陜北采煤沉陷區(qū)治理技術(shù)研究與分析

孫江鋒

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司西北分公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

神府礦區(qū)位于榆林市北部的神木和府谷兩縣境內(nèi)，礦區(qū)煤炭儲量大、質(zhì)量高，是陜北榆林地區(qū)能源化工基地的優(yōu)勢礦種之一[1]。20世紀(jì)90年代以來，神府礦區(qū)快速發(fā)展，但由于地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的交接地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，干旱少雨，水土流失及荒漠化嚴(yán)重，植被種類單一，且成活率及覆蓋率低[2]。隨著神府礦區(qū)煤炭資源大規(guī)模持續(xù)開采，礦區(qū)地表及周邊形成沉陷區(qū)，導(dǎo)致一系列地質(zhì)環(huán)境問題，主要表現(xiàn)在：損壞地表建（構(gòu)）筑物及道路等公共設(shè)施；破壞植被及耕地農(nóng)田；加劇水土流失和土地荒漠化；污染地下及地表水環(huán)境；誘發(fā)地表沉陷、地裂縫、滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[3]，威脅礦區(qū)人居安全。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日漸惡化，嚴(yán)重制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

加強(qiáng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，尤其是采煤沉陷區(qū)治理技術(shù)的研究與分析，既關(guān)系到陜北地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到社會穩(wěn)定。神府礦區(qū)的綜合治理目標(biāo)是采取工程措施對地下采空區(qū)塌陷所形成的地裂縫進(jìn)行充填、夯實(shí)和植被恢復(fù)，對臺階狀斷陷、裂縫帶進(jìn)行修整和植被恢復(fù)[4]。實(shí)踐證明，綜合治理后神木縣礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況得到明顯改善，礦區(qū)人民群眾的生產(chǎn)生活得到有力保障。

1 礦區(qū)基本概況

神木縣、府谷縣地處陜西省東北部，榆林地區(qū)東北角。神府礦區(qū)位于神木縣西北部和府谷縣西南部?？h境地理坐標(biāo)：東經(jīng)109°37′30″~110°14′30″，北緯38°12′30″~39°35′53″之間。北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，東與山西省隔黃河相望，南側(cè)、西側(cè)分別與佳縣、榆林市相毗鄰，總面積10 847 km2。神木縣、府谷縣位于陜西省榆林市西北地區(qū)內(nèi)陸，屬于典型的半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季氣候干燥，降水少，溫度回升快，沙塵天氣多；夏季溫差大，降雨多，初期易發(fā)生冰雹天氣，七八月份多暴雨、雷陣雨；秋季溫度適宜，涼爽濕潤，逐漸變冷，溫度下降快；冬季氣溫低，嚴(yán)寒干燥，降雪稀少。

神府礦區(qū)地處毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原北緣的交接地帶，全區(qū)總體地勢是西北高、東南低，海拔800 m~1 400 m。最高點(diǎn)位于府谷縣大昌漢北部的郭家梁，海拔1 418 m，最低點(diǎn)位于東南部黃河谷地，海拔716 m，相對高差702 m。區(qū)內(nèi)地貌類型主要有沙地地貌、黃土溝壑地貌、黃土梁峁地貌。區(qū)內(nèi)西北部為風(fēng)蝕為主的風(fēng)沙草灘區(qū)，地勢比較平坦；東南部為黃土溝壑、黃土梁峁區(qū)，溝谷發(fā)育，地形破碎。風(fēng)沙草灘與黃土梁峁過渡地帶為蓋沙黃土梁峁區(qū)。

2 采煤沉陷區(qū)受損現(xiàn)狀

神府礦區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，現(xiàn)場調(diào)查表明，神府礦區(qū)煤層開采引起的環(huán)境地質(zhì)問題表現(xiàn)在：1）地下煤層開采引起地面的沉陷變形，產(chǎn)生大量地裂縫；2）造成土地、植被破壞，加劇水土流失和荒漠化；3）破壞水資源，造成水污染；4）引發(fā)泥石流、滑坡、崩塌及邊坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害。其中，以地下煤礦開采引起的采煤沉陷及地裂縫尤為嚴(yán)重。

3 采煤沉陷區(qū)綜合治理技術(shù)分析

3.1 地裂縫充填

神府礦區(qū)地表受開采沉陷影響最顯著的破壞特征是地表出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時還有臺階狀斷陷產(chǎn)生。神府礦區(qū)地表主要為黃土層，抗拉伸變形及破壞能力小，煤炭開采過程中，極易擾動和破壞黃土層，導(dǎo)致垂直裂縫，造成地表破壞[5]。另外，黃土土質(zhì)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，空隙大，鈣質(zhì)含量高，遇水后，部分碳酸鈣被水溶解，小顆粒被水帶走，空隙進(jìn)一步加大，從而產(chǎn)生濕陷和地裂縫。而這些裂縫很難修補(bǔ)填充，如果直接用黃土填充，降雨后，裂縫會再次出現(xiàn)。

根據(jù)礦區(qū)黃土層地裂縫及沉陷特征分析，可以將礦山采空區(qū)上方的沉陷裂縫分為兩種：閉合裂縫和張開裂縫。這兩種裂縫都容易導(dǎo)致地表水灌入井下，引發(fā)進(jìn)一步地質(zhì)災(zāi)害。為防止地表水下灌，結(jié)合礦山地裂縫斷面結(jié)構(gòu)特征，采用防滲隔水層、黃土覆蓋層充填裂縫。其中，防滲隔水層由兩部分組成，分別為隔水層和襯墊層，黃土覆蓋層主要采用熟黃土作為覆蓋材料。

對于裂縫寬度小于100 mm、破壞程度輕、土層較厚的土地，裂縫尚未貫穿上下，可通過就地充填、碾壓、平整等工程措施進(jìn)行處理，即將裂縫挖開，填入黃土夯實(shí)平整。對于寬度小于100 mm的礦山采空區(qū)永久裂縫，可選擇就地平整、碾壓的措施，根據(jù)不同地形條件和裂縫結(jié)構(gòu)，計算確定合適的標(biāo)高和坡度，通過挖填平衡，減少土方運(yùn)移，根據(jù)具體情況適當(dāng)進(jìn)行表土剝離，剝離后進(jìn)行土地平整，使各地塊的地面坡度、標(biāo)高保持在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。對于煤層群繼續(xù)開采的地區(qū)，地表將一直受到擾動，黃土層土地處于變形期，所以可選擇簡單、經(jīng)濟(jì)的基本工程措施將其暫時處理，達(dá)到滿足基本農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和林草生長要求，待其開采結(jié)束，土層變形穩(wěn)定后再采取適當(dāng)工程措施，進(jìn)行進(jìn)一步處理。

破壞程度中度及重度的土地，裂縫寬度一般大于100 mm，最寬的達(dá)400 mm以上，有時裂縫穿透土層，多條裂縫平行于開采邊界，同時出現(xiàn)臺階（一般的，當(dāng)水平變形大于10 mm/m時會出現(xiàn)），陡坡區(qū)域的地表裂縫還可能出現(xiàn)明顯的滑移現(xiàn)象。如果采用直接充填的方法不能達(dá)到很好的效果，此時可用粒徑較大的廢石塊先充填裂縫，起到反濾的作用，達(dá)到合適標(biāo)高后再覆蓋黃土，填土方法可根據(jù)實(shí)際情況采用人工或機(jī)械充填。

3.2 地表整修

根據(jù)沉陷地周圍地形，將沉陷地整修成平地、臺田、梯田等。根據(jù)現(xiàn)行《土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，開展林牧業(yè)土地坡度宜≤25°，地表整修時，對于坡度較大的地段，應(yīng)采用裝載機(jī)和推土機(jī)進(jìn)行土地平整，對于土方量需求大的地塊，可以優(yōu)先就近選用礦山煤矸石等廢棄材料進(jìn)行回填。在礦產(chǎn)開采過程中機(jī)械設(shè)備的反復(fù)碾壓，導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)被破壞，土壤板結(jié)的土地，作物無法正常生長，可進(jìn)行翻旋或覆土，確保形成耕作層，滿足作物生長。覆蓋土層的厚度不宜低于50 cm，覆土盡量避開雨季，運(yùn)土、覆土盡可能選用輕型履帶機(jī)械，避免對土壤結(jié)構(gòu)造成二次破壞?？紤]到項(xiàng)目區(qū)主要是黃土溝壑和梁峁地貌，為了有效控制水土流失，對于礦區(qū)內(nèi)沉陷程度較輕、沉陷后地形坡度≤7°的耕地，只對地表進(jìn)行整修。對于沉陷程度較嚴(yán)重，沉陷后地形坡度>7°的耕地，可以根據(jù)實(shí)際情況修筑梯田。

3.3 田塊規(guī)劃建設(shè)

1）田塊劃分設(shè)計：耕作田塊大小的確定應(yīng)綜合考慮地形起伏情況、田間工程難易程度、是否便于耕作和排灌等方面的情況，方田的大小和形狀受田間渠系和道路的走向控制。根據(jù)目前耕地、道路、渠系及地形坡度情況，擬確定方田長度為200 m，寬度為100 m，方向?yàn)闁|西向（長邊順等高線）[6]。

2）田塊土壤設(shè)計：為保證耕作田塊的土壤質(zhì)量及當(dāng)年增產(chǎn)，土地平整時應(yīng)盡量保留耕層熟土，保蓄底墑，打碎土塊，深耕細(xì)作。要重施有機(jī)肥，巧施速效肥，挖方部位的施肥量至少應(yīng)為填方部位的2倍，并可使用污水處理站的污泥，用作農(nóng)肥。要選種耐瘠作物，加強(qiáng)田間管理。采用保土保水蓄水耕作技術(shù)，防止水土流失和干旱。

3）田面坡降設(shè)計：耕作田塊的設(shè)計必須遵循田塊排灌暢通原則，確保耕地灌排調(diào)控方便，必須有一定的田面坡降，縱向（灌水方向）坡降應(yīng)小于1/500，橫向以水平為宜[7]。

3.4 植被恢復(fù)

植被恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建的基礎(chǔ)和主體?；謴?fù)要堅持“從實(shí)際出發(fā)，因地制宜，循序漸進(jìn)”的原則；適地適樹，喬灌草合理配置；堅持以人為本，生態(tài)優(yōu)先，造林綠化，改善生態(tài)環(huán)境，適當(dāng)發(fā)展經(jīng)濟(jì)林，兼顧經(jīng)濟(jì)效益。治理區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)主要是沉陷區(qū)植被恢復(fù)工程，使治理區(qū)林草植被得到全面恢復(fù)，在最大程度上改觀廢棄礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。為了給植物創(chuàng)造有利的生長條件，也為了沉陷地的植被恢復(fù)工程的施工安全和方便，一般要對沉陷區(qū)進(jìn)行局部整地。另外，還要修建一定的灌排設(shè)施，借助離規(guī)劃區(qū)不遠(yuǎn)的經(jīng)過污水處理廠處理后的礦井水進(jìn)行引水，引至規(guī)劃區(qū)并配置滴灌設(shè)施種植適宜樹種，造林綠化，恢復(fù)植被，建立良好的生態(tài)環(huán)境。

植被恢復(fù)時選擇適宜的植物種類十分重要，盡可能選擇耐受力比較強(qiáng)的植物，通過這些植物改善土壤結(jié)構(gòu)和礦區(qū)環(huán)境，同時次生植物也能夠正常生長。在選擇植物種類時，優(yōu)先考慮適宜當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的本地物種，再考慮對其他環(huán)境因素的廣泛耐受性，如對重金屬污染物的耐性、酸堿度耐性、鹽漬化耐性等

在樹種、草種的選擇上，以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢品種為主。根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆N植經(jīng)驗(yàn)及氣候特點(diǎn)，推薦植物優(yōu)選種類。草類目前主要選擇苜蓿、沙打旺、黑麥草、沙棘等，這些草類是陜北地區(qū)的先鋒植物種類，具有較強(qiáng)耐旱能力，生長速度快，有利于改良土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤固氮能力；灌木種類，首選適應(yīng)性強(qiáng)的灌木，如紅柳、沙柳、紫穗槐、檸條、梭梭樹、沙棘等，這些灌木抗旱、抗污染、抗風(fēng)沙、耐瘠薄，成活率較高；喬木種類，首選當(dāng)?shù)貎?yōu)良的鄉(xiāng)土樹種，如樟子松、側(cè)柏、國槐、旱柳、新疆楊等，這些樹木具有很強(qiáng)的忍耐性和可塑性。陜北地區(qū)降雨量小，干旱貧瘠，培育合適的外來植物種類難度較大，因此，建議優(yōu)先選擇當(dāng)?shù)貎?yōu)勢植物種類。

初步選好植物品種后，還要通過經(jīng)驗(yàn)類比、模擬種植試驗(yàn)、現(xiàn)場種植試驗(yàn)等方法篩選確定。篩選出的品種應(yīng)具有較高的抗逆性和適用性，耐寒耐旱耐貧瘠，生長快，成活率高，盡量選用優(yōu)良的當(dāng)?shù)仄贩N，也可以嘗試外來優(yōu)良品種。植物措施施工工期往往視土壤墑情而定，一般放在春秋兩季，嚴(yán)格按要求栽植，栽植完成后要定期進(jìn)行施肥、澆水、修剪間伐、病蟲害防治等措施，以提高苗木成活率，對死苗及早補(bǔ)植。

4 采煤沉陷區(qū)治理綜合效益分析

4.1 社會效益分析

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國工業(yè)化和城市化得到空前發(fā)展，人民生活水平不斷改善，國家進(jìn)入全面建設(shè)小康社會決定性階段。隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，對于煤炭等礦產(chǎn)資源的需求與日俱增，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)之間的矛盾日益尖銳，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理要求也更加迫切。因此，加強(qiáng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，尤其是采煤沉陷區(qū)治理技術(shù)的研究與分析，這既關(guān)系到陜北地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到社會穩(wěn)定，也是深入貫徹習(xí)近平總書記生態(tài)文明建設(shè)重要戰(zhàn)略思想具體體現(xiàn)。因此，治理神府采煤沉陷區(qū)，為以后的礦山環(huán)境綜合治理打下堅實(shí)的基礎(chǔ)，具有巨大的社會效益。

4.2 生態(tài)效益分析

神府礦區(qū)采煤沉陷區(qū)的綜合治理方案為以后實(shí)施的工程措施、生物措施和科學(xué)合理的管理措施來實(shí)現(xiàn)神府礦區(qū)采煤沉陷區(qū)的治理提供依據(jù)。采煤沉陷區(qū)的綜合治理主要采取平整沉陷土地、土地復(fù)墾、植樹種草、建設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)林等措施，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一實(shí)施，綜合治理。

對神府礦區(qū)進(jìn)行的生態(tài)防護(hù)林規(guī)劃建設(shè)，起到了防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣溫、減小風(fēng)速、保持水土、減少土地荒漠化、控制地表徑流、涵養(yǎng)水源、增加濕度、改善土壤結(jié)構(gòu)的作用，項(xiàng)目區(qū)的林木覆蓋率將大幅度提高，水土流失得到全面治理，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到極大的改善。

此外，土地復(fù)墾工程的規(guī)劃，使礦區(qū)綠地面積增加，構(gòu)成了穩(wěn)定性強(qiáng)的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，增強(qiáng)了對自然災(zāi)害的抵抗力，減少了水土流失，使區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境得到改善，土地利用趨向良性循環(huán)，增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的后勁。

采煤沉陷區(qū)綜合治理后，礦區(qū)土地復(fù)墾率達(dá)60%，重點(diǎn)開發(fā)區(qū)的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治量率達(dá)50%以上，這將使榆林礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況得到明顯改善，礦區(qū)人民群眾生產(chǎn)生活得到有力保障，具有良好的生態(tài)效益。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

采煤沉陷區(qū)的綜合治理對企業(yè)和當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)效益是明顯的，對地表沉陷區(qū)、采空區(qū)、地裂縫等破壞土地進(jìn)行綜合治理、復(fù)墾，這不僅使林地、耕地、草地及建設(shè)用地面積增加，而且使由于棄耕而造成荒廢土地得到重新利用，對神府礦區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有巨大的促進(jìn)作用。