煤礦區生態地質環境保護與土地復墾設計

王子瑋，李 斌

(商洛學院 藝術學院秦嶺畫派研究中心，陜西 商洛 726000)

礦山生產活動破壞了原有的生態系統，地面塌陷、地裂縫、工業場地、矸石場等改變了原生的地形地貌景觀，通過拆除建筑、運走煤矸石、充填裂縫、土地平整等，達到了恢復礦山植被、重建地質環境系統功能的目的。恢復原有的生態環境，有利于礦區的環境資源有效利用，并適當增加其植被覆蓋，可以有效防止水土流失，美化生態環境，并能夠促進經濟和社會的可持續發展，改善礦區生態地質環境，促進和保持當地生態系統的良性循環[1-6]，為人民生產生活提供良好的空間，其環境效益顯著。

1 礦區概況

1.1 地形地貌

礦區為低山丘陵地形。區內最高標高+749.7 m，最低標高+486.00 m，相對高差為263.7 m。礦區地勢總體呈中部高，南部和北部低。地形地貌如圖1所示。東翼工業場地位于礦區東南邊界，場地平緩，標高約+533 m；西翼深部工業場地位于礦區中部偏西位置，場地平緩，標高約+548 m；西翼淺部工業場地位于礦區中部偏西南位置，場地較起伏，標高+495～+506 m；五3煤工業場地位于礦區西南邊界，場地較起伏，標高+559～+565 m。

圖1 地形地貌Fig.1 Topography

1.2 氣象

礦區屬典型的溫帶大陸性季風氣候，夏、秋兩季炎熱多雨，冬、春兩季低溫干旱。年平均降水量679.50 mm，降水多集中在7—9月，占年降水量的50%。年平均蒸發量為1 833.24 mm，潮濕系數0.35。據氣象資料記載，歷史最高氣溫為44.6 ℃，最低氣溫為-18.2 ℃，年平均氣溫14.6 ℃。最大積雪厚度為23 cm，最大凍土深度為20 cm，霜凍期為12月至次年2月。春夏秋季風以東南、東風為主，冬季多為西北風，一般風速為2.6 m/s，最大風速達19 m/s。

1.3 水文

評價區地處黃淮兩河的分水嶺地帶，中部平頂山砂巖構成的山脊橫貫東西，其北部為黃河流域，南部為淮河流域。該區處在黃淮分水嶺地帶。區內無常年性地表水體，以季節性溪流為主，礦區西部有王堂溪和李溝溪，均為季節性溪溝，幾乎常年干涸，僅在雨季時有短暫水流，向西南經白窯村折向南匯入汝河。據訪問資料，當地最高洪水位位于一7煤層露頭之下，故對本礦開采二1煤層、一7煤層、五3煤層和四3煤層無大影響。

1.4 生物

(1)植物。項目區地處低山丘陵區，屬暖溫帶落葉林區，古代多為森林所覆蓋，隨著人類活動的增多，自然植被已蕩然無存，目前主要為草甸、灌木叢、人工林及農田群落所覆蓋。喬木以落葉闊葉林為主。現有的落葉闊葉林基本為人工種植的楊、柳、榆、槐、泡桐等喬木及果林等，以四旁(村旁、宅旁、路旁、河旁)、農田林網的形式分布于評價區內。灌木主要有酸棗、牡荊等灌叢群落。農田植被呈梯田、斑塊狀分布于評價區內。主要農作物有小麥、玉米、豆類及一些別的作物。

(2)動物。受植物資源的破壞，動物棲息地環境受影響較大，項目區動物資源極為貧乏。根據已有資料，常見和比較常見的動物有40多種，大型動物如豹、狼、野豬等已基本沒有，僅在植被較好的荒坡、溝壑中尚有一些草灌叢動物如：野兔、松鼠等。在這些動物中，青蛙、家燕、金腰燕、灰喜鵲、啄木鳥、杜鵑、蟾蜍、游蛇、刺猬、貓頭鷹等都能撲食農林害蟲或鼠類，對農林生產有益，在整個生態平衡中起著重要作用，應加以保護，嚴禁獵捕。人工飼養的動物主要有牛、羊、雞、鴨等。評價區內無國家級保護動物。

1.5 土壤

礦區內緩坡和丘陵地帶，根據土壤的檢測，結合地方生態需要，因地適宜地種植蔬菜、瓜果、小麥以及玉米等農作物，推動礦區種植區發展，對于條件較差的礦區可以種植樹木、果林、植被等有益于礦區發展的植物。耕地土壤和林地土壤剖面如圖2所示。

圖2 耕地土壤和林地土壤剖面Fig.2 Cultivated soil profile and forest soil profile

2 主要技術措施

2.1 煤礦區生態地質環境保護預防措施

(1)應預留保護煤柱，避免或減少采空塌陷和地裂縫的發生[7-8]。

(2)矸石的臨時堆放要有序、合理，設計穩定的邊坡角，臨時堆放高度不宜超過5 m，要根據煤矸石綜合利用協議及時進行清運。

(3)揭穿含水層的井巷工程，應采取止水措施，防止地下水串層污染。

(4)采取帷幕注漿隔水、灌漿堵漏、防滲墻等工程措施，最大限度阻止地下水進入礦坑，減少礦坑排水量，保護地下水資源。

(5)為了減輕礦山外排水及煤矸石淋濾液對水土環境的污染，建議采取如下防治措施：①建立污水處理站，生活污水、礦井水經管道收集后，分別進入生活污水處理站、礦井水處理站進行處理；②提高礦井排水、生活污水的綜合利用率，經一級處理達標后的水用于礦區消防灑水、黃泥灌漿、鍋爐用水等礦井工業用水和選煤廠補充水，減少外排水量；③煤矸石堆覆蓋防塵網，防止揚塵污染水土環境。

2.2 土地復墾預防措施

(1)壓占預防控制措施[9-10]。壓占區主要為工業場地(生產區、生活區等)，主要包括辦公室、食堂、絞車房、配電室、空壓機房等建筑物，結合工業場地需要，合理規劃道路硬化區域，開設防洪防水管道，規劃好礦區綠化覆蓋率，區分好生產區和生活區范圍，對工業場地所在地半徑50 m以內的區域必須設立禁采區，避免工業場地及村莊遭受因采礦引發的地裂縫、地面塌陷等地質災害的危害，防止土地被損毀。

(2)塌陷預防控制措施。造成開采區塌陷的主要成因：礦井深度、礦層的斜角、開采方式等。為預防開采區塌陷的不安全隱患，需要采取這幾種措施：①嚴格按照開采設計及施工要求進行，并積極采用先進生產工藝減少不必要的損失；②時刻做好地質環境考量，對有問題的地段，做好強化支護和頂板控制工作；③地下采用時，多考慮對地表的影響，采取有效措施如開采前提前做好綠化增加防護林等方式，加大地表的保護措施；④對采空區回填式開采，這樣可以有效降低地面下沉或塌陷；⑤對于預測會塌陷的區域提前做好警示，防止發生意外事故。

3 生態地質環境保護與土地復墾設計

3.1 礦山地質災害治理

因采礦活動造成礦區地面塌陷、地裂縫，含水層破壞，地形地貌景觀破壞，土地資源破壞等的恢復治理工程，均屬于煤礦區生態地質環境保護與恢復治理工程。對于因地面塌陷、地裂縫而造成居民房屋破壞而需要居民搬遷的搬遷賠償，不屬于礦山環境保護與恢復治理工程。因此，針對本礦山實際情況，確定煤礦區生態地質環境恢復治理工程。

3.1.1 工業場地恢復治理工程

(1)井筒封填工程[11-13]。井筒封填工程是在礦井停產之后，對工業場地內廢棄的主副井以及風井進行填充。對廢棄的地下礦井，應該周密地進行處理，以免發生地面沉降或塌陷。同時，還應保存完整的技術資料(如井上、井下對應位置圖、巷道布置、采空區大小及位置等)。①回填材料可采用廢石、建筑垃圾、煤矸石或其他無毒的工業固體廢料。②為提高填充物的密實性，可采取邊回填邊灌水，使回填的松散材料自然密實。③距立井井筒頂部5～10 m 處，用黏土回填并夯實。④距井口地表3 m 處，加工混凝土蓋。在井口外圍修建鋼筋混凝土井座(井座下部寬度不得小于1.0 m，上部圈梁寬度不得小于0.5 m，埋深不小于1.5 m)，上覆鋼筋混凝土井蓋進行封閉(井蓋采用雙層網格狀鋼筋骨架，鋼筋間距不得大于20 cm，混凝土厚度不小于0.5 m，井蓋大小應大于井座平面尺寸0.5 m，混凝土強度不小于C30，鋼筋直徑不小于φ14 mm)。⑤井蓋上部2.5 m 用黃土回填，恢復植被。⑥礦井井筒回填封堵后，應在中心位置設置標志牌，牌上注明廢棄井筒的相關信息。井筒充填封堵如圖3所示。

圖3 井筒充填封堵示意Fig.3 Schematic of wellbore filling and plugging

(2)工業場地房屋拆除工程。工業場地占地面積37.53 hm2，采礦結束后，拆除工業場地內不再留續使用的建筑物面積112 050 m2。利用建筑物拆除產生的廢棄石料和礦渣，充填廢棄井筒。工業場地拆除房屋面積112 050 m2，均為磚混結構，按照《建筑固體廢棄物排放估算方法》，拆除按照每平方米產生0.3 m3計算建筑垃圾量，垃圾清運工程量合計33 615 m3。

3.1.2 塌陷區治理工程

(1)地裂縫封填工程。對于由于地面塌陷造成的地裂縫進行封填(圖4)，礦區地表分布大范圍第四系黃土，裂縫封填可就近取土進行地裂縫的填埋、整平，對不同的地類實施的工藝有所不同。對于旱地出現裂縫，應做好土壤改良工作，重新取土回填，種植植被，恢復當地生態環境平衡；對于林地出現的裂縫，同樣采取移置土壤，逐步回填。根據裂縫尺度大小計算移置土壤方法，裂縫等級劃分及每畝塌陷地裂縫充填土方量見表1。

圖4 地裂縫示意Fig.4 Ground fissure

表1 裂縫等級劃分及每畝塌陷地裂縫充填土方量計算Tab.1 Fracture classification and calculation of earthwork filling per acre of collapsed ground fissure

對于由于地面塌陷造成的地裂縫進行封填，礦區地表第四系土壤，裂縫封填可就近取土進行地裂縫的填埋，預計需要充填工程量為63 905.40 m3，需要表土剝離量為3 372.60 m3，需要表土回填方量為3 372.60 m3。

(2)警示工程。每個采區開采前，在預測塌陷區周邊布設500 mm×375 mm鋁合金板警示牌，防止村民亂入，造成危險。共布設警示牌15個。

3.2 礦區土地復墾

3.2.1 工業場地復墾工程設計

該項目土地復墾責任范圍內工業場地面積為38.16 hm2，損毀程度為重度。復墾措施主要是對拆除后的工業場地進行平整工程、覆土工程、土壤改良工程，復墾為耕地。①平整工程。根據土地復墾標準，將工業場地復墾為旱地，需對土地進行平整，土地平整的基本原則是在確保環境保護和農業生產，節約投資的情況下，盡可能地增加有效耕地，平整面積38.35 hm2。場地平整設備選用推土機(柴油型55 kW)，對場地進行推平平整，單一地塊坡度控制在5°以內。②翻耕工程。對平整后的工業場地進行翻耕，翻耕面積為38.16 hm2。③土壤改良工程。本區對土地長時間壓占，土壤硬性較強，需對土壤進行翻耕，使耕作層富含養分，更有利于農作物生長。復墾初期，壓占后的土地土壤養分貧瘠，理化性狀差，有機質含量少，土壤板結，可耕性差，需采取綜合施肥措施，以增加土壤有機質含量，提高土壤生產力。在測定土壤基本性能的基礎上，因地制宜地施肥，對土壤進行二次深耕，調整種植結構，從而提高土壤肥力，增加土壤熟化程度。

工業場地復墾工程設計工作量如下：復墾區工業場地，平整工程38.16 hm2，土地翻耕76.32 hm2，有機肥1 144 800 kg。

3.2.2 預測塌陷區復墾工程設計

(1)預測塌陷區有林地[14-15]。主要復墾措施：及時種植礦區適宜生長的樹木，能夠起到固土防止水土流失的目的。在該方案中優先選取生存力比較強的泡桐，加大管理力度和檢測措施，提高該植物的成活率，增強系統抗逆性。林地復墾工程包括植被重建工程，對受損的樹木及時扶正樹體，保證正常生長，補栽損毀苗木，選擇適宜品種，植樹種草，增加植被覆蓋度。另外，對因塌陷導致死亡的樹種和空白地及時補栽。林地補栽選用的樹種為泡桐，采用1年生裸根胸徑2 cm樹苗，種植方式采用挖坑穴栽，株行距3 m×2 m，樹坑規格0.5 m×0.5 m×0.5 m，在植樹過程中盡量使根系保持完整，每穴栽植l株，苗木直立穴中，分層覆土、踏實，埋土至地坪以上2 cm，栽后澆水，定期養護，提高苗木成活率。輕度損毀區補栽密度按照167棵/hm2計算，中度損毀區補栽密度按照334棵/hm2計算。其他林地輕度損毀恢復為有林地栽植密度按照400棵/hm2計算，中度損毀按800棵/hm2計算。林地復墾典型設計如圖5所示。

圖5 林地復墾典型設計Fig.5 Typical design of woodland reclamation

(2)預測塌陷區有農村道路[16]。根據塌陷區實際情況，對塌陷區內耕地原有的田間道路進行修復處理，損毀面積6.92 hm2，田間道平均寬度為4 m。對區域內土質道路路面硬化，并在路邊種植防護林，主要分布于項目區中部南北向兩條，田間道行道樹主要種植泡桐，呈單行種植，每5 m種植1株。田間道在原有道路系統基礎上修繕。修復農村道路長

17 300 m，種植泡桐3 460株；修建混凝土道路時，將原路面壓實、平整，然后平鋪厚18 cm的混凝土作為新路面。修復田間道路設計設計如圖6所示。

圖6 修復田間道路設計Fig.6 Repair field road design

4 生態地質環境保護與土地復墾監測

4.1 煤礦區生態地質環境保護

(1)地面塌陷、地裂縫監測。①監測內容。地面塌陷的位置及范圍、水平位移、塌陷深度，地裂縫位置、長度、寬度等地面變形情況。②監測方法。采用常規的地面塌陷變形追蹤地質調查法，進行人工巡視，定期監測記錄地面塌陷出現的各種細微變化。監測工具選用全站儀、經緯儀、GPS、鋼卷尺、地質羅盤等。本次布設地面塌陷、地裂縫監測點6個，每月監測1次，雨季加密測次數。

4.2 煤礦區土地復墾監測

(1)土地損毀監測。①監測內容。主要是對壓占和塌陷損毀的土地進行監測。土地壓占監測范圍為工業場地區及矸石場，塌陷監測范圍為預測地面塌陷區。②壓占監測方法。丈量本礦工業場地、矸石場場占地面積，嚴防隨意擴大擾動地表面積。③塌陷監測方法。采用水準測量對地表移動進行測量，利用1956年黃海高程系，作業前對儀器和標尺應進行檢查和測定。測量采用中絲法讀書，直讀視距，觀測采用后—后—前—前順序，精度達到四等，觀測中誤差<25 mm/km。

(2)復墾效果監測。①土壤質量監測。主要針對復墾耕地質量進行監測，監測的主要項目包括地形坡度、有效土層的厚度、土壤有效水分、土壤容重、酸堿度(pH值)、有機質含量、有效磷含量、全氮含量、土壤侵蝕模數等；其監測方法以《土地復墾技術標準》(試行)為準，按每25 hm2設1個監測點，復墾后旱地面積為198.64 hm2，則共需要監測點8個，監測頻率為每季度1次。②復墾效果監測。主要是復墾植被監測和復墾配套設施監測等。復墾植被監測主要是林地植物長勢、高度、植物的成活率等。監測方法通常采用隨機抽樣，復墾工程竣工后則采取定期抽樣檢測。復墾基礎設施監測主要是對復墾區道路進行監測，每年監測1次。復墾效果監測時間為3年。

5 技術保障措施

(1)加強礦山地質環境監測，建立或聘請專業監測隊伍，定期或不定期專門對進礦山地質環境行監測，及時掌握礦山地質環境動態，利用現代技術對礦山地質環境發展趨勢進行預測預報，對可能產生的生態地質環境問題及時采取防治措施。

(2)加強對礦產資源開發過程中的采礦技術研究，依靠科技進步，推廣應用先進的采礦和加工技術，發展循環經濟，減輕礦產資源開發對環境的破壞，建設綠色礦業。

(3)加大煤礦區生態地質環境與恢復治理恢復科技投入，積極開展與煤礦區生態地質環境與恢復治理研究機構多種形式的產學研合作，加強在礦山綠化、尾礦綜合利用、環境恢復治理方面研究和探索新技術、新方法，選擇最佳治理方案。

(4)委托有相應資質的單位進行煤礦區生態地質環境和恢復治理工程設計和工程施工。

6 結語

結合當地社會經濟現狀及礦山地質環境情況，以當地經濟的可持續發展、社會的和諧發展為基礎，最大限度地解決或緩解采礦活動引發的地質環境問題，避免造成地質環境惡化、消除地質環境隱患，使本礦成為真正的綠色礦山；礦區的土地恢復有效增加了農業用地，有效緩解了礦區工業用地、農業用地以及林業用緊張局勢，并為地方經濟的發展、農民的創收以及礦區的生態環境起到良性循環作用。基本消除了由于礦山開采帶來的環境、地質方面的影響，使周圍群眾能夠正常地生產、生活，對全社會的安定團結和穩定發展也有重要意義，是保證礦區區域可持續發展的重要組成部分，具有重要的社會效益。