填、覆土等所需土方量，预测2处取土场拟新增损毁土地2.08 hm2(图4)。

图4 G4取土场拟挖损平面及取土场拟挖损土地剖面示意Fig.4 Plan of the borrow yard to be excavated and the cross-section of the soil to be excavated in the G4 borrow yard

(3)土地沉陷损毁。根据此次调查和矿方提供的以往开采情况及矿区地面塌陷变形监测资料，现状魏家地煤矿土地沉陷共1处，面积为282.50 hm2。根据地面塌陷特征及评估，得出魏家地煤矿在方案服务期内开采后土地拟沉陷损毁面积共823.40 hm2，其中轻度损毁区面积348.41 hm2，中度损毁区面积258.51 hm2，重度损毁区面积216.48 hm2。拟塌陷土地损毁程度及面积详见表2。

表2 服务期内拟塌陷损毁土地面积统计Tab.2 Statistical tables of land area to be collapsed during the service period

4 矿区地质环境治理与土地复垦

4.1 地质灾害治理工程

(1)黄土灌浆取土场崩塌治理工程。近5年内主要对已废弃的2处黄土灌浆取土场由于人工开挖引发的B1、B3崩塌灾害采取削坡减载工程措施。为了确保施工安全，采取自上而下的施工方法，对崩塌体分两级削坡，坡比不宜小于1.00∶0.75，每级台阶高度设置为5～6 m为宜，上下台阶之间设置宽1.5～2.0 m的马道[9]。

(2)塌陷区裂缝充填工程。①设立警示牌。由于区内地面塌陷区地裂缝发育具有不确定性，故在现状发育及近期5年内引发的地裂缝区的周围及路口处设置明显的警示牌25处，警示牌上明确写清“塌陷危险区、严禁进入”等字样[10]。②塌陷区裂缝充填工程。地裂缝充填工程主要针对区内预计水平拉伸变形达到2.0 mm/m以上的区域。从魏家地煤矿已发生地面塌陷来看，地裂缝的分布面积和规模较大，一般出现于煤柱、采空塌陷的边缘地带，以及煤层浅部地带，且多沿工作面走向分布。裂缝造成地表水体漏失、土壤肥力流失，影响农业生产，需要采取整治措施[11]。轻、中度损毁的沉陷区裂缝可直接用土填充，采用人工作业方式处理[12]。人工就地挖土填补裂缝，填土夯实后进行平整，具体方法为：在垂直于裂缝走向的自然地势上坡方向，取地表腐殖土厚30 cm 向后堆放，就近取土填缝，逐步后退预先堆放的腐殖土，均匀回填，基本摊平。对于重度损毁的宽度较大裂缝填充具体步骤：填充裂缝可用小平车向裂缝中导入土，当填充高度距地表1 m左右时进行夯实，然后每填充厚度40 cm左右捣实1次，直到略低于原地表，然后充填厚0.3 m的土捣实。

4.2 土地复垦工程

依据土地复垦适宜性评价结果，项目区复垦责任范围面积为853.04 hm2，复垦后土地面积为830.56 hm2，复垦率为97.36%，复垦方向为耕地、草地及住宅用地等。

需要说明：由于复垦责任范围内包含的2处(G2、G4)取土场、1处(Z5)排矸场及2处(D1、D2)堆煤场，为矿山目前使用及方案服务期结束后仍将继续使用，此次不对其设计复垦工程。

另外，矿山前期对已塌陷并趋于沉稳的塌陷区局部进行了复垦，已复垦面积约90 hm2，属于已复垦未验收且不再重复塌陷范围，经现场调查，植被长势良好，已达到草地复垦要求，复垦效果较好。故此次针对该区域不再布置复垦工程措施，以土地复垦效果监测和管护为主[8-9]。

5 效益分析

矿山地质环境保护与复垦工程实施后，可有效治理因采矿造成的地面塌陷和地裂缝地质灾害，修复损毁土地，减缓含水层和地形地貌景观破坏，遏制生态环境的恶化，恢复损毁的植被[11]。

(1)环境效益。该方案的实施，有效保护了矿区矿产资源有序开发。通过植被建设，提高植被覆盖率；通过植物固沙保持土壤，防止风蚀沙化，减轻地质灾害对矿山企业的危害，改善了区内不良地质环境和生态环境。

(2)社会效益。通过矿山恢复治理，减少地质灾害发生，保障人民生命财产安全；土地恢复治理，促进矿区可持续发展，增加就业，可缓解剩余劳动力问题。

6 结论

(1)本次对矿山全区进行了全面的地质调查评价，矿区地质环境条件复杂，矿山地质环境影响评估级别确定为一级。

(2)矿区矿业开发造成的地质环境问题主要有地面塌陷、崩塌灾害。地面塌陷造成严重的地貌景观破坏，对矿山的地质环境影响程度属严重；崩塌造成的地质环境影响程度较小，对矿山的地质环境影响程度属较轻。

(3)矿区地貌破坏主要表现为土地压占损毁、土地取土挖损和采空区塌陷损毁。

(4)通过有效的地质灾害防治和生态环境恢复，可有效降低矿产开采活动对环境的影响。