榆林市某煤矿地质环境稳定性预测与治理措施

2019-09-10李德

城市地质 2019年4期

李德

摘要：以榆林市某煤矿地质环境为研究对象，通过对矿区地质环境现状调查及未来矿区开采地质环境发生变化后稳定性预测，分析煤矿开采过程中环境破坏的形式及影响因素，针对矿区现存及可能发生主要地质环境问题，如：地面沉陷、地裂缝、地面塌陷、含水层破坏、土地类型遭到破坏等，通过预测方法的建立和煤矿实地调查数据的计算，结合周边煤矿的实测资料以及国内煤矿地质环境稳定性分析经验，有目的性的对矿区地質环境稳定性进行预测，并根据地质环境稳定性预测结果，提出合理有效的治理措施方法。

关键词：煤矿环境;治理;地质灾害;预测

中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）04-0084-06

Abstract： Taking the geological environment of a coal mine in Yulin City as the research object， by investigating the present situation of the geological environment in the mining area and predicting the stability of the mining area after the change of the geological environment in the future， the forms and influencing factors of the environmental damage in the mining process are analyzed. Aiming at the existing and possible main geological environmental problems in the mining area， such as ground subsidence， ground fissures， ground subsidence， aquifer damage etc.， the prediction methods and the calculation of field survey data of coal mines have been established. Combined with the measured data of surrounding coal mines and the analysis experience of domestic coal mine geological environment stability， the geological environment stability of mining areas is predicted purposefully， and reasonable and effective control measures are put forward according to the prediction results of geological environment stability.

Keyword： Coal mine environment; Governance; Geologic hazard; Forecast

0 引言

煤矿开采给社会带来巨大经济效益的同时，也对地质环境产生了不可避免的影响。例如：地面塌陷、崩塌、地面沉陷、地下水位下降等，其中主要问题为地面塌陷（林振山等，2005;石书静等，2010）。针对这些问题的解决，对矿区地质灾害发生进行预测分析，在解决方法上，国外更注重对生态环境的保护恢复，国内更注重合理利用每一寸土地资源（张成梁等，2011;卞正富， 2000）。对于煤矿开采过程中遇到的各种地质环境问题，应全面分析环境地质问题的影响因素并做出相应的防治措施（屠世浩等，2003;全占军等，2006;韦朝阳等，1997;周丹等，2018;吴云等，2018;杨泽等，2018;何阳等，2019）。

1 煤矿的基本情况

1.1 自然地理

矿区位于陕西省榆林市府谷县，属中温带半干旱大陆性季风气候，全年干旱少雨，年平均气温约9.10℃。地貌类型为黄土梁峁地貌，区内地势中部高，东西部低，地形错综复杂、沟壑遍布整个矿区。矿区所在地年平均降雨量433.10mm，年蒸发量1192.20mm。

矿区范围内地面布置主要由工业场地组成，工业场地位于矿区西南部，占地面积14.20hm2。矿区范围内设置7个采区，目前开采只涉及到一、二采区，其中一采区位于中央开拓大巷右侧，二采区分布于中央大巷两侧。

1.2 地层岩性与地质构造

煤矿呈沟壑梁峁地势，矿区地表大部分被第四系黄土覆盖。区内地层由新至老依次为：第四系（Q）、新近系上新统静乐组（N2）、侏罗系中统延安组（J2y）、侏罗系下统富县组（Jlf）、三迭系上统永坪组（T3y），延安组为井田含煤地层（图1）。井田位于华北地台鄂尔多斯盆地东缘河东断褶带西侧，其特殊的大地构造位置既具备了鄂尔多斯盆地次级构造单元陕北斜坡的主体构造形态，又具有河东断褶带与乌拉山-呼和浩特断陷的断裂构造发育的特点。井田划分为南北两个不同的构造单元，井田中部有大的断裂带，矿区南部为向西南方向倾斜的单斜构造，倾角1°～3°，倾向SW，局部发育较缓的波状起伏;北部矿区近东向西，宽度4～5km的狭长阶梯式断陷带，该断陷带内次级小断裂构造较发育（图2）。井田内地貌分为黄土丘陵地貌和河流地貌两个一级类型，以及黄土梁、黄土峁与黄土沟谷、河流阶地3个二级类型。

1.3 水文地质

矿区最上层为第四系全新统冲，一般厚度8～9.6m，水位埋深1.86～4.24m，涌水量0.785～2.534L/s，单位涌水量0.207～0.624L/s·m，渗透系数7.33～8.35m/d，矿化度0.29～0.37g/L，水质类型为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Na型淡水，富水性为中等的潜水含水层。最下层为侏罗系下统富县组及三叠系基岩风化裂隙水，厚度14.60～47.32m，含水层是中粗砂岩夹粗粒砂岩和粉砂岩。水位埋深4.04～13.51m，涌水量0.011～1.451L/s，单位涌水量0.0006～0.126L/s·m，渗透系数0.0009～0.54m/d，矿化度0.70～12.06g/L，水质类型为Cl-Na、Cl·HCO3-Na、Cl·HCO3·SO4-Na·Ca型淡水。在第四系全新统冲、洪积层孔隙潜水含水层、第四系中上更新统黄土孔隙潜水含水层、侏罗系中统延安组裂隙、孔隙含水层、侏罗系下统富县组砂岩裂隙含水层之间分布稳定的泥岩、粉砂岩以及互层岩组为各含水段之间的隔水层。

2 矿区地质环境问题及现状

煤矿地质环境问题是由于人为采矿活动而对地质环境产生破坏，主要有：地面塌陷、地面沉陷、崩塌、地裂缝、地下水位下降和地形地貌的破坏、土地损毁等。煤矿属于地下开采，开采初期已产生两处地面沉陷区，虽然在开采过程中均留有安全煤柱，但仍存在地面塌陷、地下水位下降等不利影响。厂区内存在3个地质灾害崩塌点。在煤矿采区范围内，地面产生长度不一的地裂縫，危及到的土地类型主要有草地、林地和旱地。

2.1 地面塌陷

煤矿开采初期，根据现场调查，在矿区西部、南部存在地面塌陷区，其中西部塌陷区面积为64.1hm2，南部塌陷区面积为157.95hm2，由于矿区开采造成地下水位下降，地面塌陷深度仍在缓慢增加，并且面积有扩大趋势。塌陷损毁土地类型包含有草地、林地、旱地等多种类型土地。

2.2 地裂缝

在矿区调查期间，发现地裂缝共计10余条，分布于矿区两个塌陷区范围内，裂缝发育最严重的地方位于塌陷区边界，裂缝走向为东西方向，与开采工作面方向平行，其中地裂缝最长达120余米，裂缝左右两侧间隔最宽15cm，两侧高差可达30cm以上。裂缝贯穿整片天然草地、耕地以及农田道路，危及当地居民的居住（图3至图6）。据现场调查，矿区地裂缝产生的主要原因有3种，一是矿区开采造成地下承压水位下降，由于裂缝两侧粘性土层厚度差异与土体松动破裂程度的不一样，使裂缝两侧释水亚密变形沉降程度不同;二是在矿区设置保护煤柱的边缘地带，由于保护煤柱的支撑，致使煤柱顶端支撑地面和周边开采未设有煤柱的采空区地面受力不均，造成裂缝两侧产生不均匀沉降。三是开采过程中随着工作面推进形成的挤压裂缝。

2.3 含水层破坏

据矿区当地水文地质条件可知，矿区侵蚀基准面以上的煤层顶板砂岩含水层，水量小，富水性弱，侵蚀基准面以下含水层均为承压水，水量小、富水性弱，在开采过程中不会对地下水位造成破坏。矿区表层为第四系全新统冲、洪积层孔隙潜水含水层，易接受地表水的补给。地下含水层之间都存在良好的隔水层，因此各含水层的水质类型、水位、矿化度等因素不会随时间的变化而产生较大范围的变动，且地下水位不会产生大幅度下降。

2.4 崩塌

在对煤矿环境进行初步调查过程中，发现在工业场地范围内存在有3处小型崩塌。第一处位于工业场地入场废弃加油站院内，崩塌体高37m，长约50m，与地面倾角为82°，山体表面有多处岩体向外出露。第二处崩塌位于堆渣场附近，崩塌体高48m，与地面倾角为79°。第三处崩塌体位于联建楼楼后，崩塌体与联建楼相聚3m，高21m，倾角76°，崩塌体表面已经进行喷浆处理，喷浆部分局部开裂，在崩塌体表面设有主动防护网，并在周围设有警示牌。

2.5 土地破坏

土地破坏主要是由于矿区基础建设设施压占土地和煤矿开采引起地面塌陷导致的土地损毁。矿区基础建设设施压占土地面积26.87hm2。压占土地类型为草地和旱地，面积分别为16.71hm2、10.76hm2。目前矿区存在两个塌陷区，塌陷面积为222.05hm2，损毁土地类型为天然草地、旱地和风景名胜及特殊用地。

3 煤矿地质环境区域稳定性预测

3.1 地面塌陷预测

煤矿目前在开采过程中已经设置预留煤柱。预测模式为：

最大下沉值：Wcm=M·q·cosα（mm）;

最大倾斜值：Icm=Wcm/r（mm/m）;

最大曲率值：Kcm=1.52Wcm/r 2（10-3/m）;

最大水平移动值：Ucm=b·Wcm（mm）;

最大水平变形值：εcm=1.52·b·Wcm/r（mm/m）。

式中：M为煤层开采厚度，mm;α为煤层倾角;q为下沉系数;b为水平移动系数;r为主要影响半径，m。

其中q、b、r等相关参数分别由下列各式确定：

下沉系数的确定：q = 0.5（0.9+P）

式中：m i为覆岩i分层的法线厚度，m;Q i为覆岩i分层的岩石评价系数;P为覆岩综合评价系数。

水平移动系数的确定：b =0.3（1+0.0086α）

影响半径的确定：r =H /tgβ

式中：H为煤层开采采深，m;tgβ为主要影响角正切，取1.92～2.40。

参数选取：根据勘探地质报告，并结合相邻矿区的实测资料和国内煤炭行业多年的实测经验进行适当调整，最终确定较为合理的相关参数，进行地面塌陷计算。

下沉系数选取：鉴于初次采动下沉系数确定为0.62，重复采动下沉系数取0.65。

水平移动系数（b）：b =0.30×（1+0.0086α），经计算得，b =0.31;

初次采动影响角正切：tgβ=2.0

重复采动影响角正切：tgβ=2.4

主要影响半径（r）：r =H /tgβ（m）。

结合矿区开采及观测资料分析，地表下沉预测近期最大为1720.32mm，随时间的变化最大下沉值达到2698.41mm，水平移动近期最大值522.90mm，远期最大值达到798.39mm，水平变形最小值为-23.77mm，最大值19.75mm。地表塌陷沉稳延续时间1.7年，将一、二采区整体规划为塌陷范围1938.53hm2。采区边缘为塌陷严重区，中间区域为中等塌陷区域，最内部为轻微塌陷区域（高明中等，2003）。

3.2 对含水层的影响预测

F2断层位于井田中部，由东西向贯穿整个井田，与F1断层构成了地堑构造，位于F2断层上盘（F1、F2断层均为正断层），根于野外调查得出F2断层，走向98°～123°，倾向10°～33°，倾角在65°～75°之间，摆幅小于150m，破碎带2～3m，在井田中部断层落差大于120m，据抽水资料，当降深76.24m时，涌水量Q=0.155L/s，单位涌水量q=0.002 0L/s·m。井田 F2 断层以北涌水量 Q=0.003 9～0.027L/s，单位涌水量q=0.000 24～0.000 27L/s·m，勘探区 F2断层以南涌水量Q=0.014 0～0.032 5L/s，单位涌水量 q=0.000 74～0.003 90L/s·m。矿区正常涌水量2 240.60m3/d;最大涌水量按正常涌水量的 1.5 倍考虑，为142.5m3/h。矿区内地面表层与地表水有良好的联系，其余含水层都具有稳定的隔水性，隔绝与上部松散层空隙含水层的联系，因此矿区含水层整体趋于稳定。

3.3 地裂缝的破坏预测

矿区开采形成的地裂缝分为拉伸裂缝、挤压裂缝、塌陷裂缝和滑动型裂缝。拉伸裂缝一般形成于开采工作面之前，在停止开采后位于采区外缘，较浅，宽度小，分布于工作面外围。挤压裂缝多形成于开采过程中随着工作面的推进，与推进端前缘形成，消失于推进端后侧。塌陷型裂缝形成于工作面开采结束后，地表失去支撑向下凹陷，多形成于工作面上方，开裂程度大，较深。滑动裂缝形成于沟谷地形，多形成于坡体断裂下滑，裂缝深且难愈合。矿区位置沟谷深度达20m以上，在开采过程中形成滑动裂缝，待其自然愈合。

3.4 土地资源的破坏预测

矿区土地现状以天然牧草地、旱地为主，人工草地和灌木林地为辅，分布有小部分的园地、有林地、裸地等土地类型。矿区开采范围内不占用基本农田，预测煤矿开采对土地造成破坏类型为：旱地，有林地，灌木林地，天然牧草地，人工牧草地，住宅用地，交通运输用地，裸地。由于矿区主要土地类型为天然牧草地和旱地，其中天然草地占矿区土地总面积的55.8%左右，旱地占总面积的27.9%，因此地表土地类型破坏预测主要影响土地类型为天然草地和旱地。

4 煤矿治理措施

4.1 道路治理

目前矿区范围内涉及道路包括：进场道路、运煤道路、排矸道路、炸药库道路以及农村道路。其中进场、运煤和炸药库道路已經进行平整和硬化处理，排矸道路已经做平整处理。闭坑后部分道路在有需要的条件可以留作农村道路使用，对于不继续使用的道路，及时进行拆除、垃圾清运处理，将其按照周围土地类型进行复垦。

4.2 崩塌治理

该矿区范围内涉及小型崩塌三处，其中废弃加油站院内崩塌和堆渣场附近崩塌周围无人居住，需对该两处进行崩塌表面削除危岩体，对崩塌体表面进行喷浆处理（已经实施）。第三处崩塌位于联建长后部，该崩塌5m范围内有矿区基础建设并且有人居住，以5m高为基础，对该崩塌实施阶梯式削坡处理。使其安全度达到1.3。为符合绿色生态理念，在崩塌表面设立方格网，撒播草籽，对崩塌表面进行绿化处理，根据矿区当地气候条件，对草籽微量洒水，保证草籽的成活率。

4.3 土地损毁治理

对于土地损毁区域，按照山水林田湖草理念，对土地类型进行原样恢复，即旱地复垦为旱地，园地复垦为园地，林地复垦为林地，草地复垦为草地。破坏的园地选取代表性区域种植欧李。其中矿区范围内的基础建设设施，包括：工业场地、炸药库和临时排矸场。闭坑后，对其进行基础设施拆除，建筑垃圾清运、场地平整。工业场地和炸药库复垦方向为旱地和草地结合。对于临时排矸场，前期对排矸场进行覆土处理，覆土厚度1～3m，覆土后土地平整，并种植草籽、撒肥来改善土壤肥力。为了突出矿区开发式治理亮点，可在后期土壤肥力恢复后，可在排矸场范围内建立园林示范区，种植沙棘或温室大棚，可以增加当地居民经济收入。

4.4 地裂缝与地面塌陷

对于矿区地裂缝和地面塌陷，在煤矿开采过程中合理设计预留煤柱数量和方位，在采区范围内合理布置监测点，对存在地裂缝和地面塌陷的区域，应及时用矿区表层剥离土充填，并进行压实夯平（刘德胜，2018）。

5 结论及建议

根据煤矿工业区及采空区的现场调查可知，矿区内主要存在地面塌陷、地裂缝、土地类型破坏以及崩塌隐患点等地质环境问题，应进行现场勘查测量，调查地裂缝和地面塌陷形态、规模，分析其形成原因，预测裂缝和塌陷的发展趋势。在矿区范围内存在地质灾害的区域设立监测点，及时了解地裂缝的变形和发育情况。对存在有地裂缝和地面塌陷严重区域，及时对该区域居民做出搬迁避让等措施。在矿区内设立水土监测点，对矿区水质、水量、土质等进行定期检测分析。分析崩塌灾害的变形位移情况，对崩塌体进行削坡或设立挡土墙、防护网等措施降低危险发生的可能性。

参考文献

卞正富， 2000. 国内外煤矿区土地复垦研究综述[J]. 中国土地科学，（1）： 6-11.

高明中，余忠林， 2003. 煤矿开采沉陷预测的数值模拟[J]. 安徽理工大学学报（自然科学版），（1）： 11-17.

何阳，陈帅奇，徐定芳， 2019. 长株潭地区矿山地质环境问题及环境保护建议[J]. 城市地质， 14（3）： 58-63.

林振山，王国祥， 2005. 矿区塌陷地改造与构造湿地建设——以徐州煤矿矿区塌陷地改造为例[J]. 自然资源学报，（5）： 790-795.

刘德胜， 2018. 煤矿开采沉陷地质灾害与防治对策研究[J]. 山东工业技术，（12）： 80.

全占军，程宏，于云江，等， 2006. 煤矿井田区地表沉陷对植被景观的影响——以山西省晋城市东大煤矿为例[J]. 植物生态学报，（3）： 414-420.

石书静，李惠卓， 2010. 我国煤矿区土地复垦现状研究[J]. 安徽农业科学， 38（10）： 5262-5263+5293.

屠世浩，陈宜先， 2003. 煤矿开采对环境的影响及其对策研究[J]. 矿业研究与开发，（4）： 8-10.

韦朝阳，张立城，何书金，等， 1997. 我国煤矿区生态环境现状及综合整治对策[J]. 地理学报，（4）： 14-21.

吴云，黄震，张培兴，等， 2018. 龙固煤矿闭坑矿山地质环境及其治理方案研究[J]. 能源与环保， 40（11）： 57-60+65.

杨泽，李永明， 2018. 煤矿开采沉陷有效控制的新途径实践[J]. 智能城市， 4（6）： 61-62.