河北隆堯亦城煤礦礦山環(huán)境影響研究

李萬陽，邢再亮，尚洪田，范志強(qiáng)

（河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì)，河北宣化075100）

河北隆堯亦城煤礦礦山環(huán)境影響研究

李萬陽，邢再亮，尚洪田，范志強(qiáng)

（河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì)，河北宣化075100）

準(zhǔn)確劃定礦山環(huán)境影響范圍是編制礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案的重要內(nèi)容，是有效開展礦山環(huán)境保護(hù)與綜合治理的基礎(chǔ)。亦城煤礦礦業(yè)活動(dòng)對礦山環(huán)境會造成地面塌陷、地面變形、地裂縫等環(huán)境地質(zhì)問題。根據(jù)采掘活動(dòng)過程中的開采深度、移動(dòng)角、邊界角和地下水均衡原理，系統(tǒng)分析和計(jì)算了隆堯亦城煤礦礦業(yè)活動(dòng)對礦山環(huán)境同影響范圍。根據(jù)采動(dòng)移動(dòng)角確定地面塌陷區(qū)、利用邊界角劃分地面變形區(qū)，利用地下水位降落漏斗"大井法"定出疏排水影響范圍。通過煤礦開采環(huán)境問題類型影響程度分析，將煤礦開采影響劃分為嚴(yán)重區(qū)、較嚴(yán)重區(qū)和較輕區(qū)3類。

環(huán)境現(xiàn)狀評價(jià)；安全開采深度；環(huán)境影響范圍分區(qū)；亦城煤礦

亦城煤礦屬地方國有煤礦，1995年10月建井，2002年正式生產(chǎn)，采用一對立井開拓，自行垮落式管理頂板，生產(chǎn)能力15萬t/a。礦井面積4.6458 km2，批準(zhǔn)開采深度由+53～-650 m。目前開采范圍集中在礦井北部，開采煤層主要是6號、7號煤，開采深度約280 m，由于開采范圍和深度較小，產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題尚不顯著。隨著開采范圍和深度的增加，必將會產(chǎn)生地面塌陷、地面變形、地裂縫等較大環(huán)境地質(zhì)問題，本文的研究可為其采取防范措施提供依據(jù)。

1地質(zhì)背景

1.1地層

亦城煤礦為全隱蔽型礦井，礦井內(nèi)地層由老至新依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）；石炭系上統(tǒng)本溪組（C2b）、太原組（C2t）；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下統(tǒng)下石盒子組（P1x），中統(tǒng)上石盒子組（P2s）；新近系（N）和第四系（Q）。

含煤地層為本溪組、太原組及山西組，主要可采煤層位于太原組中，可采煤層敘述如下：

6號煤：位于太原組中部，下距7號煤18.70 m。煤層厚度0.80～2.08 m，頂?shù)装宥酁榉凵皫r，為全區(qū)可采煤層。

7號煤：位于太原組中部，下距9上煤52.31 m。煤層厚度0.70～1.40 m，頂?shù)装鍘r性為粉砂巖，為全區(qū)可采煤層。

9上煤：位于太原組下部，下距9號煤平均間距11.34 m。頂板為粉砂巖或細(xì)砂巖，底板為粉砂巖。煤層厚度0～1.49 m，為大部可采煤層。

9號煤：位于太原組底部，下距奧陶系灰?guī)r24.6 m。頂板巖性為粉砂巖或泥巖，底板為鋁土質(zhì)粉砂巖或鋁土質(zhì)泥巖。煤層厚度1.11～2.53 m，為全區(qū)可采煤層。

1.2構(gòu)造

礦井主體構(gòu)造為寬緩的傾伏向斜構(gòu)造，向斜軸部在亦城東南，軸向南部呈北東向，北部呈北北東向，向SW傾伏。該傾伏向斜構(gòu)造在礦井北部西北翼較完整，而南部西北翼受F5斷層破壞不完整，向斜東翼受F1、F2、F10等斷層的破壞僅保留核部形態(tài)。礦井北部西北翼淺部地層走向N40°E，傾角20°～30°，向深部傾角逐漸變緩，傾向也由SE逐漸轉(zhuǎn)為SW，傾角5°～12°。

1.3水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

1.3.1水文地質(zhì)條件

礦井內(nèi)主要含水層為第四系孔隙含水層、新近系砂巖裂隙含水層、石炭—二疊系薄層灰?guī)r和砂巖裂隙含水層、奧陶系巖溶含水層。各含水層之間隔水性良好。在井田淺部新近系缺失的地方，第四系孔隙含水層直接覆蓋在基巖含水層地區(qū)，補(bǔ)給煤系層間含水層，是諸煤層頂板進(jìn)水主要補(bǔ)給源，存在突水威脅；石炭—二疊系薄層灰?guī)r和砂巖裂隙含水層，富水性弱至中等，對未來礦井的充水影響較小；奧陶系巖溶含水層以靜儲量為主，補(bǔ)給、徑流條件相對較弱。

根據(jù)資料，礦井的最大涌水量為402 m3/h，正常涌水量約80 m3/h。

1.3.2工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘查資料和礦山開采揭露，礦區(qū)內(nèi)6煤層頂板巖性為粉砂巖，其抗壓強(qiáng)度僅為14.9 MPa，不易支護(hù)；底板巖性為粉砂巖，抗壓強(qiáng)度為18.4 MPa，較易管理。7煤頂板為粉砂巖，粉砂巖風(fēng)化后成層剝離或破碎，頂板冒落帶可波及6下煤，不易管理；底板為粉砂巖或細(xì)砂巖，細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為44.8 MPa，易于管理。9上煤頂板以粉砂巖為主，局部為泥巖，風(fēng)化后呈破碎狀，易冒落；底板為鋁質(zhì)泥巖或含鋁粉砂巖，遇水膨脹，易變形，開采時(shí)易產(chǎn)生底鼓，鋁質(zhì)粉砂巖抗壓強(qiáng)度為25.3 MPa；頂?shù)装寰灰坠芾怼?/p>

區(qū)內(nèi)主要可采煤層頂?shù)装鍖僦械确€(wěn)定型，工程地質(zhì)條件中等。

1.4開采地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀評價(jià)

亦城礦區(qū)位于平原區(qū)，地形起伏變化不大，自然排水條件較好，年均降水量中等，降水多集中在7、8、9月份；地質(zhì)構(gòu)造中等，斷裂較發(fā)育，地層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，巖性較復(fù)雜，主要礦層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，充水含水層構(gòu)造破碎帶富水性中等，補(bǔ)給條件差，水文地質(zhì)條件復(fù)雜；煤炭、矸石和礦坑水有害組分少，含量低，對水土環(huán)境污染輕，無熱害；開采合理，開采方式規(guī)范，破壞礦山地質(zhì)環(huán)境的人類工程活動(dòng)一般。

綜合以上各因素，根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度分類規(guī)定，亦城煤礦礦山環(huán)境地質(zhì)問題類型較多，發(fā)育中等，危害中等，確定目前的礦山地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度中等。

2煤礦主要地質(zhì)環(huán)境影響范圍確定

煤礦開采活動(dòng)對地質(zhì)環(huán)境的影響是多方面的，下面就開采深度、地表移動(dòng)變形范圍和疏排水影響范圍地礦區(qū)環(huán)境的影響進(jìn)行分析。

2.1煤礦安全開采深度

煤礦開采深度是影響覆巖及地表破壞的主要因素之一。河北隆堯亦城煤礦最低開采標(biāo)高為-650 m，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，開采煤層上覆巖層安全開采深度按下式計(jì)算：

式中：H3為安全開采深度，M為礦層采高或煤層綜合作用厚度，K為安全系數(shù)，按Ⅰ類礦山Ⅱ級保護(hù)級別確定，K=150。

確定開采煤層群安全深度時(shí)，需計(jì)算綜合作用厚度M，該厚度對地面所造成的影響是整個(gè)礦井回采數(shù)個(gè)煤層之后給地面造成的總影響。

開采4層煤無回填情況下，重復(fù)開采時(shí)，計(jì)算開采影響的綜合作用厚度公式如下：

式中：m1～m4分別為煤層9、9上、7、6可采煤層厚度；C為系數(shù)，為相鄰兩煤層間距離h與兩層中靠下一層的厚度m之比的函數(shù)，C值可由查表得知；M1～M4分別為開采9、9上、7、6煤層的綜合作用厚度。計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知：當(dāng)上覆巖層厚度＜1122 m時(shí)，引發(fā)地面塌陷、地裂縫的可能性大。由于礦區(qū)地層向南西傾斜角度比較?。ㄆ骄?°），造成最下層可采煤層9的上覆巖層厚度不超過400 m（圖1），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其安全開采厚度。該礦區(qū)頂部山西組、下石盒子組和上石盒子組巖層巖性主要為粉砂巖、中細(xì)砂巖和泥巖，工程地質(zhì)條件較差，因此在煤礦開采中，可能會發(fā)生地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。

2.2地面塌陷區(qū)

野外地質(zhì)詳細(xì)勘查表明，亦城煤礦上覆巖層為二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組；新近系和第四系。以粉砂巖、黏土巖為主，為中硬巖類型。地層總體走向北東，傾向南西，傾角5°～12°，平均為9°；可采煤層有6、7、9上、9等4層。根據(jù)規(guī)程，按中硬覆巖類型，該區(qū)下山方向移動(dòng)角β計(jì)算如下：

圖1　礦山環(huán)境影響耦合分區(qū)剖面（Ⅲ-Ⅲ′）Figure 1 Mine environmental impact coupled partition section（III-III’）

式中：δ為走向移動(dòng)角（取=60°），α為巖層平均傾角（取α=9°）。

依據(jù)規(guī)程，本礦涉及多煤層采動(dòng)，移動(dòng)角取值應(yīng)折減（5°～10°）：即上山移動(dòng)角為55°，下山移動(dòng)角為50°。上山、下山移動(dòng)角與地形線的交點(diǎn)就是移動(dòng)盆地主斷面上臨界變形點(diǎn)。將每一條剖面上兩個(gè)臨界變形點(diǎn)之間的范圍就是地面塌陷區(qū)。找到各個(gè)剖面在平面圖上的投影點(diǎn)，并將所有的投影點(diǎn)用曲線連接。然后根據(jù)礦區(qū)地形，對投影曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚涂傻玫降孛嫠輩^(qū)（圖1，圖2）。

2.3地面變形區(qū)

假定煤礦是充分采動(dòng)，依據(jù)移動(dòng)盆地邊界點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線與水平線之間在采空區(qū)外側(cè)的夾角確定邊界角。根據(jù)邊界角反推出移動(dòng)盆地邊界點(diǎn)。亦城煤礦礦山覆巖為中硬覆巖類型，走向邊界角δ0和上山邊界角γ0取值55°～60°。依據(jù)規(guī)程，亦城煤礦屬于多煤層重復(fù)采動(dòng)，兩次（每次邊界角相應(yīng)減小2°～7°（取3°））折減的取值原則，選取走向邊界角δ0及上山邊界角γ0均為49°、下山邊界角β0= 49°-0.7 α≈43°（α為煤層平均傾角，取平均值9°），即上山邊界角為49°、下山邊界角43°。將剖面上礦界內(nèi)最下伏的可采煤層，上山、下山邊界角與地形線的交點(diǎn)確定為移動(dòng)盆地主斷面上的移動(dòng)邊界點(diǎn)，將剖面上兩邊界點(diǎn)之間的范圍確定為地面變形區(qū)范圍。亦城煤礦的地面變形區(qū)范圍（圖1，圖2）。

圖2　礦山環(huán)境影響耦合分區(qū)平面圖Figure 1 Mine environmental impact coupled partition plan

2.4疏排水影響范圍

亦城煤礦最低開采標(biāo)高為-650 m。利用大井法公式計(jì)算，預(yù)測礦井疏排水降落漏斗影響半徑，計(jì)算公式為：，式中：R為降落漏斗影響半徑，S為水位下降深度，取值250 m；H為均質(zhì)含水層厚度，取值120 m；K為滲透系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值0.010 m/d。

計(jì)算結(jié)果，R=548 m，即亦城煤礦疏排水影響半徑為548 m。依據(jù)礦井疏排水影響半徑R，上山方向，將疏排水影響范圍線順著煤層露頭線，然后結(jié)合地形作相應(yīng)的修正；下山方向，疏排水影響范圍線以影響半徑R為平距畫圓滑曲線（拐點(diǎn)處按圓弧考慮），根據(jù)地形作適當(dāng)調(diào)整。圈定亦城煤礦的疏排水影響范圍（圖1，圖2）。

3礦山環(huán)境影響分區(qū)

地質(zhì)環(huán)境影響分區(qū)主要依據(jù)地質(zhì)環(huán)境問題類型及影響程度進(jìn)行劃分。遵循“地表為主、區(qū)內(nèi)相似、區(qū)際相異、影響取重”的原則，地面塌陷區(qū)內(nèi)主要環(huán)境地質(zhì)問題是地面塌陷、地面沉降，同時(shí)也是疏排水地下水降落漏斗的中心，環(huán)境影響最強(qiáng)烈，因此，將地面塌陷區(qū)范圍劃為礦山環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)；地面塌陷區(qū)范圍外圍至地面變形區(qū)內(nèi)主要環(huán)境地質(zhì)問題是地裂縫，同時(shí)位于疏排水地下水降落漏斗范圍內(nèi)，環(huán)境影響較大，因此，將地面變形區(qū)劃為礦山環(huán)境影響較嚴(yán)重區(qū)；地面變形區(qū)范圍外圍至疏排水影響范圍內(nèi)主要環(huán)境地質(zhì)問題是地下水位下降，環(huán)境影響一般，因此，將其劃為礦山環(huán)境影響較輕區(qū)（圖1，圖2）。

表1　安全開采深度計(jì)算Table 1 Safe mining depth estimation

亦城煤礦最上部6號可采煤層的上覆巖層厚度不到200 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其安全開采深度。因此，在進(jìn)行煤礦開采時(shí)，會引起強(qiáng)烈的地面變形。礦山環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)內(nèi)會發(fā)生嚴(yán)重地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害；礦山環(huán)境影響較嚴(yán)重區(qū)可能會出現(xiàn)地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害；礦山環(huán)境影響較輕區(qū)內(nèi)，基本不會出現(xiàn)地面變形地質(zhì)災(zāi)害，但存在地下水資源流失，地下水位降低，地下水環(huán)境惡化問題。

亦城村位于礦區(qū)中部，礦山環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)之內(nèi)，須搬遷或留設(shè)村莊保護(hù)煤柱才能進(jìn)行礦業(yè)開采。北村位于礦區(qū)外圍東南部，礦山環(huán)境影響較輕區(qū)內(nèi)，煤礦開采地下水疏排將會影響該區(qū)內(nèi)村莊居民的日常生活，給村民用水帶來困擾。

4結(jié)論

①本文根據(jù)亦城煤礦煤層賦存地質(zhì)條件，計(jì)算煤礦安全開采深度為1122 m，亦城煤礦的煤層賦存深度遠(yuǎn)小于安全開采深度，因此，煤礦開采將導(dǎo)致強(qiáng)烈的地面變形，礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重。

②依據(jù)有關(guān)的規(guī)程，確定煤礦開采移動(dòng)角、邊界角并計(jì)算煤礦開采環(huán)境影響范圍，將煤礦地表變形分為塌陷區(qū)、變形區(qū)，利用大井法計(jì)算礦井疏排水影響范圍，疏排水影響半徑為548 m。

③依據(jù)地質(zhì)環(huán)境類型及影響程度進(jìn)行煤礦環(huán)境影響分區(qū)研究，將河北亦城煤礦礦山環(huán)境影響劃分為礦山環(huán)境影響較嚴(yán)重區(qū)、較嚴(yán)重區(qū)和較輕區(qū)三種類型。

［1］陳劍平.環(huán)境地質(zhì)與工程［M］.北京：地質(zhì)出版社，1990.

［2］河北省煤田地質(zhì)勘查院.河北堯安礦業(yè)有限公司亦城煤礦資源儲量核實(shí)報(bào)告［R］.石家莊：河北省煤田地質(zhì)勘查院，2014.

［3］張榮立.采礦工程設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

［4］汪吉林，吳圣林，丁陳建，等.復(fù)雜地貌多煤層采空區(qū)的穩(wěn)定性評價(jià)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007.

［5］于元祥，谷拴成，朱彬.開采沉陷的地表移動(dòng)規(guī)律初探［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.

［6］國家煤炭工業(yè)局.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［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

［7］國土資源部.礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

Mine Environmental Impact Study in Yicheng Coalmine，Longyao，Hebei

Li Wanyang，Xing Zailiang，Shang Hongtian and Fan Zhiqiang
（The Fourth Exploration Team，Hebei Bureau of Coal Geological Exploration，Xuanhua，Hebei 075100）

Correct delimitation of mine environmental impact extent is a major part to draw up mine geological environment protection and rehabilitation governance scheme，and the basis to effectively carry out mine environment protection and comprehensive control. Mining activities in the Yicheng coalmine have caused environment geological problems in surface subsidence，deformation，ground fissure etc.Based on mining depth，angle of critical deformation，angle of subsidence and groundwater balance principle during mining activities，systematically analyzed and estimated mine environmental impact extent in Yicheng coalmine，Longyao.According to mining angle of critical deformation determined surface subsidence area；using the angle of subsidence partitioned surface deformation areas；using groundwater depression cone“virtual large-diameter well method”determined water drainage impacting range.Through coalmine exploitation environmental problem impacting degree analysis，have partitioned into 3 categories of serious area，rather serious area and rather light area.

Environment status quo assessment；safe mining depth；environmental impacting range division；Yicheng coalmine

X141

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.14

1674-1803（2016）08-0068-04

李萬陽（1962—），男，河北宣化人，工程師，長期從事煤田地質(zhì)工作。

2016-01-06

責(zé)任編輯：樊小舟