豫安煤礦開采對礦山地質環境影響及治理技術

王鵬飛,趙振杰,張亞杰,劉 勇

(1.河南省資源環境調查一院,河南 鄭州 450000; 2.河南省自然資源監測和國土整治院,河南 鄭州 450000)

豫安煤礦歷史開采形成的采空區主要位于22采區及21采區,采空區面積約31.94 hm2。采空區上部存在較嚴重沉陷區域,地面下沉明顯,平均下沉高度為0.1～3.4 m,地質災害危險性大,并伴生有地裂縫。影響居民已搬遷,僅剩開裂房屋、地面塌陷及地裂縫等。經監測與分析,此次擬研究區已沉穩,地面沉降不會再擴大,主要的礦山地質環境問題表現為對地形地貌景觀和土地資源的破壞,耕地生產力下降、房屋開裂無法居住和道路的損壞。影響耕地面積16 hm2,影響并搬遷67戶,地裂縫16條。

此次礦山環境治理主要針對塌陷較嚴重區域,采空區影響范圍面積約23 hm2。根據現場地形條件、交通條件和常規的施工方法,并且考慮工程量盡量少的前提下,結合豫安煤礦采空區集中在礦區北部位置且塌陷影響面積范圍較大,參考該礦環境治理方案,擬對研究區塌陷土地設計土地復墾,受影響耕地通過挖填以及平整、翻耕、培肥等措施恢復為旱地?？紤]到區內排水及耕作等問題,擬對旱地采取排水溝以及生產道路等配套設施;對區內受損的廢棄房屋進行拆除,部分建筑垃圾清運至塌陷嚴重區,進行回填覆土,后通過土地翻耕、施肥等措施恢復為旱地。其余建筑垃圾運至道路修建區,作為路基材料。地裂縫較小,在場地平整過程中就勢回填,不再另計工作量。技術措施[1-6]主要包括:廢棄房屋拆除、地面塌陷治理、土地平整、土地翻耕、土壤培肥、排水渠、道路技術等。

1 礦井概況

豫安煤業位于禹州煤田蔡寺—白沙普查區的北中部。

(1)礦山開采歷史及現狀。豫安煤業由原登封市大龍山—禹州市桃園煤礦勘探探礦權和登封市宣化鎮岳爻煤礦、岳窯聯營煤礦、富民煤礦3個采礦權于2005年整合而成,自取得采礦證后,礦井一期范圍21、22、31、32四個采區中,21、22采區已基本回采結束,目前正在31采區生產。擬研究區與礦區相對位置關系如圖1所示。

圖1 豫安煤礦礦區及研究區范圍關系Fig.1 Relationship between mining area and research area of Yu′an Coal Mine

(2)土地利用現狀。礦區面積為9.477 km2,根據土地利用現狀(圖2),礦區范圍內耕地面積721.46 hm2,林地面積118.22 hm2,城鎮建設用地面積89.17 hm2,其他用地面積為18.85 hm2。

圖2 礦區土地利用現狀Fig.2 Current situation of land use in mining areas

(3)地形地貌。研究區以剝蝕地形為主,呈東西向展布,北高南低,區內最低點在白沙水庫東北角,標高為+217.9 m,最高點在大龍山,標高為+404.8 m,相對高差為186.9 m。礦區北東部有基巖出露,大部為松散層半掩蓋區,殘山附近地形坡度8°～15°,農耕地地形平坦。

2 礦山地質環境問題評價

2.1 礦山地質災害

根據《地質災害危險性評估》(DZ/T 0286—2015),結合豫安煤礦相關資料與現狀調查結論[7-12],研究區主要地質災害為塌陷、地裂縫。

(1)地面塌陷。根據資料和現場調查,采空區主要集中在21采區及22采區,采空區面積31.94 hm2。此次礦山環境治理主要針對塌陷較嚴重區域,采空區影響范圍面積約23 hm2。塌陷深度0.5～1.0 m。地面塌陷及變形主要造成地面建筑物出現裂縫和坍塌、農田地表出現塌陷坑、道路破壞等。地面塌陷如圖3所示。

圖3 豫安煤業范圍內建筑物裂縫及坍塌Fig.3 Cracks and collapses in buildings within the scope of Yu′an Coal Industry

(2)地裂縫。地裂縫為地面塌陷的伴生產物,多分布在塌陷坑外圍。受多水平重復開采的影響,對地面造成一定的破壞,如圖4所示。

圖4 豫安煤業范圍內地裂縫Fig.4 Cracks in Yu′an Coal Industry

2.2 含水層破壞

根據區域地下水資料,研究區地下水位埋深大,地表露采影響深度遠小于地下水位埋深,因此采礦活動沒有破壞含水層,對含水層的影響破壞較輕。

現狀條件下,研究區因采空而形成的塌陷影響區面積約為23 hm2,采空塌陷區沉陷90 cm左右。居民房屋開裂明顯,地質災害發育程度強。據現場調查,登封市豫安煤業有限公司二1煤層底距頂板砂巖(P1s)空隙裂隙承壓水含水層平均5.53 m,煤層至含水層距離大于垮落帶高度,二1煤層的開采對該含水層結構未影響。該含水層平均厚4.87 m,含水性較弱,補給條件較差,對周圍生產、生活用水影響較輕。礦井一期技術開采范圍內,即-200 m水平,正常涌水量為102.75 m3/h,最大涌水量為377.25 m3/h?，F狀條件下,二1煤層開采對含水層影響程度較輕。綜合來看,現狀條件下,采礦活動對二1煤層含水層的破壞程度較輕。

2.3 地形地貌影響破壞

采空塌陷、地裂縫對農林植被會產生破壞,植被覆蓋率將降低,水土流失將增加;采空形成的地表塌陷,會造成地面標高較大的變化,地層產狀會沿地裂縫及地面塌陷發生局部連續、大面積斷續分布的變化,從而改變評估區微地貌形態,對原生地形地貌景觀影響和破壞程度較大。

2.4 土地資源破壞

擬研究區為采煤沉陷區,研究區內遺存大量廢棄房屋。破壞的主要地類有:旱地(013)12.350 hm2,有林地(031)0.337 hm2,村莊用地(203)12.479 hm2,采礦用地(204)0.413 hm2,總計面積25.579 hm2?，F狀條件下,礦山活動對土地資源破壞程度嚴重。研究區土地利用現狀如圖5所示。

圖5 研究區土地利用現狀Fig.5 Current situation of land use in the research area

研究區土地利用現狀見表1。

表1 研究區土地利用現狀Tab.1 Current situation of land use in the research area

3 礦山地質環境恢復治理技術

礦山地質環境治理技術遵循安全可靠、經濟合理、技術可行的設計原則,確保技術質量,提高技術效益,達到地災防治、改善環境、促經濟發展和提升城鎮形象的目的[13-16]。

此次研究區面積較大為25.579 hm2,分布集中,田塊緊密相連。一條主干道路DLA為柏油馬路長880.8 m,寬約10 m。水泥混凝土路面編號為DLB,共7條,總計長1 496 m。泥結碎石路面DLC共6條,共計長995 m。主干道路旁排水渠PSQ-2,內徑100 cm×100 cm,厚20 cm。排水渠PSQ-1,內徑60 cm×60 cm,厚15 cm。

3.1 礦山地質環境綜合治理技術

此次礦山地質環境綜合治理技術包含廢棄房屋拆除清理、道路及排水渠[17-19]。

3.1.1 清理技術

塌陷區廢棄村莊建筑面積3.7 hm2,在治理之前需要先對建筑物進行拆遷,拆除量按照河南省住房和城鄉建設廳文件(豫建墻〔2016〕4號)文計算。單位面積產生垃圾量1.3 t,垃圾密度為1.9 t/m3,拆遷完成后需對拆除產生的垃圾進行統一清運,村莊下土層較厚無需單獨覆土,只需就地土地平整、施肥、翻耕,種植耕地。采用1 m3挖掘機裝自卸汽車運石渣,運距0.5～1.5 km。地基清理工作內容為破碎、撬移、解小、翻渣、清面。按前述參數計算,具體工程量見表2。

表2 房屋拆除工程量Tab.2 Engineering quantity of house demolition

3.1.2 道路技術

為方便通行及生產,本次設計主干道,編號DLA,以建筑廢棄物作為路基材料,厚30 cm,瀝青路面厚8 cm,全長880.8 m,寬約10 m。道路參數見表3,斷面如圖6所示。

表3 瀝青路技術量Tab.3 Technical quantity of asphalt road

圖6 道路單體設計Fig.6 Road monomer design

3.1.3 排水渠技術

為防止瀝青路面被沖毀,設計在道路一側預留排水溝,疏導匯水,編號為PSQ-2,內徑100 cm×100 cm,厚20 cm。設計斷面如圖7所示。

圖7 排水渠PSQ-2單體設計Fig.7 PSQ-2 monomer design of drainage channel

3.2 土地復墾技術

土地復墾技術包括場地平整技術、道路技術、排水渠技術、綠化技術、土壤培肥與翻耕、管護技術等[20-26]。

3.2.1 場地平整技術

場地平整技術包括挖填方技術及場地平整技術。

(1)挖填方技術。根據塌陷后的地形特征,具體設計如下:①依據地形和生產的需要,在實用的基礎上兼顧美觀。具體為基本沿等高線劃分治理田塊,同時小塊變大塊,挖填方后田塊與周邊的道路、建筑地面等高差盡量控制在1.5 m以內;②以在總體上總挖填方平衡、減小總的挖填方量,局部上地塊挖填方內部平衡為原則。為減少挖填方量,結合現狀田塊的傾向和坡度,盡量保留利用現有的田塊的傾向;③挖填時,以田塊為單位,采用挖高填低的方式,填方部位分層壓實,分層厚度為0.3～0.5 m。以研究區1∶2 000實測地形圖為底圖,計算該區總挖方量。計算得出,該區總挖土方量60 255 m3,填方量為58 659 m3。

(2)場地平整技術。挖填方完成后,需對每個田塊進行場地平整。采取順坡就勢對土方回填后的場地進行挖高填低、平整壓實,使其形成緩坡平臺恢復為旱地?？紤]排水等標準和要求,平臺控制在坡降2%左右,平整面積為25.58 hm2。其中,23.486 hm2恢復為旱地,道路面積占據2.078 hm2,蓄水池占據0.015 hm2。房屋拆除部分地基以下為土層,故不再進行覆土。

3.2.2 道路技術

為了方便后期耕作,設計在研究區內新修建生產路共7條,總計長1 496 m。路面采用水泥混凝土路面,路面、路基寬4～6 m,路基厚30 cm,路面厚15 cm。則工程量為:碎石路基6 793.47 m2,水泥混凝土路面6 793.47 m2。設計斷面如圖8所示。

圖8 水泥混凝土路單體設計Fig.8 Design of cement concrete road monomer

泥結碎石路6條,共計長995 m。路面、路基寬3～5 m,路基厚30 cm,路面厚20 cm。則工程量為:碎石路基3 544.02 m2,水泥混凝土路面3 544.02 m2。設計斷面如圖9所示。

圖9 泥結碎石路單體設計Fig.9 Single design of mud bound gravel road

3.2.3 排水渠技術

為防止道路被沖毀,在道路一側修建排水渠技術,編號為PSQ-1,內徑60 cm×60 cm,厚15 cm。根據排水溝參數,設計斷面如圖10所示。

圖10 排水渠技術斷面Fig.10 Technical section of drainage channel

3.2.4 綠化技術

本次綠化主要是美化道路,在田塊及瀝青路間設置綠化帶,沿路種植2行側柏,林下撒播草籽。側柏喜光,幼時稍耐蔭,適應性強,對土壤要求不嚴,在酸性、中性、石灰性和輕鹽堿土壤中均可生長。側柏每隔2 m種植,共種植2行,樹坑規模為0.6 m×0.8 m×0.8 m;臺階上穿插種植苗木,在苗木林下撒播草籽,以荊條為主,撒播量30 kg/hm2。根據測定,在栽植前播撒復合肥40 g/m2,播撒在樹坑底部的外圍,遠離樹干。栽植后前3 d,每天澆水1次,透墑,保證樹木成活。本治理單元林地面積1 198.9 m2,共需側柏616棵。林地下播撒草籽,撒播面積為1 198.9 m2。

3.2.5 土壤培肥與翻耕及養護技術

(1)土壤培肥與翻耕。結合當地化肥施用的經驗。土地翻耕面積為23.486 hm2,培肥面積為23.486 hm2。

(2)養護技術。養護期為3年。種植后第1個月,前3 d每天澆水1次,第4—9天每3 d澆水1次,第10—30天每10 d澆水1次,共7次,先保證成活。第2—4個月,每20 d澆水1次,以后每3個月澆水1次,共23次。喬木每次澆水100 kg。治理單元共有喬木616棵,3年共需用水1 416.8 t。人工管護3年,共計養護21次,工人工資按1 500元/(次·hm2)計算,林地面積共計0.12 hm2,人工費共需3 780元。

4 技術效益分析

4.1 社會效益

(1)減緩社會矛盾,促進社會穩定。礦山開采頻頻引發各種地質災害,破壞研究區生態環境,對當地居民生產生活產生極大影響,存在不穩定因素。通過登封市豫安煤業有限公司礦山地質環境綜合治理與土地復墾技術的實施,可有效消除各種地質災害隱患,極大地減少出現災害事故,促進社會穩定,營造和諧社會氛圍。

(2)生態環境逐漸改善,生活質量不斷提高,為實現全面小康打下堅實的基礎。全面小康不僅要求經濟收入達到一定的數量,而且要求生活質量達到適當的標準。生態環境質量影響居民的生活質量,沒有一定的環境質量保證,全面小康就不能實現。通過技術的實施,可改善當地居民生態環境質量,為實現全面小康打下堅實的基礎。

(3)生態環境改善奠定登封市可持續發展基礎?？沙掷m發展要求經濟、社會和環境協調發展,不能以犧牲環境作為經濟和社會發展的前提?？沙掷m發展的基礎是有一個良好的支持經濟和社會發展的生態環境,生態環境改善有利于維持經濟和社會的持續發展。通過治理技術的實施,將有效地保護和恢復研究區內的地質環境,有力促進經濟的發展。這將增加廣大人民群眾對黨和政府的信任,增加發展經濟、全面建設小康的信心,對促進登封市實現經濟可持續發展具有重要的戰略意義。

4.2 環境效益

(1)技術實施,加快生態功能修復。通過技術防護和植被防護相結合,既能消除地質災害事故隱患、保障道路暢通和人身安全,又可部分恢復研究區植被,減少水土流失,具有明顯的生態效益和環境效益。建立與周邊景觀協調一致的生態環境,對城市生態環境恢復治理和具有示范及指導意義。

(2)有效消除礦山地質災害隱患,保護脆弱的礦山地質環境。通過登封市豫安煤業有限公司礦山地質環境綜合治理與土地復墾技術,一方面,可以消除地質災害隱患,改善地表景觀和當地居民生活環境質量;另一方面,對研究區土地開展綜合整治,恢復土地生態功能。

4.3 經濟效益

通過技術措施、生物措施對登封市豫安煤礦礦山地質環境進行治理,修復破壞的地形地貌景觀,恢復礦山地質環境面積25.579 hm2,栽植喬木616棵,恢復耕地面積約為23.486 hm2,修復道路2.078 hm2。新增耕地面積為11.136 hm2,使當地生態環境與農業生產環境得以改善,增加農民收入,促進人與自然的和諧發展,可促進當地經濟發展。

5 結語

(1)通過對豫安煤礦礦山開采地質環境影響評價得出,研究區主要地質災害為塌陷、地裂縫;研究區地下水位埋深大,地表露采影響深度遠小于地下水位埋深,因此采礦活動沒有破壞含水層,對含水層的影響破壞較輕;采空塌陷、地裂縫、地表塌陷改變評估區微地貌形態,對原生地形地貌景觀影響和破壞程度較大;擬研究區為采煤沉陷區,研究區內遺存大量廢棄房屋,現狀條件下,礦山活動對土地資源破壞程度嚴重。

(2)此次礦山地質環境綜合治理技術包含廢棄房屋拆除清理、道路及排水渠,土地復墾技術包括場地平整、道路、排水渠、綠化、土壤培肥與翻耕、管護等措施。