毛旭閣
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077)
陜西省銅川市是一座因煤而興、先礦后市的典型資源型城市,是西北地區(qū)重要的煤炭和建材工業(yè)基地,伴隨著煤炭資源的大力發(fā)展,銅川市面臨著資源耗竭、土地持續(xù)沉陷、廢棄礦渣雜亂堆放、生態(tài)環(huán)境惡化和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等一系列問(wèn)題,這些問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重制約了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,亟待解決。
目前我國(guó)對(duì)于資源枯竭型城市因采煤塌陷而形成土地復(fù)墾問(wèn)題的治理模式研究案例較少,本研究通過(guò)實(shí)地調(diào)查因20世紀(jì)90年代開(kāi)采廢棄的銅川市衣食村和草灘村沉陷區(qū),查明廢棄露天采坑的范圍、廢棄堆渣場(chǎng)的空間分布形態(tài)及地面塌陷坑洞的大小和深度,總結(jié)采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式,對(duì)于指導(dǎo)廢棄礦山采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作具有重要意義。
通過(guò)調(diào)查訪問(wèn)發(fā)現(xiàn),銅川市衣食村和草灘村研究區(qū)煤炭開(kāi)發(fā)歷史悠久,明清時(shí)期已有小煤窯沿煤層露頭開(kāi)采,開(kāi)采范圍一般不大,深度不超過(guò)100 m,多因自燃、水害和瓦斯事故而停產(chǎn)關(guān)閉,形成大小不等的采空區(qū);1990-2002年期間,在研究區(qū)有衣食村露天煤礦、衣食村第二煤礦、衣食村河西煤礦等小煤礦從事露天和井工開(kāi)采,生產(chǎn)原煤約為20萬(wàn)t/a,開(kāi)采對(duì)象為4-2#煤層,煤層厚度為3~5 m,較為穩(wěn)定,地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,開(kāi)采投資少,共開(kāi)采原煤超過(guò)600萬(wàn)t,巷道長(zhǎng)度為50~150 m,有的巷道已與其余小煤礦貫通;截止到2008年該區(qū)的小煤礦全部報(bào)廢,地下形成大小不等的采空區(qū),并在露天開(kāi)采地段殘留和形成了多處露天采坑及堆渣場(chǎng),致使該地區(qū)環(huán)境惡化又造成了資源的浪費(fèi)。
銅川市衣食村和草灘村塌陷區(qū)屬大陸性半干旱氣候,四季冷熱多變,晝夜溫差懸殊,雨季集中,蒸發(fā)強(qiáng)烈,平均降水量為650 mm/a,7-9月降水量占全年降水量的65.8%,平均蒸發(fā)量為1183 mm/a。研究區(qū)內(nèi)大部分由易滲透和大孔隙的各期黃土所覆蓋,加上自然條件差、生態(tài)環(huán)境脆弱以及氣候的變化致使煤礦采空區(qū)及各類(lèi)斜坡地帶的地質(zhì)災(zāi)害屢屢發(fā)生,危害極大。
由于受到歷史發(fā)展階段環(huán)境保護(hù)意識(shí)的局限性,礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致該礦區(qū)資源嚴(yán)重?fù)p毀(包括土地資源、地貌景觀、地下水資源、林地資源等的占?jí)号c破壞),誘發(fā)了礦山地質(zhì)災(zāi)害(地面塌陷、地裂縫、滑坡、崩塌、泥石流等),污染了該礦區(qū)的水土環(huán)境。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料分析,衣食村和草灘村研究區(qū)塌陷始于20世紀(jì)90年代初期,大范圍塌陷出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期,每逢雨季塌陷形成的陡坡時(shí)有崩落,塌陷范圍及地面裂縫不斷擴(kuò)大,采空區(qū)面積為82413 m2。在地面形成20余處塌陷坑,地裂縫10余條,許多塌陷坑裂縫長(zhǎng)期冒煙,農(nóng)田和植被遭到不同程度破壞,導(dǎo)致大量農(nóng)田無(wú)法耕種和部分道路被毀壞。地面形成的采煤塌陷坑如圖1所示。
圖1 地面形成的采煤塌陷坑
草灘村廢棄礦渣場(chǎng)長(zhǎng)為1421 m,寬為190~416 m,南北兩頭高,中間低,落差近40 m,群采煤礦被破壞和壓占土地約為102412 m2。沉陷的塌陷坑、突兀的塌陷陡坎、縱橫的地裂縫、突出的煤矸石山及地面凹凸不平、矸石山煙霧彌漫、風(fēng)起煤灰揚(yáng)塵嚴(yán)重破壞了研究區(qū)視覺(jué)景觀和城區(qū)環(huán)境。溝道深處已為農(nóng)民復(fù)墾還田,溝口至荒草灣河流階地仍有部分廢棄場(chǎng)地,廢棄場(chǎng)地成為該區(qū)域嚴(yán)重的水土流失區(qū)。廢棄礦渣坑如圖2所示。
圖2 廢棄礦渣坑
礦山建設(shè)過(guò)程中,造成多級(jí)臺(tái)階狀裸露陡壁構(gòu)成不穩(wěn)定斜坡隱患,衣食村研究區(qū)的斜坡體長(zhǎng)約為80 m,平均高度為18 m,坡面風(fēng)化嚴(yán)重,節(jié)理裂隙發(fā)育,整體穩(wěn)定性較好,局部發(fā)生崩滑破壞,極不穩(wěn)定,對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窦暗缆钒踩斐赏{。
研究區(qū)內(nèi)堆積大面積廢棄礦渣,顏色為灰色和灰黑色,成分以煤矸石、煤渣和粉粒為主,顆粒粒徑多介于0.5~2 cm之間,原巖成分以砂巖和泥巖為主,粉粒充填、較松散、局部膠結(jié)且廢渣的級(jí)配良好,不均勻系數(shù)CU介于8~15之間,表層植被發(fā)育不良。這些廢棄礦渣在占地的同時(shí),矸石自然釋放出CO、CO2和SO2等大量有毒有害氣體,嚴(yán)重時(shí)矸石堆煙霧彌漫,現(xiàn)場(chǎng)氣味刺鼻,嚴(yán)重影響周?chē)用竦慕】蛋踩统鞘协h(huán)境。廢棄的煤矸石場(chǎng)地如圖3所示。
圖3 廢棄的煤矸石場(chǎng)地
對(duì)于廢棄采煤沉陷區(qū)的治理而言,不能僅對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害采取工程措施而忽視生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)治理,否則惡劣的生態(tài)環(huán)境將導(dǎo)致新的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生;也不能僅對(duì)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理而無(wú)視地質(zhì)災(zāi)害的威脅,否則地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生,區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工程將失去意義;區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和地質(zhì)災(zāi)害治理分開(kāi)前后來(lái)做也是不可行的,前后分開(kāi)治理的方案不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi),還會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的工程與生態(tài)恢復(fù)工程之間存在縫隙,不能和諧統(tǒng)一、共同發(fā)揮作用、起到事倍功半的作用。
廢棄采煤沉陷治理工程應(yīng)以安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、利于環(huán)保為總的原則,具體思路如下:
(1)據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的差異,遵循 “宜園則園、宜水則水、宜林則林、宜地則地”基本原則,因地制宜的實(shí)施地質(zhì)環(huán)境綜合治理工作。
(2)堅(jiān)持增加耕地和可建設(shè)用地,促進(jìn)保護(hù)土地資源。
(3)堅(jiān)持技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、運(yùn)行上安全的原則,以最小的治理經(jīng)費(fèi)獲得最大的防災(zāi)減災(zāi)效益。
(4)堅(jiān)持礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建原則,做好礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)和生物群落的恢復(fù)與重建,并與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。
(5)治理工程應(yīng)處理好長(zhǎng)遠(yuǎn)與當(dāng)前、整體與局部的關(guān)系,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展。
4.1.1 塌陷坑開(kāi)挖及回填
對(duì)塌陷坑及地裂縫進(jìn)行開(kāi)挖塌實(shí),然后再回填處理。首先對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖,使其周?chē)鶆虺料菹氯?,形成一個(gè)自然的“坑”狀體,同時(shí)對(duì)塌陷區(qū)四周高陡邊坡地段進(jìn)行開(kāi)挖剝離,保證坑體邊坡穩(wěn)定平緩,然后對(duì)塌陷坑回填,推平整修,作為農(nóng)田或綠化用地。
4.1.2 塌陷落洞坑治理工程
由底部填入煤矸石或建筑垃圾至地表以下3.0 m,表層回填3.5 m厚粘性土(涵養(yǎng)水分恢復(fù)生態(tài)環(huán)境并有阻水作用),在每個(gè)塌陷坑洞旁添加警告示意牌。塌陷洞填埋示意圖如圖4所示。
圖4 塌陷洞填埋示意圖
4.2.1 廢棄礦井設(shè)施及建筑拆除
對(duì)煤礦開(kāi)采遺留下的廢棄礦井設(shè)施及地面建筑進(jìn)行拆除,拆除廢棄建筑,拆除基礎(chǔ)深度取1.0 m,拆除地面硬化深度0.3 m,對(duì)拆除的廢磚廢瓦等建筑垃圾就地粉碎、掩埋,覆土厚度為0.6 m。
4.2.2 廢棄礦渣治理
研究區(qū)地形起伏較大,礦渣排放雜亂,根據(jù)地形特點(diǎn),在遵循最小挖方量的前提下,對(duì)礦渣堆進(jìn)行推壓整平,為綠化提供工程條件。
整修后坡面上采取撒播草籽(苜蓿)、自然生長(zhǎng)的方式恢復(fù)植被。
4.3.1 坡面整修
對(duì)研究區(qū)內(nèi)的邊坡進(jìn)行整修工作,坡率為1∶0.75。整修后坡面上采取撒播草籽(苜蓿)、自然生長(zhǎng)的方式恢復(fù)植被,播種密度為0.007 kg/m2。
4.3.2 修筑護(hù)面墻
藍(lán)寶石那猶如深海般、澄凈蔚藍(lán)的色彩,正代表著地球生生不息的活力。古代波斯人相信:大地由一塊巨大的藍(lán)寶石支撐。當(dāng)陽(yáng)光灑落大地,經(jīng)由藍(lán)寶石的光輝反射,天空才能呈現(xiàn)出寧?kù)o迷人的藍(lán)色。
在坡腳采取護(hù)面墻防護(hù)。修筑漿砌塊石護(hù)坡,墻高為3.0~4.0 m,頂寬為0.5 m,墻面坡比為1∶0.25,基礎(chǔ)埋深為1.4 m,基底采用3∶7的灰土夯實(shí),厚度為50 cm。墻體采用M7.5漿砌塊石砌筑,表面用M10水泥砂漿勾縫;墻頂用M10砂漿抹成3%外斜護(hù)頂,厚度取3 cm;墻身布設(shè)?90 mm的PVC泄水孔,泄水孔間距為3.0 m,排距為3.0 m,呈梅花型布置,泄水孔坡度不小于5%,墻背設(shè)置厚度為30 cm的砂礫石反濾層,在最低的一個(gè)排泄水孔下部夯填30 cm的厚粘土隔水層。
對(duì)研究區(qū)內(nèi)廢渣堆、矸石山和溝道進(jìn)行綠化,恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。
對(duì)研究區(qū)內(nèi)堆積的雜亂矸石山,主要是由推矸、碾壓、覆蓋黃土等綜合治理措施整修而成的平地(或斜坡),進(jìn)行全面綠化,樹(shù)類(lèi)種植刺槐,種植間排距為3 m×3 m,刺槐采用采用挖“魚(yú)鱗坑”的方法栽種刺槐,呈梅花狀布置;草類(lèi)苜蓿采用人工撒播法種植。該部分綠化主要采用人工撒播苜蓿為主,這樣不僅能起到美化環(huán)境的作用,還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。廢棄煤矸石重建后和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)后如圖5和圖6所示。
圖5 廢棄煤矸石重建后的圖
圖6 生態(tài)環(huán)境恢復(fù)后的圖
通過(guò)2011-2016年對(duì)塌陷區(qū)地貌重建、廢棄建筑物拆遷、矸石清理填埋、土地復(fù)墾、邊坡修正、植草綠化等工程的完工,消除了地面塌陷對(duì)周邊居民生產(chǎn)和生活的威脅,促進(jìn)了塌陷區(qū)社會(huì)的和諧與穩(wěn)定。
該工程的實(shí)施極大地消除了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害對(duì)礦區(qū)環(huán)境的危害,復(fù)墾的土地將會(huì)極大的改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,將衣食村和草灘村研究區(qū)建成混采區(qū)治理恢復(fù)的典型;同時(shí),針對(duì)采煤塌陷區(qū)毀損道路修補(bǔ)和毀損土地修復(fù)等,緩解了受災(zāi)村民的不滿情緒,化解了礦山與村民、政府與村民之間十分緊張的社會(huì)矛盾,為銅川資源枯竭型城市營(yíng)造一個(gè)安全的生存、生產(chǎn)環(huán)境,促進(jìn)和諧社會(huì)的建設(shè)具有重要的社會(huì)意義。
地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題,對(duì)整個(gè)研究區(qū)而言,礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題已是影響、制約礦區(qū)環(huán)境與發(fā)展的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)銅川市草灘村和衣食村研究區(qū)廢棄土地綜合治理恢復(fù)工程的實(shí)施,將促使該地區(qū)生產(chǎn)、生活及生態(tài)環(huán)境得到極大的改善,為本區(qū)步入資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)促進(jìn)其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展良性循環(huán)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境共同發(fā)展之路,并逐步增加礦產(chǎn)自身的“免疫”能力,有效促進(jìn)保護(hù)耕地0.032 km2,恢復(fù)被破壞的林地并植樹(shù)種草0.417 km2,完成生態(tài)重建任務(wù),提高礦區(qū)植被覆蓋率程度,逐步恢復(fù)重建礦區(qū)生態(tài)群落,美化礦區(qū)人居環(huán)境,所獲得的經(jīng)濟(jì)效益將是巨大而長(zhǎng)遠(yuǎn)的。
(1)采煤塌陷區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育過(guò)程與生態(tài)環(huán)境的破壞狀況并不是相互獨(dú)立的,而是相輔相成、相互促進(jìn)的。生態(tài)環(huán)境的破壞和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往同時(shí)存在,生態(tài)環(huán)境的破壞可以直接或間接導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生又會(huì)嚴(yán)重加劇生態(tài)環(huán)境的破壞。
(2)陜西省在進(jìn)行大規(guī)模煤礦開(kāi)采過(guò)程中,采煤塌陷區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),生態(tài)環(huán)境惡劣,在對(duì)采煤塌陷區(qū)進(jìn)行治理過(guò)程中,需要綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害治理、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展以及社會(huì)需求等諸多因素。
(4)綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害治理,生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、陜西的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略及當(dāng)?shù)厣鐣?huì)需求等4個(gè)因素,工程治理方案與生態(tài)環(huán)境恢復(fù)方案相互耦合、共同作用,形成一套完整的綜合治理方案。
(5)治理方案能夠消除廢棄礦山采煤塌陷區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的威脅,恢復(fù)研究區(qū)內(nèi)原來(lái)的生態(tài)環(huán)境狀況,符合陜西的旅游發(fā)展戰(zhàn)略,滿足社會(huì)需求,可以為其他采煤塌陷區(qū)的治理提供思路和思考。
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