肥城市曹莊煤礦區礦山地質問題及防治措施

耿國銳

(山東省煤田地質局第三勘探隊，山東 泰安 271000)

肥城曹莊煤礦位于山東省肥城市王瓜店鎮境內， 地下開采，生產能力100萬t/a，面積10.2064 km2，為地質環境條件復雜的中型礦山。

1 自然地理

礦區屬暖溫帶半濕潤季風性氣候區，四季明顯，全年降水主要集中在7—8月份，大氣降水與礦井涌水量無明顯關系；屬低山丘陵地貌，為山麓與平原過渡帶，地勢北高南低；發育月莊河、儀仙河、馬莊河和尚古莊河四條季節性小河；有欒莊水庫、馬莊水庫、尚古莊水庫、文昌閣水庫和19個煤礦采空塌陷形成的塌陷積水坑，最大沉陷深度大于3 m(雨季豐水期潛水位深度2.4 m)；因自然條件和人類活動的影響，自然植被基本消失，土地資源多被栽培植物覆蓋；土壤主要為褐土和潮褐土土類，土層厚，比較肥沃，土質良好。

2 地質環境背景

2.1 地層

區內主要出露太古代泰山巖群花崗片麻巖；寒武—奧陶系灰巖和頁巖；上石炭統本溪組灰巖、粉砂巖與黏土巖，太原組細砂巖、粉砂巖和泥巖夾11層煤；下二疊統山西組中粒砂巖與砂泥巖互層夾4層煤；中二疊統下石盒子組和上石盒子組中細粒砂巖、粉砂巖和泥巖，不含煤；第四系砂質黏土和黏土質砂礫層。

2.2 地質構造

礦區位于魯中隆塊肥城凹陷東端，為一以斷層為主的單斜構造。地層走向近東西，傾向北，大部分傾角8°～17°；東部邊界由F23與F30正斷層組成地塹構造，北部以F2正斷層構成井田的控制邊界；共揭露落差大于3 m的正斷層25條，逆斷層12條。

2.3 水文地質

礦區含水層主要為第四系含水砂層及砂礫層，山西組3煤層頂板砂巖，太原組第一、二、四層灰巖，9煤層頂板泥灰巖及11煤層頂板無名灰，本溪組徐家莊灰巖(五灰)，奧陶系石灰巖(奧灰)。隔水層主要為各層灰巖間黏土巖和粉砂巖，并受裂隙巖溶水、斷裂構造導水和老空水影響，水文地質條件復雜[1]。

2.4 工程地質

煤層頂板主要為粉砂巖、石灰巖、炭質頁巖和復合頂板4類。其中，粉砂巖厚0～18.17 m，性脆，節理發育，巖石的堅固性系數f為4，中等穩定；石灰巖厚3.62～8.62 m，堅硬，裂隙發育，f為8，中等穩定；炭質頁巖厚0.1～0.2 m，易垮落，f為2，為中等穩定；復合頂板由薄層煤、巖構成，厚度2.48 m，易破碎，強度低，f為3，為不穩定頂。底板主要為黏土巖、粉細砂巖和薄層煤巖3類，前者厚0.4～9.07 m，f為3～4，遇水易軟化，造成支柱鉆底；中者厚0.80～8.55 m，f為3～4，易產生底鼓；后者厚2.48 m，強度較低，f為3。故礦區工程地質條件中等。

2.5 礦體地質特征

含煤地層為石炭—二疊系山西組和太原組，總厚248.70 m，含煤15層，煤層厚度18.71 m，可采及局部可采煤層為山西組的1、3煤和太原組的6、7、8、9、102、11煤層共8層，厚13.89 m。其中，1、6、7、11煤為薄煤層，8、9、102煤為中厚煤層，3煤為厚煤層。

3 地質環境現狀

3.1 地質災害

區內地質災害主要為采空塌陷及伴生地裂縫。自建井生產以來，采空塌陷區面積約711.03 hm2，分布于井田的東部、南部、西南部和東南部等煤層埋藏較淺地區，土地類型主要為農田耕地，局部延伸到村莊和農村道路。以欒莊—曹莊—馬莊一帶為例，相對塌陷深度約1.0 m，最大塌陷深度約4.8 m。實施了填土整平、農田復墾、魚塘改造、房屋重建或加固和村莊搬遷等治理恢復措施。

采空塌陷及伴生地裂縫對農田、村莊、道路等影響程度大，但進行了適宜的治理，故地質災害危險性小[2]。

3.2 含水層破壞

區內擁有7套含水層，礦山排水對山西組3煤層頂板砂巖、太原組第一、二、四層灰巖、9煤層頂板泥灰巖及11煤層頂板無名灰等煤系地層含水層結構影響嚴重；對第四紀含水砂層及砂礫層、本溪組徐家莊灰巖(五灰)和奧陶紀石灰巖(奧灰)含水層結構影響較輕。此外，礦井水、地表水以及井巷奧灰水、五灰水樣測試顯示硫酸鹽、亞硝酸鹽和氯化物均超或遠超Ⅲ類標準值。

采礦活動對地下水和地表水質量的影響嚴重。

3.3 地形地貌破壞

礦區地形地貌景觀破壞主要為煤矸石堆積場和地表變形形成的采空塌陷。其中，煤矸石堆積場占地面積約3.0 hm2，高約30 m，對原生的地形地貌景觀影響和破壞程度大；礦山不斷生產，采礦面積不斷擴大，地表變形范圍不斷擴大，面積約748.22 hm2，塌陷最大塌陷深度約6.0 m；淺層地下水水位埋深多數月份為5～6.5 m，雨季地下水位埋深一般為2.4 m，采空塌陷深度大于2.4 m的區域形成季節性積水的可能性較大，對原生的地形地貌影響和破壞程度較大，其余部分對原生的地形地貌影響和破壞程度小。

總之，采空塌陷深度大于2.4 m的區域對地形地貌景觀影響嚴重，1.0～2.4 m的區域為影響較嚴重，其余部分為影響較輕。

3.4 水土環境污染

區內水土資源豐富，主要為基本農田、一般農田及礦區工業廣場、村莊、公路及河流占地。南部采空區的地表變形程度較大，對區內的土地資源產生了一定破壞，部分地段因塌陷較深，已經改造為水塘用于水產養殖，其他塌陷較淺地段進行了整理復墾后繼續用于農田種植。

除塌陷較深地段改造為水塘外，其他地段沒有改變原來的土地用途。礦山開采對土地資源的影響和破壞除塌陷較深地段較嚴重以外，其他地段較輕。

3.5 地質環境分級

根據地質災害危險性、地形地貌景觀、土地資源和含水層等的影響現狀，將區內礦山地質環境影響程度劃分為嚴重區(A區)、較嚴重區(B區)和較輕區(C區)(表1)。其中，嚴重區位于采空區的中心地帶，面積約0.6438 km2；較嚴重區位于工業廣場的周圍，面積約1.4880 km2；較輕區位于礦區的邊緣地帶，面積約8.0899 km2。

表1 礦山地質環境影響程度分級表

4 土地損毀現狀

區內對土地造成的損毀主要為采空塌陷的塌陷損毀和工業廣場及配套設施的壓占損毀。

4.1 塌陷損毀土地

曹莊煤礦于1965年1月1日投產，至今已有近60年的開采歷史，對土地的損毀為采空塌陷及伴生地裂縫。

土地塌陷損毀基本覆蓋整個礦區，最大塌陷深度為6.0 m，部分地區常年或季節性積水，積水深度0～5 m，總面積為723.29 hm2，主要包括水澆地、旱地、果園、林地、鐵路用地、公路用地、農村道路、坑塘水面、設施農用地、村莊用地、采礦用地、風景名勝及特殊用地。其中，損毀耕地面積為351.64 hm2，約占損毀總面積的48.62%，影響了農作物的生長，導致耕地減產、絕產。部分塌陷損毀土地由礦山出資、村民自行治理，農田保持耕作狀態。

4.2 壓占損毀土地

壓占損毀土地主要為工業場地和矸石堆放場，總面積24.93 hm2。前者位于礦區中部，主要為絞車房、風機房、配電室、充電室、機修車間、材料庫、煤場、礦井、選煤廠、綜合辦公區等建筑物，占地面積為21.93 hm2，壓占土地為耕地，損毀時間自開采至今。后者位于工業廣場西南側，壓占損毀面積3.00 hm2，累計堆存20.4萬t，矸石堆體高度約30 m，壓占土地均為耕地，損毀時間自開采至今。矸石可作鋪路、充填塌陷區和其他建材生產，正逐步合理利用[3]。

5 治理措施

區內礦山地質環境問題主要為地面塌陷和土地損毀，含水層破壞和水土污染較輕，故對地面塌陷和土地損毀提出具體的治理措施。

5.1 地質災害治理

地面塌陷采取土地平整、削高填低、挖深墊淺等措施對塌陷區土地進行恢復治理；對塌陷盆地影響范圍內的溝渠堤防進行墊高、加固，保證度汛安全；及時維修受影響的公路和農用生產道路，并適時規劃新的田間道路。

5.2 土地復墾

根據采空塌陷損毀程度，土地復墾分為簡單治理區、一般治理區和煤矸石充填治理區。

簡單治理區為輕度塌陷區，塌陷深度小于1.0 m的地段，地表略顯凸凹不平，但變化不大，且土層并未發生較大改變，土壤養分狀態無變化，只稍作平整即可耕種。

一般治理區為中度塌陷區，塌陷深度1.0～2.4 m的地段，地表出現土丘或土坑，影響農田的正常耕作。首先將地表30 cm的耕植土剝離，就近堆放，然后推土整平，最后將剝離耕植土覆上整平，便可恢復土地原有使用功能。

煤矸石充填治理區為重度塌陷區，塌陷深度大于2.4 m的地段，地表凹凸變化較大或地面坡度較大，對農田的正常耕作影響較大。首先將地表30 cm的耕植土剝離，堆放于地勢較高處；然后利用挖掘機械將煤矸石墊到塌陷區季節性潛水位(2.4 m)以上；最后將剝離耕植土覆上整平，便可恢復土地原有使用功能。

此外，加強地表變形、含水層破壞、水土污染監測，防止地質環境破壞、地下水水位下降和水土污染的發生。

6 結論

(1)曹莊煤礦區主要地質問題為采空塌陷及伴生地裂縫、煤矸石堆積場和地表變形形成的地形地貌破壞、塌陷損毀和壓占損毀，含水層破壞和水土污染影響較輕。

(2)地面塌陷區采取土地平整、削高填低、挖深墊淺等措施進行恢復治理；塌陷盆地影響范圍內的溝渠堤防進行墊高加固，保證度汛安全；采空塌陷區土地復墾經煤矸石充填、推土整平和耕植土覆上整平等，恢復土地原有使用功能。