采煤塌陷區環境恢復治理措施研究

雷薪雍，陳拓其，張海榮

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

能源是社會經濟發展的重要基石，煤炭資源是能源結構體系中非常重要的構成部分，為社會經濟發展做出了非常重要的貢獻[1]。我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，每年都需要開采大量的煤炭資源。煤炭資源的開發利用雖然為我國各地區的經濟發展注入了很大活力，但與此同時煤炭開采過程也給附近區域的生態環境造成了不良的影響[2]。輕則影響周圍的空氣、水質、土壤等生態環境，對于開采比較嚴重的地方已經出現了非常大的采煤塌陷區。塌陷區的形成會給地區的社會經濟發展和人們的正常生活帶來一系列問題，已經成為地區經濟發展的重要制約因素[3]。黨的十八大以來，中共中央越來越關注生態環境問題，因此各地區的政府部門越來越重視采煤塌陷區的治理工作，都在積極采取措施對塌陷區進行治理，取得了很大的成效[4]。本文在充分借鑒已有成功實踐經驗的基礎上，對某地區采煤塌陷區的環境恢復治理工作進行了系統深入的研究，提出了對應的治理措施，并分析了產生的效益。對于生態環境保護、促進地區經濟發展具一定的實踐意義。

1 采煤塌陷區基本情況

1.1 塌陷區概述

經過前期的地質勘查，發現某井田存儲的煤礦資源超過了20 000萬t。礦井設計的生產能力為每年240萬t，根據該開采速度，井田需要通過65年左右時間開采完畢。該煤礦已經經過多年的開采，為地區社會經濟發展作出了非常重要的貢獻。由于部分采區的煤礦已經開采完畢，受地質擾動的影響，很多采煤區域出現了塌陷的問題，給地區的生態環境造成了惡劣影響。經過前期測量發現整個礦井范圍內超過2 667 hm2土地出現了塌陷問題，并且絕大部分沒有得到妥善處理，塌陷區域內積累了大量的雨水。經過科學的預測，認為井田每年將會有400 hm2左右的區域發生塌陷現象。基于此，有必要采取措施對采煤塌陷區進行綜合整治，避免對附近生態環境產生不良影響。

1.2 塌陷區主要特征

利用先進的RS/GIS塌陷信息識別診斷技術，可以對礦區內出現的塌陷情況進行識別判斷[5]，塌陷區局部區域的遙感信息識別如圖1所示。基于圖像信息可以判斷塌陷區的一些重要特征，比如水量不同對遙感信號的吸收程度不同，因此不同顏色可以代表不同位置水的儲存量。目前礦區地表塌陷面積非常大，并且沉陷速度很快，通常情況下工作面推進60 m后，地表就開始出現了沉降的趨勢，沉降整體上表現出很大的不均勻性，沉降速度每日最高可達60 mm。截至目前，采空區沉陷的深度平均值為3 m。

圖1 遙感信息識別Fig.1 Remote sensing information recognition map

2 生態功能重構模式分析

目前針對采煤塌陷區的生態功能重構方面的研究很多，學者們提出了很多重建模式。對于塌陷區存在大量積水的情況，進行水陸交換幾乎是所有重構模式的核心內容。目前人們討論較多的模式主要有3種[6-7]：①旅游生態集鎮配置模式。這種模式比較適合塌陷區面積非常大并且塌陷區存儲了大量積水的區域，因為這些區域進行水陸交換難度較大，會受很多方面因素的制約。②農漁禽獸生態配制模式。這種模式充分遵循生物多樣性的特點，按照食物鏈原理進行生物的配制。適合在塌陷面積相對較大但是深度不是特別大的區域。基于采煤塌陷區農漁禽獸生態配制模式的結構如圖2所示，在此生態系統內部，消費者、生產者以及還原者之間實現了物質和能量的循環利用。比如禽類養殖中產生的糞便可以作為農業生產的肥料，而農業生產中產生的副產品可以作為魚類的食物等。采用這種生態模式進行配制時，需要結合塌陷區不同塌陷深度合理選擇不同的物種，不同深度需要配置的物種類型如圖3所示。③農林漁配制模式。這種模式適合塌陷區面積較大但是塌陷深度非常淺的位置。因為淺的塌陷區可以通過回填的方式實現復墾，以擴大農業和林業的種植面積。

圖2 農漁禽獸生態配制模式結構示意Fig.2 Schematic diagram of ecological configuration model structure of farming，fishery，poultry and beasts

圖3 采礦塌陷區不同深度的物種配置情況Fig.3 Species configuration at different depths in mining subsidence area

3 塌陷區土地復墾適宜性評價分析

3.1 評價方向和單元劃分

結合采煤塌陷區實際情況，擬在塌陷區中開展農業種植、林業種植和漁業養殖。因此，在對塌陷區復墾適宜性進行評價時，主要從以上3個方向進行評價。

在對整個塌陷區進行評價時，需要根據不同區域的特點進行單元劃分。單元劃分時需要基于GIS軟件平臺，充分利用該區域的土壤圖、地形圖以及地下水位圖等。單元劃分最重要的依據就是塌陷程度，本案例中可以將塌陷區劃分成為4個單元，分別為塌陷深水區、塌陷淺水區、盆緣沼澤區、盆緣外緣區，采煤塌陷區單元劃分情況如圖4所示。為了方便描述，以上4個單元可以命名為深積水塌陷區、淺積水塌陷區、非積水塌陷區A、非積水塌陷區B。

圖4 采煤塌陷區單元劃分情況Fig.4 Unit division of coal mining subsidence area

3.2 評價指標及其權重的確定

采煤塌陷區擬從農業種植、林業種植和漁業養殖3個方向對其進行評價，不同方向評價指標存在一定程度差異，不同方向內部不同指標之間的權重也會存在差異，需要結合實際情況來合理確定[8]。在充分借鑒已有實踐經驗并考慮實際情況的基礎上，3個方向上制定的評價指標及權重關系分別見表1、表2、表3。

表1 農業種植方向評價指標及權重Tab.1 Evaluation index and weight of agricultural planting direction

表2 林業種植方向評價指標及權重Tab.2 Evaluation index and weight of forestryplanting direction

表3 漁業養殖方向評價指標及權重Tab.3 Evaluation indicators and weights of fishery aquaculture direction

3.3 評價方法及結果

將以上3個方向上設置的指標等級分別賦予不同的分數。其中，一級、二級、三級、四級分別對應3分、2分、1分和0分，將每個指標所得分值乘以權重系數，然后將所有指標的結果進行相加，即可得到綜合分數。根據綜合分數大小可以將其分成4個適宜性等級，分數越高表示適宜性越好，等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對應的綜合分數范圍分別為2.25～3.00、1.50～2.25、0.75～1.50、0～0.75。基于以上數據可以計算得到采煤塌陷區4個單元在3個方向上的適宜性結果(表4)。

表4 采煤塌陷區4個單元在3個方向的適宜性結果Tab.4 Suitability results of four units in three directionsin coal mining subsidence area

從統計計算結果可以看出，此次擬治理恢復的總面積為641 hm2。其中，非積水塌陷區A和B適合進行農業種植，面積為508 hm2；淺積水塌陷區適合進行林業種植，面積為71 hm2；深積水塌陷區適合進行漁業養殖，面積為62 hm2。

4 塌陷區復墾主要技術研究

4.1 土方回填技術

土地如果想達到耕地的標準，有效土層厚度需要超過0.1 m[9]。在進行塌陷區土方回填前，需要結合實際情況確定合理的耕地標高，標高的合理確定不僅會影響農作物和林業種植的質量，也會影響整個工程的投資。在充分分析實際情況的基礎上，最終確定的耕地標高為+34.3 m，與塌陷前的地面相比較降低了0.5 m。由于耕地標高比原有標高要低，為了防止土地在后續的使用過程中產生鹽堿化現象，需要對排水系統進行科學合理設計。

對于耕地區域進行回填的同時涉及到取土問題，將取土深度設置為4 m，取土面積需根據回填實際情況確定。取土后考慮到該區域的美觀性，將土坑坡比設置為1.0∶1.5左右，具體數值可以根據土壤性質微調。結合實際情況，最終確定的取土區域為橢圓形，橢圓形的長邊和短邊長度分別為720 m和470 m，取土后形成一個人工湖。經過計算，可以取得的土方量為103.5萬 m3，而實際需要回填的土方量為99.9萬 m3，可見取土量能夠滿足回填量。

4.2 塌陷區生物性復墾技術

對于塌陷面積非常大并且尚不是非常穩定的區域，可以不對其進行特殊處理加以直接利用[10]。比如可以利用網箱進行養鴨、養魚或者在淺水區域種植水藕作物，通過生物方式實現塌陷區的緩慢修復。對于適合林業種植的區域，可以結合該地區實際情況，包括地理位置和氣候條件等選擇最適合的品種進行種植，提高存活率。在復墾區域適當位置修建人工湖，湖周圍修砌環湖公路，公路可以利用煤礦開采中產生的矸石直接回填。研究中回填的矸石量達到了1.3萬m3。公路的兩側種植楊樹、柳樹等，間距控制在3 m左右，形成環湖綠化帶。采取多種措施提升整個復墾區域內的生物多樣性，使之形成一個可以實現自我調節、環境優美的生態系統。

4.3 農田水利設計

完善的水利設施是實現復墾的基礎和前提，在進行塌陷區復墾的同時，需要將地表中積累大量水進行排除，研究中主要采用的是疏排法進行治理，即通過修建大量的溝渠，將塌陷區的積水引入到附近的河流和湖泊中，部分區域采用水泵進行強排。通過對地表積水的控制，可以顯著降低土壤中的含水量，進而促進農業作物和各種樹木的健康成長。工程中修建了大量的斗溝、農溝和毛溝。其中，斗溝長1.5 ～ 3.0 km，間距1.0～1.5 km，溝深1.88～2.22 m，底部寬1.5～2.0 m，邊坡為1.0∶1.5～1.0∶2.0；農溝長0.5～1.0 km，間距0.3～0.5 km，溝深1.5 m，底部寬1 m，邊坡為1.0∶1.0～1.0∶1.5；毛溝長0.2～0.5 km，間距0.2～0.3 km，溝深1 m，底部寬0.5 m，邊坡為1.0∶1.0。

5 塌陷區治理結果與效益分析

5.1 塌陷區治理結果

此次治理的采煤塌陷區整體面積超過了700 hm2，整個項目投資將近8 000萬元。通過對塌陷區的綜合治理，增加了耕地面積近470 hm2，養殖面積增加超過40 hm2，新建立的人工湖泊面積約為20 hm2，有將近140 hm2的面積可以用于工業建設和新農村建設。

5.2 產生的效益分析

通過對采煤塌陷區的綜合整治，產生了非常顯著的社會效益、經濟效益和生態效益，以下主要從以上3種效益層面進行詳細的介紹。

(1)社會效益。整個區域范圍內增加了耕地面積470 hm2，在這些耕地面積上有超過92%以上的面積真正實現了農業種植，占據整個塌陷區面積的60%以上，塌陷區治理恢復用地占比情況如圖5所示。農民獲得了更多的土地種植農業，社會穩定性得到顯著提升。另外，通過此次治理恢復新增了近60 hm2的水域面積，其中2/3的面積可以進行養殖，1/3的面積可以作為湖泊景觀。水域面積的增加，不僅為當地居民提供了大量的養殖場地，而且極大地改善了生態環境。最后，還恢復了140 hm2的新農村建設以及工業建設用地，在一定程度上改善了人們的居住環境。

圖5 塌陷區治理恢復用地占比情況Fig.5 Proportion of land used for treatmentand restoration of subsided areas

(2)經濟效益。通過對塌陷區進行復墾產生了良好的經濟效益，經濟效益主要有2個方面的來源，第1為土地復耕，第2為漁業養殖，經濟效益統計計算見表5。

表5 農漁業收益情況計算Tab.5 Calculation table of income from agriculture and fishery

上文已述，此次新增加的耕地面積達到了470 hm2，在這些土地上冬天可以種植小麥、夏天可以種植玉米，通過農作物的輪作可以最大限度地發揮土地的效果，實現一年兩熟的目的。根據農作物的產量統計結果，平均每年可以生產的小麥和玉米質量分別為5 250、6 750 kg/hm2。進一步統計發現，整個復墾區域每年種植農作物的收入為768.45萬元；在漁業養殖方面，養殖面積大約為40 hm2，每年可以創造的凈收入為54.40萬元，農業種植和漁業養殖每年創造的總凈收入為822.85萬元。此次采煤塌陷區復墾治理修復共投入資金8 000萬元，10年內就可以收回投入的成本。

(3)生態效益。采煤塌陷區在治理前存在嚴重的環境問題，給該地區的生態環境治理造成了極大的困難。通過投入大量資金對塌陷區進行復墾修復治理之后，形成了新農村、生態景觀、湖泊以及農田等多種形態的景觀。此次復墾修復中將原本散亂分布的居民點全部搬遷重建，使居民聚集在一起，同時也確保了農田的連續性，產生規模效應。特別是在居民區附近建設的人工湖泊，使周圍的居住環境得到極大改善，產生了非常好的生態效益。

6 結論

主要以某采煤塌陷區為研究對象，分析了環境恢復治理的主要措施及其產生的效益，所得結論主要如下。

(1)礦井每年的產量在240萬t左右，經過長時間的煤炭開采，很多區域已經出現了塌陷問題。經過統計，超過2 667 hm2的區域產生了塌陷問題，給生態環境和社會經濟發展造成了嚴重不良影響。

(2)將整個塌陷區分為4個單元，分別為深積水塌陷區、淺積水塌陷區、非積水塌陷區A、非積水塌陷區B，經過科學的分析評價，前2個區域分別適合進行漁業養殖和林業種植，后2個區域適合進行農業種植。

(3)通過土方回填技術、塌陷區生物性復墾技術和農田水利設計手段的應用，達到了塌陷區環境恢復治理的預期效果，該地區的生態環境得到極大改善，同時為地區帶來了很好的經濟效益。