焦葉紅 于成 武靖雯

摘要：基于NbS自然解決方案用于采煤塌陷地生態(tài)修復，以新疆伊犁一礦生態(tài)修復為例進行礦山生態(tài)修復研究，聚焦多目標，形成多功能修復格局。進行排矸場生態(tài)修復、水土環(huán)境污染修復、含水層破壞修復、土壤植被一體化修復。采取管理、技術、經(jīng)濟等綜合措施，形成包容、透明和賦權的治理過程，為開展西部生態(tài)脆弱區(qū)礦山生態(tài)修復提供一種新的治理理念和方法。

關鍵詞：NbS自然解決方案；伊犁一礦；采煤塌陷地；生態(tài)修復

中圖分類號：P694??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.10.012

引文格式：焦葉紅，于成，武靖雯.基于NbS自然解決方案的伊犁一礦采煤塌陷地生態(tài)修復［J］.山東國土資源，2023，39（10）：75-80. JIAO Yehong， YU Cheng， WU Jingwen. Ecological Restoration of Coal Mining Subsidence in Yili Coal Mine Based on NbS Natural Solution［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（10）：75-80.

0 引言

基于自然的解決方案（Nature-based So1ution，NbS）近十年來發(fā)展迅速，世界自然保護聯(lián)盟（IUCN）將其定義為在可持續(xù)發(fā)展理念指導下的重視自然生態(tài)系統(tǒng)自我修復能力，同時妥善處理經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的綜合解決方案［1-3］。從21世紀初開始，基于自然的解決方案才進入主流科學研究范疇，經(jīng)歷了土地管理、礦山治理、水環(huán)境治理等不同學科的探索與發(fā)展，概念從原來的廣泛性逐漸精細到每個學科?；谧匀坏慕鉀Q方案是動態(tài)的、面向未來且具有很強的可持續(xù)性的解決方案，使生態(tài)建設成為一項人與自然相互作用的過程。NbS成為被廣泛采用的術語并且在學術研究和政策制定中得到了越來越多的關注，被認為是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展全球目標的重要工具［4］。

本文基于NbS自然解決方案用于采煤塌陷地生態(tài)修復，以新疆伊利一礦生態(tài)修復為例進行礦山生態(tài)修復研究，為日后開展西部生態(tài)脆弱區(qū)礦山生態(tài)修復提供新的治理理念和方法。

1 研究區(qū)概況

伊犁一號煤礦（以下簡稱“伊犁一礦”）位于新疆察布查爾錫伯自治縣南部，行政區(qū)劃隸屬新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣瓊博拉鎮(zhèn)管轄。伊犁一礦井田面積118.5km2，礦井地質(zhì)儲量約46.33億t，可采儲量19.98億t，設計生產(chǎn)能力1000萬t/a，設計服務年限142年，是伊犁礦區(qū)設計產(chǎn)能最大的現(xiàn)代化礦井，也是新疆首座獲得國家發(fā)改委核準的千萬噸級現(xiàn)代化井工礦井。

井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組，煤層傾角較緩，一般5°～8°左右，共含煤12層，自上而下為1號煤層、2號煤層、3號煤層、4-1號煤層、4-2號煤層、5號煤層、6號煤層、8號煤層、9-1號煤層、9號煤層、10號煤層、12號煤層。其中3號煤層、5號煤層全區(qū)穩(wěn)定分布，為主要可采煤層。各煤層埋藏深度及煤層厚度見表1。

近年來，伊犁一礦進行了首采區(qū)開采，輸送了大量煤炭資源，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展做出了巨大貢獻。由于伊犁一礦煤層埋藏淺，開采厚度大，采用綜采放頂煤開采后，地表塌陷劇烈，地表出現(xiàn)較大臺階、地裂縫、塌陷坑，造成區(qū)域農(nóng)田塌陷、配套灌排設施損毀、道路塌陷，給當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成較大影響。同時，部分地裂縫直接連通采空區(qū)，引發(fā)煤體自燃、地表水下滲，威脅礦井安全生產(chǎn)。

此研究課題是以“雙碳”戰(zhàn)略目標為引導，在基于綠色的新發(fā)展理念基礎上，嚴格依據(jù)煤炭資源、環(huán)境容量、水資源等因素，最大限度減輕對生態(tài)環(huán)境的破壞，對已形成的采煤塌陷進行生態(tài)修復，實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)綠色和可持續(xù)發(fā)展。

2 研究方法與內(nèi)容

NbS的核心在于用自然的方式應對社會挑戰(zhàn)，解決相關問題［5］。基于自然的解決方案（NbS）并非回歸自然、回歸原始，自然只是一個既定目標，而基于自然的解決方案是實現(xiàn)目標的方法與手段，通過對生態(tài)系統(tǒng)及其規(guī)律的認知和運用，通過人工技術的介入，在灰色和綠色間找到理想平衡狀態(tài)［6］。在礦山生態(tài)修復實施的過程中，基于自然的解決方案會采用眾多的高新技術，為方案的運作提供幫助；作為引入自然并讓其做功的新興領域，基于自然的解決方案不僅僅依托傳統(tǒng)經(jīng)驗的積累，還借助高新工程技術手段，利用其所具有的特性，服務于各類特定的需求。

2.1 礦山生態(tài)修復的自然解決方案準則

準則一：依據(jù)尺度設計NbS［7］。NbS認為要根據(jù)尺度設計項目，這項準則強調(diào)NbS的整體性，所有干預措施，包括在單個場地或較小空間尺度上實施的干預措施，都應在景觀規(guī)劃的背景下制定，以確?；顒泳哂袘?zhàn)略意義。

準則二：包容性治理過程。適當?shù)闹卫磉^程對于確定NbS給人類和自然帶來成效至關重要［8］。公平參與、權力共享、認可和保障權利以及明確責任，將確保人與自然在短期和長期同時受益。

準則三：目標與效益間公正地權衡。NbS要在社會、經(jīng)濟、生態(tài)之間進行平衡和權衡，公平地權衡利弊。權衡具有空間、時間和可逆性的維度［9］?？臻g維度是指權衡效果可以在當?shù)鼗蜻h處實現(xiàn)。時間維度是指影響發(fā)生的相對快慢。可逆性表示當擾動事件停止時，一個被破壞的生態(tài)系統(tǒng)服務可能恢復到其原始狀態(tài)的可能性。

準則四：進行適應性管理。這一準則表明了NbS是一個不斷發(fā)展、系統(tǒng)的過程，以初始的規(guī)劃方案和評估作為基礎［10］，在規(guī)劃過程中開展相應的長期監(jiān)測并進行階段性的評估，根據(jù)各利益相關方對規(guī)劃的反饋不斷地調(diào)整規(guī)劃方案和完善規(guī)劃策略。

2.2 形成礦山塌陷區(qū)多功能修復格局

2.2.1 穩(wěn)沉區(qū)土地整理修復

通過現(xiàn)場調(diào)查，將穩(wěn)沉區(qū)分為D1（中、重度塌陷區(qū)）、D2（輕度塌陷區(qū)）兩個部分進行整治（圖1）。

D1地塊為中、重度塌陷區(qū)，面積342196.14m2，地形起伏較大，地裂縫發(fā)育，溝壑遍布。原有道路、水渠等遭到嚴重破壞，無法在利用；區(qū)內(nèi)耕地無法耕種，防護林等樹木枯死。對該地塊進行表土剝離、挖高墊低、土方回填、土地平整、土地翻耕、新修道路、新修水渠、種植防護林等工程，使其恢復可利用狀態(tài)。

D2地塊為輕度塌陷區(qū)，面積74143.84m2（111.22畝），塌陷程度輕，發(fā)育有地裂縫。目前處于正常耕種狀態(tài)，周邊水利、道路等配套設施未遭到破壞，仍能正常利用。因此進行簡單的土地平整等工程即可恢復土地正常耕種，使土地達到可利用狀態(tài)。

2.2.2 排矸場生態(tài)修復

伊犁一礦礦區(qū)排矸場壓占土地面積約19.70hm2，場地平整后，利用南、北工業(yè)廣場前期剝離的表土對復墾區(qū)進行覆蓋，覆土厚度0.20m，根據(jù)周邊地形地貌坡度，土地平整地形坡度按5°計。根據(jù)區(qū)域植被類型，選用人工條播草籽，開溝深度10cm，寬度10cm，溝距30cm。種植時間選擇在春季或雨季前，待雨季時可為草籽提供生產(chǎn)所需水分，直接人工混播草籽，草種選擇針茅、披針葉苔草，均為當?shù)爻Ｒ姴莘N。

2.2.3 水土環(huán)境污染修復

（1）水環(huán)境污染預防措施

生活污水排入生活污水處理池，處理后達到《污水綜合排放標準》（GB8978—2002）二級標準，用于道路灑水降塵，提高礦山生活污水利用率；礦井涌水排至地面沉淀池后達到井下灑水水質(zhì)標準，回用于井下生產(chǎn)及巷道降塵，不外排，盡可能實現(xiàn)礦區(qū)水資源綜合利用最大化。在礦山開采過程中，矸石、生活垃圾、爐渣等不亂堆亂放，矸石統(tǒng)一回填采空區(qū)；生活垃圾堆放在生活垃圾池，定期運送至垃圾填埋場，以減少礦山固體廢棄物對水土環(huán)境的污染。

（2）水土環(huán)境污染修復措施

礦山產(chǎn)生的固體廢棄物和污水（廢水）按設計方式經(jīng)綜合利用和凈化處理后，不會引發(fā)水土環(huán)境污染，礦山未來水土環(huán)境污染修復僅采取監(jiān)測和預防工程措施，不采取治理修復措施。

（3）水土環(huán)境污染的監(jiān)測措施

水監(jiān)測點布設于礦區(qū)東部瓊博洛薩依溝（表2），了解掌握礦山開采水環(huán)境質(zhì)量狀況和受污染程度，對生活污水進行監(jiān)測。在生活區(qū)及南工業(yè)廣場污水處理池布置監(jiān)測點，檢查水質(zhì)是否達到排放標準。礦山生產(chǎn)活動集中位于辦公生活區(qū)、工業(yè)廣場等地，土環(huán)境會因礦山排放生活垃圾的影響而受到不同程度的污染。為了解掌握區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況和受污染程度，在容易對土環(huán)境造成污染的辦公生活區(qū)、工業(yè)廣場設置土壤監(jiān)測點。

2.2.4 地下水保護修復

地下儲水空間的合理開發(fā)利用可以利用地下含水層的調(diào)蓄功能、穩(wěn)定地下水位、縮小地下水降落漏斗、控制地面沉降［11］。伊犁一礦首采區(qū)產(chǎn)生的地面塌陷和裂隙為地下水的存儲和徑流創(chuàng)造了良好條件，加強了與上覆含水層的水力聯(lián)系，并成為這些含水層水進入礦井采空區(qū)的通道，裂隙以及頂板冒落巖塊間的孔隙成為儲存地下水的巨大空間［12］。轉(zhuǎn)移存貯正是地下儲水空間在缺水礦區(qū)實施水資源保護性開采的關鍵體現(xiàn)。伊犁一礦新生代沖洪積孔隙潛水含水層包括第四系孔隙含水層和新近系孔隙含水層。侏羅系層間裂隙孔隙承壓含水層頭屯河組下部至1號煤層以上平均厚度16.88m、5～8號煤層之間平均厚度15.22m、10號煤層頂板上平均厚度22.27m等分布穩(wěn)定可以考慮作為含水層的轉(zhuǎn)移存貯空間。

2.2.5 土壤-植被一體化修復

針對礦山復墾工作來說，表層土壤的覆蓋具有重要的意義［13］。表層土壤是經(jīng)過多年植物作用而形成的熟化土壤，是深層生土所不能替代的，對于植物種子的萌發(fā)和幼苗的生長有著重要作用。表土臨時存放必然會影響到土壤的容重、水分等理化性狀以及植物、動物，尤其是微生物等生物學性狀。表層土壤是土地復墾時進行再種植成功的關鍵，在取土過程做好防護工作。為了保持土壤結(jié)構(gòu)、避免土壤板結(jié)，應避免雨季取土。復墾植被的主要作用在于修復己損毀的土地，提高土壤的肥力，改善區(qū)域環(huán)境，因此在盡量選擇成活率高的鄉(xiāng)土植物的前提下，還應注意選擇有利于增加土壤肥力的草本等植被［14］。根據(jù)區(qū)域植被特征，選用耐旱牧草假木賊及針茅，1∶1混播，播撒密度為60kg/hm2。播種前要曬種2～3d，以打破休眠，提高發(fā)芽率和幼苗整齊度，每10kg種子用水10～20kg浸種催芽，浸種24h。播種期在當年雨期6月—10月實施，保障牧草成活率。

2.3 采取綜合措施預防塌陷形成機制

針對研究區(qū)監(jiān)測結(jié)果，分析采煤驅(qū)動下覆巖與地表巖移特征、地質(zhì)災害發(fā)生和發(fā)展特點，提出厚松散層薄基巖特厚煤層條件綜放開采覆巖與地表移動規(guī)律，揭示采煤引發(fā)的地質(zhì)災害發(fā)展規(guī)律。

以伊犁一礦5號煤層1503W工作面煤層賦存條件為研究基礎，建立數(shù)值模型。分析開采過程中覆巖二維宏觀力學性質(zhì)變化以及頂板移動變形特征（圖2），采用大型非線性二維數(shù)值計算軟件UDEC，對1503W工作面5號煤層開采后覆巖的垮落特征進行模擬研究（圖3），研究伊犁一礦厚松散層薄基巖條件下工作面推進過程中上覆巖層的破壞機制和位移形態(tài)，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測的相互驗證分析，為該礦區(qū)厚松散層薄基巖煤炭開采提供一定的理論支持。

2.4 進行礦區(qū)生態(tài)修復適應性管理

基于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和不確定性，需要對礦區(qū)進行持續(xù)監(jiān)測［15］，通過對過去采用的管理政策和實踐措施來獲得經(jīng)驗，并根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)變化情況，修正、改進管理政策和實踐措施。在新時代背景下，實施適應性管理勢在必行，生態(tài)保護修復中強調(diào)山水林田湖草生命共同體是一種系統(tǒng)性、整體性和綜合性的治理理念［16］，是“皮—骨—肉—血”不可分割的生命共同體，生動闡述人與自然唇齒相依的關系，其根本體現(xiàn)是生態(tài)系統(tǒng)間相互關聯(lián)相互依存的關系。

實施的管理應基于其固有的生態(tài)系統(tǒng)特性，制定合理的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)適應性管理對策［17］。針對伊犁一礦厚松散層薄基巖特厚煤層條件下放頂煤開采引發(fā)的一系列礦區(qū)生態(tài)問題，進行地面塌陷區(qū)治理及復墾技術研究與應用，總結(jié)歸納該地質(zhì)條件下開采覆巖與地表移動規(guī)律，研究形成地面塌陷的成因以及治理和預防控措施，以便指導礦井安全開采、礦山地質(zhì)環(huán)境治理及土地復墾工作。

確定管理尺度及生態(tài)系統(tǒng)邊界（盡可能與行政區(qū)劃一致原則）［18］，分析礦區(qū)基本結(jié)構(gòu)和基礎條件，以及生態(tài)系統(tǒng)所能提供的各種生態(tài)功能（圖4）。詳細調(diào)研、深入分析研究區(qū)地表損毀現(xiàn)狀，研究其產(chǎn)生原因及發(fā)生發(fā)展特點，研發(fā)地面塌陷預防技術；結(jié)合礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境特征和景觀特點，研究地面塌陷治理技術措施。

山水林田湖草生命共同體具有反饋、適應、再生等能力［19］。將傳統(tǒng)管理方法修正為“預測—實施—監(jiān)測—評估—調(diào)整—適應”［20］。伊犁一礦在生態(tài)修復過程中建立農(nóng)業(yè)生態(tài)要素監(jiān)測站，監(jiān)測采煤沉陷區(qū)土壤、植被、農(nóng)田灌溉排水系統(tǒng)、田間道路、土地利用布局等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的變化情況，對該區(qū)土地利用進行適應性評價；研究采礦引起農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)退化的主要因素；利用恢復生態(tài)學原理，優(yōu)選復墾方法和復墾土地利用方向，研究塌陷區(qū)土地復墾與農(nóng)業(yè)生態(tài)修復技術。

采用“理論方法—試驗示范—標準規(guī)程—推廣應用”互逆研究范式［20］，調(diào)查伊犁一礦土地損毀現(xiàn)狀，研究采礦引起農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)退化的主要因素，分析地下資源開采對地表塌陷、臺階、地裂縫及農(nóng)田灌溉排水系統(tǒng)、田間道路、土地利用布局等生態(tài)環(huán)境的影響，優(yōu)選復墾方法和復墾土地利用方向［14］，研究厚松散層薄基巖特厚煤層條件綜放開采礦區(qū)塌陷地土地復墾與生態(tài)修復技術，更加注重生態(tài)系統(tǒng)權衡。

3 結(jié)論

基于NbS自然解決方案的伊犁一礦塌陷地生態(tài)修復的過程包括聚焦多目標，形成多功能修復格局；穩(wěn)沉區(qū)土地整理修復、排矸場生態(tài)修復、水土環(huán)境污染修復、含水層破壞修復、土壤植被一體化修復；采取技術、經(jīng)濟、管理等綜合措施，從源頭上分析采煤塌陷的原因，預防塌陷形成機制；在生態(tài)修復中分四個步驟，即“礦區(qū)基礎條件分析—問題診斷—管理目標確定—適應性管理措施”對伊犁一礦進行生態(tài)修復，明確不同干預措施權衡，進行礦區(qū)生態(tài)修復適應性管理。

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Ecological Restoration of Coal Mining Subsidence

in Yili Coal Mine Based on NbS Natural Solution

JIAO Yehong1， YU Cheng2， WU Jingwen3

（1.No.3 Exploration Brigade of Shandong Coal Geological Bureau， ShandongTai'an 271000， China; 2. Yantai Planning and Design Institute， Shandong Yantai 264003， China; 3. Shandong Experimental High School， Shandong Ji'nan 257000， China）

Abstract： Based on NbS snatural solution， taking ecological restoration of Yili mine in Xinjiang as an example， ecological restoration of coal mining subsidence land has been studied. Focusing on multiple objectives， a multi-functional restoration pattern has been formed. Ecological restoration of waste dump， remediation of soil and water pollution， remediation of aquifer damage， and integrated restoration of soil and vegetation have been carried out. Adopting comprehensive countermeasures， such as technology， economy and management， an inclusive， transparent， and empowered governance process have been formed. It will provide a new method for ecological restoration of mines in the western region.

Key words： NbS natural solution; Yili coal Mine coal mining; subsidence land;? ecological restoration