淮北矿区芦岭井田污损土地防治对策研究

2018-11-05杨建强

绿色科技 2018年18期

王玫,杨建强

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075)

1 引言

土地作为人类赖以生存的自然资源，得到国家的高度重视。提出了加大生态系统保护力度，完成生态保护红线，开展国土绿化行动，严格保护耕地。这些政策的颁布与实施，不仅表明我国政府对土地问题十分重视，同时也为矿区的土地持续利用提供了最为有力的保障[1,2]。

我国是一个煤炭大国，更是一个煤炭开采大国，煤炭资源的开发和利用难免要占用和破坏土地，例如，废弃的煤矸石压占土地；采煤造成井田范围内，甚至整个矿区地下水位下降，土地沙漠化等等。为使有效开发芦岭井田煤炭资源，且能保护当地生态环境，芦岭井田污损土地治理工作就显得尤为重要。

2 研究区土地污损现状

两淮地区很多井田范围内损毁和压占的土地，基本上都是当地农民的耕地，导致农民可利用耕地日益减少。根据调查，淮北矿区芦岭井田范围内，部分农民人均耕地面积不到1亩，有些则完全失去了土地，农民无地可种，生活受到了严重影响。

开采前矿区周围多为耕地良好、生产力高的耕地，而今芦岭井田土地沉陷面积不断增加，地下水系破坏，煤矸石和粉煤灰堆积，占压大量耕地，人地矛盾日益突出[3,4]。由于煤层开采后，岩体的连续性受到破坏，造成岩石的冒落、断裂和下沉，致使地表出现不同程度的沉陷和地裂缝[5]。根据现场调查，地面沉降的平均深度已经达到了7 m左右，且很多地区仍在继续沉降，部分居民房屋被淹没，严重影响居民生命财产安全(图1)。

通过现场调查发现拉煤车行驶过程中不遮盖篷布，再加之道路早已凹凸不平，导致拉煤车一路抛洒煤渣，掉下的煤渣经过飞奔的拉煤车扎过，煤灰飞扬，致使周边的土地受到严重污染。下雨天，空气中漂浮的煤灰尘沉落到周围土地上，路面积水带着煤泥流入周围耕地，这些都使井田范围内的土地受到严重污损。

芦岭井田煤炭开采导致土地污损现象引发的经济损失和生态破坏给我们敲响了警钟，因此进行芦岭井田污损土地防止措施研究具有重要意义。

图1 芦岭井田土地污损现状

2.1 研究区土地污损原因

一般情况下井田范围内地表沉陷是由煤炭开采和煤层自燃导致的[6]。煤炭开采是芦岭井田地表沉陷的主要原因。煤炭开采造成地面塌陷的机理主要有3种：①采空区安全顶板厚度不够；②地下采空引起地下水位下降使上覆土体失去顶托发生下沉；③煤层开采使上部岩层失去支撑，引起地表的移动、变形和塌陷[7]。一般前两种塌陷范围和规模都比较小，影响区域也比较小，容易形成陷落坑。

淮北矿区芦岭井田地表大多为平原，由于煤层数量众多，可采煤层厚度较大，其中8#煤层为特厚煤层，全区可采；9#和10#煤层为中厚煤层，局部可采[8]。

芦岭井田是华东、中南、华北等煤矿区的典型代表，特点是中厚煤层、多组煤层群开采[8～12]，主采煤层8#、9#和10#煤层顶底板岩性主要以泥岩和粉砂岩为主。芦岭井田煤层的厚度类型和顶底板岩性导致煤层开采后岩体的连续性遭受极大的破坏，所以芦岭井田地面沉陷原因主要是上述地面塌陷机理的第三种，一般突发性不强，多具渐变性。

芦岭井田地处华东平原区，地下水位浅，采煤塌陷使得地下水露出地表，形成积水塌陷区。综上所述，芦岭井田土地污损主要有以下3个原因：①煤层开采后岩体的连续性遭受极大的破坏，岩体自上而下产生变形，引起地表的移动、变形和塌陷；②煤炭开采造成煤灰尘和煤泥流入耕地，使井田范围内的土地收到严重污损；③芦岭井田地下水位浅，采煤塌陷下沉后使得地下水露出地表，形成积水塌陷区。

2.2 研究区土地污损特点

根据研究区土地污损的实际情况，将土地污损分为物理性污损和化学性污损。物理性污损是指自然的或人为的因素导致土地毁坏而丧失其生产力[13]。芦岭井田物理性土地污损的原因和特点上述已经论述，这里不再重述。化学性污损是指自然的或人为的因素产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤环境质量恶化，使土地丧失生产力[14]。

芦岭井田化学性土地污损主要为煤炭有害元素污损。芦岭井田主采煤层主要为8#、9#和10#煤层，煤在燃烧时，由于煤岩显微组分的类型、性质、含量以及分布特征的不同，所以在燃烧后对土壤产生的污染效应也各有差异[15]。

为了测定芦岭井田主采煤层8#、9#和10#煤层煤岩显微组分镜质组(V)、惰质组(I)和壳质组(E)的含量，在井田范围内，均匀选择3个采样位置点，分别编号为LL-1、LL-2和LL-3，将不同位置采取的8#、9#和10#煤样制作成煤光片置于光学显微镜下观察，其具体测定结果见表1～表3。

表1 LL-1位置各煤层显微组分测定结果

表2 LL-2位置各煤层显微组分测定结果

表3 LL-3位置各煤层显微组分测定结果

从测定结果可知，芦岭井田主采煤层以镜质组为主，占51.3%～82.7%，惰质组次之，占13.6%～45.2%，壳质组占1.9%～11.3%。

为了测定芦岭井田主采煤层8#、9#和10#煤层水分(Mad)、灰分(Ad)和挥发分(Vdaf)的含量，将煤样按照GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》中的要求制取样品，然后按照本标准的测定方法和计算公式进行计算，其具体测定计算结果见表4～表6。

表4 LL-1位置各煤层工业分析测定结果

表5 LL-2位置各煤层工业分析测定结果

表6 LL-3位置各煤层工业分析测定结果

从测定结果可知，8#煤层水分产率在1.00%～1.25%之间，灰分产率在12.44%～22.47%之间，挥发分产率在30.81%～33.52%之间；9#煤层水分产率在1.11%～1.42%之间，灰分产率在12.19%～15.91%之间，挥发分产率在31.48%～33.28%之间；10#煤层水分产率在0.90%～1.14%之间，灰分产率在11.93%～20.38%之间，挥发分产率在35.6%～39.22%之间。

通过以上测定结果可知芦岭井田主采煤层8#、9#和10#煤层镜质组(V)含量普遍高，镜质组(V)和壳质组(E)由于其本身挥发分(Vdaf)高，挥发量大，当条件允许时，镜质组(V)多能燃尽。而壳质组(E)由于其本身始燃温度低，初始反应性高，但其燃尽温度高，因此芦岭井田土地污损煤飞灰炭粒的产生，部分是由于壳质组(E)引起的。

通过测定结果可知芦岭井田主采煤层8#、9#和10#煤层灰分产率较高，这也是芦岭井田化学性土地污损的特点之一。在煤燃烧过程中、较多的微量元素及化合物被蒸发随烟气和飞灰带出，当温度下降时，它们便凝结并富集于随之带出来的飞灰颗粒表面上，继而进入耕地使芦岭井田土地受到污损。

通过测定结果可知芦岭井田主采煤层8#、9#和10#煤层惰质组(I)含量较高，其在燃烧过程中形成的气态量少而多易形成飞灰进入大气，成为有害元素(如Pb、TI、Sb、Cd、As、Cr、Ni、S等)和有害气体的载体，许多有害元素的浓度随飞灰粒径的减少而增加，故惰质组(I)形成的飞灰表面有害元素的浓度较大，这也是芦岭井田化学性土地污损的特点之一。

芦岭井田煤炭燃烧后，煤中无机硫和有机硫都几乎转化为SO2，并随之排入大气，大气中的SO2能在氧化物的催化下与O2作用生成SO3，SO3随雨水下降形成酸雨，对芦岭井田内的土壤造成污染，这也是芦岭井田化学性土地污损的又一特点。

3 采煤沉陷对策研究

要确定某个矿区或者井田污损土地防治对策，首先要弄清该矿区或者井田各个局部的特点和规模，以此确定具体地点采取何种防治措施。

3.1 已有防治措施

目前矿区或者井田污损土地治理采用的方法有两种：工程治理和土体有机重构治理。工程治理法又包括疏排法、就地平整法、挖深垫浅法、填充恢复法、建筑恢复治理法和直接利用法等[16]。

3.1.1 疏排法

使污损沉陷地的积水排干，再加以地表整修，使污损土地得以恢复治理。该方法的优点是工程量小、投资少、见效快，但需对配套设施进行长期有效的管理[17]。该方法适宜于治理区沉陷污损的土地面积范围和深度都较小的区域。

3.1.2 就地平整法

对积水量少而起伏不平的沉陷污损土地，可通过此方法进行治理，整修后的土地标高要高于洪水位标高，以利于耕种和植物的生长[18]。

3.1.3 挖深垫浅法

对沉陷较深、积水无法疏排的污损土地通过挖深垫浅法进行治理[3]。

3.1.4 填充恢复法

矿区周围存在煤矸石和粉煤灰等，可利用这些材料填充采煤污损沉陷地进行恢复治理。

3.1.5 建筑恢复治理法

将修复后的土地用于建筑用地。

3.1.6 直接利用法

对于大面积积水或未稳定的污损沉陷土地经常采取直接利用法，如养鱼、养鸭、种植浅水藕或耐湿作物等。

土体有机重构治理法是一种综合治理技术，它是综合应用生物学、土壤学、微生物学、生态学和环境学等一系列相关专业，共同作用的一种治理方式，通过化学、生物等措施降低或消除了受污损土地的污染，重构污损土地的质量，改良土壤[14]。这种技术对于还原生态系统平衡，恢复土地生产力、提高农业生产水平具有很好的作用，已成为现在最为提倡的土地治理技术和研究热点[19]。