周金余，李 平，張 賀

(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

黃河流域是我國的能源流域，水能、煤炭、石油、天然氣儲量豐富，煤炭的產量和可采量位居全國首位，煤種齊全、煤質優(yōu)良，涉及9個煤炭基地、85個國家規(guī)劃煤炭礦區(qū)，煤炭資源富集。2018年底黃河流域煤炭查明儲量占全國的45.25%，從上游青甘區(qū)到下游魯西區(qū)共有煤礦1 563個，占全國煤礦總數的36%[1]。黃河流域的煤礦開發(fā)是全國能源安全供應的重要保障，但流域內煤炭的大規(guī)模開采形成大面積采空區(qū)，導致土地塌陷，產生大量地表裂隙，破壞植被、土壤、水資源，帶來一系列生態(tài)問題。同時，黃河流域又是連接中上游兩大高原和下游華北平原的生態(tài)廊道、我國重要的生態(tài)屏障，所以亟需因地制宜、分區(qū)施策，恢復黃河流域因煤炭開發(fā)而破壞的生態(tài)環(huán)境。

黃河流域煤炭開采區(qū)域主要涉及高寒草甸區(qū)、風積沙區(qū)、黃土區(qū)、沖積平原區(qū)四大地貌[2]，不同地貌區(qū)由于其獨特的環(huán)境條件造成煤炭開發(fā)中多樣的生態(tài)環(huán)境問題，全面梳理流域內已展開的各項治理技術及研究、分析不足、明確發(fā)展方向，是保障黃河流域生態(tài)安全和煤炭可持續(xù)開發(fā)的重要舉措，也是實現(xiàn)黃河流域高質量發(fā)展的重大需求。

1 黃河流域煤礦區(qū)主要修復技術現(xiàn)狀

1.1 高寒區(qū)

高寒區(qū)地處黃河源頭，海拔高、溫度低、干旱少雨，大規(guī)模露天開采嚴重破壞了當地的植被、土壤及凍土層，由于生態(tài)環(huán)境脆弱，植被恢復困難，相比中下游地區(qū)大面積客土進行土壤重構成本高、人工建植草種選擇較少、凍融環(huán)境復雜，生態(tài)修復難度較大。該區(qū)生態(tài)修復多以自然修復為主，為了在短時間內取得良好的效果，需以人工干預手段為自然修復創(chuàng)造條件。多年來，對高寒煤礦區(qū)的生態(tài)修復技術研究主要集中在大通煤礦、木里煤礦等礦區(qū)，針對人工建植草種的選擇栽培、表層土壤的恢復保護、凍土保護和凍巖土穩(wěn)定性的維護等開展的大量科研工作，取得了豐富的成果。

高寒礦區(qū)植被生長緩慢、生長期短暫，篩選合適的草種進行人工建植是成功進行植被恢復的關鍵技術之一。楊鑫光等[3]通過分析典型人工栽培種的生理生化抗旱機制，篩選出冷地早熟禾和垂穗披堿草是高寒礦區(qū)矸石山恢復的適宜草種，采取抗寒措施、施肥、覆土等措施可加快恢復進程，從而得到木里礦區(qū)高效的植被修復措施。人工建植后進行撫育管理，并引導環(huán)境逐步過度到近自然生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)自穩(wěn)定，可以降低維護成本[4]。露天開采不僅破壞地表植被，更重要的是破壞了植被賴以生長的土壤，人工創(chuàng)造利于植被生長的土壤環(huán)境，是保障生態(tài)修復成果的另一關鍵技術。通過研究直接人工建植、覆土后人工建植和施肥后人工建植對土壤的改良效果和植被的生長情況，王銳等[5]得到了10 cm為理想的覆土厚度，明確了施肥等措施對高寒區(qū)客土來源不足這一缺陷的有效彌補能力；鄭元銘等[6]提出通過對煤礦剝離物施肥有利于重建植被生長基質。天峻義海公司通過在木里礦區(qū)的探索，實現(xiàn)了低成本、低覆土厚度、保證有苗率的渣山復綠技術。

高寒區(qū)獨特的凍土環(huán)境在露天開采過程中的破壞及其凍融變化，破壞了植被和地表水系，導致滑坡等地質災害的發(fā)生。張大春等[7]、王銳等[8]通過分析高寒區(qū)煤礦開采對環(huán)境的影響以及高寒環(huán)境對煤礦開采的制約性，提出了在煤礦開發(fā)過程中通過采取長期監(jiān)測、合理規(guī)劃開采強度、季節(jié)性采煤方法和濕地保護等措施對凍土環(huán)境進行保護。高寒區(qū)凍融條件也對露天煤礦開采過程中邊坡的穩(wěn)定性造成極大影響；楊幼清等[9]發(fā)現(xiàn)了排土場堆載高度與邊坡安全系數的函數關系，可用于指導邊坡變形的科學防治；徐拴海[10]通過多年對木里煤田凍巖邊坡的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性的主導因素及評價方法，提出了邊坡防護的有效措施；張寶龍等[11]設計邊坡監(jiān)測方案并開展試驗，用于邊坡安全預警，具有一定的合理性。

隨著技術進步，開始利用遙感技術從空間角度監(jiān)測評價煤炭開發(fā)對大通礦區(qū)、木里礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的影響，以便于更好地進行礦區(qū)的開發(fā)規(guī)劃和生態(tài)修復。此外，基于遙感等技術建立了大通煤礦地質環(huán)境治理監(jiān)測示范工程，實現(xiàn)工程實施前中后的地質環(huán)境變化可視化[12]，通過采取一系列措施進行集中連片的綜合治理，帶動了資源枯竭城市大通縣的重生，為高寒礦區(qū)的生態(tài)修復起到了良好的示范作用。

1.2 黃土區(qū)及風積沙區(qū)

黃土區(qū)面積遼闊，占黃河流域總面積的85%[2]，分布著我國陜北、晉北、晉中、晉東、黃隴五個煤炭基地；風積沙區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，干燥少雨，擁有我國神東、寧東兩大煤炭基地。這兩個區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源短缺，大規(guī)模煤炭開采加之煤炭下游企業(yè)的發(fā)展，大量消耗水資源的同時也會造成地表塌陷裂縫、地下水位下降，水土流失和荒漠化加劇，使脆弱的環(huán)境雪上加霜。采煤活動導致水、土、植被的動態(tài)平衡受損，為了恢復、保護生態(tài)環(huán)境，同時保障煤炭資源的可持續(xù)開采，眾多專家學者針對水資源的保護和生態(tài)環(huán)境的修復在陜北、神東、寧東等地開展了的大量研究。

黃土區(qū)和風積沙區(qū)在煤炭開采過程中為了井下安全會大量抽排地下水，一方面造成水資源的嚴重浪費，另一方面也會對環(huán)境造成極大的破壞，所以有效保護和高效利用水資源極其重要。針對陜北淺埋煤層開采過程中出現(xiàn)的巷道冒頂、地下水位下降、生態(tài)及地質環(huán)境破壞等問題，范立民[13]提出了保水采煤觀，眾多學者從理論、技術、工程等方面對采空區(qū)地面變形[14]、導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律[15-16]、煤層覆巖結構劃分[17]、保障植被正常生長水位的合理埋深[18]、含水層水量損失[19]、隔水層穩(wěn)定性[20]等開展了一系列研究，搭建了有關導水裂隙和巖層破壞等的物理模擬實驗平臺[21-22]，提出了條帶跳采[23]、充填保水采煤[24]、采充并行[25]等保護含水層和定向注漿[26]等再造隔水層的采煤方法，初步構建了分區(qū)分級的保水開采技術體系[27]，為實現(xiàn)煤炭綠色開采奠定了堅實的基礎。

實現(xiàn)保水采煤除了保護水資源不受或少受破壞外，還要注意通過合理抽排和儲存礦井水，使之回用于工農業(yè)發(fā)展用水、生活用水和生態(tài)用水，在防治水害的同時實現(xiàn)礦井水的高效利用，創(chuàng)造經濟、生態(tài)和社會效益。要利用礦井水，首先要解決大量礦井外排水資源的儲存問題，為了減少對地面的侵占和解決地面存儲蒸發(fā)量過大的難題，神華集團構建了將地下采空區(qū)作為地下水存儲空間的地下水庫技術體系[28]，并利用地下水庫進行礦井水地凈化處理，在神東礦區(qū)成功開展了大量示范工程。同時，該區(qū)域煤炭開采過程中大量地下水流入礦坑導致礦井水硬度和礦化度變高，造成礦井水利用率低，在國家生態(tài)文明建設和地方對礦井水外排的高要求下，研發(fā)大規(guī)模低成本的處理技術有利于礦井水的充分利用。礦井水凈化處理技術眾多[29]，在西部地區(qū)利用其豐富的太陽能、地熱和工業(yè)余熱對礦井水進行膜蒸餾技術處理，可大大降低處理成本，實現(xiàn)井下處理、井下封存，在寧東地區(qū)已有試驗基地，為西部礦區(qū)高礦化度礦井水的處理指明了方向[30]。

為了恢復因大規(guī)模露天開采和井工開采導致的生態(tài)環(huán)境問題，保護好植被賴以生存的水資源的同時，還要進行地表植被的重建和土壤的修復。郭洋楠等[31]提出該區(qū)生態(tài)修復要以植被修復為主，輔以工程措施，分別總結了黃土區(qū)和風沙區(qū)選取適應型植被和工程措施進行采煤沉陷區(qū)治理的技術；史沛麗等[32]指出采煤對土地的損毀主要包括地形地貌改變和土壤質量下降兩種，它們共同限制了區(qū)域的生態(tài)修復。對土壤結構的恢復主要分為兩種方式：一是利用泥沙、礦山廢棄物、礦區(qū)垃圾等對沉陷區(qū)和地表裂縫進行充填修復；二是對不同程度塌陷區(qū)進行挖深填淺、削高填凹等恢復為耕地或魚塘等的非充填修復。對土壤質量的修復主要包括三方面：一是通過施肥、灌溉恢復土壤肥力；二是選擇本地抗旱、防風固沙的優(yōu)勢種或先鋒樹種恢復沉陷區(qū)植被覆蓋度，并借植被改善土壤結構、恢復土壤肥力；三是向植物根際接種微生物來改善土壤質量。王琦等[33]發(fā)現(xiàn)沉陷區(qū)土壤的性質有一定的自修復能力；胡振琪等[16]基于動態(tài)監(jiān)測法對地表裂縫產生發(fā)育全周期進行觀測發(fā)現(xiàn)，動態(tài)裂縫會自行修復，工作面邊緣裂縫則會持續(xù)存在，所以在今后的煤礦環(huán)境修復實踐中借助人工修復措施加快自然修復進程能更好地實現(xiàn)煤礦區(qū)生態(tài)修復。該區(qū)生態(tài)恢復典型案例就是神東集團在神東礦區(qū)成功構建了適宜大規(guī)模開發(fā)建設活動中的生態(tài)恢復技術體系，采取主動型防治策略，對礦區(qū)提出采前、采中、采后不同階段的治理理念，保證了開發(fā)建設與環(huán)境保護的良性發(fā)展。

1.3 沖積平原區(qū)

沖積平原區(qū)位于黃河下游地區(qū)，分布著河南和魯西兩個煤炭基地，同時又是我國糧食主產區(qū)。煤炭大規(guī)模的井工開采原多采用全部冒落管理頂板[34]，造成大面積采煤塌陷、積水，土地、糧食、煤炭之間矛盾突出。為了保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，緩解糧、地、煤三者的沖突，眾多學者針對土地復墾[35-36]、濕地構建[37]、建設用地恢復[34,38-39]等方面的技術進行了大量研究。為了平衡煤炭開發(fā)、糧食產出、城鎮(zhèn)擴張對土地資源的需求，已在高效低成本的土地復墾技術、采空區(qū)一體化工程建設、次生濕地構建等方面開展大量工程實踐，成果顯著。

平原區(qū)地下潛水位較高，井工開采和多煤層重復開采導致地面嚴重塌陷、沉陷積水，破壞優(yōu)質耕地資源，為了保障糧食供應該區(qū)域亟需進行土地復墾。對于下沉較淺的地區(qū)主要進行挖深填淺恢復原土地價值，下沉較深的沉陷區(qū)則利用煤矸石、粉煤灰、湖泥等進行充填復墾，考慮到表土缺乏、充填材料不足、湖泥復墾時間長、矸石存在污染土壤風險等問題，胡振琪等[35]提出引黃河泥沙進行充填復墾的構想，同時為了解決充填厚度不足導致生產力較低的問題，提出了夾層式土壤重構技術，大大提高了土壤復墾質量，已在山東邱集、濟寧等地開展試驗，發(fā)現(xiàn)該技術可大大提高農作物產量。由于對已發(fā)生沉陷的區(qū)域進行土地復墾難度較大、效果較差，胡振琪等[36]提出了“邊采邊復技術”，以提高耕地復墾率，保證土地生產力，降低復墾成本，針對邊采邊復的原理、關鍵技術進行了系統(tǒng)研究，為井工礦采復協(xié)調的開采方案提供了技術指導，在濟寧、菏澤等地礦區(qū)開展技術試驗，與傳統(tǒng)的破壞后復墾相比邊采邊復技術大大提高了土地復墾率，優(yōu)化了用地布局及生態(tài)景觀。

采煤塌陷后形成的深度大、積水深的沉陷區(qū)進行充填復墾物料不足，施工難度大，成本也高，適宜構建人工濕地，并根據沉陷區(qū)的面積、與礦區(qū)或城區(qū)的距離以及實際發(fā)展需求采取水產養(yǎng)殖、濕地公園、污水處理等治理方式，已形成了次生濕地生境和水質修復、植被景觀和人工景觀構建等技術，發(fā)揮濕地凈化水質、美化環(huán)境的功能[37]。 目前在徐州潘安湖、山東鄒城和濟寧等地成功開展了采煤沉陷地改造為濕地公園的工程實踐。 平原地區(qū)人口密度大、工業(yè)發(fā)達，對水資源的需求量很大，但水量時空分布不均，面積大、積水深的采煤沉陷地也可成為蓄水空間主動構建成平原水庫[40]，既可解決水土資源不協(xié)調的問題，還可預先剝離表土提高淺沉陷區(qū)土地復墾率。

下游城市發(fā)展迅速，建設用地需求量大，煤炭大規(guī)模開采導致采空區(qū)大面積形成，破壞地面構筑物的同時又不利用后續(xù)利用，所以對采空區(qū)進行有效治理既能滿足城市擴張、工業(yè)發(fā)展的用地需求，又能減少對農用地的占用，還能帶來可觀的經濟效益。采空區(qū)的治理主要包括巖體裂隙發(fā)育特征的探測、地基穩(wěn)定性的評價、利用注漿和充填等技術進行地基處理以及地表建筑物的抗變形處理等[34]，各項技術已在工程實踐中不斷地發(fā)展和完善，如在唐山市、焦作市等地采空區(qū)進行多層建筑物及構筑區(qū)建設，所有建筑保持安全使用，具有良好的推廣應用價值。目前中煤科工集團正在濟寧開展采空區(qū)工程建設項目。

2 生態(tài)修復技術研究不足之處

經過多年的研究和工程實踐，眾多學者已在黃河流域探索出較豐富的理論成果和修復技術，但仍存在一些不足之處。

2.1 治理方式、技術的單一性和治理范圍的局限性

當前對煤礦區(qū)受損生態(tài)環(huán)境的修復多是利用客土、充填、人工建植、邊坡防護等技術對水、土、植被、邊坡等單一要素的治理或恢復，治理模式多是以實現(xiàn)景觀美為目的建設成各類公園或恢復土地耕作、建設構(建)筑物的價值，對生態(tài)功能的發(fā)揮考慮不足。生態(tài)修復不能只是景觀的美化，也不能將山、水、林、田、湖、草割裂開來進行單一修復，而是要基于“山水林田湖草”生命共同體的統(tǒng)籌治理實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康和安全。同時，煤礦區(qū)生態(tài)修復多局限于對采煤沉陷區(qū)、排土場、矸石山等礦區(qū)場地內受損環(huán)境的微觀治理，忽略與周圍景觀的連通性、與區(qū)域整體規(guī)劃的融合性，缺乏對生態(tài)修復活動的宏觀指導和中觀控制，治理效果的區(qū)域總體性不佳。

2.2 缺乏長期監(jiān)測和高新技術的應用

由于采礦活動的持續(xù)性、水的流動性、污染物的遷移性等，導致對環(huán)境的破壞持續(xù)進行、影響范圍動態(tài)變化，但是當前缺乏對各要素的長期監(jiān)測，難以全面掌握其發(fā)育和發(fā)展規(guī)律，從而及時進行預測、預警。由于人工監(jiān)測工作量、投入高，必須引入人工智能、衛(wèi)星遙感、傳感器等技術，對植被、邊坡、土壤、水資源、巖體等進行對全周期、多時相監(jiān)測和科學研究，并能及時獲取監(jiān)測數據，有利于科學管理并合理完善煤礦區(qū)的生態(tài)修復工作。

2.3 治理理念和認識有待提高，環(huán)保理念與礦區(qū)規(guī)劃融合不足

我國對煤礦區(qū)的生態(tài)修復多是以植樹種草、充填客土、邊坡防護等人工干預措施為主，忽略生態(tài)環(huán)境的自然修復能力，后期還需長期的人工管護，成本高且可能難以維持自我穩(wěn)定，需要轉變理念，將人工修復和自然修復有機結合，有自我修復潛力的生態(tài)系統(tǒng)要以自我恢復為主，可進行“再野化”修復，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我持續(xù)和穩(wěn)定。

我國的礦山生態(tài)修復理念已逐步由經濟發(fā)展優(yōu)先發(fā)展到如今的環(huán)保與發(fā)展并重，從先破壞再治理逐步走向采復一體化進行。但是諸多煤礦企業(yè)環(huán)保理念不足，所以多將生態(tài)修復視為負擔，多在采煤活動后期在政府強力執(zhí)法監(jiān)督下進行被動治理，修復前對礦區(qū)本底環(huán)境認識不充分，沒有將煤礦區(qū)生態(tài)修復設計與開采規(guī)劃相結合，缺乏整體性認識和分區(qū)治理理念，與當地經濟和社會發(fā)展協(xié)調不足。環(huán)評編制單位在文本中對環(huán)保理念和生態(tài)修復理念的融合不充分。此外，公眾對煤礦企業(yè)的監(jiān)督意識不足，難以充分發(fā)揮公眾的監(jiān)督作用。

2.4 專業(yè)參與度與融合性不充分

煤礦生態(tài)修復是一項長期而系統(tǒng)的工程，需要采礦、地質、生態(tài)、環(huán)境、土壤、植物、水文、環(huán)境等眾多學科的通力合作，當前多是以采礦、地質、水文專業(yè)為主，以中國礦業(yè)大學等高校為代表展開，缺少多學科和有實力的高校、設計院的聯(lián)合投入，環(huán)保專業(yè)及企業(yè)對煤礦區(qū)的生態(tài)修復活動的貢獻不足。

3 展 望

煤礦生態(tài)修復是一項長期而系統(tǒng)的工程，需要采礦、地質、生態(tài)、環(huán)境土壤、植物、水文、環(huán)境等眾多學科的聯(lián)合研究，要基于“山水林田湖草”和“兩山”理論進行統(tǒng)籌規(guī)劃，聯(lián)合政府多部門與煤炭利益相關者共同努力，才能保證黃河流域煤炭開發(fā)與生態(tài)安全的協(xié)調共存，實現(xiàn)黃河流域高質量發(fā)展。當前還需從以下幾點進行加強。

3.1 充實理論研究

由于不同煤礦區(qū)所處的地質環(huán)境和煤層賦存條件的差異性，必須進一步明確煤炭開采對不同區(qū)域水、土、巖層等的影響機理才能更好地進行采煤調控。例如當前對導水裂隙發(fā)育規(guī)律的研究多針對不同地質條件或單一工作面展開，缺少采取不同采煤技術和多個工作面共同開采下裂隙的發(fā)育規(guī)律和對水土植被影響程度的研究；黃土區(qū)和風積沙區(qū)為了恢復地表植被，大量利用礦井水進行灌溉，這一舉措是否會改變植被的生理特性，使之抗旱等能力減弱，導致未來減少或不進行灌溉時出現(xiàn)退化現(xiàn)象等，還需進一步研究。

3.2 優(yōu)化采煤技術，利用高新監(jiān)測技術，研發(fā)具有區(qū)域差異性的修復技術

為了適應黃河流域不同區(qū)域的環(huán)境和發(fā)展需求，已初步構建了保水采煤、土地復墾、微生物修復、采空區(qū)利用等技術，但充填開采、客土復墾等技術由于成本較高、使用區(qū)域受限等難以推廣，亟需進行優(yōu)化改進。研發(fā)具有區(qū)域差異性的技術，根據礦區(qū)生態(tài)損壞特征進行分區(qū)治理可減少采煤擾動、加快生態(tài)重建。同時，挖掘具有經濟效益的礦山修復與其他產業(yè)的融合模式，促進煤礦企業(yè)對礦山的自發(fā)性修復，關注修復活動與國家安全格局的配合，從而實現(xiàn)黃河流域的高質量發(fā)展。

由于采煤活動及其影響的持續(xù)性，導致地表沉陷、植被和土地的破壞、水資源減少等生態(tài)問題均處于動態(tài)變化過程中，必須開展采煤前中后全周期的宏觀監(jiān)測、地下水位和導水裂隙等部位的精細監(jiān)測以及地質環(huán)境問題的預警監(jiān)測，保證采煤活動的安全性，并及時掌握煤礦區(qū)生態(tài)修復的效果，以便適時進行調控。

3.3 加大采前基礎工作

對礦區(qū)環(huán)境先破壞再治理不僅難度大、投資高，而且可能導致修復后效果差，所以從采前開始修復規(guī)劃對實現(xiàn)煤礦區(qū)的高效生態(tài)修復極其重要。對即將進行開采的煤礦，要進行地質、水文、土壤、生物、土地各要素的全面調查，明確采煤活動可能帶來的影響，結合城市發(fā)展規(guī)劃和國土空間規(guī)劃等提前謀劃受損要素及礦區(qū)修復方向，保證采復活動一體化進行。

3.4 加強優(yōu)秀工程技術的推廣

為了進行礦區(qū)生態(tài)修復、保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境，煤炭行業(yè)探索了諸多生態(tài)治理技術，開展了成功的工程實踐。如神東集團的地下水庫技術和“三期三圈”主動治理的生態(tài)修復模式、唐山等地在采空區(qū)上建設大型建(構)筑物技術、徐州潘安湖的生態(tài)修復模式以及鄒城的太平國家濕地公園等等，可為同類煤礦區(qū)的生態(tài)修復樹立良好的示范，亟需大力推廣。

3.5 深化普及環(huán)保及生態(tài)修復理念

政府、煤礦企業(yè)、環(huán)保企業(yè)、公眾等都是煤礦開采的得益者，同時也要為礦區(qū)帶來的生態(tài)破壞承擔相應的責任，單純依靠政府的執(zhí)法監(jiān)督難以實現(xiàn)煤礦的可持續(xù)利用和高質量發(fā)展。一方面需要加大對煤礦企業(yè)環(huán)保監(jiān)督，落實到采煤活動的整個周期，使修復活動與煤礦開采規(guī)劃相融合；另一方面需要環(huán)保企業(yè)的努力，將優(yōu)秀的環(huán)保理念、修復技術融入環(huán)評報告編制過程中，做好對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和修復活動的監(jiān)督。同時，公眾作為龐大的監(jiān)督群體，進行環(huán)保理念的普及、環(huán)保意識的加強能充分發(fā)揮其對煤礦企業(yè)的監(jiān)督作用。