盧守卿，李貞岐，盧聲媛，李建喜，潘彥軍

(河南省地質礦產勘查開發(fā)局 第一地質勘查院，河南 鄭州 450001)

環(huán)境是人類生存與發(fā)展的必要條件，礦產資源是人類生存與發(fā)展的物質基礎，而礦山的開采勢必會造成當地生態(tài)地質環(huán)境的破壞，地質環(huán)境的惡化反過來又破壞礦山資源(如礦區(qū)土地資源、風景景觀資源、水資源等)。如何實現礦產開發(fā)與生態(tài)地質環(huán)境保護并重，是目前礦業(yè)開發(fā)的首要任務[1-3]。

魏家地煤礦作為當地經濟發(fā)展的支柱產業(yè)，建礦以來不斷改造生產技術條件，使煤礦生產能力逐步提升至300萬t/a，為當地經濟社會發(fā)展做出了巨大貢獻。同時也造成了生態(tài)地質環(huán)境的破壞，礦區(qū)目前形成采空區(qū)1處，面積5.03 km2，采空區(qū)極易引發(fā)地面塌陷，嚴重威脅著當地人民群眾生命財產安全。為了最大限度地減輕礦業(yè)開發(fā)對礦山地質環(huán)境的負面影響，提高企業(yè)的經濟效益、增強企業(yè)市場競爭力，建設高產高效能的現代化礦山，本文參考其他類似并已修復的礦山，通過對礦區(qū)生態(tài)地質環(huán)境調查并作出評估，提出綜合治理方案，恢復礦山生態(tài)環(huán)境，促進資源合理開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展[2-7]。

1 地質環(huán)境特征

1.1 地區(qū)地質特征

礦區(qū)位于祁連山余脈向黃土高原的過渡地帶，礦區(qū)地貌為構造侵蝕低中山、侵蝕堆積黃土丘陵、剝蝕—堆積山前傾斜平原。礦區(qū)出露地層主要為中侏羅統(tǒng)窯街組、上三疊統(tǒng)南營兒群及大部分第四系，出露巖性有砂巖、頁巖、砂質泥巖及炭質泥巖，局部含礫等。中侏羅統(tǒng)窯街組為區(qū)內主要含煤地層。

1.2 地質構造與地震

礦區(qū)內褶皺、斷裂發(fā)育。褶皺構造有腰水短軸背斜、花尖子短軸向斜；斷裂構造主要為北西向3組斷裂，F1為區(qū)域性大斷層，呈蓋層滑動性質的逆掩斷裂組合，F2為F1斷層組覆蓋的隱蔽逆斷層，F3為壓扭性逆斷層(圖1)。

圖1 魏家地煤礦礦區(qū)構造Fig.1 Mining area structure of Weijiadi Coal Mine

根據《中國地震動參數區(qū)劃圖》，礦區(qū)的地震動峰值加速度為0.15g，抗震設防烈度為Ⅶ度[4]。礦區(qū)及其鄰近地區(qū)共發(fā)生地震17次，該區(qū)屬地震多發(fā)地區(qū)。

2 水文地質、工程地質條件

2.1 水文地質條件

魏家地煤礦在區(qū)域上屬于大水頭水文地質盆地的一部分，該水文地質盆地第四系含水層基底隔水底板主要由白堊系砂巖和侏羅系砂、頁巖組成。根據區(qū)內含水層埋藏及含水介質條件和相應隔水層的分布情況，本區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙裂隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙水和斷裂帶脈狀水3類。對礦井開采有影響的含水層主要為碎屑巖類孔隙裂隙水，而松散巖類孔隙裂隙潛水和斷裂帶脈狀水分布有限，對礦井開采影響小。

據魏家地煤礦前期已有水文統(tǒng)計資料，建井初期主井涌水量7.6 m3/h，副井涌水量9.7 m3/h，主副井及巷道涌水總量為35～38 m3/h，南風井井筒及巷道涌水總量為35～38 m3/h。東風井井筒施工到+1 067.50 m水平開始涌水，隨著深度的增加涌水量逐漸增大，由11.22 m3/h增至38.84 m3/h；井筒深度321.60 m以下至382.00 m涌水量又逐漸減小，由23.30 m3/h減至20.70 m3/h，至后期涌水量僅為12.18 m3/h。造成涌水量由小變大、又由大變小的原因是下白堊統(tǒng)上部砂巖裂隙發(fā)育，儲水量較多，表現出礦坑涌水由少到多的現象，隨著白堊系含水層儲存量的疏干以及下部砂質泥巖含水性變差，水量開始出現由大到小的表象。

魏家地煤礦自建成投入生產以來，隨著生產規(guī)模的擴大、采深的增加，礦井的涌水量不斷增大，但增加幅度較小。據該礦歷年的礦井涌水量統(tǒng)計結果，礦井中涌水量大部分來自灌漿脫水(占47%)，次為生產用水(占33%)，含水層涌水僅占20%。

根據魏家地煤礦提供的2012—2018年度礦井水文觀測資料，近8年來礦井最大涌水量為144.0 m3/h，最小涌水量為97.69 m3/h，平均總涌水量為114.40～133.60 m3/h，除去灌漿脫水和生產用水，含水層實際涌水量為22.88～26.72 m3/h。

2.2 工程地質條件

魏家地煤礦1、2、3煤層是可采和局部可采煤層，其煤層頂、底板巖體工程地質特征敘述見表1。

表1 煤層頂板巖石物理力學性質試驗成果Tab.1 Test results of rock physical and mechanical properties of roof of coal seam

3 礦山地質環(huán)境影響和土地損毀評估

3.1 礦山地質環(huán)境現狀及評估

通過對礦區(qū)地質環(huán)境調查分析，確定評估區(qū)內現狀情況下發(fā)育的地質災害主要有崩塌4處，地面塌陷及伴生地裂縫1處，矸石堆放可能引發(fā)滑坡、崩塌5處[5-7]。

(1)崩塌特征及評估。主要為侵蝕—堆積黃土丘陵地貌，發(fā)育崩塌的邊坡坡高8～10 m，坡長10～12 m，坡寬40～50 m，坡體近于直立，出露地層為第四系馬蘭黃土。人工開挖取土造成邊坡失穩(wěn)，形成崩塌，由于仍在取土，故該崩塌的坡長和坡寬仍在不斷變化中。崩塌災害對礦山地質環(huán)境的影響程度屬較輕，面積總計0.065 hm2。

(2)地面塌陷特征及評估。地面塌陷區(qū)位于魏家地煤礦西一采區(qū)井巷密集帶正上方，地面塌陷最大深度3.1 m，陷坑形狀為梯形，長軸方向近南北向，變形區(qū)面積約282.50 hm2，發(fā)生塌陷至今尚在進一步發(fā)展中，所處地貌為黃土丘陵和低中山區(qū)。地面塌陷伴生裂縫的單縫多呈直線、弧線形，拉張、下挫狀，縫寬0.02～0.50 m，深度達3 m以上，近于貫通，長度可達200～800 m，傾向與階步指向相同，傾角近直立。群縫排列組合形式呈平行、環(huán)圍狀，裂縫間距不一，一般1～5 m，最大下錯距離達3.5 m。

目前魏家地礦區(qū)內西一采區(qū)1、2、3煤層，東一采區(qū)1煤層及北一采區(qū)1煤層已全部采完，西二采區(qū)對1煤層進行了局部開采。根據魏家地煤礦開發(fā)利用方案提供的開采進度計劃、開采時間，并結合開采區(qū)域來劃分開采時段。此次將魏家地煤礦采礦許可證剩余服務年限13.0年(2019年1月—2031年12月)劃分為3個開采時段：第1時段(2019年1月—2023年12月)，將西二采區(qū)1、2、3煤層、東一采區(qū)2、3煤層及北一采區(qū)2煤層全部采完；第2時段(2024年1月—2028年12月)，將北一采區(qū)3煤層全部采完；第3時段(2029年1月—2031年12月)，對東二采區(qū)的1煤層進行局部開采。

根據方案服務期內的地表沉陷范圍，繪制了開采時段的下沉等值線圖(圖2)，以此分析其危害特征及對地質環(huán)境的影響程度。方案服務期內所有煤層開采完之后，預測總塌陷面積約823.4 hm2，包括現狀塌陷區(qū)面積282.5 hm2，擬塌陷不重復塌陷區(qū)面積540.9 hm2，重復塌陷面積為72.41 hm2。地表最大下沉值為19 586.69 mm，最大傾斜值為64.22 mm/m，最大曲率為320.1×10-3m-1，最大水平位移7 795.50 mm，最大水平變形值38.85 mm/m。預測采礦活動加劇地面塌陷災害對礦山地質環(huán)境影響程度屬嚴重[8]。

圖2 方案服務期地表下沉等值線(概率積分法)Fig.2 Subsidence contours during the service period of the plan(probability integral method)

(3)矸石堆放處可能引發(fā)滑坡、崩塌及評估。根據現場調查，魏家地煤礦現有排矸場5處(Z1—Z5)，其中，Z1—Z4排矸場均已廢棄，均已采取分級放坡、覆土平整等措施進行了治理，穩(wěn)定性較好。預測評估Z1—Z4排矸場矸石堆放引發(fā)滑坡、崩塌災害對礦山地質環(huán)境影響程度屬較輕。

目前及后期使用的Z5排矸場位于礦區(qū)南部的大峴溝內，占地面積約8.83 hm2，現狀堆積高度為10～30 m，堆積方量約155.10×104m3。根據礦山年產矸石量8.2×104m3推算，至方案服務期的最后一年，預估矸石堆積方量將達到220.70×104m3，堆積高度增加至30～50 m(圖3)，每年新增占地約0.58 hm2，占地面積將擴大至16.37 hm2。Z5排矸場堆積規(guī)模較大，穩(wěn)定性較差，引發(fā)滑坡、崩塌災害的可能性較大；危害對象為排矸場工作人員及施工機械設備等，預估受威脅人數3～5人，可能造成的直接經濟損失約50萬元。故預測評估方案服務期內，Z5矸石堆放引發(fā)滑坡、崩塌災害對礦山地質環(huán)境影響程度較嚴重[9]。

圖3 Z5矸石堆現在及預測剖面示意Fig.3 Schematic diagram of the current and predicted profile of Z5 gangue pile

3.2 礦區(qū)水土環(huán)境破壞現狀及評估

魏家地煤礦工程活動對土地造成的損毀主要有土地壓占損毀、土地取土挖損、采空區(qū)塌陷損毀。

(1)土地壓占損毀。根據現場調查，該礦山采礦活動對土地造成壓占損毀的地面工程主要包括：1號工業(yè)場地33.42 hm2，2號工業(yè)場地18.21 hm2，生活區(qū)34.95 hm2，南風井場地3.05 hm2，排矸場13.64 hm2，堆煤場8.77 hm2，礦區(qū)專用鐵路6.10 hm2，礦區(qū)道路2.57 hm2。壓占損毀土地總計120.71 hm2。

(2)土地取土挖損。魏家地煤礦黃土灌漿取土場共設置4處，其中G1、G3黃土灌漿取土場均已廢棄，已挖損土地面積分別為0.81 hm2和0.71 hm2；目前及后期繼續(xù)使用的G2、G4黃土灌漿取土場，已挖損土地面積分別為0.32 hm2和0.58 hm2。以上4處(G1—G4)黃土灌漿取土場共計挖損土地面積2.42 hm2。后期礦山取土有2處(G2、G4)，主要為黃土灌漿取土，工程復墾時地裂縫充填、覆土等所需土方量，預測2處取土場擬新增損毀土地2.08 hm2(圖4)。

圖4 G4取土場擬挖損平面及取土場擬挖損土地剖面示意Fig.4 Plan of the borrow yard to be excavated and the cross-section of the soil to be excavated in the G4 borrow yard

(3)土地沉陷損毀。根據此次調查和礦方提供的以往開采情況及礦區(qū)地面塌陷變形監(jiān)測資料，現狀魏家地煤礦土地沉陷共1處，面積為282.50 hm2。根據地面塌陷特征及評估，得出魏家地煤礦在方案服務期內開采后土地擬沉陷損毀面積共823.40 hm2，其中輕度損毀區(qū)面積348.41 hm2，中度損毀區(qū)面積258.51 hm2，重度損毀區(qū)面積216.48 hm2。擬塌陷土地損毀程度及面積詳見表2。

表2 服務期內擬塌陷損毀土地面積統(tǒng)計Tab.2 Statistical tables of land area to be collapsed during the service period

4 礦區(qū)地質環(huán)境治理與土地復墾

4.1 地質災害治理工程

(1)黃土灌漿取土場崩塌治理工程。近5年內主要對已廢棄的2處黃土灌漿取土場由于人工開挖引發(fā)的B1、B3崩塌災害采取削坡減載工程措施。為了確保施工安全，采取自上而下的施工方法，對崩塌體分兩級削坡，坡比不宜小于1.00∶0.75，每級臺階高度設置為5～6 m為宜，上下臺階之間設置寬1.5～2.0 m的馬道[9]。

(2)塌陷區(qū)裂縫充填工程。①設立警示牌。由于區(qū)內地面塌陷區(qū)地裂縫發(fā)育具有不確定性，故在現狀發(fā)育及近期5年內引發(fā)的地裂縫區(qū)的周圍及路口處設置明顯的警示牌25處，警示牌上明確寫清“塌陷危險區(qū)、嚴禁進入”等字樣[10]。②塌陷區(qū)裂縫充填工程。地裂縫充填工程主要針對區(qū)內預計水平拉伸變形達到2.0 mm/m以上的區(qū)域。從魏家地煤礦已發(fā)生地面塌陷來看，地裂縫的分布面積和規(guī)模較大，一般出現于煤柱、采空塌陷的邊緣地帶，以及煤層淺部地帶，且多沿工作面走向分布。裂縫造成地表水體漏失、土壤肥力流失，影響農業(yè)生產，需要采取整治措施[11]。輕、中度損毀的沉陷區(qū)裂縫可直接用土填充，采用人工作業(yè)方式處理[12]。人工就地挖土填補裂縫，填土夯實后進行平整，具體方法為：在垂直于裂縫走向的自然地勢上坡方向，取地表腐殖土厚30 cm 向后堆放，就近取土填縫，逐步后退預先堆放的腐殖土，均勻回填，基本攤平。對于重度損毀的寬度較大裂縫填充具體步驟：填充裂縫可用小平車向裂縫中導入土，當填充高度距地表1 m左右時進行夯實，然后每填充厚度40 cm左右搗實1次，直到略低于原地表，然后充填厚0.3 m的土搗實。

4.2 土地復墾工程

依據土地復墾適宜性評價結果，項目區(qū)復墾責任范圍面積為853.04 hm2，復墾后土地面積為830.56 hm2，復墾率為97.36%，復墾方向為耕地、草地及住宅用地等。

需要說明：由于復墾責任范圍內包含的2處(G2、G4)取土場、1處(Z5)排矸場及2處(D1、D2)堆煤場，為礦山目前使用及方案服務期結束后仍將繼續(xù)使用，此次不對其設計復墾工程。

另外，礦山前期對已塌陷并趨于沉穩(wěn)的塌陷區(qū)局部進行了復墾，已復墾面積約90 hm2，屬于已復墾未驗收且不再重復塌陷范圍，經現場調查，植被長勢良好，已達到草地復墾要求，復墾效果較好。故此次針對該區(qū)域不再布置復墾工程措施，以土地復墾效果監(jiān)測和管護為主[8-9]。

5 效益分析

礦山地質環(huán)境保護與復墾工程實施后，可有效治理因采礦造成的地面塌陷和地裂縫地質災害，修復損毀土地，減緩含水層和地形地貌景觀破壞，遏制生態(tài)環(huán)境的惡化，恢復損毀的植被[11]。

(1)環(huán)境效益。該方案的實施，有效保護了礦區(qū)礦產資源有序開發(fā)。通過植被建設，提高植被覆蓋率；通過植物固沙保持土壤，防止風蝕沙化，減輕地質災害對礦山企業(yè)的危害，改善了區(qū)內不良地質環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。

(2)社會效益。通過礦山恢復治理，減少地質災害發(fā)生，保障人民生命財產安全；土地恢復治理，促進礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，增加就業(yè)，可緩解剩余勞動力問題。

6 結論

(1)本次對礦山全區(qū)進行了全面的地質調查評價，礦區(qū)地質環(huán)境條件復雜，礦山地質環(huán)境影響評估級別確定為一級。

(2)礦區(qū)礦業(yè)開發(fā)造成的地質環(huán)境問題主要有地面塌陷、崩塌災害。地面塌陷造成嚴重的地貌景觀破壞，對礦山的地質環(huán)境影響程度屬嚴重；崩塌造成的地質環(huán)境影響程度較小，對礦山的地質環(huán)境影響程度屬較輕。

(3)礦區(qū)地貌破壞主要表現為土地壓占損毀、土地取土挖損和采空區(qū)塌陷損毀。

(4)通過有效的地質災害防治和生態(tài)環(huán)境恢復，可有效降低礦產開采活動對環(huán)境的影響。