貴州省某關閉煤礦山地質災害環(huán)境風險分析與評估

洪五華

（貴州省煤田地質局水源隊，貴州 貴陽 550081）

煤礦山開采帶來的主要問題為土地與植被的壓占與損毀、地質災害（包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫等）、水土資源環(huán)境的污染，隨著國家淘汰落后產能，提倡綠色能源的步伐，關閉煤礦山引發(fā)的地質環(huán)境災害等問題日趨顯著。

貴州省關閉煤礦山環(huán)境地質災害問題亟待解決。關閉煤礦井引發(fā)的主要地質災害類型有滑坡、地面沉降、地裂縫等,環(huán)境污染問題有地下水污染、地表水污染、含水層破壞、水土流失、土壤污染,生態(tài)環(huán)境問題主要表現在自然景觀破壞、生態(tài)平衡破壞。十四五規(guī)劃局勢下，貴州省如何防災減災，保護生態(tài)環(huán)境，進行關閉煤礦山調查與風險評估，將成為關閉礦山地區(qū)社會和經濟發(fā)展的關鍵問題之一，將成為影響鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略成功的因素之一。本文以關閉煤礦山地質環(huán)境調查為基礎，借助地球物理勘探作業(yè)圈定關閉煤礦采空區(qū)范圍（及影響范圍），研究關閉煤礦山地質災害環(huán)境風險性預測，并提出工程建設建議。

1 礦區(qū)采礦歷史

貴州省某煤礦于1979年開始建井，1984年建成投產，原設計礦井生產能力為6×104t/a，礦山采礦方法為走向長壁后退式，采煤工作面采用傳統(tǒng)炸藥爆破，支護方式采用單體液壓支護配鉸接頂梁進行支護，“三·四”排空頂全部陷落法管理采空區(qū)。煤炭運輸采用人工掘進工作面刮板運輸機，進入運輸巷后裝入礦車，經過礦車運輸，絞車提升至地面煤場，通過汽車外運。礦井于2011年按照煤炭行業(yè)要求政策性關閉。

根據貴州省煤炭行業(yè)產業(yè)結構調整政策，煤礦于2011年被政府部門實行了補償關閉。

2 礦區(qū)地質環(huán)境條件

2.1 氣象水文條件

煤礦區(qū)屬為亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖潮濕，雨量充沛。年均氣溫14.9℃，極高氣溫33.7℃，極低氣溫零下5.3℃，年均降雨量1400mm。地表水系不發(fā)育，礦區(qū)內無大的河流，僅礦區(qū)南部發(fā)育一條小河，其最大流量為637.7L/s，常年有水，隨季節(jié)性變化，雨季受附近泉水補給。

2.2 地形地貌條件

區(qū)域整體屬構造侵蝕低中山地貌類型，地勢總體上是北部高而南部低，煤礦區(qū)地形地貌見圖1。

2.3 區(qū)域構造與地震條件

礦區(qū)內斷裂方向與區(qū)域總體構造線一致，有北北東向、南東向、北東向三組。調查區(qū)內斷裂構造較為發(fā)育，主要發(fā)育6 條斷裂帶。調查區(qū)基本地震動峰值加速度為0.05g，基本地震動反應譜特征周期為0.35s，相應地震烈度為Ⅵ度，區(qū)域地殼穩(wěn)定性相對較好。

2.4 區(qū)域地層條件

煤礦區(qū)出露地層有二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、長興組（P3c）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）及第四系（Q）：

（1）二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）：主要為深灰色燧石灰?guī)r間夾深灰色及灰黑色頁巖、砂質頁巖，地層厚度約160m。為礦區(qū)含煤地層，包含礦區(qū)主要可采煤層三層。

（2）二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）：灰色中厚層狀燧石灰?guī)r中夾薄層硅質巖。地層厚度50～72m，一般厚度62m。

（3）三疊系下大冶組（T1d）：灰綠、褐黃、灰黑色粘土巖夾少量粉砂巖，偶夾泥質灰?guī)r。地層厚度65～87m，一般厚度78m。

（4）第四系（Q）：主要為黃、褐黃色砂質紅粘土組成，其間含有少量碎石，稍濕，可塑性狀，局部軟塑狀。地層厚0～5m。

3 礦山生態(tài)地質環(huán)境現狀調查

3.1 地質災害現狀

據本次現場實地調查、核實、訪問。由于當地村民每年耕作，部分地面塌陷區(qū)已采取工程治理措施回填，未采取工程治理措施的也有些由于自然因素回填的（自然地質應力削高填低的能力），調查時大部分不可見全貌。本次共計調查23 個地質災害隱患點，包括調查時發(fā)現的4 個不穩(wěn)定斜坡，19 個地面塌陷。調查發(fā)現塌陷坑均近似橢圓形，大部分長軸范圍0.2～2.1m,短軸范圍0.15～1.5m，可見深度范圍0.1～0.17m，塌陷坑全貌部分可見。圖2展示為橢圓形塌陷坑與不穩(wěn)定斜坡：塌陷坑近似橢圓形，長軸約1m,短軸約0.5m，可見深度約0.7m，塌陷坑全貌可見；不穩(wěn)定斜坡屬于小型土質斜坡，斜坡長20m，斜坡寬4m，下沉約3m。據訪問，2019年在該點發(fā)現滑移現象，之前未發(fā)生滑移現象。

礦區(qū)內發(fā)育的最大塌陷坑采用井下射像儀進行測量，垂直發(fā)育深度為6.60m，沿NS20°方向發(fā)育長度大于50m，且有分叉現象，大約分三個方向發(fā)育。暗河內水量較大，暗河頂部和側面有鈣化現象（鐘乳石發(fā)育）。說明此塌陷點為巖溶發(fā)育的暗河天窗（地質學上的暗河天窗是一種巖溶形態(tài)的名稱，即暗河通道與地表的連通點）。見圖3。

3.2 前期采礦對土地資源、地下含水層等的破壞

煤礦建設未發(fā)現在地表進行大規(guī)模的挖、填方工程活動。因此，煤礦采煤工程活動對地貌景觀破壞性較小。本次實地調查時，發(fā)現該煤礦采煤工程活動導致礦區(qū)內南西面1處地表泉點出現枯竭現象，該處泉點于2004年以后完全枯竭，現已無水流出。煤礦井口段井筒于2017年左右均已按照有關要求進行了封閉，本次調查時，煤礦井口及礦區(qū)其他區(qū)域未發(fā)現有礦井水外流現象。井筒之前已按照有關要求進行了密閉填實，煤礦井口及礦區(qū)其他區(qū)域未發(fā)現有礦井水外流現象。而礦山的煤矸石均已外運或作為填料進行充分利用，調查區(qū)內未發(fā)現有礦井水外流或矸石分布。

3.3 地質環(huán)境破壞形成影響因素分析

3.3.1 不穩(wěn)定斜坡形成影響因素分析

由于斜坡坡度較大，土層在經歷雨水浸潤后、含水比增加、重量增加、土層結構變軟、塑性變大，滑坡下滑力增大，發(fā)生滑移可能性較大，但是斜坡規(guī)模均較小，對居民生命財產威脅較小，危害性較小。建議種植樹木和草坪，增加土體的固結能力，防治水土流失和滑移。

3.3.2 塌陷坑形成影響因素分析

（1）由于礦區(qū)需要長期抽取淺層地表水，加速了淺層地下水的循環(huán)，加快了地下水對可溶的溶蝕作用和沖刷作用。使原來的巖溶管道空間變大，頂板變薄，在上部荷載人為作用下產生塌陷，可形成地下暗河天窗。

（2）雨季，上部粘土層含水量增加，自重增加，破壞了原有的平衡，在地表水和地下水共同作用下，原來穩(wěn)定的區(qū)域應力場發(fā)生變化，出現局部不穩(wěn)定的塌陷坑，形成的塌陷坑規(guī)模一般很小。

（3）雨季，由于地表水和地下水流速增加，增加了水的搬運能力，將原來充填于巖溶裂隙中充填物帶走，形成一定的空間，減少了下部巖層的承載力，造成局部塌陷，形成塌陷坑。

（4）塌陷坑集中出現點位于水庫排水沖溝的北面，是地下水集中排泄的區(qū)域，地下水集中排泄，掏空下伏地層中部分物質，破壞原有的穩(wěn)定應力場，出現塌陷坑屬自然現象。

（5）礦區(qū)出露地層為二疊系上統(tǒng)長興灰?guī)r，F7大斷層從其北面經過。由于斷層破壞了巖石的完整性，產生斷裂破碎帶，給地下水的儲存和運移提供了場所，加快了地下水對可溶巖的溶蝕作用。在地下水的溶蝕作用下產生溶蝕裂隙，溶蝕裂隙變化為巖溶管道。在地下水和地表水的共同作用下，造成局部失穩(wěn)，形成局部塌陷坑，為區(qū)域地質構造與水環(huán)境條件共同作用所致。

總之，煤礦采空區(qū)塌陷形成的塌陷坑，應該是呈片狀大面積分布；塌陷坑規(guī)模在平面上和空間均較大；淺層巖溶管道形成的淺層巖溶塌陷呈現為線狀分布，形成規(guī)模在平面上和空間上均較小，與巖溶管道的發(fā)育關系密切；私挖亂采和野生動物造成的塌陷坑是分散和零星出現的，分布沒有規(guī)律，一般情況規(guī)模較小。不穩(wěn)定斜坡的形成是由于土層結構與降雨因素導致的，與礦區(qū)前期開采關系不大。

4 采空區(qū)地球物理勘探

本次勘查測區(qū)范圍1.2km2，采用瞬變電磁法勘探，測線近西北—東南向布置，全區(qū)共完成測點150個。另完成質量檢測點5個，共計物理點155個。

本次物探勘查，全區(qū)共圈定五個采空區(qū)，分別標記為采空區(qū)Ⅰ、采空區(qū)Ⅱ、采空區(qū)Ⅲ、采空區(qū)Ⅳ、采空區(qū)Ⅴ，面積合計為798000m2，其中采空區(qū)Ⅳ、采空區(qū)Ⅴ可靠性相對較差，可能為構造的影響。采空區(qū)Ⅰ位于測區(qū)的西北部，標高為1210m左右；采空區(qū)Ⅱ為測區(qū)的主要異常體，面積為722200m2，標高為1210～1000m 左右，根據視電阻率剖面圖上呈現相對低阻且視電阻率等值線梯度變化較大，位于兩層主要可采煤層附近，推測是煤層采空破壞后，造成上覆地層發(fā)生破壞，地層電性層出現異常所致，推測為可采煤層采空坍塌積水或巖石破碎富水的異常區(qū)，物探結果與煤礦提供的井上下對照圖采空位置基本對應，結果可靠。其中a、b、c、d區(qū)域為2020年仍然存在的采空區(qū)異常區(qū)，可能導致地面塌陷災害集中且較嚴重。物探結果如圖4所示。

5 地質環(huán)境風險評價

5.1 地裂縫及不穩(wěn)定斜坡災害風險評價

地裂縫是由于煤礦采空區(qū)導致的地表開裂，據村代表反映、結合調查的地裂縫，地裂縫規(guī)模較小，開裂寬度較小，目前及未來產生的風險較低?，F場調查發(fā)現的四個不穩(wěn)定斜坡，均屬于小型不穩(wěn)定斜坡，均為自然因素（坡體巖土性質、降雨、腳開挖等）引起的滑動，對于礦山地質環(huán)境風險來說，目前及未來的存在的風險均較低。

5.2 區(qū)域水環(huán)境風險評價

采空區(qū)對區(qū)域水環(huán)境的影響，主要表現在4 個方面，即對地表水體的影響、對包氣帶土壤水的影響、對地下水系統(tǒng)的影響以及對水體污染的影響。結合現場調查的泉點，目前及未來，該煤礦井對于水資源、水環(huán)境危害風險低。該煤礦對生物多樣性破壞小、土地壓占與損毀面積小，礦山生產造成的矸石堆已外運、礦山廢水沒有外流，農業(yè)項目開挖挖損小，風險性低。

5.3 礦區(qū)采空區(qū)導致的塌陷風險評價

煤礦采空區(qū)是調查區(qū)內最為嚴重的地質環(huán)境問題，礦井采空破壞區(qū)范圍內由于上部覆巖形成自由面并且應力平衡被破壞，在重力作用下頂板巖石發(fā)生破裂冒落，從而導致上部巖層發(fā)生破裂、彎曲，最終地表發(fā)生沉降（如圖5、圖6，參考方星等人編著的《礦山生態(tài)修復理論與實踐》），形成比開采煤層上方地表移動盆地，稱為下沉盆地。

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》（“三下”采煤規(guī)范）（2017年5月）表4-2中Ⅱ類煤田，選用走向移動角δ=上山移動角γ=70°、下山移動角β=δ-K×α= 70°-0.6×20°≈58°（式中：K為系數，取0.6；α為礦層平均傾角，取20°）?？紤]到山區(qū)礦山的影響，移動角折減5°～10°，綜合考慮礦山開采技術條件，移動角折減5°，最后取走向移動角δ及上山移動角γ為65°，下山移動角β為58°，即δ=γ=65°，β=58°。本次報告結合礦區(qū)地形地質圖、井下巷道圖進行對照、比較，用移動角結合物探采空區(qū)邊界來確定覆巖移動變形影響范圍，作為地質環(huán)境風險評價的基礎。

由上述地質環(huán)境現狀分析可知：礦山地質環(huán)境風險中地面不均勻沉降（塌陷）為主要不良地質環(huán)境類型。礦山水資源、水環(huán)境、土地（土壤）資源損毀、地形地貌景觀破壞，生物多樣性失衡等風險，主要取決于礦山采空區(qū)分布、規(guī)模和冒落導水裂隙帶的最大高度等因素。根據《中華人民共和國國家標準》（GB12719-91）礦區(qū)水文地質工程地質勘探規(guī)范，冒落帶導水裂隙最大經驗公式表，計算該煤礦冒落帶和導水裂隙帶最大高度的具體數值，結合礦區(qū)地面地質調查與物探異常區(qū)分布，評價該礦區(qū)地質災害中風險區(qū)為a、b、c、d及外推15.7m 范圍。余導水裂隙帶小于采空區(qū)埋藏深度，將來受采空區(qū)影響的可能性較小，將煤礦其他區(qū)域劃分為地質環(huán)境低風區(qū)域，且礦山關閉多年，再次發(fā)生新的地質災害與其他環(huán)境破壞的可能性小、風險小。

6 結論和建議

（1）本次地面地質調查時，煤礦井口及礦區(qū)其他區(qū)域未發(fā)現有礦井水外流現象。不存在礦井排水，造成區(qū)域地下水位下降而引起泉點斷流的情況。

（2）通過瞬變電磁法勘，圈定煤礦的五個采空區(qū)位置與煤礦提供的井上下對照圖采空位置基本對應，結果可靠。

（3）結合礦區(qū)地面地質調查與物探異常區(qū)分布，評價該礦區(qū)地質災害中風險區(qū)為a、b、c、d 及外推15.7m范圍。礦區(qū)其他區(qū)域將來受采空區(qū)影響的可能性較小，劃分為地質環(huán)境低風區(qū)域，且礦山關閉多年，再次發(fā)生新的地質災害與其他環(huán)境破壞的可能性小、風險小。

（4）建議該煤礦區(qū)域場地后期不再進行大規(guī)模工程建設，尤其是高層建筑、大型建設選址應避開采空區(qū)影響范圍。

（5）建議盡快組織實施煤礦復綠工程，應對煤礦區(qū)域可見的塌陷坑進行工程治理，并盡快實施礦區(qū)的生態(tài)修復治理工作，恢復自然景觀。