榆林市某煤礦地質環(huán)境穩(wěn)定性預測與治理措施

李德

摘 要：以榆林市某煤礦地質環(huán)境為研究對象，通過對礦區(qū)地質環(huán)境現(xiàn)狀調查及未來礦區(qū)開采地質環(huán)境發(fā)生變化后穩(wěn)定性預測，分析煤礦開采過程中環(huán)境破壞的形式及影響因素，針對礦區(qū)現(xiàn)存及可能發(fā)生主要地質環(huán)境問題，如：地面沉陷、地裂縫、地面塌陷、含水層破壞、土地類型遭到破壞等，通過預測方法的建立和煤礦實地調查數(shù)據的計算，結合周邊煤礦的實測資料以及國內煤礦地質環(huán)境穩(wěn)定性分析經驗，有目的性的對礦區(qū)地質環(huán)境穩(wěn)定性進行預測，并根據地質環(huán)境穩(wěn)定性預測結果，提出合理有效的治理措施方法。

關鍵詞：煤礦環(huán)境;治理;地質災害;預測

中圖分類號：P314? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0084-06

Abstract： Taking the geological environment of a coal mine in Yulin City as the research object， by investigating the present situation of the geological environment in the mining area and predicting the stability of the mining area after the change of the geological environment in the future， the forms and influencing factors of the environmental damage in the mining process are analyzed. Aiming at the existing and possible main geological environmental problems in the mining area， such as ground subsidence， ground fissures， ground subsidence， aquifer damage etc.， the prediction methods and the calculation of field survey data of coal mines have been established. Combined with the measured data of surrounding coal mines and the analysis experience of domestic coal mine geological environment stability， the geological environment stability of mining areas is predicted purposefully， and reasonable and effective control measures are put forward according to the prediction results of geological environment stability.

Keyword： Coal mine environment; Governance; Geologic hazard; Forecast

0 引言

煤礦開采給社會帶來巨大經濟效益的同時，也對地質環(huán)境產生了不可避免的影響。例如：地面塌陷、崩塌、地面沉陷、地下水位下降等，其中主要問題為地面塌陷（林振山等，2005;石書靜等，2010）。針對這些問題的解決，對礦區(qū)地質災害發(fā)生進行預測分析，在解決方法上，國外更注重對生態(tài)環(huán)境的保護恢復，國內更注重合理利用每一寸土地資源（張成梁等，2011;卞正富， 2000）。對于煤礦開采過程中遇到的各種地質環(huán)境問題，應全面分析環(huán)境地質問題的影響因素并做出相應的防治措施（屠世浩等，2003;全占軍等，2006;韋朝陽等，1997;周丹等，2018;吳云等，2018;楊澤等，2018;何陽等，2019）。

1 煤礦的基本情況

1.1 自然地理

礦區(qū)位于陜西省榆林市府谷縣，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，全年干旱少雨，年平均氣溫約9.10℃。地貌類型為黃土梁峁地貌，區(qū)內地勢中部高，東西部低，地形錯綜復雜、溝壑遍布整個礦區(qū)。礦區(qū)所在地年平均降雨量433.10mm，年蒸發(fā)量1192.20mm。

礦區(qū)范圍內地面布置主要由工業(yè)場地組成，工業(yè)場地位于礦區(qū)西南部，占地面積14.20hm2。礦區(qū)范圍內設置7個采區(qū)，目前開采只涉及到一、二采區(qū)，其中一采區(qū)位于中央開拓大巷右側，二采區(qū)分布于中央大巷兩側。

1.2 地層巖性與地質構造

煤礦呈溝壑梁峁地勢，礦區(qū)地表大部分被第四系黃土覆蓋。區(qū)內地層由新至老依次為：第四系（Q）、新近系上新統(tǒng)靜樂組（N2）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、侏羅系下統(tǒng)富縣組（Jlf）、三迭系上統(tǒng)永坪組（T3y），延安組為井田含煤地層（圖1）。井田位于華北地臺鄂爾多斯盆地東緣河東斷褶帶西側，其特殊的大地構造位置既具備了鄂爾多斯盆地次級構造單元陜北斜坡的主體構造形態(tài)，又具有河東斷褶帶與烏拉山-呼和浩特斷陷的斷裂構造發(fā)育的特點。井田劃分為南北兩個不同的構造單元，井田中部有大的斷裂帶，礦區(qū)南部為向西南方向傾斜的單斜構造，傾角1°～3°，傾向SW，局部發(fā)育較緩的波狀起伏;北部礦區(qū)近東向西，寬度4～5km的狹長階梯式斷陷帶，該斷陷帶內次級小斷裂構造較發(fā)育（圖2）。井田內地貌分為黃土丘陵地貌和河流地貌兩個一級類型，以及黃土梁、黃土峁與黃土溝谷、河流階地3個二級類型。

1.3 水文地質

礦區(qū)最上層為第四系全新統(tǒng)沖，一般厚度8～9.6m，水位埋深1.86～4.24m，涌水量0.785～2.534L/s，單位涌水量0.207～0.624L/s·m，滲透系數(shù)7.33～8.35m/d，礦化度0.29～0.37g/L，水質類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Na型淡水，富水性為中等的潛水含水層。最下層為侏羅系下統(tǒng)富縣組及三疊系基巖風化裂隙水，厚度14.60～47.32m，含水層是中粗砂巖夾粗粒砂巖和粉砂巖。水位埋深4.04～13.51m，涌水量0.011～1.451L/s，單位涌水量0.0006～0.126L/s·m，滲透系數(shù)0.0009～0.54m/d，礦化度0.70～12.06g/L，水質類型為Cl-Na、Cl·HCO3-Na、Cl·HCO3·SO4-Na·Ca型淡水。在第四系全新統(tǒng)沖、洪積層孔隙潛水含水層、第四系中上更新統(tǒng)黃土孔隙潛水含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙、孔隙含水層、侏羅系下統(tǒng)富縣組砂巖裂隙含水層之間分布穩(wěn)定的泥巖、粉砂巖以及互層巖組為各含水段之間的隔水層。

2 礦區(qū)地質環(huán)境問題及現(xiàn)狀

煤礦地質環(huán)境問題是由于人為采礦活動而對地質環(huán)境產生破壞，主要有：地面塌陷、地面沉陷、崩塌、地裂縫、地下水位下降和地形地貌的破壞、土地損毀等。煤礦屬于地下開采，開采初期已產生兩處地面沉陷區(qū)，雖然在開采過程中均留有安全煤柱，但仍存在地面塌陷、地下水位下降等不利影響。廠區(qū)內存在3個地質災害崩塌點。在煤礦采區(qū)范圍內，地面產生長度不一的地裂縫，危及到的土地類型主要有草地、林地和旱地。

2.1 地面塌陷

煤礦開采初期，根據現(xiàn)場調查，在礦區(qū)西部、南部存在地面塌陷區(qū)，其中西部塌陷區(qū)面積為64.1hm2，南部塌陷區(qū)面積為157.95hm2，由于礦區(qū)開采造成地下水位下降，地面塌陷深度仍在緩慢增加，并且面積有擴大趨勢。塌陷損毀土地類型包含有草地、林地、旱地等多種類型土地。

2.2 地裂縫

在礦區(qū)調查期間，發(fā)現(xiàn)地裂縫共計10余條，分布于礦區(qū)兩個塌陷區(qū)范圍內，裂縫發(fā)育最嚴重的地方位于塌陷區(qū)邊界，裂縫走向為東西方向，與開采工作面方向平行，其中地裂縫最長達120余米，裂縫左右兩側間隔最寬15cm，兩側高差可達30cm以上。裂縫貫穿整片天然草地、耕地以及農田道路，危及當?shù)鼐用竦木幼。▓D3至圖6）。據現(xiàn)場調查，礦區(qū)地裂縫產生的主要原因有3種，一是礦區(qū)開采造成地下承壓水位下降，由于裂縫兩側粘性土層厚度差異與土體松動破裂程度的不一樣，使裂縫兩側釋水亞密變形沉降程度不同;二是在礦區(qū)設置保護煤柱的邊緣地帶，由于保護煤柱的支撐，致使煤柱頂端支撐地面和周邊開采未設有煤柱的采空區(qū)地面受力不均，造成裂縫兩側產生不均勻沉降。三是開采過程中隨著工作面推進形成的擠壓裂縫。

2.3 含水層破壞

據礦區(qū)當?shù)厮牡刭|條件可知，礦區(qū)侵蝕基準面以上的煤層頂板砂巖含水層，水量小，富水性弱，侵蝕基準面以下含水層均為承壓水，水量小、富水性弱，在開采過程中不會對地下水位造成破壞。礦區(qū)表層為第四系全新統(tǒng)沖、洪積層孔隙潛水含水層，易接受地表水的補給。地下含水層之間都存在良好的隔水層，因此各含水層的水質類型、水位、礦化度等因素不會隨時間的變化而產生較大范圍的變動，且地下水位不會產生大幅度下降。

2.4 崩塌

在對煤礦環(huán)境進行初步調查過程中，發(fā)現(xiàn)在工業(yè)場地范圍內存在有3處小型崩塌。第一處位于工業(yè)場地入場廢棄加油站院內，崩塌體高37m，長約50m，與地面傾角為82°，山體表面有多處巖體向外出露。第二處崩塌位于堆渣場附近，崩塌體高48m，與地面傾角為79°。第三處崩塌體位于聯(lián)建樓樓后，崩塌體與聯(lián)建樓相聚3m，高21m，傾角76°，崩塌體表面已經進行噴漿處理，噴漿部分局部開裂，在崩塌體表面設有主動防護網，并在周圍設有警示牌。

2.5 土地破壞

土地破壞主要是由于礦區(qū)基礎建設設施壓占土地和煤礦開采引起地面塌陷導致的土地損毀。礦區(qū)基礎建設設施壓占土地面積26.87hm2。壓占土地類型為草地和旱地，面積分別為16.71hm2、10.76hm2。目前礦區(qū)存在兩個塌陷區(qū)，塌陷面積為222.05hm2，損毀土地類型為天然草地、旱地和風景名勝及特殊用地。

3 煤礦地質環(huán)境區(qū)域穩(wěn)定性預測

3.1 地面塌陷預測

煤礦目前在開采過程中已經設置預留煤柱。預測模式為：

最大下沉值：Wcm=M·q·cosα（mm）;

最大傾斜值：Icm=Wcm/r（mm/m）;

最大曲率值：Kcm=1.52Wcm/r 2（10-3/m）;

最大水平移動值：Ucm=b·Wcm（mm）;

最大水平變形值：εcm=1.52·b·Wcm/r（mm/m）。

式中：M為煤層開采厚度，mm;α為煤層傾角;q為下沉系數(shù);b為水平移動系數(shù);r為主要影響半徑，m。

其中q、b、r等相關參數(shù)分別由下列各式確定：

下沉系數(shù)的確定：q = 0.5（0.9+P）

式中：m i為覆巖i分層的法線厚度，m;Q i為覆巖i分層的巖石評價系數(shù);P為覆巖綜合評價系數(shù)。

水平移動系數(shù)的確定：b =0.3（1+0.0086α）

影響半徑的確定：r =H /tgβ

式中：H為煤層開采采深，m;tgβ為主要影響角正切，取1.92～2.40。

參數(shù)選取：根據勘探地質報告，并結合相鄰礦區(qū)的實測資料和國內煤炭行業(yè)多年的實測經驗進行適當調整，最終確定較為合理的相關參數(shù)，進行地面塌陷計算。

下沉系數(shù)選取：鑒于初次采動下沉系數(shù)確定為0.62，重復采動下沉系數(shù)取0.65。

水平移動系數(shù)（b）：b =0.30×（1+0.0086α），經計算得，b =0.31;

初次采動影響角正切：tgβ=2.0

重復采動影響角正切：tgβ=2.4

主要影響半徑（r）：r =H /tgβ（m）。

結合礦區(qū)開采及觀測資料分析，地表下沉預測近期最大為1720.32mm，隨時間的變化最大下沉值達到2698.41mm，水平移動近期最大值522.90mm，遠期最大值達到798.39mm，水平變形最小值為-23.77mm，最大值19.75mm。地表塌陷沉穩(wěn)延續(xù)時間1.7年，將一、二采區(qū)整體規(guī)劃為塌陷范圍1938.53hm2。采區(qū)邊緣為塌陷嚴重區(qū)，中間區(qū)域為中等塌陷區(qū)域，最內部為輕微塌陷區(qū)域（高明中等，2003）。

3.2 對含水層的影響預測

F2斷層位于井田中部，由東西向貫穿整個井田，與F1斷層構成了地塹構造，位于F2斷層上盤（F1、F2斷層均為正斷層），根于野外調查得出F2斷層，走向98°～123°，傾向10°～33°，傾角在65°～75°之間，擺幅小于150m，破碎帶2～3m，在井田中部斷層落差大于120m，據抽水資料，當降深76.24m時，涌水量Q=0.155L/s，單位涌水量q=0.002 0L/s·m。井田 F2 斷層以北涌水量 Q=0.003 9～0.027L/s，單位涌水量q=0.000 24～0.000 27L/s·m，勘探區(qū) F2斷層以南涌水量Q=0.014 0～0.032 5L/s，單位涌水量 q=0.000 74～0.003 90L/s·m。礦區(qū)正常涌水量2 240.60m3/d;最大涌水量按正常涌水量的 1.5 倍考慮，為142.5m3/h。礦區(qū)內地面表層與地表水有良好的聯(lián)系，其余含水層都具有穩(wěn)定的隔水性，隔絕與上部松散層空隙含水層的聯(lián)系，因此礦區(qū)含水層整體趨于穩(wěn)定。

3.3 地裂縫的破壞預測

礦區(qū)開采形成的地裂縫分為拉伸裂縫、擠壓裂縫、塌陷裂縫和滑動型裂縫。拉伸裂縫一般形成于開采工作面之前，在停止開采后位于采區(qū)外緣，較淺，寬度小，分布于工作面外圍。擠壓裂縫多形成于開采過程中隨著工作面的推進，與推進端前緣形成，消失于推進端后側。塌陷型裂縫形成于工作面開采結束后，地表失去支撐向下凹陷，多形成于工作面上方，開裂程度大，較深?；瑒恿芽p形成于溝谷地形，多形成于坡體斷裂下滑，裂縫深且難愈合。礦區(qū)位置溝谷深度達20m以上，在開采過程中形成滑動裂縫，待其自然愈合。

3.4 土地資源的破壞預測

礦區(qū)土地現(xiàn)狀以天然牧草地、旱地為主，人工草地和灌木林地為輔，分布有小部分的園地、有林地、裸地等土地類型。礦區(qū)開采范圍內不占用基本農田，預測煤礦開采對土地造成破壞類型為：旱地，有林地，灌木林地，天然牧草地，人工牧草地，住宅用地，交通運輸用地，裸地。由于礦區(qū)主要土地類型為天然牧草地和旱地，其中天然草地占礦區(qū)土地總面積的55.8%左右，旱地占總面積的27.9%，因此地表土地類型破壞預測主要影響土地類型為天然草地和旱地。

4 煤礦治理措施

4.1 道路治理

目前礦區(qū)范圍內涉及道路包括：進場道路、運煤道路、排矸道路、炸藥庫道路以及農村道路。其中進場、運煤和炸藥庫道路已經進行平整和硬化處理，排矸道路已經做平整處理。閉坑后部分道路在有需要的條件可以留作農村道路使用，對于不繼續(xù)使用的道路，及時進行拆除、垃圾清運處理，將其按照周圍土地類型進行復墾。

4.2 崩塌治理

該礦區(qū)范圍內涉及小型崩塌三處，其中廢棄加油站院內崩塌和堆渣場附近崩塌周圍無人居住，需對該兩處進行崩塌表面削除危巖體，對崩塌體表面進行噴漿處理（已經實施）。第三處崩塌位于聯(lián)建長后部，該崩塌5m范圍內有礦區(qū)基礎建設并且有人居住，以5m高為基礎，對該崩塌實施階梯式削坡處理。使其安全度達到1.3。為符合綠色生態(tài)理念，在崩塌表面設立方格網，撒播草籽，對崩塌表面進行綠化處理，根據礦區(qū)當?shù)貧夂驐l件，對草籽微量灑水，保證草籽的成活率。

4.3 土地損毀治理

對于土地損毀區(qū)域，按照山水林田湖草理念，對土地類型進行原樣恢復，即旱地復墾為旱地，園地復墾為園地，林地復墾為林地，草地復墾為草地。破壞的園地選取代表性區(qū)域種植歐李。其中礦區(qū)范圍內的基礎建設設施，包括：工業(yè)場地、炸藥庫和臨時排矸場。閉坑后，對其進行基礎設施拆除，建筑垃圾清運、場地平整。工業(yè)場地和炸藥庫復墾方向為旱地和草地結合。對于臨時排矸場，前期對排矸場進行覆土處理，覆土厚度1～3m，覆土后土地平整，并種植草籽、撒肥來改善土壤肥力。為了突出礦區(qū)開發(fā)式治理亮點，可在后期土壤肥力恢復后，可在排矸場范圍內建立園林示范區(qū)，種植沙棘或溫室大棚，可以增加當?shù)鼐用窠洕杖搿?/p>

4.4 地裂縫與地面塌陷

對于礦區(qū)地裂縫和地面塌陷，在煤礦開采過程中合理設計預留煤柱數(shù)量和方位，在采區(qū)范圍內合理布置監(jiān)測點，對存在地裂縫和地面塌陷的區(qū)域，應及時用礦區(qū)表層剝離土充填，并進行壓實夯平（劉德勝，2018）。

5 結論及建議

根據煤礦工業(yè)區(qū)及采空區(qū)的現(xiàn)場調查可知，礦區(qū)內主要存在地面塌陷、地裂縫、土地類型破壞以及崩塌隱患點等地質環(huán)境問題，應進行現(xiàn)場勘查測量，調查地裂縫和地面塌陷形態(tài)、規(guī)模，分析其形成原因，預測裂縫和塌陷的發(fā)展趨勢。在礦區(qū)范圍內存在地質災害的區(qū)域設立監(jiān)測點，及時了解地裂縫的變形和發(fā)育情況。對存在有地裂縫和地面塌陷嚴重區(qū)域，及時對該區(qū)域居民做出搬遷避讓等措施。在礦區(qū)內設立水土監(jiān)測點，對礦區(qū)水質、水量、土質等進行定期檢測分析。分析崩塌災害的變形位移情況，對崩塌體進行削坡或設立擋土墻、防護網等措施降低危險發(fā)生的可能性。

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