廢棄礦山采煤塌陷區(qū)土地復(fù)墾綜合治理模式研究

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)型等一系列問題，這些問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，亟待解決。

目前我國對(duì)于資源枯竭型城市因采煤塌陷而形成土地復(fù)墾問題的治理模式研究案例較少，本研究通過實(shí)地調(diào)查因20世紀(jì)90年代開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。

1 研究區(qū)概況

通過調(diào)查訪問發(fā)現(xiàn)，銅川市衣食村和草灘村研究區(qū)煤炭開發(fā)歷史悠久，明清時(shí)期已有小煤窯沿煤層露頭開采，開采范圍一般不大，深度不超過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采，生產(chǎn)原煤約為20萬t/a，開采對(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)條件簡單，開采投資少，共開采原煤超過600萬t，巷道長度為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)，并在露天開采地段殘留和形成了多處露天采坑及堆渣場，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)及各類斜坡地帶的地質(zhì)災(zāi)害屢屢發(fā)生，危害極大。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境問題及其危害

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。

2.1 地面塌陷

根據(jù)現(xiàn)場調(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

2.2 地貌景觀及環(huán)境破壞情況

草灘村廢棄礦渣場長為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地，廢棄場地成為該區(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

2.3 不穩(wěn)定斜坡

礦山建設(shè)過程中，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{。

2.4 環(huán)境污染

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)場氣味刺鼻，嚴(yán)重影響周圍居民的健康安全和城市環(huán)境。廢棄的煤矸石場地如圖3所示。

圖3 廢棄的煤矸石場地

3 治理思路

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)害治理分開前后來做也是不可行的，前后分開治理的方案不僅會(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 治理模式研究

4.1 地面塌陷的治理方案

4.1.1 塌陷坑開挖及回填

對(duì)塌陷坑及地裂縫進(jìn)行開挖塌實(shí)，然后再回填處理。首先對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行開挖，使其周圍均勻沉陷下去，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 地貌景觀破壞的治理方案

4.2.1 廢棄礦井設(shè)施及建筑拆除

對(duì)煤礦開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)、自然生長的方式恢復(fù)植被。

4.3 不穩(wěn)定邊坡的治理方案

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)出寧靜迷人的藍(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。

4.4 環(huán)境污染的治理方案

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，樹類種植刺槐，種植間排距為3 m×3 m，刺槐采用采用挖“魚鱗坑”的方法栽種刺槐，呈梅花狀布置；草類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

5 礦山地質(zhì)環(huán)境治理成效

通過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。

5.1 社會(huì)環(huán)境效益

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。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

地質(zhì)環(huán)境問題是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的核心問題，對(duì)整個(gè)研究區(qū)而言，礦山地質(zhì)環(huán)境問題已是影響、制約礦區(qū)環(huán)境與發(fā)展的關(guān)鍵。通過對(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)步入資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)開發(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)效益將是巨大而長遠(yuǎn)的。

6 結(jié)論

(1)采煤塌陷區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育過程與生態(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)模煤礦開采過程中，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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