甘肅省窯天煤田環(huán)境特征評估及生態(tài)恢復(fù)研究

彭建陽，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)

窯天煤田探獲煤炭資源量為105 336.02萬t，共分為4個礦區(qū)。其中，窯街礦區(qū)探獲煤炭資源量為61 626.07萬t，大有礦區(qū)為17 348.240萬t，大灘礦區(qū)為7 059.00萬t，炭山嶺礦區(qū)為19 306.713萬t。截至目前，窯天煤田內(nèi)探獲煤炭資源量占全省探獲煤炭資源總量(1 674 436.06萬t)的6.29%；煤田保有量為89 756.933萬t，占全省保有煤炭資源量(1 586 592.687萬t)的5.66%。煤田內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井25對，占用資源量69 941.373萬t，占全煤田探獲煤炭資源量的66.40%；尚未利用資源儲量為35 394.65萬t。

礦山采用短壁刀柱式采煤方式，因采煤造成的地質(zhì)環(huán)境問題主要有地面塌陷、裂縫等。本文以窯街煤礦為例，通過礦山地質(zhì)調(diào)查，評估礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，提出綜合治理方案，恢復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境[1-3]，從而進(jìn)一步提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，增強企業(yè)市場競爭力，提高所屬煤礦的整體生產(chǎn)能力，為建設(shè)高效能的現(xiàn)代化礦井服務(wù)[4-6]。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

煤田東臨隴中黃土高原，民和盆地之西北部，高程一般+1 500 m以上，西北部為祁連山東段，高程在+2 500 m以上，地貌上西高東低。礦區(qū)含煤地層主要為侏下侏羅統(tǒng)炭洞溝組、中侏羅統(tǒng)窯街組、上侏羅統(tǒng)享堂組。民和盆地受基底構(gòu)造和后期改造作用的控制和影響，伸展斷層、逆斷層和走滑斷層十分發(fā)育。

1.2 控煤因素

窯天煤田發(fā)育有厚—巨厚煤層，且都發(fā)育在窯街組的下部，主要為炭山嶺煤礦、大灘煤礦、大有煤礦、窯街煤礦。

(1)炭山嶺煤礦。含煤層分為頂層煤、上層煤、中層煤及下層煤，平均總厚度9.94 m。主要可采煤層為上層煤和中層煤，可采煤層平均總厚度9.82 m。

(2)大灘煤礦。共含煤10層(實際上是一層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巨厚煤層)，自上而下編號為1號—10號煤層。煤層平均總厚23.76 m，其中可采煤層6層，總厚度21.87 m。

(3)大有煤礦。含一個煤層組，全區(qū)可采，平均厚度18.42 m。

(4)窯街煤礦。1號煤層厚度0～6.45 m，一般厚2.0 m，局部可采，結(jié)構(gòu)簡單；2號煤層厚度0.3～110.89 m，一般厚20～30 m，全區(qū)主要可采煤層；3號煤層厚度0.80～4.14 m，一般厚1 m，呈雞窩狀局部分布。

2 煤礦開采生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)狀

2.1 工業(yè)場地現(xiàn)狀調(diào)查

(1)主、副平硐工業(yè)場地。包括斜井井口房、空氣加熱室、空壓機房、篩分間、塊煤圓筒倉、末煤圓筒倉、供水系統(tǒng)、變電所、鍋爐房、地磅房、門衛(wèi)等建(構(gòu))筑物，占地面積15.52 hm2。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，礦方已對工業(yè)場地進(jìn)行了硬化處理，2011年底礦方對主、副平硐工業(yè)場地面積的20%進(jìn)行了綠化，場地綠化現(xiàn)狀良好。

(2)風(fēng)井工業(yè)場地。風(fēng)井場地位于主井場地西北方向直線距離約1.6 km的山谷中，由原副井場地改建，占地面積7.49 hm2。場地內(nèi)有副斜井、通風(fēng)井及配電控制室、日用消防水池及水泵房、水塔等?，F(xiàn)場調(diào)查時，場地內(nèi)已拆除部分構(gòu)筑物，堆放有大量廢棄物料、建筑垃圾等。平整場地可綠化面積2.25 hm2。

2.2 專用道路現(xiàn)狀調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，項目運煤道路為鴉房線村村通道路，該道路寬10 m，東西走向，從工業(yè)場地進(jìn)場向東2.3 km 與S205省道連接。道路路面硬化良好，兩側(cè)種植有油松。

2.3 矸石場現(xiàn)狀調(diào)查

現(xiàn)用矸石場位于副井工業(yè)場地東側(cè)荒溝，占地面積5.75 hm2，容量119.70萬m3。矸石場不占用農(nóng)田，植被類型主要為荒草，少量灌木。礦方已依照上期方案完成了矸石場的基礎(chǔ)建設(shè)工作，已建設(shè)攔矸壩、涵洞、截水溝等設(shè)施。

2.4 取土場生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查

煤礦設(shè)置1個取土場，取土場占地性質(zhì)為荒地，地貌類型為荒坡型，土壤質(zhì)地為黃土狀粉土，質(zhì)地中等。目前取土場尚未啟用，區(qū)域主要類型為草地，零星分布有少量灌木。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀評估

3.1 地面沉陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀評估

(1)采空區(qū)分布(圖1)。井田侏羅系含煤地層煤層多、間距近，煤層分叉合并現(xiàn)象普遍，礦井采煤方法多為短壁刀柱式，采深多在80～120 m，據(jù)統(tǒng)計，累計形成采空區(qū)面積約3.316 9 km2。

(2)地面沉陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀評估。據(jù)野外調(diào)查，目前可見明顯的地裂縫群主要分布在評估區(qū)中北部2017—2020年的3號—5號煤層工作面開采區(qū)域上方，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)中部逐級下錯的臺階狀，裂縫寬度一般0.1～1.2 m，長10～60 m，可見深度0.3～0.8 m，裂縫間距一般5～20 m，每組地裂縫群有裂縫3～5 條(圖2)。

3.2 崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估

礦區(qū)屬低山丘陵區(qū)，地勢西北高東南低，區(qū)內(nèi)主溝呈東南—西北向，兩側(cè)支溝偏東西向由東南向西北流入主溝。溝谷呈樹枝狀分布，形態(tài)為“V”字形或“U”字形，梁坡坡度2°～35°，溝谷邊坡坡度較大，大多在20°～70°，部分邊坡近于直立。邊坡主要由工程地質(zhì)性質(zhì)差異較大的巖土體組成，邊坡上部及黃土梁峁頂部一般由第四系中上更新統(tǒng)黃土薄覆蓋，土質(zhì)疏松多孔，垂直節(jié)理發(fā)育；邊坡巖性主要為砂巖。深切割、大坡角與裸露風(fēng)化的砂巖邊坡地層組合，導(dǎo)致礦區(qū)溝谷邊坡在降水、地表沉陷、礦山建設(shè)等各種因素影響下存在發(fā)生崩塌、滑坡的隱患，威脅對象主要為荒溝及零星礦區(qū)工作人員[2-7]。

3.3 泥石流地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估

礦區(qū)坡體巖性以砂巖為主，局部第四系黃土薄覆蓋。植被覆蓋率約10%，溝谷支流沖溝極為發(fā)育，較大支溝長1 750 m、寬10～20 m，溝谷縱坡80‰，流域面積約2.25 km2。主井工業(yè)場地位于礦界東部礦界上以北，場地內(nèi)地形西高東低，自然地形最高處為+1 670.0 m，最低處為+1 519.0 m，主井工業(yè)場地洪水水位+1 688.8～+1 693.8 m，主井工業(yè)場地和井口標(biāo)高均在最高洪水位以上，不受洪水威脅。礦井矸石場位于風(fēng)斜井工業(yè)場地的東部，距井口約150 m。矸石由溝頭向溝口排放，在溝口處設(shè)置攔矸壩[3-9]。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)

評估區(qū)發(fā)育地裂縫群3處，高陡邊坡2處，泥石流地質(zhì)災(zāi)害弱發(fā)育。現(xiàn)狀條件下，礦區(qū)村莊遭受地面沉陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害危害程度為“嚴(yán)重區(qū)”，面積約56.40 hm2；礦區(qū)其他區(qū)域地面沉陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害危害程度為“較嚴(yán)重區(qū)”，面積約187.52 hm2；礦區(qū)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害危害程度為“較輕區(qū)”，面積約746.29 hm2[7-9]。

4 礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理

通過礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境治理，逐步解決水土流失問題和進(jìn)行植被修復(fù)，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，使礦區(qū)開采對生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的破壞達(dá)到有效控制，最終實現(xiàn)煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

4.1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工程

(1)風(fēng)井場綠化工程。風(fēng)井工業(yè)場地位于主井場地西北方向直線距離約1.6 km的山谷中，由原副井場地改建，占地面積7.49 hm2。場地內(nèi)除副斜井、通風(fēng)井及配電控制室、日用消防水池及水泵房、水塔等外，其余建(構(gòu))筑物已在2015年拆除?，F(xiàn)場調(diào)查時，風(fēng)井場地處于正常運行中，場地內(nèi)已拆除部分建(構(gòu))筑物。場地平整后，可綠化面積2.25 hm2，栽植油松樹/(刺槐)各4 500株。株行距為2 m×2.5 m，栽植密度為2 000 株/hm2。采用為魚鱗坑整地形式，長徑為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年生一級苗，胸徑5～10 cm，高度1～2 m。

(2)矸石場道路兩側(cè)修復(fù)工程。運矸道路長1.8 km，兩側(cè)各種植一排油松樹/(刺槐)混栽，株距3 m，各需1 200株。

(3)礦井運營期廢水主要有生活污水、礦井水及初期雨水。 本礦井在工業(yè)場地建設(shè)生活污水處理站，滿足處理需求。處理后的生活污水全部回用于綠化、道路灑水，不外排，建有礦井水處理站1座，采用調(diào)節(jié)→混凝→沉淀→過濾 →消毒處理工藝，處理后的礦井水正常情況用于井下降塵、消防、綠化、洗煤等，在工業(yè)場地南側(cè)低洼處建成初期雨水收集池1座。礦區(qū)污水不排入地表水體。

4.2 地質(zhì)災(zāi)害治理工程

4.2.1 礦山地面塌陷、地裂縫防治工程

(1)表土剝覆。主要對耕地中地裂縫進(jìn)行表土剝離，林地和草地中地裂縫不進(jìn)行表土剝離、回覆，直接將裂縫兩側(cè)表土和拉運土方填入(土方取自取土場，運距平均為3 km)。主要采區(qū)范圍約87.65 hm2，疊加在原采空區(qū)之內(nèi)，采區(qū)兩側(cè)為2017—2020年近期采區(qū)，合計采空影響范圍約287.91 hm2，后期繼續(xù)開采影響范圍約514.50 hm2。其中，影響耕地面積約43.97 hm2，中度毀損約16.19 hm2，輕度損毀約27.78 hm2。其余重度毀損面積117.45 hm2，中度毀損面積46.15 hm2，輕度毀損面積為306.93 hm2。在充填裂縫之前，首先需要對耕地裂縫兩側(cè)寬0.5 m的土地進(jìn)行表土剝離，剝離厚度為0.3 m，剝離土層就近堆放在裂縫兩側(cè)[4-6]。

(2)地面塌陷土地類型。①耕地。對耕地出現(xiàn)的沉陷、裂縫，從取土場取土填埋、夯實。區(qū)內(nèi)耕地均為旱地(坡耕地)，對出現(xiàn)輕度裂縫、沉陷較少的耕地，則盡量少動用工程量，以局部平整土地、填堵裂縫為主；對重度有較大的沉陷、裂縫區(qū)，采用前述流程，裂縫、陷坑填埋后應(yīng)疏通過水通道，以免陷坑積水回灌采區(qū)。②林地。主要分布在緩坡或梁頂梯田，主要為松樹、楊樹。對出現(xiàn)裂縫、沉陷較少的林地，則盡量少動用工程量，以局部平整土地、填堵裂縫為主；對有較大的沉陷區(qū)，可先回填矸石等，接近周圍地表高度時，就近取土、消緩陷坑邊坡等方法整平，陷坑填埋(或部分填埋)后應(yīng)疏通過水通道，以免陷坑積水回灌采區(qū)。③灌木林地及其他草地。主要為區(qū)內(nèi)荒山、荒溝及零星裸巖(土)分布區(qū)，地形坡度往往較大，灌木林與自然生長的草類植被混生。治理時基本保持原有地形坡度不變。對出現(xiàn)裂縫、沉陷較少區(qū)域，則盡量少動用工程量，局部平整土地、填堵裂縫；對較大的沉陷坑，可采取就近取土、消緩陷坑邊坡等方法填埋陷坑，陷坑填埋(或部分填埋)后應(yīng)疏通過水通道，以免陷坑積水回灌采區(qū)。

(3)充填裂縫。根據(jù)礦區(qū)沉陷預(yù)測分析及對比區(qū)域礦區(qū)地面變形特征，結(jié)合地裂縫治理的技術(shù)方法，地裂縫以填埋為主，可統(tǒng)一類比地面裂縫填埋概算工程量。根據(jù)不同類型強度的裂縫情況其充填 土方(矸石)的工程量亦不同。 ①充填輕度、中度損毀地裂縫采用人工作業(yè)方式處理。首先，需要對裂縫兩側(cè)寬0.5 m的地表土剝離，就近堆放，取土填縫(土方取自取土場，運距平均為3 km)；然后，將堆放的腐殖土均勻回填，基本攤平。②重度裂縫區(qū)充填需先進(jìn)行表土剝離，然后填入煤矸石和土方，再將裂縫兩側(cè)表土填入，矸石充填裂縫具體流程如圖3所示。礦區(qū)梁頂及山坡之上分布有第四系黃土，占礦區(qū)面積的70%～85%，地表沉陷、裂縫填埋取土取自取土場進(jìn)行沉陷坑、地裂縫的填埋、整平，對不同的地類實施的工藝有所不同[7]。

(4)工程量。礦山適用期限內(nèi)裂縫填充量為218 696.10 m3，表土剝離量13 244.27 m3；近期內(nèi)裂縫填充量110 236.00 m3，表土剝離量4 926.27 m3。

4.2.2 泥石流防治措施工程

全面巡查溝谷兩岸坡體，對溝谷兩岸松散堆積物進(jìn)行清理，預(yù)測適用期內(nèi)清理溝谷松散堆積物約2 000 m3。

4.3 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912.04 hm2，復(fù)墾后土地面積為843.56 hm2，復(fù)墾率為97.65%，復(fù)墾方向為耕地、草地及住宅用地等。

5 效益分析

5.1 社會效益

隨著礦山開采，各種地質(zhì)環(huán)境問題必將加劇，開采造成地面沉陷、地裂縫、地形地貌景觀破壞等。這些礦山地質(zhì)環(huán)境問題如果不進(jìn)行治理，不僅違背國家礦山管理條例，而且還會給社會帶來不安定因素，影響社會和諧發(fā)展和安定團結(jié)[9]。

通過礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理，解決當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活供水，最大限度地減少采礦對土地資源的破壞，也及時恢復(fù)了礦區(qū)土地功能，為構(gòu)建和諧農(nóng)村、和諧社會創(chuàng)造了條件，具有明顯的社會效益。反之，如地表沉陷損毀土地不進(jìn)行復(fù)墾，而采用征地辦法處理，這將使耕地減少，造成土地荒廢，嚴(yán)重影響礦區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[10-12]。

5.2 環(huán)境效益

(1)通過治理減輕對地形地貌景觀的破壞。采礦引發(fā)的地面沉陷區(qū)、地裂縫經(jīng)治理后，可以防止沉陷區(qū)的地面因裂縫、滑坡、沉陷而支離破碎，防止水土流失，防止土地進(jìn)一步干旱貧瘠而導(dǎo)致沙化。

(2)降低自然災(zāi)害發(fā)生、減少水土流失。本礦在山地丘陵區(qū)進(jìn)行礦山開采，將對環(huán)境造成不小的損毀，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境造成極大的損毀，并在一定程度上增加了地面坡度，從而加劇了水土流失。礦山地質(zhì)環(huán)境治理與恢復(fù)工程及土地復(fù)墾工程，通過對礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合治理，采取土地平整、覆土及植被重建等措施，減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，防止周邊生態(tài)系統(tǒng)退化。

(3)搬遷村莊綠化和恢復(fù)植被可使荒溝變成綠地，改善生態(tài)環(huán)境。通過治理恢復(fù)工程的實施，可改善局部生態(tài)環(huán)境。如搬遷村莊通過治理和恢復(fù)植被，可使昔日的荒溝披上綠裝，促進(jìn)和保持生態(tài)系統(tǒng)間的良性循環(huán)，調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候[2-5]。

5.3 經(jīng)濟效益

(1)治理方案經(jīng)濟效益。分布于評估區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定斜坡、崩塌、滑坡、地裂縫治理工程費用為2 100.63萬元，治理后可使評估區(qū)內(nèi)的礦區(qū)職工免遭地質(zhì)災(zāi)害的危害；同時，實施礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)工程，可有效避免采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)村莊等遭受破壞[5-8]。

(2)恢復(fù)方案經(jīng)濟效益。以種植玉米為例，土地破壞前平均年產(chǎn)量為9 000 kg/hm2，礦山開采可能對旱地造成影響或破壞，影響了糧食產(chǎn)量，致使土地受到破壞后年產(chǎn)量下降到4 500 kg/hm2，平均減產(chǎn)4 500 kg/hm2。采取治理工程后，不僅可以使礦區(qū)內(nèi)旱地恢復(fù)原有生產(chǎn)力水平，還能夠提高糧食產(chǎn)量和農(nóng)民收入。預(yù)測煤礦開采對井田內(nèi)的耕地、林地、草地等破壞程度嚴(yán)重。如果不對這些土地進(jìn)行治理恢復(fù)，一方面，嚴(yán)重影響區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而增加企業(yè)賠償費用，給企業(yè)造成持續(xù)的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)；另一方面，降低了土地的利用等級，土地使用價值下降。

(3)復(fù)墾方案經(jīng)濟效益。直接經(jīng)濟效益是指通過礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合治理、土地復(fù)墾工程對土地的再利用帶來的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值[11-12]。間接經(jīng)濟效益是通過項目的實施而減少的對復(fù)墾區(qū)林地?fù)p毀等需要的生態(tài)補償。本礦山復(fù)墾工程實施后，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。依據(jù)項目區(qū)實際的情況，按照耕地平均每年增收1.2萬元/ hm2，林地每年增收0.8萬元/hm2，草地0.3元/ hm2的純收入計算，復(fù)墾土地每年可增加經(jīng)濟效益250萬元。

6 結(jié)論

(1)窯天煤田作為蘭州市及周邊重要的能源基地，礦田已開采多年，因采煤造成了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題。通過地質(zhì)災(zāi)害危害程度現(xiàn)狀調(diào)查及評估，將評估區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害危害程度“嚴(yán)重區(qū)”、“較嚴(yán)重區(qū)”、“較輕區(qū)”。

(2)針對不同的地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)，進(jìn)行生態(tài)修復(fù)和地質(zhì)災(zāi)害治理。生態(tài)環(huán)境修復(fù)主要采取場地平整和植被綠化，地質(zhì)災(zāi)害治理主要對地面沉陷進(jìn)行充填治理，對搬遷村莊場地進(jìn)行廢石廢渣清理。對地質(zhì)災(zāi)害及地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行監(jiān)測，包括不穩(wěn)定斜坡地段變形監(jiān)測、地面變形監(jiān)測和泥石流地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測。另外，也要進(jìn)行含水層和地形地貌景觀監(jiān)測。

通過礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理，取得了較好的生態(tài)、環(huán)境、社會效益，實現(xiàn)了能源的可持續(xù)發(fā)展。