黄土高原井工煤矿地质环境治理与土地复垦
——以彬县水帘洞煤矿为例

邵新风，张 恒，赵煜博扬，刘 安，宋一民，孟令振，朱志宏

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710016;2.彬县水帘洞煤炭有限责任公司，陕西 彬州 713500)

0 引言

水帘洞煤矿位于陕西省西北部，行政区划隶属彬州市大佛寺古镇管辖。矿区南北宽0.6～1.6 km，东西长5.1 km，面积5.516 3 km2。矿区地处陇东黄土高原东南，属陕西黄土高原南部塬梁丘陵沟壑区的一部分，海拔850～1 200 m[1]。该区属暖温带半干旱大陆性季风气候区，年平均气温9.7 ℃，年平均降雨量553.8 mm。矿井设计生产能力90万t/a，开采4号煤层，煤层平均埋深331 m，煤层厚度0.85～16.29 m，采用综采放顶煤开采工艺，全部垮落法管理顶板。

1 矿区地质环境破坏和土地损毁现状

1.1 地质环境破坏现状

地质灾害：根据彬州市2019年在册地质灾害隐患点结合野外调查结果，区内共发育地质灾害10处，其中滑坡1处、崩塌1处、不稳定斜坡1处、地面塌陷7处。①滑坡。据调查，矿区东北侧发育有1处滑坡，位于下沟村二组，主要是由于坡脚遭受河流侧向侵蚀形成，在降雨、地震等因素作用下可能复活；②崩塌。根据野外调查，区内发育崩塌1处，位于石岭子沟，为中型土质崩塌，主要是由于地下采空塌陷引起，在降雨、地震及采矿活动等因素作用下可能复活；③不稳定斜坡。对矿区风井场地调查发现，风井场地由矿渣、黄土堆积于边坡杂填而成，平整场地后在坡顶和坡面做了硬化处理，但场地两侧未设置排水渠道和排水管，降雨后只是让雨水沿着坡体往下自流，在强降雨或连阴雨条件下可能引发边坡失稳，威胁场地安全[2-4]；④地面塌陷。根据矿山开采历史和野外调查，区内共发育有7处采空塌陷，塌陷区总面积4.08 km2，其中已治理塌陷区面积0.9 km2，待治理区面积3.18 km2，塌陷区威胁村庄、公路、通村公路、输电线路的安全。综上分析，煤炭开采造成的地质灾害严重。

含水层：区内具有供水意义的含水层主要为第四系潜水含水层、白垩系砂岩含水层。根据邻矿4煤开采导水裂缝带发育高度观测结果，该区域采煤裂采比为17，据此计算本矿区4煤开采导水裂缝带导通至白垩系砂岩含水层。即煤层开采不但破坏侏罗系砂岩裂隙含水层，甚至往上造成白垩系砂岩含水层局部破坏，导致矿井涌水量增大，矿区地下水位下降。综合分析，煤炭开采对含水层影响严重。

地形地貌景观：①矿区工业场地及附属设施建设，改变了区内原始地貌景观，造成土地损毁，且与周围植被茂盛的农田形成一定反差，对地形地貌景观影响严重；②地下采煤形成的地面塌陷、地面裂缝、错坎等破坏了微地貌，局部地段错坎高达5 m，对地形地貌影响较严重。综合分析，煤炭开采对矿区地形地貌影响严重。

矿区水土环境：①矿区废水主要为生产、生活污水和井下排水。据调查，矿区生产生活污水经污水处理站处理后用于道路洒水、场地洒水、厂区绿化和水保工程用水等，不外排；井下排水经井下处理站处理后复用于井下消防洒水、综采设备用水、地面综合防尘洒水和绿化用水，不外排。②矿区固体废弃物主要为煤矸石、锅炉灰渣及生活垃圾。据调查，煤矸石主要用来回填巷道，锅炉灰渣排至专用垃圾场处理，生活垃圾由地方环卫部门统一处置。综合分析，矿区水土环境污染较轻。

1.2 土地损毁现状

据调查，矿区土地损毁的形式主要为地面建筑压占损毁和采空塌陷损毁，其中塌陷损毁是最主要的土地损毁形式。

压占损毁：矿区地面建设工程主要为工业场地、风井场地、瓦斯抽放站、炸药库和输电线路，压占损毁总面积125 800 m2，各地面工程占地面积及压占地类见表1。

表1 压占损毁土地面积及地类统计表

塌陷损毁：据调查，区内共发育7处地面塌陷，其中已治理塌陷区面积0.9 km2，待治理塌陷区面积3.18 km2，塌陷程度分为重度、中度和轻度，塌陷区主要威胁村庄、公路、通村公路和输电线路等的安全，塌陷区损毁土地面积及地类见表2。

表2 塌陷损毁土地面积及地类统计表

2 矿区地质环境破坏和土地损毁预测

2.1 地质环境破坏预测

地质灾害：井工煤矿开采引发的地质灾害主要为采空塌陷。根据矿区煤层赋存条件、井田开拓与井下开采方式等资料，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中推荐的概率积分法最大值预测法并考虑矿井顶煤回收率影响，预测采煤后地表沉陷、移动与变形[5-7]，结果见表3。塌陷区地面裂缝主要分为两种，一种为永久性裂缝，位于采区边界，裂缝的宽度和深度较大，对地质环境破坏严重，裂缝区之外的区域影响较轻；另一种为动态裂缝，它随工作面的持续推进而不断出现—消失—出现—消失，周而复始直至工作面开采结束，在工作面中间形成微型沉陷盆地，对地质环境破坏较严重。塌陷区地面裂缝动态发育过程，如图1所示。采空塌陷主要威胁地面村庄、风井场地、瓦斯抽放站、道路、输电线路等地面建设工程。预测煤炭开采造成的地质灾害严重。

表3 4煤层地表下沉、移动、变形预测结果

图1 地面裂缝发育过程示意

含水层：根据矿井导水裂缝带发育高度预测分析，采煤形成的导水裂缝带导通至白垩系砂岩含水层，破坏含水层结构，导致地下水位降低。预测煤炭开采对含水层影响严重。

地形地貌景观：根据沉陷预测分析，地下采煤形成的地面塌陷、错坎等局部高差达到7 m，对地形地貌影响较严重，预测煤炭开采对矿区地形地貌影响较严重。

矿区水土环境：矿区废水经污水处理站和井下处理站处理后用于道路洒水、消防用水等，不外排；矿井煤矸石主要用来回填巷道，锅炉灰渣排至专用垃圾场处理，生活垃圾由地方环卫部门统一处置，因此矿区水土环境污染较轻。

2.2 土地损毁预测

水帘洞煤矿为生产矿井，地面生产系统相对完善，无新建工程，因此矿区拟损毁土地主要为塌陷损毁。据采煤沉陷区以往沉降观测结果，沉降盆地中心部位以垂向下沉为主，水平、倾斜位移量较小；而盆地边缘及外缘裂隙拉伸带则以倾斜位移和水平位移变形为主。结合塌陷区地表变形特征，预测沉陷盆地区域土地损毁等级为中度，采区边缘地带土地损毁等级为重度，采区沉陷外沿区土地损毁等级为轻度。矿区拟损毁土地面积及地类统计，见表4。

3 矿区地质环境治理与土地复垦技术研究

3.1 矿区损毁土地复垦

根据矿区土地利用总体规划、自然经济条件、政策因素及公众意见确定土地复垦措施[8-10]。

损毁土地复垦措施：①风井场地复垦为人工牧草地，首先进行清理工程(建构筑物拆除、硬化层拆除、垃圾清运)，随后开展林草恢复工程(撒播紫花苜蓿)；②其他建设场地复垦为旱地，复垦流程首先为清理工程(建构筑物拆除、硬化层拆除、垃圾清运)，随后进行平整工程(场地平整、土地翻耕)，最后开展土壤改良(土壤培肥)；③已搬迁村庄宅基地复垦为园地，复垦流程为首先进行清理工程(建构筑物拆除、硬化层拆除、垃圾清运)，随后开展充填工程(地面裂缝充填)，土壤剥覆工程(表土剥离、表土回覆)，平整工程(场地平整、土地翻耕)，接着进行土壤改良(土壤培肥)，接着开展林草恢复工程(栽植彬州梨树、穴状整地)，后期村民自建农家乐，开发“农家乐+梨园观光旅游”；④规划搬迁村庄宅基地暂定复垦为旱地，复垦工程分为两个时段，第一时段为村庄开采前搬迁拆除复垦，第二时段为塌陷后修复复垦。第一时段复垦流程为清理工程(建构筑物拆除、硬化层拆除、垃圾清运)，接着平整工程(场地平整)。第二时段复垦流程首先进行充填工程(地面裂缝充填)，其次开展土壤剥覆工程(表土剥离、表土回覆)，接着进行平整工程(土地平整、土地翻耕)，最后为土壤改良(土壤培肥)。其它地类复垦为相应土地类型。

土地复垦监测和管护：根据矿区复垦区域分布特点，在复垦区均匀布设监测点18个，配备监测人员4名，2个月监测1次；对土壤质量每年监测1次，对复垦植被每年监测2次。林草地管护期6年，每年管护2次，春、秋各1次。

3.2 地质环境恢复治理

地质灾害治理：崩塌治理示意，如图2所示。分两级削坡卸载，上部台阶高度约30 m，坡比为1∶0.5；中部平台宽约40 m；坡脚高度约30 m，坡比为1∶1，坡面种植紫花苜蓿，平台栽植刺槐、紫穗槐，种植紫花苜蓿。边坡顶部和平台设一条天沟，距边缘2 m，每级坡脚和浆砌石挡墙前修建排水沟，天沟及截排水沟断面一般采用内空0.6 m×0.6 m断面的M7.5浆砌片石。坡底修建浆砌石挡墙，浆砌石挡墙高6 m、宽0.5 m，坡比1∶0.25，梅花形布置3排泄水孔，安装 PVC泄水管，泄水孔间距为横向2 m，纵向1.5 m。

滑坡治理，示意图如图3所示。分级削坡卸载，台阶高度约10 m，坡比为1∶0.5，平台宽约5 m，坡面和平台种植紫花苜蓿。边坡顶部设一条天沟，距坡顶边缘2 m，每级坡脚修建截水沟，天沟及截排水沟断面一般采用内空0.6 m×0.6 m断面的M7.5浆砌片石。

图3 滑坡治理示意

不稳定斜坡治理，示意图如图4所示。对矸石坡采用坡面清理、修建锚杆格构、修建浆砌石挡墙、安装泄水管、植草、修建排水沟的措施；对风井场地顶部陡坎采用修建浆砌石挡墙、安装泄水管、修建排水沟的措施。锚杆格构为现浇钢筋混凝土方形格构，内空3 mm×3 mm断面，锚杆长20 m，钢筋φ25 mm；格构宽0.3 m，纵向钢筋φ14 mm，箍筋φ6 mm×200 mm，混凝土C25。浆砌石挡墙高6 m、宽0.5 m，坡比1∶0.25，梅花形布置3排泄水孔，安装PVC泄水管，泄水孔间距为横向2 m，纵向1.5 m。在矸石坡顶、风井场地顶部陡坎顶设一条天沟，距坡顶边缘2 m，矸石坡坡脚、风井场地顶部陡坎坡脚、风井场地南北两侧冲沟修建排水沟，采用内空0.6 m×0.6 m断面的M7.5浆砌片石。

图4 不稳定斜坡治理示意

地面塌陷治理措施。对受地面塌陷和地面裂缝影响的高压线路和民用输电线路的基塔、电线杆等进行修复、加固、扶正。对损毁的公路(沥青路面)、农村道路(水泥混凝土路面)和田间道路(素土路面)，轻度损毁道路维修面积均按照受损面积的40%进行估算并修复，中度损毁按照受损面积的70%进行估算并修复，重度损毁按照受损面积的100%进行估算并修复。

井口封堵：①与井筒联络的巷道预先施工好挡渣墙，挡渣墙采用砼浇灌，砼强度不低于C25；②向井筒内回填矸石，填至井口25 m时，建一挡水墙，墙体采用砼浇灌，砼强度不低于C25；③将井筒周边外扩3 m范围的土体全部剥离形成一个剥离坑，坑深3 m，底部平整，坑四周要用锚网喷支护，防止四周土体坍塌；④向剥离坑内浇灌水泥；⑤水泥浇灌后养护3个月，之后覆盖0.8 m厚土层，并在四周设置栅栏和警戒牌，栅栏内进行绿化。

图5 井口封堵示意

含水层修复：①建议煤矿采取保水采煤开采方式，限制采高，降低导水裂缝带发育高度，减轻对含水层结构的破坏；②根据地面塌陷恢复治理工程安排，大力开展植树种草活动，扩大植被覆盖面积，加快地下水位的回升。

地质环境监测：在地质灾害点和沉陷区设置监测点，每月巡查一次，雨季时每旬巡查一次；设置水土监测点6处，每月监测1次，发现异常立即处理；采用遥感、无人机辅以人工巡查对矿区地形地貌景观进行巡查，发现地质灾害或隐患时，应设立警示标志，防止人员误入。

4 结语

煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业，而煤炭资源又是化石能源，井工煤炭开采必然会破坏原生地层结构，引发地面塌陷、崩塌等地质灾害，破坏土地资源，造成水土污染等环境问题。通过采取灾害治理、水土修复和土地复垦措施，改善矿区地质环境，增加矿区耕地、园地面积，提高矿区村民收入，改善矿民关系，实现当地经济绿色健康可持续发展。