陜北采煤沉陷區治理技術研究與分析

孫江鋒

（陜西省土地工程建設集團有限責任公司西北分公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

神府礦區位于榆林市北部的神木和府谷兩縣境內，礦區煤炭儲量大、質量高，是陜北榆林地區能源化工基地的優勢礦種之一[1]。20世紀90年代以來，神府礦區快速發展，但由于地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的交接地帶，生態環境脆弱，干旱少雨，水土流失及荒漠化嚴重，植被種類單一，且成活率及覆蓋率低[2]。隨著神府礦區煤炭資源大規模持續開采，礦區地表及周邊形成沉陷區，導致一系列地質環境問題，主要表現在：損壞地表建（構）筑物及道路等公共設施；破壞植被及耕地農田；加劇水土流失和土地荒漠化；污染地下及地表水環境；誘發地表沉陷、地裂縫、滑坡、崩塌、泥石流等地質災害[3]，威脅礦區人居安全。礦區生態環境日漸惡化，嚴重制約著區域經濟的可持續發展。

加強礦區生態環境治理，尤其是采煤沉陷區治理技術的研究與分析，既關系到陜北地區經濟的可持續發展，也關系到社會穩定。神府礦區的綜合治理目標是采取工程措施對地下采空區塌陷所形成的地裂縫進行充填、夯實和植被恢復，對臺階狀斷陷、裂縫帶進行修整和植被恢復[4]。實踐證明，綜合治理后神木縣礦區生態環境狀況得到明顯改善，礦區人民群眾的生產生活得到有力保障。

1 礦區基本概況

神木縣、府谷縣地處陜西省東北部，榆林地區東北角。神府礦區位于神木縣西北部和府谷縣西南部?？h境地理坐標：東經109°37′30″~110°14′30″，北緯38°12′30″~39°35′53″之間。北與內蒙古自治區接壤，東與山西省隔黃河相望，南側、西側分別與佳縣、榆林市相毗鄰，總面積10 847 km2。神木縣、府谷縣位于陜西省榆林市西北地區內陸，屬于典型的半干旱大陸性季風氣候，春季氣候干燥，降水少，溫度回升快，沙塵天氣多；夏季溫差大，降雨多，初期易發生冰雹天氣，七八月份多暴雨、雷陣雨；秋季溫度適宜，涼爽濕潤，逐漸變冷，溫度下降快；冬季氣溫低，嚴寒干燥，降雪稀少。

神府礦區地處毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原北緣的交接地帶，全區總體地勢是西北高、東南低，海拔800 m~1 400 m。最高點位于府谷縣大昌漢北部的郭家梁，海拔1 418 m，最低點位于東南部黃河谷地，海拔716 m，相對高差702 m。區內地貌類型主要有沙地地貌、黃土溝壑地貌、黃土梁峁地貌。區內西北部為風蝕為主的風沙草灘區，地勢比較平坦；東南部為黃土溝壑、黃土梁峁區，溝谷發育，地形破碎。風沙草灘與黃土梁峁過渡地帶為蓋沙黃土梁峁區。

2 采煤沉陷區受損現狀

神府礦區生態環境十分脆弱，現場調查表明，神府礦區煤層開采引起的環境地質問題表現在：1）地下煤層開采引起地面的沉陷變形，產生大量地裂縫；2）造成土地、植被破壞，加劇水土流失和荒漠化；3）破壞水資源，造成水污染；4）引發泥石流、滑坡、崩塌及邊坡失穩等地質災害。其中，以地下煤礦開采引起的采煤沉陷及地裂縫尤為嚴重。

3 采煤沉陷區綜合治理技術分析

3.1 地裂縫充填

神府礦區地表受開采沉陷影響最顯著的破壞特征是地表出現裂縫，嚴重時還有臺階狀斷陷產生。神府礦區地表主要為黃土層，抗拉伸變形及破壞能力小，煤炭開采過程中，極易擾動和破壞黃土層，導致垂直裂縫，造成地表破壞[5]。另外，黃土土質疏松，垂直節理發育，空隙大，鈣質含量高，遇水后，部分碳酸鈣被水溶解，小顆粒被水帶走，空隙進一步加大，從而產生濕陷和地裂縫。而這些裂縫很難修補填充，如果直接用黃土填充，降雨后，裂縫會再次出現。

根據礦區黃土層地裂縫及沉陷特征分析，可以將礦山采空區上方的沉陷裂縫分為兩種：閉合裂縫和張開裂縫。這兩種裂縫都容易導致地表水灌入井下，引發進一步地質災害。為防止地表水下灌，結合礦山地裂縫斷面結構特征，采用防滲隔水層、黃土覆蓋層充填裂縫。其中，防滲隔水層由兩部分組成，分別為隔水層和襯墊層，黃土覆蓋層主要采用熟黃土作為覆蓋材料。

對于裂縫寬度小于100 mm、破壞程度輕、土層較厚的土地，裂縫尚未貫穿上下，可通過就地充填、碾壓、平整等工程措施進行處理，即將裂縫挖開，填入黃土夯實平整。對于寬度小于100 mm的礦山采空區永久裂縫，可選擇就地平整、碾壓的措施，根據不同地形條件和裂縫結構，計算確定合適的標高和坡度，通過挖填平衡，減少土方運移，根據具體情況適當進行表土剝離，剝離后進行土地平整，使各地塊的地面坡度、標高保持在規定的標準內。對于煤層群繼續開采的地區，地表將一直受到擾動，黃土層土地處于變形期，所以可選擇簡單、經濟的基本工程措施將其暫時處理，達到滿足基本農業生產和林草生長要求，待其開采結束，土層變形穩定后再采取適當工程措施，進行進一步處理。

破壞程度中度及重度的土地，裂縫寬度一般大于100 mm，最寬的達400 mm以上，有時裂縫穿透土層，多條裂縫平行于開采邊界，同時出現臺階（一般的，當水平變形大于10 mm/m時會出現），陡坡區域的地表裂縫還可能出現明顯的滑移現象。如果采用直接充填的方法不能達到很好的效果，此時可用粒徑較大的廢石塊先充填裂縫，起到反濾的作用，達到合適標高后再覆蓋黃土，填土方法可根據實際情況采用人工或機械充填。

3.2 地表整修

根據沉陷地周圍地形，將沉陷地整修成平地、臺田、梯田等。根據現行《土地復墾技術標準》規定，開展林牧業土地坡度宜≤25°，地表整修時，對于坡度較大的地段，應采用裝載機和推土機進行土地平整，對于土方量需求大的地塊，可以優先就近選用礦山煤矸石等廢棄材料進行回填。在礦產開采過程中機械設備的反復碾壓，導致土層結構被破壞，土壤板結的土地，作物無法正常生長，可進行翻旋或覆土，確保形成耕作層，滿足作物生長。覆蓋土層的厚度不宜低于50 cm，覆土盡量避開雨季，運土、覆土盡可能選用輕型履帶機械，避免對土壤結構造成二次破壞?？紤]到項目區主要是黃土溝壑和梁峁地貌，為了有效控制水土流失，對于礦區內沉陷程度較輕、沉陷后地形坡度≤7°的耕地，只對地表進行整修。對于沉陷程度較嚴重，沉陷后地形坡度>7°的耕地，可以根據實際情況修筑梯田。

3.3 田塊規劃建設

1）田塊劃分設計：耕作田塊大小的確定應綜合考慮地形起伏情況、田間工程難易程度、是否便于耕作和排灌等方面的情況，方田的大小和形狀受田間渠系和道路的走向控制。根據目前耕地、道路、渠系及地形坡度情況，擬確定方田長度為200 m，寬度為100 m，方向為東西向（長邊順等高線）[6]。

2）田塊土壤設計：為保證耕作田塊的土壤質量及當年增產，土地平整時應盡量保留耕層熟土，保蓄底墑，打碎土塊，深耕細作。要重施有機肥，巧施速效肥，挖方部位的施肥量至少應為填方部位的2倍，并可使用污水處理站的污泥，用作農肥。要選種耐瘠作物，加強田間管理。采用保土保水蓄水耕作技術，防止水土流失和干旱。

3）田面坡降設計：耕作田塊的設計必須遵循田塊排灌暢通原則，確保耕地灌排調控方便，必須有一定的田面坡降，縱向（灌水方向）坡降應小于1/500，橫向以水平為宜[7]。

3.4 植被恢復

植被恢復是礦區生態環境恢復與重建的基礎和主體?；謴鸵獔猿帧皬膶嶋H出發，因地制宜，循序漸進”的原則；適地適樹，喬灌草合理配置；堅持以人為本，生態優先，造林綠化，改善生態環境，適當發展經濟林，兼顧經濟效益。治理區內植被恢復主要是沉陷區植被恢復工程，使治理區林草植被得到全面恢復，在最大程度上改觀廢棄礦區生態環境。為了給植物創造有利的生長條件，也為了沉陷地的植被恢復工程的施工安全和方便，一般要對沉陷區進行局部整地。另外，還要修建一定的灌排設施，借助離規劃區不遠的經過污水處理廠處理后的礦井水進行引水，引至規劃區并配置滴灌設施種植適宜樹種，造林綠化，恢復植被，建立良好的生態環境。

植被恢復時選擇適宜的植物種類十分重要，盡可能選擇耐受力比較強的植物，通過這些植物改善土壤結構和礦區環境，同時次生植物也能夠正常生長。在選擇植物種類時，優先考慮適宜當地氣候環境的本地物種，再考慮對其他環境因素的廣泛耐受性，如對重金屬污染物的耐性、酸堿度耐性、鹽漬化耐性等

在樹種、草種的選擇上，以當地優勢品種為主。根據當地的種植經驗及氣候特點，推薦植物優選種類。草類目前主要選擇苜蓿、沙打旺、黑麥草、沙棘等，這些草類是陜北地區的先鋒植物種類，具有較強耐旱能力，生長速度快，有利于改良土壤結構、增強土壤固氮能力；灌木種類，首選適應性強的灌木，如紅柳、沙柳、紫穗槐、檸條、梭梭樹、沙棘等，這些灌木抗旱、抗污染、抗風沙、耐瘠薄，成活率較高；喬木種類，首選當地優良的鄉土樹種，如樟子松、側柏、國槐、旱柳、新疆楊等，這些樹木具有很強的忍耐性和可塑性。陜北地區降雨量小，干旱貧瘠，培育合適的外來植物種類難度較大，因此，建議優先選擇當地優勢植物種類。

初步選好植物品種后，還要通過經驗類比、模擬種植試驗、現場種植試驗等方法篩選確定。篩選出的品種應具有較高的抗逆性和適用性，耐寒耐旱耐貧瘠，生長快，成活率高，盡量選用優良的當地品種，也可以嘗試外來優良品種。植物措施施工工期往往視土壤墑情而定，一般放在春秋兩季，嚴格按要求栽植，栽植完成后要定期進行施肥、澆水、修剪間伐、病蟲害防治等措施，以提高苗木成活率，對死苗及早補植。

4 采煤沉陷區治理綜合效益分析

4.1 社會效益分析

進入21世紀以來，我國工業化和城市化得到空前發展，人民生活水平不斷改善，國家進入全面建設小康社會決定性階段。隨著經濟和社會發展，對于煤炭等礦產資源的需求與日俱增，經濟發展與生態環境建設之間的矛盾日益尖銳，礦區生態環境治理要求也更加迫切。因此，加強礦區生態環境治理，尤其是采煤沉陷區治理技術的研究與分析，這既關系到陜北地區經濟的可持續發展，也關系到社會穩定，也是深入貫徹習近平總書記生態文明建設重要戰略思想具體體現。因此，治理神府采煤沉陷區，為以后的礦山環境綜合治理打下堅實的基礎，具有巨大的社會效益。

4.2 生態效益分析

神府礦區采煤沉陷區的綜合治理方案為以后實施的工程措施、生物措施和科學合理的管理措施來實現神府礦區采煤沉陷區的治理提供依據。采煤沉陷區的綜合治理主要采取平整沉陷土地、土地復墾、植樹種草、建設生態涵養林等措施，進行統一規劃，統一實施，綜合治理。

對神府礦區進行的生態防護林規劃建設，起到了防風固沙、調節氣溫、減小風速、保持水土、減少土地荒漠化、控制地表徑流、涵養水源、增加濕度、改善土壤結構的作用，項目區的林木覆蓋率將大幅度提高，水土流失得到全面治理，礦區的生態環境得到極大的改善。

此外，土地復墾工程的規劃，使礦區綠地面積增加，構成了穩定性強的復合農業生態系統，增強了對自然災害的抵抗力，減少了水土流失，使區內生態環境得到改善，土地利用趨向良性循環，增強了農業生產的后勁。

采煤沉陷區綜合治理后，礦區土地復墾率達60%，重點開發區的礦區生態環境恢復治量率達50%以上，這將使榆林礦區生態環境狀況得到明顯改善，礦區人民群眾生產生活得到有力保障，具有良好的生態效益。

4.3 經濟效益分析

采煤沉陷區的綜合治理對企業和當地居民的經濟效益是明顯的，對地表沉陷區、采空區、地裂縫等破壞土地進行綜合治理、復墾，這不僅使林地、耕地、草地及建設用地面積增加，而且使由于棄耕而造成荒廢土地得到重新利用，對神府礦區的農業生產具有巨大的促進作用。