安家?guī)X煤礦露井聯(lián)采區(qū)沉陷狀況調(diào)查及防治

韓靜,白中科,李晉川

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 工學院,山西太谷 030801;2.中國地質(zhì)大學(北京)土地科學技術(shù)學院,北京 100083;3.山西省生物研究所,山西 太原030006)

在采煤業(yè)迅猛發(fā)展的同時,其生產(chǎn)工藝和流程存在著許多地質(zhì)災害誘發(fā)的隱患,嚴重影響礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。

露天開采在我國的煤炭工業(yè)中占有越來越重要的地位。但大都處于干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)[1]。據(jù)美國研究委員會公布的數(shù)據(jù),美國露天開采1240億t煤炭約破壞400萬hm2的土地[2]。以平朔露天煤礦為例,采煤活動結(jié)束后,將出現(xiàn)180 km2左右的土地挖損、壓占區(qū)域[3]。本文以平朔安家?guī)X露天煤礦(以下簡稱AJL礦)為例,對露井聯(lián)采區(qū)的西排土場已發(fā)生和易發(fā)生的沉陷狀況進行調(diào)查研究,為今后的復墾工作提供理論依據(jù)。

1 自然概況

該礦區(qū)位于山西省北部的朔州市平魯區(qū)境內(nèi)[3],是一個對環(huán)境改變反應敏感、維持自身穩(wěn)定的可塑性較小的脆弱生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),屬黃土丘陵——強烈侵蝕生態(tài)脆弱系統(tǒng)。

2 研究方法

依據(jù)AJL煤礦復墾區(qū)工程圖,利用全球定位系統(tǒng)(GPS)對西排土場的平臺、邊坡布點,根據(jù)布點情況設(shè)計樣地并調(diào)查、勘測,結(jié)合收集的資料,對調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計分析,對比,對礦區(qū)沉陷問題進行詳細剖析。其選取的依據(jù)和方法如下:

AJL礦區(qū)井工礦位于外排土場下方,含煤量較豐富,煤層從上而下主要有4號,9號,11號煤,現(xiàn)已開采的有4號,9號煤層。4號煤層厚7～8 m,9號煤層厚約16 m,4號煤層與9號煤層間相差約50 m。4號煤底板等高線高程約1160 m,9號底板等高線高程約1210 m。原始地貌到4號煤層的厚度120多米。

4號煤層分4個采掘巷道;9號煤層分5個采掘巷道。4號、9號煤層采掘巷道走向是由南向北,每條采煤巷道的工作面寬為240 m,煤柱寬20 m,每側(cè)各留5 m通風巷道。

調(diào)查樣帶設(shè)置是依據(jù)采掘巷道走向,做平行和垂直于采掘巷道的樣帶調(diào)查。平行于巷道的為縱向樣帶,垂直于巷道的為橫向樣帶?？v向調(diào)查樣帶是沿采掘巷道走向即經(jīng)度不變,做5條縱向調(diào)查樣帶,并對其編號,命名。橫向調(diào)查樣帶則是緯度不變,與采掘面走向垂直,依據(jù)其下采掘進度和排土場頂部平臺進行樣帶選擇,并對其編號,命名。每個樣方為20 m×10 m。

3 沉陷狀況調(diào)查

根據(jù)樣地設(shè)計方案,共有5條縱向樣帶,1條橫向樣帶。縱向樣帶共有43個樣方,包括22個平臺樣方,21條下斜坡樣方。橫向樣帶共有5個樣方。同時,調(diào)查其裂縫數(shù)量,對其進行規(guī)律整理。9000、9001平臺樣帶為西北-東南走向,9002、9003平臺樣帶為東西走向,9004平臺樣帶為南北走向。見表1,表2,表 3。

表1 AJL露井聯(lián)采區(qū)排土場縱向樣帶平臺樣方沉陷狀況Table 1 The subsidence state about open-underground combine mining of dump longitudinal transect plots

表2 AJL露井聯(lián)采區(qū)排土場縱向樣帶下斜坡樣方沉陷狀況Table 2 The subsidence state about open-underground combine mining of dump longitudinal transect landslide plots

表3 AJL露井聯(lián)采區(qū)排土場橫向樣帶沉陷狀況Table 3 The subsidence state about open-underground combine mining of dump traverse transect

依據(jù)調(diào)查時開采程度,9000樣帶下對9號煤層已開采完畢,其下已成為采空區(qū);9001樣帶下4號煤層已經(jīng)采空,9號煤層正在進行采掘,且只推進了320 m;9002樣帶下4號煤層已經(jīng)采空,9號煤層尚未開采;9003樣帶下4號煤層于2007年年底采完,9號煤層尚未開采;9004樣帶下4號、9號煤層都尚未開采。

表1中樣方名稱中的數(shù)字(如9001,9002)為樣帶名稱。深度值為可測量到的范圍。橫貫樣帶,縱貫樣帶為貫穿樣帶的裂縫占該樣帶裂縫總條數(shù)的百分比。由表1看出,9000、9001、9002平臺樣帶裂縫走向基本為東西走向,均貫穿樣帶,每條裂縫間隔約2m;9003平臺樣帶呈網(wǎng)格狀沉陷;9004平臺樣帶裂縫走向為南北走向。由于裂縫走向與平臺走向基本相同,所以9003平臺樣帶和9004平臺樣帶都極易引起滑坡。

由表2看出,9000下斜坡樣帶裂縫較多,每條裂縫間隔約為2 m,寬度大于2 m的裂縫有3條,其中一條為其上平臺的延伸裂縫;9001下斜坡樣帶裂縫較小,多為雨水沖溝,有4條寬度大于30 cm的沖溝貫穿于斜坡;9002下斜坡樣帶和9003下斜坡樣帶裂縫較多;9004下斜坡樣帶主要以雨水沖溝為主,無裂縫,有的地方地表徑流嚴重。

由表3看出,橫向樣帶只有 N9000、N9001樣帶裂縫較多,其中N9000樣帶裂縫走向為東西走向,N9001樣帶呈網(wǎng)格狀沉陷;N9002、N9003、N9004樣帶則無裂縫,但有一定沉陷,雨水沖擊形成積水洼地,地表徑流嚴重;N9004樣帶在斜坡上,有雨水沖刷溝,旁邊為煤矸石堆放廠。見圖1。

調(diào)查時,已對一些頂部平臺裂縫、沉陷嚴重的地區(qū)重新平整過(見圖2),沉陷狀況表現(xiàn)不明顯。對露井聯(lián)采區(qū)排土場外的原地貌進行實地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)其沉陷狀況不明顯。

圖 1 煤矸石堆放場Fig.1 Dump of coal gangue

圖2 已平整的排土場平臺Fig.2 Leaved plots of dump

4 防治對策

4.1 同時充填開采法

AJL露天礦在開采時,會產(chǎn)生大量巖土和煤矸石,是合適的充填材料。此法可減少在原地貌上人工堆墊排土場的形成,有利于露井聯(lián)采區(qū)在原地貌上進行復墾,從而降低由于松散的堆積地貌造成的水土流失、滑坡等人為地質(zhì)災害。但需大幅度增加煤炭生產(chǎn)投資和成本[4]。

4.2 生態(tài)恢復措施

采煤影響煤層上部的裂隙水,引發(fā)淺層地下水滲漏;地表降水沿裂縫下滲,改變坡面徑流,使地表水補給受到影響。裂縫區(qū)域的拉伸或壓縮,改變土壤孔隙度,不利于蓄水保肥和土壤有機質(zhì)分解,景觀環(huán)境也受到影響。因而及時填堵裂縫,因地制宜平整土地;對滑坡和嚴重沉陷及沉陷坑邊緣地區(qū)進行修復或補償[5～7]。

4.3 其它措施

(1)完善礦區(qū)地質(zhì)災害預警監(jiān)測系統(tǒng)

建立地面與地下變形監(jiān)測網(wǎng),隨時收集礦產(chǎn)開采過程中的地面、地下巖體變形的信息;預測、預報可能發(fā)生的地質(zhì)災害;隨時根據(jù)地質(zhì)環(huán)境變化修正最終開采界限;建立地表水和地下水水化學動態(tài)觀測網(wǎng),以防止水體污染事件的發(fā)生。

(2)預防采動滑坡

根據(jù)露天礦邊坡工程地質(zhì)條件,確定邊坡不穩(wěn)定區(qū),加強監(jiān)測,重點加以防治,加強生產(chǎn)管理,嚴格執(zhí)行采掘生產(chǎn)規(guī)程,采取預裂爆破等減震措施,嚴禁邊坡上的亂采亂掘;坡腳堆放大石塊,攔截坡面下移泥沙,保護坡腳排水渠系;坡面不覆厚層黃土,采取土石混堆后立即種植,對重點防范區(qū)段進行邊坡加固治理。

5 建議

5.1 建立采動損害處理法律法規(guī)

目前我國尚無專門的沉陷損害處理法規(guī)。只是在有關(guān)法規(guī)中做了某些原則性的相關(guān)規(guī)定。如《中華人民共和國環(huán)境保護法》;1988年國務院頒布的《土地復墾規(guī)定》;煤炭工業(yè)部《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》以及國務院國發(fā)(1980)176號、(1983)10號等有關(guān)文件[4]。

我國應借鑒發(fā)達國家的立法經(jīng)驗,結(jié)合礦山環(huán)保工作中存在的問題,大力加強這方面的立法工作,如美國制訂了《資源保護與回收法》;法國制定了《廢物處理和資源回收法》等[8]。

5.2 礦區(qū)沉陷治理規(guī)劃

根據(jù)本礦區(qū)的地形地質(zhì)和采礦條件以及地表與巖層移動觀測研究成果,對其各煤層開采后地面各主要受護對象可能出現(xiàn)的地表沉陷變形與破壞進行預測,并根據(jù)已有的相關(guān)分級標準,為深入認識災情、制定防災政策、規(guī)劃防治區(qū)域、實施防治措施以及優(yōu)選防災項目、進行項目管理提供建議。

5.3 采沉區(qū)復墾

國外研究表明:現(xiàn)代復墾技術(shù)研究的重點應是土壤因素的重構(gòu)而不僅是作物因素的建立,為使復墾土壤達到最優(yōu)的生產(chǎn)力,構(gòu)造一個最優(yōu)的土壤物理、化學和生物條件[9]。采用生物復墾技術(shù)對采沉區(qū)進行復墾。

[1]趙躍龍.中國脆弱生態(tài)環(huán)境分布及其綜合整治[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,1999:93-94.

[2]馬祥愛.露天礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與資源利用評價[D].山西農(nóng)業(yè)大學,2005.

[3]白中科,李晉川.露天煤礦土地復墾與生態(tài)重建[M].北京:科學出版社,2000:18-28.

[4]康建榮,何萬龍,胡海峰.山區(qū)采動地表變形及坡體穩(wěn)定性的分析[M].北京:中國科學技術(shù)出版社,2002,12.

[5]趙明,郭高川,韓永亮,等.煤炭開采工藝及生態(tài)保護對策研究[C].//煤炭開發(fā)建設(shè)項目生態(tài)環(huán)境保護研究與實踐.北京:中國環(huán)境科學出版社,2006,10.

[6]林大儀.土壤學[M].北京:中國林業(yè)出版社,2002:147-221.

[7]毛文永.生態(tài)環(huán)境影響評價概論(修訂版)[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,2003:237-309.

[8]尹向林.論礦山企業(yè)環(huán)境地質(zhì)災害問題與對策[J].礦業(yè)快報,2003,6(6):4-5.

[9]張增鳳,丁慧賢,趙艷紅,等.我國煤礦環(huán)境污染的成因與對策[J].中國礦業(yè),2002,11(4):44-45.