肥城市曹莊煤礦區(qū)礦山地質(zhì)問題及防治措施

耿國(guó)銳

(山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安 271000)

肥城曹莊煤礦位于山東省肥城市王瓜店鎮(zhèn)境內(nèi)， 地下開采，生產(chǎn)能力100萬(wàn)t/a，面積10.2064 km2，為地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜的中型礦山。

1 自然地理

礦區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候區(qū)，四季明顯，全年降水主要集中在7—8月份，大氣降水與礦井涌水量無(wú)明顯關(guān)系；屬低山丘陵地貌，為山麓與平原過渡帶，地勢(shì)北高南低；發(fā)育月莊河、儀仙河、馬莊河和尚古莊河四條季節(jié)性小河；有欒莊水庫(kù)、馬莊水庫(kù)、尚古莊水庫(kù)、文昌閣水庫(kù)和19個(gè)煤礦采空塌陷形成的塌陷積水坑，最大沉陷深度大于3 m(雨季豐水期潛水位深度2.4 m)；因自然條件和人類活動(dòng)的影響，自然植被基本消失，土地資源多被栽培植物覆蓋；土壤主要為褐土和潮褐土土類，土層厚，比較肥沃，土質(zhì)良好。

2 地質(zhì)環(huán)境背景

2.1 地層

區(qū)內(nèi)主要出露太古代泰山巖群花崗片麻巖；寒武—奧陶系灰?guī)r和頁(yè)巖；上石炭統(tǒng)本溪組灰?guī)r、粉砂巖與黏土巖，太原組細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖夾11層煤；下二疊統(tǒng)山西組中粒砂巖與砂泥巖互層夾4層煤；中二疊統(tǒng)下石盒子組和上石盒子組中細(xì)粒砂巖、粉砂巖和泥巖，不含煤；第四系砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)砂礫層。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)位于魯中隆塊肥城凹陷東端，為一以斷層為主的單斜構(gòu)造。地層走向近東西，傾向北，大部分傾角8°～17°；東部邊界由F23與F30正斷層組成地塹構(gòu)造，北部以F2正斷層構(gòu)成井田的控制邊界；共揭露落差大于3 m的正斷層25條，逆斷層12條。

2.3 水文地質(zhì)

礦區(qū)含水層主要為第四系含水砂層及砂礫層，山西組3煤層頂板砂巖，太原組第一、二、四層灰?guī)r，9煤層頂板泥灰?guī)r及11煤層頂板無(wú)名灰，本溪組徐家莊灰?guī)r(五灰)，奧陶系石灰?guī)r(奧灰)。隔水層主要為各層灰?guī)r間黏土巖和粉砂巖，并受裂隙巖溶水、斷裂構(gòu)造導(dǎo)水和老空水影響，水文地質(zhì)條件復(fù)雜[1]。

2.4 工程地質(zhì)

煤層頂板主要為粉砂巖、石灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖和復(fù)合頂板4類。其中，粉砂巖厚0～18.17 m，性脆，節(jié)理發(fā)育，巖石的堅(jiān)固性系數(shù)f為4，中等穩(wěn)定；石灰?guī)r厚3.62～8.62 m，堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，f為8，中等穩(wěn)定；炭質(zhì)頁(yè)巖厚0.1～0.2 m，易垮落，f為2，為中等穩(wěn)定；復(fù)合頂板由薄層煤、巖構(gòu)成，厚度2.48 m，易破碎，強(qiáng)度低，f為3，為不穩(wěn)定頂。底板主要為黏土巖、粉細(xì)砂巖和薄層煤巖3類，前者厚0.4～9.07 m，f為3～4，遇水易軟化，造成支柱鉆底；中者厚0.80～8.55 m，f為3～4，易產(chǎn)生底鼓；后者厚2.48 m，強(qiáng)度較低，f為3。故礦區(qū)工程地質(zhì)條件中等。

2.5 礦體地質(zhì)特征

含煤地層為石炭—二疊系山西組和太原組，總厚248.70 m，含煤15層，煤層厚度18.71 m，可采及局部可采煤層為山西組的1、3煤和太原組的6、7、8、9、102、11煤層共8層，厚13.89 m。其中，1、6、7、11煤為薄煤層，8、9、102煤為中厚煤層，3煤為厚煤層。

3 地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

3.1 地質(zhì)災(zāi)害

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要為采空塌陷及伴生地裂縫。自建井生產(chǎn)以來(lái)，采空塌陷區(qū)面積約711.03 hm2，分布于井田的東部、南部、西南部和東南部等煤層埋藏較淺地區(qū)，土地類型主要為農(nóng)田耕地，局部延伸到村莊和農(nóng)村道路。以欒莊—曹莊—馬莊一帶為例，相對(duì)塌陷深度約1.0 m，最大塌陷深度約4.8 m。實(shí)施了填土整平、農(nóng)田復(fù)墾、魚塘改造、房屋重建或加固和村莊搬遷等治理恢復(fù)措施。

采空塌陷及伴生地裂縫對(duì)農(nóng)田、村莊、道路等影響程度大，但進(jìn)行了適宜的治理，故地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小[2]。

3.2 含水層破壞

區(qū)內(nèi)擁有7套含水層，礦山排水對(duì)山西組3煤層頂板砂巖、太原組第一、二、四層灰?guī)r、9煤層頂板泥灰?guī)r及11煤層頂板無(wú)名灰等煤系地層含水層結(jié)構(gòu)影響嚴(yán)重；對(duì)第四紀(jì)含水砂層及砂礫層、本溪組徐家莊灰?guī)r(五灰)和奧陶紀(jì)石灰?guī)r(奧灰)含水層結(jié)構(gòu)影響較輕。此外，礦井水、地表水以及井巷奧灰水、五灰水樣測(cè)試顯示硫酸鹽、亞硝酸鹽和氯化物均超或遠(yuǎn)超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值。

采礦活動(dòng)對(duì)地下水和地表水質(zhì)量的影響嚴(yán)重。

3.3 地形地貌破壞

礦區(qū)地形地貌景觀破壞主要為煤矸石堆積場(chǎng)和地表變形形成的采空塌陷。其中，煤矸石堆積場(chǎng)占地面積約3.0 hm2，高約30 m，對(duì)原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大；礦山不斷生產(chǎn)，采礦面積不斷擴(kuò)大，地表變形范圍不斷擴(kuò)大，面積約748.22 hm2，塌陷最大塌陷深度約6.0 m；淺層地下水水位埋深多數(shù)月份為5～6.5 m，雨季地下水位埋深一般為2.4 m，采空塌陷深度大于2.4 m的區(qū)域形成季節(jié)性積水的可能性較大，對(duì)原生的地形地貌影響和破壞程度較大，其余部分對(duì)原生的地形地貌影響和破壞程度小。

總之，采空塌陷深度大于2.4 m的區(qū)域?qū)Φ匦蔚孛簿坝^影響嚴(yán)重，1.0～2.4 m的區(qū)域?yàn)橛绊戄^嚴(yán)重，其余部分為影響較輕。

3.4 水土環(huán)境污染

區(qū)內(nèi)水土資源豐富，主要為基本農(nóng)田、一般農(nóng)田及礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)、村莊、公路及河流占地。南部采空區(qū)的地表變形程度較大，對(duì)區(qū)內(nèi)的土地資源產(chǎn)生了一定破壞，部分地段因塌陷較深，已經(jīng)改造為水塘用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，其他塌陷較淺地段進(jìn)行了整理復(fù)墾后繼續(xù)用于農(nóng)田種植。

除塌陷較深地段改造為水塘外，其他地段沒有改變?cè)瓉?lái)的土地用途。礦山開采對(duì)土地資源的影響和破壞除塌陷較深地段較嚴(yán)重以外，其他地段較輕。

3.5 地質(zhì)環(huán)境分級(jí)

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性、地形地貌景觀、土地資源和含水層等的影響現(xiàn)狀，將區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度劃分為嚴(yán)重區(qū)(A區(qū))、較嚴(yán)重區(qū)(B區(qū))和較輕區(qū)(C區(qū))(表1)。其中，嚴(yán)重區(qū)位于采空區(qū)的中心地帶，面積約0.6438 km2；較嚴(yán)重區(qū)位于工業(yè)廣場(chǎng)的周圍，面積約1.4880 km2；較輕區(qū)位于礦區(qū)的邊緣地帶，面積約8.0899 km2。

表1 礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度分級(jí)表

4 土地?fù)p毀現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)對(duì)土地造成的損毀主要為采空塌陷的塌陷損毀和工業(yè)廣場(chǎng)及配套設(shè)施的壓占損毀。

4.1 塌陷損毀土地

曹莊煤礦于1965年1月1日投產(chǎn)，至今已有近60年的開采歷史，對(duì)土地的損毀為采空塌陷及伴生地裂縫。

土地塌陷損毀基本覆蓋整個(gè)礦區(qū)，最大塌陷深度為6.0 m，部分地區(qū)常年或季節(jié)性積水，積水深度0～5 m，總面積為723.29 hm2，主要包括水澆地、旱地、果園、林地、鐵路用地、公路用地、農(nóng)村道路、坑塘水面、設(shè)施農(nóng)用地、村莊用地、采礦用地、風(fēng)景名勝及特殊用地。其中，損毀耕地面積為351.64 hm2，約占損毀總面積的48.62%，影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致耕地減產(chǎn)、絕產(chǎn)。部分塌陷損毀土地由礦山出資、村民自行治理，農(nóng)田保持耕作狀態(tài)。

4.2 壓占損毀土地

壓占損毀土地主要為工業(yè)場(chǎng)地和矸石堆放場(chǎng)，總面積24.93 hm2。前者位于礦區(qū)中部，主要為絞車房、風(fēng)機(jī)房、配電室、充電室、機(jī)修車間、材料庫(kù)、煤場(chǎng)、礦井、選煤廠、綜合辦公區(qū)等建筑物，占地面積為21.93 hm2，壓占土地為耕地，損毀時(shí)間自開采至今。后者位于工業(yè)廣場(chǎng)西南側(cè)，壓占損毀面積3.00 hm2，累計(jì)堆存20.4萬(wàn)t，矸石堆體高度約30 m，壓占土地均為耕地，損毀時(shí)間自開采至今。矸石可作鋪路、充填塌陷區(qū)和其他建材生產(chǎn)，正逐步合理利用[3]。

5 治理措施

區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境問題主要為地面塌陷和土地?fù)p毀，含水層破壞和水土污染較輕，故對(duì)地面塌陷和土地?fù)p毀提出具體的治理措施。

5.1 地質(zhì)災(zāi)害治理

地面塌陷采取土地平整、削高填低、挖深墊淺等措施對(duì)塌陷區(qū)土地進(jìn)行恢復(fù)治理；對(duì)塌陷盆地影響范圍內(nèi)的溝渠堤防進(jìn)行墊高、加固，保證度汛安全；及時(shí)維修受影響的公路和農(nóng)用生產(chǎn)道路，并適時(shí)規(guī)劃新的田間道路。

5.2 土地復(fù)墾

根據(jù)采空塌陷損毀程度，土地復(fù)墾分為簡(jiǎn)單治理區(qū)、一般治理區(qū)和煤矸石充填治理區(qū)。

簡(jiǎn)單治理區(qū)為輕度塌陷區(qū)，塌陷深度小于1.0 m的地段，地表略顯凸凹不平，但變化不大，且土層并未發(fā)生較大改變，土壤養(yǎng)分狀態(tài)無(wú)變化，只稍作平整即可耕種。

一般治理區(qū)為中度塌陷區(qū)，塌陷深度1.0～2.4 m的地段，地表出現(xiàn)土丘或土坑，影響農(nóng)田的正常耕作。首先將地表30 cm的耕植土剝離，就近堆放，然后推土整平，最后將剝離耕植土覆上整平，便可恢復(fù)土地原有使用功能。

煤矸石充填治理區(qū)為重度塌陷區(qū)，塌陷深度大于2.4 m的地段，地表凹凸變化較大或地面坡度較大，對(duì)農(nóng)田的正常耕作影響較大。首先將地表30 cm的耕植土剝離，堆放于地勢(shì)較高處；然后利用挖掘機(jī)械將煤矸石墊到塌陷區(qū)季節(jié)性潛水位(2.4 m)以上；最后將剝離耕植土覆上整平，便可恢復(fù)土地原有使用功能。

此外，加強(qiáng)地表變形、含水層破壞、水土污染監(jiān)測(cè)，防止地質(zhì)環(huán)境破壞、地下水水位下降和水土污染的發(fā)生。

6 結(jié)論

(1)曹莊煤礦區(qū)主要地質(zhì)問題為采空塌陷及伴生地裂縫、煤矸石堆積場(chǎng)和地表變形形成的地形地貌破壞、塌陷損毀和壓占損毀，含水層破壞和水土污染影響較輕。

(2)地面塌陷區(qū)采取土地平整、削高填低、挖深墊淺等措施進(jìn)行恢復(fù)治理；塌陷盆地影響范圍內(nèi)的溝渠堤防進(jìn)行墊高加固，保證度汛安全；采空塌陷區(qū)土地復(fù)墾經(jīng)煤矸石充填、推土整平和耕植土覆上整平等，恢復(fù)土地原有使用功能。