贵州谊源煤矿矿山环境影响耦合分区.pdf

第 39 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 39 No.3 2011 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Institute of Safety Science and Technology of Guangdong Province, Guangzhou 510060, China; 3. 198 Coal Geological Exploration Team of Yunnan Province, Kunming 650208, China Abstract The protection and integrated management of mine environments can be carried out effectively, and sustainable development in mining can be promoted if the area of the influence of mine environmentss can be ac- curately delimited. Based on the theory related to geology and through depened study in the site of Yiyuan coal mine, mining area stratum lithology, geological structure and other geological environments conditions are re- viewed, current situation and existing mining environmentsal problems are analysed in detail.. Based on the safe depth of mining, displacement angle, boundary and the theory of groundwater balance in the process of mining ac- tivities, several different types of area of influence of mine environments that were induced by mining activities have been analyzed systematically, geological hazard area was determined by displacement angle. The area of in- fluence by mining was determined by boundary, area of influence by drainage was determined by big well of cone of exhaustion. According to the types of geological environmental problems and the coupled degree of in- fluence, the coupled area of influence of mine environments was divided into three areas serious, more serious and less serious, and the quantitative indicators were given. Key words Yiyuan coal mine; safe depth of mining; displacement angle; boundary; water drainage; coupling 目前，开采活动对矿山环境影响的研究主要集 中在对环境的破坏方面[1]，国内外许多学者就矿山 环境影响范围的确定方法研究，特别是矿山开采引 起的地表移动变形和疏排水影响范围与耦合分区做 过一些研究，但不系统不完善。本文在前人研究的 基础上，着重对贵州谊源煤矿的矿山环境影响范围 和影响耦合分区进行系统研究，以期为矿业开发、 矿山环境保护与生态恢复治理提供科学依据。 1 地形地貌特征 谊源煤矿位于贵州省黔西高原与黔中山区过渡 带的黔西中山区。地势总趋势是西高东低，中部隆 起，向南北两侧倾斜。谊源煤矿及其附近地貌属构 造剥蚀山地地貌，矿界内为一向南西倾斜长条形垄 34 煤田地质与勘探 第 39 卷 岗状山脊。该脊西侧发育北西倾斜的小型脊骨，且 相间排列。谷地中洼地发育。纵向沟谷东坡较缓，为 同向坡。坡顶则为北东向山脊，并与后寨背斜高山 相连；而其南端为一谷地与矿界内纵向沟谷相连。矿 界内的地势呈北东高而南西低，东西两侧高，中间 低的特征。最高点为北东端山顶，标高 1 917.5 m， 最低点为南西端谷底，标高 1 735.0 m。相对高差近 200 m，属中山沟谷地带。 2 地层岩性 矿区及其周边出露地层有二叠系峨眉山玄武岩 P3β，上二叠统长兴组、大隆组P3cd，龙潭组 P31，三叠系下统夜郎组Tly及零星分布的第四系 Q。由新至老分述如下 a. 第四系Q 主要分布于山麓以及低洼地 段，为黄色、灰色残坡积型含砾石粘土、砂土，结 构松散，厚度 05.00 m。不整合覆盖于各时代地层 之上。 b. 夜郎组Tly 以海相灰岩为主。由钙质砂 岩、粘土岩、灰岩、泥灰岩组成，按照其岩性组合 特征，区域上则分为三段① 第三段Tly3 暗红、 紫红色薄层状粉砂质粘土岩、灰岩，水平层理发育。 厚 6080 m。② 第二段Tly2 夹灰色薄至中厚层 状灰岩、泥质灰色中至厚层状泥晶灰岩，下部偶夹 粘土岩薄层，顶部见鲕粒灰岩，缝合线构造发育， 厚 380 m。③ 第一段Tly1 以灰、灰绿色薄层状 钙质粉砂岩、钙质粘土岩为主，底部夹深灰色硅质条 带，下部夹细砂岩，向上钙质渐增，而粒度由粗变 细 ， 且 夹 薄 层 状 泥 灰 岩 ， 水 平 层 理 发 育 。 厚 66.1288.13 m。与下伏大隆组呈整合接触。 c. 长兴组及大隆组P3cd 长兴组以石灰岩 夹碎屑岩及薄层状劣质煤或碳质泥岩组成。厚 2232 m，一般 25.5 m。大隆组岩性为硅质岩，夹富 含蒙脱石粘土岩。一般厚 8 m。 d. 龙潭组P31 为一套以碎屑岩粉砂岩和细 砂岩为主夹较多的粘土岩，石灰岩、硅质岩，含菱 铁质粉砂岩的含煤沉积。厚 252331 m，一般厚 293.37 m。 含煤 2442 层， 一般 29～31 层， 总厚 17 27 m。其中可采煤层 5 层M6、M16、M23、M27、 M30，煤层总厚 11.53 m。共分为三段① 第三段 P313 厚 6283 m，一般厚 71.14 m。以粉砂岩、砂 质粘土岩夹石灰岩、粘土岩及煤等组成。② 第二段 P3l2 厚 105138 m。一般厚 80.06 m。以粉砂岩、 细砂岩、粘土岩及煤等组成。③ 第一段P3l1 厚 85120 m，一般厚 142.17 m，以粉砂岩、细砂岩、 粘土岩及煤组成。 e. 二叠系峨眉山玄武岩P3β 为二叠纪的基 性火山喷发物。分布于井田西北侧，由东向西逐渐 变厚。下与茅口组，上与龙潭组均呈假整合接触。 为暗绿色，黑色团块隐晶或拉斑玄武岩，时夹火山 角砾岩，致密至细粒结构，具气孔状、流纹状及被 次生方解石、石英等充填而形成的杏仁状或眼球状 结构，含黑色矿屑。其顶部有 521 m 厚的浅灰色或 白色玄武质火山碎屑岩、凝灰岩。 3 地质构造 矿区位于阿弓向斜 NW 翼南段，矿区内岩层呈 单斜产出，走向 2630，倾向 296300，倾角大 多数在 2543之间，平均倾角 36。断层较发育， 在矿区东侧有走向 NE 的断层 F1， 倾角 62， 属逆断 层，断距 60140 m，由 SW 向 NE 断距逐渐增大。 矿区内节理十分发育，主要有 NE 向、NW 向 两组。NE 向剪节理延伸长，节理面平直紧闭；NW 向张节理延伸短，节理面波状开启，对岩石完整性 破坏较大。 4 矿山环境影响范围的确定 矿山开采活动对环境的影响是多方面的，其中 最主要的影响是地表移动变形和疏排水影响[1]。根 据地表移动变形迹象，可以画出地质灾害危险性大 区和井下开采影响范围， 而据地下水降落漏斗之“大 井法”[2]，则可画出疏排水影响范围。 4.1 安全开采深度 开采深度是影响覆岩及地表破坏的主要因素之 一，又根据地方煤矿实用手册[3]中相关技术要 求，谊源煤矿开采煤层上覆岩层开采安全深度按下 式计算 HδMK， 1 式中 Hδ为安全开采深度，m；M 为矿层采高或煤 层综合作用厚度，m；K 为安全系数，按Ⅰ类矿山 Ⅱ级保护级别确定，K150。 在开采煤层群时，确定其安全深度之前，需计 算综合作用厚度 M，该厚度对地面所造成的影响是 回采数个煤层后对地面造成的总影响。 开采 5 层煤无回填情况下，重复开采时，计算 采多层煤影响的综合作用厚度见式2式6。 M5＝m5 ； 2 M4＝m4＋C4M5 ； 3 M3＝m3＋C3M4 ； 4 M2＝m2＋C2M3 ； 5 M1＝m1＋C1M2 。 6 第 3 期 曹运江等 贵州谊源煤矿矿山环境影响耦合分区 35 式中 m1m5分别为煤层 M30、M27、M23、M16、 M6 可采煤层厚度，m；C 为系数，为相邻两煤层间 距离 h 与两层中靠下一层的层厚 m 之比的函数，C 值可由查表得之[2]； M1M5分别为开采 M30、 M27、 M23、M16、M6 煤层的综合作用厚度，m。 计算结果及各参数取值如表 1 所示谊源煤矿 可采煤层上覆岩层厚度均小于可采煤层安全开采深 度 1 147.5 m。说明该矿区地下采矿活动不安全，会 导致地表变形破坏严重，表征为地面塌陷和地表移 动盆地等变形迹象。 4.2 地质灾害危险性大区 在充分采动的情况下，移动盆地主断面上临界 变形值的点和采空区边界点的连线与水平线之间在 采空区外侧的夹角称为移动角[1-5]，反过来，通过移 动角可以确定移动盆地主断面上临界变形值的点。 实测资料表明，移动角与煤层倾角、开采深度以及 岩性等有着密切关系。野外地质详细勘查表明，谊 源煤矿矿山覆岩为中硬覆岩类型， 可采煤层有 5 层。 根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程简称三下采煤规程[6]中按山区 中硬覆岩类型，走向移动角 δ 和上山方向移动角 γ 取值范围 7075。 通过山区煤矿及其重复采动的两 次每次 510折减取值原则，其矿体走向移动角 δδ60，上山方向移动角 γγ60以及下山方向移 动角 β，按式7计算 βδ-0.7a ， 7 即 β60-0.736≈35。式中 δ 为走向移动角；β 为下山方向移动角；a 为岩层平均倾角取 a36。 上山、下山移动角与地形线的交点就是移动盆 地主断面上临界变形值的点。每一条剖面上两个临 界变形值的点之间的范围就是地质灾害危险性大 区。同理，找到其剖面在平面图上的地质灾害危险 性大区投影点，将所有的投影点用圆滑的曲线连起 来。再考虑矿区地形效应，对投影曲线进行适当的 修正，就可得到谊源煤矿地质灾害危险性大区的影 响范围图 1。 4.3 开采影响范围 在充分采动的的情况下，移动盆地主断面上的 移动盆地边界点和采空区边界点的连线与水平线之 间在采空区外侧的夹角称为边界角[1-5]，同理，根据 边界角可以反推出移动盆地主断面上的移动盆地边 界点。边界角主要受上覆岩层的岩性、开采深度、 开采厚度、煤层倾角和重复采动次数等综合因素的 影响[7]。谊源煤矿矿山覆岩为中硬覆岩类型，走向 边界角 δ0和上山边界角 γ0取值范围 5560。 据 三 下采煤规程[6]，该矿属于山区煤矿多煤层重复采 动，两次每次边界角相应减小 27取 2.5折减 的取值原则，选取走向边界角 δ0及上山边界角 γ0均 为 55、 下山边界角 β0＝55–0.7α≈30α 为煤层平均 倾角，按岩层倾角取平均值 36，即上山边界角为 表 1 安全开采深度 Table 1 Safe depth of mining 煤层 煤层平均厚度 m/m 煤层最大间距 h/m h m C 综合作用厚度 M/m 安全系数 K 安全开采深度 Hδ/m M6 2.40 1.0 2.4 150 360 M16 1.40 M6M16 为 65 46.42 0.80 3.52 150 528 M23 1.50 M16M23 为 55 36.66 0.80 4.72 150 708 M27 1.60 M23M27 为 11.6 7.25 1.00 6.32 150 948 M30 1.40 M27M30 为 22.1 15.78 0.95 7.65 150 1 147.5 图 1 地质灾害危险性大区确定图解代表性剖面 AA′ Fig. 1 Illustration of Geological hazard areacross-sectionAA′ 36 煤田地质与勘探 第 39 卷 55、下山边界角 30。取矿界内最下伏的可采煤层， 上山、下山边界角与地形线的交点即为移动盆地主 断面上的移动盆地边界点，一条剖面上两个边界点 之间的范围为开采影响范围图 2。同理，找到其他 剖面在平面图上的开采影响范围投影点，将所有的 投影点用圆滑的曲线连起来，同样考虑矿区地形影 响，对投影曲线作适当修正，就可得到谊源煤矿的 井下开采影响范围。 图 2 开采影响范围的确定图解代表性剖面 AA′ Fig. 2 Illustration of the area of influence by mining cross-sectionAA′ 开采影响范围与危险性大区既有区别又有联 系。其区别是地质灾害危险性大区是受到开采影 响可能发生滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地面 沉降等各种地质灾害的范围；开采影响范围包括了 两个部分，一部分是地质灾害危险性大区，该区受 开采影响较大，可能发生各类地质灾害，另一部分 是地质灾害危险性大区以外受开采影响较小，虽不 会因矿山开采发生各类地质灾害，但地质环境条件 和自然环境条件仍然受到了一定程度影响，如地下 水疏排干等。其联系则为危险性大区是开采影响 范围的一部分。当然，将两个分区分别确定出来就 有了现实意义，可以为今后矿山环境保护和综合治 理提供依据，如采取危险性大区作为重点保护和治 理对象等措施。 4.4 疏排水影响范围 4.4.1 矿井涌水量预测 根据谊源煤矿提供的现状开采条件涌水量实测 资料，采用水文地质比拟法[3,8-10]进行估算未开采区 域的矿井涌水量 QQ111 //S SF F ， 8 式中 Q 为预测矿井涌水量，m3/d；Q1为矿井现实 测涌水量， 852 m3/d； F 为矿区开采面积， 0.649 1 km2； F1为现状矿井实际采区面积，2.231 km2；S 为预测 未来地下水位下降值，154.70 m；S1为矿区现水位 降深值，10.665 m。计算得 Q 2 383.2 m3/d。 4.4.2 疏排水影响半径的确定 “大井法”计算公式 R2SKH ， 9 式中 R 为影响半径；S 为水位降深，采用矿区地 下水出露标高与矿井煤层最低开采标高之差，为 154.70 m；K 为渗透系数，采用矿山抽水试验经验 值 0.010 m/d；H 为含水层厚度，从所绘制的 5 条矿山 环境影响剖面，采集到煤层与最低开采标高交点处的 埋藏深度分别为 269.90 m、243.80 m、211.115 m、 215.85 m、208.55 m，获其均值 229.843 m。 计算得 R469.07 m，即疏排水影响半径图 3。 参照该疏排水影响半径 R，根据可采煤层在矿 界附近的出露情况，在上山方向，将疏排水影响范 围线顺着煤层露头线走，然后考虑地形效应，再作相 应的修正；在下山方向，疏排水影响范围线就以矿界 为基线， 疏排水影响半径为平距画圆滑曲线拐点处按 圆弧考虑， 然后根据地形和人居环境， 作适当的调整。 最后，就能圈定谊源煤矿的疏排水影响范围图 4。 5 矿山环境影响耦合分区 影响耦合分区主要依据地质环境问题类型及影 响程度进行划分[11-13]。遵循“地表为主、区内相似、 区际相异、影响取重”[12-14]以及“从大不从小”的原 则，将整个地质灾害危险性大区划为严重区；将严 重区外围至开采影响范围划为较严重区；开采影响 范围外围至疏排水影响范围划为较轻区图 3、图 4、 表 2。 6 结 论 a. 谊源煤矿上山移动角为 60，下山移动角为 35；上山边界角为 55，下山边界角为 30；疏排水 第 3 期 曹运江等 贵州谊源煤矿矿山环境影响耦合分区 37 图 3 谊源煤矿矿山环境影响耦合分区平面图 Fig. 3 Coupled zoning plane of influence of mine environments of Yiyuan coal mine 图 4 谊源煤矿矿山环境影响耦合分区剖面图疏排水影响范围代表性剖面 AA′ 图解 Fig. 4 Coupled zoning section plane of influence of mine environment of Yiyuan coal mine illustration of section AA′ of the area of influence by drainage 表 2 矿山环境影响耦合分区 Table 2 Coupled zoning of influence of mine environments 分区编号 地理范围 面积/km2 划分依据 Ⅰ区 严重区 整个危险性大区 1.130 井下开采造成地表移动变形，地质灾害崩塌、滑坡、泥石流、地面塌 陷、地裂缝等发生的可能性大，地下水均衡遭到破坏，形成地下水降 落漏斗，导致井泉干涸、水田变旱地、地表地下水漏失、水资源枯竭。 Ⅱ区 较严重区 严重区外围至开采 影响范围 0.285 井下开采造成一定的地表移动变形，发生地质灾害的可能性较大，地 下水均衡遭到一定破坏， 形成区域性地下水位降落漏斗，可能导致其 影响范围内的地表水体漏失、井泉干涸及水资源枯竭。 Ⅲ区 较轻区 疏排水影响范围内除 Ⅰ区、Ⅱ区以外的范围 0.595 受疏排干区的影响，各类地质灾害基本不发育，微地貌变形不明显。 下转第 43 页