平原地區高潛水位采煤塌陷綜合治理研究
——以兗州煤田為例

姬宗皓，高彥生，甄洪帥，趙永海，宋炳忠,4

(1.濟寧市采煤塌陷地治理中心，山東 濟寧 272000；2.山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100；3.自然資源部采煤沉陷區綜合治理工程技術創新中心，山東 濟寧 272100；4.山東省地質礦產勘查局采煤塌陷地綜合治理工程技術研究中心，山東 濟寧 272100)

0 引言

地下煤層被采出后，開采區域周圍巖體的原始應力平衡狀態受到破壞，采空區頂板巖層在自重力和上覆巖層的作用下，產生向下的移動和彎曲；當地下開采范圍足夠大時，巖層的移動波及到地表，在地表形成一個遠大于采空區的沉陷區域(即采煤塌陷區)。采煤塌陷區的形成改變了地表原有的形態，對區域范圍內的道路、建筑物、生態環境造成不同程度的影響。兗州煤田是典型的高潛水位平原區，地表下沉1.5m左右塌陷區域內便可積水，嚴重影響土地的使用，造成礦區耕地大量減少；除積水區外，塌陷區其余部分均為坡地，對農業生產也會產生很大影響。此外，耕地的損毀也給礦區當地帶來一系列經濟、社會和環境問題。因此，高潛水位采煤塌陷區的綜合治理，不僅可以保障農民利益，對生態環境的恢復、礦區社會的穩定以及當地經濟的可持續發展也具有非常重要的現實意義。

近年來，隨著我國政府對生態環境保護工作的重視和加強，采煤塌陷區治理成為當前生態環境領域研究的熱點之一。針對采煤塌陷區的耕地恢復問題，肖武等人[1]基于地理信息技術對沉陷區表土剝離的策略進行了研究；陳利生、李學良等人[2]在分析了皖北煤電集團孟莊煤礦煤矸石物理化學性質的基礎上，研究了煤矸石回填耕地復墾的可行性、規劃設計和工藝流程。根據淮南塌陷區煤矸石充填復墾的工程實踐，高曉云等人[3]對煤矸石充填復墾的自然環境和經濟效益進行了分析研究。大沉陷、常年積水采煤塌陷區是塌陷區治理的重點和難點區域，矸石充填耕地復墾容易引發地下水污染，而客土回填復墾則存在經濟成本較高的問題；在大沉陷、常年積水采煤塌陷區構建人工濕地公園則可實現生態效益與經濟效益統一[4]，我國唐山南湖城市中央濕地公園、徐州潘安湖國家濕地公園等項目的成功實施和運營，證明這種治理思路的可行性和有效性[5-15]。隨著我國城鎮化進程的加快，采煤塌陷區也逐漸融入城市發展建設地塊之內，對采煤塌陷區建設用地復墾中的殘余變形預測問題、建筑物附加應力影響深度計算問題、采空區穩定性評價問題及采空區殘余變形控制問題等也做了深入的研究[16-20]。

兗州煤田內煤礦眾多，地質采礦條件較為復雜，采煤塌陷區的種類形態各異。當前，兗州煤田塌陷區的治理主要以耕地復墾為主，不能適應多類型采煤塌陷區綜合治理的需要；此外，由于對采煤塌陷區現狀和土地損毀程度等信息掌握不充分，塌陷區治理中存在規劃不統一、不協調等問題。針對上述問題，文章首先分析了兗州煤田的地質采礦條件；然后，在地表塌陷現狀調查的基礎上研究了兗州煤田采煤塌陷的土地損毀特點；最后，通過對比分析不同治理模式的優缺點，研究了適合兗州煤田采煤塌陷區的綜合治理模式，對高潛水位平原區采煤塌陷地治理具有一定的指導和參考價值。

1 兗州煤田地質開采條件

兗州煤田位于魯西南塊陷的東緣，東部、北部以嶧山斷層、時莊斷層為界，西南部以煤層露頭為界，為石炭-二疊系全隱蔽型煤田。東西長約16km，南北長約26km，總面積約449km2，探明煤炭資源儲量91億t。兗州煤田含煤地層為石炭紀太原組和二疊紀山西組，可采、局部可采煤層8層，平均總厚度約14m。山西組3煤層為主要可采煤層，厚度2.5～10.5m；太原組16，17煤層為可采或局部可采煤層，平均厚度1.2m。3煤層直接頂多為粉砂巖、細砂巖或泥巖，厚度變化較大，老頂以砂巖為主，抗壓強度變化較大。16煤層頂板為石灰巖，全區分布穩定，厚度2.5～11.0m。17煤層頂板為石灰巖，最大厚度3.4m，不穩定。

兗州煤田20世紀70年代開發建設，90年代后期進入大規模開發時期。井田總生產能力3050萬t/a，現有13對生產煤礦，已閉坑礦山3對礦井。煤層埋深在-300m以下，星村煤礦最大采深已達-1200m。豎井開拓，地下開采。采礦方法采用長壁走向采煤法、綜采放頂煤、綜采一次采全高，部分村莊建筑物下采用條帶開采。兗州煤田礦山地質采礦條件見表1。

表1 兗州煤田礦山地質采礦條件

2 兗州煤田采煤塌陷現狀

2.1 兗州煤田采煤塌陷地概況

兗州煤田地質災害和地質環境問題主要是采煤塌陷，以及由此引起的農田損毀、土壤污染、水污染、農民失地等。采煤塌陷是由于煤炭資源開采后，采空區在上覆巖土層重力作用下，發生彎曲變形，冒落形成地面塌陷。兗州煤田煤系地層被第四系及侏羅系所覆蓋，上侏羅系0～794m，第四系140m。研究表明，厚沖積層條件下，地表下沉系數普遍較大，下沉盆地影響范圍較遠。兗州煤田屬于高潛水位地區，埋深一般在3～5m左右。開采塌陷使各采區地表形成相對獨立的塌陷盆地，最大下沉達9m。深塌陷區地表常年積水，淺塌陷區隨季節發生不同程度的積水。兗州煤田地處魯西南平原區，四季分明，光照充足，耕地質量良好，生產力高，耕地多為高產的“噸糧田”。調查表明兗州煤田各礦區范圍和地上良田的重合率高達80%，地面塌陷后大面積良田遭到破壞。

兗州煤田采煤塌陷區主要集中在曲阜市西部、兗州區東部、鄒城市西部、高新區的東部，共涉及14鄉鎮、224個村莊。截至2018年底，塌陷地總面積約17529.51hm2，其中常年積水面積2611.61hm2，季節性積水1474.46hm2，積水區平均2～5m，最深處達9m。預計到2020年，兗州煤田采煤塌陷地將達到18563.78hm2，形成以鮑店、興隆莊煤礦為中心，北起兗州興隆莊，東至鄒城東灘，南至唐村，西至泗河的大面積塌陷積水區。兗州煤田采煤塌陷地分布情況見表2、圖1。

表2 兗州煤田煤礦采煤塌陷地統計

1—常年積水區；2—季節性積水區；3—未積水區；4—礦業權范圍；5—高速公路；6—鐵路；7—河流圖1 兗州煤田塌陷地分布圖

2.2 兗州煤田塌陷地分類

兗州煤田為平原地貌，根據塌陷下沉值、積水情況、地下潛水位深度綜合考慮，將塌陷程度劃分為輕度塌陷、中度塌陷、重度塌陷3種類型。輕度塌陷指地表下沉小于1.0m，地表不出現積水，地面村莊、道路、農田水利基礎設施等建筑物、構筑物受到較小的破壞或無破壞，地表輕微起伏。中度塌陷指地表下沉大于1.0m小于3.0m，地面村莊、道路、農田水利基礎設施等建筑物、構筑物遭到嚴重破壞。重度塌陷指地表下沉大于3.0m，或地表出現積水區域，地面村莊、道路、農田水利基礎設施等建筑物、構筑物遭到徹底破壞。按地類劃分，塌陷土地原地類主要有耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地等，截至2018年底，兗州煤田塌陷地各地類面積如表3所示。

3 兗州煤田采煤塌陷危害

兗州煤田采煤塌陷使耕地保有量銳減，耕地質量下降，交通水利設施遭到破壞，工廠村莊被迫搬遷，大量農民失去賴以生存的土地。煤礦開采過程中廢水、煤矸石的排放，造成了水污染、土壤污染，對生態環境造成了破壞。

表3 兗州煤田損毀地類面積

3.1 生態環境破壞嚴重

采煤引起的地表沉降變形，形成了深淺不等、大小不一、各自封閉的塌陷盆地，由于兗州煤田地下潛水位較高，塌陷區常年或季節性積水，其中常年積水區面積13818.82hm2，季節性積水區面積4252.96hm2。礦區水利設施破壞后，原來的水系被打亂，積水排不出去，蘆葦眾生，沼澤一片，水質惡化，形成一個個“死水”湖面。

3.2 耕地保有量銳減，耕地質量下降

據統計，截至2018年，兗州煤田因采煤造成耕地損毀10087.51hm2。采煤塌陷對耕地的影響主要表現在產生坡地、積水、凹凸不平、裂縫等，同時加劇了地表水土流失，導致耕地土壤退化，質量下降，塌陷盆地底部土壤有鹽漬化趨勢。

3.3 社會不安定因素增加

兗州煤田人口密集，農村人地矛盾突出，由于采煤塌陷造成耕地破壞，交通實力設施破壞，農業生產水平下降，農民的農業收入越來越少。隨著煤炭資源的開發，大量農民失去賴以生存的土地，這將帶來更深層次的社會問題，形成社會不安定因素。

4 兗州煤田采煤塌陷治理

4.1 治理方向

圍繞濟寧都市區城市發展方向，優化城市生態功能，構建濕地的城市服務功能，建設蓄水、凈化、防洪、養殖功能區；發展生態立體農業、特色農業、觀光農業、養殖業、園林產業；圍繞泗河、白馬河治理，構建旅游、休閑、體育、文化等經濟與景觀復合區。構建礦山文化-塌陷地治理技術展示-休閑娛樂-度假旅游為一體的生態旅游功能區。

4.2 治理布局

泗河、白馬河兩側塌陷地采取充填、挖深墊淺、植被綠化等治理措施，構建帶狀景觀廊道，發展立體高效生態農業，建設生態、休閑、觀光等多功能復合景觀帶。

兗州區、鄒城市、曲阜市城區附近的采煤塌陷區，重點實施治水、增綠。整合城市外圍“山水林田湖”生態要素，營造城市綠地、濕地公園、生態農業用地，發展設施農業、觀光農業和鄉村旅游等特色設施農業經濟。

離城市較遠的采煤塌陷區，主要位于濟兗曲鄒的中心地帶，積水深，面積大，分布集中。根據塌陷積水情況因地制宜綜合治理，塌陷較深、積水面積較大區域采取護坡、邊坡綠化、植被林帶建設等生態措施進行生態濕地景觀建設，發揮涵養水源、雨洪調蓄利用功能；淺積水區域挖深墊淺，發展高效立體農業和漁禽綜合養殖業；非積水區域劃方平整，發展蔬菜、瓜果等農業經濟，建設“菜籃子工程”(圖2)。

1—礦業權范圍；2—城鎮用地；3—城市功能治理區；4—設施農業治理區；5—生態農業治理區；6—城市、人工濕地治理區；7—自然濕地保護區；8—城市建設治理區圖2 兗州煤田塌陷地治理布局圖

5 結論

兗州煤田現有13對生產煤礦，已閉坑礦山3對礦井，地質采礦條件復雜。截至2018年底，塌陷地總面積約17529.51hm2，其中常年積水面積2611.61hm2，季節性積水1474.46hm2，積水區平均2～5m，最深處達9m；預計到2020年，兗州煤田采煤塌陷地將達到18563.78hm2。采煤塌陷使耕地保有量銳減，耕地質量下降，交通水利設施遭到破壞，工廠村莊被迫搬遷，破壞了礦區生態環境。根據區位位置、環境背景、地質采礦條件和塌陷特征，對兗州煤田采煤塌陷地治理進行分區，采取生態農業、觀光農業、漁業、新能源(光伏)產業、人工濕地、城市建設等治理模式進行綜合治理與生態修復，對高潛水位平原區采煤塌陷地的治理具有一定的指導和參考價值。