豫安煤礦開采對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境影響及治理技術(shù)

王鵬飛,趙振杰,張亞杰,劉 勇

(1.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院,河南 鄭州 450000; 2.河南省自然資源監(jiān)測和國土整治院,河南 鄭州 450000)

豫安煤礦歷史開采形成的采空區(qū)主要位于22采區(qū)及21采區(qū),采空區(qū)面積約31.94 hm2。采空區(qū)上部存在較嚴(yán)重沉陷區(qū)域,地面下沉明顯,平均下沉高度為0.1～3.4 m,地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大,并伴生有地裂縫。影響居民已搬遷,僅剩開裂房屋、地面塌陷及地裂縫等。經(jīng)監(jiān)測與分析,此次擬研究區(qū)已沉穩(wěn),地面沉降不會(huì)再擴(kuò)大,主要的礦山地質(zhì)環(huán)境問題表現(xiàn)為對(duì)地形地貌景觀和土地資源的破壞,耕地生產(chǎn)力下降、房屋開裂無法居住和道路的損壞。影響耕地面積16 hm2,影響并搬遷67戶,地裂縫16條。

此次礦山環(huán)境治理主要針對(duì)塌陷較嚴(yán)重區(qū)域,采空區(qū)影響范圍面積約23 hm2。根據(jù)現(xiàn)場地形條件、交通條件和常規(guī)的施工方法,并且考慮工程量盡量少的前提下,結(jié)合豫安煤礦采空區(qū)集中在礦區(qū)北部位置且塌陷影響面積范圍較大,參考該礦環(huán)境治理方案,擬對(duì)研究區(qū)塌陷土地設(shè)計(jì)土地復(fù)墾,受影響耕地通過挖填以及平整、翻耕、培肥等措施恢復(fù)為旱地?？紤]到區(qū)內(nèi)排水及耕作等問題,擬對(duì)旱地采取排水溝以及生產(chǎn)道路等配套設(shè)施;對(duì)區(qū)內(nèi)受損的廢棄房屋進(jìn)行拆除,部分建筑垃圾清運(yùn)至塌陷嚴(yán)重區(qū),進(jìn)行回填覆土,后通過土地翻耕、施肥等措施恢復(fù)為旱地。其余建筑垃圾運(yùn)至道路修建區(qū),作為路基材料。地裂縫較小,在場地平整過程中就勢回填,不再另計(jì)工作量。技術(shù)措施[1-6]主要包括:廢棄房屋拆除、地面塌陷治理、土地平整、土地翻耕、土壤培肥、排水渠、道路技術(shù)等。

1 礦井概況

豫安煤業(yè)位于禹州煤田蔡寺—白沙普查區(qū)的北中部。

(1)礦山開采歷史及現(xiàn)狀。豫安煤業(yè)由原登封市大龍山—禹州市桃園煤礦勘探探礦權(quán)和登封市宣化鎮(zhèn)岳爻煤礦、岳窯聯(lián)營煤礦、富民煤礦3個(gè)采礦權(quán)于2005年整合而成,自取得采礦證后,礦井一期范圍21、22、31、32四個(gè)采區(qū)中,21、22采區(qū)已基本回采結(jié)束,目前正在31采區(qū)生產(chǎn)。擬研究區(qū)與礦區(qū)相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 豫安煤礦礦區(qū)及研究區(qū)范圍關(guān)系Fig.1 Relationship between mining area and research area of Yu′an Coal Mine

(2)土地利用現(xiàn)狀。礦區(qū)面積為9.477 km2,根據(jù)土地利用現(xiàn)狀(圖2),礦區(qū)范圍內(nèi)耕地面積721.46 hm2,林地面積118.22 hm2,城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積89.17 hm2,其他用地面積為18.85 hm2。

圖2 礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀Fig.2 Current situation of land use in mining areas

(3)地形地貌。研究區(qū)以剝蝕地形為主,呈東西向展布,北高南低,區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)在白沙水庫東北角,標(biāo)高為+217.9 m,最高點(diǎn)在大龍山,標(biāo)高為+404.8 m,相對(duì)高差為186.9 m。礦區(qū)北東部有基巖出露,大部為松散層半掩蓋區(qū),殘山附近地形坡度8°～15°,農(nóng)耕地地形平坦。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境問題評(píng)價(jià)

2.1 礦山地質(zhì)災(zāi)害

根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估》(DZ/T 0286—2015),結(jié)合豫安煤礦相關(guān)資料與現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)論[7-12],研究區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害為塌陷、地裂縫。

(1)地面塌陷。根據(jù)資料和現(xiàn)場調(diào)查,采空區(qū)主要集中在21采區(qū)及22采區(qū),采空區(qū)面積31.94 hm2。此次礦山環(huán)境治理主要針對(duì)塌陷較嚴(yán)重區(qū)域,采空區(qū)影響范圍面積約23 hm2。塌陷深度0.5～1.0 m。地面塌陷及變形主要造成地面建筑物出現(xiàn)裂縫和坍塌、農(nóng)田地表出現(xiàn)塌陷坑、道路破壞等。地面塌陷如圖3所示。

圖3 豫安煤業(yè)范圍內(nèi)建筑物裂縫及坍塌Fig.3 Cracks and collapses in buildings within the scope of Yu′an Coal Industry

(2)地裂縫。地裂縫為地面塌陷的伴生產(chǎn)物,多分布在塌陷坑外圍。受多水平重復(fù)開采的影響,對(duì)地面造成一定的破壞,如圖4所示。

圖4 豫安煤業(yè)范圍內(nèi)地裂縫Fig.4 Cracks in Yu′an Coal Industry

2.2 含水層破壞

根據(jù)區(qū)域地下水資料,研究區(qū)地下水位埋深大,地表露采影響深度遠(yuǎn)小于地下水位埋深,因此采礦活動(dòng)沒有破壞含水層,對(duì)含水層的影響破壞較輕。

現(xiàn)狀條件下,研究區(qū)因采空而形成的塌陷影響區(qū)面積約為23 hm2,采空塌陷區(qū)沉陷90 cm左右。居民房屋開裂明顯,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度強(qiáng)。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,登封市豫安煤業(yè)有限公司二1煤層底距頂板砂巖(P1s)空隙裂隙承壓水含水層平均5.53 m,煤層至含水層距離大于垮落帶高度,二1煤層的開采對(duì)該含水層結(jié)構(gòu)未影響。該含水層平均厚4.87 m,含水性較弱,補(bǔ)給條件較差,對(duì)周圍生產(chǎn)、生活用水影響較輕。礦井一期技術(shù)開采范圍內(nèi),即-200 m水平,正常涌水量為102.75 m3/h,最大涌水量為377.25 m3/h?，F(xiàn)狀條件下,二1煤層開采對(duì)含水層影響程度較輕。綜合來看,現(xiàn)狀條件下,采礦活動(dòng)對(duì)二1煤層含水層的破壞程度較輕。

2.3 地形地貌影響破壞

采空塌陷、地裂縫對(duì)農(nóng)林植被會(huì)產(chǎn)生破壞,植被覆蓋率將降低,水土流失將增加;采空形成的地表塌陷,會(huì)造成地面標(biāo)高較大的變化,地層產(chǎn)狀會(huì)沿地裂縫及地面塌陷發(fā)生局部連續(xù)、大面積斷續(xù)分布的變化,從而改變評(píng)估區(qū)微地貌形態(tài),對(duì)原生地形地貌景觀影響和破壞程度較大。

2.4 土地資源破壞

擬研究區(qū)為采煤沉陷區(qū),研究區(qū)內(nèi)遺存大量廢棄房屋。破壞的主要地類有:旱地(013)12.350 hm2,有林地(031)0.337 hm2,村莊用地(203)12.479 hm2,采礦用地(204)0.413 hm2,總計(jì)面積25.579 hm2?，F(xiàn)狀條件下,礦山活動(dòng)對(duì)土地資源破壞程度嚴(yán)重。研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀如圖5所示。

圖5 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀Fig.5 Current situation of land use in the research area

研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀見表1。

表1 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀Tab.1 Current situation of land use in the research area

3 礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理技術(shù)

礦山地質(zhì)環(huán)境治理技術(shù)遵循安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的設(shè)計(jì)原則,確保技術(shù)質(zhì)量,提高技術(shù)效益,達(dá)到地災(zāi)防治、改善環(huán)境、促經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提升城鎮(zhèn)形象的目的[13-16]。

此次研究區(qū)面積較大為25.579 hm2,分布集中,田塊緊密相連。一條主干道路DLA為柏油馬路長880.8 m,寬約10 m。水泥混凝土路面編號(hào)為DLB,共7條,總計(jì)長1 496 m。泥結(jié)碎石路面DLC共6條,共計(jì)長995 m。主干道路旁排水渠PSQ-2,內(nèi)徑100 cm×100 cm,厚20 cm。排水渠PSQ-1,內(nèi)徑60 cm×60 cm,厚15 cm。

3.1 礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理技術(shù)

此次礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理技術(shù)包含廢棄房屋拆除清理、道路及排水渠[17-19]。

3.1.1 清理技術(shù)

塌陷區(qū)廢棄村莊建筑面積3.7 hm2,在治理之前需要先對(duì)建筑物進(jìn)行拆遷,拆除量按照河南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳文件(豫建墻〔2016〕4號(hào))文計(jì)算。單位面積產(chǎn)生垃圾量1.3 t,垃圾密度為1.9 t/m3,拆遷完成后需對(duì)拆除產(chǎn)生的垃圾進(jìn)行統(tǒng)一清運(yùn),村莊下土層較厚無需單獨(dú)覆土,只需就地土地平整、施肥、翻耕,種植耕地。采用1 m3挖掘機(jī)裝自卸汽車運(yùn)石渣,運(yùn)距0.5～1.5 km。地基清理工作內(nèi)容為破碎、撬移、解小、翻渣、清面。按前述參數(shù)計(jì)算,具體工程量見表2。

表2 房屋拆除工程量Tab.2 Engineering quantity of house demolition

3.1.2 道路技術(shù)

為方便通行及生產(chǎn),本次設(shè)計(jì)主干道,編號(hào)DLA,以建筑廢棄物作為路基材料,厚30 cm,瀝青路面厚8 cm,全長880.8 m,寬約10 m。道路參數(shù)見表3,斷面如圖6所示。

表3 瀝青路技術(shù)量Tab.3 Technical quantity of asphalt road

圖6 道路單體設(shè)計(jì)Fig.6 Road monomer design

3.1.3 排水渠技術(shù)

為防止瀝青路面被沖毀,設(shè)計(jì)在道路一側(cè)預(yù)留排水溝,疏導(dǎo)匯水,編號(hào)為PSQ-2,內(nèi)徑100 cm×100 cm,厚20 cm。設(shè)計(jì)斷面如圖7所示。

圖7 排水渠PSQ-2單體設(shè)計(jì)Fig.7 PSQ-2 monomer design of drainage channel

3.2 土地復(fù)墾技術(shù)

土地復(fù)墾技術(shù)包括場地平整技術(shù)、道路技術(shù)、排水渠技術(shù)、綠化技術(shù)、土壤培肥與翻耕、管護(hù)技術(shù)等[20-26]。

3.2.1 場地平整技術(shù)

場地平整技術(shù)包括挖填方技術(shù)及場地平整技術(shù)。

(1)挖填方技術(shù)。根據(jù)塌陷后的地形特征,具體設(shè)計(jì)如下:①依據(jù)地形和生產(chǎn)的需要,在實(shí)用的基礎(chǔ)上兼顧美觀。具體為基本沿等高線劃分治理田塊,同時(shí)小塊變大塊,挖填方后田塊與周邊的道路、建筑地面等高差盡量控制在1.5 m以內(nèi);②以在總體上總挖填方平衡、減小總的挖填方量,局部上地塊挖填方內(nèi)部平衡為原則。為減少挖填方量,結(jié)合現(xiàn)狀田塊的傾向和坡度,盡量保留利用現(xiàn)有的田塊的傾向;③挖填時(shí),以田塊為單位,采用挖高填低的方式,填方部位分層壓實(shí),分層厚度為0.3～0.5 m。以研究區(qū)1∶2 000實(shí)測地形圖為底圖,計(jì)算該區(qū)總挖方量。計(jì)算得出,該區(qū)總挖土方量60 255 m3,填方量為58 659 m3。

(2)場地平整技術(shù)。挖填方完成后,需對(duì)每個(gè)田塊進(jìn)行場地平整。采取順坡就勢對(duì)土方回填后的場地進(jìn)行挖高填低、平整壓實(shí),使其形成緩坡平臺(tái)恢復(fù)為旱地。考慮排水等標(biāo)準(zhǔn)和要求,平臺(tái)控制在坡降2%左右,平整面積為25.58 hm2。其中,23.486 hm2恢復(fù)為旱地,道路面積占據(jù)2.078 hm2,蓄水池占據(jù)0.015 hm2。房屋拆除部分地基以下為土層,故不再進(jìn)行覆土。

3.2.2 道路技術(shù)

為了方便后期耕作,設(shè)計(jì)在研究區(qū)內(nèi)新修建生產(chǎn)路共7條,總計(jì)長1 496 m。路面采用水泥混凝土路面,路面、路基寬4～6 m,路基厚30 cm,路面厚15 cm。則工程量為:碎石路基6 793.47 m2,水泥混凝土路面6 793.47 m2。設(shè)計(jì)斷面如圖8所示。

圖8 水泥混凝土路單體設(shè)計(jì)Fig.8 Design of cement concrete road monomer

泥結(jié)碎石路6條,共計(jì)長995 m。路面、路基寬3～5 m,路基厚30 cm,路面厚20 cm。則工程量為:碎石路基3 544.02 m2,水泥混凝土路面3 544.02 m2。設(shè)計(jì)斷面如圖9所示。

圖9 泥結(jié)碎石路單體設(shè)計(jì)Fig.9 Single design of mud bound gravel road

3.2.3 排水渠技術(shù)

為防止道路被沖毀,在道路一側(cè)修建排水渠技術(shù),編號(hào)為PSQ-1,內(nèi)徑60 cm×60 cm,厚15 cm。根據(jù)排水溝參數(shù),設(shè)計(jì)斷面如圖10所示。

圖10 排水渠技術(shù)斷面Fig.10 Technical section of drainage channel

3.2.4 綠化技術(shù)

本次綠化主要是美化道路,在田塊及瀝青路間設(shè)置綠化帶,沿路種植2行側(cè)柏,林下撒播草籽。側(cè)柏喜光,幼時(shí)稍耐蔭,適應(yīng)性強(qiáng),對(duì)土壤要求不嚴(yán),在酸性、中性、石灰性和輕鹽堿土壤中均可生長。側(cè)柏每隔2 m種植,共種植2行,樹坑規(guī)模為0.6 m×0.8 m×0.8 m;臺(tái)階上穿插種植苗木,在苗木林下撒播草籽,以荊條為主,撒播量30 kg/hm2。根據(jù)測定,在栽植前播撒復(fù)合肥40 g/m2,播撒在樹坑底部的外圍,遠(yuǎn)離樹干。栽植后前3 d,每天澆水1次,透墑,保證樹木成活。本治理單元林地面積1 198.9 m2,共需側(cè)柏616棵。林地下播撒草籽,撒播面積為1 198.9 m2。

3.2.5 土壤培肥與翻耕及養(yǎng)護(hù)技術(shù)

(1)土壤培肥與翻耕。結(jié)合當(dāng)?shù)鼗适┯玫慕?jīng)驗(yàn)。土地翻耕面積為23.486 hm2,培肥面積為23.486 hm2。

(2)養(yǎng)護(hù)技術(shù)。養(yǎng)護(hù)期為3年。種植后第1個(gè)月,前3 d每天澆水1次,第4—9天每3 d澆水1次,第10—30天每10 d澆水1次,共7次,先保證成活。第2—4個(gè)月,每20 d澆水1次,以后每3個(gè)月澆水1次,共23次。喬木每次澆水100 kg。治理單元共有喬木616棵,3年共需用水1 416.8 t。人工管護(hù)3年,共計(jì)養(yǎng)護(hù)21次,工人工資按1 500元/(次·hm2)計(jì)算,林地面積共計(jì)0.12 hm2,人工費(fèi)共需3 780元。

4 技術(shù)效益分析

4.1 社會(huì)效益

(1)減緩社會(huì)矛盾,促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定。礦山開采頻頻引發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害,破壞研究區(qū)生態(tài)環(huán)境,對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活產(chǎn)生極大影響,存在不穩(wěn)定因素。通過登封市豫安煤業(yè)有限公司礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理與土地復(fù)墾技術(shù)的實(shí)施,可有效消除各種地質(zhì)災(zāi)害隱患,極大地減少出現(xiàn)災(zāi)害事故,促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定,營造和諧社會(huì)氛圍。

(2)生態(tài)環(huán)境逐漸改善,生活質(zhì)量不斷提高,為實(shí)現(xiàn)全面小康打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。全面小康不僅要求經(jīng)濟(jì)收入達(dá)到一定的數(shù)量,而且要求生活質(zhì)量達(dá)到適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響居民的生活質(zhì)量,沒有一定的環(huán)境質(zhì)量保證,全面小康就不能實(shí)現(xiàn)。通過技術(shù)的實(shí)施,可改善當(dāng)?shù)鼐用裆鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量,為實(shí)現(xiàn)全面小康打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3)生態(tài)環(huán)境改善奠定登封市可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)?？沙掷m(xù)發(fā)展要求經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,不能以犧牲環(huán)境作為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的前提。可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)是有一個(gè)良好的支持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境,生態(tài)環(huán)境改善有利于維持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。通過治理技術(shù)的實(shí)施,將有效地保護(hù)和恢復(fù)研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境,有力促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。這將增加廣大人民群眾對(duì)黨和政府的信任,增加發(fā)展經(jīng)濟(jì)、全面建設(shè)小康的信心,對(duì)促進(jìn)登封市實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

4.2 環(huán)境效益

(1)技術(shù)實(shí)施,加快生態(tài)功能修復(fù)。通過技術(shù)防護(hù)和植被防護(hù)相結(jié)合,既能消除地質(zhì)災(zāi)害事故隱患、保障道路暢通和人身安全,又可部分恢復(fù)研究區(qū)植被,減少水土流失,具有明顯的生態(tài)效益和環(huán)境效益。建立與周邊景觀協(xié)調(diào)一致的生態(tài)環(huán)境,對(duì)城市生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理和具有示范及指導(dǎo)意義。

(2)有效消除礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患,保護(hù)脆弱的礦山地質(zhì)環(huán)境。通過登封市豫安煤業(yè)有限公司礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理與土地復(fù)墾技術(shù),一方面,可以消除地質(zhì)災(zāi)害隱患,改善地表景觀和當(dāng)?shù)鼐用裆瞽h(huán)境質(zhì)量;另一方面,對(duì)研究區(qū)土地開展綜合整治,恢復(fù)土地生態(tài)功能。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益

通過技術(shù)措施、生物措施對(duì)登封市豫安煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行治理,修復(fù)破壞的地形地貌景觀,恢復(fù)礦山地質(zhì)環(huán)境面積25.579 hm2,栽植喬木616棵,恢復(fù)耕地面積約為23.486 hm2,修復(fù)道路2.078 hm2。新增耕地面積為11.136 hm2,使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境得以改善,增加農(nóng)民收入,促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展,可促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 結(jié)語

(1)通過對(duì)豫安煤礦礦山開采地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)得出,研究區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害為塌陷、地裂縫;研究區(qū)地下水位埋深大,地表露采影響深度遠(yuǎn)小于地下水位埋深,因此采礦活動(dòng)沒有破壞含水層,對(duì)含水層的影響破壞較輕;采空塌陷、地裂縫、地表塌陷改變評(píng)估區(qū)微地貌形態(tài),對(duì)原生地形地貌景觀影響和破壞程度較大;擬研究區(qū)為采煤沉陷區(qū),研究區(qū)內(nèi)遺存大量廢棄房屋,現(xiàn)狀條件下,礦山活動(dòng)對(duì)土地資源破壞程度嚴(yán)重。

(2)此次礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理技術(shù)包含廢棄房屋拆除清理、道路及排水渠,土地復(fù)墾技術(shù)包括場地平整、道路、排水渠、綠化、土壤培肥與翻耕、管護(hù)等措施。