黃河下游平原煤礦區(qū)采煤塌陷地治理的若干基本問題研究

胡振琪,袁冬竹

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

2019年習(xí)近平總書記發(fā)表關(guān)于黃河流域的重要講話，把“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略[1]。黃河流域是我國(guó)重要的生態(tài)屏障，生態(tài)狀況關(guān)系華北、東北、西北乃至全國(guó)的生態(tài)安全。黃河流域也是能源流域，其煤炭、石油、天然氣資源豐富，具有突出的能源資源規(guī)模優(yōu)勢(shì)[2]，尤其是煤炭資源，我國(guó)14個(gè)重點(diǎn)建設(shè)的大型煤炭基地中有9個(gè)分布在黃河流域[3]。流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和煤炭開采對(duì)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民生發(fā)展至關(guān)重要。

黃河流經(jīng)9個(gè)省區(qū)，全長(zhǎng)5 464 km，上中下游地形地貌、氣候差異極大，資源賦存條件不一，所面臨的生態(tài)環(huán)境問題也不同，流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與煤炭資源開采的協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)結(jié)合流域不同區(qū)段的特點(diǎn)及關(guān)鍵問題，因地制宜地提出不同舉措，實(shí)現(xiàn)黃河流域上中下游的高質(zhì)量發(fā)展。

黃河下游始于河南鄭州桃花峪，流經(jīng)河南、山東兩省，為典型沖積平原，地勢(shì)平坦，土層深厚，土地肥沃。黃河下游是中國(guó)高度集約化農(nóng)區(qū)和重要糧食主產(chǎn)區(qū)[4]，近30 a來對(duì)中國(guó)糧食增產(chǎn)貢獻(xiàn)巨大[5]，為確保國(guó)家糧食安全發(fā)揮了重要作用。黃河下游同時(shí)擁有國(guó)家兩大煤炭基地:河南和魯西基地，煤炭資源豐富和優(yōu)質(zhì)，煤炭基礎(chǔ)儲(chǔ)量161.25億t，占全國(guó)基礎(chǔ)儲(chǔ)量的6.47%，是我國(guó)重要的能源供給基地，對(duì)保障我國(guó)南方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)揮了巨大作用。該區(qū)域廣泛分布著鄭州、焦作、鶴壁、平頂山、永夏、棗騰、兗州、濟(jì)寧、巨野、黃河北等諸多礦區(qū)，煤礦數(shù)量眾多，分布集中，開采歷史較長(zhǎng)，礦井產(chǎn)能大，煤層厚，開采煤層多。因此，該區(qū)域是典型的煤炭和糧食復(fù)合主產(chǎn)區(qū)[6-7]，協(xié)調(diào)煤炭開采與耕地保護(hù)的矛盾十分艱巨。

平原礦區(qū)煤炭開采最主要的生態(tài)環(huán)境問題是地表塌陷積水，導(dǎo)致大量耕地?fù)p失、生態(tài)環(huán)境惡化。盡管我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了30多年的采煤塌陷地治理的研究和實(shí)踐，取得了一定成績(jī)[8]，但由于采煤塌陷地?cái)?shù)量巨大、新塌陷地不斷涌現(xiàn)，治理理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于治理實(shí)踐，大量治理的基礎(chǔ)性難題沒有得到很好的解決，使得采煤塌陷地治理仍是我國(guó)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)關(guān)注的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。

國(guó)外礦產(chǎn)開發(fā)多為露天開采，人地矛盾不及國(guó)內(nèi)尖銳，復(fù)墾技術(shù)相對(duì)成熟。近年來，國(guó)外對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的研究主要集中在礦區(qū)土地污染治理[9-12]、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[13-15]和新技術(shù)在復(fù)墾中的運(yùn)用[16-18]。采礦與復(fù)墾政策方面，國(guó)外也傾向于探索可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略[19-21]。針對(duì)礦區(qū)塌陷地或廢棄地積水的問題，國(guó)外通過建立水文模型研究積水對(duì)土地的破壞機(jī)理[22-24]。

由于平原煤礦區(qū)潛水位高、多煤層開采，塌陷地受到多次擾動(dòng)，因此，塌陷穩(wěn)沉性的判別、治理范圍的確定、塌陷地積水的成因就至關(guān)重要，直接關(guān)系治理工程的投資、恢復(fù)耕地的數(shù)量和治理技術(shù)的選擇。此外，現(xiàn)有的塌陷地治理都是穩(wěn)沉后再治理，導(dǎo)致耕地恢復(fù)率低，是否需要改變這種傳統(tǒng)的“末端治理”理念，也需要從治理戰(zhàn)略角度進(jìn)行研究。因此，筆者圍繞黃河流域下游平原區(qū)煤礦開采造成的采煤塌陷問題，深入研究采煤塌陷地治理范圍、塌陷積水機(jī)理與損毀程度判別和穩(wěn)沉性分析三大基礎(chǔ)性難題，同時(shí)對(duì)平原煤礦區(qū)采煤塌陷地治理戰(zhàn)略也進(jìn)行了探討，以期為黃河流域生態(tài)保護(hù)以及礦區(qū)采煤塌陷地治理提供科學(xué)支撐。

1 治理范圍的確定

任何生態(tài)修復(fù)工程，治理范圍的確定至關(guān)重要，它直接決定治理的任務(wù)和工程投資。因此，采煤塌陷地治理范圍的確定是一個(gè)基礎(chǔ)性的問題，常常被忽視。

治理是針對(duì)損毀而言的。治理范圍取決于損毀邊界的確定?，F(xiàn)實(shí)中常常存在2種方法:① 實(shí)地踏勘與農(nóng)民協(xié)商確定，往往費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，確定的都是損毀在地表顯現(xiàn)明顯的，因而確定的損毀邊界往往較小。② 采用開采沉陷學(xué)[25]中的沉陷邊界作為損毀邊界，即將下沉10 mm的地表移動(dòng)盆地最外邊界點(diǎn)作為治理范圍，往往過大。在目前各地區(qū)的采煤塌陷地治理實(shí)踐中，也常常以此為依據(jù)作為復(fù)墾責(zé)任范圍或者治理范圍。然而下沉10 mm并未對(duì)耕地產(chǎn)生明顯影響，若按此邊界作為征地、補(bǔ)償邊界將極大加重企業(yè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān);而若按此邊界進(jìn)行治理方案規(guī)劃設(shè)計(jì)，將增加治理工程費(fèi)用。因此，采煤塌陷損毀邊界一定是上述2種邊界之間的，實(shí)際上是一個(gè)隱伏的信息，難以精準(zhǔn)確定(圖1)，與下沉情況、土地利用、土壤、植物生長(zhǎng)、潛水位等多種因素相關(guān)，需要深入研究。

圖1 治理范圍示意Fig.1 Sketch map of control coverage

1.1 塌陷損毀邊界的定義

采煤塌陷主要影響建筑物和耕地，對(duì)建筑物的損害范圍是容易確定的，因?yàn)樗袊?yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，即常用臨界變形值：傾斜i=3 mm/m，水平變形ε=2 mm/m，曲率K=0.2 mm/m2來確定[26]。采煤塌陷主要影響的是耕地，因此，常常用耕地?fù)p毀邊界作為治理邊界。

為了準(zhǔn)確合理地圈定耕地?fù)p毀范圍，定義耕地?fù)p毀邊界為:由開采沉陷引起的地表移動(dòng)或變形對(duì)耕地生產(chǎn)力開始產(chǎn)生影響的邊界點(diǎn)所圈定的邊界，即為耕地?fù)p毀邊界。

下沉對(duì)耕地的影響主要為地表從原標(biāo)高向下沉降，降低了地下水埋深，植物根系處的土壤含水量增加，容易導(dǎo)致根系腐爛，影響植物的生長(zhǎng)，同時(shí)，土壤含水量增加還加劇土壤表層的蒸發(fā)，容易造成土壤鹽堿化，直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[27]。特別是地下水埋深較淺的區(qū)域，下沉量很大時(shí)容易產(chǎn)生季節(jié)性積水或常年積水，使耕地?zé)o法耕種或農(nóng)作物減產(chǎn)、絕產(chǎn)。

水平變形對(duì)耕地產(chǎn)生的影響主要為，水平變形使地面產(chǎn)生裂縫，改變了耕地的密實(shí)度，加劇水土流失程度，擾亂了原本相對(duì)穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境，水肥沿裂縫滲漏、流失，引起地面小氣候和水、熱、氣、肥等土壤肥力發(fā)生變化，使得土地的生產(chǎn)力下降，甚至喪失，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，并且較大的裂縫影響了農(nóng)作物的耕種及耕作[28]。

傾斜對(duì)耕地的影響主要原因?yàn)榈乇韮A斜產(chǎn)生的附加坡度使農(nóng)作物灌溉時(shí)的流水方向和速度發(fā)生改變，導(dǎo)致水的滲透性、土壤的含水性及養(yǎng)分發(fā)生改變。當(dāng)傾斜方向與灌溉方向相同時(shí)，水流速度增加，土壤吸水性差，同時(shí)還會(huì)加劇土壤養(yǎng)分的流失，加劇土壤貧瘠，從而使作物減產(chǎn)。反之則灌溉速度減慢，不僅浪費(fèi)水資源，還達(dá)不到灌溉的目的。除此之外，地表傾斜還容易導(dǎo)致水土流失，降低了土壤蓄水保墑能力，使耕地生產(chǎn)力下降，農(nóng)作物減產(chǎn)[29]。

綜上所述，下沉、傾斜、水平變形是耕地?fù)p毀邊界的主要影響因子。對(duì)耕地開始產(chǎn)生影響的數(shù)值稱為耕地?fù)p毀臨界值，對(duì)應(yīng)的3個(gè)臨界值為:耕地?fù)p毀臨界下沉值WP、臨界水平變形值εP和臨界傾斜值iP。

1.2 耕地?fù)p毀范圍獲取方法

開采導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形改變地表土壤結(jié)構(gòu)、含水量等理化性質(zhì)，使得土壤肥力下降，從而影響耕地的生產(chǎn)力。通過當(dāng)?shù)馗丶巴寥垃F(xiàn)狀調(diào)查，分析作物生長(zhǎng)剛開始受影響時(shí)對(duì)應(yīng)的下沉、傾斜和水平變形的數(shù)值，再與該地質(zhì)采礦條件下開采沉陷產(chǎn)生的地表變形最大值進(jìn)行比較，判斷是何種變形最先對(duì)耕地作物生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生影響，再將相應(yīng)的臨界數(shù)值統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為下沉值，便于下一步圈定耕地?fù)p毀范圍?；诖?，提出耕地?fù)p毀邊界獲取方法。

(1)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，收集相關(guān)資料，根據(jù)耕地、土壤以及作物生長(zhǎng)情況，確定耕地?fù)p毀邊界值。

臨界下沉值WP主要取決于地面標(biāo)高、潛水位標(biāo)高及耕地的地下水臨界深度，通?？墒褂檬?1)進(jìn)行估算[13]:

WP=WPF=H0-HqF-hL

(1)

式中，WP為耕地?fù)p毀臨界下沉值，m;WPF為豐水期耕地?fù)p毀臨界下沉值，m;H0為原始地表標(biāo)高，m;HqF為豐水期潛水位標(biāo)高，m;hL為土壤的地下水臨界埋深，m，它與土壤、植物、潛水位等有關(guān)。

臨界水平變形值εP和臨界傾斜值iP可通過實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)法等獲取，在已知當(dāng)?shù)赝馏w的物理性質(zhì)的情況下，εP可通過式(2)計(jì)算[30-31]:

(2)

式中，εP為耕地?fù)p毀臨界水平變形值，mm/m;E為彈性模量，N/cm2;μ為土壤的泊松比;c為土壤的黏聚力，Pa;φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

iP可通過厘清傾斜與附加坡度之間的關(guān)系來估算，下沉后地表坡度=原地表坡度±附加坡度。其中“±”表示產(chǎn)生坡度的方向，“+”表示與原坡度方向相同，“-”表示與原坡度方向相反[29]。附加坡度θ可由經(jīng)驗(yàn)公式求得：

θ=i(x)/18

(3)

式中，i(x)為開采塌陷對(duì)耕地所產(chǎn)生的傾斜量。

由此可得

iP=18θ

(4)

(2)為了耕地?fù)p毀邊界獲取簡(jiǎn)單、便于操作、可應(yīng)用性，將臨界水平變形εP和臨界傾斜值iP轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的下沉值。轉(zhuǎn)換公式可參考式(5),(6):

(5)

(6)

(3)確定耕地?fù)p毀邊界，所對(duì)應(yīng)的下沉值為耕地?fù)p毀邊界下沉值，用Wg表示，Wg取3個(gè)臨界值中最小的值:

Wg=min{WP，WεP，WiP}

(7)

(4)根據(jù)耕地?fù)p毀邊界的下沉值，使用沉陷預(yù)計(jì)法或耕地?fù)p毀邊界角法[32]圈定耕地?fù)p毀范圍，即治理范圍。

2 平原煤礦區(qū)塌陷積水機(jī)理及損毀程度評(píng)價(jià)

黃河下游平原煤礦區(qū)礦井分布集中，煤層較厚，且多為多煤層開采，在地下煤層采出后，在地表形成的地表塌陷范圍廣，塌陷深度深，且極易出現(xiàn)積水，較高的潛水位為塌陷區(qū)積水提供了涵養(yǎng)環(huán)境。塌陷區(qū)積水使耕地土壤長(zhǎng)期處于水淹狀態(tài)，抑制原有農(nóng)作物等非水生植物的生長(zhǎng)，造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。塌陷區(qū)中部積水較深，土地更是無法繼續(xù)利用。因此，塌陷區(qū)積水是黃河下游平原煤礦區(qū)采煤損毀的主要特征和面臨的最大問題，分析礦區(qū)地表塌陷積水的機(jī)理及其一般性規(guī)律，是對(duì)塌陷區(qū)損毀程度評(píng)價(jià)、綜合治理和合理利用水資源的前提條件。

地下煤層被采出后，在地下形成采空區(qū)，采空區(qū)周圍巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力重新分布直到再次達(dá)到平衡。在此力學(xué)變化過程中，上覆巖層發(fā)生移動(dòng)和破壞，當(dāng)巖層移動(dòng)發(fā)展至地表，使得地表發(fā)生移動(dòng)和變形。受采動(dòng)影響的地表從原有標(biāo)高向下沉降，最終在地表形成一個(gè)比采空區(qū)面積更大的塌陷盆地[25]。后續(xù)受水文過程的影響，在塌陷盆地中出現(xiàn)積水，積水主要與地表下沉量、潛水位、氣候、土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地等因素有關(guān)。其中地表下沉與潛水位的關(guān)系是影響積水的關(guān)鍵(圖2)，地表土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)特征和降雨是積水的客觀條件。

圖2 地表與潛水位的關(guān)系Fig.2 Relationship between surface and groundwater table

圖2中H0為地表原標(biāo)高;HQ為潛水位標(biāo)高;h0為原始地下水埋深;Wt為地表某一點(diǎn)的下沉值;hQ為地表某一點(diǎn)的地下水埋深;Wm為地表最大下沉值。設(shè)塌陷后地表任一點(diǎn)的標(biāo)高為Hx，與地表原標(biāo)高的關(guān)系為:Hx=H0-Wt，與地下潛水位的關(guān)系為Hx-HQ=hQ，即可得:H0-Wt=HQ+hQ。由于H0-HQ=h0，可轉(zhuǎn)化為

H0-HQ-Wt=h0-Wt=hQ

(8)

若h0-Wt≥0時(shí)，塌陷后的地表位于地下潛水面以上，地表不會(huì)在地下水的作用下產(chǎn)生積水。但是由于土壤中有許多細(xì)小的孔隙，會(huì)產(chǎn)生毛管現(xiàn)象，水分沿孔隙上升，增大潛水面上方土壤的含水率，影響作物根系生長(zhǎng)。在保證土壤不發(fā)生鹽漬化，不影響作物生長(zhǎng)的情況下，要求潛水位埋深大于地下水臨界埋深[33]，即hQ≥hL。即可得

h0-Wt≥hL

(9)

其中,h0為原始地下水埋深，取決于原始地形和潛水位標(biāo)高；hL為地下水臨界深度，主要受氣候(降水和蒸發(fā))、土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地、地下水礦化度、植被覆蓋情況等自然條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的影響[34]。通常可使用土壤毛管水上升高度來計(jì)算地下水臨界深度[35]:

hL=hr+Δ

(10)

式中，hr為毛管水上升高度,m;Δ為安全超高，即作物根系活動(dòng)層厚度。

若h0-Wt<0時(shí)，則表示塌陷后的地表位于潛水面以下，地下水會(huì)對(duì)地表進(jìn)行補(bǔ)給。

Wt為地表塌陷的表征，是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的。由于地表的下沉是一個(gè)緩慢的動(dòng)態(tài)過程，因此塌陷盆地積水也呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)律。塌陷區(qū)積水過程分析，就是要厘清塌陷后的地表與地下潛水位的動(dòng)態(tài)位置關(guān)系，重點(diǎn)在于分析Wt和h0的關(guān)系。

(1)當(dāng)?shù)孛鎰傞_始出現(xiàn)下沉，下沉值遠(yuǎn)小于原始潛水位埋深，即Wt

圖3 塌陷區(qū)積水過程Fig.3 Water-ponding process in subsidence area

地表產(chǎn)生小幅度的附加坡度，但是地表距離地下潛水位還有一定距離，地面塌陷對(duì)地下水位無影響，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)積水。當(dāng)區(qū)域發(fā)生降雨，塌陷區(qū)的水文過程表現(xiàn)為降雨對(duì)塌陷地表進(jìn)行直接補(bǔ)給，少部分降雨在附加坡度的影響下向塌陷坑中心匯入，坑底開始出現(xiàn)積水。另一方面，塌陷坑內(nèi)積水一定程度上向下滲漏，對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，下滲速度及水量取決于土壤性質(zhì)。若積水在經(jīng)過較短時(shí)間的蒸發(fā)和下滲作用后排泄完畢，地表將不會(huì)出現(xiàn)積水;若積水時(shí)間超過作物的耐淹能力(一般為1～20 d，視作物及其生長(zhǎng)期而定)[36]，作物將受澇減產(chǎn)，這種情況的積水可作為積水損傷的臨界積水標(biāo)高，也可視為季節(jié)性積水。這種積水的主要原因是降雨量大、土壤質(zhì)地較黏、下滲慢。

(2)當(dāng)?shù)孛嫦鲁恋阶畲笙鲁林党^潛水面，即Wt>h0，如圖3(b)所示。

此時(shí)地下水水頭壓力高于塌陷坑底部，淺層地下水在重力作用下，沿著潛水面坡度最大的方向流動(dòng)，地下水由地下徑流開始轉(zhuǎn)為側(cè)向補(bǔ)給，塌陷坑成為地下水的排泄區(qū)，潛水出露地表，地表出現(xiàn)積水。地下水補(bǔ)給量取決于含水層的巖性、厚度、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水性和富水性等[37]。當(dāng)區(qū)域發(fā)生降雨，塌陷坑坡度增大，更容易形成地表徑流，向塌陷坑底部匯入，增加了塌陷區(qū)的水量，將在塌陷區(qū)形成長(zhǎng)時(shí)間積水，即常年積水。

(3)當(dāng)?shù)叵旅簩娱_采完，地面塌陷達(dá)到最終狀態(tài)時(shí)，Wt?h0，如圖3(c)所示。

黃河流域下游平原區(qū)煤層較厚，且存在多煤層開采，在地表形成的塌陷深度較深，往往達(dá)到4～10 m，甚至10 m以上。平原區(qū)潛水位埋深較淺，通常在2～4 m，一些區(qū)域甚至在2 m以下。因此，塌陷坑內(nèi)的積水將達(dá)到數(shù)米以上。此時(shí)，塌陷區(qū)積水的補(bǔ)給為水面降雨、地下水豎向補(bǔ)給、地下水側(cè)向補(bǔ)給和未積水區(qū)產(chǎn)流，塌陷區(qū)積水的排泄為蒸發(fā)和滲漏。

塌陷區(qū)積水水位和地下潛水位的水位差是積水和地下水相互轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)因素[38]。冬季枯水期，地下水位有所下降，塌陷區(qū)積水水位高于地下水位，積水向地下水進(jìn)行補(bǔ)給，積水區(qū)水位相對(duì)下降。夏季降雨較多，進(jìn)入豐水期，淺層地下水水位上漲，地下水對(duì)塌陷區(qū)積水進(jìn)行補(bǔ)給，積水區(qū)水位相對(duì)抬高。積水區(qū)水位的季節(jié)性變化，使得積水區(qū)的水量和積水面積發(fā)生變化，枯水期的積水區(qū)域?yàn)槌Ｄ攴e水區(qū)，豐水期較枯水期多的積水區(qū)域稱為季節(jié)性積水區(qū)，如圖4所示。常年積水區(qū)積水較深，土地完全被水淹沒，無法耕種;季節(jié)性積水區(qū)在豐水期積水較淺，但農(nóng)作物長(zhǎng)期處于水淹的影響下，造成減產(chǎn)或絕產(chǎn)，土壤養(yǎng)分在坡度的影響下隨著地表徑流向塌陷區(qū)底部匯集[39];枯水期不再積水，表層土壤含水率逐漸下降，但土壤質(zhì)地改變，土壤中有機(jī)碳、全氮等含量減小，耕地質(zhì)量下降，即使恢復(fù)耕種，產(chǎn)量也將有所下降。

圖4 與潛水位有關(guān)的季節(jié)性積水區(qū)和常年積水區(qū)Fig.4 Seasonal and permanent water-ponding related to groundwater table

對(duì)損毀土地進(jìn)行損毀程度評(píng)價(jià)是采煤塌陷地治理工作中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[40-41]。根據(jù)前述分析，塌陷區(qū)積水是黃河下游平原煤礦區(qū)耕地?fù)p毀的重要因素，因此，在進(jìn)行區(qū)域性采煤塌陷地治理時(shí)，可將是否積水作為損毀程度評(píng)價(jià)的主要標(biāo)準(zhǔn)。不出現(xiàn)積水的區(qū)域，土地?fù)p毀形式為下沉，下沉值較小，地面破壞較小或者無破壞，為輕度損毀;出現(xiàn)季節(jié)性積水的區(qū)域，下沉值較大，豐水期積水，造成農(nóng)作物減產(chǎn)，或者土地?zé)o法耕種，枯水期耕地可繼續(xù)耕種，但產(chǎn)量有所下降，為中度損毀;出現(xiàn)常年積水的區(qū)域，地面完全被積水淹沒，破壞嚴(yán)重，為重度損毀。

以山東省采煤塌陷地綜合治理專項(xiàng)規(guī)劃為例，在損毀程度評(píng)價(jià)時(shí)，結(jié)合山東省平原區(qū)豐水期和枯水期的淺層地下水等水位線，劃分各行政區(qū)差異化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。德州市和濟(jì)南市的礦區(qū)由于距離黃河較近，周邊地下水水位極高，塌陷0.6 m即出現(xiàn)季節(jié)性性積水，標(biāo)準(zhǔn)與其他地市差別較大，濟(jì)寧市由于礦井分布較多，各區(qū)域潛水位不同，導(dǎo)致地面積水情況不一，因此濟(jì)寧市共劃分了3個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 山東省平原區(qū)采煤塌陷地?fù)p毀程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard for land damage of coal miningsubsidence in plain area of Shandong Province m

3 塌陷穩(wěn)定性分析

地下煤層的采出會(huì)引起地表發(fā)生移動(dòng)變形，最終形成穩(wěn)定的塌陷盆地，這一過程是漸進(jìn)且相對(duì)緩慢的。在進(jìn)行采煤塌陷地治理規(guī)劃時(shí)，治理區(qū)域的穩(wěn)定性決定了治理的時(shí)機(jī)以及技術(shù)的選擇。近年來，全國(guó)多地出臺(tái)的采煤塌陷地治理規(guī)劃中開始劃分穩(wěn)沉塌陷地和未穩(wěn)沉塌陷地分別安排治理任務(wù)。因此，在采煤塌陷地治理前，有必要進(jìn)行科學(xué)的穩(wěn)定性分析。

3.1 采煤塌陷地沉陷穩(wěn)定過程

采煤塌陷地是隨著地下工作面的推進(jìn)過程逐漸形成的。已有眾多文獻(xiàn)分析了地表動(dòng)態(tài)下沉的變化特點(diǎn)和規(guī)律[42-44]，通常將下沉盆地任一點(diǎn)的地表移動(dòng)過程分為3個(gè)階段:開始階段、活躍階段和衰退階段。開始階段從地表下沉值達(dá)到10 mm時(shí)起，到下沉速度小于50 mm/月止;活躍階段為下沉速度大于50 mm/月的一段時(shí)間;衰退階段從活躍期結(jié)束時(shí)開始，到6個(gè)月內(nèi)下沉值不超過30 mm為止。在此基礎(chǔ)上，將采煤塌陷地從形成到逐漸穩(wěn)定的過程劃分為下沉發(fā)展階段、下沉充分階段和下沉衰減階段[45]。

(1)下沉發(fā)展階段。一般情況下，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，地表才開始出現(xiàn)下沉，這個(gè)距離稱為啟動(dòng)距，為平均開采深度的1/4～1/2。其后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，地表塌陷盆地的面積不斷增大，下沉量和下沉速度也逐漸增大。這一階段持續(xù)到工作面的開采達(dá)到充分采動(dòng)。

(2)下沉充分階段。當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到平均采深的1.2～1.4倍時(shí)，達(dá)到充分采動(dòng)，地表塌陷盆地的發(fā)展開始進(jìn)入下沉充分階段。本階段，最大下沉值不再增加，最大下沉速度點(diǎn)的位置滯后于工作面某一固定距離，隨著工作面的推進(jìn)，塌陷盆地沿工作面推進(jìn)方向擴(kuò)大。

(3)下沉衰減階段。當(dāng)工作面停采后，塌陷盆地沿工作面推進(jìn)方向擴(kuò)大速度減慢，最大下沉速度迅速衰減，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由于開采引起的地表移動(dòng)變形是一個(gè)緩慢的過程，分析穩(wěn)定性時(shí)不僅要考慮移動(dòng)過程穩(wěn)定后的終止?fàn)顟B(tài)，還必須考慮地表移動(dòng)變形隨時(shí)間的發(fā)展過程[46]。

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指在充分或接近充分采動(dòng)的情況下，下沉值為最大的地表點(diǎn)從移動(dòng)開始至移動(dòng)穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間。影響地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的因素，主要是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、開采深度和工作面推進(jìn)的速度[47]。在其他條件相同的情況下，開采深度與移動(dòng)持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系比較穩(wěn)定，即深度越大移動(dòng)總時(shí)間越長(zhǎng)。因此地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間(t)可根據(jù)下式計(jì)算:

t=2.5H

(12)

其中，T為地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，d;H為工作面平均采深，m。

另一方面，由于黃河下游平原煤礦區(qū)煤炭分布較為集中，存在多煤層重復(fù)開采，且煤層較厚，部分礦區(qū)采用分層開采，時(shí)間間隔在1 a或數(shù)年不等，前期已經(jīng)形成的塌陷地，還可能受到后續(xù)重復(fù)開采或者周邊工作面或者采區(qū)開采的影響。

如圖5所示，W1為第1階段開采造成的塌陷地，塌陷總面積為S1。若該區(qū)域存在多煤層重復(fù)開采，當(dāng)后續(xù)開采下層煤后，地面塌陷發(fā)展為W2，塌陷總面積為S2，重復(fù)陰影面積為S1-2,如圖5(b)所示。此時(shí)，地面的變化更多的表現(xiàn)為塌陷深度增加，塌陷面積變化不大。則S1區(qū)域均為不穩(wěn)定區(qū)，在本階段可不進(jìn)行治理或考慮未來塌陷量采取合適的措施進(jìn)行超前治理。若該區(qū)域周邊工作面繼續(xù)開采，地面塌陷發(fā)展為W3，塌陷總面積為S3，如圖5(c)所示。此時(shí)，地面的變化表現(xiàn)為塌陷面積擴(kuò)大，塌陷深度變化不大。S1與S3有重疊，面積為S1-3，表示該區(qū)域會(huì)受下一階段開采影響。則S1區(qū)域在本階段的各部分治理分析如下:S1-3為不穩(wěn)定區(qū)，可不進(jìn)行治理或考慮未來塌陷量采取超前治理措施進(jìn)行治理，S1中扣除重疊部分(即S1-S1-3)，為穩(wěn)定區(qū)，可直接進(jìn)行治理。

圖5 地下煤層開采相互影響關(guān)系Fig.5 Interaction of underground coal mining

3.2 采煤塌陷地治理穩(wěn)定性分區(qū)的方法

在采煤塌陷地治理規(guī)劃中，安排各個(gè)階段的治理任務(wù)時(shí)，需要?jiǎng)澐址€(wěn)沉區(qū)和非穩(wěn)沉區(qū)，有針對(duì)性地規(guī)劃各區(qū)的治理目標(biāo)和治理工程。目前，全國(guó)以及各省出臺(tái)的治理規(guī)劃通常要求各個(gè)治理階段內(nèi)穩(wěn)沉塌陷地基本治理完畢，新增塌陷地達(dá)到同步治理。

對(duì)于穩(wěn)沉區(qū)，地表移動(dòng)變形過程已經(jīng)穩(wěn)定，且不再受未來開采的影響，要實(shí)現(xiàn)全面治理，可根據(jù)損毀程度評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)行土地適宜性分析，合理規(guī)劃分區(qū)，直接采取工程措施對(duì)范圍內(nèi)的塌陷地進(jìn)行治理。

對(duì)于非穩(wěn)沉區(qū)，地表移動(dòng)變形過程尚未穩(wěn)定，或已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定但還會(huì)受未來開采影響，要實(shí)現(xiàn)同步治理，可利用邊采邊復(fù)理念及技術(shù)，基于沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，選擇合適的治理時(shí)機(jī)，合理安排治理工程及時(shí)序，使已經(jīng)塌陷的土地恢復(fù)到可供利用狀態(tài)，并降低未來開采對(duì)其造成的影響，以達(dá)到理想的治理效果。

為了在采煤塌陷地治理過程中更為方便地根據(jù)塌陷地穩(wěn)定性安排治理任務(wù)，筆者基于治理階段性，提出一種考慮地表動(dòng)態(tài)變化及未來開采影響的穩(wěn)定性分區(qū)的方法。

(1)通過塌陷現(xiàn)狀分析，確定規(guī)劃基期的塌陷范圍;或者以塌陷現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)分析，確定某一規(guī)劃階段的塌陷范圍，如圖6(a)所示。

圖6 穩(wěn)定性分區(qū)方法Fig.6 Method of stability zoning

規(guī)劃階段的塌陷面積用Si表示，即:截止到i年，已經(jīng)在地面形成的塌陷地面積(或預(yù)測(cè)得出的i年以前開采的工作面導(dǎo)致的塌陷總面積)，其中i為規(guī)劃或者規(guī)劃階段開始的年份。

(2)以工作面或者采區(qū)為單元，通過式(6)估算各單元的地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間t。

(3)根據(jù)礦山開采接續(xù)計(jì)劃，選取各單元中(i-t)年以前開采的工作面進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)，得出的沉陷范圍，即為截止到i年，已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定的塌陷地范圍，面積為Si-t，如圖6(b)所示。

(4)根據(jù)礦山提供的未來開采接續(xù)計(jì)劃，選取i年及以后將要開采的工作面，通過沉陷預(yù)計(jì)，圈定未來開采影響范圍，面積用Si-later表示，如圖6(c)所示。

(5)在該階段的相對(duì)穩(wěn)定范圍Si-t中去除與未來開采影響范圍Si-later重疊部分Sol，得到最終的已穩(wěn)定且不再受未來開采影響的范圍，即該階段的穩(wěn)沉區(qū)Si0，則Si0=Si-t-(Si-t∩Si-later)。該階段非穩(wěn)沉區(qū)的面積S′i=Si-Si0，如圖6(d)所示。

通過上述方法，可明確采煤塌陷地治理規(guī)劃中各階段的穩(wěn)沉區(qū)面積和非穩(wěn)沉區(qū)面積，便于進(jìn)行分區(qū)治理。以《山東省采煤塌陷地綜合治理專項(xiàng)規(guī)劃2019—2030年》為例，規(guī)劃提出中期治理目標(biāo):到2025年，完成100%+30%的治理目標(biāo)，即已穩(wěn)沉塌陷地治理率達(dá)到100%，未穩(wěn)沉塌陷地同步治理率達(dá)到30%。據(jù)測(cè)算，到2025年，山東省采煤塌陷地總面積超過9萬余hm2(包含已治理面積)，穩(wěn)沉面積78 081 hm2，中期治理任務(wù)30 394 hm2，治理已穩(wěn)沉面積3 773 hm2，治理未穩(wěn)沉面積4 245.42 hm2，可基本達(dá)到“100%+30%”的目標(biāo)。

4 黃河下游采煤塌陷區(qū)治理戰(zhàn)略

黃河下游平原區(qū)作為典型的煤糧復(fù)合區(qū)，承擔(dān)著國(guó)家糧食保障和煤炭資源供給的雙重職責(zé)。當(dāng)2者發(fā)生沖突時(shí)，是選擇地上的“糧”還是選擇地下的“煤”，是黃河下游平原煤礦區(qū)亟待解決的重大現(xiàn)實(shí)問題。此外，傳統(tǒng)的采煤塌陷地治理方法是“先塌陷、再治理”，治理需要等待的時(shí)間長(zhǎng)、耕地恢復(fù)率低、生態(tài)環(huán)境惡化，導(dǎo)致“舊賬未還、又欠新賬”。因此，必須要從理念和戰(zhàn)略上探索新途徑。

4.1 采煤與耕地保護(hù)協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略

黃河下游平原區(qū)“煤”和“糧”的關(guān)系，在過去其實(shí)是一種“零和博弈”關(guān)系，要開采煤炭必將造成耕地的損失，要完全保護(hù)耕地就要限制或禁止煤炭的開采。這樣的結(jié)果就是既無法實(shí)現(xiàn)煤糧復(fù)合區(qū)整體的利益最大化，也無法實(shí)現(xiàn)煤炭資源和耕地資源各自的最大效益。因此，需要改變“零和博弈”思維，積極推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙贏機(jī)制”。即:在保證煤炭開采的同時(shí)，盡可能地保護(hù)耕地，在煤炭與糧食之間尋找一個(gè)最優(yōu)的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)采煤與耕地保護(hù)的協(xié)同發(fā)展。

“協(xié)調(diào)”是國(guó)家的五大發(fā)展理念之一。煤炭與糧食協(xié)調(diào)發(fā)展正是踐行“協(xié)調(diào)”發(fā)展理念的重要任務(wù)。協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的首要任務(wù)是正確理解平原煤礦區(qū)的耕地?fù)p失問題。黃河下游平原煤礦區(qū)由于其地質(zhì)采礦特點(diǎn)，已經(jīng)不可避免地對(duì)耕地造成損毀。在明確損毀耕地已經(jīng)不可能100%全面恢復(fù)的情況下，應(yīng)該面對(duì)現(xiàn)實(shí)，積極采取行動(dòng)去處理，尤其是化害為利，將塌陷水域建設(shè)成魚塘或濕地，增加土地利用類型的多樣性和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。首先需要摸清家底，科學(xué)地判斷損毀耕地的真實(shí)數(shù)量以及耕地利用效率，有助于加強(qiáng)對(duì)采煤塌陷地治理的監(jiān)管以及耕地生產(chǎn)潛力的提升。逐步完善耕地報(bào)損核減制度可以真實(shí)客觀地反映采煤塌陷區(qū)耕地?cái)?shù)量、耕地利用情況，及時(shí)變更采煤塌陷區(qū)耕地流轉(zhuǎn)數(shù)量，從根本上緩解地方政府保護(hù)耕地的壓力[48]。在客觀對(duì)待部分耕地?fù)p失的情況下，應(yīng)要求礦山采取積極的、超前動(dòng)態(tài)的修復(fù)治理措施，盡最大可能地恢復(fù)耕地，使恢復(fù)耕地率最大。同時(shí)，針對(duì)已經(jīng)或可能嚴(yán)重?fù)p毀并積水的耕地，在進(jìn)行治理規(guī)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化水陸布局[49]，改善塌陷區(qū)空間結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)水陸兩相生態(tài)系統(tǒng)，在復(fù)墾耕地的同時(shí)，合理構(gòu)造人工濕地，提高區(qū)域生物多樣性，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)平衡。

4.2 邊采邊復(fù)戰(zhàn)略

傳統(tǒng)的采煤塌陷地治理都是“末端治理”的思想，污染損毀狀況持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致土地閑置荒蕪，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。尤其是黃河下游平原煤礦區(qū)，多煤層多次開采導(dǎo)致下沉大、積水深、損毀時(shí)間長(zhǎng)，若塌陷完全穩(wěn)定之后再開始治理，大量土地沉入水中，可恢復(fù)利用的土地不多，使得耕地恢復(fù)率低。因此，要改變現(xiàn)狀，真正實(shí)現(xiàn)“不欠新賬”，需要從理念上進(jìn)行變革，擯棄傳統(tǒng)的末端治理的理念，立足當(dāng)下，將“源頭控制”和“過程治理”作為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的新理念[50]。及早發(fā)現(xiàn)問題隱患，在“病灶”初期就開始“對(duì)癥下藥”，才是一種高效的治理思路。要實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的“源頭和過程控制”，就應(yīng)該在開采前或者開采過程中采取復(fù)墾或修復(fù)措施——即邊開采邊修復(fù)[51]。

邊采邊復(fù)的基本內(nèi)涵是采復(fù)耦合，即基于精準(zhǔn)的采礦損毀預(yù)測(cè)，將采礦與生態(tài)修復(fù)有機(jī)結(jié)合。主要包括過程耦合、時(shí)空耦合和技術(shù)耦合。過程耦合是指采礦工序與修復(fù)工序耦合;時(shí)空耦合是指開采位置、修復(fù)位置的時(shí)空耦合與優(yōu)化;技術(shù)耦合是指開采減損技術(shù)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)的耦合。

采復(fù)耦合包含3個(gè)層次:① 在采礦計(jì)劃不變的情況下，在地表沉陷之前或者過程中尋找一個(gè)時(shí)機(jī)去修復(fù)，即動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾技術(shù);② 基于地面保護(hù)的需求，地下采取相應(yīng)措施，減輕地面損傷或者不損傷;③ 地上地下同步進(jìn)行。動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，在復(fù)墾范圍[52]、復(fù)墾時(shí)機(jī)[32,53-54]和復(fù)墾標(biāo)高[55]等關(guān)鍵問題上已有相關(guān)研究?；诘孛姹Ｗo(hù)的邊采邊復(fù)主要在地下采礦減損和保護(hù)性開采方面進(jìn)行突破。井上下耦合的邊采邊復(fù)技術(shù)仍需進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)井上下開采與治理的同步進(jìn)行，最大限度的合理利用資源并保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

近年來，在生態(tài)文明建設(shè)背景下邊采邊復(fù)理念和技術(shù)逐步得到廣泛認(rèn)可，在山東、安徽、河南等多地推廣應(yīng)用。采用邊采邊復(fù)技術(shù)，基于沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，預(yù)測(cè)未來?yè)p毀情況，提前進(jìn)行治理，減小地面損傷，提前搶救土壤，恢復(fù)更多的土地。

邊采邊復(fù)是采煤塌陷治理的治本之策，應(yīng)當(dāng)將邊采邊復(fù)作為采煤塌陷地治理的戰(zhàn)略，合理有序地安排地下開采與地上修復(fù)治理的工序，有效地保護(hù)耕地，實(shí)現(xiàn)區(qū)域煤炭開采和耕地保護(hù)的總體利益最大化。

5 結(jié) 論

(1)改變以下沉10 mm沉陷邊界作為治理邊界的傳統(tǒng)做法，提出了以塌陷對(duì)建筑物和耕地的損毀邊界作為采煤塌陷地治理范圍。定義了耕地?fù)p毀邊界，提出了獲取耕地?fù)p毀邊界的方法，即以耕地?fù)p毀臨界下沉值WP、臨界水平變形值εP和臨界傾斜值iP中的最小值圈定耕地?fù)p毀范圍，在采煤塌陷地治理工作實(shí)踐中具有現(xiàn)實(shí)意義。

(2)采煤塌陷地積水是平原礦區(qū)生態(tài)損毀的主要特征和優(yōu)選治理技術(shù)的關(guān)鍵，它主要與地表下沉量、潛水位、氣候、土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地等因素有關(guān)，本文以塌陷后的地表與潛水位的關(guān)系為切入點(diǎn)，分析了黃河下游平原煤礦區(qū)采煤塌陷地積水的機(jī)理及動(dòng)態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)地表下沉與潛水位的關(guān)系是影響積水的關(guān)鍵，地表土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)特征和降雨是積水的客觀條件。潛水位隨季節(jié)的變化導(dǎo)致了塌陷區(qū)季節(jié)性積水，以積水情況作為土地?fù)p毀程度評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，可用于黃河下游平原區(qū)區(qū)域性采煤塌陷地治理實(shí)踐。

(3)塌陷穩(wěn)沉性直接關(guān)系治理的時(shí)機(jī)及治理技術(shù)的選擇，是采煤塌陷地治理的基礎(chǔ)性問題之一。首先應(yīng)考慮塌陷滯后時(shí)間t=2.5H，獲取治理階段內(nèi)塌陷穩(wěn)定的區(qū)域，然后再減去未來塌陷影響區(qū)域與該穩(wěn)定區(qū)域重疊的面積。依據(jù)精準(zhǔn)預(yù)計(jì)和考慮階段性塌陷影響，科學(xué)劃分穩(wěn)沉范圍和非穩(wěn)沉范圍，為采取相應(yīng)治理措施提供技術(shù)支撐。

(4)黃河下游平原煤礦區(qū)是典型的煤炭-糧食復(fù)合區(qū)，應(yīng)摒棄“零和博弈”和“先塌陷后治理的末端理念”，踐行國(guó)家“協(xié)調(diào)”發(fā)展理念，采取“采煤與耕地保護(hù)協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略”和“邊采邊復(fù)戰(zhàn)略”，盡可能多地保護(hù)和恢復(fù)耕地資源，保障煤炭開采與生態(tài)環(huán)境的同步發(fā)展。