黃土高原井工煤礦地質(zhì)環(huán)境治理與土地復(fù)墾
——以彬縣水簾洞煤礦為例

邵新風(fēng)，張 恒，趙煜博揚(yáng)，劉 安，宋一民，孟令振，朱志宏

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710016;2.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

水簾洞煤礦位于陜西省西北部，行政區(qū)劃隸屬彬州市大佛寺古鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)南北寬0.6～1.6 km，東西長(zhǎng)5.1 km，面積5.516 3 km2。礦區(qū)地處隴東黃土高原東南，屬陜西黃土高原南部塬梁丘陵溝壑區(qū)的一部分，海拔850～1 200 m[1]。該區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫9.7 ℃，年平均降雨量553.8 mm。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，開采4號(hào)煤層，煤層平均埋深331 m，煤層厚度0.85～16.29 m，采用綜采放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞和土地?fù)p毀現(xiàn)狀

1.1 地質(zhì)環(huán)境破壞現(xiàn)狀

地質(zhì)災(zāi)害：根據(jù)彬州市2019年在冊(cè)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害10處，其中滑坡1處、崩塌1處、不穩(wěn)定斜坡1處、地面塌陷7處。①滑坡。據(jù)調(diào)查，礦區(qū)東北側(cè)發(fā)育有1處滑坡，位于下溝村二組，主要是由于坡腳遭受河流側(cè)向侵蝕形成，在降雨、地震等因素作用下可能復(fù)活；②崩塌。根據(jù)野外調(diào)查，區(qū)內(nèi)發(fā)育崩塌1處，位于石嶺子溝，為中型土質(zhì)崩塌，主要是由于地下采空塌陷引起，在降雨、地震及采礦活動(dòng)等因素作用下可能復(fù)活；③不穩(wěn)定斜坡。對(duì)礦區(qū)風(fēng)井場(chǎng)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)井場(chǎng)地由礦渣、黃土堆積于邊坡雜填而成，平整場(chǎng)地后在坡頂和坡面做了硬化處理，但場(chǎng)地兩側(cè)未設(shè)置排水渠道和排水管，降雨后只是讓雨水沿著坡體往下自流，在強(qiáng)降雨或連陰雨條件下可能引發(fā)邊坡失穩(wěn)，威脅場(chǎng)地安全[2-4]；④地面塌陷。根據(jù)礦山開采歷史和野外調(diào)查，區(qū)內(nèi)共發(fā)育有7處采空塌陷，塌陷區(qū)總面積4.08 km2，其中已治理塌陷區(qū)面積0.9 km2，待治理區(qū)面積3.18 km2，塌陷區(qū)威脅村莊、公路、通村公路、輸電線路的安全。綜上分析，煤炭開采造成的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重。

含水層：區(qū)內(nèi)具有供水意義的含水層主要為第四系潛水含水層、白堊系砂巖含水層。根據(jù)鄰礦4煤開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度觀測(cè)結(jié)果，該區(qū)域采煤裂采比為17，據(jù)此計(jì)算本礦區(qū)4煤開采導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通至白堊系砂巖含水層。即煤層開采不但破壞侏羅系砂巖裂隙含水層，甚至往上造成白堊系砂巖含水層局部破壞，導(dǎo)致礦井涌水量增大，礦區(qū)地下水位下降。綜合分析，煤炭開采對(duì)含水層影響嚴(yán)重。

地形地貌景觀：①礦區(qū)工業(yè)場(chǎng)地及附屬設(shè)施建設(shè)，改變了區(qū)內(nèi)原始地貌景觀，造成土地?fù)p毀，且與周圍植被茂盛的農(nóng)田形成一定反差，對(duì)地形地貌景觀影響嚴(yán)重；②地下采煤形成的地面塌陷、地面裂縫、錯(cuò)坎等破壞了微地貌，局部地段錯(cuò)坎高達(dá)5 m，對(duì)地形地貌影響較嚴(yán)重。綜合分析，煤炭開采對(duì)礦區(qū)地形地貌影響嚴(yán)重。

礦區(qū)水土環(huán)境：①礦區(qū)廢水主要為生產(chǎn)、生活污水和井下排水。據(jù)調(diào)查，礦區(qū)生產(chǎn)生活污水經(jīng)污水處理站處理后用于道路灑水、場(chǎng)地灑水、廠區(qū)綠化和水保工程用水等，不外排；井下排水經(jīng)井下處理站處理后復(fù)用于井下消防灑水、綜采設(shè)備用水、地面綜合防塵灑水和綠化用水，不外排。②礦區(qū)固體廢棄物主要為煤矸石、鍋爐灰渣及生活垃圾。據(jù)調(diào)查，煤矸石主要用來(lái)回填巷道，鍋爐灰渣排至專用垃圾場(chǎng)處理，生活垃圾由地方環(huán)衛(wèi)部門統(tǒng)一處置。綜合分析，礦區(qū)水土環(huán)境污染較輕。

1.2 土地?fù)p毀現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，礦區(qū)土地?fù)p毀的形式主要為地面建筑壓占損毀和采空塌陷損毀，其中塌陷損毀是最主要的土地?fù)p毀形式。

壓占損毀：礦區(qū)地面建設(shè)工程主要為工業(yè)場(chǎng)地、風(fēng)井場(chǎng)地、瓦斯抽放站、炸藥庫(kù)和輸電線路，壓占損毀總面積125 800 m2，各地面工程占地面積及壓占地類見表1。

表1 壓占損毀土地面積及地類統(tǒng)計(jì)表

塌陷損毀：據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)共發(fā)育7處地面塌陷，其中已治理塌陷區(qū)面積0.9 km2，待治理塌陷區(qū)面積3.18 km2，塌陷程度分為重度、中度和輕度，塌陷區(qū)主要威脅村莊、公路、通村公路和輸電線路等的安全，塌陷區(qū)損毀土地面積及地類見表2。

表2 塌陷損毀土地面積及地類統(tǒng)計(jì)表

2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞和土地?fù)p毀預(yù)測(cè)

2.1 地質(zhì)環(huán)境破壞預(yù)測(cè)

地質(zhì)災(zāi)害：井工煤礦開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要為采空塌陷。根據(jù)礦區(qū)煤層賦存條件、井田開拓與井下開采方式等資料，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中推薦的概率積分法最大值預(yù)測(cè)法并考慮礦井頂煤回收率影響，預(yù)測(cè)采煤后地表沉陷、移動(dòng)與變形[5-7]，結(jié)果見表3。塌陷區(qū)地面裂縫主要分為兩種，一種為永久性裂縫，位于采區(qū)邊界，裂縫的寬度和深度較大，對(duì)地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，裂縫區(qū)之外的區(qū)域影響較輕；另一種為動(dòng)態(tài)裂縫，它隨工作面的持續(xù)推進(jìn)而不斷出現(xiàn)—消失—出現(xiàn)—消失，周而復(fù)始直至工作面開采結(jié)束，在工作面中間形成微型沉陷盆地，對(duì)地質(zhì)環(huán)境破壞較嚴(yán)重。塌陷區(qū)地面裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程，如圖1所示。采空塌陷主要威脅地面村莊、風(fēng)井場(chǎng)地、瓦斯抽放站、道路、輸電線路等地面建設(shè)工程。預(yù)測(cè)煤炭開采造成的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重。

表3 4煤層地表下沉、移動(dòng)、變形預(yù)測(cè)結(jié)果

圖1 地面裂縫發(fā)育過(guò)程示意

含水層：根據(jù)礦井導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度預(yù)測(cè)分析，采煤形成的導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通至白堊系砂巖含水層，破壞含水層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地下水位降低。預(yù)測(cè)煤炭開采對(duì)含水層影響嚴(yán)重。

地形地貌景觀：根據(jù)沉陷預(yù)測(cè)分析，地下采煤形成的地面塌陷、錯(cuò)坎等局部高差達(dá)到7 m，對(duì)地形地貌影響較嚴(yán)重，預(yù)測(cè)煤炭開采對(duì)礦區(qū)地形地貌影響較嚴(yán)重。

礦區(qū)水土環(huán)境：礦區(qū)廢水經(jīng)污水處理站和井下處理站處理后用于道路灑水、消防用水等，不外排；礦井煤矸石主要用來(lái)回填巷道，鍋爐灰渣排至專用垃圾場(chǎng)處理，生活垃圾由地方環(huán)衛(wèi)部門統(tǒng)一處置，因此礦區(qū)水土環(huán)境污染較輕。

2.2 土地?fù)p毀預(yù)測(cè)

水簾洞煤礦為生產(chǎn)礦井，地面生產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)完善，無(wú)新建工程，因此礦區(qū)擬損毀土地主要為塌陷損毀。據(jù)采煤沉陷區(qū)以往沉降觀測(cè)結(jié)果，沉降盆地中心部位以垂向下沉為主，水平、傾斜位移量較小；而盆地邊緣及外緣裂隙拉伸帶則以傾斜位移和水平位移變形為主。結(jié)合塌陷區(qū)地表變形特征，預(yù)測(cè)沉陷盆地區(qū)域土地?fù)p毀等級(jí)為中度，采區(qū)邊緣地帶土地?fù)p毀等級(jí)為重度，采區(qū)沉陷外沿區(qū)土地?fù)p毀等級(jí)為輕度。礦區(qū)擬損毀土地面積及地類統(tǒng)計(jì)，見表4。

3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理與土地復(fù)墾技術(shù)研究

3.1 礦區(qū)損毀土地復(fù)墾

根據(jù)礦區(qū)土地利用總體規(guī)劃、自然經(jīng)濟(jì)條件、政策因素及公眾意見確定土地復(fù)墾措施[8-10]。

損毀土地復(fù)墾措施：①風(fēng)井場(chǎng)地復(fù)墾為人工牧草地，首先進(jìn)行清理工程(建構(gòu)筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運(yùn))，隨后開展林草恢復(fù)工程(撒播紫花苜蓿)；②其他建設(shè)場(chǎng)地復(fù)墾為旱地，復(fù)墾流程首先為清理工程(建構(gòu)筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運(yùn))，隨后進(jìn)行平整工程(場(chǎng)地平整、土地翻耕)，最后開展土壤改良(土壤培肥)；③已搬遷村莊宅基地復(fù)墾為園地，復(fù)墾流程為首先進(jìn)行清理工程(建構(gòu)筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運(yùn))，隨后開展充填工程(地面裂縫充填)，土壤剝覆工程(表土剝離、表土回覆)，平整工程(場(chǎng)地平整、土地翻耕)，接著進(jìn)行土壤改良(土壤培肥)，接著開展林草恢復(fù)工程(栽植彬州梨樹、穴狀整地)，后期村民自建農(nóng)家樂(lè)，開發(fā)“農(nóng)家樂(lè)+梨園觀光旅游”；④規(guī)劃搬遷村莊宅基地暫定復(fù)墾為旱地，復(fù)墾工程分為兩個(gè)時(shí)段，第一時(shí)段為村莊開采前搬遷拆除復(fù)墾，第二時(shí)段為塌陷后修復(fù)復(fù)墾。第一時(shí)段復(fù)墾流程為清理工程(建構(gòu)筑物拆除、硬化層拆除、垃圾清運(yùn))，接著平整工程(場(chǎng)地平整)。第二時(shí)段復(fù)墾流程首先進(jìn)行充填工程(地面裂縫充填)，其次開展土壤剝覆工程(表土剝離、表土回覆)，接著進(jìn)行平整工程(土地平整、土地翻耕)，最后為土壤改良(土壤培肥)。其它地類復(fù)墾為相應(yīng)土地類型。

土地復(fù)墾監(jiān)測(cè)和管護(hù)：根據(jù)礦區(qū)復(fù)墾區(qū)域分布特點(diǎn)，在復(fù)墾區(qū)均勻布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)18個(gè)，配備監(jiān)測(cè)人員4名，2個(gè)月監(jiān)測(cè)1次；對(duì)土壤質(zhì)量每年監(jiān)測(cè)1次，對(duì)復(fù)墾植被每年監(jiān)測(cè)2次。林草地管護(hù)期6年，每年管護(hù)2次，春、秋各1次。

3.2 地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理

地質(zhì)災(zāi)害治理：崩塌治理示意，如圖2所示。分兩級(jí)削坡卸載，上部臺(tái)階高度約30 m，坡比為1∶0.5；中部平臺(tái)寬約40 m；坡腳高度約30 m，坡比為1∶1，坡面種植紫花苜蓿，平臺(tái)栽植刺槐、紫穗槐，種植紫花苜蓿。邊坡頂部和平臺(tái)設(shè)一條天溝，距邊緣2 m，每級(jí)坡腳和漿砌石擋墻前修建排水溝，天溝及截排水溝斷面一般采用內(nèi)空0.6 m×0.6 m斷面的M7.5漿砌片石。坡底修建漿砌石擋墻，漿砌石擋墻高6 m、寬0.5 m，坡比1∶0.25，梅花形布置3排泄水孔，安裝 PVC泄水管，泄水孔間距為橫向2 m，縱向1.5 m。

滑坡治理，示意圖如圖3所示。分級(jí)削坡卸載，臺(tái)階高度約10 m，坡比為1∶0.5，平臺(tái)寬約5 m，坡面和平臺(tái)種植紫花苜蓿。邊坡頂部設(shè)一條天溝，距坡頂邊緣2 m，每級(jí)坡腳修建截水溝，天溝及截排水溝斷面一般采用內(nèi)空0.6 m×0.6 m斷面的M7.5漿砌片石。

圖3 滑坡治理示意

不穩(wěn)定斜坡治理，示意圖如圖4所示。對(duì)矸石坡采用坡面清理、修建錨桿格構(gòu)、修建漿砌石擋墻、安裝泄水管、植草、修建排水溝的措施；對(duì)風(fēng)井場(chǎng)地頂部陡坎采用修建漿砌石擋墻、安裝泄水管、修建排水溝的措施。錨桿格構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土方形格構(gòu)，內(nèi)空3 mm×3 mm斷面，錨桿長(zhǎng)20 m，鋼筋φ25 mm；格構(gòu)寬0.3 m，縱向鋼筋φ14 mm，箍筋φ6 mm×200 mm，混凝土C25。漿砌石擋墻高6 m、寬0.5 m，坡比1∶0.25，梅花形布置3排泄水孔，安裝PVC泄水管，泄水孔間距為橫向2 m，縱向1.5 m。在矸石坡頂、風(fēng)井場(chǎng)地頂部陡坎頂設(shè)一條天溝，距坡頂邊緣2 m，矸石坡坡腳、風(fēng)井場(chǎng)地頂部陡坎坡腳、風(fēng)井場(chǎng)地南北兩側(cè)沖溝修建排水溝，采用內(nèi)空0.6 m×0.6 m斷面的M7.5漿砌片石。

圖4 不穩(wěn)定斜坡治理示意

地面塌陷治理措施。對(duì)受地面塌陷和地面裂縫影響的高壓線路和民用輸電線路的基塔、電線桿等進(jìn)行修復(fù)、加固、扶正。對(duì)損毀的公路(瀝青路面)、農(nóng)村道路(水泥混凝土路面)和田間道路(素土路面)，輕度損毀道路維修面積均按照受損面積的40%進(jìn)行估算并修復(fù)，中度損毀按照受損面積的70%進(jìn)行估算并修復(fù)，重度損毀按照受損面積的100%進(jìn)行估算并修復(fù)。

井口封堵：①與井筒聯(lián)絡(luò)的巷道預(yù)先施工好擋渣墻，擋渣墻采用砼澆灌，砼強(qiáng)度不低于C25；②向井筒內(nèi)回填矸石，填至井口25 m時(shí)，建一擋水墻，墻體采用砼澆灌，砼強(qiáng)度不低于C25；③將井筒周邊外擴(kuò)3 m范圍的土體全部剝離形成一個(gè)剝離坑，坑深3 m，底部平整，坑四周要用錨網(wǎng)噴支護(hù)，防止四周土體坍塌；④向剝離坑內(nèi)澆灌水泥；⑤水泥澆灌后養(yǎng)護(hù)3個(gè)月，之后覆蓋0.8 m厚土層，并在四周設(shè)置柵欄和警戒牌，柵欄內(nèi)進(jìn)行綠化。

圖5 井口封堵示意

含水層修復(fù)：①建議煤礦采取保水采煤開采方式，限制采高，降低導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，減輕對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的破壞；②根據(jù)地面塌陷恢復(fù)治理工程安排，大力開展植樹種草活動(dòng)，擴(kuò)大植被覆蓋面積，加快地下水位的回升。

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)：在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)和沉陷區(qū)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每月巡查一次，雨季時(shí)每旬巡查一次；設(shè)置水土監(jiān)測(cè)點(diǎn)6處，每月監(jiān)測(cè)1次，發(fā)現(xiàn)異常立即處理；采用遙感、無(wú)人機(jī)輔以人工巡查對(duì)礦區(qū)地形地貌景觀進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害或隱患時(shí)，應(yīng)設(shè)立警示標(biāo)志，防止人員誤入。

4 結(jié)語(yǔ)

煤炭工業(yè)是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，而煤炭資源又是化石能源，井工煤炭開采必然會(huì)破壞原生地層結(jié)構(gòu)，引發(fā)地面塌陷、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，破壞土地資源，造成水土污染等環(huán)境問(wèn)題。通過(guò)采取災(zāi)害治理、水土修復(fù)和土地復(fù)墾措施，改善礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境，增加礦區(qū)耕地、園地面積，提高礦區(qū)村民收入，改善礦民關(guān)系，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)綠色健康可持續(xù)發(fā)展。