采煤沉陷區(qū)損害防治對(duì)策與技術(shù)發(fā)展方向

胡炳南，郭文硯

(1.煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源。煤炭開發(fā)為推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、保障國家能源戰(zhàn)略安全提供了有力支撐。但煤炭資源大規(guī)模、高強(qiáng)度開采引發(fā)了嚴(yán)重的采動(dòng)沉陷，威脅礦井生產(chǎn)安全，并對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[1]?！笆濉币詠?，我國加快推進(jìn)綠色礦山建設(shè)，加速礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)和綜合治理?！笆濉逼陂g，我國對(duì)采煤沉陷區(qū)治理工作提速。2016年國家發(fā)改委出臺(tái)采煤沉陷區(qū)綜合治理專項(xiàng)管理辦法(試行)，由中央預(yù)算內(nèi)投資支持治理難度大的重點(diǎn)采煤沉陷區(qū)，并于2017年專門成立了綜合治理部際聯(lián)席會(huì)議制度，目前已進(jìn)行4批重點(diǎn)采煤沉陷縣(區(qū))治理工程，取得了較好效果。2018年習(xí)近平總書記到撫順西露天礦考察，明確提出“開展采煤沉陷區(qū)綜合治理，要本著科學(xué)的態(tài)度和精神，搞好評(píng)估論證，做好整合利用這篇大文章”。國內(nèi)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)采動(dòng)損害防治與采煤沉陷區(qū)治理利用技術(shù)進(jìn)行了大量研究，取得了較豐富的研究成果。許家林等[2]總結(jié)了我國煤礦綠色開采20 a研究及進(jìn)展，提出了包括保水開采、矸石減排、減沉開采與環(huán)境修復(fù)等綠色開采技術(shù)框架；王雙明等[3]研究總結(jié)了西部煤炭減損開采技術(shù)以及未來發(fā)展方向；郭文兵等[4]總結(jié)了我國高強(qiáng)度開采覆巖地表破壞及防控技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展；陳紹杰等[5]通過研究實(shí)現(xiàn)了三層采空區(qū)上方大型工程建設(shè)安全修建與運(yùn)營；李鳳明等[6]總結(jié)了不同區(qū)域、不同類型采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與治理技術(shù)的發(fā)展趨勢；李樹志等[7]展望了我國采煤沉陷區(qū)治理領(lǐng)域的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)；胡海峰等[8]研究了山西黃土丘陵采煤沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞特征與修復(fù)技術(shù)。而筆者多年來在開采沉陷控制、充填(條帶)開采減沉和采煤沉陷區(qū)治理技術(shù)方面也有較豐富的研究基礎(chǔ)[9-10]。

在此，通過綜述煤炭開采的社會(huì)貢獻(xiàn)以及存在的采動(dòng)負(fù)面效應(yīng)，總結(jié)了我國采煤沉陷區(qū)采動(dòng)沉陷損害特征和存量、增量變化情況，提出實(shí)現(xiàn)綠色開采的采動(dòng)沉陷損害防治三原則對(duì)策，并給出采煤沉陷區(qū)防治關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向與治理建議，為采煤沉陷區(qū)綜合治理發(fā)展提供參考。

1 煤炭開采貢獻(xiàn)與衍生問題

1.1 煤炭開采社會(huì)貢獻(xiàn)

我國煤炭產(chǎn)量由新中國成立時(shí)0.32億t，增加到2021年40.7億t，凈增127倍，期間累計(jì)生產(chǎn)965億t煤炭。根據(jù)近10年原煤產(chǎn)量、消費(fèi)量及占比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[11](圖1)，從2012—2021年，原煤產(chǎn)量先降低后增大，2016年最低為34.1億t，而2021年最高已達(dá)40.7億t。原煤占一次能源生產(chǎn)總量占比不斷降低，由76.2%下降到67.6%。煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量比重不斷降低，由68.5%下降到56.0%。且原煤產(chǎn)量與煤炭消費(fèi)量的差值先增大后降低，到2020年以后，原煤產(chǎn)量已超過煤炭消費(fèi)量。隨著“十三五”期間關(guān)閉淘汰落后產(chǎn)能、釋放優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能，再到2019年以來受疫情影響后中國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，原煤產(chǎn)量增加但增速降低。同時(shí)我國生態(tài)文明建設(shè)加快和“雙碳”目標(biāo)的提出，以及煤炭綠色開采、低碳清潔高效利用水平提升和新能源發(fā)展加快，煤炭消費(fèi)增長受到控制。盡管原煤生產(chǎn)和消費(fèi)占能源生產(chǎn)和消費(fèi)的比重逐漸減低，但未來一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍是我國重要的基礎(chǔ)能源。

圖1 2012—2021年原煤產(chǎn)量和煤炭消費(fèi)量及能源占比數(shù)據(jù)變化Fig.1 Data changes of raw coal production and consumption and energy proportion from 2012 to 2021

我國煤炭開采安全、環(huán)保、高產(chǎn)高效、智能化程度不斷提高?！笆濉逼陂g，全國累計(jì)退出煤礦5 500 處、退出落后煤炭產(chǎn)能10億t/a以上，煤炭供給質(zhì)量顯著提高。截至2020年底，全國煤礦數(shù)量減少到4 700處，大型現(xiàn)代化煤礦已成為煤炭生產(chǎn)的主體，年產(chǎn)120萬t以上的大型現(xiàn)代化煤礦1 200處以上，產(chǎn)量占全國的80%左右。煤炭清潔高效利用水平持續(xù)提升，我國85%以上的煤炭消費(fèi)基本實(shí)現(xiàn)清潔高效利用和超低排放。煤礦智能化建設(shè)全面提速，國家發(fā)展改革委等八部門于2020年2月提出《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，2020年11月，國家能源局發(fā)布我國首批71處智能化示范建設(shè)煤礦。我國煤礦安全事故數(shù)和死亡人數(shù)不斷降低，由2005年事故數(shù)約3 000起、死亡人數(shù)5 491人、百萬噸死亡率2.81下降到2021年90起、176人、0.044，煤礦安全水平顯著提升。

1.2 煤炭采動(dòng)衍生問題

煤炭資源作為我國能源安全的基石，但持續(xù)、高強(qiáng)度的開采一方面造成礦井沖擊地壓、突水潰沙、煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故多發(fā)，威脅礦井安全。另一方面開采沉陷對(duì)礦區(qū)土地、生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重破壞。

1)礦井安全開采意識(shí)與災(zāi)害防控技術(shù)不足。我國煤礦安全水平有了顯著提升，但礦井安全防護(hù)意識(shí)不可松懈。以2020年為例，沖擊地壓、瓦斯、水害和火災(zāi)共發(fā)生6起較大事故和3起重大事故，共死亡83人。目前，隨著我國東北、中部、中東部礦區(qū)資源逐步枯竭，開采深度不斷增加，(中)深部礦井高地壓、高地溫、高水壓、高瓦斯等災(zāi)害因素影響加劇，沖擊地壓、瓦斯突出、底板突水、火災(zāi)等多種動(dòng)力災(zāi)害隱患增強(qiáng)，應(yīng)加強(qiáng)深部開采災(zāi)害防治技術(shù)及裝備的研究。而對(duì)于西部礦區(qū)部分富水巖組下厚(特厚)煤層高強(qiáng)度開采[12]，應(yīng)避免突水潰沙災(zāi)害發(fā)生、實(shí)現(xiàn)保水開采和降低水環(huán)境污染，其關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)力度仍需不斷加強(qiáng)。

2)采動(dòng)塌陷區(qū)土地破壞、水土流失和建(構(gòu))筑物損壞嚴(yán)重。煤炭開采造成地表下沉、塌陷坑和地裂縫。可能導(dǎo)致地表水和地下水溝通，造成地下水污染和地表水土嚴(yán)重流失。同時(shí)，地表土地破壞，大量耕地和農(nóng)用地?zé)o法耕種，在中東部平原高潛水位地區(qū)，采動(dòng)造成地表積水，淹沒大量耕地。而采動(dòng)塌陷也導(dǎo)致影響區(qū)內(nèi)房屋、公路、管道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建(構(gòu))筑物損壞嚴(yán)重。筆者在文獻(xiàn)[13]中也對(duì)采煤沉陷區(qū)內(nèi)這幾方面問題進(jìn)行了相關(guān)描述。

3)礦區(qū)矸石山、粉煤灰等固廢占地污染。煤炭資源開采與利用產(chǎn)生煤矸石、粉煤灰等固體廢物，傳統(tǒng)的地面堆放，不僅壓占本已短缺的土地資源，且造成許多安全和環(huán)保問題[14]。我國煤矸石累計(jì)堆放量超過60億t，集中在華北、西北地區(qū)，且以每年約5億～8億t的排放量逐年增加。目前我國煤矸石的綜合利用率不到30%，絕大多數(shù)煤矸石仍以露天堆積方式進(jìn)行處置，大規(guī)模矸石山已接近2 000座。我國每年燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰約為6億t，但我國粉煤灰綜合利用率目前僅為70%，有些地方粉煤灰的利用率不到15%，存在嚴(yán)重的區(qū)域分布不平衡的問題。目前很多地區(qū)的矸石山、儲(chǔ)灰場即將面臨無地可排、無處安放的困局，隨著“雙碳”目標(biāo)對(duì)煤炭行業(yè)綠色高效發(fā)展提出了更高的要求，研究大宗固體廢物綜合利用及高效處置關(guān)鍵技術(shù)與裝備，對(duì)促進(jìn)煤礦區(qū)綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

2 我國采煤沉陷區(qū)治理政策和進(jìn)展

2.1 國家和部委政策鼓勵(lì)

隨著采煤沉陷區(qū)造成的環(huán)境與社會(huì)等問題日益嚴(yán)重，國務(wù)院、相關(guān)部委和地方政務(wù)針對(duì)沉陷區(qū)存在的問題，出臺(tái)了一系列政策措施(相關(guān)主要政策見表1)。政策涉及采煤沉陷區(qū)治理、礦山環(huán)境治理和土地復(fù)墾及資金稅收使用方面?！笆濉薄笆濉逼陂g全國層面的政策出臺(tái)力度明顯加快，政策的指導(dǎo)性、約束性、針對(duì)性和操作性都在不斷加強(qiáng)。

表1 有關(guān)沉陷區(qū)方面國務(wù)院和相關(guān)部委主要政策文件Table 1 Main policy documents of State Council and relevant ministries on subsidence areas

2.2 政府資金支持力度加強(qiáng)

2004年開始，中央對(duì)原國有重點(diǎn)煤礦歷史遺留的采煤沉陷區(qū)治理投資補(bǔ)助比例提高為：西部地區(qū)、東北三省50%，中部地區(qū)(包括河北)40%，東部地區(qū)個(gè)別礦區(qū)20%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[15]，截止2017年，全國累計(jì)投入采煤沉陷區(qū)治理資金超過1 600億元，對(duì)近3 000 km2的沉陷區(qū)進(jìn)行了綜合治理，搬遷安置居民81.3萬戶，復(fù)墾耕地面積超過700 km2。2017—2020年國家發(fā)展改革委辦公廳先后發(fā)布4批(前3次共批復(fù)了49個(gè))市(縣)區(qū)重點(diǎn)采煤沉陷區(qū)綜合治理工程，納入中央預(yù)算內(nèi)投資支持范圍，資助比例為20%～30%，累計(jì)安排中央預(yù)算內(nèi)投資約170億元支持實(shí)施采煤沉陷區(qū)綜合治理工程和獨(dú)立工礦區(qū)改造提升工程。截止2018年，淮南市累計(jì)投入采煤沉陷區(qū)綜合治理資金119.6億元，治理沉陷區(qū)26 km2；爭取各類政策項(xiàng)目11個(gè)，總投資36億元。而2017年以來，淮北濉溪縣、杜集區(qū)先后獲批國家重點(diǎn)采煤沉陷區(qū)綜合治理工程試點(diǎn)，總投資52.5億元，重點(diǎn)實(shí)施32個(gè)治理項(xiàng)目，治理采煤沉陷區(qū)面積35.9 km2，搬遷安置居民2.15萬人。

2.3 綜合治理技術(shù)提升和治理力度加強(qiáng)

我國積極探索采煤沉陷區(qū)治理模式，不斷研發(fā)相適宜的治理技術(shù)，采取因地制宜原則，宜農(nóng)則農(nóng)、宜漁則漁、宜建則建的原則，針對(duì)西部生態(tài)脆弱區(qū)、中東部平原高潛水位地區(qū)等不同地區(qū)、不同類型的沉陷區(qū)特點(diǎn)，已初步形成農(nóng)林復(fù)墾、城鎮(zhèn)建設(shè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和水庫蓄水、生態(tài)建設(shè)和新能源產(chǎn)業(yè)等不同的綜合治理模式[16]。同時(shí)，隨著綠色礦山建設(shè)和源頭止損觀念的加強(qiáng)，煤炭企業(yè)和國內(nèi)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)、特殊環(huán)境下的采動(dòng)塌陷損害防治、邊采邊復(fù)和采后沉陷區(qū)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)治理等關(guān)鍵技術(shù)研究不斷加強(qiáng)。劉輝等[17]研究了高潛水位采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境與生態(tài)重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)；張吉雄等[18]提出了集綠色開采、深地開發(fā)、智能采礦、未來礦業(yè)等主要研究方向的典型代表技術(shù)為一體的生態(tài)環(huán)境低損害開采技術(shù)體系和方法。

“十二五”以來，采煤沉陷區(qū)治理力度不斷加強(qiáng)，部分省市沉陷治理率明顯提升。根據(jù)《山東省采煤塌陷地綜合治理專項(xiàng)規(guī)劃》，截至2018年底，山東省累計(jì)形成采煤塌陷地866 km2，其中陸地塌陷面積為785.8 km2，已累計(jì)治理采煤塌陷地面積437.5 km2，治理率為50.5%。截至2019年底，淮北市采煤沉陷區(qū)面積超過200 km2，其中耕地面積接近50%，建設(shè)用地面積接近35%，積水區(qū)域約40%，已治理土地約130 km2，治理率為65%。

3 我國采煤沉陷區(qū)采動(dòng)損害特征類型與新階段防治重點(diǎn)

3.1 我國采煤沉陷區(qū)存量采動(dòng)損害特征

我國采煤沉陷區(qū)存量巨大。據(jù)2017年研究[15]，我國采煤沉陷區(qū)主要分布在23個(gè)省、151個(gè)縣(市區(qū))，面積超過20 000 km2。采煤沉陷面積以每年超700 km2的速度遞增，而當(dāng)前的綜合治理率僅為30%左右。

煤礦采動(dòng)損害的本質(zhì)是開采后巖層與地表移動(dòng)產(chǎn)生的采動(dòng)影響。而采動(dòng)損害程度與采礦地質(zhì)條件、地表土地類型、生態(tài)環(huán)境等因素相關(guān)[19]。結(jié)合煤炭開采的區(qū)域地質(zhì)特征和已有采煤沉陷區(qū)采動(dòng)損害特征，初步分為以下4種采煤沉陷區(qū)特征類型：

1)東北平原資源枯竭礦區(qū)采煤沉陷區(qū)。東北(黑吉遼)礦區(qū)多位于平原地區(qū)，土地以耕地為主，礦區(qū)位置離城區(qū)較近。由于開發(fā)時(shí)間早、強(qiáng)度大，目前多數(shù)礦區(qū)處于衰老階段，關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量大。采動(dòng)地表沉陷以下沉盆地和地裂縫為主，耕地破壞嚴(yán)重，村莊房屋建筑損壞嚴(yán)重，地面矸石山堆積，地下水下降，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。采煤沉陷區(qū)穩(wěn)沉的比重大，沉陷區(qū)存量大、增量較少，沉陷區(qū)治理以土地農(nóng)林復(fù)墾和城區(qū)功能開發(fā)為主，以保證礦區(qū)持續(xù)發(fā)展和生存的需要。

2)西部生態(tài)脆弱采煤沉陷區(qū)。西部(晉陜蒙寧新)多為干旱半干旱黃土溝壑區(qū)和風(fēng)積沙地區(qū)，以沙地、草地為主，水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱。同時(shí)西部煤炭資源賦存條件好，煤層厚度大、范圍廣，埋深淺、基巖薄。但淺部資源的高強(qiáng)度開采，導(dǎo)致巖層移動(dòng)劇烈，地表易形成臺(tái)階裂縫和塌陷坑。地下水破壞和地表水土流失嚴(yán)重，矸石大量堆積，對(duì)地表生態(tài)環(huán)境破壞劇烈。隨著煤炭開發(fā)進(jìn)一步向西部轉(zhuǎn)移，西部采煤沉陷區(qū)增量較大，應(yīng)在煤炭開采的過程中加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，尤其是保護(hù)水資源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益相統(tǒng)一。

3)中東部平原高潛水位采煤沉陷區(qū)。中東部(河北、河南、山東、安徽、江蘇)礦區(qū)多位于平原地區(qū)，土地以耕地為主，地表潛水位較高，礦區(qū)位置離城區(qū)較近。中東部多數(shù)礦區(qū)也處于衰老階段，關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量增多。礦區(qū)開采深度不斷增大，深部礦井?dāng)?shù)量增多，礦井沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大。煤層采深采厚比大，采動(dòng)地表沉陷以下沉盆地和地裂縫為主，村莊房屋建筑損壞嚴(yán)重。受深部和多煤層重復(fù)采動(dòng)影響，地表移動(dòng)變形穩(wěn)定時(shí)間較長，由于潛水位高，沉陷區(qū)內(nèi)積水范圍大，造成耕地、房屋淹沒，農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。當(dāng)前，中東部煤炭開采量逐步減少，采煤沉陷區(qū)存量較大、增量較小，沉陷區(qū)治理以土地和建筑復(fù)墾、濕地開發(fā)和生態(tài)修復(fù)為主，以保證礦區(qū)持續(xù)發(fā)展的需要。

4)西南山區(qū)、丘陵巖溶采煤沉陷區(qū)。西南(云南、貴州、四川)礦區(qū)多位于山地、丘陵地區(qū)，土地以林地為主。煤礦賦存條件復(fù)雜，產(chǎn)量較低。煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)劇烈，山區(qū)地表易發(fā)生滑坡、泥石流等災(zāi)害，部分礦區(qū)覆巖巖溶發(fā)育，采動(dòng)地表易發(fā)生塌陷坑、地裂縫，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。當(dāng)前，西南煤炭開采量不斷減少，采煤沉陷區(qū)存量、增量較小，沉陷區(qū)治理以采動(dòng)沉陷控制和生態(tài)修復(fù)為主，保證礦區(qū)安全環(huán)保開采。

3.2 我國新階段采煤沉陷區(qū)增量分布

中東部資源日漸枯竭，煤炭開發(fā)加速向西部轉(zhuǎn)移。新階段原煤產(chǎn)量集中在華北和西北兩地區(qū)(圖2)，兩地區(qū)產(chǎn)量每年都在增加，其余地區(qū)產(chǎn)量卻不斷減小。2016—2021年原煤產(chǎn)量總和排名前10的省份(前10省份原煤產(chǎn)量總和占到總產(chǎn)量的88%以上，2021年最高可達(dá)94.1%)每年原煤產(chǎn)量變化如圖3所示。排名前4的山西、內(nèi)蒙古、陜西和新疆原煤產(chǎn)量幾乎每年都在增加，這4個(gè)省份年原煤產(chǎn)量總和占到年總量的68.1%～79.9%，占比逐年增加。其余6省份除了寧夏略有增長，原煤產(chǎn)量都在不斷減少。預(yù)期“十四五”期間，我國新階段采煤沉陷區(qū)增量將主要分布在華北和西北地區(qū)，華北地區(qū)增量以山西和內(nèi)蒙古為主，西北地區(qū)增量以陜西、新疆和寧夏為主。

圖2 2016—2021年原煤產(chǎn)量分地區(qū)變化曲線Fig.2 Variation curves of raw coal production by region from 2016 to 2021

圖3 2016—2021年原煤產(chǎn)量排名前10省份產(chǎn)量變化Fig.3 Change of top 10 provinces in raw coal production from 2016 to 2021

3.3 新階段采煤沉陷區(qū)防治重點(diǎn)

當(dāng)前，我國采煤沉陷區(qū)存量巨大，原煤產(chǎn)量高，采煤塌陷面積增長趨勢大。新階段生態(tài)文明建設(shè)和“雙碳”目標(biāo)要求下，首先應(yīng)改變先開采后治理的思維，存量治理和增量控制相結(jié)合，科學(xué)治理存量，基于綠色開采理念進(jìn)行增量控制。

1)存量科學(xué)治理。它是東北與中東部地區(qū)治理的重點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的采煤沉陷區(qū)特征，研發(fā)適宜的治理模式。東北與中東部地區(qū)經(jīng)過多年高強(qiáng)度開采，資源逐步枯竭，已形成大量采煤沉陷區(qū)，其面積約占全國存量的70%。兩地區(qū)采煤沉陷區(qū)存量治理應(yīng)加強(qiáng)采煤沉陷區(qū)土地利用(土地復(fù)墾、城市空間開發(fā)與建筑利用)、生態(tài)修復(fù)和積水區(qū)景觀再造關(guān)鍵技術(shù)研究；由于兩地區(qū)采煤沉陷區(qū)增量逐步降低，對(duì)于增量治理應(yīng)提前做好采動(dòng)沉陷控制與生態(tài)治理一體化規(guī)劃，邊采邊復(fù)。

2)增量預(yù)防控制。新階段采煤沉陷區(qū)增量將主要集中在山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆和寧夏等西部生態(tài)脆弱地區(qū)，因此源頭控制和增量治理是西部地區(qū)采煤沉陷區(qū)治理的重要舉措。西部礦區(qū)煤炭產(chǎn)量巨大，開采強(qiáng)度大，采動(dòng)損害更劇烈，對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞力更強(qiáng)。由于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境更脆弱，煤炭開發(fā)應(yīng)倡導(dǎo)源頭減損及全生命周期綠色開采理念，加大對(duì)西部采煤沉陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，加強(qiáng)采煤沉陷區(qū)沉陷控制與動(dòng)態(tài)預(yù)治理技術(shù)研究。

4 基于全周期采動(dòng)沉陷防治三原則對(duì)策

煤礦垮落開采后，地面采動(dòng)影響不可避免。如何做好采煤沉陷區(qū)存量綜合治理利用和增量控制是我國煤礦區(qū)亟待解決的技術(shù)難題。為改變采動(dòng)沉陷事后被動(dòng)治理局面，進(jìn)一步減少礦區(qū)采動(dòng)沉陷損害、推動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，提出實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的采動(dòng)沉陷損害防治采前優(yōu)化設(shè)計(jì)、采中損害控制和采后科學(xué)治理三原則對(duì)策，強(qiáng)調(diào)開采沉陷控制關(guān)口前移，從源頭控制抓起，最大程度減少采動(dòng)沉陷帶來的安全隱患和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

4.1 采前優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

對(duì)于礦井“規(guī)劃設(shè)計(jì)-建設(shè)生產(chǎn)-閉坑治理”的全生命周期，在礦井規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行綠色開采規(guī)劃。首先提出底線思維、保護(hù)優(yōu)先、禁止開采原則。例如，特級(jí)保護(hù)體煤柱禁止開采原則。為了切實(shí)保護(hù)重大安全和核心生態(tài)的重要保護(hù)體，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[20]設(shè)置特級(jí)保護(hù)等級(jí)，對(duì)于特級(jí)保護(hù)體煤柱采用邊界角留設(shè)和寬50 m圍護(hù)帶留設(shè)。然后，結(jié)合該區(qū)域采動(dòng)損害特征，在采前進(jìn)行采動(dòng)損害程度和沉陷減損效果預(yù)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果確定合理開采和沉陷減損方案，統(tǒng)籌規(guī)劃后期環(huán)境治理與土地利用方案。

4.2 采中損害控制原則

堅(jiān)持采動(dòng)沉陷減損和地面保護(hù)相協(xié)調(diào)原則，通常為實(shí)現(xiàn)以下控制作用：①控制煤礦地表采動(dòng)沉陷，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境；②控制導(dǎo)水裂縫帶高度，保護(hù)上覆含水層，實(shí)現(xiàn)保水開采；③建筑物、鐵路等保護(hù)體下壓煤開采，相對(duì)提高煤炭資源采出率；④處理煤礦區(qū)矸石、粉煤灰等固廢，減少礦區(qū)環(huán)境污染；⑤解決煤礦煤與瓦斯突出、防滅火、沖擊地壓等安全問題。

煤礦綠色開采，開采過程中巖層控制是關(guān)鍵。在一般保護(hù)體和生態(tài)脆弱區(qū)域，應(yīng)大力推行礦區(qū)減沉技術(shù)保護(hù)性開采，實(shí)現(xiàn)開采損害源頭控制，減少受護(hù)體損害和土地資源破壞。常用的減沉方法有充填開采、采空區(qū)或離層帶注漿開采、條帶開采和協(xié)調(diào)開采等。沉陷區(qū)動(dòng)態(tài)預(yù)治理與邊采邊復(fù)技術(shù)的研究不斷加強(qiáng)。胡振琪等[21]闡述了煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境“邊采邊復(fù)”理念，介紹了露天礦、采煤沉陷地、煤矸石3種主要損毀對(duì)象邊采邊復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。

4.3 采后科學(xué)治理原則

采煤沉陷區(qū)是一種損傷，但更是一種資源，是可治理和利用的。采煤沉陷區(qū)綜合治理利用，可采用邊采邊修復(fù)，統(tǒng)籌減沉技術(shù)、地面沉陷控制技術(shù)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)相輔相成，實(shí)現(xiàn)煤炭資源開采、環(huán)境保護(hù)和土地利用效益最大化。

基于城鎮(zhèn)空間開發(fā)規(guī)劃，根據(jù)采煤沉陷區(qū)積水狀況和與城區(qū)相對(duì)位置進(jìn)行規(guī)劃，因地制宜進(jìn)行綜合治理利用(圖4)。根據(jù)采煤沉陷區(qū)積水與否及采煤沉陷區(qū)位置可劃分為遠(yuǎn)郊干旱地區(qū)、遠(yuǎn)郊部分積水區(qū)、鄰近城市干旱地區(qū)和鄰近城市部分積水區(qū)。因地制宜，發(fā)展農(nóng)、漁、建、生態(tài)和光電能源等新興產(chǎn)業(yè)。

圖4 采煤沉陷區(qū)分類、治理技術(shù)及利用對(duì)策Fig.4 Classification,treatment technology and utilization countermeasures of coal mining subsidence area

1)鄰近城市干旱地區(qū)：進(jìn)行采煤沉陷區(qū)城市功能開發(fā)，采用精準(zhǔn)勘察、穩(wěn)定性評(píng)估、地下注漿充填加固處理、抗變形建設(shè)技術(shù)等，解決礦業(yè)城市建設(shè)用地瓶頸制約問題。如山東任城區(qū)實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首個(gè)條帶式開采沉陷區(qū)地下地上一體化治理再利用，開發(fā)建筑面積467萬m2，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約300億元。胡炳南等[22]總結(jié)了我國采煤沉陷區(qū)建筑利用關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向。

2)鄰近城市部分積水區(qū)：進(jìn)行規(guī)模性城市濕地功能開發(fā)，通過生態(tài)復(fù)墾規(guī)劃、微地貌景觀整治等技術(shù)，恢復(fù)為生態(tài)公園、旅游觀光點(diǎn)，帶動(dòng)采煤沉陷區(qū)周邊土地增值開發(fā)利用。如徐州賈汪區(qū)潘安湖濕地公園、開灤城市中央生態(tài)公園。

3)遠(yuǎn)郊干旱地區(qū)：通過土地整理技術(shù)，因地制宜恢復(fù)為農(nóng)田、旱地，進(jìn)行農(nóng)業(yè)、林地、經(jīng)濟(jì)作物種植，建設(shè)新能源風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、農(nóng)光互補(bǔ)等。2021年11月30日，國家發(fā)展改革委等5部門出臺(tái)《“十四五”支持老工業(yè)城市和資源型城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)示范區(qū)高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》，推進(jìn)光伏發(fā)電多元布局，支持采煤沉陷區(qū)、露天礦排土場、關(guān)停礦區(qū)建設(shè)風(fēng)電光伏發(fā)電基地。

4)遠(yuǎn)郊部分積水區(qū)：通過挖深墊淺技術(shù)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)，恢復(fù)為農(nóng)田、旱地和水域，進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖、水庫蓄水，發(fā)展新能源水上光伏發(fā)電，形成特色設(shè)施農(nóng)業(yè)、林業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)等規(guī)?；a(chǎn)業(yè)，建設(shè)“山水林田湖草生命共同體”，帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

5 采煤沉陷區(qū)防治技術(shù)發(fā)展方向

采煤沉陷區(qū)治理可分為存量科學(xué)治理和增量預(yù)防控制。對(duì)于存量治理，按3.1節(jié)中4種采煤沉陷區(qū)類型，對(duì)應(yīng)提出東北、西部、中東部和西南采煤沉陷區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于采煤沉陷區(qū)建筑復(fù)墾的區(qū)域性和重要性，又提出采煤沉陷區(qū)建筑復(fù)墾治理關(guān)鍵技術(shù)。而對(duì)于增量預(yù)防控制，增量以西部礦區(qū)為主，基于全周期綠色開采理念，從“采前優(yōu)化設(shè)計(jì)-采中開采沉陷防控與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警-采后閉坑治理利用”全周期各個(gè)階段統(tǒng)籌規(guī)劃，應(yīng)將采煤沉陷區(qū)治理關(guān)口應(yīng)提前，加強(qiáng)源頭減損與過程控制，重點(diǎn)提出采煤沉陷區(qū)增量控制關(guān)鍵技術(shù)，著重體現(xiàn)開采損害與災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)和采動(dòng)區(qū)監(jiān)測與預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)。6方面治理關(guān)鍵技術(shù)研究重點(diǎn)如下：

1)東北采煤沉陷區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)。①寒冷采煤塌陷地土壤重構(gòu)和快速培肥技術(shù)；②穩(wěn)沉塌陷地農(nóng)林復(fù)墾技術(shù)；③資源枯竭城市塌陷地生態(tài)修復(fù)模式與示范。

2)西部采煤沉陷區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)。①脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境退化機(jī)制研究；②水環(huán)境采動(dòng)破壞控制與保水開采技術(shù)；③生態(tài)脆弱塌陷區(qū)復(fù)墾土壤、植被重構(gòu)與改良技術(shù)；④礦山生態(tài)修復(fù)景觀再塑與規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)；⑤矸石山生態(tài)重建技術(shù)。

3)中東部采煤沉陷區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)。①采煤塌陷積水區(qū)水污染控制與治理技術(shù)；②采煤塌陷積水區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)與生態(tài)濕地構(gòu)建示范；③采煤塌陷積水區(qū)水土資源同步利用技術(shù)；④采煤塌陷非積水區(qū)土地整治與城市功能開發(fā)技術(shù)。

4)西南采煤沉陷區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)。①巖溶區(qū)采動(dòng)塌陷控制技術(shù)研究；②山區(qū)采動(dòng)地表滑坡、泥石流災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、防控技術(shù)研究；③采動(dòng)災(zāi)害防控與生態(tài)修復(fù)一體化技術(shù)。

5)采煤沉陷區(qū)建筑復(fù)墾治理關(guān)鍵技術(shù)。①采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)與空區(qū)精準(zhǔn)探測技術(shù)；②采動(dòng)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)；③采煤沉陷區(qū)建(構(gòu))筑物抗變技術(shù)；④城市空間規(guī)劃與沉陷區(qū)綜合治理協(xié)調(diào)技術(shù)。

6)采煤沉陷區(qū)增量控制關(guān)鍵技術(shù)。①開采損害與災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)：充填、條帶及其組合優(yōu)化減沉安全開采技術(shù)；采煤塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)；采空區(qū)覆巖離層注漿減沉技術(shù)；矸石、粉煤灰等大宗固廢充填處置利用技術(shù)。②采動(dòng)區(qū)監(jiān)測與預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)：采動(dòng)覆巖移動(dòng)破壞監(jiān)測與預(yù)測技術(shù)；沉陷區(qū)和關(guān)閉礦井地表殘余變形機(jī)制與預(yù)測技術(shù)；地表塌陷與生態(tài)環(huán)境“空-天-地”一體化監(jiān)測；礦區(qū)地表移動(dòng)變形綜合監(jiān)測及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

6 采煤沉陷區(qū)綜合治理建議

1)建議組織開展全國范圍內(nèi)的采煤沉陷區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)估，研究制定全國采煤沉陷區(qū)綜合治理中長期專項(xiàng)規(guī)劃，指導(dǎo)全國采煤沉陷區(qū)治理工作統(tǒng)籌推進(jìn)，同時(shí)地方政府應(yīng)結(jié)合屬地采煤沉陷區(qū)實(shí)際情況制定具體目標(biāo)和舉措，多措并舉保障采煤沉陷區(qū)治理規(guī)劃有效落實(shí)。

2)建議針對(duì)采煤沉陷區(qū)治理全過程，加快相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制修訂工作，完善前期規(guī)劃、過程控制、治理利用環(huán)節(jié)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，切實(shí)發(fā)揮對(duì)采煤沉陷區(qū)綜合治理工程建設(shè)的指導(dǎo)作用。

3)建議系統(tǒng)開展采煤沉陷損害防治、綜合治理利用、礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、重大裝備研制，構(gòu)建新時(shí)期采煤沉陷區(qū)綜合治理技術(shù)裝備體系，同時(shí)搭建采煤沉陷區(qū)全生命周期生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、預(yù)測、預(yù)警及治理利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，打造源頭防治、過程控制、綜合利用、全程監(jiān)測的一體化采煤沉陷區(qū)治理新模式。

4)建議加大采煤沉陷區(qū)防治資金投入力度，支持設(shè)立省級(jí)采煤沉陷區(qū)治理專項(xiàng)資金。鑒于充填開采可以提高資源利用率，減少地表沉陷，延續(xù)礦井服務(wù)年限，但開采成本高，影響煤炭企業(yè)開采效率，應(yīng)加大對(duì)采用充填開采的煤炭企業(yè)資源稅減免和增值稅優(yōu)惠的力度。