磁窯溝煤礦礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)研究與預(yù)測(cè)

郭曉明

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原 030045)

煤礦礦區(qū)開(kāi)發(fā)在該地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中占有很大比重，對(duì)促進(jìn)工業(yè)化、城市化進(jìn)程起著重要作用。但其開(kāi)發(fā)和利用對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響日益突出，環(huán)境地質(zhì)幾乎與礦業(yè)發(fā)展相伴而生，煤礦開(kāi)發(fā)帶來(lái)了諸多環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，包括環(huán)境污染、生態(tài)破壞、地質(zhì)災(zāi)害等［1］。礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)主要是通過(guò)調(diào)查和評(píng)價(jià)，摸清礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，查明主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題及其危害，為合理開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源、保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境、整治礦山環(huán)境、恢復(fù)與重建礦山生態(tài)、實(shí)施礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)督管理等提供基礎(chǔ)科學(xué)資料和依據(jù)。

山西河曲晉神磁窯溝煤礦由原磁窯溝煤礦、四家塔煤礦、鹿固鄉(xiāng)煤子塔煤礦及部分空白資源整合而成，該井田位于山西省河曲縣南東53°直距18 km處的磁窯溝村、駱駝焉村一帶，井田范圍內(nèi)較大村莊有寺焉村、磁窯村、焉頭村、東山梁及輝塔、辛莊子等6處，生產(chǎn)規(guī)模 1.2 M 萬(wàn) t/a，井田面積 10.622 7 km2.

1 區(qū)域環(huán)境地質(zhì)背景

井田位于河?xùn)|煤田北部，山西地臺(tái)西北部呂梁隆起北部之西段與鄂爾多斯盆地東部邊緣的交接部位，地層分區(qū)屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)鄂爾多斯地層河?xùn)|地層小區(qū)。區(qū)內(nèi)賦存地層自老而新主要有奧陶系中統(tǒng)下、上馬家溝組;石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組;三疊系下統(tǒng)劉家溝組;上第三系上新統(tǒng)保德組、靜樂(lè)組以及第四系中上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組。太原組為主要含煤地層，巖性為灰白、灰、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖(S1、S2、S3)，灰、灰黑色灰?guī)r或生物碎屑灰?guī)r，土黃色泥灰?guī)r、海相泥巖夾透鏡狀灰?guī)r，黏土巖及煤層組成。井田內(nèi)穩(wěn)定、較穩(wěn)定的可采煤層為太原組的10－1、10－2、11、13－1、13 號(hào)煤層，13 號(hào)煤層在井田北部、東部有分層現(xiàn)象。

2 地質(zhì)災(zāi)害

2.1 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀

1)崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀。

井田內(nèi)局部有裂縫和塌陷區(qū)，陡峭懸崖有較小規(guī)模的黃土崩塌現(xiàn)象。在井田東部由于10－1、10－2號(hào)煤層有大面積采空區(qū)，采空區(qū)上方地表曾出現(xiàn)裂隙、坍塌和地表下沉，下沉幅度0.30～1.50 m，并在下沉邊緣伴有裂隙出現(xiàn)，裂隙寬度0.05～0.50 m，長(zhǎng)度16～200 m.

2)泥石流地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀。

在野外調(diào)查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)工業(yè)廣場(chǎng)東部梁峁頂部出現(xiàn)山體滑塌，但由于滑坡危害對(duì)象為旱地，且地表無(wú)建筑物等人類(lèi)工程，造成的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)

隨著下部煤層的開(kāi)采和采空區(qū)面積的進(jìn)一步擴(kuò)大，地表將會(huì)產(chǎn)生大片裂隙和地表塌陷，如果遇到多雨季節(jié)，可能還會(huì)產(chǎn)生更大規(guī)模的黃土崩塌，造成嚴(yán)重的水土流失，如果不及時(shí)對(duì)地表裂隙及塌陷進(jìn)行填埋處理，雨季地表水將會(huì)沿裂隙滲入井下，增大礦井涌水量，甚至還可能引發(fā)淹井事故。

2.2.1 工業(yè)廣場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)估

1)遭受崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，工業(yè)廣場(chǎng)東部、北部存在不穩(wěn)定挖方邊坡，坡高20～40 m，坡度50°～70°，組成邊坡的巖性上部為Q3黃土，下部為Q2黃土。邊坡在長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕及降雨沖刷下，個(gè)別已發(fā)生小型崩塌，尚未造成建筑損壞，人員傷亡，但在降水浸潤(rùn)等因素影響下，工業(yè)廣場(chǎng)建設(shè)工程可能會(huì)遭受崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

2)遭受泥石流地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)。

工業(yè)廣場(chǎng)G1溝谷現(xiàn)狀條件下無(wú)泥石流發(fā)生，溝谷內(nèi)平時(shí)干涸無(wú)水，只有在暴雨季節(jié)才有洪水流過(guò)，但在地形和匯水條件上具備發(fā)生泥石流的必要條件。煤礦采空后，溝谷邊坡可能發(fā)生崩塌、滑坡，堆積物增多，泥石流物源增加，可能發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害。

3)地面塌陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

煤層開(kāi)采后，工業(yè)廣場(chǎng)地表會(huì)發(fā)生不同程度的地表變形，可能會(huì)遭受地裂縫、地面塌陷的危害。當(dāng)復(fù)采下伏11、13號(hào)煤層后，副井工業(yè)廣場(chǎng)及風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)地表變形程度較大，造成的經(jīng)濟(jì)損失較嚴(yán)重，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大。

2.2.2 其它區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)

1)采礦活動(dòng)引發(fā)崩塌、滑坡預(yù)測(cè)。

礦區(qū)地勢(shì)東高西低，最高海拔1 202.93 m，最低海拔925 m，最大相對(duì)高差278 m，屬中低山區(qū)。地面多為第四系黃土所覆蓋，地面植被較少，地表侵蝕劇烈，水土流失嚴(yán)重。

煤層采空后，采下層煤時(shí)更會(huì)加劇變形，地表最大移動(dòng)、水平變形值和傾斜值在邊坡自重應(yīng)力的影響下會(huì)變得更大，易引發(fā)邊坡崩塌與滑坡。采空區(qū)塌陷后，溝谷邊坡傾斜地表將產(chǎn)生附加采動(dòng)滑移，滑移方向指向山體的下坡方向，因而凸形變坡部位將產(chǎn)生附加水平拉伸變形，凹形地貌部位將產(chǎn)生附加的水平壓縮和正曲變形，而地層傾向與坡體一致，可能導(dǎo)致高陡邊坡產(chǎn)生滑坡。如果集中暴雨等沿裂縫下滲，會(huì)誘發(fā)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害，也可能加劇崩塌和滑坡。

2)泥石流地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)。

礦區(qū)內(nèi)地面植被稀少。地表沖刷劇烈，區(qū)內(nèi)主要溝谷在東西走向的磁窯溝。主溝橫斷面為“∨”型溝谷，匯水面積為2.60 km2，溝底寬20～40 m，縱坡降25‰左右，溝谷切割深度介于25～50 m，兩側(cè)邊坡坡度大多介于30°～45°，溝谷植被覆蓋率約30%.

磁窯溝溝谷上游狹窄而下游寬緩，現(xiàn)狀條件下無(wú)泥石流發(fā)生。煤礦采空后，溝谷邊坡可能發(fā)生崩塌、滑坡、堆積物增多，泥石流物源增加，可能發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害。地處磁窯溝溝口的磁窯溝村，但村莊位置高出河谷20～50 m，遠(yuǎn)高于最高洪水位，泥石流對(duì)磁窯溝村的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小。

3 井田水環(huán)境

該礦、鄰礦及附近小窯對(duì)井田內(nèi) 10－1、10－2、13號(hào)煤層的長(zhǎng)期開(kāi)采中，一直伴隨著礦坑水的大量疏排，采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶和地表地裂縫、塌陷的產(chǎn)生，均已改變了井田開(kāi)采前原生的水文地質(zhì)環(huán)境。

隨著開(kāi)采深度的增加、開(kāi)采范圍的擴(kuò)大及開(kāi)采時(shí)間的延續(xù)，繼續(xù)大量疏排地下水，從而引起區(qū)域性水位下降。首先表現(xiàn)為淺層地下水被疏干，水位下降，井、泉干枯，從而破壞了地下含水層結(jié)構(gòu)，破壞了自然的地下水水力聯(lián)系，地表水及大氣降水均會(huì)沿地裂縫和塌陷區(qū)向下滲漏，而經(jīng)采空區(qū)從巷道排出。所以，采煤引起地下水疏干、水位下降、地表井、泉干枯，使表土水、耕地墑情降低，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響該礦和周邊居民生活供水。而長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響則是水土流失加劇，植被受到破壞，進(jìn)而影響到整個(gè)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境和巖土體環(huán)境的改變。同時(shí)，在地下水疏排過(guò)程中，還會(huì)將巖煤層中有害元素排放至地表，引起地表水、潛水水質(zhì)的污染，對(duì)地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

現(xiàn)13號(hào)煤層的上覆砂巖裂隙含水層已被破壞，疏干或者部分疏干其中所含地下水，礦井及周?chē)畬铀幌陆导s25 m.目前，該礦井正常涌水量為1 200 m3/d，對(duì)井田內(nèi)的地下含水層已造成一定影響。井田內(nèi)淺層水井因煤礦的多年開(kāi)采地下水位有所下降，水質(zhì)變差，影響了礦區(qū)及周?chē)糠稚a(chǎn)生活用水。

4 有害物質(zhì)

井田有害物質(zhì)主要以下幾個(gè)方面:

1)廢氣:生產(chǎn)和生活鍋爐產(chǎn)生的廢氣，煤炭生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉塵和土塵。廢氣污染大氣環(huán)境，使當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量下降，影響人體健康;廢水在流經(jīng)區(qū)域，向下入滲，污染該區(qū)的地下水，不僅影響地表的植物和當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生長(zhǎng)，進(jìn)一步影響居民的生活飲水質(zhì)量，危害人體健康。

2)固體廢棄物:目前主要是生活垃圾、煤矸石。固體廢棄物不僅影響環(huán)境的美觀(guān)，而且占用大量的土地資源，再若煤矸石自燃，會(huì)生產(chǎn)更為嚴(yán)重的后果;有害元素在煤與矸石燃燒的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，作為廢氣排入大氣中，污染空氣。煤與矸石堆放時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)人工灑水和大氣降水淋濾后產(chǎn)生廢水，最后污染地下水。

3)有害元素:煤層中有害的硫、砷等元素。

4)廢水:生活廢水、礦井排水和煤、矸石淋水。

5 結(jié)論及防治建議

1)針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害，開(kāi)發(fā)礦區(qū)的地面建設(shè)要充分考慮未來(lái)礦山的總體開(kāi)拓方案，減少開(kāi)采帶來(lái)的破壞因素及地面搬遷造成的損失。對(duì)于地裂縫、地表塌陷，需采取防治措施。如在工業(yè)場(chǎng)區(qū)、生活區(qū)下的開(kāi)采區(qū)應(yīng)留有足夠的保安煤柱，其它區(qū)域內(nèi)，對(duì)地裂縫、地面塌陷，應(yīng)采取防滲處理、利用煤矸石填埋、削高填低、回填平整等方式，恢復(fù)土地的使用功能。對(duì)于崩塌、滑坡的防治工程，工程措施為將邊坡開(kāi)挖成臺(tái)階狀，每5 m一個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階寬1.0 m.削坡后，緊貼坡體進(jìn)行防護(hù)工程，以降低人工切坡的下滑力，使坡體保持穩(wěn)定安全。

2)針對(duì)水環(huán)境，礦區(qū)應(yīng)保護(hù)現(xiàn)有地表水體及潛水，綜合利用水資源，節(jié)約水資源;采取有效措施，對(duì)礦井水進(jìn)行凈化使用，避免水環(huán)境污染;開(kāi)采煤層時(shí)，要采取措施，加強(qiáng)隔水層保護(hù)，防止礦井水污染奧灰水水質(zhì);做好污水處理和回收復(fù)用工作，嚴(yán)格執(zhí)行排污標(biāo)準(zhǔn)。

3)針對(duì)有害物質(zhì)，應(yīng)加強(qiáng)煤矸綜合利用，減少資源浪費(fèi)，防止環(huán)境污染。

礦井水必須經(jīng)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后才能排入河道，建立環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，按照環(huán)保要求，及時(shí)處理。

［1］宋志敏，崔樹(shù)軍.煤礦可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境重建的探討［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000(6):430.