張洋洋

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

東部草原是我國重要的煤炭資源供應地，普遍具有儲量大、土壤貧瘠、生態(tài)脆弱等特點，隨著煤炭的地下開采，對環(huán)境和土地就會產(chǎn)生破壞，造成地面沉陷、地裂縫等礦山環(huán)境地質(zhì)問題[1]。采煤沉陷破壞了土壤結構，加速了土壤的干旱和沙化進程，進而對地表土壤的養(yǎng)分指標產(chǎn)生了影響，使生產(chǎn)力降低，加劇了草原生態(tài)環(huán)境惡化進程[2～8]，黎煒等也指出地表土壤的養(yǎng)分會受環(huán)境的影響[9]。研究草原生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采對地表的損毀形式及土壤性質(zhì)的變化，尋求合理的控制和治理技術，對于保障礦井生產(chǎn)安全、減輕地下開采對草原脆弱生態(tài)環(huán)境的影響具有重要的理論和實用價值。

1 研究區(qū)概況

1.1 礦井概況

敏東一礦隸屬于神華國網(wǎng)能源內(nèi)蒙古大雁集團有限公司，行政區(qū)劃屬內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗管轄，2008年建礦，位于伊敏河東礦區(qū)東南部，大興安嶺西坡，呼倫貝爾草原伊敏河中下游的東側(cè)，礦井東西長約10.3 km，南北寬約7.57 km，面積約49.142 2 km2，設計生產(chǎn)能力為500萬t/a，采用立井方式開拓，走向長臂綜采放頂煤開采工藝。敏東一礦屬于我國北方典型的上侏羅統(tǒng)-白堊系泥質(zhì)膨脹軟巖分布區(qū)，綜放開采平均采厚約8 m，特殊的地質(zhì)條件與采礦條件決定了地下開采對地表的影響具有其自身特征。

1.2 自然概況

礦區(qū)全部被第四系土層覆蓋，主要為砂礫石、風成砂、亞粘土及腐植土等現(xiàn)代沉積物,厚度在20～120 m之間，不整合于所有其它地層之上。工作面上方地表土地利用類型為草地。

礦區(qū)位于伊敏河以東的緩坡丘陵干草原與河谷沖、湖積平原的過渡帶，西部屬緩坡丘陵，東部為河谷、湖積平原，隱域性土壤發(fā)育。在區(qū)域內(nèi)，以草甸土為主，構成非地帶性土壤，有機質(zhì)含量少，土壤貧瘠。氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶约撅L氣候,冬季寒冷漫長、夏季溫涼短促、春季干燥風大、秋季氣溫驟降，霜凍早。

礦區(qū)屬于緩坡丘陵典型草地及河流兩岸非地帶性草甸草場類，為芨芨草——雜草類、芨芨草——針茅+羊草+雜草類植被組成，植被蓋度40%～75%。

1.3 采礦地質(zhì)條件

敏東一礦開采深度為+603～-550 m。該區(qū)全部為第四系所覆蓋，根據(jù)已有資料，地層有古生界的寒武系、泥盆系、石炭～二迭系；中生界侏羅系上統(tǒng)興安嶺群的龍江組、甘河組和扎賚諾爾群的大磨拐河組、伊敏組；新生界的第四系。白堊系下統(tǒng)大磨拐河組和伊敏組為含煤地層。伊敏河組為該區(qū)的主要含煤巖組，以含巨厚煤層為其特征。主要巖性為灰白色礫巖、砂礫巖、粗砂巖等陸源碎屑巖，含少量的中、細砂巖、粉砂巖及泥巖。厚度最大為720 m左右，一般在300～500 m之間。含14、15、16等三個煤層組計12層煤層，由上至下編號依次為14、15-1、15-2、15-3、15-4、15-5、15-6、15-7、16-1、16-2、16-3和16-4。其中,16-1及16-3兩個煤層全區(qū)可采，14及15-6煤層為不可采煤層，其它煤層為全區(qū)大部可采或局部可采煤層。煤層一般為中、厚煤層，其中,16-3煤層為巨厚煤層，煤層埋深一般在300～500 m左右，頂板為含礫砂巖，泥質(zhì)膠結，密度較大，底板為粉砂巖。該組含煤總厚度最大90.19 m，最小0.30 m，平均28.11 m；含可采煤層總厚最大69.62 m，最小1.05 m，平均20.07 m；含有益煤層平均總厚22.23 m?，F(xiàn)開采煤層為16-3上，工作面寬度約為235 m，平均開采厚度約為11.42 m，其總的趨勢是西南部較薄，向東南部逐漸變厚。

2 井工開采對地表影響分析

2.1 概率積分法預計參數(shù)

根據(jù)敏東一礦開采區(qū)域的地質(zhì)采礦條件，采用概率積分法進行地表移動變形預計。地表移動變形計算參數(shù)有下沉系數(shù)(q)、水平移動系數(shù)(b)、主要影響角正切(tanβ)、開采影響傳播系數(shù)(k)、拐點偏移距(s)。在敏東一礦16-3上煤層I01163上01首采綜放工作面上方地表巖層移動范圍內(nèi)布設地表巖層移動觀測站并定期進行觀測，參照敏東一礦地表移動變形實測資料和研究成果，確定本區(qū)地表移動與變形預計參數(shù)如表1所示[10]。

表1 地表移動與變形預計參數(shù)

2.2 地表移動與變形分析

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，該礦區(qū)在I1106300工作面開采后，出現(xiàn)了地表裂縫、隆起現(xiàn)象，如圖1、圖2所示。

圖2 擠壓隆起

地表移動破壞范圍一般都比對應的采空區(qū)范圍大，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定，下沉10 mm是地表移動的邊界，地表移動邊界圈定的范圍就是開采產(chǎn)生的地表移動范圍，此范圍所屬的區(qū)域即為煤礦沉陷區(qū)，下沉曲線如圖3所示，預計下沉最大值在工作面中心，最大值為8 000 mm，與實際下沉值基本相符，由于礦區(qū)軟基巖沙質(zhì)松散層的特殊地質(zhì)條件，沉陷區(qū)范圍內(nèi)沒有產(chǎn)生大的臺階裂縫及漏斗狀的塌陷坑，地表移動變形類型為連續(xù)性變形。

圖3 I1106300工作面下沉曲線/mm

在采空區(qū)上方地表，水平方向主要受到壓縮作用，因此，地表主要出現(xiàn)擠壓應力，從而形成擠壓隆起，而在采空區(qū)邊界上方地表，主要受到水平拉力作用，從而出現(xiàn)拉伸型裂縫。結合現(xiàn)場實測裂縫、隆起的發(fā)育位置，在I1106300工作面上方，當水平壓縮變形大于8 mm/m時產(chǎn)生隆起，水平壓縮曲線如圖4所示，圖中陰影部分為產(chǎn)生隆起的區(qū)域;水平拉伸變形大于4 mm/m時產(chǎn)生裂縫，水平拉伸曲線如圖5所示。

圖4 I1106300工作面水平壓縮曲線/(mm/m)

圖5 I1106300工作面水平拉伸曲線/(mm/m)

3 井工開采對地表土壤理化性質(zhì)的分析

從研究區(qū)內(nèi)不同的地點采樣進行研究，根據(jù)樣點數(shù)據(jù)的可獲取性，采用梅花型布點法進行采樣，采樣地點分別為原生草原對照區(qū)、I1106300工作面上方裂縫區(qū)及隆起區(qū)。每個樣點分土壤上層0～20 cm和下層20～40 cm分層取樣，每層各取三個混合樣，用土鉆采樣。土壤養(yǎng)分分析指標為pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮及有機質(zhì)，pH值采用電位法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸取-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用浸提火焰光度法測定，全氮含量采用半微量凱氏法測定，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定，實測數(shù)據(jù)如表2所示，并利用Excel計算工具對實測數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

表2 對照區(qū)、隆起區(qū)與裂縫區(qū)土壤特性對比

由表2可知，礦區(qū)地表土壤基本呈現(xiàn)中性(6.33～6.51)，參照《第二次全國土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準》，對照區(qū)上層(0～20 cm)堿解氮平均含量屬于2級，隆起區(qū)、裂縫區(qū)上層(0～20 cm)堿解氮平均含量屬于3級；對照區(qū)、隆起區(qū)及裂縫區(qū)上層(0～20 cm)有效磷平均含量屬于5級；對照區(qū)、隆起區(qū)及裂縫區(qū)上層(0～20 cm)速效鉀平均含量屬于3級；對照區(qū)上層(0～20 cm)全氮平均含量屬于1級，隆起區(qū)、裂縫區(qū)上層(0～20 cm)全氮平均含量屬于2級；對照區(qū)、隆起區(qū)及裂縫區(qū)上層(0～20 cm)有機質(zhì)平均含量均屬于6級。結合對土壤養(yǎng)分指標的顯著性分析，得出對照區(qū)、隆起區(qū)、裂縫區(qū)上層(0～20 cm)的有效磷、速效鉀、堿解氮含量均有不同程度的下降，而全氮、有機質(zhì)含量出現(xiàn)了顯著性差異(P<0.05),如圖6、圖7所示。對照區(qū)、隆起區(qū)、裂縫區(qū)下層(20～40 cm)指標含量沒有明顯的變化，部分采樣點裂縫區(qū)的養(yǎng)分指標相對于隆起區(qū)的養(yǎng)分指標有所下降。

注：不同小寫字母表示處理間0.05水平差異顯著圖6 對照區(qū)、隆起區(qū)與裂縫區(qū)全氮含量顯著性分析

注：不同小寫字母表示處理間0.05水平差異顯著圖7 對照區(qū)、隆起區(qū)與裂縫區(qū)有機質(zhì)含量顯著性分析

對于造成土壤肥力顯著差異的原因，主要是因為地下煤炭開采引起地表沉陷后，沉陷區(qū)土壤養(yǎng)分的賦存特征發(fā)生了明顯改變，地表發(fā)生的沉陷、裂縫、隆起，使原地貌的地表形態(tài)、土壤結構發(fā)生了改變，增加了地表的土壤侵蝕和水土流失強度，使0～20 cm地表土壤的養(yǎng)分流失加劇，由于地表植被的根系主要分布在0～20 cm處，導致植被退化，加劇了礦區(qū)地表土壤沙化。同時，卞正富、趙明鵬等[11～12]也認為開采沉陷造成的地面坡度對土壤養(yǎng)分指標也存在一定的影響，而裂縫區(qū)基本發(fā)育在沉陷區(qū)的邊坡上，隆起區(qū)發(fā)育在工作面的正上方，即沉陷區(qū)的坡底，造成了裂縫區(qū)的土壤養(yǎng)分指標下降程度相對較大。

礦區(qū)處于干旱半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，軟基巖沙質(zhì)松散層的地質(zhì)條件下，地表土壤比較貧瘠，有機質(zhì)含量為6級，厚度較小，一般為40～50 cm，水土保持能力差，所以土壤養(yǎng)分并未出現(xiàn)“逆序”特征。

4 結 論

煤炭開采帶來經(jīng)濟利益的同時，對地表土壤以及生態(tài)環(huán)境也造成了不可避免的破壞，使地表土壤肥力下降、植被退化，綜合實驗研究結果，得出以下結論：

(1)結合對地表移動變形的預計和現(xiàn)場調(diào)查的結果，給出了沉陷區(qū)、裂縫區(qū)以及隆起區(qū)的發(fā)育范圍，為今后的礦區(qū)生產(chǎn)以及生態(tài)治理規(guī)劃提供依據(jù)。

(2)與對照區(qū)草地相比較,裂縫區(qū)、隆起區(qū)上層土壤(0～20 cm)堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮及有機質(zhì)指標含量相對降低,尤以全氮和有機質(zhì)變化顯著。