黃河流域煤礦生態修復技術研究現狀及展望

周金余，李 平，張 賀

(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

黃河流域是我國的能源流域，水能、煤炭、石油、天然氣儲量豐富，煤炭的產量和可采量位居全國首位，煤種齊全、煤質優良，涉及9個煤炭基地、85個國家規劃煤炭礦區，煤炭資源富集。2018年底黃河流域煤炭查明儲量占全國的45.25%，從上游青甘區到下游魯西區共有煤礦1 563個，占全國煤礦總數的36%[1]。黃河流域的煤礦開發是全國能源安全供應的重要保障，但流域內煤炭的大規模開采形成大面積采空區，導致土地塌陷，產生大量地表裂隙，破壞植被、土壤、水資源，帶來一系列生態問題。同時，黃河流域又是連接中上游兩大高原和下游華北平原的生態廊道、我國重要的生態屏障，所以亟需因地制宜、分區施策，恢復黃河流域因煤炭開發而破壞的生態環境。

黃河流域煤炭開采區域主要涉及高寒草甸區、風積沙區、黃土區、沖積平原區四大地貌[2]，不同地貌區由于其獨特的環境條件造成煤炭開發中多樣的生態環境問題，全面梳理流域內已展開的各項治理技術及研究、分析不足、明確發展方向，是保障黃河流域生態安全和煤炭可持續開發的重要舉措，也是實現黃河流域高質量發展的重大需求。

1 黃河流域煤礦區主要修復技術現狀

1.1 高寒區

高寒區地處黃河源頭，海拔高、溫度低、干旱少雨，大規模露天開采嚴重破壞了當地的植被、土壤及凍土層，由于生態環境脆弱，植被恢復困難，相比中下游地區大面積客土進行土壤重構成本高、人工建植草種選擇較少、凍融環境復雜，生態修復難度較大。該區生態修復多以自然修復為主，為了在短時間內取得良好的效果，需以人工干預手段為自然修復創造條件。多年來，對高寒煤礦區的生態修復技術研究主要集中在大通煤礦、木里煤礦等礦區，針對人工建植草種的選擇栽培、表層土壤的恢復保護、凍土保護和凍巖土穩定性的維護等開展的大量科研工作，取得了豐富的成果。

高寒礦區植被生長緩慢、生長期短暫，篩選合適的草種進行人工建植是成功進行植被恢復的關鍵技術之一。楊鑫光等[3]通過分析典型人工栽培種的生理生化抗旱機制，篩選出冷地早熟禾和垂穗披堿草是高寒礦區矸石山恢復的適宜草種，采取抗寒措施、施肥、覆土等措施可加快恢復進程，從而得到木里礦區高效的植被修復措施。人工建植后進行撫育管理，并引導環境逐步過度到近自然生態系統，實現自穩定，可以降低維護成本[4]。露天開采不僅破壞地表植被，更重要的是破壞了植被賴以生長的土壤，人工創造利于植被生長的土壤環境，是保障生態修復成果的另一關鍵技術。通過研究直接人工建植、覆土后人工建植和施肥后人工建植對土壤的改良效果和植被的生長情況，王銳等[5]得到了10 cm為理想的覆土厚度，明確了施肥等措施對高寒區客土來源不足這一缺陷的有效彌補能力；鄭元銘等[6]提出通過對煤礦剝離物施肥有利于重建植被生長基質。天峻義海公司通過在木里礦區的探索，實現了低成本、低覆土厚度、保證有苗率的渣山復綠技術。

高寒區獨特的凍土環境在露天開采過程中的破壞及其凍融變化，破壞了植被和地表水系，導致滑坡等地質災害的發生。張大春等[7]、王銳等[8]通過分析高寒區煤礦開采對環境的影響以及高寒環境對煤礦開采的制約性，提出了在煤礦開發過程中通過采取長期監測、合理規劃開采強度、季節性采煤方法和濕地保護等措施對凍土環境進行保護。高寒區凍融條件也對露天煤礦開采過程中邊坡的穩定性造成極大影響；楊幼清等[9]發現了排土場堆載高度與邊坡安全系數的函數關系，可用于指導邊坡變形的科學防治；徐拴海[10]通過多年對木里煤田凍巖邊坡的監測發現了邊坡穩定性的主導因素及評價方法，提出了邊坡防護的有效措施；張寶龍等[11]設計邊坡監測方案并開展試驗，用于邊坡安全預警，具有一定的合理性。

隨著技術進步，開始利用遙感技術從空間角度監測評價煤炭開發對大通礦區、木里礦區生態環境變化的影響，以便于更好地進行礦區的開發規劃和生態修復。此外，基于遙感等技術建立了大通煤礦地質環境治理監測示范工程，實現工程實施前中后的地質環境變化可視化[12]，通過采取一系列措施進行集中連片的綜合治理，帶動了資源枯竭城市大通縣的重生，為高寒礦區的生態修復起到了良好的示范作用。

1.2 黃土區及風積沙區

黃土區面積遼闊，占黃河流域總面積的85%[2]，分布著我國陜北、晉北、晉中、晉東、黃隴五個煤炭基地；風積沙區生態環境惡劣，干燥少雨，擁有我國神東、寧東兩大煤炭基地。這兩個區域生態環境脆弱、水資源短缺，大規模煤炭開采加之煤炭下游企業的發展，大量消耗水資源的同時也會造成地表塌陷裂縫、地下水位下降，水土流失和荒漠化加劇，使脆弱的環境雪上加霜。采煤活動導致水、土、植被的動態平衡受損，為了恢復、保護生態環境，同時保障煤炭資源的可持續開采，眾多專家學者針對水資源的保護和生態環境的修復在陜北、神東、寧東等地開展了的大量研究。

黃土區和風積沙區在煤炭開采過程中為了井下安全會大量抽排地下水，一方面造成水資源的嚴重浪費，另一方面也會對環境造成極大的破壞，所以有效保護和高效利用水資源極其重要。針對陜北淺埋煤層開采過程中出現的巷道冒頂、地下水位下降、生態及地質環境破壞等問題，范立民[13]提出了保水采煤觀，眾多學者從理論、技術、工程等方面對采空區地面變形[14]、導水裂隙帶發育規律[15-16]、煤層覆巖結構劃分[17]、保障植被正常生長水位的合理埋深[18]、含水層水量損失[19]、隔水層穩定性[20]等開展了一系列研究，搭建了有關導水裂隙和巖層破壞等的物理模擬實驗平臺[21-22]，提出了條帶跳采[23]、充填保水采煤[24]、采充并行[25]等保護含水層和定向注漿[26]等再造隔水層的采煤方法，初步構建了分區分級的保水開采技術體系[27]，為實現煤炭綠色開采奠定了堅實的基礎。

實現保水采煤除了保護水資源不受或少受破壞外，還要注意通過合理抽排和儲存礦井水，使之回用于工農業發展用水、生活用水和生態用水，在防治水害的同時實現礦井水的高效利用，創造經濟、生態和社會效益。要利用礦井水，首先要解決大量礦井外排水資源的儲存問題，為了減少對地面的侵占和解決地面存儲蒸發量過大的難題，神華集團構建了將地下采空區作為地下水存儲空間的地下水庫技術體系[28]，并利用地下水庫進行礦井水地凈化處理，在神東礦區成功開展了大量示范工程。同時，該區域煤炭開采過程中大量地下水流入礦坑導致礦井水硬度和礦化度變高，造成礦井水利用率低，在國家生態文明建設和地方對礦井水外排的高要求下，研發大規模低成本的處理技術有利于礦井水的充分利用。礦井水凈化處理技術眾多[29]，在西部地區利用其豐富的太陽能、地熱和工業余熱對礦井水進行膜蒸餾技術處理，可大大降低處理成本，實現井下處理、井下封存，在寧東地區已有試驗基地，為西部礦區高礦化度礦井水的處理指明了方向[30]。

為了恢復因大規模露天開采和井工開采導致的生態環境問題，保護好植被賴以生存的水資源的同時，還要進行地表植被的重建和土壤的修復。郭洋楠等[31]提出該區生態修復要以植被修復為主，輔以工程措施，分別總結了黃土區和風沙區選取適應型植被和工程措施進行采煤沉陷區治理的技術；史沛麗等[32]指出采煤對土地的損毀主要包括地形地貌改變和土壤質量下降兩種，它們共同限制了區域的生態修復。對土壤結構的恢復主要分為兩種方式：一是利用泥沙、礦山廢棄物、礦區垃圾等對沉陷區和地表裂縫進行充填修復；二是對不同程度塌陷區進行挖深填淺、削高填凹等恢復為耕地或魚塘等的非充填修復。對土壤質量的修復主要包括三方面：一是通過施肥、灌溉恢復土壤肥力；二是選擇本地抗旱、防風固沙的優勢種或先鋒樹種恢復沉陷區植被覆蓋度，并借植被改善土壤結構、恢復土壤肥力；三是向植物根際接種微生物來改善土壤質量。王琦等[33]發現沉陷區土壤的性質有一定的自修復能力；胡振琪等[16]基于動態監測法對地表裂縫產生發育全周期進行觀測發現，動態裂縫會自行修復，工作面邊緣裂縫則會持續存在，所以在今后的煤礦環境修復實踐中借助人工修復措施加快自然修復進程能更好地實現煤礦區生態修復。該區生態恢復典型案例就是神東集團在神東礦區成功構建了適宜大規模開發建設活動中的生態恢復技術體系，采取主動型防治策略，對礦區提出采前、采中、采后不同階段的治理理念，保證了開發建設與環境保護的良性發展。

1.3 沖積平原區

沖積平原區位于黃河下游地區，分布著河南和魯西兩個煤炭基地，同時又是我國糧食主產區。煤炭大規模的井工開采原多采用全部冒落管理頂板[34]，造成大面積采煤塌陷、積水，土地、糧食、煤炭之間矛盾突出。為了保障區域可持續發展，緩解糧、地、煤三者的沖突，眾多學者針對土地復墾[35-36]、濕地構建[37]、建設用地恢復[34,38-39]等方面的技術進行了大量研究。為了平衡煤炭開發、糧食產出、城鎮擴張對土地資源的需求，已在高效低成本的土地復墾技術、采空區一體化工程建設、次生濕地構建等方面開展大量工程實踐，成果顯著。

平原區地下潛水位較高，井工開采和多煤層重復開采導致地面嚴重塌陷、沉陷積水，破壞優質耕地資源，為了保障糧食供應該區域亟需進行土地復墾。對于下沉較淺的地區主要進行挖深填淺恢復原土地價值，下沉較深的沉陷區則利用煤矸石、粉煤灰、湖泥等進行充填復墾，考慮到表土缺乏、充填材料不足、湖泥復墾時間長、矸石存在污染土壤風險等問題，胡振琪等[35]提出引黃河泥沙進行充填復墾的構想，同時為了解決充填厚度不足導致生產力較低的問題，提出了夾層式土壤重構技術，大大提高了土壤復墾質量，已在山東邱集、濟寧等地開展試驗，發現該技術可大大提高農作物產量。由于對已發生沉陷的區域進行土地復墾難度較大、效果較差，胡振琪等[36]提出了“邊采邊復技術”，以提高耕地復墾率，保證土地生產力，降低復墾成本，針對邊采邊復的原理、關鍵技術進行了系統研究，為井工礦采復協調的開采方案提供了技術指導，在濟寧、菏澤等地礦區開展技術試驗，與傳統的破壞后復墾相比邊采邊復技術大大提高了土地復墾率，優化了用地布局及生態景觀。

采煤塌陷后形成的深度大、積水深的沉陷區進行充填復墾物料不足，施工難度大，成本也高，適宜構建人工濕地，并根據沉陷區的面積、與礦區或城區的距離以及實際發展需求采取水產養殖、濕地公園、污水處理等治理方式，已形成了次生濕地生境和水質修復、植被景觀和人工景觀構建等技術，發揮濕地凈化水質、美化環境的功能[37]。 目前在徐州潘安湖、山東鄒城和濟寧等地成功開展了采煤沉陷地改造為濕地公園的工程實踐。 平原地區人口密度大、工業發達，對水資源的需求量很大，但水量時空分布不均，面積大、積水深的采煤沉陷地也可成為蓄水空間主動構建成平原水庫[40]，既可解決水土資源不協調的問題，還可預先剝離表土提高淺沉陷區土地復墾率。

下游城市發展迅速，建設用地需求量大，煤炭大規模開采導致采空區大面積形成，破壞地面構筑物的同時又不利用后續利用，所以對采空區進行有效治理既能滿足城市擴張、工業發展的用地需求，又能減少對農用地的占用，還能帶來可觀的經濟效益。采空區的治理主要包括巖體裂隙發育特征的探測、地基穩定性的評價、利用注漿和充填等技術進行地基處理以及地表建筑物的抗變形處理等[34]，各項技術已在工程實踐中不斷地發展和完善，如在唐山市、焦作市等地采空區進行多層建筑物及構筑區建設，所有建筑保持安全使用，具有良好的推廣應用價值。目前中煤科工集團正在濟寧開展采空區工程建設項目。

2 生態修復技術研究不足之處

經過多年的研究和工程實踐，眾多學者已在黃河流域探索出較豐富的理論成果和修復技術，但仍存在一些不足之處。

2.1 治理方式、技術的單一性和治理范圍的局限性

當前對煤礦區受損生態環境的修復多是利用客土、充填、人工建植、邊坡防護等技術對水、土、植被、邊坡等單一要素的治理或恢復，治理模式多是以實現景觀美為目的建設成各類公園或恢復土地耕作、建設構(建)筑物的價值，對生態功能的發揮考慮不足。生態修復不能只是景觀的美化，也不能將山、水、林、田、湖、草割裂開來進行單一修復，而是要基于“山水林田湖草”生命共同體的統籌治理實現礦區生態系統的健康和安全。同時，煤礦區生態修復多局限于對采煤沉陷區、排土場、矸石山等礦區場地內受損環境的微觀治理，忽略與周圍景觀的連通性、與區域整體規劃的融合性，缺乏對生態修復活動的宏觀指導和中觀控制，治理效果的區域總體性不佳。

2.2 缺乏長期監測和高新技術的應用

由于采礦活動的持續性、水的流動性、污染物的遷移性等，導致對環境的破壞持續進行、影響范圍動態變化，但是當前缺乏對各要素的長期監測，難以全面掌握其發育和發展規律，從而及時進行預測、預警。由于人工監測工作量、投入高，必須引入人工智能、衛星遙感、傳感器等技術，對植被、邊坡、土壤、水資源、巖體等進行對全周期、多時相監測和科學研究，并能及時獲取監測數據，有利于科學管理并合理完善煤礦區的生態修復工作。

2.3 治理理念和認識有待提高，環保理念與礦區規劃融合不足

我國對煤礦區的生態修復多是以植樹種草、充填客土、邊坡防護等人工干預措施為主，忽略生態環境的自然修復能力，后期還需長期的人工管護，成本高且可能難以維持自我穩定，需要轉變理念，將人工修復和自然修復有機結合，有自我修復潛力的生態系統要以自我恢復為主，可進行“再野化”修復，實現生態系統的自我持續和穩定。

我國的礦山生態修復理念已逐步由經濟發展優先發展到如今的環保與發展并重，從先破壞再治理逐步走向采復一體化進行。但是諸多煤礦企業環保理念不足，所以多將生態修復視為負擔，多在采煤活動后期在政府強力執法監督下進行被動治理，修復前對礦區本底環境認識不充分，沒有將煤礦區生態修復設計與開采規劃相結合，缺乏整體性認識和分區治理理念，與當地經濟和社會發展協調不足。環評編制單位在文本中對環保理念和生態修復理念的融合不充分。此外，公眾對煤礦企業的監督意識不足，難以充分發揮公眾的監督作用。

2.4 專業參與度與融合性不充分

煤礦生態修復是一項長期而系統的工程，需要采礦、地質、生態、環境、土壤、植物、水文、環境等眾多學科的通力合作，當前多是以采礦、地質、水文專業為主，以中國礦業大學等高校為代表展開，缺少多學科和有實力的高校、設計院的聯合投入，環保專業及企業對煤礦區的生態修復活動的貢獻不足。

3 展 望

煤礦生態修復是一項長期而系統的工程，需要采礦、地質、生態、環境土壤、植物、水文、環境等眾多學科的聯合研究，要基于“山水林田湖草”和“兩山”理論進行統籌規劃，聯合政府多部門與煤炭利益相關者共同努力，才能保證黃河流域煤炭開發與生態安全的協調共存，實現黃河流域高質量發展。當前還需從以下幾點進行加強。

3.1 充實理論研究

由于不同煤礦區所處的地質環境和煤層賦存條件的差異性，必須進一步明確煤炭開采對不同區域水、土、巖層等的影響機理才能更好地進行采煤調控。例如當前對導水裂隙發育規律的研究多針對不同地質條件或單一工作面展開，缺少采取不同采煤技術和多個工作面共同開采下裂隙的發育規律和對水土植被影響程度的研究；黃土區和風積沙區為了恢復地表植被，大量利用礦井水進行灌溉，這一舉措是否會改變植被的生理特性，使之抗旱等能力減弱，導致未來減少或不進行灌溉時出現退化現象等，還需進一步研究。

3.2 優化采煤技術，利用高新監測技術，研發具有區域差異性的修復技術

為了適應黃河流域不同區域的環境和發展需求，已初步構建了保水采煤、土地復墾、微生物修復、采空區利用等技術，但充填開采、客土復墾等技術由于成本較高、使用區域受限等難以推廣，亟需進行優化改進。研發具有區域差異性的技術，根據礦區生態損壞特征進行分區治理可減少采煤擾動、加快生態重建。同時，挖掘具有經濟效益的礦山修復與其他產業的融合模式，促進煤礦企業對礦山的自發性修復，關注修復活動與國家安全格局的配合，從而實現黃河流域的高質量發展。

由于采煤活動及其影響的持續性，導致地表沉陷、植被和土地的破壞、水資源減少等生態問題均處于動態變化過程中，必須開展采煤前中后全周期的宏觀監測、地下水位和導水裂隙等部位的精細監測以及地質環境問題的預警監測，保證采煤活動的安全性，并及時掌握煤礦區生態修復的效果，以便適時進行調控。

3.3 加大采前基礎工作

對礦區環境先破壞再治理不僅難度大、投資高，而且可能導致修復后效果差，所以從采前開始修復規劃對實現煤礦區的高效生態修復極其重要。對即將進行開采的煤礦，要進行地質、水文、土壤、生物、土地各要素的全面調查，明確采煤活動可能帶來的影響，結合城市發展規劃和國土空間規劃等提前謀劃受損要素及礦區修復方向，保證采復活動一體化進行。

3.4 加強優秀工程技術的推廣

為了進行礦區生態修復、保護區域生態環境，煤炭行業探索了諸多生態治理技術，開展了成功的工程實踐。如神東集團的地下水庫技術和“三期三圈”主動治理的生態修復模式、唐山等地在采空區上建設大型建(構)筑物技術、徐州潘安湖的生態修復模式以及鄒城的太平國家濕地公園等等，可為同類煤礦區的生態修復樹立良好的示范，亟需大力推廣。

3.5 深化普及環保及生態修復理念

政府、煤礦企業、環保企業、公眾等都是煤礦開采的得益者，同時也要為礦區帶來的生態破壞承擔相應的責任，單純依靠政府的執法監督難以實現煤礦的可持續利用和高質量發展。一方面需要加大對煤礦企業環保監督，落實到采煤活動的整個周期，使修復活動與煤礦開采規劃相融合；另一方面需要環保企業的努力，將優秀的環保理念、修復技術融入環評報告編制過程中，做好對礦區生態環境的監測和修復活動的監督。同時，公眾作為龐大的監督群體，進行環保理念的普及、環保意識的加強能充分發揮其對煤礦企業的監督作用。