胡炳南，郭文硯

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

煤炭資源作為我國重要的基礎(chǔ)能源，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了不可替代的促進作用[1]。但煤礦開采都會產(chǎn)生不同程度的地表沉陷，我國采煤沉陷區(qū)分布范圍廣，采煤沉陷區(qū)經(jīng)常發(fā)生地表塌陷、地裂縫、水土流失、房屋建筑損壞、地表積水、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，對土地、水資源、建(構(gòu))筑物、環(huán)境造成巨大破壞，嚴重威脅到國土安全、人民群眾的生存和生命財產(chǎn)安全。

采煤沉陷區(qū)的治理直接影響到礦區(qū)的經(jīng)濟、社會的穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，是我國煤礦區(qū)亟待解決的一大難題。黨中央和國務(wù)院對采煤沉陷區(qū)治理工作十分重視?！笆濉币?guī)劃綱要[2]中，明確將全面推進采煤沉陷區(qū)改造轉(zhuǎn)型、加大生態(tài)嚴重退化地區(qū)修復(fù)治理力度和加強生態(tài)保護力度作為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重點。因此，采煤沉陷區(qū)的綜合治理也是近年來礦山工作者與相關(guān)科研人員的重要研究課題之一。

1 概 述

1.1 煤炭地位

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[3]，煤炭在我國能源總量中一直占主導(dǎo)地位。如圖1，2006—2016年煤炭產(chǎn)量從2.57Gt，增長到3.41Gt，其中，2013年煤炭產(chǎn)量達到最大值3.97Gt；煤炭與能源生產(chǎn)總量占比，由77.45%下降到69.6%，其中，2011年占比最大，為77.8%。隨著煤炭需求放緩、新能源發(fā)展加快和環(huán)境制約加劇等，我國原煤產(chǎn)量開始減少，煤炭在能源中占比也相應(yīng)減少。盡管煤炭在我國能源中占比逐漸減少，但未來較長一段時期內(nèi)，煤炭仍將是我國重要的基礎(chǔ)能源。

圖1 2006—2016年煤炭產(chǎn)量及其煤炭與能源總量占比

1.2 累計采煤量

采煤沉陷區(qū)與累計采煤量緊密相關(guān)。通過調(diào)研和收集國家統(tǒng)計局與工業(yè)協(xié)會原煤產(chǎn)量數(shù)據(jù)，得出全國2006—2016年累計原煤總產(chǎn)量37.49Gt。按累計原煤產(chǎn)量省份排名前10名依次為山西、內(nèi)蒙、陜西、河南、貴州、山東、安徽、新疆、黑龍江和河北。前10名省(區(qū))2006—2016年累計總采煤量見圖2。

圖2 前10名省(區(qū))2006—2016年累積采煤量

我國煤炭生產(chǎn)以井工開采為主，2015年井工開采產(chǎn)量3.43Gt，占總產(chǎn)量3.75Gt的91.5%。2006—2016年井工開采累計采煤量與總采煤量相比多在90%以上。

1.3 采煤沉陷區(qū)調(diào)研數(shù)據(jù)

經(jīng)過煤炭黃金10a開采后，根據(jù)2017年研究[4]，我國共有23個省(市區(qū))151個縣(市區(qū))分布有采煤沉陷區(qū)，形成采煤沉陷區(qū)面積20000km2，部分資源型城市塌陷面積超過了城市總面積的10%。目前，我國采煤沉陷區(qū)涉及城鄉(xiāng)建設(shè)用地4500～5000km2，涉及人口2000萬人左右，其中，山西省采煤沉陷區(qū)受災(zāi)人口為230萬人。

根據(jù)調(diào)研累計采煤沉陷，同時引入反映采煤沉陷區(qū)積水情況的區(qū)域降水量和潛水位因素、采煤沉陷區(qū)居民人口密度、采煤沉陷區(qū)土地利用類型以及相對市區(qū)距離等因素，以縣(市區(qū))為采煤沉陷區(qū)研究單元，進行因素賦值、分類加權(quán)和綜合評分，綜合得出采煤沉陷區(qū)治理重要性程度，形成全國重點采煤沉陷區(qū)排名，見表1(前40名)。

表1 全國前40名重點采煤沉陷縣(市區(qū))

2 采煤沉陷區(qū)面臨的問題

2.1 地表土地塌陷破壞

煤礦開采造成的大面積地表塌陷和地表裂縫。在平原地帶，原來平坦土地變得坑坑洼洼，原來保水的水澆地變成了不保水的旱地，對地表土地的破壞十分嚴重。我國土地資源比較緊缺，人多地少，人均耕地不及1000m2。截至2011年底，我國井工煤礦采煤塌陷破壞土地已達10000km2，其中60%是耕地或其他農(nóng)用地，造成的地表土地塌陷問題是非常嚴重的。在山地和丘陵地帶，采煤沉陷易引發(fā)滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 地面建(構(gòu))筑物損壞

采煤塌陷使地面建筑物和構(gòu)筑物等基礎(chǔ)設(shè)施損害，造成房屋開裂、倒塌；公路路面不均勻沉降、路面斷裂；橋梁橋臺下沉、錯位等；供電、通訊、供水、排水等管線路等基礎(chǔ)下沉、桿路移位、錯位等。2007年，煤炭科學(xué)研究總院對我國19個省86個煤礦區(qū)的采煤沉陷區(qū)累計沉陷面積、受損建筑物面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，其中沉陷面積為4030km2，而受損建(構(gòu))筑物面積達7.5×106m2。當(dāng)采煤沉陷區(qū)建(構(gòu))筑物損害嚴重、影響人民日常生活且難以治理與修復(fù)時，應(yīng)實行搬遷安置。據(jù)統(tǒng)計，山西省2015年采煤沉陷區(qū)治理覆蓋全省11個設(shè)區(qū)市48個縣區(qū)136個鄉(xiāng)鎮(zhèn)440個村，共搬遷安置74966戶和209769人。

2.3 地表耕地積水淹沒

在平原地區(qū)，特別是潛水位較高的區(qū)域，如黃淮地區(qū)徐州、淮北、淮南、棗莊、兗州濟寧等礦區(qū)，往往造成大面積的地表積水，淹沒耕地，改變了當(dāng)?shù)氐牡孛步Y(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境。據(jù)資料統(tǒng)計，從2000年到2016年，淮南煤田開采導(dǎo)致的采煤沉陷區(qū)積水面積達74.69km2，其中，65.3km2積水下方為農(nóng)田和村莊，而地面沉降的平均深度達到了6～7m，積水較深，農(nóng)田無法恢復(fù)耕種。2014年底，徐州市賈汪區(qū)潘安采煤塌陷面積達11.66km2，區(qū)內(nèi)積水面積2.40km2，平均深度4m以上。

2.4 地下水資源流失和污染

地表裂縫可能導(dǎo)致地表水與地下水溝通，使地表水體流失并引起地下水水質(zhì)惡化，使居民生活用水和灌溉用水困難，對于山西、陜西等水資源相對匱乏的煤礦區(qū)，影響更嚴重。據(jù)2014年統(tǒng)計，大同市采煤造成當(dāng)?shù)氐叵滤灰阅昶骄?～1.5m速度下降、水井干枯，地下水礦化度、總硬度大幅超標，污染嚴重。

茅臺酒廠的科研機構(gòu)經(jīng)歷了從無到有、從小到大的過程。從因陋就簡到擁有多種現(xiàn)代化科研設(shè)備、科研手段和相當(dāng)規(guī)模的科研機構(gòu)，茅臺在許多項目研究上都取得重大突破，研究碩果累累。

3 采煤沉陷區(qū)綜合治理模式

采煤沉陷區(qū)綜合治理應(yīng)采取因地制宜原則，宜農(nóng)則農(nóng)、宜漁則漁、宜建則建。一般地，根據(jù)其區(qū)域位置和積水與否進行規(guī)劃：在遠郊旱地區(qū)，以挖深墊淺的農(nóng)業(yè)復(fù)墾為主，積水區(qū)以水產(chǎn)養(yǎng)殖為主；在城鎮(zhèn)旱地區(qū)，以開發(fā)城鎮(zhèn)建設(shè)用地為主，積水區(qū)以生態(tài)景觀恢復(fù)建設(shè)為主，并積極發(fā)展光電能源與綜合利用等新興發(fā)展方向。

3.1 農(nóng)林復(fù)墾模式

采煤沉陷區(qū)地表大部分是郊區(qū)耕地和農(nóng)田。采煤沉陷造成耕地損壞，甚至無法耕種，其綜合治理首要考慮保護和恢復(fù)耕地農(nóng)業(yè)種植。常用的復(fù)墾方法[5]有疏排法、就地取土法、挖深墊淺法、固體廢物充填法等。其中充填復(fù)墾主要是利用矸石回填、粉煤灰回填及其他固體廢棄物或客土回填，平整土地然后進行農(nóng)業(yè)種植。農(nóng)業(yè)耕種條件不好的地段，也可以發(fā)展林業(yè)種植。這樣既避免了矸石山占地和污染環(huán)境，也可有效治理采煤沉陷。

3.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖和水庫蓄水模式

對于采煤沉陷積水區(qū)，多為水源充足、水質(zhì)良好的封閉水域，可發(fā)展養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨、魚鴨混養(yǎng)或者水產(chǎn)加工等養(yǎng)殖業(yè)，合理配置，綜合開發(fā)。既改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，也安置了農(nóng)村富余勞動力，還增加了農(nóng)民收入，經(jīng)濟效益顯著。如，河南永城縣年沉陷土地4.00×106m2，永城市水利局因地制宜，在面積大、積水深的塌陷區(qū)，大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，目前已修整魚池3.33×106m2，其中高產(chǎn)養(yǎng)殖利用水面2.46×106m2，商品魚產(chǎn)量5000t。

同時，對于采煤沉陷區(qū)地表積水嚴重的區(qū)域，如淮南、淮北、徐州等礦區(qū)，可建設(shè)地表塌陷區(qū)水庫進行蓄水調(diào)節(jié)[6]?；茨嫌媱潓⒉擅撼料輩^(qū)及沿淮洼地作為引江濟淮末端調(diào)蓄水庫，提升區(qū)域防洪、供水能力。

3.3 城鎮(zhèn)建設(shè)模式

隨著經(jīng)濟發(fā)展的需要，推進新型城鎮(zhèn)化建設(shè)是我國“十三五”的一項發(fā)展目標，但理想的工程建設(shè)用地日趨緊張，而采煤礦區(qū)也面臨著經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要、農(nóng)村搬遷選址建設(shè)的難題，因此將采煤沉陷區(qū)開發(fā)為建設(shè)用地是緩解城鎮(zhèn)化建設(shè)、加快煤礦轉(zhuǎn)型建設(shè)發(fā)展的有效途徑。

在不斷實踐和應(yīng)用中，一些采空區(qū)探測技術(shù)、地基穩(wěn)定性評價技術(shù)、建(構(gòu))筑物抗變形等沉陷區(qū)建筑復(fù)墾技術(shù)不斷完善與發(fā)展。如淮北礦業(yè)集團在30多年的采空區(qū)上方建設(shè)了百米超高層辦公中心與小高層樓宇；焦作市在采煤沉陷區(qū)進行工業(yè)園區(qū)建設(shè)，建設(shè)許多抗變形的框架結(jié)構(gòu)廠房和居民樓。所有這些建筑都在安全使用。

3.4 生態(tài)建設(shè)模式

隨著社會的進步、科技的發(fā)展，人們越來越重視可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護，景觀生態(tài)再造技術(shù)[7-8]也逐漸應(yīng)用到采煤沉陷區(qū)治理中，常見的有觀光農(nóng)業(yè)利用、工業(yè)旅游和生態(tài)旅游開發(fā)、其他休閑旅游開發(fā)利用模式。

這一復(fù)墾模式改變了過去只重視農(nóng)林復(fù)墾利用，創(chuàng)新了綜合再生利用復(fù)墾模式。如：安徽鳳臺縣對采煤沉陷區(qū)進行綜合治理，形成了喬、灌、草，農(nóng)、林、牧、漁結(jié)合的立體生態(tài)系統(tǒng)，把沉陷區(qū)的治理與生態(tài)修復(fù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了沉陷區(qū)的經(jīng)濟、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展；開灤將130多年開采形成的采煤沉陷區(qū)建設(shè)成為包括南湖國家城市濕地公園、地震遺址公園、南湖運動綠地、國家體育休閑基地等集生態(tài)保護、旅游度假、休閑娛樂的城市中央生態(tài)公園。

3.5 新能源產(chǎn)業(yè)模式

國家能源局鼓勵新能源產(chǎn)業(yè)建設(shè)。各地相繼推行采煤沉陷區(qū)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及農(nóng)光互補、漁光互補等多種新能源綜合產(chǎn)業(yè)模式。在采煤沉陷區(qū)不積水、風(fēng)能和陽光充足地區(qū)，可發(fā)展為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電基地。如，在山東新泰，利用采煤沉陷區(qū)土地7.992×107m2建設(shè)了首個農(nóng)光互補模式的200MW光伏發(fā)電示范基地；在山西大同，利用采煤沉陷區(qū)建設(shè)了國家先進技術(shù)光伏發(fā)電示范工程，2016年已啟動發(fā)電運營。在采煤沉陷區(qū)積水地區(qū)，可采用固定式或者漂移式光伏發(fā)電裝置發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。在安徽淮南，采用農(nóng)光互補模式，建設(shè)了300MW水面漂浮式光伏電站；在山東棗莊，采用漁光互補模式，建設(shè)了400MW光伏電站。

4 綠色開采對策與綜合治理建議

4.1 綠色開采對策

(1)在“三下”壓煤和生態(tài)脆弱區(qū)域，大力推行礦區(qū)減沉開采技術(shù)[9-10]。通過礦區(qū)減沉開采技術(shù)，控制煤炭開采地表沉陷，減少土地資源破壞與“三下”受護體損害。常用的礦區(qū)減沉開采技術(shù)有：條帶開采、充填開采、采空區(qū)或離層帶注漿開采、協(xié)調(diào)開采等。充填開采[11]已在我國河北邢臺、邯鄲，山東新汶、淄博、兗州，黑龍江雙鴨山等礦區(qū)應(yīng)用，取得了較好的保護效果。

(2)在井下矸石處理上，大力推廣矸石不上井直接充填工藝技術(shù)。通過減少矸石地面排放來減少矸石占地、避免矸石山帶來的環(huán)境污染。試驗井下選煤廠，煤矸井下分離，避免矸石提升上井，直接采空區(qū)充填，減少地表沉降，同時，也可增加井筒的提升能力。

4.2 綜合治理建議

(1)制定好采煤沉陷區(qū)綜合治理政策并進行精準落實?！笆濉币?guī)劃綱要明確了全面推進采煤沉陷區(qū)改造轉(zhuǎn)型、加大生態(tài)嚴重退化地區(qū)修復(fù)治理力度。2016年4月，《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面振興東北地區(qū)等老工業(yè)基地的若干意見》中也指出要制定采煤沉陷區(qū)綜合治理政策，加快采煤沉陷區(qū)居民避險安置及配套基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施和接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)平臺建設(shè)，著力保障和改善民生。中央政府很重視采煤沉陷區(qū)的治理工作，要把綱要和意見具體落實好，需要制定精準政策并抓緊落實。

(2)探索采煤沉陷區(qū)的綜合治理新技術(shù)和新模式。要加強采煤沉陷區(qū)的精細化治理，針對不同采煤沉陷區(qū)所在區(qū)域，采取相應(yīng)的生態(tài)保護和修復(fù)技術(shù)，尋求提高經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的新模式。如：西部干旱半干旱脆弱區(qū)動態(tài)采煤塌陷區(qū)生態(tài)建設(shè)技術(shù)，水環(huán)境采動破壞與含(隔)水層再造技術(shù)；東北穩(wěn)沉、寒冷采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)優(yōu)化技術(shù)；華東平原采煤沉陷積水區(qū)水土資源同步利用技術(shù)；采煤沉陷區(qū)建(構(gòu))筑物等基礎(chǔ)設(shè)施損害修復(fù)與重建技術(shù)等。在綜合治理上不斷優(yōu)化，不斷創(chuàng)新，不斷進步。

(3)開展全國采煤沉陷區(qū)基本情況普查。經(jīng)過黃金十年開采后，采煤沉陷區(qū)基本情況尚不夠清楚。特別是，近年來國家實施落后產(chǎn)能礦井的有序關(guān)閉后，2015年就需關(guān)閉1052處煤礦。掌握全國采煤沉陷區(qū)基本情況，特別是主體缺失采煤沉陷區(qū)，是進行全國采煤沉陷區(qū)綜合治理的迫切需要。

(4)啟動采煤沉陷區(qū)綜合治理規(guī)劃編制、相關(guān)機制和標準研究。充分利用采煤沉陷區(qū)資源，鼓勵采煤沉陷區(qū)綜合治理與城鎮(zhèn)新農(nóng)村建設(shè)相結(jié)合，允許采煤沉陷區(qū)綜合治理與城鎮(zhèn)商業(yè)開發(fā)建設(shè)相結(jié)合，統(tǒng)籌考慮采煤沉陷區(qū)治理費用與受影響村莊搬遷費用，統(tǒng)籌考慮采煤沉陷區(qū)治理支出費用與城鎮(zhèn)商業(yè)開發(fā)建設(shè)收益。同時，為了調(diào)動治理主體的積極性，需要啟動研究農(nóng)地林地與建設(shè)用地增補轉(zhuǎn)換掛鉤機制；為了保障建設(shè)用地穩(wěn)定和安全，需要設(shè)立采煤沉陷區(qū)建設(shè)用地地基穩(wěn)定性標準課題研究。

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