第一章 绪论 ................................................................................................................................................ 1 第二章 研究区区域地质环境条件 ............................................. 3
2.1大路峁煤矿矿区概况 .................................................. 3 2.2大路峁煤矿地质环境条件 .............................................. 3 第三章 矿区基本情况及治理的必要性 ........................................ 14
3.1矿区开采历史 ....................................................... 14 3.2矿区采空区和自燃火烧区现状 ......................................... 14 3.3剩余残煤储量 ....................................................... 15 3.4自燃火烧区和采空区治理的必要性 ..................................... 16 第四章 治理方案 .......................................................... 18
4.1治理原则 ........................................................... 18 4.2治理的外部条件 ..................................................... 18 4.3治理方案的比选 ..................................................... 19 4.4治理程序 ........................................................... 20 4.5内、外排土场及临时堆场 ............................................. 23 第五章 治理工程 .......................................................... 26
5.1 治理工程量及残煤剩余量 ........................................... 26 5.2 内外排土场边坡稳定性分析 ......................................... 28 5.3 防排水工程 ....................................................... 30 5.4 矿山地质环境监测工程 ............................................. 31 第六章 生态综合治理 ...................................................... 34
6.1 生态现状 ......................................................... 34 6.2 生态恢复 ......................................................... 34 致 谢 .................................................................... 40 参考文献 .................................................................. 41
1
第一章 绪 论
1.1选题依据
大路峁煤矿煤层埋藏较浅，地表煤层露头多、面积大，局部区域没有进行有效的处理，氧化时间已经远远超过自燃发火期，遇氧即可形成自燃。且有向更大的范围蔓延的趋势。同时，矿区内小窑开采方式为“房柱式”，采煤后采空区四通八达，自燃发火面积大，井下灭火无法进行。虽然当地政府对老窑进行了封闭，组织了专门的巡逻队巡逻，并采取了多种措施，但仍然不能绝对保证社会人员的人身安全，也无法阻止火区的继续扩大，存在着重大安全隐患。煤炭自燃不仅威胁火区的煤炭资源，而且通过火区蔓延，危及周边煤炭资源，对煤炭资源造成极度浪费，同时也严重影响矿区内的生态环境及邻近矿区的生产安全。区内大面积的自燃发火吞噬着宝贵的煤炭资源，造成巨大经济损失，同时污染了大气环境，造成部分地表植被枯死。因此防灭火问题迫切急需解决。
煤炭采空区经过一段时间后会形成塌陷，对采煤塌陷区进行综合治理普遍认为是一个世界难题。目前，国内传统的治理模式主要为采煤塌陷稳沉后进行治理，即采煤塌陷—补偿损失—塌陷地闲置—治理。 塌陷区治理工作始终面临着等“稳沉条件”成熟后再治理的尴尬局面。这种治理模式在淮北地区存在的主要问题是：一是在塌陷过程中土地资源始终处于闲置状态，不能有效利用；二是大规模土地塌陷后再进行复垦，不仅给复垦治理工程带来很大困难，治理费用也较高；三是耕作层难以保护和利用。塌陷地表积水后再作复垦，熟土白白陷入水中，治理时无法取土，浪费了大量的土壤资源；四是传统模式复垦的耕地质量较差，复垦后的耕地需要一段时期熟化和改良才能耕种。
1.2主要研究流程内容梗概
（1）研究对象：
本课题的探究对象为府谷县沟门镇的大路峁煤矿，其因煤层埋藏较浅，被沟谷分割，煤层露头多，煤层上部覆盖层薄，煤层上覆岩层风化剥蚀严重，从而形成多处地表煤层自燃火区。
（2）研究目的：
煤矿自燃火区对当地的环境造成了极大的破坏和污染，而且对煤矿当前及以后的开发将造成很多不安全因素和危害，同时也造成煤炭资源的浪费。故本次研究欲达到以下目的：有效解决煤矿自燃火烧隐患区安全隐患，对釆空区的治理能够有效的保护土地，遏制山体滑坡、水土流失、泥石流等，提升矿山企业本质安全水平，保障人民群众生命
1
财产安全；有效解决煤矿自燃火烧隐患区安全隐患，实现矿产资源开发和矿山生态环境保护与治理良性循环发展；通过对煤矿自燃火灾隐患区综合治理，改善人民群众生产生活条件，推进矿区新农村建设，构建和谐村矿关系，维护矿区群众根本利益和长远生计。
2
第二章 研究区区域地质环境条件
2.1大路峁煤矿矿区概况
陕西大路峁煤矿有限责任公司位于府谷县城西北部50km处，行政区划隶属府谷县 庙沟门镇管辖。大路峁煤矿有简易公路与南北通过的野（芦沟）～大（昌汗）相接，在野芦沟相接府（谷）～店（塔）一级公路，神（木）～朔（州）、神（木）～包（头）铁路分别从矿井以南和以西通过，外围交通较为方便。大路峁煤矿位于陕北侏罗纪煤田庙哈孤矿区安山井田南部的地方煤矿开采区之内，开采区面积为1.405km2，地理坐标：东经110°47′32″～110°48′36″，北纬39°13′48″～39°14′44″。煤矿开采深度1150～1128m，设计生产规模为9万吨/年，开采5-2煤层，整合后拟改扩建为45万吨/年。大路峁矿区治理区包括两部分治理区，其中1号治理区位于大路峁煤矿井田东北角大石崖沟东侧，面积为10.5万m2，2号治理区位于大路峁煤矿井田东南部新庄则村，面积为57.7万m2。
2.2大路峁煤矿地质环境条件 2.2.1地形地貌
治理区位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带，地貌单元属黄土丘陵沟壑区，区内除沟内有延安组地层出露外，大部分被第四系风积沙和黄土覆盖。区内最低海拔为1218.20m，最高海拔为1342.80m，相对高差124.60m。
黄土丘陵沟壑主要分布在矿区中部，约占全区面积的60%，组成物质主要是粉砂、粉土，且以粉质粘土为主。由于雨水的冲蚀作用，梁峁坡面冲沟发育，沟谷直立，黄土见垂直节理。沟梁相间，地形支离破碎，水土流失严重。坡面平缓区为耕地，其余主要为林区和草地。
沟谷地貌主要分布矿区北部和西部的大西沟沟谷平直宽阔，谷地宽30～200m，河谷呈明显的U型，一级阶地发育，高出河床1～3m，由冲积松散堆积物与风积沙组成。
3
2.2.2气象与水文
本区地处我国西部内陆，属于典型的中温带半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷，春季多风，夏季炎热，秋季凉爽，四季冷热多变，昼夜温差悬殊，干旱少雨，蒸发量大，降雨多集中于7～9等月份。全年无霜期短，10月初上冻，次年4月解冻。据榆林市榆阳区气象站1951～2001年多年气象资料，区内年平均气温8.8°C，极端最低气温－29.7°C、极端最高气温38.6°C，最热为7月份，平均23.9°C，最冷为1月份，平均－8.4°C。当地白天、黑夜温差大气候多变。
区内多年平均降水量394.6mm，最大降水量849.6mm（1967年），年最小降水量227.7mm(1972年）；多年平均蒸发量1973.8mm。降水主要集中在7～9月份，占全年降水总量的69%，尤以8月份最多，平均降水量为132.5mm，约占全年降水总量的25%，并多以暴雨形式出现，易形成洪水。
2.2.3地层岩性
4
煤矿区内地形切割强烈、呈沟壑梁峁地势，山梁、缓坡大部分被第四系黄土和新近纪红土所覆盖，沟谷、陡坡均为基岩出露区。根据以往钻孔揭露及地表填图观测，地层由老至新有：三叠系上统永坪组（T3y)、侏罗系下统富县组（Jlf)、侏罗系中统延安组(J2y)、新近纪静乐组（N2j)、及第四系（Q)，现分述如下：
（1）三叠系上统永坪组（T3y)
永坪组是侏罗系含煤地层的基底，与上覆侏罗系下统富县组呈不整合（或假整合）接触。据区域资料该套地层全层厚度一般80～200m。岩性为一套灰绿色巨厚层状中、细粒长石石英砂岩，含大量云母及绿泥石，局部含有石英砾、灰绿色泥质包体及黄铁矿结核，发育大型板状交错层理、楔形层理、个别块状层理及波状层理。因该组地层上部剥蚀风化，故顶面起伏不平，局部地面的砂岩因风化呈浅灰白色，向下逐渐过渡到灰绿色。
（2）侏罗系下统富县组（Jlf)
富县组是在起伏不平的永坪组基底上开始沉积的，因此其厚度变化较大，区内未进行全层控制，零星出露于矿区西部大西沟等沟谷中，一般厚度10～30m，局部厚度达50m以上，与下伏永坪组地层呈假整合接触。本组为河流相、湖泊相沉积，根据其沉积特征和岩性组合大致将富县组划分为两个亚旋回。其中，下亚旋回的下部岩性主要为粗粒石英砂岩、含砾粗粒石英砂岩，夹有石英细砾岩，其次为中粒、细粒长石石英砂岩。局部地段底部发育有砾岩，砾石成分有脉石英、燧石及硅质岩组成，砾石直径从几至150mm不等，磨圆度中等，分选性差，填隙物为中细砂及粉砂，上部为灰绿色、灰褐色、紫杂色粉砂岩、砂质泥岩，局部为灰黑色、深灰色砂纸泥岩；上亚回旋的下部及中部为巨厚层状灰白色粗粒长石石英砂岩、含砾粗粒砂岩，夹中粒细粒长石石英砂岩，顶部为灰绿色、紫杂色粉砂岩、砂质泥岩，局部地段在顶部夹黑色泥岩及煤线，块状层理，含植物化石及叶肢介化石。
（3）侏罗系中统延安组（J2y)
5
延安组为本区含煤地层，区内煤系地层大部分被剥蚀，仅保留下部第一段残存厚度， 一般厚度16.4～80.6m，平均厚度35.2m。该组总体为一套河流～湖泊～湖泊三角洲相碎屑岩沉积，岩性组合为灰、灰白色砂岩，灰黑、黑色粉砂岩、泥岩夹煤层、炭质泥岩及油页岩，偶夹透镜状泥灰岩、或球状菱铁矿及菱铁质砂岩、蒙脱质粘土岩，其宏观特征如下：砂岩以细~中粒砂岩居多，少量粗粒或含砾砂岩，且多集中在5-2煤层的上部与该组底部；细碎屑岩以粉砂岩占优势，泥岩多局限于个别层位，厚度较薄，一般为煤层顶底板；常见泥灰岩透镜体、菱铁质砂泥岩，砂岩多钙质交结，沉积上反映弱碱性水介质环境。
（4）新近纪上新统静乐组（N2j)
分布于各支沟沟脑，主要由红色粘土构成，上部红色粘土层中含有稀少的钙质结核。以棕红色区别于第四系古土壤层。下部钙质结核增多，似有连续层状钙质结核层，出露地段可见10～30多个钙质结核层（单层厚10～30cm不等），含有三趾马化石碎块。底部为杂色巨厚层状粗碌岩层，其成分为砂岩、石英等。局部见砂岩漂石，厚一般在1～1.5m，最厚可达3.1m。其上见有厚约1.2m的浅紫红色含砾粗砂岩，以石英组成为主，分选性、磨圆度差，主要为砂质胶结，次为钙质胶结，具有冲洪积相特征，但在区内出露不普遍。钻孔揭露厚度0～64.9m，平均厚度32.2m。本组地层因含三趾马及其它动物骨骼化石而称之为“三趾马红土”，与下伏侏罗系中统延安组呈不整合接触。
（5）第四系（Q)
中更新统离石组（Q1)广泛分布于区内大部分坡面，岩性在坡面主要为风成黄土。据钻孔揭露及填图资料，厚度0～91.3m，平均厚度36.5m。最大厚度在东北部梁峁一带，厚度变化大且不稳定。西部及北部局部地段形成无土区，西北部呈零星片状分布，厚度约10m。岩性以灰黄色、棕黄色亚粘土、亚砂土为主，其中夹多层古土壤层，含分散状钙质结核，粒径一般3～5cm，最大为20cm，具垂直裂隙，古冲沟发育，与下伏地层呈不整合接触。
6
全新统冲积层（Q4al）主要分布在炭窑沟、古城沟、小井沟、老庄沟及大的沟谷中，主要为全新统冲积、洪积砂、粉砂、粘土及砾石等松散堆积物。岩性以灰黄色、灰褐色细砂、粉砂、亚砂土和亚粘土为主，含少量腐植土，底部多数含有砾石层，砾石直径3～4cm,分选性、磨圆度差，其厚度0～13m，一般2～6m，与下伏地层呈不整合接触。
2.2.4地质构造与地震
陕北侏罗纪煤田位于中朝大陆板块之西部、鄂尔多斯拗陷盆地伊陕单斜区之内，基底为坚固的前震旦系结晶岩系，印支期及其后的历次构造运动对矿区的影响主要表现为垂直升降运动，形成一系列的假整合面或小角度的不整合面。据区域资料，基底中主要存在吴堡靖边EW向、保德吴旗NE向、榆林西神木西NE向构造带，对煤田的形成及分布具有一定的控制作用。神府矿区构造单元处于鄂尔多斯地台二级构造单元～伊（克昭盟）陕（西）单斜东缘中部。由于基底是坚固的前震旦系结晶岩系，故中生代以来，地史上历次构造运动对本区影响甚微，表现在以垂向运动为主，仅形成一系列沉积间断假整合面，矿区构造极其简单，没有褶皱，倾角1°左右大单斜层。
大路峁矿区为向南倾斜的单斜构造，局部发育宽缓的波状起伏，倾向SW，倾角1～3°。5-2煤层底板标高一般在1128～1150m之间，最低1116m，近于水平地层，起伏较小，西北部地势较高，沿沟谷煤层出露较多，剥蚀范围较大。矿区南部与沙梁井田分界处发育一条较大的正断层（F1)，断层走向98～123°，倾向188～213°，一般倾角65～70°，局部75～80°，近直立，断层落差约70～140m，近东西向分布，东西延伸大于20km，延伸至矿区外围。区内未发现落差大于30m的断层及小断层。矿区总体构造上简单，同时，治理区也没有发现岩浆岩侵入，地质构造复杂程度属简单类型。
本区位于鄂尔多斯台向斜宽缓的东翼～陕北斜坡上，地壳活动相对微弱。据历史记载仅公元1448年在榆林发生过4.7级地震，烈度为6度；1621年5月在府谷孤山一带发生过6.7级地震，烈度为6度，此后再未发生过4级以上地震。邻省（区）曾发生过其它一些较大地震，本区仅为有感区，如1996年5月30日，距本区约350公里的内蒙
7
古包头市发生6.4级地震，本区仅有震感。近百年来本区从未发生过大的地震，虽有几次小的地震，但烈度仅在2.5度，属无震区。根据《陕西省工程抗震设防烈度图》（1993年10月）的烈度划分，本区基本地震烈度为VI度。依据《地震动峰值加速度区划图》矿区的地震动峰值加速度为0.05g。常发生小滑坡、丰水期发生泥沙流等地质灾害。
2.2.5煤层
由于冲刷剥蚀等原因，该区仅保存部分延安组第一段，残留厚度一般小于40m，且厚度变化较大，其主要岩性为灰白色中细粒砂岩，灰色泥质粉砂岩、深灰色泥岩等。砂岩的走向和倾向均相变较大，不稳定，含稳定的可采煤层5-2煤。延安组第一段(J2y)局部残留，厚度保存不全，大部分被剥蚀，段厚16.6～80.6m，平均厚度35.18m，含稳定可采的5-2煤层。该段为滨浅湖相沉积，岩性总体呈下粗上细正粒序，中、下部岩性多以灰～灰白色细粒砂岩、中粒长石石英砂岩为主，夹有粉砂岩、砂质泥岩，具交错层理、均匀层理；上部岩性以灰色粉砂岩为主，夹细粒砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层，具波状层理、小型交错层理。根据以往区域沉积环境的研究成果，结合本区钻孔资料分析，延安组第一段沉积时有浅湖存在，在填平浅湖之后，沼泽平原发育，形成5-2号煤层聚积。
2.2.6水文地质特征
区内水系较发育，较大河流有矿区西部的大西沟，矿区紧邻大西沟支沟崔家沟，以上河流多为季节性河流，流量随地表降水变化极大。
（1）含（隔）水层水文地质特征
a．第四系全新统冲、洪积层孔隙潜水含水层（Q4al）：近代河床冲、洪积物，岩性主要由砾石、砂质粘土组成，未胶结。该层呈带状及串珠状分布于治理区内崔家沟中，含水层厚度2～6m，岩性多为亚砂土加砂层，底部为砂砾石层，透水性较差。
b．第四系中上更新统黄土孔隙潜水含水层（Q2）：岩性为浅棕黄色砂质粘土，夹钙质结核层，垂直节理发育，疏松，中密～稍密，具孔隙，受流水侵蚀切割构成黄土区特
8
有的地貌，厚度0～91.3m不等，一般梁厚，沟谷薄且宽度较窄，厚度约36m。
c．新近纪上新统静乐组相对隔水层（N2j）：出露于崔家沟中、上游谷坡上，岩性为浅红色～褐红色粘土，亚粘土，夹多层白色韩质结核，底部常见1～2m厚的砾石层，多已胶结成砾岩。粘土致密，持水性好，透水性弱，厚度变化大，孔隙裂隙均不发育，为矿区内较好的局部相对隔水层。
d．侏罗系中统延安组裂隙、孔隙含水层（J2y）：延安组地层广泛出露于崔家沟沟内，钻孔揭露厚度16.4～80.6m。岩性主要为细、中、粗粒砂岩、泥岩及煤在梁峁区顶部风化带裂隙、孔隙发育，在丰水期只能起到暂时储水作用，但因多在当地侵蚀基准面之上，处于临空状态，又因延伸深度浅，连片性小，故地下水多被疏干或水量很小，属水量贫乏区。沟谷基岩风化带，水量较大，而下伏正常基岩含水层较薄，补给来源不足，水量贫乏，含水层普遍含水微弱。
e．侏罗系下统富县组砂岩裂隙含水层（J2f）：出露于崔家沟沟谷中，岩性为浅灰色砂岩和紫杂色泥岩不等厚互层，含水层为灰白色中厚层状中粗粒长石、石英砂岩及含砾粗粒砂岩，钻孔揭露厚度1～82.6m，一般厚度10～30m，水量甚微，为弱富水含水层。
（2）地下水的补给、径流、排泄条件
第四系冲、洪积层潜水含水层，主要沿沟谷分布，大气降水为主要补给来源，其次接受河谷两岸地下水的侧向补给。与河流地表水存在互补关系，一般丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补给地表水。河谷区潜水径流方向主要受微地形控制，沿分水岭多向西偏南、东侧多向东方向径流，平直地段一般与河床斜交，河曲地段在泥岩隔水层阻隔下，以下降泉形式排泄。
第四系黄土孔隙潜水含水层，出露于崔家沟沟谷的边坡地段，大面积分布于梁峁地带，大气降水为主要补给来源，由于含水层受地貌、岩性及本区气象条件等影响，使大气降水在黄土梁峁区不易大量渗入补给潜水含水层，只有在雨季有少量不连续补给。由于新近纪红土对含水层的隔水作用及沟谷水系控制，径流方向变化大，总趋势是自分水
9
岭从地势较高的梁峁顶部及斜坡向沟源、谷坡边岸、沟谷中心运动，在谷坡下部和底部以下降泉形式排泄。
碎屑岩裂隙孔隙含水层，区内沟谷基岩裸露面积较大，基岩风化裂隙发育，局部地段覆盖松散层厚度很薄，这种条件不仅为潜水的补给创造了良好的条件，也为大气降水、地表水和潜水顺层补给承压水创造了条件。该层潜水在裸露区接受地表水、大气降水补给，在覆盖区接受上部潜水的补给，由于风化带含水层的潜水运移状况受地形控制，主要排泄于深切的沟谷底部河流中。在崔家沟内承压水由北东向南西顺层径流，其排泄方式为承压顶板被沟谷切穿而混入潜水或形成水泉。因岩层孔隙度大，主要直接充水含水层为各煤层顶板砂岩裂隙水，据水文孔抽水资料，矿区内没有流量大于1L/s水泉，说明本区富水性极弱，地下水补给条件差，水文地质条件简单。同时，主要矿体位于当地侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水。
（3）矿床充水因素分析
依据本区水文地质条件及煤层上覆基岩结构类型，矿井充水方式可分为直接充水和间接充水两种，它们均具有一定的充水水源和充水途径。
大气降水是地下水及地表水的补给来源，矿床充水都直接或间接与大气降水有关。区内多年平均降水447.12mm，且多集中在7～9月份，占全年降水量的55.5%，最大日降水量819.1mm。据小窑调查，矿井涌水量随季节有不同的变化，其一般滞后半天至一天时间，故大气降水为矿井充水的间接水源。
区内地表水体主要是大西沟河水，尤其是沟谷区段，矿层开釆后的沟谷区成为冒裂贯通的严重地段，丰水期沟流水将沿裂缝溃入采空区，易造成淹井事故。局部地段导水裂隙带与风化裂隙带沟通，地表水通过风化裂隙带进入矿坑，成为间接充水水源。
区内地下水极不丰富，煤系地层含水层是煤层的直接充水含水层，侵蚀基准面以上煤层顶板砂岩含水层，水量小，富水性弱，开采易于排水。当煤层开采过程中，冒落带及导水裂隙带与风化裂隙潜水沟通时，使其成为直接（或间接）充水水源。
10
据生产及废弃的小窑调查显示，煤层顶板岩性以粉砂岩、细粒砂岩为主，其次为泥岩，裂隙不发育，其含水量较为贫乏，矿井涌水量较小。对众多小窑调查矿坑涌水量一般15～50m3/d，各小窑没有发生突水事故，因此煤层剥挖过程中不会对剥挖工作面及生产人员造成威胁，剥挖过程中只需布设临时排水设备。
2.2.7工程地质特征
根据岩土体工程地质特征，可将整治区区内岩土体分为四大类七个岩组，如表所示。现分述如下：
表2-3 岩土体工程地质分类表
工程地 岩性及组合特征 质分类 松散沙层组 土质岩类 土层组 广布全区，包括黄土和红土 侵蚀基准面之上5—2煤层自燃形成的烧变岩, 烧变岩类 烧变岩组 蜿蜒锯齿状分布于煤矿西部谷坡。 碎裂结构 风化岩组 软弱岩类 煤岩组 可采煤层及不可采煤层 层状结构 半坚硬岩类 砂、泥岩互层岩组 煤层直接顶板和直接底板 基岩顶部5?30m 分布于梁峁区和河谷阶地区，风积，冲积成因 散体结构 空间分布 岩体结构 11
砂岩组 （1）松散沙层组
煤层基本顶及延安组各段中部 块状结构 分布于矿区低洼沟谷部位，大西沟、崔家沟沟谷中，厚度小，范围小，孔隙率大，承载力低，稳定性差。 （2）土层组
包括第四系中、上更新统离石组、新近系上新统静乐组。区内黄土受水流侵蚀作用，梁峁区冲沟发育，坡陡谷深，地形支离破碎，谷坡多见坍塌形成陡坎，沟头可见潜蚀现象。据区内施工资料，塑限19.3%，液限33.2%，天然含水率29.5%，液性指数0.76，为粉土或粉质粘土。黄土孔隙比大，结构疏松，垂直节理发育，一般多不具湿陷性，但易被地表水流冲蚀而引起坍塌，浸水易失稳。
红土层分布于黄土下部，多出露于沟谷、谷坡一带，钻孔揭露厚度10.3～4.9m，一般厚32m左右，较致密，可塑性强于黄土，承载力低，稳定性差。加之弱面，分布于边坡地段时易发生变形。据有关资料，红土渗透系数仅4.47×10－3cm/s，孔隙率6.0%，隔水能力强。 （3）烧变岩组
包括不同烧变程度的砂岩、粉砂岩、泥岩等，蜿蜒锯齿状断续分布于煤矿西部沟谷～两侧，一般自燃深度20～50m。煤层自燃后，引起的破碎带和裂隙密集带厚度一般达10～30m。发育的张性裂隙纵横交错，由片状、块状、渣状等烧变岩块共同组成的烧变岩体。岩块之间无粘结力，岩石质量极劣，稳定性很差，单块岩体具有较好的力学强度，随烧变程度的不同，岩体的工程地质性质亦有所差异，据邻区资料，岩石烧变后容重减少，比重增大，孔隙率增加，熔融岩的抗压、抗剪强度增大，烧变较严重的岩石抗压、抗拉、抗剪强度减小。 （4）风化岩组
12
据钻孔统计风化岩组厚度5.4～25.5m，平均厚度11.3m，由上到下风化程度逐渐减弱，强风化带原岩结构破坏，疏松破碎，孔隙率大，含水率高，粘土矿物含量逐渐增加，在岩体结构面中富集粘土矿物形成软弱夹层，对岩体的强度和破坏具有控制作用。遇水易膨胀，多数岩石遇水短时间内全部崩解或沿裂隙离析，岩体完整性差。 （5）煤岩组
5-2煤层平均饱和抗压强度为4.03MPa，平均干燥抗压强度为14.32MPa，软化系数0.28，平均饱和抗拉强度为0.77MPa。 （6）粉砂岩、泥岩及互层岩组
本岩组是煤系地层的主要岩组，与煤层开采有直接关系，由粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩及薄煤层等组成，多出现于煤层顶底板。岩石含有较高的粘土矿物和有机质，发育较多的水平层理、小型交错层理、节理裂隙等结构面。干燥状态下单轴抗压强度为16.01～88.50MPa，平均值为47.63MPa，饱和抗压强度5.78～47.51MPa，平均值为26.28MPa，属半坚硬岩石。浸水或长时间暴露于空气中岩石多沿层理方向离析成薄片，软化系数平均值0.57，表现出稳定性较差的特点。RQD值平均为54.4%，岩石质量中等，岩体质量中等完整。 （7）砂岩组
本岩组以中、细粒砂岩为主，次为粗粒砂岩，多形成煤层的老顶或老底。原生结构面一般有块状层理、大型板状交错层理，单层厚度大，构造结构面不发育。饱和抗压强度为4.24～47.94MPa，平均28.46MPa，软化系数0.43～0.76。RQD平均值89%，岩石质量优，岩体较完整，为区内稳定性较好的岩组。
13
第三章 矿区基本情况及治理的必要性
3.1矿区开采历史
通过调查和现场问询，1和2号治理区各存在1处小煤窑开采5-2煤，生产技术落后，设备简单，开采方式大多为人工刻槽打眼放炮取块煤为主，小四轮拖拉机出煤，露天堆放，一般均为全层开釆。工作面宽度一般6m左右，安全煤柱一般5m左右，采高1.5～2m，小煤窑为10余年内非法开釆所形成，开采深度一般在30m以上，现已被当地政府依法关闭（爆破封口）。
3.2矿区采空区和自燃火烧区现状
1号治理区范围内主要可采煤层为5-2煤层，埋藏深度最深约50m，最浅为20m。煤层底板标高为+1128～+1150m。可采厚度为2.0～2.2m，平均厚度2.1m，煤层厚度变化不大，规律性明显，结构简单，不含夹矸，属稳定型、易自燃煤层。
2号治理区范围内主要可采煤层为5-2煤层，埋藏深度最深约为50m，最浅约为10m。埋藏煤层底板标高为+1130～+1155m。可采厚度为1.5～1.7m，平均厚度1.5m，煤层厚度变化不大，规律性明显，结构简单，不含夹矸，属稳定型、易自燃煤层。
3.2.1采空区分布范围
大路峁煤矿自上世纪90年代进行开釆，目前已经形成多处大范围的采空区，其中在1号和2号治理区内各存在1处釆空塌陷区。
根据现场调查，1号治理区范围的西侧有小煤窑1处，采空区面积为2043m2。在治理区范围的中部有采空塌陷1处，釆空面积为65326.92m2，现场调查发现地表出现地面沉陷及地裂缝等现象。2号治理区范围的北部有小煤窑1处，采空区面积为9016m2。在治理区范围的中部有采空塌陷1处，采空面积为35.47万m2，现场调查发现地表出现地面沉陷及地裂缝等现象。
3.2.2自燃火烧区分布范围
矿区内煤层主要沿沟边自燃，随着向覆盖区的延伸，煤层自燃随之变弱并趋于尖灭。现场调查1号治理区北侧沟道出露大量烧变岩，且在火烧区边界有自燃点存在，根据勘探报告和现场实地调查，自燃区面积约25613m2；2号治理区南侧沟道有大量因煤层自燃而形成的烧变岩，且在火烧区边界有自燃点存在，根据勘探报告和现场实地调查，自燃区面积约31832m2。
3.3剩余残煤储量 3.3.1治理区残煤分布情况
1号治理区内煤层埋藏最深约40m，最浅为10m，平均埋深20m。煤层底板标高为+1150～+1128m。可采厚度为2.00～2.24m，平均厚度2.10m，煤层厚度变化不大，规律性明显，结构简单，不含夹矸，属稳定型煤层。2号治理区内号煤层埋藏最深约30m，最浅为5m，平均埋深22m。煤层底板标高为+1130～+1155m。可采厚度为可采厚度为1.45～1.66m，平均厚度1.50m，煤层厚度变化不大，规律性明显，结构简单，不含夹矸。
3.3.2残煤剩余资源量
根据《陕西省府谷县庙沟门镇大路峁煤矿资源储量核实报告》及1号治理区采空区范围和治理区范围之间的关系，边角煤回收的范围在1号治理区划分为3个区块，有效含煤面积为2.79万m2，煤层厚度取2.1m，煤平均容重1.33t/m3。该治理区实际赋存资源量为7.8万t，由于该区回收资源条件好，可按95%的计算回收率，则可以回收7.4万t。具体计算见表3-1。
表3-1残煤剩余资源量估算表
治理区 ①号治理区 边界煤区块 面积（104m2) 煤厚（m) 1 2
煤量（万t) 回收煤量（万t) 2.5 3.1 7.4 0.90 1.12 15
2.1 2.1
3 1 ②号治理区 2 3 0.77 18.0 6.7 1.02 合计 2.1 1.5 1.5 1.5 2.2 35.9 13.4 2.0 53.6 46.2 根据2号治理区采空区范围和治理区范围之间的关系，回收边角煤范围在2号治理区划分为3个区块，有效含煤面积为25.72万m2,煤层厚度取1.5m，煤平均容重1.33t/m3。该治理区实际赋存资源量为51.3万t，按90%的回收率，则可以回收46.1万t。具体计算见表3-1。两治理区合计回收残煤53.5万t。
3.4自燃火烧区和采空区治理的必要性 3.4.1治理的必要性
按照“谁破坏、谁复垦”的原则，将生产建设单位的土地复垦目标、任务、措施和计 划等落到实处；为土地复垦的实施管理、监督检查以及土地复垦费征收等提供依据。对大路峁煤矿煤炭自燃隐患区和采空区的治理，可以达到以下目的： （1）保护环境
对煤炭自燃隐患区和采空区的治理，能够从根本上杜绝釆空区火灾、地表塌陷、水土流失等地质灾害的发生，能够有效的保护环境、恢复植被，减少水土流失带来的损失，进一步的减少工业三废对采空区地区的污染，从而根本上保护环境。
（2）复垦造田
对煤炭自燃隐患区和釆空区合理的治理，能够有效的改善该地区的生态环境，通过复垦，可以耕作农田、植被造林，提高土地利用级别，增大耕地和林地的面积，从而达到合理利用土地资源。
（3）回收资源
16
小煤窑开釆受井工开采条件的限制，或由于安全及采煤方法的原因，采空区范围内还有一部分煤炭资源有待于回收。对采空区的治理可以回收部分煤柱及其边角残留煤，有效的利用现有资源，减少了资源浪费，提高了资源利用率。
（4）减少地质灾害
对釆空区的治理能够有效的保护土地，遏制山体滑坡、水土流失、泥石流等自燃灾害的发生。
（5）改善民生
回收残余煤炭，为当地村民创造一定的就业岗位，创造一定的财富，使之安居乐业。 （6）消除大矿生产安全隐患
煤炭自燃隐患区和采空区的彻底治理，也有利于临近矿井的安全生产，消除自燃、漏风、积水、塌陷等安全隐患。
3.4.2总结
大路峁煤矿煤层埋藏较浅，地表煤层露头多、面积大，局部区域没有进行有效的处理，氧化时间已经远远超过自燃发火期，遇氧即可形成自燃。且有向更大的范围蔓延的趋势。同时，矿区内小窑开采方式为“房柱式”，采煤后采空区四通八达，自燃发火面积大，井下灭火无法进行。虽然当地政府对老窑进行了封闭，组织了专门的巡逻队巡逻，并采取了多种措施，但仍然不能绝对保证社会人员的人身安全，也无法阻止火区的继续扩大，存在着重大安全隐患。煤炭自燃不仅威胁火区的煤炭资源，而且通过火区蔓延，危及周边煤炭资源，对煤炭资源造成极度浪费，同时也严重影响矿区内的生态环境及邻近矿区的生产安全。区内大面积的自燃发火吞噬着宝贵的煤炭资源，造成巨大经济损失，同时污染了大气环境，造成部分地表植被枯死。因此防灭火问题迫切急需解决。
总之，对大路峁煤矿煤炭自燃火烧区，必须采取工程以及技术方面的措施，彻底消除发火隐患。
17
第四章 治理方案
4.1治理原则
根据我国《矿产资源法》第三十二条规定：“开采矿产资源，应当节约用地。耕地、草原、林地因采矿受到破坏的，矿山企业应当因地制宜地采取复垦利用、植树种草或者其他利用措施。开釆矿产资源给他人生产、生活造成损失的，应当负责赔偿，并采取必要的补救措施”。《地质灾害防治条例》第五条规定：“因工程建设等人为活动引发的地质灾害的治理费用，按照谁引发、谁治理的原则由责任单位承担”。
治理以保护和恢复自然生态环境为出发点，以建设社会主义新农村，改善当地生产生活条件为目标，促进经济与环境的协调发展。在遵守环境保护法、土地管理法和建设社会主义新农村总体要求的同时，根据综合治理工程建设特点，提出以下应遵循的原则：
（1）综合治理与农村建设相结合 （2）综合治理原则 （3）生态优先原则
（4）与主体工程相衔接的原则 （5）坚持经济可行原则 （6）有序实施原则
4.2治理的外部条件
(1)交通运输条件
(2)电源条件及可能提供的容量 (3)水源条件及可能提供的水量 (4)通信条件
(5)建筑材料供应条件
18
(6)环境条件
4.3治理方案的比选
在煤矿露头处当地居民有偷采现象，形成釆空区，此次治理方案针对煤层露头和出现自燃火烧区的区域进行治理。根据区域地形地貌、煤层埋藏特征、自燃火区点分布情况，设计提出两个治理方案，分别为灌浆灭火方案和强行釆出法治理方案。 方案一：灌浆灭火治理方案
灌浆灭火法预防性灌浆是防止煤自燃发火的一项传统的、也是最为有效、稳定可靠的重要措施，在国内煤矿中得到普遍应用。灌浆是利用高压水轮或机械设备取土，将其与水按适当配比，制作成有一定浓度的泥浆，再借助于自然压差或泥浆泵，覆盖包裹有自燃倾向的煤层。预防性灌浆的作用一是隔断供氧通道，二是散热，达到破坏聚热环境的作用。此方法应用于露天煤矿，对预防煤炭自燃能收到明显效果。 方案二：露天剥挖治理方案
灭火区域内煤层覆盖层较薄，上覆松散层厚度约10?40m,基岩厚度约5?20m。因此本方案对灭火隔离条带进行开挖，挖掉残留煤柱，隔离火源，最后将灭火带采用黄土覆盖压实，防止死灰复燃；该方案同时可回收残煤，提高煤炭资源利用及回收率，补偿灭火施工费用，减少灭火成本。
方案一虽然可以灭火，但投资大，没有产出，没有经济效益。
方案二不需要国家投资，利用回收的残煤价值，补偿灭火施工费用，且略有盈余，且治理彻底，覆土造田效果好，利国利民利企业利第三方，经过经济技术方案的比较和论证，设计决定釆用露天剥挖的方式进行采空区治理，以彻底根除采空火区带来的灾害
经过以上的分析对比，认为大路峁煤矿自燃火烧区的治理特别适宜于露天剥挖的治理方式。即在火区范围内自上而下分台阶开挖露天剥离，挖除有自燃倾向的煤炭，后期 用黄土覆盖煤层露头。最后回填开挖坑，平整及再覆盖黄土，并复垦绿化。
故确定大路峁煤矿拟采用露天剥挖的治理方案。
19
4.4治理程序
为达到根本治理的目标，防止残留边角煤和煤层露头自燃，在把上部的覆盖层全部 挖出，重新回填、压实的过程中，要清理出残留煤和边角煤。这样才能彻底避免地表火 和残留煤在地下自燃造成对环境的污染。具体方法可归纳出如下步骤：
注水降温——上覆土岩层的剥挖——排渣——火区残煤的回收及运输——开挖坑底部边界煤层露头黄土封堵、覆盖——开挖坑回填、整平——黄土覆盖（以备绿化复垦）——绿化。
(1)注水降温
(2)剥挖煤层上的岩石 (3)排渣 (4)采出残煤
(5)开挖坑底部边界煤层露头黄土封堵、覆盖 (6)开挖坑回填、整平 (7)复垦、绿化
4.4.1治理剥挖境界圈定的依据及原则
大路峁煤矿矿权总面积1.4047km2,自燃火区治理在整合区东北部。两个治理自燃火区和采空区的范围不超过矿权境界。治理境界圈定的依据及原则为：
(1) 陕西省核工业地质调查院提供的《陕西省陕北侏罗纪煤田庙哈孤矿区安山井田勘探报告》；
(2) 依据地质条件所确定的边坡角；
(3) 尽量回收资源，有利于后期煤炭资源的开采；
(4) 参照露天开釆工艺的一般要求，对剥挖境界底部的几何形状作以适当调整； (5) 没有煤的区域不进行剥挖。结合钻孔资料确定。
20
4.4.2剥挖境界的确定
根据自燃火区的分布，大路峁煤矿火区主要是5-2煤层露头处，故本设计治理区剥挖境界深度至5-2煤层的底板，煤层底板标高为+1150?+1128m。
根据治理区范围并参照露天开采工艺的一般要求，对剥挖境界局部的几何形状作以 适当调整，最后确定本治理工程剥挖范围的境界。
4.4.3治理程序
1) 治理初始区段
根据大路峁煤矿采空火区治理区的具体条件，设计决定首先进行剥挖区的治理施工。初始拉沟位置选择原则：
①由治理区边缘向治理区中心推进； ②排土及运输方便； ③覆土造田便利； ④与外部联络通畅； ⑤初始建设工程量小。 2) 拉沟位置
①号治理区在大石崖沟西支沟5-2煤层已经完全暴露且此位置煤层埋藏较浅，初始可以继续利用原来的原煤运输道路，具备了良好的初始剥挖条件，故设计利用这处作为初始治理拉沟位置。
②号治理区在百草墕沟5-2煤层出露较好，该沟道内煤层埋藏较浅，具备了良好的初始剥挖条件，故设计利用这处作为初始治理拉沟位置。由于该治理区面积较大，拟分作两期进行治理。
3) 治理顺序
依据确定的拉沟位置，结合治理区的赋存条件，并有利于覆土造田，大路峁煤矿①
21
号治理区选在治理区的南部边界的石崖沟作为初始拉沟初始位置，根据遗留煤柱的情况，开采向东及南部推进。
①号治理区分为两期进行治理。I期选在治理区的西部的百草蔫沟作为拉沟初始位置，根据遗留煤柱的情况，开采向东及南部推进，直到剥挖最终边界。该期进行外排
4.4.4剥挖程序
1) 台阶划分方式、标准台阶高度
大路峁煤矿①号治理区赋存有5-2煤，煤层平均厚度2.1m，煤层倾角一般1°左右，没有褶曲，在煤层之上是基岩，平均厚度约8m,基岩之上周部分布有第四系松散层，主要由风积沙和细砂、粉砂和亚砂土组成，平均12m。②号治理区的5-2煤，煤层平均厚度1.5m，基岩平均厚度约8m，基岩之上局部分布有第四系松散层，主要由风积沙和细砂、粉砂和亚砂土组成，平均13m。
大路峁煤矿治理区露天治理采用水平划分台阶的方式。上覆第四系松散层根据其厚 度划分为若干个台阶。基岩单独划分台阶，根据基岩上部划分为1个基岩台阶，煤层与 上部基岩划分为一个独立台阶。
根据剥离物和煤的物理力学性质与其埋藏条件，依照采掘设备规格，设计确定标准 台阶高度为10m。
2) 采掘带宽度
考虑作业设备的规格、采装作业条件等因素，确定剥离、釆煤采掘带宽度均为15m。 3) 最小工作平盘宽度
平盘宽度的选取主要考虑以下因素：采掘带宽度，爆堆伸出宽度，运输通道宽度，运输通道离下一台阶坡顶线的安全距离等。
4) 工作台阶坡面角
工作帮松散层风积砂台阶坡面角确定为35°,火烧岩石台阶坡面角确定为55°,岩石台阶坡面角确定为70°，煤台阶坡面角确定为70°。
22
5) 帮坡角 ①工作帮坡角
根据上述开采参数以及煤层赋存条件，正常生产时，剥挖治理区的工作帮坡角10°左右。
②端帮帮坡角
正常端帮帮坡角均为35°左右。 6) 工作平盘规格
平盘排土作业采用边缘排土与场地排土相结合的排土方式，其最小排土工作平盘宽度由落石滚落安全距离宽度、卸载宽度、汽车长度、调车宽度、道路通行宽度、卸载边缘安全距离等构成，最小工作平盘宽度不爆破台阶为45m，爆破台阶为45m，煤台阶42m。
4.5内、外排土场及临时堆场 4.5.1 排弃方式选择
根据剥挖区及其周围的地质地形条件，开拓方式，近距离排土以及环保的要求选择外排土场地。初期将表土放置在一个临时排土场。残煤和高温土岩必须洒水降温后排弃，残煤必须用黄土覆盖，以防自燃。
1) 外排土工艺
① 采用台阶式堆放，每个台阶高度25m,外边坡坡比1:1.5，中部设3m宽平台一处。 ② 排土堆填顺序为，先排放岩石，后排放风沙土，最后将粘土层覆盖其上。排土过程中要分层摊平压实。
③ 粘土集中堆放工艺：为将粘土层做为外排土场的终场覆土之用，须先在远离采掘作业带平坦处做集中堆放处理，待外排土场渣石和风沙土填埋结束后，运至外排土场平摊覆土。
23
2) 内排土工艺
① 台阶高度：考虑环保及排土安全，排土为三个台阶。一个为粘土及沙土排土台阶，高度为5m,稳定角度为30°。另两个为岩石台阶，台阶高度为10m，稳定角度为50°。
② 台阶宽度：初始排土时，台阶宽度为20m，随着工作面的推进，排弃物增加，台阶宽度也逐渐扩大，投产时可达到40m。排土台阶不受空间限制，随着下部台阶的推进，上部台阶进一步扩展。
③ 排土工作线长度：推土机排土，同时考虑3台车同时作业，确定排土线长度为100m；排土线釆用直线式。
④ 回填顺序设计：排土堆填顺序为，先排放岩石，后排放风沙土，最后将粘土层覆盖其上。排土过程中要分层摊平压实。
4.5.2排土场布置方案
根据剥挖区及其周围的地质地形条件，开拓方式，近距离排土以及环保的要求选择外排土场地。有火的残煤和高温土岩必须洒水降温后排弃，残煤必须用黄土覆盖，以防自燃。结合治理区的地形条件，①号治理区外排土场设置在治理区东侧约0.9km处的沟道，初始剥离表层土存放在治理区南侧的临时堆土场，临时排土场占地面积0.26万m2，外排土场占地面积2.5万m2。②号治理区外排土场设置在治理区东侧百草壎沟道内，初始剥离土存放表层在治理区南侧的临时堆土场，临时排土场占地面积1.42万m2，外排土场占地面积17.5万m2。
4.5.3排土场技术参数
排土场台阶高度25m;最小工作平盘宽度BB=Ll+L2+L3+L4+L5+e,式中： L1——台阶边缘安全宽度；取2m. L2——料堆占用宽度；5?10m，取5m。 L3——计算卡车全长；取9m。
24
L4——计算卡车调头回转宽度；取12m。L5——双车道路面宽度；取12m。 e大块滚动距离；取10m。 计算结果为50m
4.5.4排土场建设方式
内排土场内排的过程即为回填的过程，汽车沿端帮到非工作帮排弃，两个非工作帮台阶并为一个排土台阶，排弃顺序为由下至上。
剥挖结束后利用外部岩石排土场的排弃物将剥挖坑填平。
25
第五章 治理工程
5.1 治理工程量及残煤剩余量 5.1.1 剥挖工程量
运用CASS软件建立地质模型计算，①号治理区在剥挖区境界内总剥离量156万m3,其中松散层剥离量93.6万m3，岩石剥离量62.4万m3，剥挖量与可回釆残煤量的比例为21.08m3/t。
②号治理区在剥挖区境界内总剥离量923.2万m3，其中松散层剥离量519.3万m3，岩石剥离量403.9万m3，剥挖总量包括火烧区和采空区内的岩土剥挖，因此计算出的剥采比相对偏大，剥挖量与可回采残煤量的比例为19.98m3/t。
其中，I期工程在剥挖区境界内总剥离量456.0万m3，其中松散层剥离量256.5万m3，岩石剥离量199.5万m3，剥挖总量包括火烧区和采空区内的岩土剥挖，剥挖量与可回釆残煤量的比例为19m3/t。
II期工程在剥挖区境界内总剥离量467.2万m3,其中松散层剥离量262.8万m3，岩石剥离量204.4万m3，剥挖总量包括火烧区和采空区内的岩土剥挖，剥挖量与可回采残煤量的比例为20m3/t。
表4-1剥挖治理工程量表
面积 治理区 (万m2) 松散层 93.6 256.5 剥离量（万m3) 岩石 62.4 199.5 小计 156 456.0 回收煤 (万t) 7.4 22.8 ①号治理区 ②号 I期 10.4 28.5 26
治理 区 II期 合计 29.2 57.7 262.8 519.3 204.4 403.9 467.2 923.2 23.4 46.2 5.1.2 爆破工程量治理期需要爆破的工程量
依据岩性，岩石、残煤需要爆破，见表4-2。
表4-2治理区爆破估算表
治理区 岩石 ①号治理区 残煤 合计 岩石 I期 ②号治理区 岩石 II期 残煤 合计 204.4 17.6 222.0 残煤 合计 爆破量（万m3) 62.4 5.6 68.0 199.5 17.1 216.6 5.1.3 用土量
1) 灭火用土量
火区用土分为两个部分：坑底覆盖边帮煤层露头、回填后覆垦用土坑底覆盖边帮煤层露头是将剥挖出现的坑底煤层露头进行封堵，隔绝煤层与空气的联系，防止复燃。
剥挖后进行回填，剥挖坑表面形成平台，在平台上覆土以利于恢复植被（覆垦）。 2) 用土量计算方法
① 坑底用土（坑底覆盖边帮煤层露头）
27
《煤田火灾灭火规范》规定，挖除火源后需要覆盖0.5?0.8m厚的土层并压实，考虑压实、损失因素，覆盖厚度定为lm。覆盖高度取着火煤层的平均厚度，坑底长从图中量取。
a治理区坑底用土量=坑底长x煤层平均厚度x覆盖厚度=250x2.10x1=525(m3) b治理区坑底用土量=坑底长x煤层平均厚度x覆盖厚度=910x1.50x1=1365(m3) ② 复垦用土
在平台上覆盖0.5m厚表土层，能够满足植物生长。平台面积取自剥挖坑地表面积。复垦用土量=地表面积x覆盖厚度。复垦用土量见表4-3。
表4-3复垦用土量表
治理区 项目 治理区 ①号治理区 外排土区 合计 治理区 I期 ②号治 理区 II期 外排土区 治理区 合计 地表面积（104m2) 覆盖厚度（m) 10.4 2.5 12.9 28.5 17.5 29.2 75.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 土量（104m3) 5.2 1.25 6.45 14.25 8.75 14.6 37.6 5.2 内外排土场边坡稳定性分析 5.2.1 基岩边坡稳定性分析
治理区内主要有第四系松散岩类和株罗系沉积碎屑岩类，按岩石坚固性，前者为松散岩组，后者为强烈风化、结构疏松、裂隙较发育的软质岩组。岩石台阶坡面坡比1:0.5，综合坡比1:1。岩体强度数据参考煤田勘探报告及我院的经验，见表5-4。
岩石边坡综合力学指标：凝聚力0.235MPa，内摩擦角25°，容重2.35t/m3。
28
经计算，在坡高70m时，岩体的综合摩擦角为56°，且开挖区岩层水平，无不良软弱面控制，稳定性比较好，最终开挖邦坡选用1:1的综合坡合坡比是安全的。考虑到开挖过程中，可能有滚石从开挖边坡上滚至工作平台，危及生产人员和机械设备，可在工作平台上部设置被动防护网，拦截落石。被动防护网随着工作面的推进向其推进方向变动位置布置。
5.2.2 排土场稳定性分析
排土场外边缘堆放坡比为1:1.5，约合33.7°。根据当地经验，挖方碎石土的自然休止角为36°左右，即排土场堆放边坡坡比小于自然休止角，因此稳定性较好。为防止暴雨冲刷引发的水土流失，在排土场斜坡上浆砌石修筑格构，再覆土种草。
表5-4边坡岩体强度表 凝聚力 岩性 (MPa) 粉砂岩 0.298 内摩擦角(°) 容M(t/mJ) 25.40 2.34 泥岩 0.22 28.40 2.32 细砂岩 0.326 30.50 2.42 中粒砂岩 0.237 31.99 2.26 粗砂岩 0.298 29.39 2.20 29
砂砾岩 0.06 35 2.15 黄土层 0.062 23 1.88 砂土层 0.04 13 2.01 煤 0.419 22.90 1.29 煤层底板岩石 0.287 25 2.35 5.3 防排水工程
5.3.1 治理坑内临时排水设施
（1）地下水控制方式 （2）确定采场排水方式 （3）采场排水工程布置
（4）排水工程技术参数和设备材料选型 采掘场排水量计算见表4-5。
表4-5釆掘场排水量表
正常降雨排水量（m3/h) 地下涌水量 1.5 正常降雨量 0.43 合计 1.93 暴雨排水量（m3/h) 地下涌水量 1.5 暴雨量 0.89 合计 2.39 釆掘场的排水设备及材料，按照正常排水、暴雨排水的要求分别进行选择。水泵按每天20h工作计。正常排水管路、暴雨排水管路均采用直缝卷焊钢管。采掘场排水设备
30
及管材见表4-6。 .
表4-6排水设备及管材
数量 单名称 型号及规格 位 使用 备用 潜水 电泵 潜水 电栗 直缝卷焊钢管 直缝卷焊钢管 Q=50m7hH=50mN=18.5kW 台 D40x3 D114x4 M M 500 300 1 1 暴雨 Q=10m3/liH=50mN=5.5kW 台 1 2 三常 暴雨 合计 备注 管路采用明设，但挖掘设备、运输设备经过排水管道的地方采用埋设并用钢制套管防护。
5.4 矿山地质环境监测工程 5.4.1 监测内容
（1）沟道行洪能力監测：弃渣占用沟道情况、行洪宽度等；
（2）生态恢复监测：植草面积、种树棵数及其成活率控制，工业场地疏松土体厚度及表层覆盖耕植土厚度等；
（3）釆掘场边坡稳定监测： a 地面位移监测
地面岩移监测。在矿坑周边地面建立地面岩移观测点，实施定期观测，及时掌握边坡动态。
采场内平盘岩移监测。在矿坑主要工作平盘上布置观测点，与地面观测点一起构成
31
网状分布，定期进行观测，随时掌握岩移情况。
重点部位临时岩移監测。对重点部位设置临时观测点，按周期进行观测，监视局部变形，及时做出变形或滑坡预报。
b 深部位移监测
为了掌握深部岩体的变形动态，建立地下岩体位移变形监测孔。钻机成孔后，在孔内安装有刻槽滑道的聚乙烯管，用移动式测斜仪进行定期监测，从而实现对深部岩体变形动态的观测，并及时做出变形预测。
c 施工监控.
配合地面岩移监测，安排专业人员分区域进行巡视，查看地表裂隙或建筑物的变形状况，以便随时发现变形异常情况，并及时采取对策。
（4）自燃火烧治理区监测：监测煤层露头黄土覆盖区监测温度等变化。
5.4.2 监测方法
（1）边沟道行洪能力监测：严格按照矿产资源开发利用方案设计要求，采矿弃渣用于采空区充填，严禁随意堆积于沟道内，安排技术人员实地監督；
（2）生态恢复监测：实地放线丈量生态恢复面积，每周监测植被生长发育情况，实地监测覆土厚度等；
（3）非工作边帮监测：在边角设置变形监测点；
（4）自燃火烧治理区監测：在自燃火烧区黄土覆盖层布设监测管，监测温度变化情况。
5.4.3 监测点布设
根据矿业活动进度，及时对开挖工程边角设置監测点，控制每个边角设1个变形监测点，对采空区地面垂直影响区段设置变形監测点，按每公顷设置一个監测点控制，计算本阶矿山地质环境保护監测共布置監测点9个，其中边帮变形監测点5个，自燃火烧
32
区边帮露头覆盖区监测点4个。
5.4.4 监测频率
正常情况下每周一次，在汛期雨季或及防治工程施工期应加密监测，宜每天或数小时一次。
33
第六章 生态综合治理
根据本方案编制的指导思想和编制原则，本工程生态环境综合治理方案最终实现的防治目标是：预防和最大程度地控制项目建设和生产过程中造成的生态破坏和水土流失，以工程措施和植物措施为主、辅以临时措施，合理利用水土资源，恢复当地生态环境，实现区域社会、经济的可持续发展。
6.1 生态现状
矿区位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带，治理区地貌单元属黄土丘陵沟壑区，区内除沟内有延安组地层出露外，大部分被第四系风积沙和黄土覆盖。
由于地处毛乌素沙漠和黄土高原过渡地带，生态环境相对脆弱，矿区范围内没有农田，几乎全部为黄土丘陵和风沙地貌，植被稀少。
6.2 生态恢复
由于火区治理采取边开采边复垦边治理的方式，初期开挖的表层覆土堆放置临时排土场，由于内排空间受限，剥挖初期的大量岩土弃渣堆放到外排土场，后期剥挖产生的岩土弃渣对采坑进行填埋整平，整平高度受南部沟道底部标高控制。并在剥挖结束时将最初形成临时排土场的表层黄土回填至最终形成的釆掘矿坑及外排土场，因此本部分针对内排土场、临时排土场、外排土场制定生态恢复措施。
6.2.1 生态恢复设计原则
（1）生态效益优先，社会、经济效益综合考虑 （2）釆取工程复垦工艺和生物复垦工艺相结合 （3）以生态学中的生态演替原理为指导
（4）保证―农业用地总量动态平衡‖，提高土地质量。
6.2.2 生态环境建设方法比选
34
1) 生态环境建设经验
多年来，地方水利、林业部门在附近类似的地貌区域开展过生态建设工作，积累了一定的经验，值得借鉴。
① 着眼于防治风沙灾害，加强植被建设，改造沙丘，保护滩地。在沙丘造林中采取了―前挡后拉‖造林方法，防止流沙向前推进，从而有效地增加植被，固定流沙，为发展林牧业打下良好的基础。
② 发展基本农田，提高基本农田数量，减少农耕地数量，促进林牧业的迅速发展。在合理布局基本农田的同时，大力营造―四旁林‖和―护滩林‖，使农田林网、护滩网和防风固沙林连成一片，提高林网的防护作用。
③ 实行封山育林育草，是实现大面积植被自然恢复的良好途径。近几年，该区广大群众响应政府号召，积极开展退耕还林还草，收到了良好的效果，生态环境得到了明显改善，出现了野草萋萋，林木茂盛，生机盎然的喜人景象。
④ 科学配置抗旱林分结构，因地适树、适草。项目建设区位于毛乌沙地的南缘，有流动、半固定沙丘地貌，水分条件差，针对这一特点，当地科技工作者对树种土壤水分消耗模型研究，得出提高干旱地区沙生植物水分利用率的模式，将该区的生态林结构由原来的乔木为主、乔灌结合，调整为以草为主、草灌结合，优化了林分结构，使生态系统更具有结构复杂、功能齐全、状态稳定的特征。经过多年的治理实践，选择出了适宜当地气候，立地条件、抗逆性强的乡土树种和草种。
⑤ 三年保活验收移交制度。树木栽植后由施工单位抚育三年，三年后成活率达到要求后方可结算，并按照实际成活株数进行结算，成活一株，结算一株，确保了树木的栽
2) 防治经验类比
位于本西部的武家塔露天煤矿隶属神东天隆集团有限责任公司，该露天煤矿自1994年生产建设以来，针对矿区风大沙多，水土流失严重的问题，投入了大量的人力、物力
35
和财力，开展矿区以水土保持为主的综合治理工作。在防风固沙、绿化美化和土地整治等方面积累了一定的治理经验，为今后的治理奠定了基础。主要治理经验有：
① 防沙治沙措施。武家塔露天煤矿生产建设以来，在工业广场和内外排土场有计划、有步骤地开展了防风固沙工作。采取了集中连片的方式营造沙柳沙障防风固沙措施。在外排土场利用当地适生灌木沙柳采取了2x2m菱形沙障网格防护措施。在内排土场采取了Imxlm的#字形沙柳沙障网格防护措施，这些措施有效地遏制了风沙的危害，在防治水土流失方面取得了一定的成效。
② 绿化措施。工业广场按照园林设计标准，利用厂前屋后的空闲地布设了多处草坪，在草坪中栽植了油松、杜松、垂柳、丁香、芍药等具有观赏性乔灌木，基本上实现了工业广场的四季常青、三季有花和环境优美的目标。
③ 临时防护措施。在露天作业面、运煤、排土公路釆取了洒水车定时洒水的方式，较好地控制了整个煤炭生产所涉及的各类工作区域的粉尘污染。
④ 因地制宜，适地适树适草。矿区位于毛乌沙漠的边缘，自然环境条件差，经过多年的治理实践，适宜当地气候和立地条件、抗逆性强的乡土树种和草种有沙柳、沙地柏、油松、河北杨、旱柳、樟子松、沙蒿、沙棘、杨柴、花棒、沙打旺、草木樨等，可为该区域造林绿化、防风固沙的先锋树种和草种。
6.2.3 工程技术措施
通过一定的工程措施进行造地、整地的过程，在造地、整地过程中通过水土保持工程建设减少土水流失发生的可能性，增强再造地貌的稳定性，为生态重建创造有利条件。
治理区的排土场属于人工新塑地貌，土壤结构、植被、地貌形态和地面组成物质与原地貌有较大差异，除了普遍发生的面蚀、沟蚀外，还有沉陷、坡面泥石流等新的侵蚀类型。土壤风蚀在排土场也普遍存在。排土场面积大，水土流失形式多样，侵蚀强度大、危害大、治理难度大。根据排土场的土壤条件和地形等特点，应采取综合防护工程措施，从根本上控制水土流失。制定本项目土地复垦措施的原则是：
36
1) 工程复垦与生态复垦相结合 2) 农用地复垦与耕地建设相结合
3) 林地、牧草地复垦与改善生态环境相结合
由于此次工程采取边釆边复垦的方式，对采坑进行排土填埋后，只形成内排土场，并在开釆结束时将最初形成外排土场回填最终形成的釆掘矿坑，因此本部分只对内排土场制定复垦措施。
6.2.4 生物措施
生物复垦是通过生物改良措施，改善土壤环境，恢复土壤肥力与生物生产能力的活动。利用生物措施恢复土壤有机肥力及生物生产能力的技术措施，包括施无机化肥等措施，对复垦后的贫瘠土地进行熟化，以恢复和增加土地的肥力和活性，便用于农业生产。
1) 土壤改良与培肥措施
治理区覆盖的黄土尽管来源丰富，但是自然条件差，土壤贫瘠，土壤有机质含量低,缺乏必要的营养元素和有机质，必须采取一系列的措施进行土壤改良与培肥。
① 施无机化肥
排土场平台虽然覆盖有良好的黄土层，但因黄土养分贫瘠，尤其缺少氮素和有机质，故必须进行施肥。根据治理区的实际情况，无法大量施用有机肥料，故只能施用无机肥料来增加土壤养分，以化学肥料为启动，使植物生长良好，提高了土壤有机质，改良土壤的理化性质。
② 有效利用污泥
矿区和生活区内污水处理过程中形成的污泥，含有较多的养分和微生物，施在矸石风化物上有较好的效果。同时也可以釆取堆肥发酵的方式，作为土壤改良与培肥的有机肥料。
③ 绿肥法
绿肥是改良复垦土壤，增加有机质和氮磷钾等营养元素的最有效方法。凡是以植物
37
的绿色部分当作肥料的称为绿肥，绿肥多为豆科植物，其生命力旺盛，在自然条件较差、土壤较贫瘠的土地上都能很好地生长。因此无论复垦土地的最终利用方向是宜农、宜林，还是宜牧，在最初几年内都需要种植多年生或一年生豆科草本植物，然后将这些植物通过压青、秸秆还田、过腹还田等多种方式复田，在土壤微生物作用下，除释放大量养分外，还可以转化成腐殖质，其根系腐烂后也有胶结和团聚作用，可以有效改善土壤理化性质。常见的有沙打旺、紫花苜蓿、豆科等植物。
2) 植物的筛选与种植
治理工程将原植被全部破坏，在半干旱生态条件脆弱地区依靠自然恢复较困难，且周期漫长，所以要快速恢复植被，首先是筛选先锋植物，同时要筛选适宜的适生植物以重建人工生态系统。根据矿区植被重建的主要任务，以及生态重建的目标，同时结合本项目区的特殊自然条件，选定植物要具有下列特性：
① 具有较强的适应脆弱环境和抗逆境的能力，即对于干旱、风害、冻害、瘠薄、盐碱等不良立地因子具有较强的忍耐能力。同时对粉尘污染、烧伤、病虫害等不良因子具有一定的抵抗能力。
② 生活力强，有固氮能力，能形成稳定的植被群落。
③ 根系发达，有较高的生长速度，能形成网状根固持土壤。地上部分生长迅速，枝叶茂盛，能尽快和尽可能长的时间覆盖地面，有效阻止风蚀。同时，能较快形成松软的枯枝落叶层，提高土壤的保水保肥能力。
④ 播种栽培较容易，成活率高。种源丰富，育苗方法简易，若采用播种则要求种子
发芽力强，繁殖量大，苗期抗逆性强，易成活。
6.2.6 生态恢复设计
1) 平台复垦设计
本项目排土场是永久性排土场，其地形大多平坦、开阔、土层深厚、易于耕种，因
38
此最终釆用的“林带——耕地——林带”恢复模式。
① 林带间距：主林带带间距离400m、副林带带间距离200m；主林带宽度8m，副林带宽度4m。对于平台宽度小于400m的，只在平台一周布设。
② 树种选择：沙柳x新疆杨，进行间作种植，株行距为2mx2m，见图6-3; ③ 抚育管理：移栽的最初几年要多松土与除草，随着植物的生长，需要进行修剪和间伐。造林当年秋季，凡是成活率在85%以下的或幼林死亡不均的地方，第二年须选择壮苗或比原来稍大的苗木。按原来的株行距补植。栽植头两年需中耕锄草2?3次。以春季和入夏两次最为重要。柠条每年人工坑内松土、除草1次，松土深度5?10cm。严格围封2?3年，让其充分生长。4年后可进行第一次平茬，以后每3年平茬一次，平茬时间为11月上旬至第二年春解冻前。
2) 排土场台阶复垦设计
排土场边坡岩土松散，稳定性差，水分缺乏，植物生长困难，所以其水土保持以生物措施为主，辅以小型坡面工程整地措施，利用植被的防护固持作用和工程措施的拦蓄作用防治坡面水土流失。
在排土场边坡面水平阶内撒播沙打旺和羊草，阶间坡面衆砌石格构内人工种植藤类植物。沙打旺防风固沙能力较强，能固氮，耐瘠薄，对土壤适应性较强。羊草须根具沙套，在山坡、沙壤土中生长，并且可作饲草用，营养价值很高。在种植抚育的过程中，沙打旺、羊草按照1:1进行撒播，在种植2?3年后可利用为饲草，同时防止其退化，及时撒播草种。
39
致 谢
值此论文完成之际，谨向我敬爱的导师致以深深的感谢和崇高的敬意。我还要向各位评委老师不辞辛苦参加我的设计答辩表示真诚的感谢，感谢四年来各位老师在学习上给予的谆谆教导，和生活中给与的帮助和建议，让我从一名对专业一无所知，对未来懵懵懂懂的学生，变成一名有目标合格的地质工程专业的学生，并对四年来我有机会聆听各位老师的教诲表示由衷的敬意。最后，再次感谢地质工程专业的全体老师，在四年的学习、生活过程中给予我的指导和帮助。
40
参考文献
[1]原振雷,肖荣阁,李明立,朱嘉伟,徐莉;矿产资源开发区生态环境问题及其防治[J];矿产保护与利用;2005年01期
[2]何显祥;唐裕民;;矿产资源的开发对环境地质的影响[J];工程与建设;2008年05期 [3]张刚艳;;煤矿采空区治理效果检测及综合评价方法研究[A];2011全国矿山测量新技术学术会议论文集[C];2011年
[4]李晓鹏. 煤矿采空区塌陷区的综合治理[J]. 今日科苑. 2010(16)
[5]孟广涛,方向京,柴勇,苏建荣,和丽萍,李贵祥. 矿区植被恢复措施对土壤养分及物种多样性的影响[J]. 西北林学院学报. 2011(03)
[6]罗毅莎,姚振巩. 采空区安全处理的对策措施研究[J]. 采矿技术. 2010(04) [7]胡炳南. 采空区地基稳定性研究及其技术对策[J]. 煤炭工程. 2010(11)
[8]侯常春. 浅谈煤矿采空区治理工程的施工管理[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2009(S1)
[9]张碧华. 浅议采空区治理施工技术[J]. 山西建筑. 2011(12)
[10]谢必如 白文起. 重庆南桐镇煤矿采空区复绿[N]. 中国国土资源报. 2009-09-07 [11] Mamadou Fall,T. Belem,S. Samb,M. Benzaazoua. Experimental characterization of the stress–strain behaviour of cemented paste backfill in compression[J] ,2007
[12] Serge Ouellet,Bruno Bussière,Michel Aubertin,Mostafa Benzaazoua. Characterization of cemented paste backfill pore structure using SEM and IA analysis[J] ,2008
[13] Amaratunga L M.Designing a strong total tailings pastefill using cold-bonded tailings agglomerates. CIM Bulletin . 2000
41