采煤沉陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境受損特征及修復(fù)措施探究：以山西屯蘭礦為例

高凌峰

(西山煤電集團(tuán)屯蘭礦，山西 太原 030000)

我國煤炭資源豐富，已探明煤炭儲(chǔ)量占世界煤炭儲(chǔ)量的12.6%，可采量居世界第三位，產(chǎn)量居世界第一位[1]。煤炭開采在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也引發(fā)了環(huán)境污染問題，造成了地表大面積塌陷、下沉、裂縫發(fā)育，導(dǎo)水裂隙帶受損，地表生態(tài)環(huán)境退化，同時(shí)使得地面建筑物、設(shè)施遭受到不同程度損傷。根據(jù)相關(guān)研究可知，采煤塌陷侵占了可利用性土地，造成耕地、林地面積銳減，加劇了生態(tài)環(huán)境惡化。采煤造成巖體移動(dòng)變形，地層結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通采空區(qū)，使得采煤沉陷區(qū)地表水系結(jié)構(gòu)遭受破壞，河流斷流，短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)，原本稀缺的地表水資源嚴(yán)重短缺[2]。采煤造成的地表塌陷、下沉使得地表產(chǎn)生大量裂縫，近地表水位下降，松散層土壤含水量相應(yīng)降低，裂縫發(fā)育導(dǎo)致地表生態(tài)植被根系阻斷，土壤內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，植物受擾動(dòng)影響，獲取土壤水分來源受阻，遭受缺水逆境脅迫而面臨死亡。同時(shí)，采煤導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)部應(yīng)力改變，巖體內(nèi)部受力失穩(wěn)，引發(fā)山體滑坡、泥石流，進(jìn)而造成水體污染，耕地、林地、公路及地表建筑受損。諸多研究表明采煤在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，無可避免地導(dǎo)致了采動(dòng)破壞問題。因此，以山西屯蘭礦為例，通過探究山西屯蘭礦區(qū)采動(dòng)破壞特征，收集整理采煤沉陷區(qū)不同塌陷、裂縫、下沉、滑坡等治理方法，提出相關(guān)控制防范和預(yù)防舉措[3]，論證采動(dòng)破壞導(dǎo)致的破壞特點(diǎn)及形式，結(jié)合土地復(fù)墾技術(shù)的有效性及適宜性，研究出成套的修復(fù)技術(shù)路線為采煤塌陷區(qū)治理研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km，距離太原市60 km，井田位于呂梁山東翼，北部以鴉崖底斷層與虎峪斷層為界，與杜兒坪井田接壤，西部以三家莊斷層為界與官地井田相鄰，東鄰西峪礦寨溝井田，南鄰金勝煤礦和晉源煤礦。井田坐標(biāo)：東經(jīng)112°23′19″～112°26′44″，北緯37°46′21″～37°50′15″，屬于中低山區(qū)，地形切割劇烈，溝壑縱橫，以山地為主，地秒標(biāo)高950～1 450 m。該區(qū)域海拔在1 000 m以上，氣候干燥，春秋多風(fēng)，晝夜溫差大。礦區(qū)流域水系屬于汾河水系，九院河與高家莊河屬于井田內(nèi)較大的兩條河流，春冬季流量小，夏秋季，雨水充沛，極易形成洪流。每年8月份和9月份多雨，11月份結(jié)冰，根據(jù)近五年統(tǒng)計(jì)，夏季氣溫最高可達(dá)42 ℃，最低氣溫可達(dá)-32 ℃，最大降雨量達(dá)到635 mm。

2 調(diào)查分析方法

針對(duì)采煤沉陷區(qū)五種不同地質(zhì)災(zāi)害類型，主要采用野外現(xiàn)場踏勘以及遙感技術(shù)、鉆孔勘測進(jìn)行分析。地表盆地、滑坡以及特大地裂縫塌陷坑采用遙感影像分析；小型地裂縫寬度、臺(tái)階高度等采用人工測量；塌陷坑測量借助激光測距儀、卷尺等測量工器具，分析該礦區(qū)地表小型地質(zhì)災(zāi)害類型位置、性狀、深度、尺寸等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

3.1 地質(zhì)環(huán)境受損

煤炭開采使得原始沉積的煤巖層在采掘活動(dòng)的影響下發(fā)生上覆巖體垮落、錯(cuò)動(dòng)、起伏，加之構(gòu)造帶等特殊地質(zhì)條件，導(dǎo)致原本處于應(yīng)力平衡狀態(tài)變?yōu)槭Ш鉅顟B(tài)，應(yīng)力變化促使巖體發(fā)生坍塌、擠壓、向外釋放，從而改變了原有應(yīng)力分布，進(jìn)而引發(fā)上覆巖體在重力和應(yīng)力失衡狀態(tài)下發(fā)生移動(dòng)變形下沉、采空區(qū)冒落，裂縫發(fā)育直達(dá)地表，使地表產(chǎn)生塌陷、滑坡、地裂縫、建筑物受損發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害(表1)。

表1 采煤沉陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境受損特征及類別劃分Table 1 Damage characteristics and classification of geological environment in subsidence area

根據(jù)2019—2020年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，屯蘭礦地質(zhì)災(zāi)害主要分為五大類，分別為地表下沉盆地、地裂縫、塌陷坑、臺(tái)階及滑坡(圖1)，其中，地裂縫為主要地質(zhì)災(zāi)害類型，占比為56.5%，幾乎遍布整個(gè)采煤沉陷區(qū)；其次為塌陷坑占比23.2%；臺(tái)階占比14.0%，滑坡占比4.0%左右，而地表盆地災(zāi)害占比為2.3%(圖2)。

圖1 屯蘭礦采煤沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害Fig.1 Geological hazards in coal mining subsidence area of Tunlan Mine

圖2 屯蘭礦采煤沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害占比情況Fig.2 Proportion of geological hazards in coal mining subsidence area of Tunlan Mine

1) 地表盆地。通常地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層結(jié)構(gòu)均勻的情況下，只形成一個(gè)下沉盆地。但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)屯蘭礦采煤沉陷區(qū)域有4個(gè)下沉地表盆地，其中1個(gè)為較大盆地，3個(gè)為較小盆地。形成原因與該礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，部分區(qū)域下沉，部分區(qū)域受采空區(qū)上覆巖層交錯(cuò)、折疊導(dǎo)致垮落未延伸至地表，個(gè)別區(qū)域存在擠壓使得地表甚至隆起。

2) 地裂縫。對(duì)裂縫的調(diào)查結(jié)果顯示，屯蘭礦采煤沉陷區(qū)域范圍內(nèi)裂縫條數(shù)合計(jì)80余條，有局部連續(xù)變形裂縫和非連續(xù)變形裂縫，絕大部分非連續(xù)裂縫出現(xiàn)在切眼、采空區(qū)巷道一側(cè)，連續(xù)變形裂縫多隨工作面推進(jìn)過程發(fā)生連續(xù)變化，會(huì)出現(xiàn)張開愈合過程，并且呈現(xiàn)均勻展布式分布特征。所有裂縫呈現(xiàn)的外形特點(diǎn)是上寬下窄，隨地表移動(dòng)變形難以愈合，并且多以撕裂為主，也有錯(cuò)位、拉伸形成的裂縫。寬度、深度大小不一，極細(xì)裂縫寬度只有2～5 mm，數(shù)量為14條；絕大部分裂縫寬度為5～30 cm，數(shù)量為47條；少部分裂縫寬度為30～50 cm，數(shù)量為21條；極個(gè)別較大裂縫寬度介于0.5～2.0 m，數(shù)量為2條，深度達(dá)到2.0～8.0 m；有的裂縫甚至可直接導(dǎo)通采空區(qū)。

3) 塌陷坑。屯蘭礦采煤沉陷區(qū)域地面塌陷合計(jì)62處，其中，典型塌陷38處，非典型塌陷24處。由于調(diào)查區(qū)在山區(qū)，形成的地面塌陷外形和規(guī)模差異較大，外加水蝕作用、風(fēng)蝕作用，使得部分塌陷邊界受損，長時(shí)間在自然愈合作用下，邊界處衍生出新的生態(tài)植被。

4) 臺(tái)階。屯蘭礦采煤沉陷區(qū)域臺(tái)階一般為錯(cuò)落式，呈帶狀分布，錯(cuò)落高差比較均勻，高差為5～10 cm的錯(cuò)落臺(tái)階39處，10～30 cm的錯(cuò)落臺(tái)階12處，30 cm以上的錯(cuò)落臺(tái)階8處。臺(tái)階錯(cuò)落面土壤外漏，部分呈現(xiàn)斷崖式，臺(tái)階錯(cuò)落面邊緣生態(tài)植被受損明顯，受落差影響，植物主根系受損，長時(shí)間暴露在干旱、少雨的西北地區(qū)，植物獲取土壤水分及營養(yǎng)物質(zhì)受阻，導(dǎo)致臺(tái)階錯(cuò)落面邊緣帶25%的生態(tài)植被難以存活。

5) 滑坡。屯蘭礦采煤沉陷區(qū)域存在2處明顯滑坡，受采動(dòng)影響山體、邊坡區(qū)域出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，滑坡的特點(diǎn)是在一定坡度和傾角條件下產(chǎn)生的“滑動(dòng)”，從孕育到形成，需要經(jīng)歷裂、蠕、滑、穩(wěn)四個(gè)階段。“滑動(dòng)”的速度受地形坡度制約，即地形坡度較緩時(shí)，滑坡運(yùn)動(dòng)速度較慢；地形坡度較陡時(shí)，呈現(xiàn)堆砌式、傾斜式滑落，這類條件下，滑坡一般產(chǎn)生的速度較快。由于屯蘭礦坡頂和臺(tái)階、塌陷坑相對(duì)集中，受地質(zhì)條件影響，滑坡產(chǎn)生的形式也各不相同。

3.2 水系統(tǒng)受損

采煤造成的水系受損主要包含兩類：一類是采煤巖層土體內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫，導(dǎo)通地表，形成地裂縫、塌陷孔洞，使得地表水下泄導(dǎo)入采空區(qū)，地表徑流減少，地表水系結(jié)構(gòu)受損，造成河流中斷[4]；另一類是采煤造成地表塌陷、下沉，使得隔水層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、斷裂，破壞了原有的水系分布，使得含水層、潛水層水沿著新產(chǎn)生的裂隙帶不斷流失，造成水系破壞。屯蘭礦區(qū)井田上下共有四個(gè)含水層，第四系砂礫含水層組，石盒子組砂巖含水層，太原組灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水組。采煤主要造成第四系砂礫含水層破壞嚴(yán)重，使得水位標(biāo)高下降0.8～2.2 m不等，鉆孔涌水量由采前2.5～106 L/(s·m)降低到1.8～95 L/(s·m)；井田內(nèi)較大的河流，如九院河與高家莊河一級(jí)支流受采動(dòng)影響，地表河流徑流量減少，一度出現(xiàn)斷流狀態(tài)。太原組灰?guī)r含水層及奧陶系巖溶水地下水也受到不同程度破壞，基巖裂隙水損失殆盡，單位涌水量顯著下降，下降值介于0.013～1.232 L/(s·m)之間。 采動(dòng)造成區(qū)域水循環(huán)受阻，使得地上下水系統(tǒng)受損，且在短時(shí)間內(nèi)無法循環(huán)恢復(fù)。此外，采動(dòng)使得煤炭中的重金屬離子、二氧化硫等不穩(wěn)定化合物混入水體，造成導(dǎo)致水體受污染等破壞[5]。

3.3 生態(tài)環(huán)境退化

采煤造成地形地貌改變，引發(fā)的地裂縫、塌陷導(dǎo)致土壤內(nèi)部水循環(huán)受阻，植物根系結(jié)構(gòu)遭受裂縫撕裂損傷，使得地表植被獲取水分來源受阻。受采動(dòng)影響，地表水不斷入滲，降低了巖體、土體的強(qiáng)度[6]。屯蘭礦區(qū)土壤以黃土為主，采動(dòng)使得地表生態(tài)受損嚴(yán)重，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)，礦區(qū)3 200 m2耕地面積遭受破壞，1.2萬m2林區(qū)面積受破壞，灌木、林草受損面積達(dá)到6 200 m2，形成塌陷、滑坡、泥石流等災(zāi)害的受損面積達(dá)2 870 m2，局部區(qū)域河流水體受污染，所在的屯蘭礦井田調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)，植被覆蓋率相對(duì)于開采前降低12.5%，土壤鹽堿化面積相對(duì)于采前增加了6.2%。采后在水力、風(fēng)力侵蝕作用下，表層土壤結(jié)衣受損，土壤內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)、鹽分、有機(jī)質(zhì)流失嚴(yán)重，使得調(diào)查區(qū)域內(nèi)侵蝕破壞面積占比增加了14.36%，土地沙化面積占比增加了5.6%，造成土地污染的面積增加了3.6%。

4 受損區(qū)修復(fù)措施研究

針對(duì)采煤造成的地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境破壞問題，在政策方面，山西省自然資源廳從創(chuàng)新礦山環(huán)境治理恢復(fù)基金管理辦法、規(guī)范礦產(chǎn)資源開發(fā)利用和礦山環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案編制及審查備案制度等6個(gè)方面推出系列新舉措，統(tǒng)籌推進(jìn)礦山生態(tài)保護(hù)修復(fù)治理工作[7]。在修復(fù)技術(shù)方面，針對(duì)屯蘭礦采煤沉陷區(qū)特有的礦山地質(zhì)災(zāi)害，因地制宜，改進(jìn)常規(guī)的修復(fù)舉措，充分開發(fā)礦山開采生態(tài)減損工藝及修復(fù)技術(shù)以及推廣使用充填采礦工藝。最大限度減少地表沉陷，對(duì)已造成地表塌陷、下沉、裂縫發(fā)育等的區(qū)域，在充分修復(fù)后，進(jìn)行表土覆蓋，最后恢復(fù)生態(tài)植被。針對(duì)不同的地質(zhì)環(huán)境問題，采用的修復(fù)措施如下所述。

1) 地表盆地修復(fù)。針對(duì)屯蘭礦下沉盆地災(zāi)害問題，對(duì)邊緣裂縫整治和中心盆地分級(jí)整治，充分借助地形優(yōu)勢和特點(diǎn)，因地制宜進(jìn)行整治。對(duì)沉陷盆地深度小于3 m的塌陷深坑進(jìn)行修復(fù)，主要是利用煤礦周圍固體廢棄物，如矸石、河床石料、石塊對(duì)沉陷盆地進(jìn)行粗骨架填充后，再進(jìn)行密實(shí)充填，采用河床泥沙、粉煤灰填料進(jìn)行密實(shí)填充，接近地表50 cm高度后，采用表土覆蓋，給土壤施加有機(jī)肥、生活有機(jī)垃圾，再投入污染物降解菌或接種叢枝菌根，播撒本主植物種子，以促進(jìn)沉陷盆地修復(fù)區(qū)域植被修復(fù)。盆地下沉深度大于3 m，則借助地形優(yōu)勢，對(duì)邊緣整治添堵裂縫，中心區(qū)域添堵塌陷裂縫后，在盆地內(nèi)添加不少于30 cm的石料攪拌加入粉煤灰、加入水，待凝固后，再添加30 cm厚度的黏土夯實(shí)，表層覆蓋30 cm土壤夯實(shí)。無法利用的塌陷盆地則依靠地形特點(diǎn)優(yōu)勢，直接撒播草籽、添堵裂縫，種植林、草植被，因地制宜建設(shè)公園、灌木林地等。

2) 地裂縫修復(fù)。對(duì)于采煤沉陷區(qū)裂縫，通常經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地考察，勘察裂縫特征，獲取采動(dòng)邊界塌陷裂縫寬度、深度以及發(fā)育狀況是否穩(wěn)定，劃分為人工修復(fù)和機(jī)械作業(yè)修復(fù)兩大類，人工修復(fù)裂縫工程量較小，作業(yè)任務(wù)單一，機(jī)械修復(fù)需要土方、石料等填充材料，修復(fù)任務(wù)和難度相對(duì)較大[8]。采用機(jī)械修復(fù)，則需要完成現(xiàn)場踏勘，裂縫勘測，根據(jù)勘測結(jié)果進(jìn)行裂縫填充區(qū)域劃分，針對(duì)不同寬深裂縫，采用不同粒徑的骨料充填，并做近地表黏土鋪設(shè)，防止水力侵蝕浸泡導(dǎo)致出現(xiàn)漏斗，最后采用外來土方回填，表土回填完成地表生態(tài)修復(fù)(圖3)。

圖3 地裂縫修復(fù)工藝流程Fig.3 Process flow of ground crack repair

3) 滑坡修復(fù)。首先確定采煤沉陷區(qū)滑坡范圍和區(qū)域，分析滑坡走向，主要與巖石、土體內(nèi)部受力不均衡以及地表地形、坡度有關(guān)。判斷發(fā)生再次滑坡區(qū)域范圍，掌握滑坡受力傾向特點(diǎn)，設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)[9]。其中，擋土墻是最常見的治理方式，將石塊、條石、錨索進(jìn)行擋墻設(shè)置，根據(jù)所需強(qiáng)度，調(diào)整錨索疏密程度，必要情況下設(shè)置混凝土擋墻增加掩擋強(qiáng)度。降雨等對(duì)滑坡土體的浸潤、浸泡使得土體、巖體之間的內(nèi)摩擦力降低，增加了滑坡再次發(fā)生的可能性，因此為了避免再次滑坡，在滑坡區(qū)域范圍內(nèi)，設(shè)置排水溝體，實(shí)施導(dǎo)流。通常將排水構(gòu)體坡度控制在1∶3左右，排水量根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲蠼涤炅恳约皡R流區(qū)域面積計(jì)算。通常在實(shí)際布設(shè)過程中，結(jié)合地形、水流走向設(shè)置排水溝。此外，為了保障滑坡的穩(wěn)定性，在滑坡一帶采取工程與植被控制相結(jié)合的方式，主要是種植灌木、草本作物?；缕露却笥?5°時(shí)，所選擇的植物要以草本植物為主，抗旱性強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，易存活；滑坡坡度小于35°時(shí)則通過人工降坡度的方式，將草本與灌木、林木相結(jié)合，以達(dá)到有效治理防護(hù)的目的。

4) 塌陷坑修復(fù)。塌陷坑的修復(fù)一般分為穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)。對(duì)于穩(wěn)定區(qū)塌陷坑修復(fù)，主要方式是充填塌陷坑，以矸石、建筑垃圾、河床石料直接充填塌陷坑，充填至地表50 cm的距離，回填表土或者富含肥力的土壤，播撒草籽或栽植人工經(jīng)濟(jì)林、灌木林等。對(duì)于非穩(wěn)定區(qū)塌陷坑修復(fù)，按照采煤進(jìn)程及影響范圍，安排階段性復(fù)墾，采用階段性復(fù)墾工藝，在形成的非穩(wěn)定區(qū)先進(jìn)行裂縫、塌陷坑充填，以平整土地，待沉陷穩(wěn)定后補(bǔ)修二次塌陷造成的塌陷、裂縫，再進(jìn)行表土覆蓋，恢復(fù)耕植(圖4)。

圖4 塌陷坑耕地機(jī)械修復(fù)工藝流程圖Fig.4 Process flow chart of mechanical restoration of cultivated land in collapse pit

5) 臺(tái)階修復(fù)。采煤沉陷區(qū)臺(tái)階修復(fù)相對(duì)容易，通常將臺(tái)階邊緣作切割處理，高低落差處于30 cm以下的臺(tái)階，直接進(jìn)行削高墊底，使得上下臺(tái)階高差形成緩坡，坡度一般不大于15°即可。而高低落差較大的臺(tái)階則采用機(jī)械作業(yè)修復(fù)，通常采用卡車取土，挖掘機(jī)、推土機(jī)作業(yè)，剝離表土臺(tái)階邊緣帶表土，將臺(tái)階推平后，填補(bǔ)落差條帶后夯實(shí)，形成的坡度不大于15°，再將剝離的表土回填塌陷坑，平整坡度。此外，高低落差較大的臺(tái)階受地理?xiàng)l件受限，可借助臺(tái)階形成的高低落差，直接改造為梯田，將臺(tái)階坡度降低，借助機(jī)械設(shè)備將其改造為梯田后，施加有機(jī)肥和回填表土，提高土壤肥力，達(dá)到果園種植等標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

煤炭開采對(duì)地表的破壞是無法避免的，但隨著開采工藝及先進(jìn)設(shè)備、技術(shù)的發(fā)展，減少地質(zhì)災(zāi)害是不斷探索和研究的發(fā)展趨勢[10]。針對(duì)屯蘭礦采動(dòng)造成的不同地形地貌、地質(zhì)條件及破壞特征劃分，分類治理，對(duì)塌陷、臺(tái)階、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，依據(jù)地形、地貌、塌陷程度、坡度、下沉傾角、落差高度、土方量、土壤質(zhì)地以及取土工程量大小進(jìn)行災(zāi)害等級(jí)劃分、坡度傾角劃分、工程實(shí)施方式歸類，系統(tǒng)構(gòu)建了一套適用于屯蘭礦的采動(dòng)破壞區(qū)域修復(fù)技術(shù)，有效解決了屯蘭礦的地質(zhì)環(huán)境破壞問題，取得了良好的恢復(fù)效果，生態(tài)穩(wěn)定性得到大幅提升。此外，需要進(jìn)一步研究采動(dòng)造成的地質(zhì)環(huán)境破壞規(guī)律，充分研究采空區(qū)回填、地表沉降控制技術(shù)等，減少地質(zhì)災(zāi)害，處理好資源經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系，為我國建設(shè)“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念貢獻(xiàn)應(yīng)有的力量[11]。