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(fù)，以新疆伊犁一礦生態(tài)修復(fù)為例進(jìn)行礦山生態(tài)修復(fù)研究，聚焦多目標(biāo)，形成多功能修復(fù)格局。進(jìn)行排矸場(chǎng)生態(tài)修復(fù)、水土環(huán)境污染修復(fù)、含水層破壞修復(fù)、土壤植被一體化修復(fù)。采取管理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合措施，形成包容、透明和賦權(quán)的治理過程，為開展西部生態(tài)脆弱區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)提供一種新的治理理念和方法。

關(guān)鍵詞：NbS自然解決方案；伊犁一礦；采煤塌陷地；生態(tài)修復(fù)

中圖分類號(hào)：P694??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(fù)［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(hù)聯(lián)盟（IUCN）將其定義為在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下的重視自然生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力，同時(shí)妥善處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的綜合解決方案［1-3］。從21世紀(jì)初開始，基于自然的解決方案才進(jìn)入主流科學(xué)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(xué)科的探索與發(fā)展，概念從原來的廣泛性逐漸精細(xì)到每個(gè)學(xué)科?；谧匀坏慕鉀Q方案是動(dòng)態(tài)的、面向未來且具有很強(qiáng)的可持續(xù)性的解決方案，使生態(tài)建設(shè)成為一項(xiàng)人與自然相互作用的過程。NbS成為被廣泛采用的術(shù)語并且在學(xué)術(shù)研究和政策制定中得到了越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展全球目標(biāo)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(fù)，以新疆伊利一礦生態(tài)修復(fù)為例進(jìn)行礦山生態(tài)修復(fù)研究，為日后開展西部生態(tài)脆弱區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)提供新的治理理念和方法。

1 研究區(qū)概況

伊犁一號(hào)煤礦（以下簡(jiǎn)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(chǔ)量約46.33億t，可采儲(chǔ)量19.98億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1000萬t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限142年，是伊犁礦區(qū)設(shè)計(jì)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(zhǔn)的千萬噸級(jí)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(hào)煤層、2號(hào)煤層、3號(hào)煤層、4-1號(hào)煤層、4-2號(hào)煤層、5號(hào)煤層、6號(hào)煤層、8號(hào)煤層、9-1號(hào)煤層、9號(hào)煤層、10號(hào)煤層、12號(hào)煤層。其中3號(hào)煤層、5號(hào)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(jìn)行了首采區(qū)開采，輸送了大量煤炭資源，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。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(tái)階、地裂縫、塌陷坑，造成區(qū)域農(nóng)田塌陷、配套灌排設(shè)施損毀、道路塌陷，給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成較大影響。同時(shí)，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(biāo)為引導(dǎo)，在基于綠色的新發(fā)展理念基礎(chǔ)上，嚴(yán)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(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，對(duì)已形成的采煤塌陷進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，實(shí)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(yīng)對(duì)社會(huì)挑戰(zhàn)，解決相關(guān)問題［5］?；谧匀坏慕鉀Q方案（NbS）并非回歸自然、回歸原始，自然只是一個(gè)既定目標(biāo)，而基于自然的解決方案是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法與手段，通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及其規(guī)律的認(rèn)知和運(yùn)用，通過人工技術(shù)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(fù)實(shí)施的過程中，基于自然的解決方案會(huì)采用眾多的高新技術(shù)，為方案的運(yùn)作提供幫助；作為引入自然并讓其做功的新興領(lǐng)域，基于自然的解決方案不僅僅依托傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的積累，還借助高新工程技術(shù)手段，利用其所具有的特性，服務(wù)于各類特定的需求。

2.1 礦山生態(tài)修復(fù)的自然解決方案準(zhǔn)則

準(zhǔn)則一：依據(jù)尺度設(shè)計(jì)NbS［7］。NbS認(rèn)為要根據(jù)尺度設(shè)計(jì)項(xiàng)目，這項(xiàng)準(zhǔn)則強(qiáng)調(diào)NbS的整體性，所有干預(yù)措施，包括在單個(gè)場(chǎng)地或較小空間尺度上實(shí)施的干預(yù)措施，都應(yīng)在景觀規(guī)劃的背景下制定，以確?；顒?dòng)具有戰(zhàn)略意義。

準(zhǔn)則二：包容性治理過程。適當(dāng)?shù)闹卫磉^程對(duì)于確定NbS給人類和自然帶來成效至關(guān)重要［8］。公平參與、權(quán)力共享、認(rèn)可和保障權(quán)利以及明確責(zé)任，將確保人與自然在短期和長期同時(shí)受益。

準(zhǔn)則三：目標(biāo)與效益間公正地權(quán)衡。NbS要在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)之間進(jìn)行平衡和權(quán)衡，公平地權(quán)衡利弊。權(quán)衡具有空間、時(shí)間和可逆性的維度［9］?？臻g維度是指權(quán)衡效果可以在當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)處實(shí)現(xiàn)。時(shí)間維度是指影響發(fā)生的相對(duì)快慢?？赡嫘员硎井?dāng)擾動(dòng)事件停止時(shí)，一個(gè)被破壞的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能恢復(fù)到其原始狀態(tài)的可能性。

準(zhǔn)則四：進(jìn)行適應(yīng)性管理。這一準(zhǔn)則表明了NbS是一個(gè)不斷發(fā)展、系統(tǒng)的過程，以初始的規(guī)劃方案和評(píng)估作為基礎(chǔ)［10］，在規(guī)劃過程中開展相應(yīng)的長期監(jiān)測(cè)并進(jìn)行階段性的評(píng)估，根據(jù)各利益相關(guān)方對(duì)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(fù)格局

2.2.1 穩(wěn)沉區(qū)土地整理修復(fù)

通過現(xiàn)場(chǎng)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(gè)部分進(jìn)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(yán)重破壞，無法在利用；區(qū)內(nèi)耕地?zé)o法耕種，防護(hù)林等樹木枯死。對(duì)該地塊進(jìn)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(hù)林等工程，使其恢復(fù)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(shè)施未遭到破壞，仍能正常利用。因此進(jìn)行簡(jiǎn)單的土地平整等工程即可恢復(fù)土地正常耕種，使土地達(dá)到可利用狀態(tài)。

2.2.2 排矸場(chǎng)生態(tài)修復(fù)

伊犁一礦礦區(qū)排矸場(chǎng)壓占土地面積約19.70hm2，場(chǎng)地平整后，利用南、北工業(yè)廣場(chǎng)前期剝離的表土對(duì)復(fù)墾區(qū)進(jìn)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(jì)。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(shí)間選擇在春季或雨季前，待雨季時(shí)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(dāng)?shù)爻Ｒ姴莘N。

2.2.3 水土環(huán)境污染修復(fù)

（1）水環(huán)境污染預(yù)防措施

生活污水排入生活污水處理池，處理后達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978—2002）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)到井下灑水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，回用于井下生產(chǎn)及巷道降塵，不外排，盡可能實(shí)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(yùn)送至垃圾填埋場(chǎng)，以減少礦山固體廢棄物對(duì)水土環(huán)境的污染。

（2）水土環(huán)境污染修復(fù)措施

礦山產(chǎn)生的固體廢棄物和污水（廢水）按設(shè)計(jì)方式經(jīng)綜合利用和凈化處理后，不會(huì)引發(fā)水土環(huán)境污染，礦山未來水土環(huán)境污染修復(fù)僅采取監(jiān)測(cè)和預(yù)防工程措施，不采取治理修復(fù)措施。

（3）水土環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)措施

水監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)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(duì)生活污水進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在生活區(qū)及南工業(yè)廣場(chǎng)污水處理池布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢查水質(zhì)是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。礦山生產(chǎn)活動(dòng)集中位于辦公生活區(qū)、工業(yè)廣場(chǎng)等地，土環(huán)境會(huì)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(duì)土環(huán)境造成污染的辦公生活區(qū)、工業(yè)廣場(chǎng)設(shè)置土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2.4 地下水保護(hù)修復(fù)

地下儲(chǔ)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(chǔ)和徑流創(chuàng)造了良好條件，加強(qiáng)了與上覆含水層的水力聯(lián)系，并成為這些含水層水進(jìn)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(chǔ)存地下水的巨大空間［12］。轉(zhuǎn)移存貯正是地下儲(chǔ)水空間在缺水礦區(qū)實(shí)施水資源保護(hù)性開采的關(guān)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(hào)煤層以上平均厚度16.88m、5～8號(hào)煤層之間平均厚度15.22m、10號(hào)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(fù)

針對(duì)礦山復(fù)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(duì)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(shí)存放必然會(huì)影響到土壤的容重、水分等理化性狀以及植物、動(dòng)物，尤其是微生物等生物學(xué)性狀。表層土壤是土地復(fù)墾時(shí)進(jìn)行再種植成功的關(guān)鍵，在取土過程做好防護(hù)工作。為了保持土壤結(jié)構(gòu)、避免土壤板結(jié)，應(yīng)避免雨季取土。復(fù)墾植被的主要作用在于修復(fù)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(yīng)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(dāng)年雨期6月—10月實(shí)施，保障牧草成活率。

2.3 采取綜合措施預(yù)防塌陷形成機(jī)制

針對(duì)研究區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析采煤驅(qū)動(dòng)下覆巖與地表巖移特征、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展特點(diǎn)，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(dòng)規(guī)律，揭示采煤引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展規(guī)律。

以伊犁一礦5號(hào)煤層1503W工作面煤層賦存條件為研究基礎(chǔ)，建立數(shù)值模型。分析開采過程中覆巖二維宏觀力學(xué)性質(zhì)變化以及頂板移動(dòng)變形特征（圖2），采用大型非線性二維數(shù)值計(jì)算軟件UDEC，對(duì)1503W工作面5號(hào)煤層開采后覆巖的垮落特征進(jìn)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(jìn)過程中上覆巖層的破壞機(jī)制和位移形態(tài)，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的相互驗(yàn)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(jìn)行礦區(qū)生態(tài)修復(fù)適應(yīng)性管理

基于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，需要對(duì)礦區(qū)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)［15］，通過對(duì)過去采用的管理政策和實(shí)踐措施來獲得經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)變化情況，修正、改進(jìn)管理政策和實(shí)踐措施。在新時(shí)代背景下，實(shí)施適應(yīng)性管理勢(shì)在必行，生態(tài)保護(hù)修復(fù)中強(qiáng)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(dòng)闡述人與自然唇齒相依的關(guān)系，其根本體現(xiàn)是生態(tài)系統(tǒng)間相互關(guān)聯(lián)相互依存的關(guān)系。

實(shí)施的管理應(yīng)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(yīng)性管理對(duì)策［17］。針對(duì)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(jìn)行地面塌陷區(qū)治理及復(fù)墾技術(shù)研究與應(yīng)用，總結(jié)歸納該地質(zhì)條件下開采覆巖與地表移動(dòng)規(guī)律，研究形成地面塌陷的成因以及治理和預(yù)防控措施，以便指導(dǎo)礦井安全開采、礦山地質(zhì)環(huán)境治理及土地復(fù)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(chǔ)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(xì)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(diǎn)，研發(fā)地面塌陷預(yù)防技術(shù)；結(jié)合礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境特征和景觀特點(diǎn)，研究地面塌陷治理技術(shù)措施。

山水林田湖草生命共同體具有反饋、適應(yīng)、再生等能力［19］。將傳統(tǒng)管理方法修正為“預(yù)測(cè)—實(shí)施—監(jiān)測(cè)—評(píng)估—調(diào)整—適應(yīng)”［20］。伊犁一礦在生態(tài)修復(fù)過程中建立農(nóng)業(yè)生態(tài)要素監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)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(duì)該區(qū)土地利用進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)；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(fù)生態(tài)學(xué)原理，優(yōu)選復(fù)墾方法和復(fù)墾土地利用方向，研究塌陷區(qū)土地復(fù)墾與農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

采用“理論方法—試驗(yàn)示范—標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程—推廣應(yīng)用”互逆研究范式［20］，調(diào)查伊犁一礦土地?fù)p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(duì)地表塌陷、臺(tái)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(fù)墾方法和復(fù)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(fù)墾與生態(tài)修復(fù)技術(shù)，更加注重生態(tài)系統(tǒng)權(quán)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(fù)的過程包括聚焦多目標(biāo)，形成多功能修復(fù)格局；穩(wěn)沉區(qū)土地整理修復(fù)、排矸場(chǎng)生態(tài)修復(fù)、水土環(huán)境污染修復(fù)、含水層破壞修復(fù)、土壤植被一體化修復(fù)；采取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等綜合措施，從源頭上分析采煤塌陷的原因，預(yù)防塌陷形成機(jī)制；在生態(tài)修復(fù)中分四個(gè)步驟，即“礦區(qū)基礎(chǔ)條件分析—問題診斷—管理目標(biāo)確定—適應(yīng)性管理措施”對(duì)伊犁一礦進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，明確不同干預(yù)措施權(quán)衡，進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)修復(fù)適應(yīng)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