草原生態脆弱區采煤沉陷區地表損毀特征研究*

張洋洋

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

東部草原是我國重要的煤炭資源供應地，普遍具有儲量大、土壤貧瘠、生態脆弱等特點，隨著煤炭的地下開采，對環境和土地就會產生破壞，造成地面沉陷、地裂縫等礦山環境地質問題[1]。采煤沉陷破壞了土壤結構，加速了土壤的干旱和沙化進程，進而對地表土壤的養分指標產生了影響，使生產力降低，加劇了草原生態環境惡化進程[2～8]，黎煒等也指出地表土壤的養分會受環境的影響[9]。研究草原生態脆弱區煤炭開采對地表的損毀形式及土壤性質的變化，尋求合理的控制和治理技術，對于保障礦井生產安全、減輕地下開采對草原脆弱生態環境的影響具有重要的理論和實用價值。

1 研究區概況

1.1 礦井概況

敏東一礦隸屬于神華國網能源內蒙古大雁集團有限公司，行政區劃屬內蒙古自治區呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗管轄，2008年建礦，位于伊敏河東礦區東南部，大興安嶺西坡，呼倫貝爾草原伊敏河中下游的東側，礦井東西長約10.3 km，南北寬約7.57 km，面積約49.142 2 km2，設計生產能力為500萬t/a，采用立井方式開拓，走向長臂綜采放頂煤開采工藝。敏東一礦屬于我國北方典型的上侏羅統-白堊系泥質膨脹軟巖分布區，綜放開采平均采厚約8 m，特殊的地質條件與采礦條件決定了地下開采對地表的影響具有其自身特征。

1.2 自然概況

礦區全部被第四系土層覆蓋，主要為砂礫石、風成砂、亞粘土及腐植土等現代沉積物,厚度在20～120 m之間，不整合于所有其它地層之上。工作面上方地表土地利用類型為草地。

礦區位于伊敏河以東的緩坡丘陵干草原與河谷沖、湖積平原的過渡帶，西部屬緩坡丘陵，東部為河谷、湖積平原，隱域性土壤發育。在區域內，以草甸土為主，構成非地帶性土壤，有機質含量少，土壤貧瘠。氣候屬于寒溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷漫長、夏季溫涼短促、春季干燥風大、秋季氣溫驟降，霜凍早。

礦區屬于緩坡丘陵典型草地及河流兩岸非地帶性草甸草場類，為芨芨草——雜草類、芨芨草——針茅+羊草+雜草類植被組成，植被蓋度40%～75%。

1.3 采礦地質條件

敏東一礦開采深度為+603～-550 m。該區全部為第四系所覆蓋，根據已有資料，地層有古生界的寒武系、泥盆系、石炭～二迭系；中生界侏羅系上統興安嶺群的龍江組、甘河組和扎賚諾爾群的大磨拐河組、伊敏組；新生界的第四系。白堊系下統大磨拐河組和伊敏組為含煤地層。伊敏河組為該區的主要含煤巖組，以含巨厚煤層為其特征。主要巖性為灰白色礫巖、砂礫巖、粗砂巖等陸源碎屑巖，含少量的中、細砂巖、粉砂巖及泥巖。厚度最大為720 m左右，一般在300～500 m之間。含14、15、16等三個煤層組計12層煤層，由上至下編號依次為14、15-1、15-2、15-3、15-4、15-5、15-6、15-7、16-1、16-2、16-3和16-4。其中,16-1及16-3兩個煤層全區可采，14及15-6煤層為不可采煤層，其它煤層為全區大部可采或局部可采煤層。煤層一般為中、厚煤層，其中,16-3煤層為巨厚煤層，煤層埋深一般在300～500 m左右，頂板為含礫砂巖，泥質膠結，密度較大，底板為粉砂巖。該組含煤總厚度最大90.19 m，最小0.30 m，平均28.11 m；含可采煤層總厚最大69.62 m，最小1.05 m，平均20.07 m；含有益煤層平均總厚22.23 m。現開采煤層為16-3上，工作面寬度約為235 m，平均開采厚度約為11.42 m，其總的趨勢是西南部較薄，向東南部逐漸變厚。

2 井工開采對地表影響分析

2.1 概率積分法預計參數

根據敏東一礦開采區域的地質采礦條件，采用概率積分法進行地表移動變形預計。地表移動變形計算參數有下沉系數(q)、水平移動系數(b)、主要影響角正切(tanβ)、開采影響傳播系數(k)、拐點偏移距(s)。在敏東一礦16-3上煤層I01163上01首采綜放工作面上方地表巖層移動范圍內布設地表巖層移動觀測站并定期進行觀測，參照敏東一礦地表移動變形實測資料和研究成果，確定本區地表移動與變形預計參數如表1所示[10]。

表1 地表移動與變形預計參數

2.2 地表移動與變形分析

根據現場踏勘情況，該礦區在I1106300工作面開采后，出現了地表裂縫、隆起現象，如圖1、圖2所示。

圖2 擠壓隆起

地表移動破壞范圍一般都比對應的采空區范圍大，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》規定，下沉10 mm是地表移動的邊界，地表移動邊界圈定的范圍就是開采產生的地表移動范圍，此范圍所屬的區域即為煤礦沉陷區，下沉曲線如圖3所示，預計下沉最大值在工作面中心，最大值為8 000 mm，與實際下沉值基本相符，由于礦區軟基巖沙質松散層的特殊地質條件，沉陷區范圍內沒有產生大的臺階裂縫及漏斗狀的塌陷坑，地表移動變形類型為連續性變形。

圖3 I1106300工作面下沉曲線/mm

在采空區上方地表，水平方向主要受到壓縮作用，因此，地表主要出現擠壓應力，從而形成擠壓隆起，而在采空區邊界上方地表，主要受到水平拉力作用，從而出現拉伸型裂縫。結合現場實測裂縫、隆起的發育位置，在I1106300工作面上方，當水平壓縮變形大于8 mm/m時產生隆起，水平壓縮曲線如圖4所示，圖中陰影部分為產生隆起的區域;水平拉伸變形大于4 mm/m時產生裂縫，水平拉伸曲線如圖5所示。

圖4 I1106300工作面水平壓縮曲線/(mm/m)

圖5 I1106300工作面水平拉伸曲線/(mm/m)

3 井工開采對地表土壤理化性質的分析

從研究區內不同的地點采樣進行研究，根據樣點數據的可獲取性，采用梅花型布點法進行采樣，采樣地點分別為原生草原對照區、I1106300工作面上方裂縫區及隆起區。每個樣點分土壤上層0～20 cm和下層20～40 cm分層取樣，每層各取三個混合樣，用土鉆采樣。土壤養分分析指標為pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮及有機質，pH值采用電位法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸取-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用浸提火焰光度法測定，全氮含量采用半微量凱氏法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定，實測數據如表2所示，并利用Excel計算工具對實測數據進行差異顯著性分析。

表2 對照區、隆起區與裂縫區土壤特性對比

由表2可知，礦區地表土壤基本呈現中性(6.33～6.51)，參照《第二次全國土壤普查土壤養分分級標準》，對照區上層(0～20 cm)堿解氮平均含量屬于2級，隆起區、裂縫區上層(0～20 cm)堿解氮平均含量屬于3級；對照區、隆起區及裂縫區上層(0～20 cm)有效磷平均含量屬于5級；對照區、隆起區及裂縫區上層(0～20 cm)速效鉀平均含量屬于3級；對照區上層(0～20 cm)全氮平均含量屬于1級，隆起區、裂縫區上層(0～20 cm)全氮平均含量屬于2級；對照區、隆起區及裂縫區上層(0～20 cm)有機質平均含量均屬于6級。結合對土壤養分指標的顯著性分析，得出對照區、隆起區、裂縫區上層(0～20 cm)的有效磷、速效鉀、堿解氮含量均有不同程度的下降，而全氮、有機質含量出現了顯著性差異(P<0.05),如圖6、圖7所示。對照區、隆起區、裂縫區下層(20～40 cm)指標含量沒有明顯的變化，部分采樣點裂縫區的養分指標相對于隆起區的養分指標有所下降。

注：不同小寫字母表示處理間0.05水平差異顯著圖6 對照區、隆起區與裂縫區全氮含量顯著性分析

注：不同小寫字母表示處理間0.05水平差異顯著圖7 對照區、隆起區與裂縫區有機質含量顯著性分析

對于造成土壤肥力顯著差異的原因，主要是因為地下煤炭開采引起地表沉陷后，沉陷區土壤養分的賦存特征發生了明顯改變，地表發生的沉陷、裂縫、隆起，使原地貌的地表形態、土壤結構發生了改變，增加了地表的土壤侵蝕和水土流失強度，使0～20 cm地表土壤的養分流失加劇，由于地表植被的根系主要分布在0～20 cm處，導致植被退化，加劇了礦區地表土壤沙化。同時，卞正富、趙明鵬等[11～12]也認為開采沉陷造成的地面坡度對土壤養分指標也存在一定的影響，而裂縫區基本發育在沉陷區的邊坡上，隆起區發育在工作面的正上方，即沉陷區的坡底，造成了裂縫區的土壤養分指標下降程度相對較大。

礦區處于干旱半干旱的生態脆弱區，軟基巖沙質松散層的地質條件下，地表土壤比較貧瘠，有機質含量為6級，厚度較小，一般為40～50 cm，水土保持能力差，所以土壤養分并未出現“逆序”特征。

4 結 論

煤炭開采帶來經濟利益的同時，對地表土壤以及生態環境也造成了不可避免的破壞，使地表土壤肥力下降、植被退化，綜合實驗研究結果，得出以下結論：

(1)結合對地表移動變形的預計和現場調查的結果，給出了沉陷區、裂縫區以及隆起區的發育范圍，為今后的礦區生產以及生態治理規劃提供依據。

(2)與對照區草地相比較,裂縫區、隆起區上層土壤(0～20 cm)堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮及有機質指標含量相對降低,尤以全氮和有機質變化顯著。