宁夏石嘴山采煤塌陷区地质环境治理模式研究

徐友宁，李玉武，张江华，乔冈，孔德峰

(1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安　710054；2.宁夏地矿中心实验室，宁夏 银川　750021；3.石嘴山市国土资源局，宁夏 石嘴山　753200)

宁夏石嘴山采煤塌陷区地质环境治理模式研究

徐友宁1，李玉武2，张江华1，乔冈1，孔德峰3

(1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安710054；2.宁夏地矿中心实验室，宁夏 银川750021；3.石嘴山市国土资源局，宁夏 石嘴山753200)

构建采煤塌陷区地质环境治理模式是矿山地质环境研究的热点问题。通过资料收集、野外调查、对比研究等工作，力图总结干旱缺水少土的宁夏石嘴山惠农采煤塌陷区地质环境综合治理模式，丰富矿山地质环境治理理论，为类似矿山地质环境治理提供借鉴。通过采煤塌陷区挖高垫低、矸石清运等地貌重构，沙土、矸石、有机质参混等土壤改良，修建滴水灌溉网植树绿化修复生态等。其矿区地质环境治理是在干旱-半干旱地区缺土少水情况下实施的，是集先破坏后治理的补课式的集中根治、地质灾害治理、生态修复及矿业遗迹再利用的多元化治理经费投入的综合治理模式，其成功的采煤塌陷区治理为我国类似矿山地质环境治理提供了成功经验。

采煤塌陷区；矿山地质环境；资源枯竭型城市；治理模式；石嘴山

矿产资源开发活动不可避免会对地质环境产生影响，严重时导致矿区资源毁损(土地资源、地貌景观资源、地下水资源、林地资源等的占压与破坏)，诱发矿山地质灾害(地面塌陷、地裂缝、滑坡、崩塌、泥石流等)，污染矿区水土环境污染(采矿及选矿的“三废”造成地表水、地下水和土壤环境的污染)(徐友宁，2006；王建民，2003；何芳等，2013)。矿山地质环境问题的复杂性和多样性主要受区域地质环境条件、开发利用方式、开发利用矿种以及环境保护法规政策的影响和控制(徐友宁等，2011)。由于对地下煤炭资源开采时，开采的煤层厚度大，上覆顶板以砂泥岩为主，因而煤矿区是地面塌陷高发区和危害的严重区，导致采煤塌陷区地表建筑物开裂，公路凹凸不平，铁轨变形，耕地毁坏，引发严重的矿地紧张的社会矛盾(徐友宁，2006)；采煤塌陷区链生煤层之上的含水层结构破坏，改变了地下水补给、径流、排泄方向，导致含水层及地表水漏失等，影响矿区人畜饮水困难(徐友宁等，2008)；在地下水位浅埋区，地下水位下降、地表水漏失还可导致植被枯萎或生态环境退化(徐友宁等，2007)；煤矸石堆在占地影响视觉景观的同时，矸石自燃释放出的有毒有害气体污染矿区大气环境。

我国地质环境条件及煤炭资源开发条件存在显著的差异，导致不同地区地下采煤采空塌陷在地表表现出不同的形式与危害。例如，安徽淮北平原地下采煤在地表形成大面积的积水盆地(周小春等，1999)，陕西渭北石炭二叠系煤矿区导致黄土边坡滑坡及耕地毁损与撂荒(徐友宁，2006)，陕西大柳塔侏罗系煤大规模综合机械化开采，在风沙滩地区表现为波状起伏的地貌形态(徐友宁等，2007，2008)。总结不同地区煤矿塌陷区地质环境治理模式，对于类似矿山地质环境防治具有重要的理论与实践指导意义。

把解决某类问题的方法总结归纳到理论高度即为模式，模式是一种解决某一类问题的方法论。武强提出了针对治理对象特性、具有特定功能的若干技术方法的组合(武强等，2010)。陈芳孝总结出龙凤岭废弃采石场自然修复的7种典型治理模式(陈芳孝，2007)。侯晋领提出山东蒋庄煤矿“回填塌陷区、井下巷道矸石充填、挖深垫浅、借势利用”的4种模式(侯晋领等，2012)。刘承国提出矿山环境恢复治理的“三家抬”模式(刘承国，2007)。乔冈等人提出了采煤塌陷区矿山地质环境治理模式(乔冈等，2012)。

目前，我国尚无干旱-半干旱地区采煤塌陷区或资源枯竭型城市地质环境治理模式研究的案例。笔者基于宁夏石嘴山资源枯竭型城市惠农采煤塌陷区地质环境治理为案例，在持续10年的动态跟踪、实地调查、综合研究工作的基础上，试图总结其治理的方法技术，构建干旱地区采煤塌陷区综合模式，为类似地区、类似矿山地质环境保护与治理提供借鉴。

1　研究区概况

宁夏石嘴山是一座因煤而兴、因煤而建发展建设的煤炭矿业城市，笔者侧重研究石嘴山惠农区原石嘴山一矿、二矿、三矿开采范围内的采煤塌陷区矿山地质环境治理情况。煤矿主要开采石炭—二叠系煤，含煤地层走向长12km，倾斜宽5km，含煤面积56.8km2。一矿建于1959年3月，设计生产能力75×104t/a，2003年达到100×104t/a，由于生产条件极差，2007年停止+600m水平以上煤炭开采，现开采+600m水平以下煤层。二矿设计能力120×104/a，2003年后技改生产能力200×104t/a。三矿设计生产能力150×104t/a，矿井建成后不久因突水停产至今。截止2008年，该矿区累计生产原煤9 530×104t。47年的煤炭资源的开采为我国和宁夏经济社会发展发挥了重要作用。2008年因煤炭资源枯竭，被列为全国首批资源枯竭型经济转型试点城市。

惠农采煤塌陷区地处贺兰山东麓冲洪积扇堆积平原区，自西向东倾斜，地形波状起伏，海拔1 091～1 143m，主要塌陷区石炭—二叠系砂岩岩层裸露。区内属温带干旱荒漠地区，日照充足，蒸发强烈，冬季寒冷漫长，夏季炎热短促，温差大。多年平均降水量为202mm，7月～9月降水量占全年降水量的66.6%。年均蒸发量为1 290mm，是降水量的6.39倍。黄河是区内唯一的常年性过境河流，是农业灌溉、工业用水和生活用水的主要水源。矿区土壤主要有灰钙土、盐碱土。

矿山建设前，研究区为荒漠化土地，区内植被不发育，治理前采煤塌陷区及其周边有零星刺槐、旱柳、新疆杨、沙枣树等旱生植物，塌陷积水盆地有芦苇水生植物。矿区总的植被覆盖率仅为3﹪。

2　矿山地质环境问题及其危害

由于受历史发展阶段环境保护意识的局限性，重视煤炭资源开发，忽视环境保护，导致开采区地面塌陷、地裂缝及其链生的地貌景观、土地破坏及环境污染等矿山地质环境问题，严重影响人居环境安全，制约城市建设发展。

2.1地面塌陷地裂缝

研究区沿北东向形成的1～7个串珠状采煤塌陷坑，塌陷总面积9.1km2，最大沉陷深度24.39m，一般8～10m，塌陷盆地边部坡度45°～65°，陡坎2～6m。塌陷区及其周边发育140多条地裂缝，最宽处可达2m，深度0.5～1.8m(图1)。据有关部门统计，地面塌陷地裂缝导致受损住宅面积61.45×104m2；受影响的事企业单位、商业网点256家(所)，建筑面积15×104m2；受损道路7条总长12 080m，防洪堤坝长5 580m，供电线路长34 020m，通讯线路长23 160m。严重影响塌陷区内棚户区2万户(图1)、近4万人生活及城市建设发展。

图1　采煤塌陷区及棚户区图Fig.1　Coal mine collapse area and shantytown

2.2含水层破坏

由于采煤导致煤层之上的含水层破坏，矿坑抽排水排至1-2号塌陷坑(南湖坑)及6-7塌陷坑，在塌陷洼地形成积水(图2)，导致矿区地下水水位大幅度下降，区域性降落漏斗的影响半径达12km左右，第四系含水层水位下降了40m，老城区供水系统及河滨区供水系统均遭到破坏。

图2　塌陷盆地及积水区图Fig.2　Collapse basin and accumulated water area

2.3地貌景观破坏

深陷的塌陷坑、突兀的塌陷陡坎、纵横的地裂缝、突出的煤矸石山(图3)以及地面凹凸不平、矸石山烟雾弥漫、风起煤灰扬尘严重破坏了矿区视觉景观和城区环境。

图3　煤矸石山及自燃图Fig.3　Pontaneous combustion coal gangue hills

2.4环境污染

7处煤矸石山累计堆积矸石总量304.3×104m3，在占地的同时，矸石自燃释放出CO、CO2、SO2等大量有毒有害气体，严重时矸石堆场烟雾弥漫，现场气味刺鼻(图3)，严重影响人群健康安全和城市环境。

3　治理的方法技术

制约石嘴山采煤塌陷区地质环境治理工作的不利因素有三个方面：一是矿山地质环境问题严重，7处塌陷坑总面积9.1km2；7座煤矸石山，矸石总量304.3×104m3。因此，地面塌陷治理、地貌景观修复的工程量大；二是治理区缺水少土制约土地复垦、生态重建。治理区地处干旱少雨区，除过境黄河外，再无其他地表水系，同时地处荒漠地区，土质缺乏，制约植被修复工作；三是要彻底治理所需治理经费在5亿元以上。面对历史遭到破坏的矿山地质环境，2004年以来，石嘴山政府充分利用财政部、国土资源部持续加大历史遗留矿山地质环境问题治理工程的契机，以及资源枯竭型城市地质环境治理的政策倾斜，开展了矿山地质环境综合治理工程。

3.1治理理念的创新

现阶段矿山地质环境治理工作是我国经济发展阶段的产物，由于历史认识原因，重开发轻保护，导致我国38处资源枯竭型城市均遗留了严重的矿山地质环境问题，矿山地质环境治理是一种不得已的后治理、补课式的工程。因此，必须实施矿山地质环境综合治理的理念创新，以人与自然和谐、矿区与城市和谐、生产与生活和谐为治理目标，依据采煤塌陷区严重程度、地貌特点、区位条件等分区的差异性，土地复垦可利用的多样性，因地制宜，打造集中连片、功能明显治理区域。按照“做好基础配套，带动多方投资，扩大治理效益”的治理思路，充分利用治理区紧邻城市边部的良好区位条件，制定优惠政策吸纳社会资金共同参与治理，整体规划，分期分片区治理，治理一片，利用一片，见效一片，加快了矿山地质环境的综合治理进度，最大程度实现矿山地质环境治理的社会效益、环境效应与经济效益的有机统一。

3.2治理对象及方法

以重点治理地面塌陷区及煤矸石山为主要对象，消除采空塌陷地质灾害，整修地貌景观。面对岩层裸露、降水稀少的不利因素，以地貌整修、土壤重构工程为先导，重点解决植被恢复用水的生态环境建设的关键问题。将7座矸石山削平，运至塌陷区边部，或就地整平，外运沙土与矸石惨混改良土壤，挑坑栽树、种草绿化；同时借势保留了大面积塌陷区波状的地貌，以减少回填工程，通过局部挖高垫低、边坡整修，挑坑培土，栽植不同景观树。借用流经治理区边部的过境黄河水，通过泥沙沉淀池，管道泵入新建的调蓄水池，构建了治理区滴水灌溉供水管网，保障了乔、灌、草绿化及果林农牧用水的需求。

3.3治理功能分区

依照采煤塌陷区的严重程度、地处城市周边条件、废弃地复垦后的可利用程度等，科学规划，打造集中连片、功能鲜明的三大治理区(图4)。

图4　综合治理功能区图Fig.4　Comprehensive treatment functional districts

(1)矿山公园区。1～7号采煤塌陷区及煤矸石山所在的地区，紧邻现石嘴山惠农城市边部，塌陷严重，陡坎明显，如果大量回填矸石，整平地貌，则治理费用巨大。因此，遵循因地制宜的原则，通过局部地貌整修、土壤重构、植树绿化、修建健身广场、高低借势、因势造景等工程，保存典型的矿山地层遗迹(石炭二叠系地层剖面、烧变岩等)、采矿矿硐遗迹、地面塌陷盆地及地裂缝等地质灾害遗迹、矿工棚户区遗迹等，设置围栏和科普标志牌，建成集科普教育、科学研究、休闲游览、煤文化传承为一体的7.8km2的国家矿山公园区，提升了石嘴山惠农城市品位，为促进后续旅游和经济发展奠定了基础(图5、图6、图7)。

图5　塌陷区重建后的生态环境图Fig.5　Eco-environmental construction

图7　因势打造的湖山景观图Fig.7　According to the Situation building the landscape

(2)果林农牧区。该区地处采煤塌陷边缘地带，地面塌陷程度较轻，地势相对平坦，面积27.96km2。通过土地平整、土壤改良、道路及林网建设、灌溉水网铺设，打造集种植、养殖、垂钓、采摘、加工、休闲、娱乐的农事体验为核心的旅游经济产业链，后期收益可用于治理区生态环境管护费用，实现治理区走后续循环、自我发展之路。

(3)工业仓储区。紧临城市周边，交通便利，但区内石炭、二叠纪砂岩地层裸露，塌陷深度较轻，目前尚稳定，因为缺土少水难以绿化。因此，通过挖高垫低、土地整平、道路硬化等工程，用于工业原料堆放、仓储、物流产业用地，实现塌陷废弃地复垦建成7.24km2工业场地，扩展了城市发展用地空间。

3.4矿山地质环境治理成效

通过2004～2012年塌陷区居民异地搬迁、塌陷区地貌重构、矸石清运、边坡修整、管网建设、植树种草等工程，完成了1.83万棚户居民异地安居，消除了地面塌陷对周边人居生产和生活安全的威胁，促进了塌陷区社会的和谐与稳定。

治理后新增绿化面积18.30 km2，占同期惠农区城市绿地面积的75%。其中国家矿山公园区绿地面积9.10 km2，为惠农区城市绿化贡献了37.4%。4处积水塌陷区整修成湖，形成面积0.50 km2多的垂钓乐园。昔日脏乱差的采煤沉陷区，如今成为惠农区居民休闲、健身的场所，地质环境面貌发生了翻天覆地的变化。

经过计算l3的初始长度为552 mm，运动行程为380 mm满足设计和实际使用要求；l4的初始长度为284 mm，运动行程为68 mm满足设计和实际使用要求.而且，进过粗略计算l3的平均速度V3=0.253 m/s，l4的平均速度V4=0.045 3 m/s.由于以上的数据是更具正常人的坐起速度来得到的速度，对于整个产品设计来说，目标用户是老年人，所以将整个过程从1.5 s延长为7.5 s，降低其速度，所以最后得到l3的平均速度V3=0.050 6 m/s，l4的平均速度V4=0.009 04 m/s.

通过废弃地整治，增加果林农牧用地及工业综合用地13.6km2，极大地解决了惠农城市建设发展用地的矛盾，吸引了83家企业24亿元投资建厂，工业年产值达11亿元，上缴利税2.8亿元，安置就业2 550人。吸引社会投资4 000多万元，形成了集果林、农业种植、家禽养殖等为一体综合农业种植治理区，最大程度地实现了环境效益、社会效益、经济效益与生态效益的有机融合，促进了资源枯竭型城市向“山水园林新型工业城市”的转型。

3.5石嘴山地质环境治理模式

(1)后治理的根治模式。石嘴山矿山地质环境治理是一种短时期内(2004～2013年)高强度、集中式根治45年间历史持续积存的矿山地质环境的治理模式，是一种后治理、补课式的治理(徐友宁等，2013)，有别于目前新建矿山或生产矿山的边开发边治理、循序渐进的治理模式。

(2)多目标的治理模式。惠农采煤塌陷区矿山地质环境治理通过地面塌陷地裂缝地质灾害治理、废弃地复垦、植树绿化、国家矿山公园建设，实现了人地和谐、土地变活、城市变大、城市变绿、环境变靓的多目标治理模式，区别于采煤塌陷区以消除地质灾害为主的单一治理目标的传统模式。

(3)干旱区生态建设模式。通过沙土与矸石混合、挑坑培土、滴水灌溉网等工程，在原本缺水少土、植被稀疏、植被盖度极低的西北荒漠化地区，实现了大面积的乔、灌、草相结合的生态环境建设。

(4)多元化治理资金模式。建立了以中央财政投入为主导、地方政府参与、企业跟进、民间资本介入的多元化矿山地质环境治理经费投入的机制，实现了前期管护、后期自我良性发展的治理模式。

(6)因地制宜土地复垦模式。依据塌陷程度、区位功能的差异，因地制宜打造了矿山公园区、果林农牧区、工业仓储区等3处集中连片、功能显著的治理区，实现了环境效益、社会效益、经济效益与生态效益的有机融合。

石嘴山采煤塌陷区地质环境综合治理为类似矿山，尤其是西北干旱-半干旱地区矿山生态环境建设提供了可供借鉴的成功经验。但是，我们应当清醒地意识到石嘴山模式毕竟是一种无奈的先开发后治理模式，虽然后治理具有整体规划、打造整体治理成效的优点，但国内外大量实践证明“先破坏、后治理”是一种落后的矿业开发模式，矿山地质环境的破坏及人居环境安全问题，引发社会问题，代价高昂，更为重要的是后期治理的代价要高于事前科学预防、边开发边治理的代价。因此，矿业开发因遵循勘探、开发、闭坑一体化的地质环境防治理念，加强开发前预防、开发中治理、闭坑后彻底恢复的一体化工作(徐友宁等，2012)，才能最大程度减少减轻矿业开发对地质环境的影响与破坏，实现天蓝、地绿、水清的绿色矿区，既要金山银山更要绿水青山的可持续发展目标。

4　结语

徐友宁,何芳,袁汉春,等.中国西北地区矿山环境地质问题调查与评价[M]. 北京：地质出版社, 2006, 30.

XU Youning, HE Fang,YUAN Hanchun,et al.Survey and Assessment on Environmental Geology Problems of Mine in Northwest china[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2006, 30.

王剑民.内蒙古矿山地质环境问题及防治对策[J].西北地质，2003,36(3)：97-101.

WANG Jianmin. The geologic environment problems in Inner Mongolia and the countermeasure of prevention and curing[J].Northestern Geology, 2003,36(3)：97-101.

何芳，乔冈，刘瑞平,等.矿山土地复垦模式探讨[J].西北地质，2013,46(2):201-209.

HE Fang, QIAO Gang, LIU Ruiping, et al. Discussion for Mining Land Reclamation Mode[J].Northestern Geology, 2013,46(2):201-209.

徐友宁,徐东寅,张江华,等.矿山地质环境问题类型及分布差异性研究——以陕西潼关、大柳塔及辽宁阜新矿区为例[J].地球科学与环境学报,2011,33(1):89-94.

XU Youning,XU Dongyin,ZHANG Jianghua, et al. Study on the Difference of Mine Geo-environmental Problem Response to Mineral Resource Exploitation:a Case Study About the Mining Areas in Tongguan and Daliuta of Shaanxi and Fuxin of Liaoning[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2011,33(1):89-94.

徐友宁.关于解决煤矿塌陷区社会矛盾的对策建议[J].中国矿业,2006,15(8)：14-16.

XU Youning. Countermeasures for Solving Social Problems on the Subside Area in Coal Mine[J]. China Mining Magazine , 2006,15(8)：14-16.

徐友宁,吴贤,陈华清.大柳塔煤矿地面塌陷区的生态地质环境效应分析[J].中国矿业,2008,17(3):38-40.

XU Youning,WU Xian,CHEN Huaqing. Effect analysis on ecological geo-environment in the bound of Daliuta coal mining subsidence area[J]. China Mining Magazine , 2008,17(3):38-40.

徐友宁,陈社斌,陈华清,等.陕西大柳塔煤矿区土地沙漠化时空演变研究[J].水文地质工程地质,2007,34(4)：97-102.

XU Youning,CHEN Shebin,CHEN Huaqing, et al. Spatial and temporal evolution of sandy desertification in the Daliuta coal mining area,Shaanxi[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2007,34(4)：97-102.

周小春,施葵初,李玉荣,等.淮北煤矿榻陷区湿地的形成与生态特性[J].安徽林业,1999,3.

ZHOU Xiaochun,SHI Kuichu,LI Yurong,et al. Wetland bed formation and ecological characteristics of coal mine subsidence area in Huaibei[J]. Anhui forestry,1999,3.

武强,陈奇.矿山环境治理模式及其适用性分析[J].水文地质工程地质,2010,37(6)：91-96.

WU Qiang,CHEN Qi. An analysis of the mine environmental treatment model and its applicability[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2010,37(6)：91-96.

陈芳孝.北京市矿山生态治理主要技术与典型模式[J].中国水土保持,2007,(7)：25-26.

侯晋领,崔淑贤.山东蒋庄煤矿矿山地质环境治理工作模式及成效[J].中国地质灾害与防治学报,2012,23(1)：107-109.

HOU Jinling,CUI Shuxian. On the Shandong province Jiangzhuang mine geological environment governance mode of operation and effectiveness[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2012,23(1)：107-109.

刘承国.矿山环境恢复治理的“三家抬”模式[J].中国矿业,2007,16(9)：45-47.

LIU Chengguo. "Three-parties loading" mods on mine management of environmental recovery[J]. China Mining Magazine ,2007,16(9)：45-47.

乔冈,徐友宁,何芳,等.采煤塌陷区矿山地质环境治理模式[J].中国矿业,2012,21(11)：55-58.

QIAO Gang,XU Youning,HE Fang, et al. Treatment mode of mining deology environment in the coal mine collapse area[J]. China Mining Magazine , 2012,21(11)：55-58.

徐友宁,张黎,乔冈,等.昨天 今天 明天—宁夏石嘴山采煤塌陷区地质环境的嬗变[M]. 北京：地质出版社, 2013,137.

XU Youning, ZHANG Li, QIAO Gang,et al. Yesterday, Today and Tomorrow-Evolution on Geological Environment in the Coal Mining Collapse Area, Shizuishan, Ningxia [M]. BeiJing:Geological Publishing House, 2013,137.

徐友宁,李玉武,张江华.矿产资源勘探开发闭坑一体化地质环境防治研究[J].矿床地质，2012,31(增刊)：963-964.

XU Youning,LI Yuwu,ZHANG Jianghua. Research on the integration Geo-environment prevention and cure of mineral resources exploration, development and closed pit[J].Mineral Deposits, 2012,31(Suppl.)：963-964.

Treatment Model on Geo-Environment in the Coal Mine Collapse Area of Shizuishan City, Ningxia

XU Youning1，LI Yuwu2，ZHANG Jianghua1，QIAO Gang1，KONG Defeng3

(1.Xi’an Center of Geological Survey, CGS, Xi’an 710054, Shaanxi,China;2. Ningxia Geology and Mineral Resources Centre Bab, Exploration & Development Bureau of Geology & Mineral Resources of Ningxia, Yinchuan 750021, Ningxia,China; 3. Shizuishan Bureau of Land and Resources, Shizuishan 753200, Ningxia, China)

Shizuishan Coal Mine area is located in the east of Helan Mountain, northwest Ningxia, which is a part of rainless desert. Under the guide of the governance innovation, many measures were put into effort to recovery the environment, such as landscape reconstruction, soil renovation, drip Irrigation tube built, tree planting and mining heritage protection and utilization. All the area was built and divided into three function concentrated partitions: national mine park, agricultural and pastoral area and industrial warehouse area. A new diversified governance mode was found, that is government finance leading and social finance involving. Successful implementation of 1830ha grassland in poor vegetation area has promoted the transformation of the Shizuishan resource-exhausted city to "new industrial landscape garden city". It is the comprehensive treatment model of environmental reconstruct in state-owned mine area, is also a successful case in semi-arid regions mine area.

coal mining collapse area；mine geo-environment；resource-exhausted city；treatment mode；Shizuishan

2015-01-12；

2015-06-25

国家自然科学基金“矿渣型泥石流起动机理与临界条件研究”(40872208)、国土资源部“西北典型矿山地质环境治理的关键技术示范”(1212011140024)、“青海矿业开发地质环境效应研究”(1212011220224)项目、国土资源部陕西潼关金矿区矿山地质环境野外科学观测基地及黄土地质灾害重点实验室平台等联合资助

徐友宁(1963-)，男，博士，研究员，主要从事矿山地质环境调查与研究工作。E-mail:ksdzhj@sohu.com

P66

A

1009-6248(2015)04-0183-07