濟(jì)寧泰安菏澤地區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾措施探討

魯曉威，李洪亮，劉紅，于桑，張君，喬月

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 濟(jì)寧 272100；2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

近年來，隨著國家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，采煤塌陷復(fù)墾成為了生態(tài)保護(hù)研究的重點(diǎn)之一。高潛水位、常年積水采煤塌陷區(qū)是塌陷治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，針對(duì)采煤塌陷耕地復(fù)墾的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、土地復(fù)墾技術(shù)措施等做了深入的研究[1-5]；胡振琪等人[6-8]提出了井工開采煤礦邊采邊復(fù)(Concurrent Mining and Reclamation，CMR)的新概念、原理與方法；李幸麗[9]研究了動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾技術(shù)在采煤沉陷區(qū)復(fù)墾工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；郭利剛，白中科等人[10]以青龍煤礦為例，對(duì)丘陵井工煤礦區(qū)破壞土地復(fù)墾措施進(jìn)行了分析；高志遠(yuǎn)，王綺等人[11]以道清溝煤礦為例，以適宜性評(píng)價(jià)視角對(duì)煤礦土地復(fù)墾技術(shù)措施進(jìn)行了研究；針對(duì)高潛水位采煤沉陷區(qū)的塌陷濕地、農(nóng)田整治、采煤沉陷的防治技術(shù)等做了更深入的研究[12-15]，隨著濟(jì)寧市、泰安市、菏澤市采煤塌陷地治理的積累，針對(duì)局部采煤塌陷區(qū)的復(fù)墾模式、綜合整治方法也分別做了深入的探討和研究[16-22]。

山東省是中國產(chǎn)煤的重要省份，由煤炭開采造成的地表塌陷問題日趨嚴(yán)重。濟(jì)寧市、泰安市、菏澤市煤礦眾多，地質(zhì)采礦條件復(fù)雜，采煤塌陷區(qū)種類及形態(tài)各異，文章通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)采煤塌陷地現(xiàn)狀分布，對(duì)已復(fù)墾或正在復(fù)墾的礦山土地復(fù)墾工程整理分析，研究了其采煤塌陷的特點(diǎn)；對(duì)比分析了傳統(tǒng)復(fù)墾模式和邊采邊復(fù)模式的優(yōu)缺點(diǎn)；研究了不同土地復(fù)墾技術(shù)措施的適用條件，總結(jié)了各地市適宜的復(fù)墾模式及土地復(fù)墾技術(shù)措施，以期對(duì)濟(jì)寧市、泰安市、菏澤市井工煤礦采煤塌陷地的復(fù)墾工作提供一定的借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省西南部，地形地貌屬微傾斜低平原區(qū)，泰安地區(qū)屬中低山丘陵區(qū)，地勢較平坦，土壤類型以潮土為主，主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭-下二疊統(tǒng)太原組。

濟(jì)寧市處于平原湖泊采煤塌陷區(qū)，地形地貌以高潛水位平原、湖泊為主，煤礦分布集中，煤炭開采歷史較長，煤層厚，開采煤層多。煤炭開采后，地面形成大面積塌陷，且集中連片，由于多煤層開采的原因，塌陷深度大，最大塌陷深度達(dá)到10m以上。該區(qū)域地下潛水位埋深較淺，均小于4m，因此地面塌陷后，極易形成積水，且積水面積較大，累計(jì)形成采煤塌陷地41100.11hm2，占全省塌陷總量的52.30%，其中積水區(qū)面積5214.31hm2，已復(fù)墾面積9971.08hm2。

泰安市處于丘陵采煤塌陷區(qū)，地形地貌以丘陵為主。區(qū)域內(nèi)煤礦開采歷史長，隨著各礦井煤炭資源枯竭及能源發(fā)展政策調(diào)整，產(chǎn)能逐年下降，多數(shù)煤礦已關(guān)閉，煤層厚度中等。泰安市煤炭開采后，地面形成塌陷面積不大，多為單一煤層開采，煤層厚度不大，地表塌陷深度較小。該區(qū)域地形以丘陵為主，地下潛水位埋深較大，地表塌陷后通常不會(huì)出現(xiàn)積水，累計(jì)形成采煤塌陷地16255.51hm2，占全省塌陷總量的20.68%，其中積水區(qū)面積454.73hm2，已復(fù)墾面積5139.29hm2。

菏澤市處于平原采煤塌陷區(qū)，地形地貌為高潛水位平原。區(qū)域內(nèi)巨野礦區(qū)為現(xiàn)階段山東省煤炭資源重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，礦井集中，產(chǎn)能大，多數(shù)礦井目前為單一煤層開采，多為厚煤層或特厚煤層，表土層厚、采深大。開采后，地面影響范圍較大，所以塌陷面積大，塌陷后極易形成積水，但由于該區(qū)域煤炭開采歷史較短，尚未出現(xiàn)連片的極大規(guī)模積水，隨著礦井的不斷開發(fā)，未來將形成大面積積水區(qū)域，且積水深度大。累計(jì)形成采煤塌陷地2893.62hm2，占全省塌陷總量的3.68%，其中積水區(qū)面積459.75hm2，已復(fù)墾面積1708.54hm2(表1，圖1)。

表1 研究區(qū)采煤塌陷地塌陷現(xiàn)狀面積匯總表

1—研究區(qū)范圍；2—采煤塌陷影響范圍

2 復(fù)墾模式對(duì)比分析

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)已復(fù)墾或正在復(fù)墾的礦山土地復(fù)墾工程整理分析，研究區(qū)內(nèi)復(fù)墾模式按照復(fù)墾時(shí)刻沉陷的狀態(tài)可分為“先破壞，后治理”的傳統(tǒng)復(fù)墾模式和“邊采邊復(fù)”的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式(圖2)。

1—挖土區(qū)；2—充填區(qū)

“先破壞，后治理”的傳統(tǒng)復(fù)墾模式保證了復(fù)墾工程質(zhì)量，避免了二次破壞和重復(fù)復(fù)墾，但也存在一些不足之處，對(duì)于高潛水位地區(qū)的地下開采煤礦，地表塌陷容易形成季節(jié)性積水或常年積水，若待塌陷穩(wěn)沉后復(fù)墾，土地將會(huì)長時(shí)間浸入水中，將損失大量珍貴的土壤資源，減少耕地面積。這部分原有正常耕種的土地復(fù)墾為可利用狀態(tài)時(shí)，需要水下土方工程，施工難度和工程造價(jià)較大，后期土壤改良與生態(tài)重建系統(tǒng)的也需要增加投入。

“邊采邊復(fù)”的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式是在土地即將沉入水中且預(yù)測后續(xù)下沉深度較大的區(qū)域提前剝離表土，交錯(cuò)回填至將要積水但后續(xù)下沉量較小的區(qū)域，避免或減少積水區(qū)的形成，從而提前復(fù)墾出更多可利用的土地。但“邊采邊復(fù)”的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式其難點(diǎn)在于復(fù)墾時(shí)機(jī)的把握，對(duì)地表塌陷預(yù)測精準(zhǔn)度要求高。

濟(jì)寧市為多煤層開采，未來塌陷范圍與現(xiàn)狀塌陷范圍重疊面積大；泰安市多為單一煤層開采且煤層厚度不大，形成塌陷面積小，地下潛水位埋深較大，地表塌陷后通常不會(huì)出現(xiàn)積水；菏澤市地處高潛水位地區(qū)，地勢平坦，屬于新型礦區(qū)，表土層深厚、開采深度大、煤層厚，煤炭開采后，地面塌陷嚴(yán)重、地表穩(wěn)沉周期長，形成大面積積水區(qū)域。綜合對(duì)比分析傳統(tǒng)復(fù)墾模式和邊采邊復(fù)模式的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為濟(jì)寧市、泰安市采煤塌陷復(fù)墾適宜選用“先破壞，后治理”的傳統(tǒng)復(fù)墾模式，菏澤市采煤塌陷復(fù)墾適宜選用“邊采邊復(fù)”的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式。

3 土地復(fù)墾技術(shù)措施探討

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)已復(fù)墾或正在復(fù)墾的礦山土地復(fù)墾工程所采用的土地復(fù)墾技術(shù)措施進(jìn)行整理分析，確定傳統(tǒng)復(fù)墾模式的土地復(fù)墾技術(shù)措施主要包括疏排法、直接利用法、削高填低法、挖深墊淺法、充填法等，而“邊采邊復(fù)”的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式的土地復(fù)墾技術(shù)措施多使用挖深墊淺法。根據(jù)復(fù)墾區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件選取適宜的土地復(fù)墾技術(shù)措施，對(duì)提高土地復(fù)墾利用率和生產(chǎn)潛力十分關(guān)鍵。

3.1 土地平整法

土地平整法適用于不積水而地表略顯凸凹不平，但變化不大的塌陷地，土層并未發(fā)生較大改變，土壤養(yǎng)分狀態(tài)無變化，可以通過沿用原來的田塊、灌排設(shè)施和道路，就地土地平整，即可正?；謴?fù)土地耕種。

土地平整法在濟(jì)寧市、泰安市、菏澤市井工煤礦土地復(fù)墾工作中應(yīng)用非常廣泛，對(duì)地表變形不大的耕地塌陷區(qū)，均選用了土地平整法，土地平整時(shí)盡量以實(shí)際地面坡度作為田塊的設(shè)計(jì)坡度，平整時(shí)把握就近取土，就近填平，盡量減少土方移動(dòng)距離。

3.2 疏排法

疏排法適用于潛水位不太高、地表下沉不大的塌陷區(qū)，正常的排水措施和地表整修工程能保證土地的恢復(fù)利用。這種方法多用在低淺水位地區(qū)或單一礦層和較薄礦層開采的高、中潛水位地區(qū)。它的優(yōu)點(diǎn)是工程量小、見效快，且不改變土地原用途，但需對(duì)配套的水利設(shè)施進(jìn)行長期有效的管護(hù)。

研究區(qū)內(nèi)疏排法應(yīng)用較少，僅在泰安市局部塌陷地的緩坡地段實(shí)施過，如翟鎮(zhèn)煤礦通過疏排法復(fù)墾實(shí)施了寬5m、深3m、底寬1m(溝底高程165.0m)的排水溝與翟鎮(zhèn)河(河底高程163.8m)連成整體；良莊煤礦通過疏排法復(fù)墾實(shí)施了疏排水溝。

3.3 直接利用法

直接利用法適用于大面積塌陷地，特別是積水面積大或積水很深的塌陷地，以及未穩(wěn)定塌陷地或暫難復(fù)墾的塌陷地，常根據(jù)塌陷地現(xiàn)狀因地制宜地直接加以利用，如網(wǎng)箱養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨、種植耐濕作物等。

直接利用法已應(yīng)用于研究區(qū)內(nèi)開采年份較早的井田煤礦，如里彥煤礦將塌陷積水區(qū)挖深，保持坑塘水面地類不變，用于養(yǎng)殖，墊高積水區(qū)周邊土地，復(fù)墾為耕地；翟鎮(zhèn)煤礦將區(qū)域內(nèi)7000m2左右季節(jié)性積水的坑塘及數(shù)十個(gè)零星的常年積水坑塘，復(fù)墾成荷(藕)塘和魚塘。

3.4 削高填低法

削高填低法適用于不積水或季節(jié)性積水的、地表凹凸變化較大的塌陷地，因地塊保墑、保水、保肥效果差，不便耕種，可以通過劃分田塊，田塊內(nèi)削高填低進(jìn)行挖補(bǔ)平整，保證整個(gè)塌陷區(qū)海拔標(biāo)高基本一致。平整后的土地標(biāo)高要高于季節(jié)性潛水位或滯水水位以上，以利于恢復(fù)耕種和植物的生長。塌陷地耕地區(qū)表層土熟化程度高，富含腐殖質(zhì)和有機(jī)物，適宜耕種。通常在削高填低平整前，先剝離一定厚度的表土，充填后再將剝離的表土覆蓋，恢復(fù)原有使用功能。

良莊煤礦、楊村煤礦對(duì)預(yù)測塌陷中地表凹凸變化較大且不產(chǎn)生積水的塌陷耕地，設(shè)計(jì)將數(shù)個(gè)田塊劃為一個(gè)平整單元，采用削高填低法進(jìn)行平整(圖3)。平整后要求田塊田面縱坡方向與水流方向一致，保持在1∶2000～1∶1000；田面無橫向坡度，縱坡斜面上局部起伏高差控制在±5cm內(nèi)，相鄰畦田橫向高差控制在±3cm內(nèi)。

圖3 削高填低法及剖面示意圖

3.5 挖深墊淺法

挖深墊淺法適用于局部的積水或季節(jié)性積水塌陷區(qū)，地表凹凸變化較大或地面坡度較大，對(duì)農(nóng)田的正常耕作影響嚴(yán)重。主要運(yùn)用機(jī)械作業(yè)將局部塌陷區(qū)下沉挖深，以適合養(yǎng)魚、蓄水灌溉，把挖出來的泥土充填開采塌陷較小的地區(qū)，回墊到季節(jié)性潛水位或滯水水位以上。推平施肥使其形成耕地，可以種植農(nóng)作物，從而達(dá)到水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植并舉的目的。治理前，坑塘區(qū)域要提前進(jìn)行抽水，然后再對(duì)泥土開挖。這種方法操作簡單、經(jīng)濟(jì)效益高、生態(tài)效益顯著，被廣泛用于采煤塌陷地的復(fù)墾工程中。

里彥煤礦、楊村煤礦、王樓煤礦、鄆城煤礦、張集煤礦等，為了搶救更多寶貴的耕地資源，采用挖深墊淺法將預(yù)測塌陷中的塌陷較深、常年積水區(qū)挖深取土，將周邊季節(jié)性積水區(qū)和部分常年積水區(qū)墊高至季節(jié)性潛水位或滯水水位以上；新安煤礦采用挖深墊淺法將塌陷積水區(qū)條狀深挖，墊高至兩側(cè)，復(fù)墾成臺(tái)田和魚塘(圖4)。梁寶寺煤礦因地面塌陷造成地表嚴(yán)重內(nèi)澇，形成大面積積水，耕地變?yōu)閺U棄坑塘，通過采用挖深墊淺法復(fù)墾后形成2個(gè)魚塘，恢復(fù)塌陷耕地6.4810hm2。張集煤礦采用動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式，根據(jù)煤礦開采計(jì)劃和地表塌陷損毀程度預(yù)測，超前對(duì)塌陷土地進(jìn)行治理。通過表土剝離、挖深墊淺，將預(yù)計(jì)成為塌陷較深的潛在積水區(qū)域的土提前挖出，墊至預(yù)計(jì)塌陷季節(jié)性積水區(qū)域形成耕地。

圖4 挖深墊淺法及剖面示意圖

3.6 填充法

充填法適用于有足夠的充填材料且充填材料無污染或污染可經(jīng)濟(jì)有效防治的地區(qū)。前提是充填物易經(jīng)濟(jì)地獲取和充填物無其他更經(jīng)濟(jì)的用途，且充填物無污染。在充填法中，用煤矸石充填是目前較為普遍的方法。

研究區(qū)內(nèi)在以往復(fù)墾工程中，對(duì)于塌陷深度較大的常年積水區(qū)，設(shè)計(jì)實(shí)施矸石充填復(fù)墾，分層碾壓，達(dá)到設(shè)計(jì)高程后，覆表層耕土。如翟鎮(zhèn)煤礦在塌陷地復(fù)墾工程治理時(shí)，先采用了剝離表土層，分層充填矸石，再覆土平整，復(fù)墾成可耕種土地。鄆城煤礦利用黃河水中含土、砂量大的特點(diǎn)，采用現(xiàn)有水利設(shè)施(水閘)放黃河水或利用挖泥船、吸泥泵抽取黃河泥沙，通過管道遠(yuǎn)距離輸送到采煤塌陷區(qū)，對(duì)采煤塌陷地進(jìn)行充填治理。

3.7 生物修復(fù)法

生物修復(fù)法適用于塌陷區(qū)內(nèi)搬遷后的村莊、工業(yè)場地等復(fù)墾目標(biāo)為耕地的，建筑拆除結(jié)束后的土地很貧瘠，一般有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)較少，土壤的透氣性偏低，保墑性差，不宜馬上種植農(nóng)作物。

研究區(qū)內(nèi)對(duì)涉及塌陷損毀地類為工礦倉儲(chǔ)用地、住宅用地的塌陷區(qū)，復(fù)墾設(shè)計(jì)對(duì)地表建筑物拆除清運(yùn)、地表淺翻深松，土地平整、增施有機(jī)肥或豆科植物來改善土壤肥力。

4 結(jié)論

(1)在采煤塌陷整治的過程中，土地復(fù)墾模式及技術(shù)措施多種多樣，通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)已實(shí)施或正在實(shí)施的復(fù)墾工程整理，分析了不同復(fù)墾模式的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了不同土地復(fù)墾技術(shù)措施的適用條件。認(rèn)為濟(jì)寧市、泰安市采煤塌陷復(fù)墾適用“先破壞，后治理”的傳統(tǒng)復(fù)墾模式，菏澤市采煤塌陷復(fù)墾適用“邊采邊復(fù)”的動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式。

(2)傳統(tǒng)復(fù)墾模式下，對(duì)研究區(qū)內(nèi)采煤塌陷程度較輕、滿足農(nóng)業(yè)復(fù)墾條件的，建議采取土地平整法、疏排水法、削高填低法、充填法、生物修復(fù)法等復(fù)墾技術(shù)措施，充分利用煤矸石、黃河泥沙等原料，實(shí)施農(nóng)業(yè)復(fù)墾；對(duì)無法復(fù)墾治理為耕地的重度塌陷區(qū)，建議綜合采取直接利用法、挖深墊淺法等復(fù)墾技術(shù)措施，以生態(tài)濕地、城市湖泊、環(huán)湖濕地或河岸濕地等為治理目標(biāo)，大力推進(jìn)生態(tài)治理，把地質(zhì)災(zāi)害轉(zhuǎn)化為生態(tài)紅利，提升采煤塌陷地綜合治理生態(tài)效益和社會(huì)效益。

(3)在動(dòng)態(tài)預(yù)復(fù)墾模式下，采取土地平整法、挖深墊淺法等復(fù)墾技術(shù)措施，避免或減少積水區(qū)的形成，提前復(fù)墾出更多可利用的土地。