高潜水位矿区采煤沉陷前农用地保护技术决策研究

2021-05-19杨永均王艳秋韩方义张绍良

中国矿业 2021年5期

杨永均，陈浮，王艳秋，韩方义，张绍良

(1.中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心，江苏徐州 221116；2.沛县自然资源和规划局，江苏沛县 221600)

我国东部矿粮复合区地下水位高，采矿沉陷往往导致地表积水，农用地生产功能丧失，耕地保护压力巨大[1]。当前，生态文明建设是社会发展的主旋律，国土空间生态系统性修复和近零生态损害的资源开采已成为新目标和新要求[2]。高潜水位矿区迫切需要转变“先沉陷、再修复”的传统思路，统筹考虑地上地下情况，实现全域保护性开发[3-4]。近几年针对高潜水位矿区农用地保护和修复的技术取得了较大的进展[4-5]，胡振琪等[4]提出了边采边复的理论和技术体系。在此基础上，一些学者研发了挖深垫浅[6]、复垦时机优选[7-8]、标高控制[9]、泥沙充填[10]等关键技术。此外，还有学者开发了疏水减损[11]、基于剩余变形的动态预复垦[12]等技术。

通过在采煤沉陷全过程动态实施这些技术，理论上能够缩短修复时间、节省修复成本、抢救表土资源、有效地减少农用地损毁面积、保护农用地质量和数量，具有较好的应用潜力[4]。然而，实践中这些技术的实施受到客观条件的严重限制，如永久基本农田在沉陷前不允许大规模工程措施破坏种植条件，因而无法预先通过挖深垫浅技术来抢救表土和减少沉陷积水面积。为此，采煤沉陷前农用地保护的技术实施需要系统性决策。本文系统分析高潜水位矿区农用地保护技术体系及其限制性因素，构建决策方法，并应用到2020—2030年沛北矿区农用地保护规划中，以期为推进东部矿粮复合区的国土空间整体保护、系统修复与综合治理提供技术支撑。

1 采煤沉陷对农用地的影响

地下有用矿物被采出后，采区周围岩体内部原有的力学平衡状态受到了破坏，使岩层发生了移动、变形和破坏。当开采面积达到一定范围之后，移动和破坏将波及到地表，发生地面沉陷[1]。在东部高潜水位矿区，地面沉陷后，潜水位上升，土壤水分增加，硝化过程减少，造成无机养分减少，氮磷溶解，盐渍化程度加重，影响农作物根系的水分与养分供应。当沉陷深度大于潜水位埋深，地面形成积水区，农用地产能丧失。此外，开采沉陷还使得地面形成中心低、四周高的沉陷盆地，改变了地表地貌特征，地表坡度变大，侵蚀加重，土壤质量下降，农用地产能降低。最终，原有的农用地生态系统逐渐演变成水陆相交互生态系统。

高潜水位地区农用地实际上是一个生态系统，在面临扰动时体现出一定程度的自组织和自调节能力，坡度、土壤含水量、地下潜水位、盐碱度是农用地生态系统的关键参数。当开采沉陷使得关键参数突破阈值，农用地生态系统状态发生改变，原有生产能力减弱或者消失。因此，为维持高潜水位矿区农用地生态系统的功能和质量，必须在采煤沉陷过程中实施工程措施，增强农用地生态系统对扰动的恢复力，避免沉陷扰动使得关键参数的阈值被突破，从而保持农用地生态系统原有状态[13]。

2 农用地保护目标及关键技术

高潜水位矿区采煤沉陷前农用地保护是通过适宜的工程技术措施对农用地进行综合整治，增强农用地对沉陷扰动的恢复力，提高农用地质量，从而减轻或避免沉陷对农用地质量和数量的影响。根据技术要点和对限制性条件要求的不同，高潜水位矿区采煤沉陷前农用地保护的关键技术包括梯次整理、疏水减损、超前充填、挖深垫浅四种，见表1。

表1 高潜水位矿区采煤沉陷前农用地保护关键技术Table 1 Key technologies for agricultural land protection before coal mining subsidence in high ground-water level area

尽管梯次整理、疏水减损和挖深垫浅等技术也经常被用于沉陷后农用地修复，但高潜水位矿区采煤沉陷前农用地保护与传统技术的本质区别是在开采沉陷预测的基础上实施，即根据未来开采沉陷的情况，控制地面和潜水位标高，兴建抗沉陷的基础设施。保护技术的实施最佳时间是在农用地生态系统突破生态阈值之前，即开采沉陷对农用地质量、数量和功能造成显著影响之前。与传统的“先沉陷，再修复”相比，可以避免农用地种植条件被破坏，节省沉陷后治理的修复成本，缩短修复时间，降低矿山企业对农用地损毁的补偿压力。目前，山东和安徽等省在采煤沉陷区利用挖深垫浅技术开展“边采边复”，较传统的“先沉陷，再修复”技术可以提高耕地恢复率10%～40%[4]。

3 采煤沉陷前农用地保护技术决策方法

根据梯次整理、疏水减损、超前充填、挖深垫浅四种技术的技术要点和限制性条件的不同，四种技术的经济成本、工程量、限制条件的数量、实施难度依次增加。在农用地保护规划的过程中，需要根据农用地地块的限制性条件和影响因素进行系统决策，选取适宜的技术。图1给出了高潜水位矿区采煤沉陷前农用地保护技术的递进决策方法。

图1 基于关键限制性条件的采煤沉陷前农用地保护技术递进决策方法Fig.1 Progressive decision-making method for agricultural land protection technologies before coal mining subsidence considering key constraints

一方面，依次考虑沉陷积水、疏水条件、充填物料、国土规划四个关键限制性条件。首先，考察沉陷积水情况，当沉陷深度小于潜水临界深度，沉陷后不积水，则可以选择梯次整理的方法，主要解决沉陷过程中的水土流失问题；其次，若沉陷后积水，则考察地块疏水条件，有无承泄和排水系统的兴建条件，具备条件时，选择疏水减损技术，避免大规模工程破坏农用地种植条件；再次，若不具备疏水条件，考察湖泥、粉煤灰、矸石、建筑垃圾、客土等充填物料是否具备，具备条件时，选择超前充填技术，保护全部农用地；最后，若不具备充填物料，则考察地块的国土规划条件，当地块不属于永久基本农田保护范围，且纳入了土地整治专项规划时，则可以部分调整土地类型并实施挖深垫浅工程，从而保护部分农用地免于积水，若地块属于永久基本农田，且没有纳入土地整治专项规划，则应及时申请土地变更，避免农用地破坏等违法行为的产生。

另一方面，在农用地保护技术选定后，还必须考虑各种因素的影响，这些因素包括施工条件、沉陷特征、资金来源、保护意愿、效益情况和地块质量，根据这些影响因素来调整和布局保护技术实施的具体时间、地点、方式和工程量。对于施工条件，主要考虑工程实施的交通运输条件和施工成本，优先选取运输便利和施工成本低的地块实施农用地保护技术。对于沉陷特征，主要考察重复采动、稳沉时间和沉陷深度，当稳沉时间较长，或存在多煤层重复采动时，需要在沉陷全过程中多次实施农用地保护技术，还需要根据沉陷深度来控制地块标高。地块质量主要影响农用地保护的地块优先顺序和具体措施，应考虑质量提升潜力大和难度小的地块优先实施农用地保护工程，以便节约成本和提高效益，质量较差的地块应配合农用地保护技术开展补充性的措施，如在超前充填后实施土壤改良工程。影响农用地保护技术实施的主要因素还有效益情况和保护意愿，当农用地保护技术的投入高于效益时，农民、政府、矿山企业参与农用地保护的意愿低，农用地保护受到制约而无法开展，因此，实施农用地保护必须克服这些因素的影响，实施农田保护可以充分使用矿山企业投资、社会投资、土地整理专项资金、土地复垦预存款，通过农用地提质改造获得耕地交易指标和新增产能来提高效益，加强农用地损毁监测监管来强化保护责任。

4 案例分析——沛北矿区农用地保护

4.1 区域概况

沛北矿区位于江苏省西北端，地处黄淮海平原，是典型的高潜水位矿区，已经有50余年采煤历史，现有沉陷土地约有5 520 hm2，目前有5座煤矿仍在开采。根据开采沉陷预测结果，到2030年，沛县新增沉陷区位于张双楼矿西部和北部、姚桥矿西北部、孔庄矿西部，新增沉陷土地面积总计为2 300 hm2。新增沉陷土地中，耕地、园地、林地、养殖水面等农用地占85%，部分为国土空间规划划定的永久基本农田，因此，沛北矿区面临较大的农用地保护压力。

根据矿山开采计划，沛北矿区的煤炭开发已经进入中后期，接近资源枯竭状态，新增沉陷区域位于矿区核心开采区的边缘地带，无重复扰动，平均沉陷深度在1.5 m左右，属于轻度沉陷和中度沉陷。沛北矿区地下水位呈西南高、东北低的态势，潜水埋深在0.5～5.5 m之间。西南地区的土地利用现状以旱地和果园为主，东北一侧靠近微山湖，地势较低，土地利用类型以水田和养殖水面为主。

为便于统筹实施各类保护技术，取得规模效益，将空间邻近、开采时间集中、土地利用现状一致的采煤工作面沉陷区划定为农用地保护单元，如图2所示。然后，搜集开采计划、开采沉陷预测、水文地质、国土空间规划、社会经济资料，分析沉陷积水、疏水条件、充填物料、国土规划四个关键限制性条件，考察施工条件、沉陷特征、资金来源、保护意愿、效益情况和地块质量影响因素，利用本文提出的基于关键限制条件的递进决策方法，确定沛北矿区各个采煤沉陷单元的农用地保护技术及策略。

图2 2020—2030年沛北矿区新增采煤沉陷区Fig.2 New mining subsidence areas in Peibei mining area from 2020 to 2030

4.2 农用地保护策略

沛北矿区农用地保护单元在沉陷之后都会产生部分积水问题，仅依靠梯次整理无法实现农用地保护目标。根据基于关键限制条件的递进决策方法，首先确定保护技术，然后分析地块的各项影响因素，确定技术目标和措施等具体策略。沛北矿区2020—2030年新增采煤沉陷区农用地保护技术及策略见表2。

由表2可知，适宜疏水减损技术的有Z-5地块、Z-6地块、Z-7地块、Z-8地块、L-1地块、L-2地块。但由于地块的土地利用现状不同，疏水减损的具体措施和目标不同。Z-5地块、Z-6地块、Z-7地块的技术策略是利用疏水技术维持果园生产能力，保护果树，其中，Z-8地块的技术策略是利用疏水技术在沉陷前将旱地改造为水田，提升产能和质量等级，L-1地块和L-2地块的技术策略是利用疏水技术保护水田，提升水田产能和质量等级。适宜超前充填技术的是Z-3地块，该地块靠近矿山矸石堆放场地，具备充填物料条件，地面已经发生积水，符合土地整治专项规划，其具体技术策略是利用煤矸石或粉煤灰超前充填，修复现有积水农用地。适宜挖深垫浅技术的是Z-1地块、Z-2地块、Y-3地块、Y-4地块、Y-5地块、X-1地块、Y-1地块、L-3地块、K-1地块，其中，Y-1地块、L-3地块、K-1地块由于地势低，土地利用现状为坑塘水面，具体技术策略是抢救表土，搬迁转移现有附作物，开展浅水-深水接力养殖，维持现有养殖水面的产能；其他地块适宜采用挖深垫浅技术来建设养殖坑塘，从而保护部分水田，提升水田产能和质量等级。

表2 2020—2030年沛北矿区新增采煤沉陷区农用地保护技术及策略Table 2 Agricultural land protection technologies and strategies for newly added mining subsidence areas in Peibei mining area from 2020 to 2030

农用地保护技术的最佳启动时间是在采煤沉陷积水前，且由于各沉陷单元稳沉时间为3～5 a，因此需要动态实施各项技术。各项保护技术是针对各沉陷单元的总体策略，在沉陷单元内部的不同地块，适宜组合运用多种技术，确保实现农用地保护目标。此外，在农用地保护过程中，应注重吸引矿山企业和社会力量共同参与，综合利用新增耕地指标、土地复垦保证金、耕地损毁补偿金、旱改水指标交易等资金保障措施，利用生态环沟等新型技术对采煤沉陷旱地进行提质改造，提高农用地质量和产能，增加农用地保护的动力和效益。在农用地保护全过程实施动态监测监管，对于不能实现保护的农用地，及时申请地类变更。