山西省大同塔山煤礦地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題與治理對(duì)策研究

彭建陽(yáng)，崔朋濤，朱文慧，尚佳楠，蘇永江

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

塔山煤礦位于山西省大同市云岡區(qū)口泉鄉(xiāng)上窩寨村北，礦區(qū)東北側(cè)有京包鐵路線、大秦線，東側(cè)有北同蒲線，塔山煤礦鐵路裝車線已經(jīng)形成(接軌北同蒲線)[1]。礦區(qū)東側(cè)有大運(yùn)高速公路，可通往河北省、內(nèi)蒙古等地，礦區(qū)建有煤炭專用二級(jí)公路與大運(yùn)公路相連，交通十分方便。

大同塔山煤礦目前開采水平+1 045 m，現(xiàn)采煤層3—5號(hào)煤層，井筒數(shù)量3個(gè)，采煤工藝為綜采放頂煤，生產(chǎn)能力為300萬(wàn)t/a[1]。礦山開采過(guò)程中造成了一系列的地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)破壞問(wèn)題，為了合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源，實(shí)施保護(hù)、監(jiān)測(cè)和恢復(fù)治理礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題[1-6]，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，提出具體問(wèn)題，根據(jù)具體問(wèn)題進(jìn)行綜合治理[3-5]。為預(yù)防和治理煤礦生產(chǎn)對(duì)土地造成的損毀及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響提供參考[5-8]。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 礦區(qū)地質(zhì)

塔山煤礦位于大同煤田中東邊緣地段，屬大同向斜中東翼。礦區(qū)出露地層為太古界集寧群，古生界寒武系、奧陶系下統(tǒng)冶里組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，侏羅系下統(tǒng)永定莊組、中統(tǒng)大同組、云岡組、第四系中、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)[1]。

礦區(qū)巖漿活動(dòng)主要為印支期侵入的煌斑巖，其入侵通道可能為斷裂構(gòu)造，主要以小巖床的形式侵入煤系地層，分布范圍較小。塔山煤層走向北東，傾角平緩。礦區(qū)揭露斷層22條，落差0.20～5.10 m。

1.2 礦體特征

(1)含煤地層。礦區(qū)賦礦煤層主要為侏羅系大同組、二疊系山西組、石炭系上統(tǒng)太原組等[1]。侏羅系大同組含可采煤層現(xiàn)已大部分采空，二疊系山西組多為不可采煤層，石炭系上統(tǒng)太原組煤層，為礦區(qū)主要采煤層，煤層厚73.67～93.40 m，平均厚85.45 m，含煤系數(shù)為42%。

(2)可采煤層。礦區(qū)可采煤層自上而下分別為2號(hào)、3—5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)煤層。2號(hào)煤層厚0.10～3.90 m，平均厚2.33 m，位于太原組，大部分已被采空；3—5號(hào)煤層上距2號(hào)煤層1.55～6.67 m，平均4.35 m，該煤層厚度15.72～26.77 m，平均厚17.93 m，變異系數(shù)為0.16%，屬穩(wěn)定煤層，夾矸一般為5～11層；7號(hào)煤層上距5號(hào)煤層3.57～15.84 m，平均8.10 m，煤層厚度0～3.92 m，平均厚1.67 m，夾矸一般為0～3層；8號(hào)煤層上距7號(hào)煤層16.18～26.23 m，平均20.31 m，煤層厚度1.47～7.45 m，平均厚4.24 m，含0～2層夾矸，屬可采穩(wěn)定煤層；9號(hào)煤層上距8號(hào)煤層1.50～9.98 m，平均7.28 m，煤層厚度0～3.35 m，平均厚1.43 m，含0～3層夾矸。

1.3 水文地質(zhì)條件

(1)含水層。主要包括：①第四系孔隙水，含水性較弱且易受到污染；②大同組含水層，該含水層由于采煤破壞，處于疏干狀態(tài)；③永定莊組含水層，涌水量為0.002 5 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.004 m/d，富水性弱；④山西組含水層，涌水量為0.000 465 8 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.000 552 m/d，富水性弱；⑤太原組含水層，涌水量為0.000 27 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.000 89 m/d，為承壓水，富水性弱[1]。

(2)隔水層。 礦區(qū)隔水層主要為石炭系中統(tǒng)本溪組，其次為煤系地層中泥質(zhì)巖類。隔水層具有相對(duì)性，在隔水層受到風(fēng)氧化或構(gòu)造破壞的情況下，其隔水性能將降低，甚至失去隔水作用。

1.4 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)為多煤層含煤巖系，巖體結(jié)構(gòu)以層狀結(jié)構(gòu)為主，頂板多為粉砂巖、細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖，穩(wěn)定性一般。底板多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖，由于該礦地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，含水層富水性弱，煤層頂?shù)装逡灾械确€(wěn)定類型為主?；卷敵醮蝸?lái)壓及周期來(lái)壓明顯，初次來(lái)壓步距為工作面長(zhǎng)度的85%～110%，周期來(lái)壓步距為工作面長(zhǎng)度的20%～30%；直接頂?shù)某醮慰迓渚酁楣ぷ髅骈L(zhǎng)度的20%～40%；當(dāng)基本頂為整體厚砂巖時(shí)，冒落高度可達(dá)30～50 m，呈倒臺(tái)階狀，并始終留有0.4～0.6 m高的間隙。

2 礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查結(jié)果，礦區(qū)面積8.146 km2，礦區(qū)北部、西部和南部與同煤大唐塔山井田相接，東南部與山西煤運(yùn)集團(tuán)七峰山井田相接，礦區(qū)北部井筒以東區(qū)域?yàn)槊簩勇额^。礦井風(fēng)井廣場(chǎng)與矸石場(chǎng)位于礦界外。

2.1 采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀

礦山具有較長(zhǎng)的開采歷史，侏羅系煤層已基本采完，采深多在 80～120 m，據(jù)統(tǒng)計(jì)，累計(jì)形成采空區(qū)面積約4.432 1 km2(圖1)。

圖1 礦區(qū)采空區(qū)分布Fig.1 Distribution map of mined-out area

(1)采空區(qū)引發(fā)的地面沉陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查，目前可見明顯的地裂縫群主要分布在礦區(qū)中北部，以3—5號(hào)煤層工作面開采區(qū)域上方較為集中，地裂縫走向多呈北東—南西向，多呈直線型或略帶有小弧度，剖面上多呈從采空區(qū)邊緣向采空區(qū)中部逐級(jí)下錯(cuò)的臺(tái)階狀，裂縫寬度0.1～1.2 m，長(zhǎng) 10～60 m，可見深度0.3～0.8 m，裂縫間距5～20 m，每組地裂縫群有裂縫3～5條(圖2)。

圖2 采空區(qū)地表塌陷區(qū)Fig.2 Surface subsidence area of goaf

受地面沉陷、地裂縫影響的耕地面積約43.97 hm2，約合44hm2旱地遭受減產(chǎn)損失，按減產(chǎn)損失4 500元/hm2計(jì)算，造成的耕地區(qū)直接經(jīng)濟(jì)損失約19.8萬(wàn)元。2017—2020年礦方累計(jì)投入地裂縫、地面沉陷治理費(fèi)用>100 萬(wàn)元。

(2)采空區(qū)引發(fā)工業(yè)場(chǎng)地崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。①工業(yè)場(chǎng)地辦公樓北側(cè)邊坡。該邊坡為修建時(shí)平整場(chǎng)地切坡而成，坡高10～15 m，坡寬約120 m，坡體已治理，坡面漿砌石護(hù)面，建有坡頂截水渠、坡腳排水渠，分三級(jí)臺(tái)階護(hù)坡，每級(jí)臺(tái)階高5～6 m，現(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性好，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小(圖3)。②工業(yè)場(chǎng)地風(fēng)井西側(cè)邊坡。該邊坡切坡坡高25～35 m，坡寬約85 m，坡體出露巖性為寒武系灰?guī)r、白云巖，巖體表層風(fēng)化較強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡坡角約 40°，巖層產(chǎn)狀286°∠40°。坡體下部為漿砌石護(hù)面墻，坡體中部噴漿護(hù)面，坡下主要建構(gòu)(筑)物為礦井風(fēng)井與配電室，現(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性較好，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小(圖4)。

圖3 工業(yè)場(chǎng)地辦公樓邊坡Fig.3 Slope of office building in industrial site

圖4 工業(yè)場(chǎng)地風(fēng)井邊坡Fig.4 Slope of air shaft in industrial site

2.2 泥石流地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀

礦區(qū)內(nèi)地表呈典型的低山丘陵地貌，第四系較發(fā)育，形成眾多的黃土陡坡。矸石周轉(zhuǎn)場(chǎng)地位于工業(yè)場(chǎng)地西北側(cè)溝谷一自然沖溝內(nèi)，沖溝剖面形態(tài)為V形，長(zhǎng)度約180.0 m，溝寬30.0 m，溝深20.0 m，占地面積0.83 hm2，庫(kù)容20萬(wàn) m3，服務(wù)年限3.0年?，F(xiàn)狀條件下，只有少量矸石堆放約1 000 m3，最大填方高度10.5 m，現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)估區(qū)內(nèi)未發(fā)生過(guò)泥石流地質(zhì)災(zāi)害。現(xiàn)狀調(diào)查，溝底堵塞情況輕微。

2.3 地形地貌景觀破壞現(xiàn)狀

礦區(qū)不涉及任何保護(hù)區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)，對(duì)地形地貌景觀產(chǎn)生影響的主要為人類工程活動(dòng)，煤層開采、工業(yè)場(chǎng)地的修建、矸石的堆放等，此次野外調(diào)查，影響面積約為187.52 hm2。

(1)煤礦采空區(qū)地表可見不同規(guī)模的地裂縫群分布，在裂縫群分布區(qū)內(nèi)使其原始地形遭受不同程度的破壞，造成了地形輕度不連續(xù)、植物傾斜等。地裂縫、地面沉陷對(duì)原生地形地貌景觀影響和破壞程度較大，對(duì)地形地貌景觀影響和破壞程度為“較嚴(yán)重”。

(2)工業(yè)場(chǎng)地建設(shè)過(guò)程中，由于場(chǎng)地整平、挖高填低改變了原有地貌形態(tài)，增加景觀破碎度，產(chǎn)生生態(tài)斑塊，地形地貌景觀影響程度為“嚴(yán)重”。

(3)臨時(shí)矸場(chǎng)位于風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地東側(cè)的自然沖溝內(nèi)，占地面積5.75 hm2，矸場(chǎng)堆高達(dá) 30～50 m，分5～8 級(jí)臺(tái)階，對(duì)原始溝谷地形地貌改變較大，對(duì)原始地形地貌景觀影響和破壞程度為“嚴(yán)重”。

2.4 環(huán)境污染與生態(tài)破壞現(xiàn)狀

礦山大氣污染主要為原煤儲(chǔ)存煤塵、物料運(yùn)輸過(guò)程揚(yáng)塵、儲(chǔ)煤場(chǎng)面源揚(yáng)塵等粉塵污染；水污染主要為井下排水和生活污水，主要污染物為COD、BOD5、氨氮、SS等；固體廢棄物污染主要為矸石堆放占?jí)恨r(nóng)田、綠地等。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)

3.1 礦山地面塌陷、裂縫治理措施

此類地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，主要采用取表土剝離、土石充填并混凝土實(shí)、表土回覆等措施治理。就近取土進(jìn)行沉陷坑的填埋、整平，通過(guò)挖高填低進(jìn)行土地平整，消除開采沉陷產(chǎn)生的附加坡度，恢復(fù)土地功能[6-12]。

(1)礦區(qū)輕度和中度地裂縫工程量。先對(duì)耕地中地裂縫進(jìn)行表土剝離(包括現(xiàn)狀調(diào)查未治理的耕地面積)，表土剝離量4 926.27 m3。然后直接將拉運(yùn)土方填入所有地裂縫，拉運(yùn)充填土方量29 819.11 m3，人工夯實(shí)土方量29 819.11 m3，最后進(jìn)行耕地表土回覆，表土回覆工程量4 926.27 m3。

(2)礦區(qū)重度地裂縫工程量。先對(duì)耕地中地裂縫進(jìn)行表土剝離，近期耕地?zé)o重度區(qū)。然后所有地裂縫直接將拉運(yùn)土石方填入，拉運(yùn)充填土石方總量為80 416.84 m3。其中，充填矸石量按照充填土石方總量的80%估算，剩余為土方，則估算充填矸石量為64 333.47 m3；估算充填土方量為16 083.37 m3。

3.2 泥石流、滑坡防治措施

泥石流、滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性較低，需定期巡查溝谷兩岸坡體，對(duì)溝谷兩岸松散堆積物進(jìn)行清理，預(yù)測(cè)適用期內(nèi)清理溝谷松散堆積物約2 000 m3。

3.3 地形地貌景觀保護(hù)與恢復(fù)治理

(1)土地復(fù)墾措施。土地平整工作主要是針對(duì)局部出現(xiàn)的地表沉陷進(jìn)行平整，避免出現(xiàn)局部積水和水土流失現(xiàn)象[5-11]。采用機(jī)械與人工結(jié)合的方法平整土地，平整時(shí)先挖第1取土帶，直至標(biāo)準(zhǔn)地面以下0.3 m，將土填入第1填土帶，將第2取土帶厚約0.3 m耕層肥土，填入第1取土帶槽底，再開挖第2取土帶生土，填入第2填土帶，同時(shí)將第3填土帶表土反卷在第2填土帶上，如此抽生留熟，依次平整。對(duì)平整后的土地進(jìn)行翻耕，翻耕深度0.3 m，土地翻耕面積118.42 hm2，增設(shè)灌溉設(shè)施、配套道路工程。道路行道樹主要種植油松，道路兩側(cè)各種1行，每3 m種植1株[4-8]。

(2)林地生態(tài)恢復(fù)措施。對(duì)受損的樹木，及時(shí)扶正樹體，適時(shí)進(jìn)行管理，包括施肥等措施，保證其正常生長(zhǎng)，對(duì)已枯死的樹木進(jìn)行人工補(bǔ)種[2-3]。有林地復(fù)墾擬選用油松和刺槐為補(bǔ)種樹種，補(bǔ)種比例為1∶1，株行距2.0 m×2.5 m，栽植密度2 000株/hm2。采用魚鱗坑整地形式，長(zhǎng)徑為0.5～0.7 m，短徑為0.4～0.5 m，坑下沿做成弧形土埂，埂高0.2～0.3 m。苗木規(guī)格為3年生一級(jí)苗，胸徑5～10 cm，高度1～2 m。為盡快恢復(fù)地表植被，保證有林地的植被覆蓋率，設(shè)計(jì)在回填縫處及兩邊0.5 m撒播紫花苜蓿和無(wú)芒雀麥，播種比例為1∶1，紫花苜蓿和無(wú)芒雀麥播種均為22.5 kg/hm2。

(3)矸石場(chǎng)復(fù)墾期滿，通過(guò)綜合治理形成邊坡和平臺(tái)后進(jìn)行復(fù)墾，矸石場(chǎng)面積5.75 hm2，平臺(tái)面積3.50 hm2，邊坡面積2.25 hm2。根據(jù)適宜性評(píng)價(jià)，矸石場(chǎng)平臺(tái)復(fù)墾為有林地，邊坡復(fù)墾為灌木林地。

(4)工業(yè)場(chǎng)地復(fù)墾面積14.18 hm2，復(fù)墾為有林地，首先對(duì)廢棄物進(jìn)行拆除、清運(yùn)，然后做土地平整、覆土0.5 m，運(yùn)距1～2 km，需土方量7.08萬(wàn)，根據(jù)適宜性評(píng)價(jià)，工業(yè)場(chǎng)地復(fù)墾方向?yàn)橛辛值?，并進(jìn)行穴狀整地，栽植油松和刺槐，栽植比例為1∶1，株行距為2.0 m×2.5 m，栽植密度為2 000株/hm2。 穴深40 cm左右，直徑40 cm，并筑土堰，土堰寬20 cm，高20 cm，呈中間高兩邊低狀。苗木規(guī)格為3年生一級(jí) 苗，胸徑5～10 cm，高度1～2 m，共需28 360株油松與刺槐。

4 效益分析

礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與復(fù)墾工程實(shí)施后，可有效防治地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的；最大限度地減少采礦對(duì)土地資源的破壞，也及時(shí)恢復(fù)了礦區(qū)土地功能，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[11-14]。

礦山復(fù)墾工程實(shí)施后，增加耕地54.77 hm2，有林地49.74 hm2，灌木林地3.34 hm2，人工牧草地469.08 hm2。按照每年耕地平均增收1.2萬(wàn)元/hm2、林地增收0.8萬(wàn)元/hm2、草地增收0.3元/hm2的純收入計(jì)算，復(fù)墾土地每年可增加經(jīng)濟(jì)效益250萬(wàn)元。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)塔山煤礦地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀調(diào)查，地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀問(wèn)題主要以采空區(qū)引發(fā)的地面沉陷、地裂縫，邊坡崩塌、滑坡等，矸石堆放引發(fā)的泥石流等為主；生態(tài)環(huán)境問(wèn)題主要為礦山生產(chǎn)造成的地形地貌景觀破壞、土地占?jí)?，原煤?chǔ)存、運(yùn)輸?shù)仍斐傻姆蹓m污染。

(2)針對(duì)具體的地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題，開展有效的治理措施，盡可能地減緩因礦山開采造成的生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦山開采與環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展。

(3)通過(guò)對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析，可提高地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，增強(qiáng)防范意識(shí)，保護(hù)人民生命、財(cái)產(chǎn)損失，可達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。