白銀市神峰煤礦地質環境評估與恢復治理對策研究

胡自遠，陳威龍，郝 廷，許海峰

(1.山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊，山東 臨沂 276000； 2.江蘇工勘巖土工程有限公司，江蘇 徐州 221000)

白銀市平川區神峰煤礦位于靖遠煤田紅會礦區的東北部，距紅會路街道5 km，距平川區政府所在地30 km，行政區劃屬白銀市平川區共和鎮西合村。礦區經紅會路街道在大壩口與省道S308線相連，交通便利。礦區范圍包括3個區塊，區塊由原白銀市平川區神峰煤礦、原白銀金能煤業有限公司、原甘肅省定西地區紅旗山煤礦兼并重組，資源整合后井田東西長約1.23 km，南北寬約2.50 km，井田面積1.807 2 km2，開采煤層標高+1 570～+2 009 m，采礦工業場地分別位于采礦權境界南北兩端(圖1)。

圖1 礦區工業場地分布Fig.1 Distribution of industrial sites in mining area

礦區采用地下開采的采礦方式進行生產，開采歷史長，在特定的歷史時期，出現過一定規模的胡挖濫采，形成一定空間的地下采空區，對地下含水層造成一定的破壞[1-3]。而小窯生產技術資料大多沒有記錄或存留不全，對今后可能引發采空塌陷的區域范圍難以準確預測防范，并且塌陷破壞地表地形地貌，影響表土結構，危害植物生長，加劇局部水土流失和土地荒漠化[4-7]。礦井地面生產系統包括建(構)筑物和設施設備及輔助生產系統和生活福利系統，對土地資源產生不同程度壓占和挖損破壞，致使原生植被被毀，地形地貌景觀遭到破壞[8-11]。本文通過對礦山環境地質問題、現狀進行調查及評估，并開展了棄渣平整、回填工程、壓占荒地的清理復墾工程等，防治、恢復礦山地質環境，保障礦山安全、有序、環保地開展采礦活動。

1 地質環境特征

1.1 礦區地質

區域上位于祁連造山帶走廊邊緣坳陷帶，南為北祁連北麓深斷裂，與北祁連加里東褶皺帶相鄰。廣泛分布上古生界和中、新生界，其中石炭二疊系和中侏羅統是主要含煤地層，構造行跡多以斷裂為主，褶皺為輔。

礦區所在西格拉灘復式向斜帶內，構造自東北向西南為西格拉灘向斜、下莊背斜和馬家寬溝向斜，東北部的褶皺構造比較寬緩，西南部的褶皺構造比較緊閉。上述褶皺構造的不同部位被東北向斷層所分割。

1.2 礦體特征

礦區煤層厚度在礦權范圍中部向南、東、北方向逐漸呈現變薄的趨勢。煤層結構自東向西由簡單變為復雜。煤層厚度0.69～39.46 m，平均厚度10.89 m，傾角一般在10°～14°，總的趨勢比較平緩，煤層穩定。資源儲量估算純煤厚度0.69～15.64 m，平均厚度7.80 m。

礦區東部煤層頂板巖性以粗砂巖、砂礫巖為主，可能是后期沖刷作用將煤層的真正頂板及上部的部分煤分層沖刷缺失所致；礦區西部煤層頂板巖性多為泥巖、砂質泥巖及粉砂巖為主，部分為炭質泥巖，個別為細粒砂巖，因為這部分煤層未遭受沖刷，使煤層頂板及整個煤層得以完好保存。煤層底板大部分為粉砂巖，少部分為泥質粉砂巖和砂質泥巖。

1.3 水文地質條件

(1)地形地貌及水系。礦區所處的西格拉灘為三面環山、一面為高地的自東北向西南傾斜的自流水盆地。區域屬黃河水系，大部分源于黃家洼山南側和青石山東側的溝谷匯聚于西格拉灘盆地，形成幾條大的沙河，平時干涸無水，僅在雨季暴雨來臨時才形成短暫的洪流，在靖遠東灣一帶匯入黃河。

(2)含水層。①煤層頂板裂隙、孔隙承壓含水層：位于中侏羅統新河組底部，為層煤頂板裂隙、孔隙含水層。由含礫粗砂巖、砂礫巖夾砂質泥巖或泥巖組成。一般裂隙較發育，孔隙度大，礦區內平均厚度26.59 m，純含水層厚度24.10 m。根據抽水試驗成果，單位涌水量0.010 7 L/(s·m)，換算為降深10 m、抽水孔直徑91 mm時的單位涌水量為0.010 21 L/(s·m)，滲透系數7.058×10-4cm/s。根據相關標準：q<0.1 L/(s·m)，10-3cm/s

(3)隔水層。①中侏羅統新河組上段隔水層：該地層平均厚159.96 m，巖性較單調，由紫紅色泥巖、棕灰色砂質泥巖互層、灰綠色砂質泥巖、細粒砂巖和粉砂巖組成，只在底部有粉砂巖和粗粒砂巖薄層。間夾中粒砂巖薄層，裂隙發育，局部破碎。②中侏羅統新河組中段隔水層：為一層紫紅色、灰綠色砂質泥巖與泥巖互層組成的隔水層，其中夾薄層細砂巖，平均厚58 m，隔水性良好。③中侏羅統窯街組隔水層：為層煤及其頂底板隔水層，巖性為粉砂巖、砂質泥巖、泥巖及煤層，平均厚20 m，隔水性較好。

1.4 工程地質條件

煤層頂板按其穩固性可分為3種類型。

(1)以鈣質膠結為主，鐵質膠結為輔的中粗粒砂巖、砂礫巖頂板，巖石堅硬，大部分為塊狀，局部具裂隙，孔隙率為11.8%，密度為2.62 t/m3，堅固性系數4～6，抗壓強度41.482～63.057 MPa。厚度10～40 m，為穩固性較好的頂板。

(2)以泥質膠結為主的粗砂巖、砂礫巖頂板，巖石膠結程度差，局部具裂隙，比較疏松，堅固性系數為1～3，抗壓強度9.807～29.420 MPa。厚度10～40 m，為穩固性差的頂板。

(3)泥巖、砂質泥巖及粉砂巖頂板，層理比較發育，局部具裂隙，孔隙率4.63%，密度2.59 t/m3，堅固性系數3～4，抗壓強度29.420～42.561 MPa。厚度1～5 m，一般為穩固性較差的頂板。

2 礦山地質生態環境現狀評估

根據礦山地質環境調查結果，分析煤層賦存條件和開采厚度與方式，考慮到塌陷影響，確定本次評估區范圍以采礦權邊界、主副井工業場地外邊界、風井工業場地外邊界外延50 m，部分地方截彎取直所組合成的區域，面積266.25 hm2，包含取土場等所有本礦采礦活動可能影響的區塊[12-14]。

2.1 不穩定斜坡現在評估

礦區不穩定斜坡主要為煤礦灌漿取土場形成，地形為黃土丘陵區，地層為馬蘭黃土，已取土面積0.26 hm2，開挖高度約14 m，形成的坡度約36°，采土量為8.00×104m3，開采形成的邊坡臺階高度為5 m，坡度為27°(圖2)，邊坡穩定性較好，對礦山地質環境影響程度較輕[15-16]。

圖2 灌漿場取土剖面示意Fig.2 Schematic diagram of soil collection section in grouting field

2.2 采空區地質災害危險性現狀評估

(1)采空區影響現狀。受構造影響，煤層直接頂板比較破碎，為不穩定頂板。工作面采用后退式回采方式，工作面采用全部垮落法控制頂板。煤層開采深厚比小于120，定性評估礦山后期開采產生地面塌陷的可能性較大。礦區在充分開采后，采區地表最大下沉值為4 901.04 mm，最大傾斜值71.36 mm/m，最大曲率值1.78×10-3/m，最大水平移動值1 319.3 mm，最大水平變形值為28.7 mm/m。煤層開采后，采空區地表可能發生移動變形，支撐采空區上部的巖層在應力環境改變及內力作用的條件下，將形成一個以采空區為中心的移動盆地。根據計算結果，以下沉10 mm等值線為邊界，有3個塌陷影響區(圖3)，對應采區接續順序分別命名為1號、2號、3號塌陷影響區。1號塌陷影響區面積為40.00 hm2，2號塌陷影響區面積為11.30 hm2，3號塌陷影響區面積為25.38 hm2，規模均為中型[17-18]。

圖3 塌陷范圍與井田位置關系示意Fig.3 Schematic diagram of relationship between collapse range and location of well field

(2)采空區引發的地面沉陷、地裂縫地質災害評估。1號塌陷影響區內無居民，主要受影響對象為旱地，面積5.87 hm2。其中，包含基本農田1.01 hm2。當地種植作物為玉米、小麥、胡麻和旱地瓜，經向當地居民調查，畝產玉米400 kg，胡麻200 kg，旱地瓜1 500 kg，小麥325 kg。按上一年度銷售價格估算，每畝收入分別為：玉米680元，胡麻1 400元，旱地瓜1 500元，小麥780元。塌陷裂縫等可能造成當年莊稼局部死亡，水土流失，給當地農民帶來經濟損失，但是裂縫只是造成局部莊稼受損，范圍相對較小，按經濟收入最高的旱地瓜估計，可能造成的直接經濟損失小于100萬元，受威脅人數小于10人，危害程度小。2號塌陷影響區主要受影響對象也是旱地，面積6.20 hm2，包含基本農田6.07 hm2，估計可能造成的直接經濟損失小于100萬元，受威脅人數小于10人，危害程度小。3號塌陷影響區主要受影響對象也是旱地，面積3.17 hm2，無基本農田，估計可能造成的直接經濟損失小于100萬元，受威脅人數小于10人，危害程度小。

2.3 地形地貌景觀破壞現狀評估

礦區遠離各類自然保護區、風景旅游區、城市及主要交通干線，礦山開采對地形地貌景觀影響表現在利用的場地對地形地貌持續破壞。灌漿場取土場地根據地質災害評估，分臺階進行取土，無其他建筑，對地形地貌景觀影響程度較輕；地面塌陷影響區根據地質災害預測定性定量分析評估，發生的可能性大，但結合現狀采空區地表情況，形成的塌陷影響區為小規模緩傾盆地，不會出現塌陷坑或大的錯動陡坎等變形跡象，且可恢復性較高，故預測塌陷影響區對地形地貌景觀影響程度較輕[19-20]。現狀礦區地形地貌景觀破壞情況見表1。

表1 礦區地形地貌景觀破壞現狀評價Tab.1 Assessment of damage status of landform and landscape in mining area

2.4 水土環境污染現狀評估

(1)水土環境現狀評估。礦區對水土環境造成污染的主要因素是矸石堆存造成土壤黑色污染，降雨形成的淋溶水污染水質。地下水環境質量監測，矸石淋溶水中對區內水土環境污染因子含量較低，且礦區為干旱區，降水稀少，淋溶水排放量很小，故對礦區地下水環境和土壤影響較輕，對礦山地質環境影響程度較輕。

(2)土地損毀現狀評估。礦區工程活動造成的土地的損毀主要是前期礦山活動造成的損毀，損毀方式主要是土地資源壓占和挖損(圖4)，損毀區塊為主副井工業場地、風井工業場地行政福利區、原取土場、爆炸材料庫、矸石堆放等，土地占壓面積21.58 hm2，損毀面積為0.26 hm2。

圖4 礦區土地占壓、損毀照片Fig.4 Photos of land occupation and damage in mining area

3 礦山地質環境治理和生態修復

礦區主要地質環境問題為地形地貌景觀的影響破壞和地下采空引起的地面塌陷地質災害[6-14]。

3.1 礦山地質災害治理

根據礦山開采條件，按照采煤塌陷規律和各采區煤層采深采厚計算，礦區塌陷穩沉時間分別為：一采區2.5年，二采區2.4年，三采區1.03年。在此期間及后期可能發育變形較大的伴生裂縫，采取下矸石夯填、上表土回填的二元結構進行恢復治理。治理過程中，先剝離表土堆存到兩側，剝離厚度為30 cm，采用矸石對裂縫填埋夯實處理，再回填表土并整修地形(圖5)，預估動用土石方量約11 720.22 m3。表土回填后進行復綠。

圖5 裂縫填埋治理示意Fig.5 Schematic diagram of crack landfill treatment

3.2 礦區土地復墾

(1)土壤重構工程。結合礦區現狀，盡量利用自然地勢。考慮到損毀土地地形平緩，故在平整工程量計算時按投影面積計算，礦區土地損毀面積為22.46 hm2，平整面積為22.46 hm2。復墾覆土從取土場取土，主副井工業場地和爆炸材料庫運距平均2.5 km，其余場地最大運距500 m，對平整后的土地采用推土機進行覆土攤鋪，復墾為旱地的有效土層厚度不小于40 cm。本方案確定覆土 45 cm，其他草地的有效土層厚度不小于10 cm。

(2)植被重建工程。復墾區復墾方向為旱地第一年播種黃豆用于肥地，每畝用種10 kg；復墾方向為其他草地的，植被重建工程為種草，播種前對種子清洗、去芒及芍物拌種，提高出芽率和防止地老虎等蟲害。采用撒播方式，撒播盡量撒播均勻。播種量視種子的發芽率而定，通常每公頃播撒量為20 kg，播種深度在2～5 cm。復綠面積22.46 hm2。

3.3 含水層破壞修復

采礦活動不可避免地會對地下水含水層造成一定影響，但影響程度較輕，根據實際情況，含水層修復強調水生態自我修復，充分發揮自然生態系統的自我修復能力。在礦山開采過程中，重點是對含水層破壞的預防工作，待采礦結束后，逐步實現自我修復。

3.4 水土環境污染修復

現狀條件下，礦山開采對水土環境污染程度較輕，預測采礦活動對水土環境污染程度為較輕，本區地表無水體，降水稀少且蒸發量大，故水土污染甚微。由此確定，該礦山水土環境污染修復修復的目標是最大限度地恢復礦區自然環境，減輕礦山開采對區內自然環境的影響。主要任務是在礦山地質環境防治的基礎上，通過播撒草種，培育當地植物，達到生態恢復的目的。生產期主要以預防為主，建設污廢水一體化污水處理站，固體廢棄物辦公生活垃圾集中處理，矸石再利用，不進行亂排亂棄。在采礦結束后，采取整飾覆土復墾措施。

4 效益分析

通過對礦山地質環境的恢復治理，將減輕或消除地質災害隱患，有效保障工業場區的安全；同時，通過礦山地質環境監測工程，及時掌握煤礦開采引發的地面沉陷變形對地表的損毀程度，及時采取措施進行預防，可避免礦山地質災害對礦區人民生命財產安全的危害，其防災減災效益顯著[3-10]。

通過礦山地質環境保護與土地復墾，使礦區被破壞和壓占的土地資源及植被資源得到治理、恢復，地貌景觀得以改善，維護礦區的生態平衡，將產生良好的環境效益，有利于附近人民群眾安居樂業和社會穩定，對實現礦山可持續發展起到示范作用，經濟效益顯著[11-16]。

5 結論

(1)礦區工程地質條件良好，石炭二疊系和中侏羅統是主要含煤地層，煤層厚度0.69～39.46 m，平均厚度10.89 m，煤層平緩且穩定，剩余服務年限5.6年。

(2)現狀條件下，礦區內地質災害不發育，后續開采引發地面塌陷的可能性大，對礦山地質環境影響程度嚴重；現狀條件下，礦山開采對地形地貌景觀破壞程度為較嚴重。

(3)采空區引起的地面裂縫，采取下矸石夯填、上表土回填的二元結構進行恢復治理，預估動用土石方量約11 720.22 m3。通過對礦區土壤重構工程、植被重建工程實現土地復墾面積22.46 hm2。

(4)通過對礦山地質環境的恢復治理，可取得較高的社會效益、防災減災效益、經濟效益和環境效益。