焦作采煤沉陷區土地綜合整治與生態重建

摘要：采煤活動引起的地表沉陷和生態環境問題是制約礦區可持續發展的重要因素。以焦作礦區為例，開采沉陷面積達70.16 km2，最大沉陷深度超過8 m，導致一系列嚴重生態環境問題，如土壤侵蝕、土壤肥力下降、植被退化等。在低山丘陵沉陷區土地修筑梯田或改為緩坡地，在平原沉陷區采用排水、煤矸石或粉煤灰充填、挖深墊淺等工程措施。同時，采用種植大豆、花生等豆科植物或禾本科植物、增施有機肥等措施提高復墾土壤質量。

關鍵詞：礦區；綜合整治；生態重建；焦作

中圖分類號：TD88 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3283-03

我國90%左右煤炭產區生態環境十分脆弱，突出的生態與環境問題主要表現為地表沉陷引發土地資源破壞、煤矸石堆放壓占土地及其在雨水淋溶作用下對周邊生態環境的污染、礦井排水導致水資源破壞等。以煤礦開采區土地資源破壞為例，截至2007年，采煤沉陷區面積總計達8 000 km2，且新沉陷區面積仍以較快速度增加。由沉陷、污染等原因造成的土地退化嚴重影響了當地居民的正常生產和生活。

近年來，針對煤炭開采引發的生態與環境問題已經開展了大量的研究工作，一些土地復墾和生態恢復與重建工程也是卓有成效的。例如，開采沉陷預防及控制技術、沉陷區地表恢復及復墾技術、煤矸石山植被覆綠及景觀重建技術、復墾土壤重構技術、礦區環境綜合治理技術及其應用等[1-5]，對不同破壞條件下礦區土壤、植被、生物等進行了大量深入研究[6-8]。通過在不同礦區的實踐表明，這些工程和生物技術措施能較好地改善礦區生態環境質量，一定程度上促進了礦區社會經濟的協調發展。以河南省焦作礦區為例，在分析礦區土地退化狀況的基礎上，針對礦區自然地理條件差異和土地破壞特征，提出相應的生態重建和綜合治理措施，為該礦區開展土地復墾和生態重建提供理論指導。

1 研究區概況

礦區位于河南省西北部，地處太行山脈與豫北平原的過渡地帶，地勢西北高東南低，面積達4 000 km2。主要生產低灰、特低硫、高發熱量的優質無煙煤，是我國六大無煙煤生產基地之一，也是河南省特大型煤炭基地之一。礦區屬暖溫帶半干旱半濕潤區，年均降雨量610 mm，降雨主要集中于6～8月，占全年的55%，年平均氣溫14.2 ℃。礦區地下水資源豐富，主要有第三系、第四系砂礫層水，地下水埋深一般在1.6～21.2 m。

2 采礦對土地資源的破壞

2.1 采礦引起的地表沉陷

焦作礦區屬于厚煤層和多煤層開采，具有礦井分布范圍廣，開采深度變化大，地表沉陷面積大，移動持續時間長等特點。礦區開采已百余年，原有13個礦井，其中6個礦井已關閉，現有生產礦井7個，多數進入殘采期。

礦區生產活動形成了分布較廣的沉陷區，據統計，13個礦井生產產生的沉陷總面積70.16 km2（表1），其中穩定沉陷區48.16 km2，非穩定沉陷區22.00 km2。礦區地表沉陷深度多在1.20～4.30 m，平均深度為3.10 m，最大下沉深度達8.19 m，最大地表水平位移達1.96 m。地表沉陷對土地的破壞程度多為輕度和中度，主要表現為部分土地易形成積水，使土壤鹽漬化，土壤肥力下降；坡度變化，導致水土流失；在淺部開采區、急傾斜煤層露頭開采區，地面出現沉陷坑、沉陷漏斗，導致水分喪失，影響農作物的生長；采空區邊緣地表附近出現裂縫，其長度一般為30～150 m，寬度0.03～2.00 m，深度為2～3 m，最深可達幾十米。

地表沉陷對農田的影響主要表現在灌溉條件受到破壞，但其耕作功能沒有被完全破壞，大多情況下經過合理規劃和必要整治，仍能恢復耕作能力和生產水平。地表沉陷對農田的破壞程度多為輕度和中度，其中，輕度主要表現為地面有輕微變形，不影響耕作，也不影響作物的生長，水土流失略有增加，主要集中在采區中央位置；中度主要表現為地面沉陷破壞比較嚴重，出現明顯的縫、坡、坎等，影響農田耕種，導致減產，也影響作物生長，水土流失有所加劇，主要分布在下沉盆地的邊緣部分。

2.2 開采沉陷對水體產生影響

地下開采導致覆巖及地表破壞，從而使地下、地面水體受到破壞，導致含水層水位下降、地面河流干枯，并破壞地下、地面水資源。由于開采沉陷使含水層水位下降，植被生長受到影響，土壤更干燥，加劇了礦區的土地退化。

焦作礦區礦井涌水量約1.7億t/a，每噸煤排水量約60 t。礦井水綜合利用水平低，大量水外排，造成水資源嚴重浪費；同時，排放的礦井水中含有大量煤粉、巖粉等懸浮物質以及其他污染物，污染周圍土壤和其他水體。

2.3 采礦破壞植被引發水土流失加劇

北部低山丘陵區露天開采礦，地表物質的剝離、擾動、搬運、塌落和堆積，造成大面積的植被破壞和山體土體穩定性下降，土壤抗侵蝕能力降低，產生的廢石、廢渣等，在暴雨侵蝕下極易形成規模較大的水土流失。同時，采礦活動對林草植被的破壞，易使得水土流失加劇，也導致生態系統的服務功能持續下降。

3 沉陷區土地綜合治理與生態重建技術

3.1 沉陷區工程復墾技術

3.1.1 低山丘陵沉陷區 主要分布在焦作礦區北部，為太行山前坡地，地表地勢起伏較大，地下開采后引起地表下沉、塌陷、移動，塌陷區內裂縫遍布，高差變化較大[9]。低山丘陵沉陷區及積水沉陷區的邊坡地帶，可改造成梯田或緩坡地，重建為保水保土、農果相間的陸地農田生態系統。

梯田的水平高度應根據地面坡度的陡緩、土層的厚度、工程量大小、植被種類、耕作機械化的程度等因素綜合考慮。一般在地形坡度小于5°的情況下，田面寬以30 m左右為宜；10°以上丘陵陡坡田面寬以不小于8 m為宜，最小不小于2 m。梯田邊坡大小與田坎高度和筑埂材料有關，可以土坎為主。該區域土壤質地為壤土，田坎高度與田坎占地寬度比值一般取1∶0.3～1∶0.4，以保證田坎穩定和減少占地為原則。坡地田面坡度的大小和坡向，要以不沖不淤為原則。

根據沉陷區地面坡度，在坡度較小情況下修筑梯田施工可以采用條帶法。具體是沿著坡面將之分為若干條帶，施工順序為間隔條帶剝離堆放表土，再進行底土平整，修筑田坎，待其完成后將堆存于兩側條帶內的堆存表土復填到該條帶之上，并剝離兩側條帶內表土堆存于已經平整好的條帶上，進行平整后回填剝離的表土。

地面整治結束以后，以種植果樹為主，間種花生、大豆等模式進行農業生產。由于施工過程中可能造成土壤養分損失或者貧化，可以增施發酵后的家畜糞便或者其他有機物料以增加土壤有機質含量，并施用氮磷等肥料滿足作物養分需求。

3.1.2 平原沉陷區 在焦作礦區南部，地表地勢較為平坦，地下大面積正規作業開采形成的塌陷盆地相對平緩，地表破壞程度較輕，塌陷區土地高差一般在3 m以內[9]。可以采取以下工程技術進行治理：

1）疏排水法。主要針對地表沉陷不大，且正常的排水措施和地表整修工程能保證土地的恢復利用，確保第一層煤開采后的淺沉陷區正常種植。

2）挖深墊淺法。將未來積水區表土預先取出，根據預測下沉等值線，平整周圍緩坡地，所挖精養魚塘一方面可以養魚，另一方面又可泄洪蓄水，提高沉陷區防洪抗旱能力；同時，在積水前治理有利于機械化施工，提高治理效率，避免積水后給施工帶來的困難。對于大面積的沉陷地，特別是大面積積水或積水很深的水域、未穩定沉陷地、暫難復墾的沉陷地，可直接利用，如網箱養魚、養鴨、種植淺水藕等。在礦井工業場地附近利用積水沉陷坑修建小型水上公園，提供休閑場所。

3）廢棄物充填法。利用煤矸石或鍋爐灰渣進行復墾，但在復墾過程中要注意防止二次污染，并優先考慮遷村等的建筑復墾或近地重建，對于市區內或者周邊沉陷區復墾后也可以考慮作為生態用地，建設森林公園或者其他休閑場所。

3.2 沉陷區生物復墾技術

在復墾區內種植花生、大豆等作物或者一年生豆科植物，以改善土壤理化性質。利用含硫較高的煤矸石作為充填物時，應防止其氧化后致土壤pH減小，可使用石膏、氯化鈣、堿性磷酸鹽等調節劑，改良土壤的酸堿性。將糞便、秸稈、有機廢渣等發酵后施用到復墾后土壤中，增加土壤有機質的含量，改良礦區土壤結構，消除一些過黏、過沙土壤的不良理化特性。

3.3 其他整治保護治理措施

3.3.1 地面水體保護措施 隨著井下煤層的開采，地面之上的水體可能遭受不同程度的影響和破壞。地面水體保護與治理應結合沉陷穩定后可能出現的沉陷積水區統一規劃，制定措施。對于人工河堤及水利設施應加以維護、加固，保證其正常使用。

3.3.2 路、橋、管、線保護措施 井田范圍內的公路、橋涵、高壓線等設施因地表變形會遭受一定程度的影響，可采用地面維護、調整、加固、修復，必要時改線，以保證設施運行安全、不間斷。

4 結論

1）根據地形地貌，沉陷區可簡單分為低山丘陵沉陷區和平原沉陷區，分別采用不同的土地工程復墾和生物復墾技術。低山丘陵沉陷區以修筑梯田或緩坡地為主；平原沉陷區以恢復種植為主，可種植花生、大豆等作物同時根據情況因地制宜，發展水產養殖或者修建水上公園等。

2）在進行生態重建和綜合治理過程中，既要科學規劃，減少投資，變廢為寶，又要考慮地區自然、經濟、技術現狀，還要遵循生態學原理，以求達到最大的社會、經濟和生態效益。

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