我国采煤沉陷区综合治理技术现状与展望

王 宏

(中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司, 河北省唐山市，063012)

★ 节能与环保 ★

我国采煤沉陷区综合治理技术现状与展望

王 宏

(中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司, 河北省唐山市，063012)

随着社会的进步和发展生态文明建设已被提升至国家发展战略，针对采煤沉陷损毁土地引发的生态环境及土地利用问题，对我国采煤沉陷区建设利用、沉陷积水区生态修复及西部干旱半干旱区生态修复技术进行了系统的研究和分析。结合我国国民经济发展总体规划和煤炭发展规划，探讨了未来我国采煤沉陷区综合治理方面急需解决的关键技术问题，研究成果可为我国采煤沉陷区生态修复提供借鉴。

采煤沉陷区 生态修复 治理技术

煤炭资源的大规模开发对我国经济建设和社会发展起到了重要的支撑作用，但是开采沉陷也引发了土地资源损毁、大气污染、生态景观破坏、地下含水层构造破坏等一系列的生态环境问题。据统计测算，截至2016年底，我国采煤沉陷土地面积约20600 km2，每年新增沉陷面积约466 km2。据相关部门统计，截至2016年底，山东全省共形成采煤塌陷地面积672.36 km2，采煤塌陷地重点地区集中在济宁、泰安、枣庄和菏泽这4座城市，塌陷总量占全省采煤塌陷地的86.77%，其中绝产面积占全省绝产总量的95.79%。近些年来，随着我国城镇化进程的加快，在我国中东部平原矿区采煤塌陷损毁土与城市发展建设用地瓶颈制的矛盾更加突出，对采煤沉陷区进行建设利用已成为我国中东部矿业城市拓展城市发展空间的有效途径。

随着多年的开采，我国东部地区煤炭资源逐步枯竭，开采条件日渐复杂，生产成本不断提高，近些年来，我国煤炭开采业的中心向西部转移。我国西部矿区多为干旱半干旱地区，水资源匮乏，植被稀少，生态环境脆弱，相对东部矿区，西部煤炭资源赋存条件较好，以机械化综放开采为主，具有明显的高产、高效、高强度的开采特点，对岩层与地表的扰动程度较一般的采煤工作面更为剧烈，煤炭开采造成地下水径流破坏、地下潜水位下降和地表水减少，引起地表干旱、水土流失、荒漠化和植被枯萎，使原本脆弱的生态环境日趋恶化，西部干旱半干旱区煤炭开采引发的环境问题已成为社会各界关注热点。

采煤沉陷区的生态恢复与治理直接关系到矿区的区域经济、社会稳定和生态环境，也关系到矿区的可续发展，是我国矿区所面临的一个亟待解决的问题。本文对我国采煤沉陷区治理技术进行了深入研究，其成果可为采煤沉陷区综合治理提供技术借鉴。

1 采煤沉陷建设利用技术

以中煤科工集团唐山研究院为代表的科研机构与高等院校、煤炭企业等部门合作，经过多年的理论与实验研究，研发了我国煤炭开采区综合探测技术，得出了采空区覆岩残留空间与裂隙发育特征，查明了开采引起的空洞、离层、裂缝和垮落带的压密以及孔隙排水是采动区活化的根本原因，揭示了不同地质条件下采空区上覆岩层残余变形机理；提出了以建筑物荷载影响深度、采空区垮落裂缝带发育高度不相互重叠来确定建筑物层数的地基稳定性分析方法，垮落裂隙带与建筑物荷载影响深度的关系如图1所示。

图1 垮落裂隙带与建筑物荷载影响深度的关系

其关系式见式(1)：

H临≥Hli+H影

(1)

式中：H临——临界深度，m；

Hli——垮落带高度，m；

H影——荷载影响深度，m。

当实际采深大于H临时，地基处于稳定状态；当实际采深小于H临时，地基处于非稳定状态。该方法至今广泛应用于采动地基稳定性评价中。

针对采动地基非稳定区，提出了全面注浆、条带注浆、柱状注浆等采空区注浆处理理论，结合综合物探，形成了完善的采空区注浆处理及效果检测技术；通过多年的研究与实践，获得了新增荷载影响下的地表移动和变形规律，揭示了沉陷变形影响下地表建筑物地基、基础和结构协同作用力学机制，提出了沉陷区地表建筑物附加内力计算方法，分别提出了设置基础滑动层，采用条型基础、筏板基础、箱型基础和桩基等适应用不同地基条件的基础形式及上部结构物抗变形技术。综合各项研究成果，目前已形成了采空区地表残余变形预测-采动地基稳定性评价-采空区处理-建筑物抗变形一体化技术体系。

近些年，在“十一五”和“十二五”国家科技支撑计划的支持下，采煤沉陷区建设利用技术成果得到广泛应用，在我国焦作、淮北、唐山、济宁等城市中的采煤沉陷区上建成了大面积建筑，实现了沉陷区建筑从低层、多层到高层的技术突破。同时采煤沉陷建设利用技术成果也为高速公路、铁路、油汽管路、输配电线路等线型建(构)筑物穿越采空区建设提供了技术支撑。

2 高潜水位矿区生态修复技术

在我国东部黄淮海平原高潜水位矿区，煤矿开采造成的塌陷区常年积水或季节性积水，使其原来的陆生环境逐渐演变为水生环境，生态环境严重退化。根据《国际湿地公约》，采煤塌陷积水区属于次生湿地范畴，在抵御洪水、调节径流，改善气候、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡等方面具有其它系统不可替代的作用。我国科研工作者运用“3S”、D-InSAR等现代监测技术，对采煤沉陷区域生态系统进行了长期研究，筛选出了采煤沉陷区生态系统演变的主要因素，发现了采煤沉陷区生态系统由陆生演变为水陆复合过程中的时空演变规律，揭示了采煤沉陷区生态系统及土地损毁机理，为采煤沉陷区生态修复和湿地生态服务功能开发提供了理论依据。结合唐山、两淮采煤沉陷湿地建设，研究了采煤沉陷湿保护生物多样性、调节气候、净化水质和降解污染物、旅游休闲、科研教育及物质生产等生态服务功能及其评价方法，应用景观生态学与生物多样性保护原理，提出了开采沉陷区水资源保护技术、湿地适生植物景观配置模式。

针对地表积水后生态环境恶劣，治理难度大，成本高等缺点，提出了采煤塌陷地动态预复垦技术如图2所示，在采煤塌陷未完全、积水未形成时进行复垦，将井下煤层开有与地表治理的充分有效结合，也即采矿-治理一体化，实现了地下采煤与地表生态环境治理协同开展。

图2 采煤塌陷地动态预复垦示技术

采煤沉陷生态修复技术为我国高潜水位矿业生态城市建设提供了技术支撑，淮北城市建设创立了由“依山筑城”向“依山傍水、面湖、拥湖”发展的理念，提出了与采煤沉陷地区域稳定程度相协调的矿业城市规划发展模式；唐山南湖生态城地经历了由“功能单一生态退化的自然状态-人工干预的多功能生态系统-生态景观与服务功能为一体的城市生态系统”的演变历程，成功承办了2016唐山世界园艺博览会园，成为全世界采煤沉陷区生态治理的典范。

3 干旱半干旱区生态修复技术

我国西部干旱半干旱地区随着煤炭资源的大规模开发，其生态环境问题也逐步受到重视。针对西部干旱、生态脆弱及传统复垦技术的局限，利用微生物(主要丛枝菌根真菌)复垦技术，研发出了西部煤矿区抗旱菌根的快速筛选富集方法，建立了丛枝菌根真菌的离体双重培养体系，创建了西部干旱煤矿区规模化微生物菌剂生产的方法，形成了西部干旱区煤矿复垦土地微生物复垦技术。

生态的自我修复能力在大自然界是一种普遍存在的现象，基于开采沉陷学原理，揭示了我国西部干旱半干早矿区自修复是采矿驱动力在对地表生态环境造成损毁的过程中，又自动修复部分生态损毁的现象和过程，是开采过程上覆岩层移动变形的自然结果。被破坏的生态环境通过自然修复往往能够与修复区域的生境特性逐渐匹配，使被干扰的生态系统由逆序演替向正常演替发展。研究成果表明，西部退化生态系统的修复应当充分发挥自然力，通过围封让自然界各类繁殖体自然繁衍，令退化的生态系统得以恢复。

我国西部水资源缺乏，实现煤炭开采、水资源保护与生态环境安全协调发展是西部煤炭开发需解决的关键技术问题之一，近些年来将岩层移动理论、地下水动力学、生态保护等理论和方法应用于保水采煤领域，以生态水位保护为原则，开展了基于含水层结构保护的充填开采、窄条带开采、限高(分层)开采、短壁机械化开采法、快速推进法等保水采煤工程实践，开展了基于岩溶承压含水层结构保护的底板注浆加固保水采煤工程实践；以水资源保护、利用为原则，开展了基于地下水转移储存、采空区储水的保水采煤工程实践，初步形成了以生态水位保护为核心的保水采煤技术体系。

以神华集团为代表的煤炭企业，针对西部煤炭开采和生态受损特征，对采煤沉陷区治理技术进行了积极探索，提出了“岩石圈、水圈、大气、生物圈”综合治理模式，取得了良好的经济、生态和社会效益。

4 结语

(1)我国中东部煤矿区人口稠密，地下煤炭资源开发与地面建设矛盾突出，将采煤沉陷区开发为建设用地是破解城市建设用地瓶颈制约的有效途颈，目前长壁开采区建设利用技术相对成熟，但对于房柱开采、条带开采等部分开采区的地基长期稳定性缺乏深入研究，将成为矿业城市近期需要解决的关键技术问题。

(2)未来我国煤炭开发总体布局是压缩东部、限制中部和东北、优化西部，内蒙古、陕西、新疆为重点建设省(区)，但西部地区生态环境脆弱，因此西部矿区生态修复技术的研发是实现西部资源开发与生态环境保护统筹协调发展需解决的关键技术问题之一。

(3)根据煤炭工业发展规划，“十三五”期间化解淘汰过剩落后产能8亿t/a左右，2016年实际已退出煤炭产能或超过3亿t，关闭矿井4800余处，伴随着矿井关闭，关闭矿山地面塌陷、地下水破坏和土地损毁等地质环境问题将不断突显，相关矿山利用及地质环境治理关键技术问题亟待解决。

(4)近些年来随着《土地复垦条例》(国务院592号令)、《国务院办公厅关于加快推进采煤沉陷区综合治理的意见》(国办发〔2016〕102号)等文件的颁布和实施，为加快采煤沉陷区治理工程的实施提供法律和政策保障。

(5)随着十八大“五位一体”战略布局提出和新型城镇化步伐的加快，矿区生态文明建设、和谐宜居城市建设将成为矿业城市各级政府、矿山企业和科研究工作者的工作重点，这为采煤沉陷区治理技术的深入研究创造了机遇。

[1] 煤炭工业发展“十三五”规划[EB/OL]. http://www.nea.gov.cn/2016-12/30/c_135944439.html，2016-12-22

[2] 钱鸣高，许家林，缪协兴. 煤矿绿色开采技术[J]. 中国矿业大学学报, 2003 (4)

[3] 雷少刚，卞正富. 西部干旱区煤炭开采环境影响研究进展[J]. 生态学报，2014 (11)

[4] 赵春虎. 蒙陕矿区采煤对松散含水层地下水资源影响的定量评价[J]. 中国煤炭,2014 (3)

[5] 孔改红，李富平. 采煤沉陷区环境保护与治理研究[J].河北煤炭，2006(1)

[6] 陈超,胡振琪,台晓丽等.风积沙区土地生态损伤自修复能力评价[J].中国煤炭，2015 (10)

[7] 白国良,李树志,高均海. 老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究[J]. 煤矿开采,2010 (5)

[8] 滕永海,张俊英. 老采空区地基稳定性评价[J]. 煤炭学报,1997(5)

[9] 邓喀中,谭志祥,张宏贞. 长壁开采老采空区带状注浆设计方法[J]. 煤炭学报,2008(2)

[10] 李树志,周锦华,高均海等. 平原矿区厚煤层开采塌陷地动态预复垦方法[P]. CN101422094，2009

[11] 李树志. 我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望[J]. 煤炭科学技术,2014 (1)

[12] 毕银丽，王瑾，冯颜博等. 菌根对干旱区采煤沉陷地紫穗槐根系修复的影响[J]. 煤炭学报，2014 (8)

[13] 胡振琪,龙精华,王新静. 论煤矿区生态环境的自修复、自然修复和人工修复[J]. 煤炭学报，2014 (8)

[14] 范立民,马雄德,冀瑞君. 西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J]. 煤炭学报，2015(8)

[15] 牛克洪. 未来我国煤炭企业转型发展的新方略[J]. 中国煤炭,2014(10)

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

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0501105)

王宏. 我国采煤沉陷区综合治理技术现状与展望[J].中国煤炭，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，研究员，主要从事选煤与煤炭清洁利用、采煤沉陷区生态修复理论与技术方面的研究。

(责任编辑 王雅琴)