甘肅魏家地煤礦礦山環(huán)境特征評估及生態(tài)恢復(fù)

盧守卿，李貞岐，盧聲媛，李建喜，潘彥軍

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

環(huán)境是人類生存與發(fā)展的必要條件，礦產(chǎn)資源是人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，而礦山的開采勢必會造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)地質(zhì)環(huán)境的破壞，地質(zhì)環(huán)境的惡化反過來又破壞礦山資源(如礦區(qū)土地資源、風(fēng)景景觀資源、水資源等)。如何實現(xiàn)礦產(chǎn)開發(fā)與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)并重，是目前礦業(yè)開發(fā)的首要任務(wù)[1-3]。

魏家地煤礦作為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，建礦以來不斷改造生產(chǎn)技術(shù)條件，使煤礦生產(chǎn)能力逐步提升至300萬t/a，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。同時也造成了生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的破壞，礦區(qū)目前形成采空區(qū)1處，面積5.03 km2，采空區(qū)極易引發(fā)地面塌陷，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚敭a(chǎn)安全。為了最大限度地減輕礦業(yè)開發(fā)對礦山地質(zhì)環(huán)境的負(fù)面影響，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力，建設(shè)高產(chǎn)高效能的現(xiàn)代化礦山，本文參考其他類似并已修復(fù)的礦山，通過對礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查并作出評估，提出綜合治理方案，恢復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)資源合理開發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展[2-7]。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 地區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)位于祁連山余脈向黃土高原的過渡地帶，礦區(qū)地貌為構(gòu)造侵蝕低中山、侵蝕堆積黃土丘陵、剝蝕—堆積山前傾斜平原。礦區(qū)出露地層主要為中侏羅統(tǒng)窯街組、上三疊統(tǒng)南營兒群及大部分第四系，出露巖性有砂巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖，局部含礫等。中侏羅統(tǒng)窯街組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

礦區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育。褶皺構(gòu)造有腰水短軸背斜、花尖子短軸向斜；斷裂構(gòu)造主要為北西向3組斷裂，F(xiàn)1為區(qū)域性大斷層，呈蓋層滑動性質(zhì)的逆掩斷裂組合，F(xiàn)2為F1斷層組覆蓋的隱蔽逆斷層，F(xiàn)3為壓扭性逆斷層(圖1)。

圖1 魏家地煤礦礦區(qū)構(gòu)造Fig.1 Mining area structure of Weijiadi Coal Mine

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，礦區(qū)的地震動峰值加速度為0.15g，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度[4]。礦區(qū)及其鄰近地區(qū)共發(fā)生地震17次，該區(qū)屬地震多發(fā)地區(qū)。

2 水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

魏家地煤礦在區(qū)域上屬于大水頭水文地質(zhì)盆地的一部分，該水文地質(zhì)盆地第四系含水層基底隔水底板主要由白堊系砂巖和侏羅系砂、頁巖組成。根據(jù)區(qū)內(nèi)含水層埋藏及含水介質(zhì)條件和相應(yīng)隔水層的分布情況，本區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙裂隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙水和斷裂帶脈狀水3類。對礦井開采有影響的含水層主要為碎屑巖類孔隙裂隙水，而松散巖類孔隙裂隙潛水和斷裂帶脈狀水分布有限，對礦井開采影響小。

據(jù)魏家地煤礦前期已有水文統(tǒng)計資料，建井初期主井涌水量7.6 m3/h，副井涌水量9.7 m3/h，主副井及巷道涌水總量為35～38 m3/h，南風(fēng)井井筒及巷道涌水總量為35～38 m3/h。東風(fēng)井井筒施工到+1 067.50 m水平開始涌水，隨著深度的增加涌水量逐漸增大，由11.22 m3/h增至38.84 m3/h；井筒深度321.60 m以下至382.00 m涌水量又逐漸減小，由23.30 m3/h減至20.70 m3/h，至后期涌水量僅為12.18 m3/h。造成涌水量由小變大、又由大變小的原因是下白堊統(tǒng)上部砂巖裂隙發(fā)育，儲水量較多，表現(xiàn)出礦坑涌水由少到多的現(xiàn)象，隨著白堊系含水層儲存量的疏干以及下部砂質(zhì)泥巖含水性變差，水量開始出現(xiàn)由大到小的表象。

魏家地煤礦自建成投入生產(chǎn)以來，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、采深的增加，礦井的涌水量不斷增大，但增加幅度較小。據(jù)該礦歷年的礦井涌水量統(tǒng)計結(jié)果，礦井中涌水量大部分來自灌漿脫水(占47%)，次為生產(chǎn)用水(占33%)，含水層涌水僅占20%。

根據(jù)魏家地煤礦提供的2012—2018年度礦井水文觀測資料，近8年來礦井最大涌水量為144.0 m3/h，最小涌水量為97.69 m3/h，平均總涌水量為114.40～133.60 m3/h，除去灌漿脫水和生產(chǎn)用水，含水層實際涌水量為22.88～26.72 m3/h。

2.2 工程地質(zhì)條件

魏家地煤礦1、2、3煤層是可采和局部可采煤層，其煤層頂、底板巖體工程地質(zhì)特征敘述見表1。

表1 煤層頂板巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果Tab.1 Test results of rock physical and mechanical properties of roof of coal seam

3 礦山地質(zhì)環(huán)境影響和土地?fù)p毀評估

3.1 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及評估

通過對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查分析，確定評估區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀情況下發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌4處，地面塌陷及伴生地裂縫1處，矸石堆放可能引發(fā)滑坡、崩塌5處[5-7]。

(1)崩塌特征及評估。主要為侵蝕—堆積黃土丘陵地貌，發(fā)育崩塌的邊坡坡高8～10 m，坡長10～12 m，坡寬40～50 m，坡體近于直立，出露地層為第四系馬蘭黃土。人工開挖取土造成邊坡失穩(wěn)，形成崩塌，由于仍在取土，故該崩塌的坡長和坡寬仍在不斷變化中。崩塌災(zāi)害對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響程度屬較輕，面積總計0.065 hm2。

(2)地面塌陷特征及評估。地面塌陷區(qū)位于魏家地煤礦西一采區(qū)井巷密集帶正上方，地面塌陷最大深度3.1 m，陷坑形狀為梯形，長軸方向近南北向，變形區(qū)面積約282.50 hm2，發(fā)生塌陷至今尚在進(jìn)一步發(fā)展中，所處地貌為黃土丘陵和低中山區(qū)。地面塌陷伴生裂縫的單縫多呈直線、弧線形，拉張、下挫狀，縫寬0.02～0.50 m，深度達(dá)3 m以上，近于貫通，長度可達(dá)200～800 m，傾向與階步指向相同，傾角近直立。群縫排列組合形式呈平行、環(huán)圍狀，裂縫間距不一，一般1～5 m，最大下錯距離達(dá)3.5 m。

目前魏家地礦區(qū)內(nèi)西一采區(qū)1、2、3煤層，東一采區(qū)1煤層及北一采區(qū)1煤層已全部采完，西二采區(qū)對1煤層進(jìn)行了局部開采。根據(jù)魏家地煤礦開發(fā)利用方案提供的開采進(jìn)度計劃、開采時間，并結(jié)合開采區(qū)域來劃分開采時段。此次將魏家地煤礦采礦許可證剩余服務(wù)年限13.0年(2019年1月—2031年12月)劃分為3個開采時段：第1時段(2019年1月—2023年12月)，將西二采區(qū)1、2、3煤層、東一采區(qū)2、3煤層及北一采區(qū)2煤層全部采完；第2時段(2024年1月—2028年12月)，將北一采區(qū)3煤層全部采完；第3時段(2029年1月—2031年12月)，對東二采區(qū)的1煤層進(jìn)行局部開采。

根據(jù)方案服務(wù)期內(nèi)的地表沉陷范圍，繪制了開采時段的下沉等值線圖(圖2)，以此分析其危害特征及對地質(zhì)環(huán)境的影響程度。方案服務(wù)期內(nèi)所有煤層開采完之后，預(yù)測總塌陷面積約823.4 hm2，包括現(xiàn)狀塌陷區(qū)面積282.5 hm2，擬塌陷不重復(fù)塌陷區(qū)面積540.9 hm2，重復(fù)塌陷面積為72.41 hm2。地表最大下沉值為19 586.69 mm，最大傾斜值為64.22 mm/m，最大曲率為320.1×10-3m-1，最大水平位移7 795.50 mm，最大水平變形值38.85 mm/m。預(yù)測采礦活動加劇地面塌陷災(zāi)害對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度屬嚴(yán)重[8]。

圖2 方案服務(wù)期地表下沉等值線(概率積分法)Fig.2 Subsidence contours during the service period of the plan(probability integral method)

(3)矸石堆放處可能引發(fā)滑坡、崩塌及評估。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，魏家地煤礦現(xiàn)有排矸場5處(Z1—Z5)，其中，Z1—Z4排矸場均已廢棄，均已采取分級放坡、覆土平整等措施進(jìn)行了治理，穩(wěn)定性較好。預(yù)測評估Z1—Z4排矸場矸石堆放引發(fā)滑坡、崩塌災(zāi)害對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度屬較輕。

目前及后期使用的Z5排矸場位于礦區(qū)南部的大峴溝內(nèi)，占地面積約8.83 hm2，現(xiàn)狀堆積高度為10～30 m，堆積方量約155.10×104m3。根據(jù)礦山年產(chǎn)矸石量8.2×104m3推算，至方案服務(wù)期的最后一年，預(yù)估矸石堆積方量將達(dá)到220.70×104m3，堆積高度增加至30～50 m(圖3)，每年新增占地約0.58 hm2，占地面積將擴(kuò)大至16.37 hm2。Z5排矸場堆積規(guī)模較大，穩(wěn)定性較差，引發(fā)滑坡、崩塌災(zāi)害的可能性較大；危害對象為排矸場工作人員及施工機(jī)械設(shè)備等，預(yù)估受威脅人數(shù)3～5人，可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約50萬元。故預(yù)測評估方案服務(wù)期內(nèi)，Z5矸石堆放引發(fā)滑坡、崩塌災(zāi)害對礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度較嚴(yán)重[9]。

圖3 Z5矸石堆現(xiàn)在及預(yù)測剖面示意Fig.3 Schematic diagram of the current and predicted profile of Z5 gangue pile

3.2 礦區(qū)水土環(huán)境破壞現(xiàn)狀及評估

魏家地煤礦工程活動對土地造成的損毀主要有土地壓占損毀、土地取土挖損、采空區(qū)塌陷損毀。

(1)土地壓占損毀。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該礦山采礦活動對土地造成壓占損毀的地面工程主要包括：1號工業(yè)場地33.42 hm2，2號工業(yè)場地18.21 hm2，生活區(qū)34.95 hm2，南風(fēng)井場地3.05 hm2，排矸場13.64 hm2，堆煤場8.77 hm2，礦區(qū)專用鐵路6.10 hm2，礦區(qū)道路2.57 hm2。壓占損毀土地總計120.71 hm2。

(2)土地取土挖損。魏家地煤礦黃土灌漿取土場共設(shè)置4處，其中G1、G3黃土灌漿取土場均已廢棄，已挖損土地面積分別為0.81 hm2和0.71 hm2；目前及后期繼續(xù)使用的G2、G4黃土灌漿取土場，已挖損土地面積分別為0.32 hm2和0.58 hm2。以上4處(G1—G4)黃土灌漿取土場共計挖損土地面積2.42 hm2。后期礦山取土有2處(G2、G4)，主要為黃土灌漿取土，工程復(fù)墾時地裂縫充填、覆土等所需土方量，預(yù)測2處取土場擬新增損毀土地2.08 hm2(圖4)。

圖4 G4取土場擬挖損平面及取土場擬挖損土地剖面示意Fig.4 Plan of the borrow yard to be excavated and the cross-section of the soil to be excavated in the G4 borrow yard

(3)土地沉陷損毀。根據(jù)此次調(diào)查和礦方提供的以往開采情況及礦區(qū)地面塌陷變形監(jiān)測資料，現(xiàn)狀魏家地煤礦土地沉陷共1處，面積為282.50 hm2。根據(jù)地面塌陷特征及評估，得出魏家地煤礦在方案服務(wù)期內(nèi)開采后土地擬沉陷損毀面積共823.40 hm2，其中輕度損毀區(qū)面積348.41 hm2，中度損毀區(qū)面積258.51 hm2，重度損毀區(qū)面積216.48 hm2。擬塌陷土地?fù)p毀程度及面積詳見表2。

表2 服務(wù)期內(nèi)擬塌陷損毀土地面積統(tǒng)計Tab.2 Statistical tables of land area to be collapsed during the service period

4 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理與土地復(fù)墾

4.1 地質(zhì)災(zāi)害治理工程

(1)黃土灌漿取土場崩塌治理工程。近5年內(nèi)主要對已廢棄的2處黃土灌漿取土場由于人工開挖引發(fā)的B1、B3崩塌災(zāi)害采取削坡減載工程措施。為了確保施工安全，采取自上而下的施工方法，對崩塌體分兩級削坡，坡比不宜小于1.00∶0.75，每級臺階高度設(shè)置為5～6 m為宜，上下臺階之間設(shè)置寬1.5～2.0 m的馬道[9]。

(2)塌陷區(qū)裂縫充填工程。①設(shè)立警示牌。由于區(qū)內(nèi)地面塌陷區(qū)地裂縫發(fā)育具有不確定性，故在現(xiàn)狀發(fā)育及近期5年內(nèi)引發(fā)的地裂縫區(qū)的周圍及路口處設(shè)置明顯的警示牌25處，警示牌上明確寫清“塌陷危險區(qū)、嚴(yán)禁進(jìn)入”等字樣[10]。②塌陷區(qū)裂縫充填工程。地裂縫充填工程主要針對區(qū)內(nèi)預(yù)計水平拉伸變形達(dá)到2.0 mm/m以上的區(qū)域。從魏家地煤礦已發(fā)生地面塌陷來看，地裂縫的分布面積和規(guī)模較大，一般出現(xiàn)于煤柱、采空塌陷的邊緣地帶，以及煤層淺部地帶，且多沿工作面走向分布。裂縫造成地表水體漏失、土壤肥力流失，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需要采取整治措施[11]。輕、中度損毀的沉陷區(qū)裂縫可直接用土填充，采用人工作業(yè)方式處理[12]。人工就地挖土填補裂縫，填土夯實后進(jìn)行平整，具體方法為：在垂直于裂縫走向的自然地勢上坡方向，取地表腐殖土厚30 cm 向后堆放，就近取土填縫，逐步后退預(yù)先堆放的腐殖土，均勻回填，基本攤平。對于重度損毀的寬度較大裂縫填充具體步驟：填充裂縫可用小平車向裂縫中導(dǎo)入土，當(dāng)填充高度距地表1 m左右時進(jìn)行夯實，然后每填充厚度40 cm左右搗實1次，直到略低于原地表，然后充填厚0.3 m的土搗實。

4.2 土地復(fù)墾工程

依據(jù)土地復(fù)墾適宜性評價結(jié)果，項目區(qū)復(fù)墾責(zé)任范圍面積為853.04 hm2，復(fù)墾后土地面積為830.56 hm2，復(fù)墾率為97.36%，復(fù)墾方向為耕地、草地及住宅用地等。

需要說明：由于復(fù)墾責(zé)任范圍內(nèi)包含的2處(G2、G4)取土場、1處(Z5)排矸場及2處(D1、D2)堆煤場，為礦山目前使用及方案服務(wù)期結(jié)束后仍將繼續(xù)使用，此次不對其設(shè)計復(fù)墾工程。

另外，礦山前期對已塌陷并趨于沉穩(wěn)的塌陷區(qū)局部進(jìn)行了復(fù)墾，已復(fù)墾面積約90 hm2，屬于已復(fù)墾未驗收且不再重復(fù)塌陷范圍，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，植被長勢良好，已達(dá)到草地復(fù)墾要求，復(fù)墾效果較好。故此次針對該區(qū)域不再布置復(fù)墾工程措施，以土地復(fù)墾效果監(jiān)測和管護(hù)為主[8-9]。

5 效益分析

礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與復(fù)墾工程實施后，可有效治理因采礦造成的地面塌陷和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害，修復(fù)損毀土地，減緩含水層和地形地貌景觀破壞，遏制生態(tài)環(huán)境的惡化，恢復(fù)損毀的植被[11]。

(1)環(huán)境效益。該方案的實施，有效保護(hù)了礦區(qū)礦產(chǎn)資源有序開發(fā)。通過植被建設(shè)，提高植被覆蓋率；通過植物固沙保持土壤，防止風(fēng)蝕沙化，減輕地質(zhì)災(zāi)害對礦山企業(yè)的危害，改善了區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。

(2)社會效益。通過礦山恢復(fù)治理，減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，保障人民生命財產(chǎn)安全；土地恢復(fù)治理，促進(jìn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，增加就業(yè)，可緩解剩余勞動力問題。

6 結(jié)論

(1)本次對礦山全區(qū)進(jìn)行了全面的地質(zhì)調(diào)查評價，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估級別確定為一級。

(2)礦區(qū)礦業(yè)開發(fā)造成的地質(zhì)環(huán)境問題主要有地面塌陷、崩塌災(zāi)害。地面塌陷造成嚴(yán)重的地貌景觀破壞，對礦山的地質(zhì)環(huán)境影響程度屬嚴(yán)重；崩塌造成的地質(zhì)環(huán)境影響程度較小，對礦山的地質(zhì)環(huán)境影響程度屬較輕。

(3)礦區(qū)地貌破壞主要表現(xiàn)為土地壓占損毀、土地取土挖損和采空區(qū)塌陷損毀。

(4)通過有效的地質(zhì)災(zāi)害防治和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，可有效降低礦產(chǎn)開采活動對環(huán)境的影響。