我國采煤沉陷區(qū)綜合治理技術現狀與展望

王 宏

(中國煤炭科工集團唐山研究院有限公司, 河北省唐山市，063012)

★ 節(jié)能與環(huán)保 ★

我國采煤沉陷區(qū)綜合治理技術現狀與展望

王 宏

(中國煤炭科工集團唐山研究院有限公司, 河北省唐山市，063012)

隨著社會的進步和發(fā)展生態(tài)文明建設已被提升至國家發(fā)展戰(zhàn)略，針對采煤沉陷損毀土地引發(fā)的生態(tài)環(huán)境及土地利用問題，對我國采煤沉陷區(qū)建設利用、沉陷積水區(qū)生態(tài)修復及西部干旱半干旱區(qū)生態(tài)修復技術進行了系統(tǒng)的研究和分析。結合我國國民經濟發(fā)展總體規(guī)劃和煤炭發(fā)展規(guī)劃，探討了未來我國采煤沉陷區(qū)綜合治理方面急需解決的關鍵技術問題，研究成果可為我國采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復提供借鑒。

采煤沉陷區(qū) 生態(tài)修復 治理技術

煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)對我國經濟建設和社會發(fā)展起到了重要的支撐作用，但是開采沉陷也引發(fā)了土地資源損毀、大氣污染、生態(tài)景觀破壞、地下含水層構造破壞等一系列的生態(tài)環(huán)境問題。據統(tǒng)計測算，截至2016年底，我國采煤沉陷土地面積約20600 km2，每年新增沉陷面積約466 km2。據相關部門統(tǒng)計，截至2016年底，山東全省共形成采煤塌陷地面積672.36 km2，采煤塌陷地重點地區(qū)集中在濟寧、泰安、棗莊和菏澤這4座城市，塌陷總量占全省采煤塌陷地的86.77%，其中絕產面積占全省絕產總量的95.79%。近些年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，在我國中東部平原礦區(qū)采煤塌陷損毀土與城市發(fā)展建設用地瓶頸制的矛盾更加突出，對采煤沉陷區(qū)進行建設利用已成為我國中東部礦業(yè)城市拓展城市發(fā)展空間的有效途徑。

隨著多年的開采，我國東部地區(qū)煤炭資源逐步枯竭，開采條件日漸復雜，生產成本不斷提高，近些年來，我國煤炭開采業(yè)的中心向西部轉移。我國西部礦區(qū)多為干旱半干旱地區(qū)，水資源匱乏，植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，相對東部礦區(qū)，西部煤炭資源賦存條件較好，以機械化綜放開采為主，具有明顯的高產、高效、高強度的開采特點，對巖層與地表的擾動程度較一般的采煤工作面更為劇烈，煤炭開采造成地下水徑流破壞、地下潛水位下降和地表水減少，引起地表干旱、水土流失、荒漠化和植被枯萎，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境日趨惡化，西部干旱半干旱區(qū)煤炭開采引發(fā)的環(huán)境問題已成為社會各界關注熱點。

采煤沉陷區(qū)的生態(tài)恢復與治理直接關系到礦區(qū)的區(qū)域經濟、社會穩(wěn)定和生態(tài)環(huán)境，也關系到礦區(qū)的可續(xù)發(fā)展，是我國礦區(qū)所面臨的一個亟待解決的問題。本文對我國采煤沉陷區(qū)治理技術進行了深入研究，其成果可為采煤沉陷區(qū)綜合治理提供技術借鑒。

1 采煤沉陷建設利用技術

以中煤科工集團唐山研究院為代表的科研機構與高等院校、煤炭企業(yè)等部門合作，經過多年的理論與實驗研究，研發(fā)了我國煤炭開采區(qū)綜合探測技術，得出了采空區(qū)覆巖殘留空間與裂隙發(fā)育特征，查明了開采引起的空洞、離層、裂縫和垮落帶的壓密以及孔隙排水是采動區(qū)活化的根本原因，揭示了不同地質條件下采空區(qū)上覆巖層殘余變形機理；提出了以建筑物荷載影響深度、采空區(qū)垮落裂縫帶發(fā)育高度不相互重疊來確定建筑物層數的地基穩(wěn)定性分析方法，垮落裂隙帶與建筑物荷載影響深度的關系如圖1所示。

圖1 垮落裂隙帶與建筑物荷載影響深度的關系

其關系式見式(1)：

H臨≥Hli+H影

(1)

式中：H臨——臨界深度，m；

Hli——垮落帶高度，m；

H影——荷載影響深度，m。

當實際采深大于H臨時，地基處于穩(wěn)定狀態(tài)；當實際采深小于H臨時，地基處于非穩(wěn)定狀態(tài)。該方法至今廣泛應用于采動地基穩(wěn)定性評價中。

針對采動地基非穩(wěn)定區(qū)，提出了全面注漿、條帶注漿、柱狀注漿等采空區(qū)注漿處理理論，結合綜合物探，形成了完善的采空區(qū)注漿處理及效果檢測技術；通過多年的研究與實踐，獲得了新增荷載影響下的地表移動和變形規(guī)律，揭示了沉陷變形影響下地表建筑物地基、基礎和結構協(xié)同作用力學機制，提出了沉陷區(qū)地表建筑物附加內力計算方法，分別提出了設置基礎滑動層，采用條型基礎、筏板基礎、箱型基礎和樁基等適應用不同地基條件的基礎形式及上部結構物抗變形技術。綜合各項研究成果，目前已形成了采空區(qū)地表殘余變形預測-采動地基穩(wěn)定性評價-采空區(qū)處理-建筑物抗變形一體化技術體系。

近些年，在“十一五”和“十二五”國家科技支撐計劃的支持下，采煤沉陷區(qū)建設利用技術成果得到廣泛應用，在我國焦作、淮北、唐山、濟寧等城市中的采煤沉陷區(qū)上建成了大面積建筑，實現了沉陷區(qū)建筑從低層、多層到高層的技術突破。同時采煤沉陷建設利用技術成果也為高速公路、鐵路、油汽管路、輸配電線路等線型建(構)筑物穿越采空區(qū)建設提供了技術支撐。

2 高潛水位礦區(qū)生態(tài)修復技術

在我國東部黃淮海平原高潛水位礦區(qū)，煤礦開采造成的塌陷區(qū)常年積水或季節(jié)性積水，使其原來的陸生環(huán)境逐漸演變?yōu)樗h(huán)境，生態(tài)環(huán)境嚴重退化。根據《國際濕地公約》，采煤塌陷積水區(qū)屬于次生濕地范疇，在抵御洪水、調節(jié)徑流，改善氣候、控制污染、美化環(huán)境和維護區(qū)域生態(tài)平衡等方面具有其它系統(tǒng)不可替代的作用。我國科研工作者運用“3S”、D-InSAR等現代監(jiān)測技術，對采煤沉陷區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進行了長期研究，篩選出了采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變的主要因素，發(fā)現了采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)由陸生演變?yōu)樗憦秃线^程中的時空演變規(guī)律，揭示了采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)及土地損毀機理，為采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復和濕地生態(tài)服務功能開發(fā)提供了理論依據。結合唐山、兩淮采煤沉陷濕地建設，研究了采煤沉陷濕保護生物多樣性、調節(jié)氣候、凈化水質和降解污染物、旅游休閑、科研教育及物質生產等生態(tài)服務功能及其評價方法，應用景觀生態(tài)學與生物多樣性保護原理，提出了開采沉陷區(qū)水資源保護技術、濕地適生植物景觀配置模式。

針對地表積水后生態(tài)環(huán)境惡劣，治理難度大，成本高等缺點，提出了采煤塌陷地動態(tài)預復墾技術如圖2所示，在采煤塌陷未完全、積水未形成時進行復墾，將井下煤層開有與地表治理的充分有效結合，也即采礦-治理一體化，實現了地下采煤與地表生態(tài)環(huán)境治理協(xié)同開展。

圖2 采煤塌陷地動態(tài)預復墾示技術

采煤沉陷生態(tài)修復技術為我國高潛水位礦業(yè)生態(tài)城市建設提供了技術支撐，淮北城市建設創(chuàng)立了由“依山筑城”向“依山傍水、面湖、擁湖”發(fā)展的理念，提出了與采煤沉陷地區(qū)域穩(wěn)定程度相協(xié)調的礦業(yè)城市規(guī)劃發(fā)展模式；唐山南湖生態(tài)城地經歷了由“功能單一生態(tài)退化的自然狀態(tài)-人工干預的多功能生態(tài)系統(tǒng)-生態(tài)景觀與服務功能為一體的城市生態(tài)系統(tǒng)”的演變歷程，成功承辦了2016唐山世界園藝博覽會園，成為全世界采煤沉陷區(qū)生態(tài)治理的典范。

3 干旱半干旱區(qū)生態(tài)修復技術

我國西部干旱半干旱地區(qū)隨著煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)，其生態(tài)環(huán)境問題也逐步受到重視。針對西部干旱、生態(tài)脆弱及傳統(tǒng)復墾技術的局限，利用微生物(主要叢枝菌根真菌)復墾技術，研發(fā)出了西部煤礦區(qū)抗旱菌根的快速篩選富集方法，建立了叢枝菌根真菌的離體雙重培養(yǎng)體系，創(chuàng)建了西部干旱煤礦區(qū)規(guī)模化微生物菌劑生產的方法，形成了西部干旱區(qū)煤礦復墾土地微生物復墾技術。

生態(tài)的自我修復能力在大自然界是一種普遍存在的現象，基于開采沉陷學原理，揭示了我國西部干旱半干早礦區(qū)自修復是采礦驅動力在對地表生態(tài)環(huán)境造成損毀的過程中，又自動修復部分生態(tài)損毀的現象和過程，是開采過程上覆巖層移動變形的自然結果。被破壞的生態(tài)環(huán)境通過自然修復往往能夠與修復區(qū)域的生境特性逐漸匹配，使被干擾的生態(tài)系統(tǒng)由逆序演替向正常演替發(fā)展。研究成果表明，西部退化生態(tài)系統(tǒng)的修復應當充分發(fā)揮自然力，通過圍封讓自然界各類繁殖體自然繁衍，令退化的生態(tài)系統(tǒng)得以恢復。

我國西部水資源缺乏，實現煤炭開采、水資源保護與生態(tài)環(huán)境安全協(xié)調發(fā)展是西部煤炭開發(fā)需解決的關鍵技術問題之一，近些年來將巖層移動理論、地下水動力學、生態(tài)保護等理論和方法應用于保水采煤領域，以生態(tài)水位保護為原則，開展了基于含水層結構保護的充填開采、窄條帶開采、限高(分層)開采、短壁機械化開采法、快速推進法等保水采煤工程實踐，開展了基于巖溶承壓含水層結構保護的底板注漿加固保水采煤工程實踐；以水資源保護、利用為原則，開展了基于地下水轉移儲存、采空區(qū)儲水的保水采煤工程實踐，初步形成了以生態(tài)水位保護為核心的保水采煤技術體系。

以神華集團為代表的煤炭企業(yè)，針對西部煤炭開采和生態(tài)受損特征，對采煤沉陷區(qū)治理技術進行了積極探索，提出了“巖石圈、水圈、大氣、生物圈”綜合治理模式，取得了良好的經濟、生態(tài)和社會效益。

4 結語

(1)我國中東部煤礦區(qū)人口稠密，地下煤炭資源開發(fā)與地面建設矛盾突出，將采煤沉陷區(qū)開發(fā)為建設用地是破解城市建設用地瓶頸制約的有效途頸，目前長壁開采區(qū)建設利用技術相對成熟，但對于房柱開采、條帶開采等部分開采區(qū)的地基長期穩(wěn)定性缺乏深入研究，將成為礦業(yè)城市近期需要解決的關鍵技術問題。

(2)未來我國煤炭開發(fā)總體布局是壓縮東部、限制中部和東北、優(yōu)化西部，內蒙古、陜西、新疆為重點建設省(區(qū))，但西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，因此西部礦區(qū)生態(tài)修復技術的研發(fā)是實現西部資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護統(tǒng)籌協(xié)調發(fā)展需解決的關鍵技術問題之一。

(3)根據煤炭工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，“十三五”期間化解淘汰過剩落后產能8億t/a左右，2016年實際已退出煤炭產能或超過3億t，關閉礦井4800余處，伴隨著礦井關閉，關閉礦山地面塌陷、地下水破壞和土地損毀等地質環(huán)境問題將不斷突顯，相關礦山利用及地質環(huán)境治理關鍵技術問題亟待解決。

(4)近些年來隨著《土地復墾條例》(國務院592號令)、《國務院辦公廳關于加快推進采煤沉陷區(qū)綜合治理的意見》(國辦發(fā)〔2016〕102號)等文件的頒布和實施，為加快采煤沉陷區(qū)治理工程的實施提供法律和政策保障。

(5)隨著十八大“五位一體”戰(zhàn)略布局提出和新型城鎮(zhèn)化步伐的加快，礦區(qū)生態(tài)文明建設、和諧宜居城市建設將成為礦業(yè)城市各級政府、礦山企業(yè)和科研究工作者的工作重點，這為采煤沉陷區(qū)治理技術的深入研究創(chuàng)造了機遇。

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ThepresentstatusandprospectofcomprehensiverestorationtechnologyforcoalminingsubsidenceareasinChina

Wang Hong

(Tangshan Research Institute Co.Ltd, China Coal Technology & Engineering Group, Tangshan 063012, China)

With the progress and development of society, the construction of ecological civilization has been promoted to national development strategy. The ecological treatment technologies, such as the construction utilization of coal mining subsidence areas, ecological restoration for waterlogged area and the west arid and semiarid area, were analyzed and studied systemly for the ecological environment and land using problems caused by coal mining subsidence damage. The key technical problems to the coal mining subsidence area comprehensive restoration in the future in our country were discussed according to national economic development planning and coal development planning. The research results may provide guidance for ecological restoration of coal mining subsidence area in my country.

coal mining subsidence area, ecological restoration, restoring technology

TD997

A

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0501105)

王宏. 我國采煤沉陷區(qū)綜合治理技術現狀與展望[J].中國煤炭，2017，43(11)：116-119.

Wang Hong. The present status and prospect of comprehensive restoration technology for coal mining subsidence areas in China [J].China Coal, 2017，43(11)：116-119.

王宏(1967-)，男，北京人，研究員，主要從事選煤與煤炭清潔利用、采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復理論與技術方面的研究。

(責任編輯 王雅琴)