南疆庫(kù)爾勒地區(qū)弱膠結(jié)覆巖煤礦地質(zhì)環(huán)境調(diào)查及評(píng)價(jià)

張利飛 譚曉東 呂倩俐

摘要：“富煤、貧油、少氣”是我國(guó)目前的儲(chǔ)量現(xiàn)狀，因此煤炭資源長(zhǎng)期仍將是我國(guó)的主要能源。煤炭開發(fā)作為南疆庫(kù)爾勒地區(qū)重要產(chǎn)業(yè)，大規(guī)模開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞。南疆庫(kù)爾勒地區(qū)氣候干旱，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，該地區(qū)煤礦的上覆巖層多為弱膠結(jié)，為此開展對(duì)弱膠結(jié)覆巖煤礦開采所產(chǎn)生地質(zhì)環(huán)境問題的研究十分必要。本論文采用現(xiàn)場(chǎng)取樣與實(shí)驗(yàn)分析的手段，從地質(zhì)災(zāi)害、含水層影響破壞、水土污染三個(gè)方面對(duì)該地區(qū)煤礦開采引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題及其影響程度進(jìn)行分析。通過分析得出該地區(qū)主要地質(zhì)環(huán)境問題包括：弱膠結(jié)覆巖煤礦的開采易引發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害；礦山涌排水在干旱氣候條件下對(duì)地下含水層產(chǎn)生疏干破壞；煤矸石淋慮液會(huì)對(duì)地表土壤產(chǎn)生污染，但由于南疆地區(qū)降水量少蒸發(fā)量大，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響較小。研究成果可以為弱膠結(jié)覆巖煤礦地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦山地質(zhì)環(huán)境；地質(zhì)災(zāi)害；含水層影響；水土污染；弱膠結(jié)覆巖

1.礦山自然地理概況

1.1地理位置

本次研究的煤礦塔什店二井田煤礦位于新疆庫(kù)爾勒市塔什店鎮(zhèn)，屬南疆地區(qū)。庫(kù)爾勒金川礦業(yè)有限公司塔什店二井田煤礦位于庫(kù)爾勒市北30km，隸屬新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師管轄，東北距焉耆47km，北距塔什店鎮(zhèn)15km。自礦區(qū)中部沿溝谷內(nèi)的公路東南行約2km至塔什店鎮(zhèn)，沿國(guó)道G314線向南至庫(kù)爾勒市約30km，向東北至焉耆回族自治縣縣城約47km；距塔什店火車站約18km，距庫(kù)爾勒機(jī)場(chǎng)約50km。塔什店二井田煤礦至塔什店鎮(zhèn)有柏油公路相通，礦山交通條件較為便利。

1.2地形地貌

塔什店鎮(zhèn)地貌類型按成因類型劃分，為中低山和丘陵地貌類型，礦區(qū)三面環(huán)山，主要為斷塊上升遭受侵蝕剝蝕的中低山丘陵區(qū)。礦區(qū)地處焉耆盆地西南緣，其西南有海拔+1500～+2500的庫(kù)魯塔克山，西北有海拔+3000余米的霍拉山，東北與開都河流域相連，開都河在礦區(qū)以東40余千米入博斯騰湖?？兹负泳嗑飪?nèi)主井口約4000m。礦區(qū)位于塔什店井田北側(cè)，地處霍拉山與庫(kù)魯塔克山之交匯處。地勢(shì)東、西高，中間低，北高南低之趨勢(shì)。礦區(qū)海拔+1114.23m～+1261.20m。

1.3地層巖性

礦區(qū)范圍內(nèi)分布的地層由老至新為：元古界興地塔格群（Pt1xn）、三疊系小泉溝群（T2+3xq）、下侏羅統(tǒng)哈滿溝組（J1h）、中侏羅統(tǒng)塔什店組（J2ts）、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組（N2p）、中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)桃樹園組（E3-N1）t和第四系，區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖出露，煤系地層無(wú)巖漿巖侵入。礦山地層主要為侏羅系、新近系和第四系，其中侏羅系為含煤地層，可采煤層有3層；上覆巖層巖性主要為砂礫巖、泥巖、粉砂巖與中砂巖，具有膠結(jié)差、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、抗水性差、對(duì)擾動(dòng)較為敏感等物理特性，均為弱膠覆巖，大多數(shù)巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度低于30MPa。

1.4水文

井田內(nèi)地表無(wú)水系，其中部寬緩低平略呈“S”形展布的谷地及兩側(cè)沖溝，除雨洪期有短暫水流外，一般多呈干涸狀態(tài)。礦區(qū)距離最近的常年性地表水系為孔雀河，孔雀河源于博斯騰湖，從井田外南部由東向西流過，最近處離井田南界約1000m，據(jù)塔什店水文站資料，每年4月～9月為豐水期，10月至翌年2月為枯水期。年平均流量31.22m3/s，徑流量9.855×108m3/s，水位標(biāo)高為1044.77m～1046.26m。

1.5氣候

井田所處地區(qū)屬大陸性干旱氣候，據(jù)庫(kù)爾勒市氣象站資料：最高氣溫38.3℃：最低氣溫-16℃。年降水量59.3mm，年蒸發(fā)量2506.5mm；相對(duì)濕度30%～69%，凍冰期11月到翌年3月，凍土深度5cm～41cm；1月～2月、12月積雪厚度2cm～ 6cm。5月、7月多東風(fēng)，其余月份缺少西南風(fēng)。全年以南西風(fēng)為主，平均風(fēng)速4.1m/s，最大風(fēng)速32m/s。

2.采礦方法及生產(chǎn)工藝

2.1采煤方法

礦山采用地下開采、斜井開拓方式。礦山各煤層采煤方法均采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，全部跨落法控制頂板，后續(xù)開采方式不會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)礦井開拓布置，回采工作面采用后退式。礦井下山采區(qū)回采8-2+3+4號(hào)煤層，兩翼開采。工作面之間為兩翼交替進(jìn)行，以便回采和掘進(jìn)的綜合管理。

2.2頂?shù)装骞芾矸椒?/p>

根據(jù)本礦井各煤層賦存條件，結(jié)合設(shè)計(jì)選擇的采煤方法及工藝，設(shè)計(jì)確定工作面頂板控制采用全部跨落法，快速推進(jìn)，采空區(qū)除保留的安全煤柱外盡量不留殘煤，提高煤炭回收率、及時(shí)封閉采空區(qū)。

3.礦山地質(zhì)環(huán)境問題分析

3.1地質(zhì)災(zāi)害

礦區(qū)地貌類型為構(gòu)造侵蝕中低山地貌，大部分地區(qū)地勢(shì)較為平坦，起伏不大，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害一般不發(fā)育。該煤礦為地下開采，此次地質(zhì)災(zāi)害的分析重點(diǎn)是地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。采空區(qū)上覆巖層巖性主要為砂礫巖、泥巖、粉砂巖與中砂巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為20.4MPa～ 37.67MPa，具有膠結(jié)差、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、抗水性差、對(duì)擾動(dòng)較為敏感等物理特性，屬弱膠結(jié)巖層。礦山西采空區(qū)地表投影面積1.522km2，東采空區(qū)地表投影面積0.401km2，目前采空區(qū)頂部地表局部已發(fā)生了移動(dòng)和變形。

依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范，以地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和危害程度確定地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性，地質(zhì)災(zāi)害危害程度和危險(xiǎn)性分級(jí)見表1與表2。地面塌陷災(zāi)害主要威脅采礦人員、車輛安全，威脅人員20人～30人，威脅財(cái)產(chǎn)數(shù)100萬(wàn)元～300萬(wàn)元。采礦活動(dòng)遭受地面塌陷災(zāi)害的危害程度中等，危險(xiǎn)性大。

3.2含水層的影響破壞

3.2.1采礦活動(dòng)對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的影響

開采煤層位于侏羅系承壓裂隙弱富水性含水層，含水層厚度28.66m～193.74m，平均厚72.92m。煤層所在含水層上下部為古風(fēng)化殼泥巖。開采煤層使侏羅系裂隙承壓含水層在開采范圍之上的導(dǎo)水裂隙帶高度內(nèi)結(jié)構(gòu)受到破壞，產(chǎn)生導(dǎo)水通道，且貫通上部隔水層，對(duì)含水層結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞。

3.2.2采礦活動(dòng)對(duì)地下水水質(zhì)影響

為研究礦區(qū)地下水水質(zhì)的變化情況，對(duì)比同一地點(diǎn)的2012年和2019年地下水水質(zhì)分析結(jié)果，其中檢測(cè)指標(biāo)值變化最大的為總硬度值，從2012年的564mg/L（以CaCO3計(jì)）增長(zhǎng)到2019年的1306mg/L（以CaCO3計(jì)），反映出地下水質(zhì)受到了采礦廢水的污染。檢測(cè)結(jié)果表明，礦化度、硫酸鹽、硫化物以及氯化物超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，其余各項(xiàng)指標(biāo)均符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）中Ⅲ類以及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求。監(jiān)測(cè)指標(biāo)中礦化度、硫酸鹽、硫化物以及氯化物超標(biāo)主要是由于礦井涌水為侏羅系弱含水層，地下水流動(dòng)較慢，其地下水中本底值較高引起的。總體來(lái)看，本區(qū)地下水水質(zhì)無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)較好。

3.2.3采礦活動(dòng)對(duì)地下水資源量影響

該煤礦經(jīng)多年的開采，存在一定量的積水，礦井正常涌水量為125m3/h，最大涌水量為150m3/h，礦井涌水經(jīng)處理后用作井下生產(chǎn)、井下消防、灑水降塵和礦區(qū)綠化。因該地區(qū)氣候干旱，降雨補(bǔ)給地下水量少，長(zhǎng)期的涌水排水已造成地下水水位不同程度的發(fā)生沉降，通過礦區(qū)地下水位觀測(cè)孔發(fā)現(xiàn)其水位最大降幅達(dá)約14m。

3.3水土環(huán)境污染

煤礦產(chǎn)生的主要固體廢棄物為煤矸石，煤矸石露天堆放于矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)雨淋溶后，易對(duì)土壤、地表水及地下水產(chǎn)生影響。為研究礦區(qū)內(nèi)的矸石淋溶水對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)內(nèi)矸石進(jìn)行浸出毒性試驗(yàn)，具體結(jié)果見表4。淋濾液中pH值9.05、高錳酸鉀指數(shù)1.6、氨氮含量2.92mg/L和氟化物0.4mg/L超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（6-9，≤0.002，≤1.0，≤0.02）。其他含Pb、As和Cl-分別為0.036、<0.001和21.3mg/L，SS和COD分別小于350mg/L和50mg/L。因此矸石淋濾液除高錳酸鉀指數(shù)、氨氮含量和氟化物外其他指數(shù)遠(yuǎn)低于《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)低于地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（0.05、0.05和1.0mg/L），庫(kù)爾勒金川礦業(yè)有限公司塔什店二井田煤礦矸石浸出液水質(zhì)能夠滿足《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，矸石淋溶水的主要污染物是懸浮物，對(duì)地表水和地下水的影響甚微。

4.結(jié)論

4.1上覆巖層為弱膠結(jié)覆巖的煤礦，巖體力學(xué)性質(zhì)較差，具有膠結(jié)差、強(qiáng)度低、易風(fēng)化、抗水性差、對(duì)擾動(dòng)較為敏感，地表易發(fā)生變形和移動(dòng)，易產(chǎn)生地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，危險(xiǎn)性大。

4.2南疆庫(kù)爾勒地區(qū)為暖溫帶大陸性干旱氣候，煤礦井工開采容易破壞含水層結(jié)構(gòu)，地表水補(bǔ)給量甚微，疏干排水會(huì)造成地下水位的下降，通過地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，礦化度、硫酸鹽和氯化物超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T14848-2017）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，其余各項(xiàng)指標(biāo)均符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求?？傮w來(lái)看，本區(qū)地下水水質(zhì)無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)較好。

4.3煤矸石浸出液成分檢測(cè)結(jié)果表明，因此矸石淋濾液除高錳酸鉀指數(shù)、氨氮含量和氟化物外其他指數(shù)遠(yuǎn)低于《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)低于地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（0.05、0.05和1.0mg/L），庫(kù)爾勒金川礦業(yè)有限公司塔什店二井田煤礦矸石浸出液水質(zhì)能夠滿足《污水綜合排放》（GB8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，矸石淋溶水的主要污染物是懸浮物，對(duì)地表水和地下水的影響甚微。

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