熊光東，宋培柱，譚紹鑫，張 坤

（湖北能源集團西北新能源發(fā)展有限公司，西安 710075）

采煤沉陷區(qū)的恢復治理關系到礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，是陜北地區(qū)面臨的一個難題。采煤沉陷產(chǎn)生地表裂縫，導致導水裂隙帶破壞，地表含水層水位下降，淺層含水量降低，對脆弱地表生態(tài)環(huán)境造成破壞。有必要分析沉陷區(qū)裂縫產(chǎn)生及發(fā)育規(guī)律，結(jié)合光伏布置，治理沉陷區(qū)裂縫，優(yōu)化沉陷區(qū)治理方案，有效利用當?shù)亻e置土地和優(yōu)質(zhì)太陽能資源，減少地表水分蒸發(fā)，并進行植被恢復，改善生態(tài)環(huán)境，為采煤沉陷區(qū)的綜合利用與可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 沉陷裂縫發(fā)育特征

采煤沉陷區(qū)地表變形可分為三部分，主要發(fā)生在開采過程中。一是開采過程中隨開采空間變化而產(chǎn)生的變形；二是停止開采后至穩(wěn)定的剩余變形；三是穩(wěn)定沉陷后的地表殘余變形。地表變形表現(xiàn)為沉陷裂縫，煤層、巖體埋深越小，淺層裂隙發(fā)育越顯著，傳至地表產(chǎn)生的裂縫越明顯。而煤層、巖體埋深越大，采煤擾動對巖體的破壞傳至地表產(chǎn)生的裂縫越少。沉陷區(qū)裂縫按照發(fā)育狀況可分為永久性裂縫和動態(tài)裂縫[1]。巖體或煤層內(nèi)部穩(wěn)定，應力結(jié)構不再繼續(xù)變化，裂縫不再變化，即永久性裂縫。永久性裂縫一般位于礦區(qū)采空沉陷區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域和基本穩(wěn)定區(qū)域。由于后續(xù)煤層開采，巖層發(fā)育、運動，動態(tài)裂縫的寬度與深度發(fā)生變化。動態(tài)裂縫基本位于采煤沉陷區(qū)的不穩(wěn)定區(qū)域。采煤沉陷產(chǎn)生的地表裂縫具有多種形態(tài)，一般表現(xiàn)為地表破碎展布式裂縫、地表撕裂式裂縫、地表下沉式裂縫及地表塌陷式裂縫等形態(tài)[2]，如圖1所示。

圖1 地表裂縫形態(tài)

2 沉陷裂縫的危害

礦區(qū)地表受采煤擾動影響，易造成裂縫發(fā)育、塌陷下沉，導致導水裂隙帶破壞，地表潛水層、含水層水位下降，淺層地表含水率顯著降低[3]。如圖1所示，地表塌陷式裂縫因淺層水流失，地表植被干枯。首先，土壤結(jié)構撕裂受損，產(chǎn)生裂縫，土壤水分運移中斷，在干旱、高溫及風力侵蝕影響下，土壤中水分進一步蒸發(fā)，導致表層土壤水分損失且無法恢復。其次，裂縫的產(chǎn)生使得地表土壤黏性顆粒進一步減少，砂性顆粒增多，碳、氮、磷的損失加劇，有機質(zhì)含量降低。地表沉陷與裂縫發(fā)育阻斷了植被根系，植被之間的水分運移受阻，地表植被被破壞，地表沙化。由于地表含水率、土壤有機質(zhì)降低及植被破壞，土壤微生物豐度及群落結(jié)構多樣性發(fā)生變化。

3 沉陷區(qū)的治理

針對上述情況，應對采空沉陷區(qū)進行治理。采空沉陷區(qū)的治理堅持“治理-恢復-穩(wěn)定-利用”的長效綜合方針，通過政策引導和產(chǎn)業(yè)推動，走科學利用之路。針對礦區(qū)地表的沉陷裂縫和脆弱生態(tài)，要對沉陷裂縫進行治理，結(jié)合光伏布置，推進地表修復，進行植被恢復，基本技術路線為裂縫治理→布置光伏→植被建設。

3.1 裂縫治理

裂縫一般采用三步法進行綜合治理，即削坡清理→深部填充→表層覆土[2]，如圖2所示。削坡清理是指對裂縫邊緣進行適當削坡、清理減載，將清理的堆積物放至淺溝、洼地等部分進行平整，并對地表裂縫兩側(cè)各0.3～0.5 m 的表土進行剝離備用。深部填充是指選取填充裂縫所需的土方、碎石等材料，對裂縫區(qū)深部進行填充，填至裂縫距地表0.8～1.2 m時，要分層碾實。表層覆土是指裂縫區(qū)回填至距頂部0.3～0.4 m，將原先剝離的備用土與伴有生物肥料、本地種子的有機土壤混合，再進行裂縫區(qū)覆土，并平整夯實填充表層覆土。

圖2 裂縫治理

裂縫治理時，對于沉陷區(qū)寬度較大的、未自然恢復的裂縫，一般可采用機械與人工綜合作業(yè)方式進行削坡清理、填充夯實。對于地表密度小、窄淺的裂縫，可采用人工作業(yè)的方法，裂縫修補所需土方量少?？刹捎脵C械治理延展范圍廣、發(fā)育深、寬度較大的裂縫。此外，采煤沉陷變形可能誘發(fā)地表的滑坡和塌陷?；滦迯鸵档驮俅伟l(fā)生滑坡的可能性，結(jié)合地形和水流走向設置排水溝。坡度小于15°的凸形坡、坡度15°～25°的凹形坡易成為水土流失效應加劇的隱患點[4]，需要重點關注。必要時，采用人工降坡保證坡面的穩(wěn)定性，并進行植被控制，以達到治理目的。塌陷坑的修復一般采用碎石、土方直接填充，充填至地表0.5 m 距離時，回填表土或富含肥力的土壤。

3.2 布置光伏

采煤沉陷區(qū)布置光伏，可有效利用閑置土地，減少地表水分蒸發(fā)，改善沉陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境。但采煤沉陷區(qū)布置光伏，既要克服礦區(qū)沉陷變形的影響，又要遵循減少對原有植被破壞并改善生態(tài)的政策。

首先，選擇適宜布置光伏的區(qū)域。依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014），采用地表傾斜、曲率和水平變形等指標作為評價標準，將采煤沉陷區(qū)劃分為適宜區(qū)域、基本適宜區(qū)域和適宜性差區(qū)域。其次，采用具有抗變形能力的支架結(jié)構，支架設計時應減少剛性連接，增強支架適應變形的能力，從而減小各支架構件間的次生應力和局部變形。針對不同地形，采用適宜的支架形式，地面平坦的區(qū)域采用一般支架形式，如圖3所示。坡度起伏變化的區(qū)域采用預應力懸索柔性支架，以適應組件離地高、跨度大和建設破壞植被少的要求。必要時，支架增加可調(diào)節(jié)功能。

圖3 固定可調(diào)支架

此外，考慮地表沉陷的不確定性對支架穩(wěn)定性的影響，可在支架變形較大處設應變傳感器，監(jiān)測基礎的標高、垂直度。不同片區(qū)設置相應的監(jiān)測點，建立數(shù)字化的沉陷監(jiān)測系統(tǒng)。跟蹤煤礦的開采計劃，重點監(jiān)測影響區(qū)域，便于及時預警與維修。

3.3 植被建設

針對沉陷區(qū)植被破壞，可采用“板上發(fā)電，板下種植”的林光或牧光互補模式進行植被恢復建設。根據(jù)相關研究，布置光伏可使光伏陣列區(qū)地表蒸發(fā)量降低20%～25%，土壤含水率提高4%～6%，有效調(diào)節(jié)植被冠層和土壤溫度，并明顯降低地表風速、減少風蝕沙化。結(jié)合裂縫治理，布置光伏可使沉陷區(qū)地表環(huán)境得到改善，有利于植被恢復。

植被恢復應考慮當?shù)馗吆?、高溫、干旱及堿性沙地土壤等因素，以適地適樹為原則選擇植被品種，確保滿足生態(tài)要求?？紤]光伏區(qū)不同空間的種植區(qū)別，為保障光伏組件不受遮擋，支架周邊適宜種植灌木和草本植物?？紤]運營的需求，不可密植帶有主干的喬木和灌木。沙化區(qū)域可采用流動沙丘頂部懸袋網(wǎng)沙障、聚乙烯（PE）紗網(wǎng)沙障及可降解沙障等新技術進行治理。

4 結(jié)論

沉陷區(qū)地表變形表現(xiàn)為裂縫，裂縫發(fā)育狀況與煤層、巖體的深度相關，呈現(xiàn)多種形態(tài)。沉陷裂縫易造成淺層地表含水率變化，致使土壤有機質(zhì)降低、植被破壞。采煤沉陷區(qū)的綜合治理可采用裂縫治理→布置光伏→植被建設的技術路線。裂縫可采用三步法進行綜合治理，即削坡清理→深部填充→表層覆土。布置光伏可使得光伏陣列區(qū)地表蒸發(fā)量降低，土壤含水率提高，降低地表風速、減少風蝕沙化。植被恢復建設結(jié)合當?shù)貧夂驐l件及土壤情況，考慮光伏發(fā)電等因素，選擇適地適樹的植物品種，確保滿足生態(tài)要求。在沉陷區(qū)布置光伏，不同地形采用適宜的支架形式，以滿足沉陷變形及建設破壞植被少的要求。同時，建立沉陷數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)，及時預警與維修。