王莊煤礦采煤沉陷區(qū)充填復(fù)墾現(xiàn)狀及改進(jìn)措施

郝園園，朱宗澤，郝成元

(1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作454000;2.沁陽(yáng)市國(guó)土資源局，河南 沁陽(yáng)454550)

煤炭是我國(guó)現(xiàn)時(shí)最主要的能源，約占一次性能源構(gòu)成的74%，且96%以上的煤炭產(chǎn)量來自于井工開采[1]。這種開采方式打破了煤層覆巖的自然平衡狀態(tài)，導(dǎo)致頂板斷裂、破碎、相繼冒落。隨著工作面的向前推進(jìn)，受開采影響的巖層范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，當(dāng)開采范圍達(dá)到足夠大時(shí)，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，引起地表沉陷[2]。采煤沉陷是煤礦開采對(duì)土地資源最直接的破壞，采煤沉陷后，昔日平原變成了高低不平的沉陷地，肥沃農(nóng)田變成了低產(chǎn)坡地、沼澤地或蘆葦叢生的沉陷湖泊，導(dǎo)致礦區(qū)耕地面積減少及單產(chǎn)銳減，礦群關(guān)系惡化[3-4]。20世紀(jì)30年代，西歐及北美各國(guó)已經(jīng)開始在礦區(qū)的植被恢復(fù)方面進(jìn)行深入研究[5-6];自80年代開始，澳大利亞、新西蘭等著重強(qiáng)調(diào)廢棄礦地的恢復(fù)和治理[7-8]。我國(guó)自20世紀(jì)90年代才開始對(duì)礦山廢棄地復(fù)墾及有毒有害物質(zhì)污染后的植被修復(fù)問題進(jìn)行研究[9-10]，雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速，礦區(qū)土地復(fù)墾率已達(dá)12%，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[2]。目前，我國(guó)的土地復(fù)墾與礦區(qū)生態(tài)重建主要集中于有毒有害物質(zhì)防治、植被恢復(fù)及土壤基質(zhì)熟化等方面[11-13]。本研究以潞安集團(tuán)王莊煤礦為例，深度辨析礦區(qū)采煤沉陷的現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)、類型、影響等，分析了研究區(qū)采煤沉陷區(qū)充填復(fù)墾現(xiàn)狀及不足，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 研究區(qū)概況

王莊煤礦位于山西省潞安礦區(qū)北區(qū)的東南部，井田范圍北與漳村井田鄰接，南以二崗山北斷層為界，東以石圪節(jié)井田煤層露頭線、漳澤水庫(kù)最高洪水水位線為界，西與常村、古城井田鄰接。井田南北長(zhǎng)平均為19.40 km，東西寬平均為4.6 km，面積79.45 km2。王莊煤礦建于1958年，1966年12月正式投產(chǎn)，經(jīng)過兩次改擴(kuò)建，2008年實(shí)際生產(chǎn)能力接近750萬t/a。

2 王莊煤礦開采沉陷現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)

2.1 王莊煤礦開采沉陷現(xiàn)狀

截至2008年年底，王莊煤礦采煤已造成的沉陷土地面積約為1 145.89 hm2，其中穩(wěn)定沉陷地面積為615.35 hm2(沉陷耕地、常年積水、季節(jié)性積水面積分別為539.90、27.35、48.10 hm2)，約占沉陷地總面積的53.70%;不穩(wěn)定沉陷地面積為530.54 hm2(沉陷耕地、常年積水、季節(jié)性積水面積分別為465.77、30.54、34.23 hm2)，約占沉陷地總面積的46.30%(表1)。

表1 2008年年底王莊煤礦采煤沉陷地統(tǒng)計(jì)

2.2 王莊礦區(qū)沉陷土地預(yù)測(cè)

隨著王莊煤礦投產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，將會(huì)造成更大面積的土地因采煤而沉陷。依據(jù)規(guī)劃，王莊煤礦最終生產(chǎn)能力將達(dá)到1 125萬t/a。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，平均每開采1萬t煤，地表沉陷0.2 hm2，最多的達(dá) 0.53 hm2[3，14]。據(jù)此估算，在今后 10 年間，王莊煤礦每年將有數(shù)百公頃土地因?yàn)椴擅憾料?。另外，每年?huì)增加矸石山占地1.77 hm2、粉煤灰堆場(chǎng)占地3.56 hm2。

3 王莊煤礦采煤沉陷的影響

3.1 對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

王莊煤礦開采沉陷以中度為主，中度沉陷面積約占總沉陷面積的92%。中度沉陷對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的影響并不是太嚴(yán)重，主要是在一定程度上對(duì)土壤、水體、植被和人居環(huán)境等人類賴以生存的環(huán)境要素造成損害。

(1)對(duì)土地的影響。在王莊煤礦，采煤沉陷破壞的土地主要為耕地，占87.76%。沉陷形成坡地或沉陷盆地，造成部分土地季節(jié)性積水，局部常年積水，農(nóng)田不能耕作;采煤沉陷使地表變形不均衡，耕地變得起伏不平，水、土、肥流失，土壤肥力下降，農(nóng)作物大幅減產(chǎn);采煤沉陷造成土層松動(dòng)，加速土地退化進(jìn)程。

(2)對(duì)水環(huán)境的影響。王莊煤礦的3#煤層開采疏干了含水層，改變了地表水與地下水的循環(huán)方式，使地表水資源減少，影響區(qū)內(nèi)生活和生產(chǎn)水源;地表沉陷和裂縫(隙)也在一定程度上改變了產(chǎn)匯流條件，造成個(gè)別村莊飲水困難。

(3)對(duì)動(dòng)植物的影響。采煤沉陷導(dǎo)致大量耕地荒廢，不能耕種，雜草叢生;少數(shù)淺部采區(qū)(深厚比小于20)和山區(qū)采動(dòng)滑坡區(qū)的植被受到嚴(yán)重破壞;礦區(qū)內(nèi)野生動(dòng)物原有30多種，由于采礦活動(dòng)的干擾以及棲息地的破壞與生境惡化，目前種類和數(shù)量均有所減少，食物的減少和人為干擾加速了動(dòng)物多樣性減少的速率。

3.2 對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響

首先，采煤沉陷引起的地表移動(dòng)，其方向多變，速度不均，導(dǎo)致房屋、公路、鐵路、管道、塔桿等不同程度地遭到破壞，對(duì)礦區(qū)居民的生產(chǎn)、生活造成不便，也造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。其次，采煤沉陷一方面使部分耕地不能耕作，減少了耕地面積;另一方面降低了土地生產(chǎn)力，作物單產(chǎn)減少，從而影響糧食生產(chǎn)和農(nóng)民收入，農(nóng)民一旦失去土地，收入減少，隨時(shí)都可能出現(xiàn)影響煤炭生產(chǎn)、危及社會(huì)穩(wěn)定的問題。

4 王莊煤礦沉陷區(qū)充填復(fù)墾現(xiàn)狀及不足

截至2008年年底，王莊煤礦共治理了263.63 hm2采煤沉陷區(qū)，治理后土地交還原村民組使用，權(quán)屬不變，用于耕種、栽樹、蓋房或發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。

4.1 充填工程治理措施

充填工程是在治理王莊煤礦采煤沉陷地過程中所采取的重要工程措施，它不僅處理了礦區(qū)內(nèi)的固體廢棄物，同時(shí)又治理了礦區(qū)內(nèi)因采煤而沉陷的土地。

(1)煤矸石充填工程治理模式。利用累積煤矸石作為沉陷區(qū)土地治理的充填材料，既可復(fù)墾因采煤而導(dǎo)致沉陷的土地，又可減少矸石堆放占地，消除矸石山對(duì)環(huán)境的污染。

(2)粉煤灰充填工程治理模式。電廠的粉煤灰堆棄在野外，不僅壓占大片土地，而且污染礦區(qū)生境。利用沉陷區(qū)的巨大容積解決礦區(qū)燃煤電廠粉煤灰堆放問題，不僅能治理兩害(沉陷區(qū)、粉煤灰)，而且對(duì)三方(電廠、煤礦、農(nóng)民)都有利。利用粉煤灰充填沉陷區(qū)覆土造地，不僅技術(shù)可行，而且經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益良好。

4.2 王莊煤礦充填復(fù)墾工作存在的不足

(1)充填治理后土壤的酸堿性不利于作物的生長(zhǎng)。王莊礦區(qū)屬于高潛水位礦區(qū)，充填治理后，充填的煤矸石層或粉煤灰層位于潛水位之下，矸石或粉煤灰長(zhǎng)期處于水浸泡環(huán)境之中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由于煤矸石呈酸性，粉煤灰一般呈堿性，從而使充填后的土壤要么呈酸性，要么呈堿性。從土壤學(xué)以及植物對(duì)土壤的適宜條件看，一般最適宜植物生長(zhǎng)的pH值在5.5～8.0之間，過酸或過堿的土壤都不利于作物的生長(zhǎng)。

(2)充填治理過程中對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞較大，治理后土壤比較貧瘠。礦區(qū)充填治理的一般方法是先將充填沉陷區(qū)內(nèi)的表土剝離出來，充填煤矸石或粉煤灰到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后壓實(shí)，再回填剝離的表土進(jìn)行農(nóng)林種植。在施工的過程中，由于機(jī)械的擾動(dòng)，使土壤原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞，治理后土壤孔隙、結(jié)構(gòu)性、保水保肥性等理化指標(biāo)發(fā)生較大變化，土壤中可供作物吸收的肥分較少，土壤的肥力與普通農(nóng)田相比大大降低。

(3)煤矸石和粉煤灰充填物有害物質(zhì)含量較高。由于矸石和粉煤灰本身含有許多有害物質(zhì)，再加之王莊煤礦位于高潛水位，充填后矸石或粉煤灰長(zhǎng)期處于水浸泡環(huán)境下而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出的有害物質(zhì)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到地表土壤中，進(jìn)而被植物的根系所吸收，并在果實(shí)中部分殘留或積累。

(4)充填治理為建設(shè)用地時(shí)，對(duì)矸石地基的處理過于簡(jiǎn)單。王莊煤礦將采煤沉陷地充填治理為建設(shè)用地時(shí)，通常是將煤矸石自然傾卸一次充填到設(shè)計(jì)高度，然后做壓實(shí)處理。因充填煤矸石的厚度不一致、壓實(shí)程度不一樣，其地基承載力也不一樣，所以當(dāng)建造高層建筑物時(shí)，建筑物可能會(huì)因其地基承載力的不同而遭到不同程度的破壞。

5 王莊煤礦充填復(fù)墾工作的改進(jìn)措施

針對(duì)王莊煤礦采煤沉陷區(qū)充填復(fù)墾中存在的問題，建議采取以下幾個(gè)方面的措施來改進(jìn):

(1)運(yùn)用化學(xué)方法改變土壤的酸堿性。通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)煤矸石或粉煤灰充填沉陷區(qū)后過酸或過堿的土壤，提前采取化學(xué)方法進(jìn)行中和處理:對(duì)于煤矸石充填的土壤，可在施工時(shí)根據(jù)土壤的酸度施加少量的石灰、石粉等，將土壤的pH值調(diào)節(jié)至適合植物生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn);對(duì)用粉煤灰充填沉陷區(qū)的土壤，可施加少量的石膏以改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤的板結(jié)程度。另外，也可采用將煤矸石和粉煤灰混合的方法將pH值調(diào)節(jié)至合適大小。

(2)優(yōu)化施工工藝，降低對(duì)土壤的破壞。王莊煤礦當(dāng)前采用的充填法是:在剝離表土?xí)r，常常大面積剝離和堆放，當(dāng)充填到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再回填剝離的表土，推土機(jī)推土的距離過長(zhǎng)，有時(shí)甚至超過100 m，嚴(yán)重破壞了土壤自然形成的結(jié)構(gòu)。為了構(gòu)建一個(gè)合理的土壤剖面，可以采用以下技術(shù)路線:首先，將充填區(qū)域劃分為若干條帶，分為填充條帶和表土剝離條帶，每一條帶寬30 m，在填充第一條帶之前，先將第一條帶的表土進(jìn)行剝離，存放到專門的土場(chǎng);然后用煤矸石或粉煤灰充填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，剝離第二條帶的表土覆蓋在第一條帶上，表土的剝離分為兩層，表層土(30 cm)和底層土(60 cm)，在表土剝離區(qū)，適當(dāng)劃分若干個(gè)剝離塊，實(shí)現(xiàn)分層剝離、交錯(cuò)回填，從而完成第一條帶的土壤重構(gòu);最后再用煤矸石或粉煤灰充填第二條帶，待充填至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，剝離第三條帶的表土，將其覆蓋在第二條帶上，完成第二條帶的土壤重構(gòu)，以此類推，完成其他條帶的土壤重構(gòu)。

(3)優(yōu)化充填工藝，防止煤矸石、粉煤灰中有害物質(zhì)遷移及對(duì)周圍環(huán)境造成污染。由于煤矸石、粉煤灰中含有有毒有害物質(zhì)，這些有毒有害物質(zhì)會(huì)直接或間接地污染土壤，而且可以通過各種聯(lián)系(如貫通河道、農(nóng)灌渠、地表裂隙等)發(fā)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)而污染周圍環(huán)境。所以，為了減少煤矸石、粉煤灰對(duì)土壤及周圍環(huán)境的污染，在充填的整個(gè)過程中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)填充方案，減少有害污染物的遷移機(jī)會(huì)，可以在充填的煤矸石層上覆蓋厚黏土層，并進(jìn)行植樹綠化或耕作養(yǎng)田，還可設(shè)置多層黏土隔離層，或類似于垃圾掩埋場(chǎng)采取在周圍設(shè)置黏土襯層、導(dǎo)水溝等措施來減少污染。同時(shí)，最好少種或不種食用的農(nóng)作物，以種植棉花、黃麻等經(jīng)濟(jì)作物和經(jīng)濟(jì)林木為宜，這樣既能充分治理、利用因采煤而沉陷的土地資源，又能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，還能避免因農(nóng)作物受到重金屬等有毒有害物質(zhì)的污染進(jìn)而對(duì)人體健康造成不良影響等。

(4)優(yōu)化充填方法，對(duì)作為建設(shè)用地的充填地基實(shí)施加固處理。為了避免建在壓實(shí)處理不均勻的矸石回填層上的建筑物遭到破壞，應(yīng)優(yōu)化充填方法，對(duì)充填為建設(shè)用地的地基實(shí)施加固處理。在矸石充填時(shí)，建議采取分層充填、分層碾壓的方法，即每充填一定厚度，一般以不超過0.5 m為宜，采用強(qiáng)夯法、振動(dòng)壓實(shí)法等進(jìn)行壓實(shí)，然后再充填再壓實(shí)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，使充填為建設(shè)用地的矸石地基足夠穩(wěn)定。

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