淮北海孜煤矿采煤塌陷区煤矸石充填复垦条件分析

李冬，严家平，徐良骥，喻怀君，董祥林

（1 安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽淮南 232001; 2 安徽理工大学 测绘学院， 安徽淮南 232001;3 淮北矿业（集团）有限责任公司， 安徽淮北 235000）

0 引言

耕地与煤炭资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源。煤炭资源的开发利用在社会发展和国民经济建设中发挥着就巨大的作用。但是，在煤炭资源的开采过程中，也带来了严重的环境问题和社会问题。随着煤炭资源的大量开采，引起大面积的地表塌陷并且形成一座座大小不一的矸石山，使大量土地的生产能力下降，甚至失去生产能力。据不完全统计，我国由于采煤活动引起的地表塌陷面积已达110km2，使我国原本紧张的土地资源形势变的更加严峻[1]。由此可见，我国土地整治工程迫在眉睫。

煤矸石充填复垦是现行塌陷区治理工程中广泛运用的模式，既可处理地表堆积煤矸石，减轻矸石对地表环境的影响，又能有效地治理地表塌陷区，提高土地增长量，缓解土地资源紧张问题[2]。但目前煤矸石充填复垦效益较低且存在一定的盲目性。因此，本文通过对淮北海孜煤矸塌陷区现场调查，分析了影响煤矸石充填复垦效益的三个主导条件[3]：塌陷区自然环境条件、塌陷区开采破坏程度条件和充填复垦材料—煤矸石条件，为海孜煤矿塌陷区煤矸石充填复垦设计提供科学的依据。

1 海孜煤矿塌陷区概况

1.1 塌陷区地理概况

海孜煤矿塌陷区位于安徽省淮北市濉溪县内，北边距离淮北市约40km，东边距离宿州市35km。井田面积为33.745km2，区域内地势平坦，海拔标高为+20.78～+28.58m，村庄稠密，人口密集，以种植业为主，是重要商品粮生产基地[4]。

1.2 矿井开采地质条件

海孜煤矿井田范围内可采煤层较多，且煤层倾角平缓，一般为5°～15°，其中4、7、9、10煤层为主采煤层，煤层埋藏深度为277.0～677.0m。虽然井田范围内可采煤层较多，但是煤层稳定性较差，煤层厚度分布不均匀，累计可采厚度局部差异性较大，平均开采厚度为8.34m。海孜煤矿现有采煤方法均采用单一走向长壁采煤法，炮采工艺，煤层开采顺序为自上而下，由浅往深，自南向北。

1.3 塌陷区现状

海孜煤矿由采煤活动引起的地面变形连续且平缓，形成盘形下沉盆地，分布较集中，面积相对较大，且陷区深度较小、下沉幅度普遍不大。经过现场实地调查发现，地表塌陷区总面积已达557hm2，其中由塌陷而产生的积水区面积为48.8hm2，仅地表下降而未积水的面积为478.2hm2。地表下沉范围为0.2～3.5m，大部分区域的塌陷深度在2.0m左右，为沉陷缓坡地，地表不积水，生产力受到一定程度的影响。塌陷积常年积水区平均水深3m，最深积水区可达9m。塌陷区内的土地遭到不同程度的破坏，生产能力下降，只有少部分的耕地仍在耕种，但产量较低。

根据海孜煤矿塌陷区现状和实际生产情况，并依据“因地制宜，科学利用”原则，选择1号塌陷区（海孜煤矿一采区）、2号塌陷区（海孜煤矿二、四采区）、3号塌陷区（海孜煤矿西部井三采区）、4号塌陷区（海孜煤矿西部井五、七采区）作为煤矸石充填复垦项目区(图1)。

图1 塌陷区分布图Fig.1 The distribution map of subsidence area

2 煤矸石充填复垦条件分析

2.1 塌陷区自然环境条件

2.1.1 地形地貌条件

海孜煤矿塌陷区位于淮北平原中部，区域地貌属淮北堆积平原，其微地貌类型为河间平原、河间洼地和泛滥微高地，地势平坦，土壤条件好，地表水资源丰富。相反，如果在丘陵地带，塌陷区土地复垦工作难度大，复垦效益低，一部分原因就是丘陵地带地形地貌复杂，沟壑纵横，交通不便。总体上，塌陷区的地形地貌条件有利于土地复垦工程的实施和复垦效益的提高。

2.1.2 水文地质条件分析

塌陷区内由于各隔水层(组)的存在，矿井无地表水漏失，也无泉井干涸等现象发生。同时，受矿井井下不断地疏排地下水及地表工业、农业和居民不断地抽取地下水，使地下水位（第四含水层和基岩裂隙水）呈下降趋势，但也未发生地下水位超常降低，地下水资源枯竭现象。由此可见，塌陷区地下水水均衡总体上未被破坏，也未对邻近区域地下水水均衡产生影响。

实测数据表明，海孜煤矿井田范围内地下水位埋深较浅，一般在2.8米左右。塌陷区高地下水位不仅可为复垦区的农作物生长提供充足的水分和养分，还可以加速煤矸石土壤化[5]。由于煤矸石充填复垦后的重构土壤孔隙相对于毛细孔隙（0.002～0.5mm）较大，毛细力弱，从而形成的毛细水高度较低，必然要求塌陷区地下水位要有一定的高度。当塌陷区地下水位较低，潜水面与覆土层之间的距离大于充填层基质（煤矸石）的毛细水高度时，则煤矸石充填层不能有效地将水分和养分运移至覆土层从而提供给地表农作物，影响农作物的正常生长。当地下水位较高，潜水面与覆土层之间的距离小于充填层基质的毛细水高度时，充填层中的煤矸石在毛细水作用下易发生膨胀、崩解和软化，改变了煤矸石的物理化学性质且降低了煤矸石的强度[6]，从而减少了煤矸石土壤化所需要的时间。由此可见，塌陷区高地下水位，可以有效地提高复垦土地的利用质量，减少充填层土壤化的周期。

2.2 塌陷区开采破坏程度分析

2.2.1 塌陷深度条件分析

海孜煤矿塌陷区总体上塌陷深度不大，一般为0.2～3.5m，部分塌陷区域深度大于3.5m，为常年积水区。对于塌陷深度小于3.5m，主要采取煤矸石充填复垦的方法进行治理，并修复受损沟渠和道路，使其满足农业种植的需要。对于塌陷深度在3.5m以上的深层塌陷区，由于其常年积水，且积水面积较大，复垦难度较大，适宜改造成平原水库或人工湖泊，一则可满足海孜工业园区企业及周边农业灌溉用水；另一则也可发展养鱼，养鸭等养殖业。同时，可结合区域经济及社会发展，利用大水面采空塌陷区可兴建规模适当的矿山地质公园，作为矿山及周边居民休憩娱乐用地。总体上，海孜煤矿塌陷区塌陷深度小，有利于复垦工程的顺利进行，且塌陷深度的差异性可促使多种复垦形态科学的结合，显著提高复垦效益。

2.2.2 塌陷区稳定性条件分析

按照“开采规程”中规定，下沉盆地内任意一点在连续6个月内下沉值累计不超过30mm时，即认为地表移动已经结束，地表已达稳沉状态。根据海孜煤矿地表塌陷区监测数据显示，1、2和3号塌陷区已达到稳沉状态，4号塌陷区由于煤层开采尚未完全结束，还存在一定的残余变量。在1号塌陷区，由于其残余变量最小，将其充填复垦为建筑用地，解决居民的居住问题，其余三个塌陷区全部充填复垦为耕地，且在4号塌陷区采用预填高复垦方式，解决地表继续下沉问题。充填复垦项目区内，已达到稳沉的塌陷区面积占78.8%，还存在残余变量的塌陷区面积占21.2%，绝大部分塌陷区已达到稳沉状态，这对煤矸石充填复垦是有利的。

2.3 充填复垦材料—煤矸石条件分析

2.3.1 物质基础—煤矸石

煤矸石是充填复垦的物质基础，只有充足的煤矸石才能保证充填复垦工程的顺利进行。海孜煤矿现存煤矸石25×104t，且海孜煤矿和临涣选煤厂每年共排放矸石量共约630×104t，这无疑为海孜煤矿塌陷区煤矸石充填复垦提供了充足的基础物质。

2.3.2 煤矸石有害元素条件

若作为充填基质的煤矸石中有害元素含量超标，在风化作用和大气降水的长期淋溶作用下，这些有害元素会渗入地下，污染土壤、地表水体及浅层地下水[7]。因此，煤矸石中有害元素含量是否超标决定着煤矸石能否作为充填复垦材料进行充填复垦。为了确定充填材料煤矸石中有害元素含量是否超标，在海孜煤矿矸石山和临涣选煤厂矸石山共取6个样品，对其进行有害元素分析。经实验室分析测得煤矸石中有害元素铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、镍（Ni）和铬（Cr）的含量如表1所示。通过与表2所示的土壤环境标准值对比分析可见，海孜煤矿和临涣选煤厂的煤矸石中Cu、Cd、Pb、Zn、Ni和Cr的含量均符合我国土壤环境标准。换而言之，海孜煤矿和临涣选煤厂的煤矸石作为充填材料进行土地复垦时不会对地下水和土壤造成显著的污染。

2.3.3 煤矸石块度组合条件

煤矸石的块度组合特征严重影响重构土壤中含水量和水分的上移特征。当煤矸石充填层中泥岩和粒径小的颗粒含量高时，可提高重构土壤的含水量和水分上移高度[8]。海孜煤矿塌陷区土地复垦所用煤矸石为煤矿矸石山的矸石和临涣选煤厂产生的洗矸，经现场调查矸石山发现，煤矸石主要由泥岩和泥质粉砂岩组成。在地表环境下，煤矸石中的泥岩、泥质粉砂岩等抗风化能力较弱的岩石易风化为细小颗粒，这就使得用于充填复垦的煤矸石混合体中细小颗粒所占比重较高（如图2所示），适合用于充填复垦。

表1 煤矸石中有害元素含量（mg/kg）Table 1 Contents of harmful elements in coal gangues（mg/kg）

表2 土壤环境质标准值（mg/kg）Table 2 Standard values of soil environment quality（mg/kg）

表3 复垦地经济效益预测分析Table 3 Economic benefit forecast analysis of reclaimed land

图2 煤矸石块度组合Fig 2 The particle combination of coal gangue

3 海孜煤矿煤矸石充填复垦效益预测

3.1 经济效益预测

根据淮北地区耕地、水产养殖业的生产水平和现行市场价格，对充填复垦地进行经济效益分析预测，见表3。项目区复垦后，建筑用地与耕地大约在3年后能有稳定产值。扣除生产投入费用，每年净增经济效益约为835万元。

3.2 生态效益预测

土地复垦的环境效益是显而易见的，如果不进行土地复垦，采空塌陷积水区将弃耕绝产，旱季荒芜，严重盐渍化，基本不能利用。昔日的平原变成高低不平的塌陷区，肥沃的耕地变成低产地、沼泽地或芦苇丛生的湖泊，加上矸石山的压占和污染，矿区生态环境将遭受严重的破坏。通过煤矸石充填复垦，使被破坏的耕地复原，增加土地利用率，改善生态系统。

3.3 社会效益预测

土地复垦关系到社会经济持续发展的大事，不仅对发展农业生产和煤炭事业有重要意义，而且是保证矿区区域可持续发展的重要组成部分。由于大量耕地的损失，将会直接影响农业生产，而且也会给社会增加不稳定因素。复垦后增加耕地资源，提高了土地利用率，调整土地利用结构。这不仅对发展农业生产和煤炭事业有重要意义，而且对整个社会的安定团结和稳定发展也有重要意义，它将是保证矿区区域可持续发展的重要组成部分。

4 结论

煤矸石充填复垦既修复了土地，又解决了矿区煤矸石占压土地等问题，是矿区土地利用的发展趋势，也是矿区生态系统重建和修复的重要内容。从上述分析可以看出，海孜煤矿塌陷区的自然环境条件、开采破坏程度条件和煤矸石自身条件都有利于煤矸石充填复垦工程，可有效地提高复垦效益和土地利用率，并且复垦后形成重构土壤的物理性状与化学性质易接近或达到国家颁布的土地复垦技术标准。海孜煤矿塌陷区煤矸石充填复垦条件分析，为海孜煤矿及周边矿区的塌陷区煤矸石充填复垦设计提供科学的依据。

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