甘肅省靖遠縣某采煤沉陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境評估及治理研究

劉青松

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

加強礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)與綜合治理，將礦山開采對生態(tài)環(huán)境的影響降低到最低程度是貫徹落實黨中央、國務(wù)院“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的新發(fā)展理念的重要體現(xiàn)[1-3]。靖遠縣東升鎮(zhèn)有4處廢棄礦山、2處政策性關(guān)閉礦山，屬歷史遺留礦山。該區(qū)域采煤沉陷發(fā)育、存在亂采亂挖、渣堆無序堆放的現(xiàn)象，加之早期開采技術(shù)落后，開采條件簡陋，開采手段粗放，致使礦區(qū)周圍地質(zhì)環(huán)境遭到嚴重破壞，造成自然景觀破壞、植被破壞、水土流失及生態(tài)環(huán)境惡化等，實施靖遠縣某采煤沉陷區(qū)治理工程非常必要和迫切，本次工作通過野外勘察工作和收集的礦山基礎(chǔ)資料及地質(zhì)環(huán)境資料，查明了項目區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀和礦山地質(zhì)環(huán)境問題的發(fā)育程度、表現(xiàn)特征及原因，針對地質(zhì)環(huán)境問題設(shè)計恢復(fù)治理方案。通過治理不僅可以改善項目區(qū)的礦山生態(tài)環(huán)境，對于促進區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定也具有非常積極的作用。

2 采煤沉陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 自然地理條件

靖遠縣深居內(nèi)陸，屬溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)。項目區(qū)無河流經(jīng)過，距離最近河流為黃河干流，全長154km，縣境內(nèi)流域面積4923.1km2。項目區(qū)主要有栗鈣土、灰褐土、灌淤土、灰鈣土、鹽土、潮土、紅土和風沙土等8個土類。植被類型有針茅、小黃菊、豬毛草等。

項目區(qū)總體地勢是西南高、東北低由西南向東北傾斜。依據(jù)地貌特征和成因類型，項目區(qū)地貌類型可劃分為侵蝕—堆積黃土丘陵地貌：由黃土梁峁、黃土殘塬組成，海拔1400～1900m，地形遭受強烈切割，形成孤立、不連續(xù)的黃土峁、殘塬、黃土梁等地形形態(tài)。溝谷平均切割深度200～400m，切割密度1.8～3.6km/km2。

2.2 地層巖性

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及本次現(xiàn)場調(diào)查、勘查結(jié)果，項目區(qū)出露地層較為簡單，由老到新主要有三疊系(T)、侏羅系（J）、白堊系（K）和第四系（Q）。三疊系為上統(tǒng)南營兒群，為本區(qū)侏羅紀煤系地層的基底。巖性為灰綠色、黃綠色細、中、粗粒砂巖，局部含礫，含炭質(zhì)碎屑、煤屑、黃鐵礦結(jié)核等，具有清晰的斜波狀層理及交錯層理。中侏羅統(tǒng)窯街組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，巖性主要由灰白色中、粗粒砂巖，灰、深灰、灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及煤層組成。中侏羅統(tǒng)新河組下段為草黃色砂巖段，上段為油頁巖段。上侏羅統(tǒng)苦水峽組為紫灰色砂巖與紅色泥巖互層。白堊系為淺棕紅色、褐紅色的砂礫巖、砂巖。第四系為上更新統(tǒng)馬蘭黃土和全新統(tǒng)采礦堆渣形成雜填土。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

靖遠縣地處隴西旋卷構(gòu)造體系與河西構(gòu)造體系交匯地帶，構(gòu)造形跡復(fù)雜。隴西旋回構(gòu)造體系的三個旋回褶帶在境內(nèi)均有顯現(xiàn)?？h域跨古浪—香山—同心旋回褶帶的中部、烏鞘嶺—屈吳山—六盤山旋回褶帶的中西部、永登—白銀—會寧旋回褶帶的中東部，三個旋回褶帶將靖遠縣分割成多個隆起和盆地[4]。

新生代以來，靖遠縣新構(gòu)造運動比較活躍，特別是第四紀以來表現(xiàn)非常明顯，主要為大面積的周期性節(jié)奏波動上升運動，并伴隨有斷裂和地層微斜傾的構(gòu)造行跡。表現(xiàn)為屈吳山、黃家凹山、水泉尖山、松山等中低山的崛起，低山丘陵區(qū)基巖多級階梯狀臺階地形的出現(xiàn)，黃土地區(qū)塬面高差懸殊、河谷多級階地和堆積層的發(fā)育等，僅有堡子川盆地持續(xù)下降，為本區(qū)第四紀沉降帶。

2.4 巖土體工程地質(zhì)特征

治理區(qū)巖體類型簡單，依據(jù)沉積建造、巖體結(jié)構(gòu)類型、工程特性及工程地質(zhì)指標劃分，區(qū)內(nèi)巖體工程地質(zhì)類型主要有由三疊系構(gòu)成的堅硬薄層—中厚層狀結(jié)構(gòu)巖組和由侏羅系—白堊系構(gòu)成的較堅硬薄層—中厚層狀巖組。

土體工程地質(zhì)類型包括黃土和雜填土。黃土廣泛分布于項目區(qū)，土體具有大孔隙，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，無層理，土體處于軟塑—可塑狀態(tài)。天然重度為14.9～17.1kN/m3，粘聚力為 15.5～18.6kPa，內(nèi)摩擦角為27.2°～28.8°，承載力特征值為100～110kPa。雜填土因推填整平場地形成。淺黃—雜色,土質(zhì)不均，主要由粉土、煤矸石組成，含量約為80%，含有約20%碎石、磚塊、砼、建筑垃圾等雜物，承載力特征值約80kPa。

2.5 人類工程活動

根據(jù)項目區(qū)人類工程活動特征以及破壞地質(zhì)環(huán)境的方式，項目區(qū)人類工程活動主要為礦業(yè)活動。項目區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，自20 世紀50 年代以來，項目區(qū)礦業(yè)活動強烈，長期以來沒有合理的規(guī)劃，忽視了對礦山地質(zhì)環(huán)境的保護，無序開采，受開采條件、開采方式、生產(chǎn)工藝、技術(shù)設(shè)備等綜合影響，使礦山地質(zhì)環(huán)境遭受嚴重破壞，到目前為止引發(fā)了一系列嚴重的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。同時調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)渣堆不規(guī)則無序堆放，造成了土地資源的壓占及植被的破壞。

3 礦區(qū)主要地質(zhì)環(huán)境問題

經(jīng)野外實地調(diào)查及資料收集，項目區(qū)歷史遺留礦山在礦業(yè)活動過程中，由于缺乏對生態(tài)環(huán)境的保護措施，大量的渣堆無序堆放嚴重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，導致水土流失嚴重，地表及植被遭受嚴重破壞。區(qū)內(nèi)存在的礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要表現(xiàn)在以下3個方面：一是采礦活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害；二是礦業(yè)活動對土地資源破壞；三是礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響。

3.1 采礦活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害

勘查區(qū)由于開采年限較長（含民采），且開發(fā)強度較大，項目區(qū)南側(cè)采空區(qū)地面塌陷（隱患）點較多，規(guī)模較大。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，勘查區(qū)內(nèi)洞采較為分散，目前在項目區(qū)南側(cè)發(fā)現(xiàn)塌陷坑22 個，地裂縫普遍發(fā)育于整個治理區(qū)，治理區(qū)中部地段形成地裂縫連片，對地形地貌景觀造成了破壞，對旱地及草地造成了破壞。

工作區(qū)范圍內(nèi)塌陷區(qū)和地裂縫發(fā)育于紅灣村南側(cè)王家山一帶的采煤區(qū)，呈帶狀分布，走向北東—南西向80°～260°，長約2.6km，寬0.4～1km。通過調(diào)查，在項目區(qū)南側(cè)發(fā)現(xiàn)塌陷坑22個，塌陷坑呈帶狀或串珠狀分布，深度5～20m 不等，面積最大達2833m2；地裂縫多發(fā)育于項目治理區(qū)，長幾十米至上百米不等，最大寬度達到2m，最大錯臺高3m，各時段塌陷地帶相連成片，區(qū)內(nèi)大部整體沉陷，最大下沉值1.6m，最大水平位移為1.5m。其中治理區(qū)整體分為兩大片，地表裂縫縱橫交錯，裂縫走向45°～65°。造成山體嚴重破碎，塌陷裂縫大多呈弧形，弧半徑指向溝底，裂縫最寬達0.6m，錯動最大達3.5m。

采煤沉陷區(qū)主要分布在紅灣村，現(xiàn)場調(diào)查其沉陷區(qū)形成于2004 年之前，礦區(qū)各煤礦早期開采方式選用“傾斜分層走向長壁灌漿采煤法”及“長壁傾斜分層放頂煤采煤法”進行采煤，由于早期開采煤層較淺，大多為100～400m，加之煤層覆巖為軟巖，上覆半堅硬巖整體性狀軟弱，使得煤層采空后頂板冒落，巖石應(yīng)力場重分布后，在地面產(chǎn)生陷落的狀況。因此，地下煤層采空的區(qū)域，必將對應(yīng)地產(chǎn)生地面塌陷，且塌陷面積較采空區(qū)面積大。礦山開采過程在地下采空很快導致頂板冒落（冒落帶），繼而覆巖產(chǎn)生彎曲內(nèi)鼓、張裂塌落（基巖裂隙帶），并逐步向上擴展直至地面第四系松散覆蓋層陷落形成塌陷洼地（彎曲帶），在煤田邊緣煤層埋藏較淺處，冒落帶可直達地表。從地下采空、頂板冒落發(fā)展至地表沉陷造成災(zāi)害的滯后時段與煤層回采進度有關(guān)，當回采工作面推進到一定距離時，地表開始移動，這個距離為開采深度的1/3～1/2，隨著工作面的繼續(xù)推進，地表出現(xiàn)下陷，且其范圍在逐漸擴大，最終形成目前的地面塌陷區(qū)。

3.2 礦業(yè)活動對土地資源破壞

經(jīng)野外實地調(diào)查及資料收集，項目區(qū)歷史遺留礦山在礦業(yè)活動過程中，由于缺乏對生態(tài)環(huán)境的保護措施，大量的渣堆無序堆放嚴重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，導致水土流失嚴重，地表及植被遭受嚴重破壞。

勘察區(qū)歷史遺留礦區(qū)對土地資源的破壞主要為壓占破壞，表現(xiàn)為渣堆沿道路或草地無序堆放，對原生草地造成了嚴重破壞，壓占的廢渣成分主要以碎石土為主，碎石粒徑一般5～30cm，最大達80cm。廢渣在坡面和坡腳松散堆積，偶爾會發(fā)生順坡滑塌現(xiàn)象。由于廢渣堆無序堆放、松散、保水性差，閉礦以來坡面一直無法自然生長植被，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境影響較大，對區(qū)內(nèi)自然環(huán)境的整體協(xié)調(diào)性造成不良影響。區(qū)內(nèi)還存在私自采煤，遺留多處廢棄采硐及臨時窯洞。區(qū)內(nèi)共計分布有127處廢棄礦洞及窯洞。

where Lq1(?) is the likelihood function used in the EM to estimate the parameters of GMM ofobservableq1,andis the set of parameters of observable q1in the GMM.

3.3 礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響

地形地貌景觀破壞指因礦山建設(shè)或采礦活動而改變原有的地形條件與地貌特征，造成土地損毀、山體破損、地面塌陷、裂縫、植被破壞等現(xiàn)象，致使地質(zhì)遺跡、人文景觀、土地植被景觀等被影響或破壞從而使礦山自然景觀的觀賞性、連續(xù)性、完整性、原始性等屬性遭受破壞的現(xiàn)象。

經(jīng)調(diào)查分析，勘查區(qū)歷史遺留礦區(qū)地形地貌類型為侵蝕—堆積黃土丘陵地貌。區(qū)內(nèi)的礦山開采方式為地下，形成采煤沉陷區(qū)，調(diào)查范圍內(nèi)塌陷面積達1.39km2，治理區(qū)內(nèi)受影響面積達0.7575km2；廢棄采硐、臨時窯洞及廢棄生產(chǎn)生活區(qū)遍布三條溝，總占地面積11032.23m2，廢棄生活區(qū)建筑物多為1層磚砌體及土坯房，拆除廢棄建筑物15998.482m3；早期開采過程中，對山體進行開挖取土回填洞口，造成山體破損，挖損平地處，又稱為臨時選礦廠及廢棄渣場，并產(chǎn)生大量廢石、廢渣堆積于坡體或坡腳地帶，造成區(qū)內(nèi)山體切割嚴重，廢渣隨地堆放，雖然后期部分地段已經(jīng)清運，但是造成地形地貌損毀，植被遭到破壞，開挖山體形成的采場有3處，靠山側(cè)開挖坡度一般50°～80°，局部近直立，平面形態(tài)呈半凹狀。據(jù)統(tǒng)計：渣堆總面積91768.7m2，總體積為490206.6m3；采場總面積為108146.99m2。據(jù)統(tǒng)計，造成地形地貌景觀破壞面積約75.75hm2。根據(jù)以上分析，礦業(yè)活動對原生景觀影響和破壞程度大，對勘查區(qū)內(nèi)地形地貌景觀影響嚴重。

4 恢復(fù)治理方案

4.1 恢復(fù)治理的目標

本次針對靖遠縣某采煤沉陷區(qū)內(nèi)裂縫分布區(qū)、坡面挖損區(qū)、廢渣堆填壓埋區(qū)進行生態(tài)修復(fù)治理，本次工作區(qū)內(nèi)地面塌陷對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響嚴重，對南側(cè)地面塌陷陷坑本次不進行治理，僅對地面塌陷引起的地裂縫夯填治理。通過對工作區(qū)地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)治理工程（主要對工作區(qū)渣堆平整、裂縫夯填、采坑回填、土壤改良、恢復(fù)植被）的實施，減輕水土流失，緩解因水土流失造成對山地、農(nóng)田的污染，改善生態(tài)環(huán)境。目標完成治理區(qū)恢復(fù)植被1105.8 畝（其中，恢復(fù)成旱地185.2 畝，恢復(fù)成草地920.6 畝），成活率達95%以上。達到有效遏制區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，恢復(fù)自然植被，降低水土流失，使采礦區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境步入良性循環(huán)軌道，為其周邊地區(qū)創(chuàng)造一個良好的生產(chǎn)、生活環(huán)境。

4.2 恢復(fù)治理方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，項目區(qū)目前主要的地質(zhì)環(huán)境問題主要為：渣堆無序堆放、壓占草地和地面塌陷等，故采用渣堆平整+采坑回填坡面整平+地裂縫整治+覆土綠化方案，具體設(shè)計如下：

（1）渣堆平整：根據(jù)區(qū)內(nèi)渣堆分布、堆積厚度以及破壞范圍等，結(jié)合礦區(qū)地形條件，采取因地制宜的措施進行工程設(shè)計。除ZD1、ZD4 需要部分礦渣拉轉(zhuǎn)運填采土坑外，渣堆均進行原地平整，在平整過程中將顆粒較小的渣堆鋪設(shè)于平整區(qū)上部，首先與周圍地形地貌相適應(yīng)，且坡度不陡于1∶2（有利于坡體自身穩(wěn)定且有利于種植土批覆），經(jīng)統(tǒng)計，渣堆轉(zhuǎn)運方量約30732.3m3；原地平整渣堆方量約88946.7m3。

（2）采坑回填：針對礦區(qū)分布的3處采坑運用渣堆、坡面棄土進行回填，回填坡度不大于28°（有利于坡體自身穩(wěn)定且有利于種植土批覆），回填后與周邊地形地貌景觀協(xié)調(diào)一致，后覆土綠化。

（3）坡面整平：針對地裂縫及挖損造成的坡腳地形地貌損毀地帶，先進行表面30cm 耕植土收集，再將溝道挖損地帶進行削方、回填進行整平，兩側(cè)山包削方原則為坡度不陡于1∶1.75（有利于坡體自身穩(wěn)定且有利于種植土批覆），整平后與周邊地形地貌景觀協(xié)調(diào)一致，整平方式為機械整平。

（4）地裂縫整治：針對區(qū)內(nèi)發(fā)育的兩片地裂縫，其中，旱地原恢復(fù)成旱地，其他草地恢復(fù)成其他草地。先進行表面30cm 耕植土收集，再對地裂縫外擴1m 進行開挖，開挖深度約2m，回填時進行碾壓，壓實系數(shù)不小于0.9，最后上覆之前收集的30cm 厚的根植土恢復(fù)成旱地，草地地段繼續(xù)播撒草籽恢復(fù)成草地。

（5）覆土綠化：渣堆平整、采坑回填以及溝道整平后上覆30cm厚的根植土，進行種草綠化，其中，旱地覆土面積123538.2m2；草地覆土綠化總面積614037.9m2。

（6）取土場設(shè)計：本項目不單獨設(shè)立取土場，在溝道整平時，先進行表面30cm 耕植土收集，再進行取土及坡面整理，客土拉運平均距離100m。土質(zhì)為土壤類型為二類土的黃土。治理工程覆土需土方量約為222112.4m3，可滿足治理工程需土量。

5 結(jié)論

（1）項目區(qū)歷史遺留礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要表現(xiàn)在以下3個方面：一是采礦活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害；二是礦業(yè)活動對土地資源破壞；三是礦業(yè)活動對地形地貌景觀的影響。

（2）針對項目區(qū)內(nèi)渣堆無序堆放、壓占草地和地面塌陷等主要的地質(zhì)環(huán)境問題，設(shè)計并采用了渣堆平整+采坑回填坡面整平+地裂縫整治+覆土綠化方案。