永城市采煤塌陷区地质环境问题及修复治理措施

方忆刚，郭飞翔

(河南省地质矿产勘查开发局 第四地质矿产调查院，河南 郑州 451452)

永城市煤炭资源丰富，是全国六大无烟煤基地和煤化工重要基地，对豫东经济建设做出巨大贡献的同时，产生了一系列生态环境问题。大量煤矿塌陷区的产生和扩大，已开始制约了永城市经济和社会可持续发展。永城市东西城区间采煤塌陷区矿山地质环境治理示范工程作为全国首批矿山地质环境治理示范工程项目[1-2]，实施采煤塌陷区生态环境治理，发展湖山景观旅游，以旅游带动多种产业的发展，不仅改善了当地居民生活环境，而且实现了永城市经济产业转型，为以采煤生产为主的城市转型发展提供借鉴和参考。

1 工程概况

永城市煤炭资源丰富，开采历史悠久，主要开采二叠系山西组和下石盒子组煤层，采煤区地表变形明显，形成了较大面积地面塌陷区，使原有土地成为沼泽地、湿地，失去了耕种功能。本次拟通过人工湖开挖、人工岛和土地平整等工程措施服务于日月湖景观规划和设计，涉及治理面积600 759.77 m2，实现资源枯竭的产业转型和社会、环境与经济效益的协调发展。其中，人工湖和人工岛工程面积为260 759.77 m2；土地平整工程面积为340 000 m2。

2 地质环境背景

(1)自然地理。区内处于暖温带半湿润季风气候，夏季多东南风和南风，冬季多西北风和北风；年平均降水量800 mm；结冰期为11月至翌年3月，最大冻土深度为21 cm；位于张桥闸下游，下游河底标高为+28.2 m，地面标高为+32.8 m，多年水位标高+28.8～+29.9 m；位于黄河泛滥冲积平缓平原，地形平坦开阔，地势西北高东南低，地面坡降为1/4 500～1/6 000，地面标高+32～+34 m，被第四系全新统粉土和粉质黏土所覆盖。

(2)地质条件。区内勘探深度范围内主要为第四系全新统河流相黏土、粉土、砂土及人工填土，可细分为人工填土、粉质黏土、黏土和粉砂层4个工程地质单元层；地下水位埋深4.2～4.9 m，水位标高+27.46～+29.99 m。地下水类型为新生界松散岩类孔隙水、二叠系砂岩裂隙水和灰岩岩溶裂隙水，细分为9个含水层段。与本工程相关的为新近系、第四系孔隙含水组，主要为第四系全新统孔隙潜水含水段、第四系更新统孔隙承压含水段、新近系上新统孔隙承压含水层和新近系中新统孔空、隙承压含水层。浅层地下水补给主要为大气降水垂直入渗补给。

(3)场地条件。区内早期地下采煤活动强烈，地表自然环境破坏严重，整个治理区整体塌陷，塌陷中心深度一般为0.5～4.0 m，平均为2.25 m，地面标高为+28～+32 m；治理区地下水位较浅，人工湖开挖时湖底位置泛水，极大地增加了施工难度；西侧湖已蓄水，注意开挖范围；开挖深度大，宜采取分层开挖，且随时做好抽排水工作。此外，永城东西城区间地面塌陷较多，耕地不能耕种，富余劳动力多，用工方便。

3 地质环境问题

受永城市城郊煤矿开采影响，区内主要矿山地质环境问题为地面塌陷、地裂缝、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地资源破坏。

3.1 地质灾害

区内地质灾害类型主要为采煤活动形成的地面塌陷及其伴生地裂缝，对地面建筑物和土地损害严重。采煤地面塌陷特征主要表现为地表塌陷面积相对较大(图1)、地表下沉速度快、活跃期短、危害严重等。地面塌陷在地表上表现为凹陷盆地形态，多为碟形洼地，四周略高，中间稍低，中心深度0.5～4.0 m，平均2.25 m，并伴有大量地裂缝。地裂缝往往沿塌陷盆地四周呈条形、弧形、环状、半环状分布，伴随地面塌陷成群出现，地裂缝规模小，长度一般都小于1 000 m，多数在1～500 m，裂缝宽0.2～1.0 m，个别超过1.0 m，地裂缝破坏性强[3]，影响周期长，对建筑物损坏大，影响土地耕种，地质灾害影响程度严重[4-5]。

图1 地面塌陷和地形地貌景观破坏Fig.1 Ground collapse and landform landscape damage

3.2 地形地貌景观破坏

区内存在不同程度的地面塌陷和地裂缝。各塌陷区呈碟状展布，使区内满目疮痍，景观破坏，植被破坏严重，坡面破碎、凌乱，破坏了以前平坦的地貌形态，对原生的地形地貌景观影响和破坏程度大[6-7]，对地形地貌景观影响和破坏严重。

3.3 土地资源破坏

区内土地资源破坏因素为地面塌陷和地裂缝地质灾害。区内形成了较大面积的地面塌陷区，地表变形显著，塌陷区形成常年积水，使原有土地形成沼泽地、湿地，失去了耕种功能，共破坏土地面积1.264 km2(耕地0.634 km2)，土地资源破坏程度为严重[8-9]。

3.4 含水层破坏

各含水层间存在隔水层，且含水层之间水力联系较弱；矿井疏水仅对煤层顶底板之间含水量有影响，对浅部含水层水位、水量影响较小；浅层地下水位标高为+27.2～+27.6 m,矿山开采对含水层的影响或破坏较轻[10-11]。

4 治理措施

4.1 总体思路

永城市东西城区间采煤塌陷区矿山地质环境治理示范工程主要服务于日月湖景观规划和设计。按照“挖深垫浅”和“挖湖堆山”的总体思路，实施“二湖四岛一座山，三路三沟一绿化”的绿化方案，合理布置挖填区域，使挖方量与填方量大致持平，建设一个具有地域性、文化性、时代性的人工湖和景观山体小岛特色景观，形成“城在林中，道在绿中，房在园中，人在景中”的景观系统。

4.2 治理工程设计

区内治理工程主要包括人工湖工程、人工岛工程及土地平整工程。

(1)人工湖工程。人工湖工程主要为土方开挖和边坡修整。土方开挖主要涉及湖底高程、湖岸线高程、湖底线高程、坡度、湖底平整度和坡面平整度，重点在于湖底降排水、高程和平整度。人工湖共开挖面积为260 759.77 m2，开挖土方量为830 898.60 m3，人工湖边坡平整、压实量均为195.90 m3。人工湖开挖区域内地下水水位埋深为5.9～7.1 m，地下水位高程高于开挖的湖底高程，给施工带来了极大的困难。施工降排水是施工质量控制的关键措施，采用预留隔水坝和降排水的施工措施，保证施工安全。采用“横向分层、纵向分段、阶段掘进”的方式施工，坡度遵循从上至下逐级开挖，每层3 m左右，挖湖和修湖岸一次完成，并开挖一级，防护加固一级；土方开挖主要采用1 m3挖掘机挖掘，配合自卸汽车进行运土，并使用推土机进行平整；开挖范围的上侧严禁弃土，在边坡上部堆置弃土时确保开挖边坡的稳定；在挖方下侧弃土时，将弃土堆表面平整至低于挖方场地标高并向外倾斜，检查湖体下口、湖体水位线及湖体上口标高，同时检查湖岸坡度，不够时及时修整；明挖过程中，出现裂缝和滑动迹象时，立即暂停施工，并采取合适的应急抢救措施；人工湖斜坡坡面成形后，进行坡面修整，采取保护措施，防止坡面被水冲垮和塌方；土方开挖工程中进行土方平整，做到平整、无虚土、稳定、安全；岸坡挖好后，及时夯实边坡，以免造成水土流失[11]。

(2)人工岛工程。区内人工岛工程包括岛2和岛3两座岛(图2)，主要为土方平整、压实及护坡。其中，土方平整60 163.8 m3，小岛压实60 163.8 m3，护坡浆砌石10 751.16 m3，砂垫层3 371.15 m3，碎石垫层106.29 m3，PVC排水管984.10 m，土工布30.07 m2，基础土方开挖14 228.59 m3，伸缩缝299.04 m2。①岛2岛底面积24 160.90 m2，岛顶标高+30.2 m，岛的边坡设计4个坡比，岛的后缘下部标高在+24.5～+27.5 m的坡比为1∶3,上部标高在+27.5～+30.2 m的坡比为1∶6；岛的前缘下部标高在+24.5～+27.5 m的坡比为1∶2,上部标高在+27.5～+30.2 m的坡比为1∶5。其中，标高为+24.5～+27.5 m段浆砌石护坡。②岛3岛底面积为73 588 m2，岛顶标高为+30.4 m，岛的边坡设计2个坡比，下部标高在+24.5～+27.5 m段的坡比为1∶3；上部标高在+27.5～+30.4 m段的坡比为1∶7。其中，+24.5～+27.5 m段浆砌石护坡。

图2 人工湖和人工岛示意Fig.2 Schematic diagram of artificial lake and artificial island

岛的边坡+27.5 m以下采用厚30 cm的M10浆砌石护坡；湖底+24.5 m处采用60 cm×60 cm浆砌石护底；+27.5 m处有40 cm×30 cm浆砌石平台，整个浆砌石下面为厚10 cm的砂垫层；边坡纵向每隔1 m布置φ75 mm的PVC排水管1根，共布置2根，横向每隔3 m布置1排。排水管与水平方向夹角为5°，孔后用土工布裹护。岛边坡每20 m处设置1条伸缩缝。护坡坡比与各自岛的坡比一致[12]。人工岛对土方回填进行平整和压实，涉及岛顶高程、压实度、边坡坡度，场地标高允许偏差±50 mm，压实度>90%。浆砌石护坡涉及基础顶标高、开挖宽度、基础底标高，主要项目为砂浆饱满度和表面平整度，基础顶底标高允许偏差为±10 mm，开挖宽度允许偏差为±100 mm。叠石护岸工程主控项目有底面高程和顶面高程，主要涉及叠石质量和表面平整度。前者用水准仪检验高程，并用电子秤检验块石质量；后者用水平尺检验表面平整度，顶底标高允许偏差为±10 mm。人工岛护坡工程量见表1。

表1 人工岛护坡工程量Tab.1 Bill of quantities of artificial island slope protection

(3)土地平整工程。区内人工湖的东部、人工航运河的西部(含堆山区域)，面积为0.70 km2，地面标高+29.97～+31.90 m，土地平整工程回填高度为32 m(人工湖湖岸标高+32 m),土地平整时可根据原始地形保持一定的坡度，坡度控制在1∶1 000左右[13]，填方量760 908.90 m3，土方来源于人工湖一标段的开挖[14-15]。

区内有较大面积的农用耕地，土地平整前先将耕地上的熟土剥离50 cm储存，土地平整区熟土剥离量为156 192.83 m3；用人工湖开挖的生土回填，人工夯打土20～25 cm，机械碾压土30～50 cm，回填到标高+31.5 m；顶部覆剥离的熟土，覆土厚度50 cm。填土全部完成后，进行表面拉线找平，凡超过标准高程的地方依线铲平，凡低于标准高程的地方补土夯实；场地标高允许偏差±50 mm，表面平整度允许偏差±30 mm；含水量与最优含水量相比允许偏差-4%～+2%；分层压实系数≥0.9。此外，为降低成本和土方平衡，土地平整区中堆山区域表土不剥离，直接用人工湖土方回填至标高+32.0 m。

4.3 工程效益

(1)减灾效益。区内位于永城市东西城区间城郊煤矿区，多年的采煤活动已造成了大面积的地面塌陷、地形地貌景观的破坏、含水层破坏等矿山地质环境问题[16]。塌陷区内建筑物、耕地整体下陷，部分居民房屋浸泡在积水中，给居民生活带来极大的安全隐患和困难。矿山生态环境治理不仅消除了地质灾害隐患，而且改善了当地的生态环境以及生活环境(图3)。

图3 治理后人工湖和人工岛现状Fig.3 Current situation of artificial lake and artificial island after treatment

(2)环境效益。项目的实施有效改善了采煤塌陷区的环境，使景观得到充分的改善、绿化愈加美观，改善了当地的生态环境以及生活环境，其自然、美观、环保的形象，为永城人民打造了一处休闲娱乐的好去处，让大家的身心得到了放松、变得愉悦，环境效益非常显著。同时，随着旅游产业的不断开发，永城市境内旅游景区的社会形象将不断提升，吸引更多的游客观光游览，充分实现了其景观价值。

(3)社会效益。项目治理过程中，将存在的地质灾害隐患、地质环境问题实行连片、分阶段治理，使矿山地质环境得到了明显的改善，为当地人民的生产、生活创造了良好的生态环境，提高了当地居民收入。此外，实施日月湖规划和设计优化了旅游环境，使永城市境内旅游景区的社会形象得到提升，同时吸引更多的游客到永城观光游览，推动了永城旅游经济的发展，社会效益明显。

总之，永城市东西城区间采煤塌陷区矿山地质环境治理工程治理塌陷区面积0.35 km2，新增水域面积0.35 km2，不仅改善了当地环境地质条件，而且实现了资源枯竭城市产业转型。以旅游带动多种产业配套、协调发展，为永城市经济的发展作出了贡献，达到了社会效益、环境效益与经济效益的统一。

5 结论

(1)永城市采煤塌陷区主要矿山地质环境问题为矿区地面塌陷、地裂缝、含水层破坏、地形地貌景观破坏和土地资源破坏。地面塌陷及其伴生地裂缝对地面建筑物和土地损害严重，地质环境问题严重，对原生的地形地貌景观影响和破坏程度严重，对土地资源破坏程度严重，对含水层的影响或破坏较轻。

(2)按照“挖深垫浅”和“挖湖堆山”的思路，合理布置挖填区域，实施人工湖、人工岛及土地平整工程治理措施，不仅消除了安全隐患，改善了当地的生态环境及生活环境，而且服务于日月湖规划和设计，推动了永城市经济产业转型，产生了明显的经济和社会效益。