淺談淮北市采煤沉陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題研究

王梅

［關(guān)鍵詞］采煤沉陷區(qū)；積水區(qū)；地質(zhì)環(huán)境；生態(tài)地質(zhì)問題

淮北市是中國煤炭建設(shè)重點城市，1955年，地質(zhì)勘探部門開始對淮北煤田進行普查。1958 年5 月5日，淮北煤礦籌備處正式成立，從而拉開了大規(guī)模開發(fā)淮北煤田的序幕。隨著煤礦資源開采，壓占毀損土地資源，同時對地形地貌景觀造成程度不同的破壞。煤礦地下開采引發(fā)的采空塌陷，使大片肥沃平坦的土地淪為坑洼不平的荒灘、水塘等[1]。截至2022年底，淮北市采煤沉陷區(qū)面積279.54 km²。通過對現(xiàn)有采煤沉陷區(qū)資料分析研究，以往僅對采煤沉陷區(qū)范圍及損毀情況進行了統(tǒng)計，未對采煤沉陷區(qū)所引起的生態(tài)地質(zhì)問題進行系統(tǒng)研究，本次基于土地利用植被覆蓋類型的多期遙感解譯結(jié)果，著重分析沉陷生態(tài)地質(zhì)問題演化規(guī)律，構(gòu)建淮北市采煤沉陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價體系。以定性方法為主，開展區(qū)域生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價，指出每個分區(qū)生態(tài)地質(zhì)特征、存在主要問題和區(qū)域國土空間利用與生態(tài)保護修復(fù)建議。為深化資源枯竭城市和采煤沉陷區(qū)綜合治理試點建設(shè)，加大鳳棲湖、朔西湖生態(tài)環(huán)境修復(fù)力度，提升綠金湖、碳谷湖、乾隆湖、化家湖治理品質(zhì)，打造“中心湖帶”新風(fēng)貌。加快推進綠色礦山和綠色礦業(yè)發(fā)展示范區(qū)建設(shè)，促進礦地和諧提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 淮北市采煤沉陷區(qū)概況

淮北市是中國煤炭建設(shè)重點城市，自1958年開始進行大規(guī)模的礦區(qū)建設(shè)?；幢笔泄灿忻旱V47個，截至目前正在生產(chǎn)礦山有15個（杜集區(qū)2個，濉溪縣13個）；其余的煤礦或受產(chǎn)能枯竭，或響應(yīng)國家去產(chǎn)能政策號召，均已關(guān)閉，采煤礦山生產(chǎn)情況詳見表1及淮北采煤沉陷區(qū)及礦權(quán)位置詳見圖1[2-4]。

采煤沉陷區(qū)總面積279.54 km²，其中耕地面積121.19 km²，林地面積10.37 km²，草地面積4.15 km²，其它地類面積143.83 km²；已治理面積138.55 km²，已修復(fù)耕地面積47.67 km²。全市采煤沉陷區(qū)分布較分散，各縣區(qū)共有大小47個采煤沉陷區(qū)，采煤沉陷導(dǎo)致耕地資源銳減，加劇人地矛盾，因歷史原因，采煤沉陷地存在未征先塌現(xiàn)象，采煤企業(yè)以支付青苗補償費形式補償，但失地農(nóng)民無法辦理養(yǎng)老保險，在企業(yè)關(guān)井閉坑無法支付費用時，失地農(nóng)民長遠生計無法保障，給社會穩(wěn)定埋下了隱患。建設(shè)用地緊缺，城市發(fā)展受限，陷土地范圍廣、面積大，城市工業(yè)和非煤產(chǎn)業(yè)用地缺少發(fā)展空間，資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展受限[5-8]。

2 淮北市采煤沉陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題

2.1 土地損毀現(xiàn)狀

淮北市采煤沉陷區(qū)涉及采煤礦山47個，礦區(qū)面積780.26 km²，采煤沉陷區(qū)總面積279.54 km²，采煤沉陷區(qū)積水面積為68.69 km²，水深0.5～15 m，局部深15 m以上，蓄水量較大，最大塌陷深度超過20 m。礦山開采煤層較多，部分重復(fù)塌陷，塌陷區(qū)已銜接成片，積水成湖[9，10]。采空地面塌陷的發(fā)生，不僅嚴重破壞土地資源及地形地貌，還造成大量村莊搬遷，民房、交通、供水、供電、水利等基礎(chǔ)設(shè)施被損毀，（圖2～圖5）。礦區(qū)周邊居民人身、財產(chǎn)安全受到威脅，生活環(huán)境質(zhì)量下降等影響，經(jīng)濟損失巨大。

礦山均為地下開采，采用全面陷落法管理頂板，開采相對集中、規(guī)模較大、時間跨度長，且為多層重復(fù)開采，形成大體積的采空區(qū)。礦山地下開采不僅直接破壞碎屑巖類（含煤巖系）含水巖組，并在其上部形成冒落帶、碎裂帶和彎曲下沉帶，使上覆松散巖類含水層結(jié)構(gòu)也遭到一定程度的破壞，改變地下水賦存條件，導(dǎo)致含水層之間的串通，引起地下水水質(zhì)變化。

2.2 生態(tài)地質(zhì)問題現(xiàn)狀

在采礦過程當(dāng)中產(chǎn)生大量采空區(qū)，導(dǎo)致頂部巖層失去支撐，在自重作用下發(fā)生彎曲、張裂、冒落，并在地表形成塌陷坑或塌陷洼地，進而形成積水區(qū)。嚴重破壞各種建筑設(shè)施和土地資源[11-14]。

（1）煤炭資源地下開采造成采空區(qū)地面塌陷（采空塌陷）、毀損、占用土地資源尤其是耕地資源，毀損植被資源，毀損地形地貌景觀，破壞土壤及微生物環(huán)境，存在耕地退化現(xiàn)象，破壞耕地生態(tài)系統(tǒng)，嚴重影響生態(tài)地質(zhì)環(huán)境。

（2）地下開采直接破壞煤系地層及上覆地層的地下水含水層，礦井大量疏排抽采地下水間接引發(fā)區(qū)域地下水水力坡度變化、地下水流場改變、地下水水質(zhì)變化和淺層地下水資源衰減或枯竭，嚴重影響生態(tài)地質(zhì)環(huán)境。

（3）礦山廢水（礦坑水、選礦水、洗礦水）、化工廢棄物（廢水）的排放，礦山廢棄物（廢土石、煤矸石）、火電和煤化工廢棄物（粉煤灰、化工廢渣、廢料）堆放產(chǎn)生的淋濾液，致使地表水水質(zhì)、地下水水質(zhì)和土壤質(zhì)量發(fā)生變化甚至污染，嚴重影響生態(tài)地質(zhì)環(huán)境。

2.2.1地表水

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，采煤沉陷區(qū)水質(zhì)超標的項目主要有硝酸鹽、汞、高錳酸鉀指數(shù)、氟化物、化學(xué)需氧量（COD）和五日生化需氧量（BOD）。詳見表2。

2.2.2地下水（淺層）

淮北市城市調(diào)查區(qū)內(nèi)淺層孔隙水25件水樣中，Ⅴ類水質(zhì)7件，占28%，Ⅳ類水質(zhì)13件，占52%，Ⅲ類水質(zhì)5件，占20%。Ⅳ-Ⅴ類占水80%，大多數(shù)機（民）井水不能直接作為生活飲用水。

2.2.3土壤

淮北市境內(nèi)東北部是剝蝕殘丘地帶，其余為平原。平原中部有一條東西向的古隋堤，其余為近代黃泛平原，其南為河間低洼平原，地下水位高，能參與土壤的形成過程。采煤沉陷區(qū)范圍內(nèi)土壤共劃分為五個土類，分別是砂姜黑土、潮土、棕壤土、黑色石灰土、紅色石灰土，土壤類型比較復(fù)雜，區(qū)域分布表現(xiàn)較明顯，分布位置詳見圖6。

（1）砂姜黑土

分布于古隋堤以南的河間平原地區(qū)，系由黃土性古河流沉積物所發(fā)育，質(zhì)地中壤粘土，為古老耕地土壤，面積84.97 km²，占土地面積的30.40%。

（2）潮土分布

于古隋堤及其以北的黃泛平原地區(qū)和澮河沿岸，系由近代黃泛沉積物所發(fā)育，具有強蝕性，其中一部分有鹽化、堿化現(xiàn)象。按距泛濫河床的遠近，依次分布為砂質(zhì)、壤質(zhì)、粘質(zhì)土壤。面積192.76 km²，占土地面積的68.96%。

（3）棕壤

棕壤是境內(nèi)唯一的地帶性土壤，分布在石灰?guī)r殘丘外圍緩坡地帶，系由古河階地上黃土性沉積物所發(fā)育。面積0.06 km²，占土地面積的0.01%。

（4）黑色石灰土分布于石灰?guī)r殘丘中、上部，系由石灰?guī)r殘積物所發(fā)育。所處地區(qū)石骨嶙峋，侵蝕嚴重，土層淺薄，系非耕作土壤。面積0.92 km²，占土地面積的0.33%。

（5）紅色石灰土分布于石灰?guī)r殘丘的山麓地帶，系由石灰?guī)r殘積、坡積物發(fā)育。面積0.83 km²，占土地面積的0.30%。

2.2.4土地鹽堿化問題

杜集區(qū)采煤沉降治理區(qū)復(fù)墾后，土地鹽堿化問題嚴重，土壤肥力下降，農(nóng)作物產(chǎn)量下降。

3 采煤沉陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題發(fā)展趨勢分析

3.1 生態(tài)地質(zhì)問題分區(qū)

根據(jù)淮北市采煤礦山分布、沉陷區(qū)集中連片及現(xiàn)狀治理情況，可將工作區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題分區(qū)分為淮北市北部閘河礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)修復(fù)工作評價區(qū)、淮北市南部臨渙礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題調(diào)查區(qū)2個分區(qū)。

（1）淮北市北部閘河礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題區(qū)

該區(qū)內(nèi)生態(tài)地質(zhì)問題主要為采空塌陷損毀土地、植被資源和地形地貌景觀。采煤沉陷區(qū)總面積194.79 km²，現(xiàn)狀大部分地區(qū)已完成生態(tài)修復(fù)工作，修復(fù)面積122.69 km²，修復(fù)工作方法主要為挖深墊淺，深部沉陷區(qū)小范圍的修復(fù)為魚塘，大范圍的修復(fù)為湖泊建設(shè)濕地生態(tài)公園，淺部沉陷區(qū)復(fù)墾為耕地[15-17]。

共涉及35個礦業(yè)權(quán)，其中有關(guān)閉礦山32個，生產(chǎn)礦山3個。生產(chǎn)礦山分別是張莊煤礦、朱莊煤礦和恒源煤礦，其中張莊煤礦、朱莊煤礦資源已枯竭，預(yù)計2025 年之前關(guān)閉。本區(qū)第四系厚度較薄，介于20～150 m，大部分缺失三含、四含含水層。二疊系砂巖裂隙水和石炭系灰?guī)r巖溶裂隙水為礦坑水的主要補給源，新生界淺層孔隙水對礦床充水影響較小。

（2）淮北市南部臨渙礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題區(qū)該區(qū)

內(nèi)生態(tài)地質(zhì)問題主要為采空塌陷損毀土地、毀損植被資源、毀損地形地貌景觀。采煤沉陷區(qū)總面積83.75 km²，現(xiàn)狀僅小部分地區(qū)完成生態(tài)修復(fù)工作，修復(fù)面積15.86 km²，修復(fù)工作方法主要為挖深墊淺，大范圍沉陷區(qū)治理成湖泊，部分湖面布設(shè)光伏發(fā)電，淺部沉陷區(qū)復(fù)墾為耕地[18]。

淮北市南部臨渙礦區(qū)共計12個礦業(yè)權(quán)，海孜煤礦大井于2016年關(guān)閉，西部井正在生產(chǎn)，其余11個礦山正在生產(chǎn)。隨著礦山繼續(xù)開采，影響面積逐步擴大，生態(tài)地質(zhì)問題逐步加劇。本區(qū)第四系厚度較厚，達220～380 m，其三含、四含為本區(qū)煤系地層的間接充水含水層。由于本區(qū)新生界地層包含三個隔水性能較好的隔水層，因此，礦山抽排礦坑水僅影響到與開采煤系地層有水力聯(lián)系的含水層，對淺層地下水資源影響不大。

3.2 生態(tài)地質(zhì)問題發(fā)展趨勢

（1）淮北市北部閘河礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題區(qū)

本區(qū)生產(chǎn)礦山僅張莊煤礦、朱莊煤礦和恒源煤礦，其中張莊煤礦、朱莊煤礦資源已枯竭，預(yù)計2025年之前關(guān)閉。隨著礦山關(guān)閉，采煤沉陷區(qū)范圍逐步穩(wěn)定，目前治理區(qū)面積占采煤沉陷區(qū)面積的62.99%，隨著治理工作逐步推進，因采煤沉陷造成的生態(tài)地質(zhì)問題逐步減輕。

（2）淮北市南部臨渙礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題區(qū)

該地區(qū)受采煤塌陷影響，土壤類型和微地貌變化大，地下水―地表水交互作用強，生態(tài)地質(zhì)條件變化大，且礦山正在生產(chǎn)，采煤沉陷區(qū)范圍逐步擴大，生態(tài)地質(zhì)問題逐步加劇。

4 調(diào)查方法和綜合評價

4.1 調(diào)查方法

以往工作的研究分別從基礎(chǔ)地質(zhì)、水工環(huán)地質(zhì)、遙感地質(zhì)、生態(tài)地質(zhì)問題及生態(tài)修復(fù)等方面進行研究，多數(shù)是研究淮北礦區(qū)采礦活動引發(fā)的土地損毀，植被破壞，地形地貌的損毀，水、土污染等問題。為本次工作開采奠定了扎實的基礎(chǔ)，但這些研究不夠全面，且不夠深入，也未從生態(tài)地質(zhì)角度對淮北市采煤塌陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)問題類型、分布及發(fā)展趨勢進行全面研究；未全面系統(tǒng)性地對采煤塌陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)進行綜合評價，亦未開展生態(tài)脆弱地質(zhì)性評價[19-21]。

本次針對采煤塌陷區(qū)所造成的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題進行系統(tǒng)的調(diào)查研究，首先通過多期多幅遙感影像對比分析，了解采煤沉陷區(qū)形成及發(fā)展過程；其次通過地面調(diào)查，對不同地形地貌（河漫灘―泛濫高低―扇形洼地―河間洼地―河間平地）、不同植被類型（水生植被―草本沼澤―農(nóng)業(yè)植被），不同成土母質(zhì)（近代黃泛沉積物、黃土性古河流沉積物）、不同土壤類型區(qū)（砂姜黑土―潮土）、不同地下水埋深區(qū)及地下水―地表水交互作用強，生態(tài)地質(zhì)條件變化大的區(qū)域詳細調(diào)查，分析生態(tài)地質(zhì)問題現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；然后進行水文地質(zhì)試驗―滲水試驗，為獲取包氣帶滲透系數(shù)，分析地表入滲能力，從而明確污染源污染半徑；最后通過采樣測試分析，分別采取土壤、成土母質(zhì)、地下水、地表水、底泥樣、植物樣、生物樣，通過各種樣品所含元素對比分析，了解元素的交換和循環(huán)過程。結(jié)合上述調(diào)查成果可以為提高生態(tài)系統(tǒng)與地質(zhì)環(huán)境相互作用認知程度，提出國土空間利用與生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)的合理化建議提供可靠依據(jù)。

4.2 綜合評價

4.2.1采煤沉陷區(qū)積水溯源評價

淮北市采煤沉陷區(qū)積水區(qū)水源主要來源于大氣降水、淺層地下水匯集和礦坑排水三個方面，根據(jù)水土測試分析結(jié)果，對采煤沉陷區(qū)水源進行溯源分析，以確定其污染來源及防治措施，為生態(tài)保護修復(fù)建設(shè)提供依據(jù)。

4.2.2北部閘河礦區(qū)治理效果評價

北部閘河礦區(qū)屬于資源枯竭型區(qū)域，僅張莊煤礦、朱莊煤礦和恒源煤礦為生產(chǎn)礦山，張莊煤礦和朱莊煤礦預(yù)計2025年關(guān)閉，其余礦山均已關(guān)閉，大部分區(qū)域已治理，分別對已治理區(qū)和未治理區(qū)土壤取樣，并通過測試數(shù)據(jù)、生物取樣測試數(shù)據(jù)、植被測試數(shù)據(jù)、水測試數(shù)據(jù)結(jié)果及遙感解譯數(shù)據(jù)進行對比分析，對已治理區(qū)治理效果進行評價。對采煤沉陷區(qū)國土空間利用和后期生態(tài)保護修復(fù)提出建議。

4.2.3南部臨渙礦區(qū)生態(tài)問題發(fā)展評價

南部臨渙礦區(qū)各礦山均處于生產(chǎn)狀態(tài)，煤炭資源豐富，后續(xù)開采時間長，已治理區(qū)域范圍小，采煤沉陷區(qū)范圍逐步擴大，生態(tài)問題區(qū)域逐步增加，基于本區(qū)水土測試結(jié)果及遙感解譯成果，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析，預(yù)測生態(tài)地質(zhì)問題發(fā)展趨勢，對國土空間利用和后期生態(tài)保護修復(fù)提出建議。

5 結(jié)論

基于土地利用植被覆蓋類型的多期遙感解譯結(jié)果，分析沉陷生態(tài)地質(zhì)問題演化規(guī)律，構(gòu)建淮北市采煤沉陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價體系。以定性方法為主，開展區(qū)域生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價，指出每個分區(qū)生態(tài)地質(zhì)特征、存在主要問題并為區(qū)域國土空間利用與生態(tài)保護修復(fù)建議提供基數(shù)依據(jù)。

（1）通過采煤沉陷區(qū)積水溯源分析，明確積水來源，對有污染的源頭水進行處理后排放。

（2）通過對北部閘河礦區(qū)治理效果評價，明確采煤沉陷區(qū)的形成過程，對已治理區(qū)內(nèi)治理方法、效果、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)情況進行評價，從而為后期采煤沉陷區(qū)治理及全區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供經(jīng)驗及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）通過對南部臨渙礦區(qū)生態(tài)問題開展評價，預(yù)測采煤沉陷區(qū)發(fā)展情況，對國土空間規(guī)劃的影響程度，從而減輕采煤礦山引起的生態(tài)地質(zhì)問題。