淮北礦區(qū)蘆嶺井田污損土地防治對策研究

王 玫,楊建強

(陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

1 引言

土地作為人類賴以生存的自然資源，得到國家的高度重視。提出了加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度，完成生態(tài)保護紅線，開展國土綠化行動，嚴格保護耕地。這些政策的頒布與實施，不僅表明我國政府對土地問題十分重視，同時也為礦區(qū)的土地持續(xù)利用提供了最為有力的保障[1,2]。

我國是一個煤炭大國，更是一個煤炭開采大國，煤炭資源的開發(fā)和利用難免要占用和破壞土地，例如，廢棄的煤矸石壓占土地；采煤造成井田范圍內(nèi)，甚至整個礦區(qū)地下水位下降，土地沙漠化等等。為使有效開發(fā)蘆嶺井田煤炭資源，且能保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，蘆嶺井田污損土地治理工作就顯得尤為重要。

2 研究區(qū)土地污損現(xiàn)狀

兩淮地區(qū)很多井田范圍內(nèi)損毀和壓占的土地，基本上都是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的耕地，導(dǎo)致農(nóng)民可利用耕地日益減少。根據(jù)調(diào)查，淮北礦區(qū)蘆嶺井田范圍內(nèi)，部分農(nóng)民人均耕地面積不到1畝，有些則完全失去了土地，農(nóng)民無地可種，生活受到了嚴重影響。

開采前礦區(qū)周圍多為耕地良好、生產(chǎn)力高的耕地，而今蘆嶺井田土地沉陷面積不斷增加，地下水系破壞，煤矸石和粉煤灰堆積，占壓大量耕地，人地矛盾日益突出[3,4]。由于煤層開采后，巖體的連續(xù)性受到破壞，造成巖石的冒落、斷裂和下沉，致使地表出現(xiàn)不同程度的沉陷和地裂縫[5]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，地面沉降的平均深度已經(jīng)達到了7 m左右，且很多地區(qū)仍在繼續(xù)沉降，部分居民房屋被淹沒，嚴重影響居民生命財產(chǎn)安全(圖1)。

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)拉煤車行駛過程中不遮蓋篷布，再加之道路早已凹凸不平，導(dǎo)致拉煤車一路拋灑煤渣，掉下的煤渣經(jīng)過飛奔的拉煤車扎過，煤灰飛揚，致使周邊的土地受到嚴重污染。下雨天，空氣中漂浮的煤灰塵沉落到周圍土地上，路面積水帶著煤泥流入周圍耕地，這些都使井田范圍內(nèi)的土地受到嚴重污損。

蘆嶺井田煤炭開采導(dǎo)致土地污損現(xiàn)象引發(fā)的經(jīng)濟損失和生態(tài)破壞給我們敲響了警鐘，因此進行蘆嶺井田污損土地防止措施研究具有重要意義。

圖1 蘆嶺井田土地污損現(xiàn)狀

2.1 研究區(qū)土地污損原因

一般情況下井田范圍內(nèi)地表沉陷是由煤炭開采和煤層自燃導(dǎo)致的[6]。煤炭開采是蘆嶺井田地表沉陷的主要原因。煤炭開采造成地面塌陷的機理主要有3種：①采空區(qū)安全頂板厚度不夠；②地下采空引起地下水位下降使上覆土體失去頂托發(fā)生下沉；③煤層開采使上部巖層失去支撐，引起地表的移動、變形和塌陷[7]。一般前兩種塌陷范圍和規(guī)模都比較小，影響區(qū)域也比較小，容易形成陷落坑。

淮北礦區(qū)蘆嶺井田地表大多為平原，由于煤層數(shù)量眾多，可采煤層厚度較大，其中8#煤層為特厚煤層，全區(qū)可采；9#和10#煤層為中厚煤層，局部可采[8]。

蘆嶺井田是華東、中南、華北等煤礦區(qū)的典型代表，特點是中厚煤層、多組煤層群開采[8～12]，主采煤層8#、9#和10#煤層頂?shù)装鍘r性主要以泥巖和粉砂巖為主。蘆嶺井田煤層的厚度類型和頂?shù)装鍘r性導(dǎo)致煤層開采后巖體的連續(xù)性遭受極大的破壞，所以蘆嶺井田地面沉陷原因主要是上述地面塌陷機理的第三種，一般突發(fā)性不強，多具漸變性。

蘆嶺井田地處華東平原區(qū)，地下水位淺，采煤塌陷使得地下水露出地表，形成積水塌陷區(qū)。綜上所述，蘆嶺井田土地污損主要有以下3個原因：①煤層開采后巖體的連續(xù)性遭受極大的破壞，巖體自上而下產(chǎn)生變形，引起地表的移動、變形和塌陷；②煤炭開采造成煤灰塵和煤泥流入耕地，使井田范圍內(nèi)的土地收到嚴重污損；③蘆嶺井田地下水位淺，采煤塌陷下沉后使得地下水露出地表，形成積水塌陷區(qū)。

2.2 研究區(qū)土地污損特點

根據(jù)研究區(qū)土地污損的實際情況，將土地污損分為物理性污損和化學(xué)性污損。物理性污損是指自然的或人為的因素導(dǎo)致土地毀壞而喪失其生產(chǎn)力[13]。蘆嶺井田物理性土地污損的原因和特點上述已經(jīng)論述，這里不再重述?；瘜W(xué)性污損是指自然的或人為的因素產(chǎn)生的污染物進入土壤并積累到一定程度，引起土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，使土地喪失生產(chǎn)力[14]。

蘆嶺井田化學(xué)性土地污損主要為煤炭有害元素污損。蘆嶺井田主采煤層主要為8#、9#和10#煤層，煤在燃燒時，由于煤巖顯微組分的類型、性質(zhì)、含量以及分布特征的不同，所以在燃燒后對土壤產(chǎn)生的污染效應(yīng)也各有差異[15]。

為了測定蘆嶺井田主采煤層8#、9#和10#煤層煤巖顯微組分鏡質(zhì)組(V)、惰質(zhì)組(I)和殼質(zhì)組(E)的含量，在井田范圍內(nèi)，均勻選擇3個采樣位置點，分別編號為LL-1、LL-2和LL-3，將不同位置采取的8#、9#和10#煤樣制作成煤光片置于光學(xué)顯微鏡下觀察，其具體測定結(jié)果見表1～表3。

表1 LL-1位置各煤層顯微組分測定結(jié)果

表2 LL-2位置各煤層顯微組分測定結(jié)果

表3 LL-3位置各煤層顯微組分測定結(jié)果

從測定結(jié)果可知，蘆嶺井田主采煤層以鏡質(zhì)組為主，占51.3%～82.7%，惰質(zhì)組次之，占13.6%～45.2%，殼質(zhì)組占1.9%～11.3%。

為了測定蘆嶺井田主采煤層8#、9#和10#煤層水分(Mad)、灰分(Ad)和揮發(fā)分(Vdaf)的含量，將煤樣按照GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》中的要求制取樣品，然后按照本標準的測定方法和計算公式進行計算，其具體測定計算結(jié)果見表4～表6。

表4 LL-1位置各煤層工業(yè)分析測定結(jié)果

表5 LL-2位置各煤層工業(yè)分析測定結(jié)果

表6 LL-3位置各煤層工業(yè)分析測定結(jié)果

從測定結(jié)果可知，8#煤層水分產(chǎn)率在1.00%～1.25%之間，灰分產(chǎn)率在12.44%～22.47%之間，揮發(fā)分產(chǎn)率在30.81%～33.52%之間；9#煤層水分產(chǎn)率在1.11%～1.42%之間，灰分產(chǎn)率在12.19%～15.91%之間，揮發(fā)分產(chǎn)率在31.48%～33.28%之間；10#煤層水分產(chǎn)率在0.90%～1.14%之間，灰分產(chǎn)率在11.93%～20.38%之間，揮發(fā)分產(chǎn)率在35.6%～39.22%之間。

通過以上測定結(jié)果可知蘆嶺井田主采煤層8#、9#和10#煤層鏡質(zhì)組(V)含量普遍高，鏡質(zhì)組(V)和殼質(zhì)組(E)由于其本身揮發(fā)分(Vdaf)高，揮發(fā)量大，當(dāng)條件允許時，鏡質(zhì)組(V)多能燃盡。而殼質(zhì)組(E)由于其本身始燃溫度低，初始反應(yīng)性高，但其燃盡溫度高，因此蘆嶺井田土地污損煤飛灰炭粒的產(chǎn)生，部分是由于殼質(zhì)組(E)引起的。

通過測定結(jié)果可知蘆嶺井田主采煤層8#、9#和10#煤層灰分產(chǎn)率較高，這也是蘆嶺井田化學(xué)性土地污損的特點之一。在煤燃燒過程中、較多的微量元素及化合物被蒸發(fā)隨煙氣和飛灰?guī)С?，?dāng)溫度下降時，它們便凝結(jié)并富集于隨之帶出來的飛灰顆粒表面上，繼而進入耕地使蘆嶺井田土地受到污損。

通過測定結(jié)果可知蘆嶺井田主采煤層8#、9#和10#煤層惰質(zhì)組(I)含量較高，其在燃燒過程中形成的氣態(tài)量少而多易形成飛灰進入大氣，成為有害元素(如Pb、TI、Sb、Cd、As、Cr、Ni、S等)和有害氣體的載體，許多有害元素的濃度隨飛灰粒徑的減少而增加，故惰質(zhì)組(I)形成的飛灰表面有害元素的濃度較大，這也是蘆嶺井田化學(xué)性土地污損的特點之一。

蘆嶺井田煤炭燃燒后，煤中無機硫和有機硫都幾乎轉(zhuǎn)化為SO2，并隨之排入大氣，大氣中的SO2能在氧化物的催化下與O2作用生成SO3，SO3隨雨水下降形成酸雨，對蘆嶺井田內(nèi)的土壤造成污染，這也是蘆嶺井田化學(xué)性土地污損的又一特點。

3 采煤沉陷對策研究

要確定某個礦區(qū)或者井田污損土地防治對策，首先要弄清該礦區(qū)或者井田各個局部的特點和規(guī)模，以此確定具體地點采取何種防治措施。

3.1 已有防治措施

目前礦區(qū)或者井田污損土地治理采用的方法有兩種：工程治理和土體有機重構(gòu)治理。工程治理法又包括疏排法、就地平整法、挖深墊淺法、填充恢復(fù)法、建筑恢復(fù)治理法和直接利用法等[16]。

3.1.1 疏排法

使污損沉陷地的積水排干，再加以地表整修，使污損土地得以恢復(fù)治理。該方法的優(yōu)點是工程量小、投資少、見效快，但需對配套設(shè)施進行長期有效的管理[17]。該方法適宜于治理區(qū)沉陷污損的土地面積范圍和深度都較小的區(qū)域。

3.1.2 就地平整法

對積水量少而起伏不平的沉陷污損土地，可通過此方法進行治理，整修后的土地標高要高于洪水位標高，以利于耕種和植物的生長[18]。

3.1.3 挖深墊淺法

對沉陷較深、積水無法疏排的污損土地通過挖深墊淺法進行治理[3]。

3.1.4 填充恢復(fù)法

礦區(qū)周圍存在煤矸石和粉煤灰等，可利用這些材料填充采煤污損沉陷地進行恢復(fù)治理。

3.1.5 建筑恢復(fù)治理法

將修復(fù)后的土地用于建筑用地。

3.1.6 直接利用法

對于大面積積水或未穩(wěn)定的污損沉陷土地經(jīng)常采取直接利用法，如養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨、種植淺水藕或耐濕作物等。

土體有機重構(gòu)治理法是一種綜合治理技術(shù)，它是綜合應(yīng)用生物學(xué)、土壤學(xué)、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境學(xué)等一系列相關(guān)專業(yè)，共同作用的一種治理方式，通過化學(xué)、生物等措施降低或消除了受污損土地的污染，重構(gòu)污損土地的質(zhì)量，改良土壤[14]。這種技術(shù)對于還原生態(tài)系統(tǒng)平衡，恢復(fù)土地生產(chǎn)力、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有很好的作用，已成為現(xiàn)在最為提倡的土地治理技術(shù)和研究熱點[19]。

3.2 存在的問題

(1)污損土地治理是一項持續(xù)多年的項目，需要巨大的資金支持，目前存在的問題一是政府缺乏相應(yīng)的資金，二是當(dāng)?shù)卣畬ξ蹞p土地治理的重視程度還不夠，影響了蘆嶺井田污損土地治理工作的落實。

(2)蘆嶺井田污損土地的恢復(fù)治理是一個復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程，需要多種因素長期作用才能取得一定結(jié)果，這既需要資金和先進的技術(shù)手段支撐，更需要科學(xué)的規(guī)劃和當(dāng)?shù)厝藗冇^念的提高。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)蘆嶺井田土地污損塌陷區(qū)沉陷嚴重，對于污損沉陷嚴重區(qū)不適合采用建筑恢復(fù)治理法，且污損塌陷區(qū)大部分沉陷過深過大，積水深，導(dǎo)致蘆嶺井田土地污損治理不適合采用疏排法。

(2)蘆嶺井田部分起伏不平的沉陷地或積水不深的邊坡地帶適宜采用就地平整法治理。

(3)研究區(qū)沉陷較深、積水無法疏排的污損沉陷區(qū)應(yīng)采用挖深墊淺法進行治理。

(4)由于蘆嶺井田采煤過程產(chǎn)生大量的煤矸石和粉煤灰，在污損沉陷嚴重區(qū)域適合采用填充恢復(fù)法。

(5)對于蘆嶺井田大面積積水或未穩(wěn)定的污損沉陷土地應(yīng)采取直接利用法，如養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨、種植淺水藕或耐濕作物等。

4.2 建議

(1)為防止蘆嶺井田透水淹井，威脅礦井安全的污損區(qū)建議先治理，建議采用填充恢復(fù)法和疏排法。

(2)蘆嶺井田在實施污損土地防治措施時還應(yīng)加強燃燒用煤的洗選，改進燃燒方法，發(fā)展煤化工技術(shù)，同時加強環(huán)境管理和環(huán)境監(jiān)測，這樣間接的土地防治措施也是可取的。

(3)建議蘆嶺井田污損土地防治措施應(yīng)與采煤相結(jié)合，在采煤之前應(yīng)編制污損土地治理方案，邊開采邊治理，減少土地破壞與污染。

(4)建議在應(yīng)用填充恢復(fù)法治理時，對于含有有毒、有害物質(zhì)的煤矸石和粉煤灰作隔離處理，防止有毒、有害物質(zhì)外流污損土地。

(5)建議在蘆嶺井田推行土體有機重構(gòu)治理法還原生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)土地生產(chǎn)力。