郝園園，朱宗澤，郝成元

(1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作454000;2.沁陽(yáng)市國(guó)土資源局，河南 沁陽(yáng)454550)

煤炭是我國(guó)現(xiàn)時(shí)最主要的能源，約占一次性能源構(gòu)成的74%，且96%以上的煤炭產(chǎn)量來(lái)自于井工開(kāi)采[1]。這種開(kāi)采方式打破了煤層覆巖的自然平衡狀態(tài)，導(dǎo)致頂板斷裂、破碎、相繼冒落。隨著工作面的向前推進(jìn)，受開(kāi)采影響的巖層范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，當(dāng)開(kāi)采范圍達(dá)到足夠大時(shí)，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，引起地表沉陷[2]。采煤沉陷是煤礦開(kāi)采對(duì)土地資源最直接的破壞，采煤沉陷后，昔日平原變成了高低不平的沉陷地，肥沃農(nóng)田變成了低產(chǎn)坡地、沼澤地或蘆葦叢生的沉陷湖泊，導(dǎo)致礦區(qū)耕地面積減少及單產(chǎn)銳減，礦群關(guān)系惡化[3-4]。20世紀(jì)30年代，西歐及北美各國(guó)已經(jīng)開(kāi)始在礦區(qū)的植被恢復(fù)方面進(jìn)行深入研究[5-6];自80年代開(kāi)始，澳大利亞、新西蘭等著重強(qiáng)調(diào)廢棄礦地的恢復(fù)和治理[7-8]。我國(guó)自20世紀(jì)90年代才開(kāi)始對(duì)礦山廢棄地復(fù)墾及有毒有害物質(zhì)污染后的植被修復(fù)問(wèn)題進(jìn)行研究[9-10]，雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速，礦區(qū)土地復(fù)墾率已達(dá)12%，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[2]。目前，我國(guó)的土地復(fù)墾與礦區(qū)生態(tài)重建主要集中于有毒有害物質(zhì)防治、植被恢復(fù)及土壤基質(zhì)熟化等方面[11-13]。本研究以潞安集團(tuán)王莊煤礦為例，深度辨析礦區(qū)采煤沉陷的現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)、類(lèi)型、影響等，分析了研究區(qū)采煤沉陷區(qū)充填復(fù)墾現(xiàn)狀及不足，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 研究區(qū)概況

王莊煤礦位于山西省潞安礦區(qū)北區(qū)的東南部，井田范圍北與漳村井田鄰接，南以二崗山北斷層為界，東以石圪節(jié)井田煤層露頭線(xiàn)、漳澤水庫(kù)最高洪水水位線(xiàn)為界，西與常村、古城井田鄰接。井田南北長(zhǎng)平均為19.40 km，東西寬平均為4.6 km，面積79.45 km2。王莊煤礦建于1958年，1966年12月正式投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)兩次改擴(kuò)建，2008年實(shí)際生產(chǎn)能力接近750萬(wàn)t/a。

2 王莊煤礦開(kāi)采沉陷現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)

2.1 王莊煤礦開(kāi)采沉陷現(xiàn)狀

截至2008年年底，王莊煤礦采煤已造成的沉陷土地面積約為1 145.89 hm2，其中穩(wěn)定沉陷地面積為615.35 hm2(沉陷耕地、常年積水、季節(jié)性積水面積分別為539.90、27.35、48.10 hm2)，約占沉陷地總面積的53.70%;不穩(wěn)定沉陷地面積為530.54 hm2(沉陷耕地、常年積水、季節(jié)性積水面積分別為465.77、30.54、34.23 hm2)，約占沉陷地總面積的46.30%(表1)。

表1 2008年年底王莊煤礦采煤沉陷地統(tǒng)計(jì)

2.2 王莊礦區(qū)沉陷土地預(yù)測(cè)

隨著王莊煤礦投產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，將會(huì)造成更大面積的土地因采煤而沉陷。依據(jù)規(guī)劃，王莊煤礦最終生產(chǎn)能力將達(dá)到1 125萬(wàn)t/a。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，平均每開(kāi)采1萬(wàn)t煤，地表沉陷0.2 hm2，最多的達(dá) 0.53 hm2[3，14]。據(jù)此估算，在今后 10 年間，王莊煤礦每年將有數(shù)百公頃土地因?yàn)椴擅憾料?。另外，每年?huì)增加矸石山占地1.77 hm2、粉煤灰堆場(chǎng)占地3.56 hm2。

3 王莊煤礦采煤沉陷的影響

3.1 對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

王莊煤礦開(kāi)采沉陷以中度為主，中度沉陷面積約占總沉陷面積的92%。中度沉陷對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的影響并不是太嚴(yán)重，主要是在一定程度上對(duì)土壤、水體、植被和人居環(huán)境等人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境要素造成損害。

(1)對(duì)土地的影響。在王莊煤礦，采煤沉陷破壞的土地主要為耕地，占87.76%。沉陷形成坡地或沉陷盆地，造成部分土地季節(jié)性積水，局部常年積水，農(nóng)田不能耕作;采煤沉陷使地表變形不均衡，耕地變得起伏不平，水、土、肥流失，土壤肥力下降，農(nóng)作物大幅減產(chǎn);采煤沉陷造成土層松動(dòng)，加速土地退化進(jìn)程。

(2)對(duì)水環(huán)境的影響。王莊煤礦的3#煤層開(kāi)采疏干了含水層，改變了地表水與地下水的循環(huán)方式，使地表水資源減少，影響區(qū)內(nèi)生活和生產(chǎn)水源;地表沉陷和裂縫(隙)也在一定程度上改變了產(chǎn)匯流條件，造成個(gè)別村莊飲水困難。

(3)對(duì)動(dòng)植物的影響。采煤沉陷導(dǎo)致大量耕地荒廢，不能耕種，雜草叢生;少數(shù)淺部采區(qū)(深厚比小于20)和山區(qū)采動(dòng)滑坡區(qū)的植被受到嚴(yán)重破壞;礦區(qū)內(nèi)野生動(dòng)物原有30多種，由于采礦活動(dòng)的干擾以及棲息地的破壞與生境惡化，目前種類(lèi)和數(shù)量均有所減少，食物的減少和人為干擾加速了動(dòng)物多樣性減少的速率。

3.2 對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響

首先，采煤沉陷引起的地表移動(dòng)，其方向多變，速度不均，導(dǎo)致房屋、公路、鐵路、管道、塔桿等不同程度地遭到破壞，對(duì)礦區(qū)居民的生產(chǎn)、生活造成不便，也造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。其次，采煤沉陷一方面使部分耕地不能耕作，減少了耕地面積;另一方面降低了土地生產(chǎn)力，作物單產(chǎn)減少，從而影響糧食生產(chǎn)和農(nóng)民收入，農(nóng)民一旦失去土地，收入減少，隨時(shí)都可能出現(xiàn)影響煤炭生產(chǎn)、危及社會(huì)穩(wěn)定的問(wèn)題。

4 王莊煤礦沉陷區(qū)充填復(fù)墾現(xiàn)狀及不足

截至2008年年底，王莊煤礦共治理了263.63 hm2采煤沉陷區(qū)，治理后土地交還原村民組使用，權(quán)屬不變，用于耕種、栽樹(shù)、蓋房或發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。

4.1 充填工程治理措施

充填工程是在治理王莊煤礦采煤沉陷地過(guò)程中所采取的重要工程措施，它不僅處理了礦區(qū)內(nèi)的固體廢棄物，同時(shí)又治理了礦區(qū)內(nèi)因采煤而沉陷的土地。

(1)煤矸石充填工程治理模式。利用累積煤矸石作為沉陷區(qū)土地治理的充填材料，既可復(fù)墾因采煤而導(dǎo)致沉陷的土地，又可減少矸石堆放占地，消除矸石山對(duì)環(huán)境的污染。

(2)粉煤灰充填工程治理模式。電廠(chǎng)的粉煤灰堆棄在野外，不僅壓占大片土地，而且污染礦區(qū)生境。利用沉陷區(qū)的巨大容積解決礦區(qū)燃煤電廠(chǎng)粉煤灰堆放問(wèn)題，不僅能治理兩害(沉陷區(qū)、粉煤灰)，而且對(duì)三方(電廠(chǎng)、煤礦、農(nóng)民)都有利。利用粉煤灰充填沉陷區(qū)覆土造地，不僅技術(shù)可行，而且經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益良好。

4.2 王莊煤礦充填復(fù)墾工作存在的不足

(1)充填治理后土壤的酸堿性不利于作物的生長(zhǎng)。王莊礦區(qū)屬于高潛水位礦區(qū)，充填治理后，充填的煤矸石層或粉煤灰層位于潛水位之下，矸石或粉煤灰長(zhǎng)期處于水浸泡環(huán)境之中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由于煤矸石呈酸性，粉煤灰一般呈堿性，從而使充填后的土壤要么呈酸性，要么呈堿性。從土壤學(xué)以及植物對(duì)土壤的適宜條件看，一般最適宜植物生長(zhǎng)的pH值在5.5～8.0之間，過(guò)酸或過(guò)堿的土壤都不利于作物的生長(zhǎng)。

(2)充填治理過(guò)程中對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞較大，治理后土壤比較貧瘠。礦區(qū)充填治理的一般方法是先將充填沉陷區(qū)內(nèi)的表土剝離出來(lái)，充填煤矸石或粉煤灰到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后壓實(shí)，再回填剝離的表土進(jìn)行農(nóng)林種植。在施工的過(guò)程中，由于機(jī)械的擾動(dòng)，使土壤原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞，治理后土壤孔隙、結(jié)構(gòu)性、保水保肥性等理化指標(biāo)發(fā)生較大變化，土壤中可供作物吸收的肥分較少，土壤的肥力與普通農(nóng)田相比大大降低。

(3)煤矸石和粉煤灰充填物有害物質(zhì)含量較高。由于矸石和粉煤灰本身含有許多有害物質(zhì)，再加之王莊煤礦位于高潛水位，充填后矸石或粉煤灰長(zhǎng)期處于水浸泡環(huán)境下而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出的有害物質(zhì)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到地表土壤中，進(jìn)而被植物的根系所吸收，并在果實(shí)中部分殘留或積累。

(4)充填治理為建設(shè)用地時(shí)，對(duì)矸石地基的處理過(guò)于簡(jiǎn)單。王莊煤礦將采煤沉陷地充填治理為建設(shè)用地時(shí)，通常是將煤矸石自然傾卸一次充填到設(shè)計(jì)高度，然后做壓實(shí)處理。因充填煤矸石的厚度不一致、壓實(shí)程度不一樣，其地基承載力也不一樣，所以當(dāng)建造高層建筑物時(shí)，建筑物可能會(huì)因其地基承載力的不同而遭到不同程度的破壞。

5 王莊煤礦充填復(fù)墾工作的改進(jìn)措施

針對(duì)王莊煤礦采煤沉陷區(qū)充填復(fù)墾中存在的問(wèn)題，建議采取以下幾個(gè)方面的措施來(lái)改進(jìn):

(1)運(yùn)用化學(xué)方法改變土壤的酸堿性。通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)煤矸石或粉煤灰充填沉陷區(qū)后過(guò)酸或過(guò)堿的土壤，提前采取化學(xué)方法進(jìn)行中和處理:對(duì)于煤矸石充填的土壤，可在施工時(shí)根據(jù)土壤的酸度施加少量的石灰、石粉等，將土壤的pH值調(diào)節(jié)至適合植物生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn);對(duì)用粉煤灰充填沉陷區(qū)的土壤，可施加少量的石膏以改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤的板結(jié)程度。另外，也可采用將煤矸石和粉煤灰混合的方法將pH值調(diào)節(jié)至合適大小。

(2)優(yōu)化施工工藝，降低對(duì)土壤的破壞。王莊煤礦當(dāng)前采用的充填法是:在剝離表土?xí)r，常常大面積剝離和堆放，當(dāng)充填到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再回填剝離的表土，推土機(jī)推土的距離過(guò)長(zhǎng)，有時(shí)甚至超過(guò)100 m，嚴(yán)重破壞了土壤自然形成的結(jié)構(gòu)。為了構(gòu)建一個(gè)合理的土壤剖面，可以采用以下技術(shù)路線(xiàn):首先，將充填區(qū)域劃分為若干條帶，分為填充條帶和表土剝離條帶，每一條帶寬30 m，在填充第一條帶之前，先將第一條帶的表土進(jìn)行剝離，存放到專(zhuān)門(mén)的土場(chǎng);然后用煤矸石或粉煤灰充填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，剝離第二條帶的表土覆蓋在第一條帶上，表土的剝離分為兩層，表層土(30 cm)和底層土(60 cm)，在表土剝離區(qū)，適當(dāng)劃分若干個(gè)剝離塊，實(shí)現(xiàn)分層剝離、交錯(cuò)回填，從而完成第一條帶的土壤重構(gòu);最后再用煤矸石或粉煤灰充填第二條帶，待充填至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，剝離第三條帶的表土，將其覆蓋在第二條帶上，完成第二條帶的土壤重構(gòu)，以此類(lèi)推，完成其他條帶的土壤重構(gòu)。

(3)優(yōu)化充填工藝，防止煤矸石、粉煤灰中有害物質(zhì)遷移及對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染。由于煤矸石、粉煤灰中含有有毒有害物質(zhì)，這些有毒有害物質(zhì)會(huì)直接或間接地污染土壤，而且可以通過(guò)各種聯(lián)系(如貫通河道、農(nóng)灌渠、地表裂隙等)發(fā)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)而污染周?chē)h(huán)境。所以，為了減少煤矸石、粉煤灰對(duì)土壤及周?chē)h(huán)境的污染，在充填的整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)填充方案，減少有害污染物的遷移機(jī)會(huì)，可以在充填的煤矸石層上覆蓋厚黏土層，并進(jìn)行植樹(shù)綠化或耕作養(yǎng)田，還可設(shè)置多層黏土隔離層，或類(lèi)似于垃圾掩埋場(chǎng)采取在周?chē)O(shè)置黏土襯層、導(dǎo)水溝等措施來(lái)減少污染。同時(shí)，最好少種或不種食用的農(nóng)作物，以種植棉花、黃麻等經(jīng)濟(jì)作物和經(jīng)濟(jì)林木為宜，這樣既能充分治理、利用因采煤而沉陷的土地資源，又能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，還能避免因農(nóng)作物受到重金屬等有毒有害物質(zhì)的污染進(jìn)而對(duì)人體健康造成不良影響等。

(4)優(yōu)化充填方法，對(duì)作為建設(shè)用地的充填地基實(shí)施加固處理。為了避免建在壓實(shí)處理不均勻的矸石回填層上的建筑物遭到破壞，應(yīng)優(yōu)化充填方法，對(duì)充填為建設(shè)用地的地基實(shí)施加固處理。在矸石充填時(shí)，建議采取分層充填、分層碾壓的方法，即每充填一定厚度，一般以不超過(guò)0.5 m為宜，采用強(qiáng)夯法、振動(dòng)壓實(shí)法等進(jìn)行壓實(shí)，然后再充填再壓實(shí)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，使充填為建設(shè)用地的矸石地基足夠穩(wěn)定。

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