喬 岡，徐友寧，何 芳，陳華清

(1.西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭作為一種重要的礦產(chǎn)資源，在我國能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位[1]，然而，煤炭資源在開發(fā)過程中產(chǎn)生的環(huán)境負效應(yīng)卻不容忽視[2]，礦業(yè)開發(fā)誘發(fā)的地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害、含水層破壞、土地壓占破壞、地形地貌景觀破壞以及水土環(huán)境污染等礦山地質(zhì)環(huán)境問題層出不窮，屢見不鮮，曾多次造成人員傷亡，帶來巨大經(jīng)濟損失，嚴重威脅著礦區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全。采煤塌陷地質(zhì)災(zāi)害如何形成，具有什么特征，危害有多大以及治理的關(guān)鍵技術(shù)等問題備受國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注[3-8]。近年來，武強[9]、張進德[10]和徐友寧等[11]針對我國采煤沉陷、地面塌陷及地裂縫等礦山地質(zhì)環(huán)境問題，研究了分布特征及誘發(fā)因素，提出了預(yù)防措施、治理對策等。但是，礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式研究，仍是薄弱環(huán)節(jié)。本文通過收集全國典型礦山地質(zhì)環(huán)境治理成果資料，分析了不同煤礦山采煤塌陷地質(zhì)災(zāi)害表現(xiàn)形式以及相應(yīng)治理思路，結(jié)合采煤塌陷的形成條件，發(fā)育特征，總結(jié)出采煤塌陷兩種不同的治理模式，這對于指導(dǎo)采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作具有重要意義。

1 表現(xiàn)形式

采煤塌陷受地形地貌條件、地層巖性結(jié)構(gòu)、煤層特征以及開采方式影響，地面塌陷特征各有差異，通常表現(xiàn)形式有：塌陷坑及塌陷槽、塌陷盆地、波狀地貌及地裂縫等。

2 治理思路

針對不同煤礦山采煤塌陷地質(zhì)災(zāi)害表現(xiàn)形式，結(jié)合采煤塌陷的形成條件，發(fā)育特征，歸納了5類具有代表性的采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理思路，分析了每一種思路的治理對象(也即采煤塌陷不同的表現(xiàn)形式)，治理目標以及使用條件和范圍等。

2.1 植樹造林

1)治理對象及治理目標。對于大型塌陷盆地，則宜采用植樹造林的方法，大力發(fā)展林業(yè)。

2)適用條件與范圍。對于地表沒有積水的大型塌陷盆地，考慮到采用塌陷坑回填治理的方法，工程量巨大，不宜采用，為了充分利用閑置的土地，考慮采用植樹造林的方法來達到防風(fēng)固沙，綠化城市的目的，生態(tài)用水可以采用先進的滴灌技術(shù)。這種治理方法適合干旱地區(qū)大型采煤沉陷盆地的治理。

2.2 打造農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)

1)治理對象及治理目標。采取回填塌陷坑及塌陷槽、波狀地貌及地裂縫的方法，以恢復(fù)耕地為主，打造農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)。

2)適用條件與范圍。適用于地表形成較淺的塌陷坑，塌陷坑回填工程量較小，可以將采煤沉陷區(qū)改造成農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)。

2.3 建設(shè)礦山地質(zhì)公園

1)治理對象及治理目標。對臨城靠廠的塌陷區(qū)，則結(jié)合城鎮(zhèn)的建設(shè)規(guī)劃，建設(shè)礦山地質(zhì)公園。

2)適用條件與范圍。適用于開采塌陷區(qū)鄰近城市，且塌陷區(qū)面積較小，在地表的表現(xiàn)形式多樣化的塌陷區(qū)，為了體現(xiàn)礦山地質(zhì)公園的建設(shè)和城市建設(shè)相協(xié)調(diào)的原則，保留一些具有代表意義的塌陷景觀，可以把采煤沉陷區(qū)打造成礦山地質(zhì)公園，大力開發(fā)旅游資源。

2.4 新建魚塘，發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)

1)治理對象及治理目標。對大面積長期積水的塌陷盆地，以新建魚塘為主，形成魚鴨混養(yǎng)、禽蛋加工等綜合開發(fā)利用格局。

2)適用條件與范圍。這種治理方法適用于大面積長期積水的塌陷盆地，在積水區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地表塌陷量大小分布情況，在積水較深的區(qū)域建設(shè)深水養(yǎng)殖塘，淺水區(qū)主要用于種植水產(chǎn)經(jīng)濟作物；淺水域周邊地區(qū)治理為蔬菜基地[12]。這種治理方法適用于氣候比較濕潤、降雨量大的地區(qū)。

2.5 結(jié)合歷史，開發(fā)旅游資源

1)治理對象及治理目標。結(jié)合歷史文化名城和旅游生態(tài)城市建設(shè)，營造濕地旅游景觀。

2)適用條件與范圍。適用于開采塌陷區(qū)地表形成大面積較深積水區(qū)域，且周邊有歷史文化名城，可以將塌陷區(qū)的治理和歷史文化名城、旅游生態(tài)城市建設(shè)結(jié)合起來，以生態(tài)恢復(fù)治理為主，將塌陷區(qū)改造成湖泊、濕地等景觀，大力發(fā)展旅游業(yè)。

綜上所述，依據(jù)不同的地形地貌、氣象水文、地層巖性以及采煤塌陷區(qū)的特征，結(jié)合地理人文特色資源，概括的講，當前國內(nèi)外對采煤塌陷區(qū)治理思路主要體現(xiàn)在以下五個方面：①發(fā)展林業(yè)資源；②打造農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)；③建設(shè)礦山地質(zhì)公園；④興建魚塘，發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)；⑤以生態(tài)恢復(fù)治理為主，大力開發(fā)旅游資源。

3 治理模式研究

對于具體的采煤塌陷區(qū)，就經(jīng)濟、環(huán)境以及社會效益而言，應(yīng)采用什么治理方法最為合理，成為眾所關(guān)注的事情。

通過對上述治理方法的分析，依據(jù)采煤塌陷形成的背景條件，總結(jié)出以下兩種采煤沉陷的治理模式(表1)。

3.1 采煤塌陷區(qū)形成積水的治理模式

這種治理模式的前提條件是地表塌陷特征是地面彎曲變形，裂隙不發(fā)育；地表是黏性土等細顆粒地層巖性，其滲透性能差；地區(qū)降雨量豐富，可以及時補充積水區(qū)域水量損失。

地表存在積水的塌陷區(qū)，其地表特征是塌陷所形成的地面彎曲帶，由于沒有裂縫，且地表以黏性土為主，滲透性能差，因此，降水可以在沉陷區(qū)彎曲帶聚集起來形成積水區(qū)域，積水區(qū)域形狀不同，可以形成不同厚度的水層；在治理的同時，針對不同水層厚度，結(jié)合人文地理特征，可以將塌陷區(qū)改造成具有不同功能的閑置土地重利用區(qū)，例如：魚塘、水庫、湖泊、濕地等，大力發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)、開發(fā)旅游資源，對帶動當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

表1 采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式

3.2 采煤塌陷區(qū)沒有積水的治理模式

這種治理模式適用于地表沒有形成積水的采煤沉陷區(qū)，多用于氣候干旱，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，土質(zhì)疏松，滲透性能好，采煤沉陷區(qū)不易形成大面積、長時間積水區(qū)域，生態(tài)環(huán)境脆弱，因此，依據(jù)塌陷坑的規(guī)模大小，結(jié)合治理的工程量，將采煤塌陷區(qū)回填，恢復(fù)為耕地；將大型的沉陷盆地植樹造林，改造成為綠洲帶，大力發(fā)展林業(yè)資源。例如：植樹造林、打造農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)、建設(shè)礦山地質(zhì)公園等。

多數(shù)情況受不同因素的制約，不同條件的組合，即使在同一地區(qū)，其采煤塌陷區(qū)的治理模式也并非單一，通常情況，因地制宜，對不同的采煤塌陷區(qū)，可以采用以上兩種模式綜合進行整治。

4 寧夏石嘴山采煤沉陷區(qū)治理案例分析

寧夏石嘴山市惠農(nóng)區(qū)采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理方法包括植樹造林、打造農(nóng)業(yè)生態(tài)園區(qū)、建設(shè)礦山地質(zhì)公園等，治理效果顯著，是一個礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理較為典型的案例，其治理理念值得類似地區(qū)借鑒。

4.1 基本情況

惠農(nóng)采煤沉陷區(qū)位于石嘴山惠農(nóng)城市建成區(qū)的中心，其突出的地質(zhì)環(huán)境問題已經(jīng)嚴重影響到人居環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城市發(fā)展規(guī)劃，制約石嘴山市在資源枯竭城市轉(zhuǎn)型進程中的城市及環(huán)境建設(shè)。

1)沉陷區(qū)內(nèi)“滿目瘡痍、蕭條衰敗”的地形地貌景觀，惡劣的生態(tài)環(huán)境，無異于城市中心的一處黑洞。

2)惠農(nóng)采煤塌陷區(qū)內(nèi)的工業(yè)及民用建筑遭到變形破壞，其影響范圍之大，破壞程度之深，其周邊居民的正常生產(chǎn)生活難以繼續(xù)。

3)沉陷區(qū)內(nèi)地裂縫、高陡邊坡、土壤侵蝕等次生地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)育，地下水位不斷下降，土地及水資源均遭受不同程度破壞。

4.2 治理目標

依據(jù)規(guī)劃，惠農(nóng)采煤沉陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理項目的實施，最終將形成“一帶二區(qū)三湖四點”為特色的“城市生態(tài)公園”。在此目標的指引下，治理項目的實施預(yù)計可以實現(xiàn)以下三個目標。

1)恢復(fù)塌陷區(qū)大面積土地資源的重新利用，徹底改變塌陷區(qū)蕭瑟荒蕪的地形地貌景觀。

2)消除地裂縫、地面塌陷、土壤侵蝕等地質(zhì)災(zāi)害帶來的不利影響，全面遏制塌陷區(qū)日漸嚴重的水土流失。

3)實現(xiàn)塌陷區(qū)的植被覆蓋，恢復(fù)自然生態(tài)，改善塌陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

4.3 治理任務(wù)

結(jié)合石嘴山市采煤沉陷區(qū)的實際情況，采取的具體治理思路體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)對塌陷裂縫發(fā)育區(qū)進行地貌重塑，進行裂縫整治及塌陷坑填埋，將塌陷區(qū)改造為坡度適宜(2°～15°)的緩坡地形，為土壤的重構(gòu)與土地復(fù)墾奠定基礎(chǔ)。

2)對于基巖塌陷區(qū)及上覆松散層塌陷區(qū)的土壤進行工程覆土及施肥改良，以恢復(fù)其種植功能。

3)在積水塌陷區(qū)及周邊修筑擋土墻，以防止帶來新的煤矸石污染。

4)在塌陷區(qū)內(nèi)規(guī)劃綠化管網(wǎng)滴灌工程，以保證項目實施后林木生產(chǎn)條件。

5)采取多林種結(jié)合的綠化工程設(shè)計，喬灌結(jié)合，構(gòu)建多林種相結(jié)合的綜合防護體系和結(jié)構(gòu)合理、良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

4.4 技術(shù)路線

治理項目可行性研究工作之前，首先對之前惠農(nóng)采煤區(qū)已經(jīng)治理、待治理情況進行調(diào)研，在現(xiàn)場踏勘、群眾調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對性的收集引發(fā)惠農(nóng)采煤沉陷區(qū)的礦井開采資料，綜合當?shù)貧庀筚Y料、工程地質(zhì)水文資料，全面了解惠農(nóng)采煤沉陷區(qū)的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀與問題。在對國內(nèi)外有關(guān)采煤塌陷區(qū)治理的理論經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合石嘴山市土地利用規(guī)劃、惠農(nóng)區(qū)采煤沉陷區(qū)治理規(guī)劃，提出切實可行的治理方案。

4.5 治理對象

治理對象為惠農(nóng)采煤沉陷區(qū)，呈北東向展布，塌陷深度2～15m，面積4.09km2。具體位置：煤炭路以北，原礦區(qū)鐵路以西，寧夏眾元煤焦化有限責(zé)任公司以東，南至礦區(qū)居民地。其中重點治理對象有沉陷坑、地表裂縫、大面積的基巖出露、沉陷區(qū)東南側(cè)與原礦區(qū)鐵路形成的邊坡、常年沉陷積水坑、煤矸石垃圾堆。

4.6 治理措施

針對以上治理對象，按照工程部署原則，結(jié)合本地區(qū)同類工程的治理經(jīng)驗，依據(jù)前述技術(shù)路線，全區(qū)統(tǒng)一安排治理措施。本項目的治理措施主要可以歸類分為五個部分：土地整理工程(含土壤重塑)、防護工程、道路工程、滴灌工程及綠化工程。

4.6.1 土地整理工程

1)對部分沉陷坑煤矸石填埋；地裂縫采取人工與機械相結(jié)合的工藝填補；

2)對于基巖裸露塌陷區(qū)采取高挖低填的工藝；

3)上覆第四系覆蓋物的塌陷區(qū)的整理應(yīng)充分利用現(xiàn)有地形地貌，合理分區(qū)分塊，盡量減少區(qū)內(nèi)土方的遠距離運輸搬運；

4)整理后的地形坡度在2°～15°。

4.6.2 防護工程

治理區(qū)內(nèi)主要三部分需要設(shè)置防護工程：治理區(qū)南側(cè)與原礦區(qū)鐵路形成的邊坡，坡面裸露，部分地段堆積建筑垃圾；常年積水沉陷區(qū)；多年堆積形成的煤矸石及工業(yè)垃圾堆。

1)邊坡治理措施：坡面清理+覆土夯實+六棱磚護坡+坡腳擋墻。

2)積水沉陷區(qū)治理措施：該沉陷區(qū)積水深度、面積較大，且周邊亂石垃圾很多，擬保留該處積水區(qū)作為景觀，為安全起見，設(shè)計在積水區(qū)周邊修筑低矮擋墻，擋墻頂面采用混凝土抹面。

3)煤矸石垃圾堆處理：清除表面垃圾及松散矸石，按照松散層垂直厚度1m處理后，沿矸石堆的東南側(cè)坡腳外延2m處，修筑高1.5m擋土墻，防止矸石堆積造成周邊環(huán)境污染。

4.6.3 道路工程

治理規(guī)劃將治理區(qū)整理為若干個田塊，各田塊分片進行綠化，為方便各田塊聯(lián)絡(luò)及保護綠化成果，設(shè)計修筑兩級道路與原有道路協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4.6.4 綠化工程

治理區(qū)氣候干旱，平均日照時間長，土壤質(zhì)量一般，不同程度的存在水土流失現(xiàn)象，因此在平整后的土地規(guī)劃使用三種綠化模式：喬木混交、喬灌混交及喬灌草混交共同完成治理區(qū)的綠化。

4.6.5 滴灌工程

植物的喬木種類有國槐、刺槐、油松和白蠟；灌木種類以檸條和紫穗槐為主；草本種類以草木樨和沙打旺為主，結(jié)合本次治理的特點：灌溉面積大、水源為黃河水、作物種類多樣化等特點，擬采取滴灌技術(shù)應(yīng)用于本次水利灌溉工程。

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