露井聯(lián)采區(qū)西排土場平臺沉陷狀況分析

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）

礦山開采已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的主要來源，但大規(guī)模的采礦活動，使本已十分脆弱的生態(tài)環(huán)境進一步惡化，地質(zhì)災害頻繁發(fā)生。據(jù)2010年測算，全國煤礦累計采空塌陷面積當時已超過7000 k m2，在重點煤礦，平均采空塌陷面積約占礦區(qū)含煤面積的1／10。其中，煤炭產(chǎn)量占全國1／4左右的山西省，煤炭采空區(qū)面積約2萬k m2，約占全省總面積15．6萬k m2的1／7，6000 k m2遭受了地面塌陷等地質(zhì)災害［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國采煤平均每噸煤排放地下水量為2．0～2．5 t，排放瓦斯4～5 m3；每采萬噸煤沉陷面積0．2～0．3 h m2，消耗木材100 m3。我國煤炭工業(yè)的53年中，累計排放煤矸石46～50億t，排放礦井水680～790億t，采煤沉陷土地面積63萬h m2，形成矸石山2800余座，積存煤矸石36億t，矸石山占地6．5萬h m2，露天礦挖損土地75萬h m2，煤炭自燃56個火區(qū)，過火面積720 k m2，采煤引起的地質(zhì)災害嚴重［2］。

根據(jù)開采沉陷的研究成果，煤層采出后地下礦層形成大面積采空區(qū)，礦層上部失去了支撐，平衡條件被破壞，采空區(qū)上方巖體隨之將產(chǎn)生變形、崩塌［3，4］。開采沉陷區(qū)的產(chǎn)生，人為地破壞了相對穩(wěn)定的地表生態(tài)系統(tǒng)，使土壤生產(chǎn)力喪失或降低，土壤鹽漬化，地下水位的不斷下降，威脅人們的正常生活［5，6］，礦井排風、煤層瓦斯抽放、煤層自燃、煤矸石山的自燃和粉塵助長地球的溫室效應［7］，污染大氣環(huán)境。本文以平朔安錄嶺煤礦露井聯(lián)采區(qū)為例，針對該區(qū)西排土場頂部平臺沉陷進行實地調(diào)查，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)，平朔安家?guī)X露天煤礦（以下簡稱AJL礦）占地面積60．64 k m2左右，服務(wù)年限97年（1998～2095年）［8］，其露天礦的開采時間是1989年，一號井工礦開采時間是2005年。由于露天開采巖土排棄，已形成一座高1430～1455 m的外排土場（包括西排土場和東排土場）；同時，部分剝離巖土回填礦坑，形成內(nèi)排土場，開采區(qū)總占地近千公頃，見表1［9］。西排土場于2001年6月開始正式排土，到2002年2月終止排棄［10］。其地質(zhì)層組由下到上：C3L－PIS－PIX－P2S－N2b－QIW＋QIL－Q3m－Q4；堆墊形成的排土場是在上述地質(zhì)層組上增加了混合巖土排棄層；其表物質(zhì)除土狀物質(zhì)（包括黃土、紅土、紅黃土）外，在局部還可以見到土石混堆、土多石少，土少石多、黑矸和白矸等。故排土場地表形態(tài)單一、地質(zhì)層組紊亂，地表物質(zhì)復雜、土壤肥力貧瘠［9］。是一個水土流失嚴重、植被自然恢復遲緩，對環(huán)境改變反應敏感、維持自身穩(wěn)定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)。

表1 西排土場設(shè)計主要參數(shù)Table 1 Main parameter of wester n du mp

2 研究內(nèi)容與方法

基于國內(nèi)外相關(guān)研究多是以單一的井工礦或單一的露天礦地質(zhì)災害為研究對象，本文以生態(tài)脆弱的AJL礦為例，在對其露井聯(lián)采區(qū)的西排土場頂部平臺調(diào)查時發(fā)現(xiàn)沉陷情況嚴重，遂采用拍照取樣的方法進行調(diào)查，再利用Corel Draw制圖軟件測算樣地內(nèi)裂縫面積。在頂部隨機選取10×10 m2的樣方，沿樣方對角線每隔1 m做1 m×1 m的樣地，依據(jù)Corel Draw制圖軟件測算出樣地面積實際為0．87 c m2，共12個，見圖1。從裂縫總面積，裂縫占樣地面積比兩方面進行比較。見表2。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、排土場構(gòu)造、采掘工藝三方面，分析原因并提出相關(guān)治理措施，為今后的復墾工作提供理論依據(jù)［11］。

表2 西排土場頂部平臺樣方裂縫面積Table 2 Cranny area about western dump of top plots

3 露井聯(lián)采區(qū)排土場頂部平臺沉陷狀況分析

從表2可看出，裂縫占樣地總面積比＜10%的樣地有2個，10～50%的樣地有9個，＞50%的樣地有1個。調(diào)查時，西排土場頂部有些地方雖已復墾過，但沉陷和裂縫情況仍很嚴重（見圖2）。平臺表面土壤松散，徑流現(xiàn)象嚴重。由于排土場為土石混排，整體構(gòu)形松散，表面覆黃土，且下沉系數(shù)大，在降雨條件下，雨水直接沿土層下滲，對土層產(chǎn)生侵蝕搬運作用，在表面容易形成裂縫。由于大氣降水的不斷作用，裂縫不斷擴大，形成通道，而工作面回采結(jié)束時在采空區(qū)上原地貌形成裂縫帶，兩者共同作用下，下部土層支撐力不斷減弱，上部土層的自重力相對的增加，失去平衡，導致地面沉陷。

圖1 西排土場頂部平臺樣方沉陷調(diào)查Fig．1 Subsidence research about top plots of western dump

圖2 西排土場頂部平臺沉陷狀況Fig．2 The subsidence state about western du mp of top plots

4 成因分析

4．1 地質(zhì)構(gòu)造對沉陷形成的影響

AJL礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，原始地表土壤向下堆積厚度有一定差異，堆積有較深厚的松散土狀物質(zhì)。受采空區(qū)影響，上覆巖體的不均勻沉陷，使地表土體發(fā)生破壞變形，形成地面沉陷及地裂縫。AJL礦西排土場地面沉陷及裂縫均為煤炭采空區(qū)失穩(wěn)變形的演化產(chǎn)物，其形成滯后于煤礦開采時間。裂縫形成以后，受降雨影響，進一步產(chǎn)生沖刷、淋濾等次生作用，使其在原有規(guī)模的基礎(chǔ)上有所擴大。由于黃土特有的物理力學性質(zhì)，質(zhì)地松散、孔隙大易于發(fā)生崩塌、滑坡和采空裂陷，特別是采煤后三帶的形成導致地裂縫和地面沉降，進而誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，引起災害鏈。

在雨季，大氣降水形成水流通過采動裂縫潰入礦井形成水患，易出現(xiàn)淹井、突水等災害，導致開采安全事故的發(fā)生。

4．2 排土場非均勻沉降對沉陷形成的影響

平臺構(gòu)筑過程實際上就是人工進行土體再造，形成復墾種植層的過程，由黃土母質(zhì)直接鋪覆。

AJL礦排土場基底面積較大，使基底下墊面多樣化，有緩坡地、斜臺地、溝壑等。下墊面不一，其承載力也不一；加之排棄巖土空間分布很不均勻，造成不同部位壓縮沉降速率不一，即非均勻沉降。據(jù)以往調(diào)查，排土場的自然沉降在10%～20%之間，沉陷過程延續(xù)數(shù)年，頭三年沉降量可達穩(wěn)沉前沉降量的80%，且夏季＞春季，秋季＞冬季。根據(jù)前期調(diào)查研究，排土場非均勻沉降的形態(tài)有小陷穴、大陷坑、小裂隙、大裂縫、盲洞、盲溝等造成地表變形的徑流紊亂，會引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災害。

排土場巖土堆墊高速，主要以黃土為主，整體構(gòu)型松散，加之外排土場，一邊在原地貌上堆墊巖土，一邊又在其下挖煤，最終導致外排土場西區(qū)和露天礦排土場非均勻沉降和井工礦地表沉陷的情況。后期可能會誘發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災害。

4．3 開采工藝對沉陷形成的影響

開采實踐證明：采煤方法和頂板管理方法是影響圍巖應力變化、巖層移動、覆巖破壞的主要因素。工作面開采面積越大，采出率越高，覆巖和地表的移動破壞就越嚴重，而工作面的開采面積和回采率與采煤及頂板的管理方法有關(guān)。

由于AJL礦露井聯(lián)采區(qū)井工礦根據(jù)其煤層性質(zhì)，適宜于采用一采一放，雙輪順序放煤工藝，即綜采放頂煤工藝。但此法使地表易出現(xiàn)大的裂縫，在裂縫的兩側(cè)多伴隨大的臺階，此種開采使地表變形更集中于采空區(qū)上方［12～13］。相比其他的采煤方法，在其他條件相同時，綜采放頂采煤法是最易引起沉陷的一種采煤方法。

AJL礦區(qū)屬黃土剝離區(qū)，而排土場主要以黃土堆墊為主，與原地貌構(gòu)造不同，不具有合理的層理構(gòu)造，在受到外力的作用下更容易發(fā)生沉陷。

5 討論

《土地復墾條例》已于2011年公布施行。該條例規(guī)定生產(chǎn)建設(shè)活動應當節(jié)約集約利用土地，不占或者少占耕地；對依法占用的土地應當采取有效措施，減少土地損毀面積，降低土地損毀程度。堅持科學規(guī)劃、因地制宜、綜合治理、經(jīng)濟可行、合理利用的原則復墾土地。因生產(chǎn)建設(shè)活動損毀的土地，按照“誰損毀，誰復墾”的原則，由生產(chǎn)建設(shè)單位或者個人即土地復墾義務(wù)人，負責復墾［14］。并對不依法履行土地復墾義務(wù)的，采取相應的處罰措施。此條例的出臺對于貫徹落實中央要求，大力保護耕地資源和生態(tài)環(huán)境，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，必將提供堅實的法律保障。

5．1 充填裂縫法

一般在采動影響基本穩(wěn)定之后進行。AJL礦位于黃土高原區(qū)，黃土資源極為豐富，而且黃土具有極強的可塑性，可采用黃土充填壓實的方法，對裂縫和沉陷區(qū)進行平整。沉陷嚴重的地區(qū)也可采用煤矸石和粉煤灰充填。對于裂縫和落差較大的裂縫，必須在充填裂縫的同時進行土地平整。沉陷土地平整后，應按礦區(qū)土地復墾的要求，對土地進行復墾。

5．2 生態(tài)重建

對已恢復后的土地進行土壤改良，改善其質(zhì)地和耕性。選用適宜于當?shù)胤N植的產(chǎn)量高、質(zhì)量好、適應性強和抗逆性好的優(yōu)良作物品種，采用客土種植，以提高樹木成活率。種植固氮類植物，以提高土壤肥力。推廣科學種植方法，提倡精耕細作，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，恢復生態(tài)環(huán)境。

5．3 建立補償機制，改善現(xiàn)狀

根據(jù)我國煤炭資源開發(fā)歷史與煤炭生產(chǎn)所有制的演變情況，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境補償?shù)闹饕绞接校赫哐a償、資金補償、市場補償3種方式。通過開展多渠道建立礦區(qū)生態(tài)環(huán)境補償機制，促進煤礦區(qū)改善環(huán)境質(zhì)量，恢復生態(tài)功能。

鼓勵運用市場機制的方式開展礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復與治理，加快我國煤礦區(qū)環(huán)境治理進程，促進資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。制定《資源生態(tài)補償條例》。建議國務(wù)院組織相關(guān)部委，盡快出臺這方面政策，建立長效的生態(tài)補償機制，才能有效保證恢復與治理礦山生態(tài)環(huán)境。這不僅是保護生態(tài)環(huán)境的迫切需要，也是推進主體功能區(qū)建設(shè)、促進區(qū)域經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展的制度保障［15］。

［1］蘇曉洲，梁鵬，晏國政，等．采礦沉陷區(qū)“呻吟錄”［J］．（中國）瞭望新聞周刊，2010（39）：10－13．

［2］河北地質(zhì)編輯部．我國將加大力度整治采煤引發(fā)的地質(zhì)災害［J］．河北地質(zhì)，2007（3）：12．

［3］劉德成，張榮隋，梁棟彬．山東省兗州市采煤區(qū)地面沉陷的原因及其對策［J］．水土保持研究，2005，8（4）：67－69．

［4］李樹志．煤礦開采地表沉陷預測與土地復墾［M］．北京：中國環(huán)境科學出版社，2006：123－136．

［5］胡振琪，魏忠義．煤礦區(qū)采動與復墾土壤存在的問題與對策［J］．能源環(huán)境保護，2003，17（3）：3－10．

［6］吳立新．論我國煤礦區(qū)的水資源狀況及其科學保護［J］．煤礦環(huán)境保護，1997，12（2）：16－19．

［7］魏東巖．礦山地質(zhì)災害分析［J］．化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2003，6（2）：89－93．

［8］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．

［9］白中科，李晉川．工礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000：3－29．

［10］段起超，常永剛．安家?guī)X露天礦西排土場運輸系統(tǒng)優(yōu)化［J］．露天采礦技術(shù)，2003：5，4．

［11］韓靜．露井聯(lián)采煤礦區(qū)主要地質(zhì)災害形態(tài)分析與復墾對策研究——以平朔安家?guī)X煤礦西排土場沉陷區(qū)為例［D］．山西農(nóng)業(yè)大學，2008．

［12］何萬龍．山區(qū)開采沉陷與采動損害［M］．北京：中國科學技術(shù)出版社，2003：9．

［13］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．2006：182－195．

［14］國務(wù)院總理溫家寶簽署第592號國務(wù)院令［Z］．公布《土地復墾條例》．

［15］紀萬斌．煤炭資源城市生態(tài)恢復治理補償機制的探討［J］．今日國土，2010，12：18－21．