济宁泰安菏泽地区采煤塌陷地复垦措施探讨

鲁晓威，李洪亮，刘红，于桑，张君，乔月

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东 济宁 272100；2.自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东 济宁 272100)

0 引言

近年来，随着国家对生态环境保护的重视，采煤塌陷复垦成为了生态保护研究的重点之一。高潜水位、常年积水采煤塌陷区是塌陷治理的重点和难点，针对采煤塌陷耕地复垦的生态环境恢复、土地复垦技术措施等做了深入的研究[1-5]；胡振琪等人[6-8]提出了井工开采煤矿边采边复(Concurrent Mining and Reclamation，CMR)的新概念、原理与方法；李幸丽[9]研究了动态预复垦技术在采煤沉陷区复垦工程设计中的应用；郭利刚，白中科等人[10]以青龙煤矿为例，对丘陵井工煤矿区破坏土地复垦措施进行了分析；高志远，王绮等人[11]以道清沟煤矿为例，以适宜性评价视角对煤矿土地复垦技术措施进行了研究；针对高潜水位采煤沉陷区的塌陷湿地、农田整治、采煤沉陷的防治技术等做了更深入的研究[12-15]，随着济宁市、泰安市、菏泽市采煤塌陷地治理的积累，针对局部采煤塌陷区的复垦模式、综合整治方法也分别做了深入的探讨和研究[16-22]。

山东省是中国产煤的重要省份，由煤炭开采造成的地表塌陷问题日趋严重。济宁市、泰安市、菏泽市煤矿众多，地质采矿条件复杂，采煤塌陷区种类及形态各异，文章通过对研究区内采煤塌陷地现状分布，对已复垦或正在复垦的矿山土地复垦工程整理分析，研究了其采煤塌陷的特点；对比分析了传统复垦模式和边采边复模式的优缺点；研究了不同土地复垦技术措施的适用条件，总结了各地市适宜的复垦模式及土地复垦技术措施，以期对济宁市、泰安市、菏泽市井工煤矿采煤塌陷地的复垦工作提供一定的借鉴和参考。

1 研究区概况

研究区位于山东省西南部，地形地貌属微倾斜低平原区，泰安地区属中低山丘陵区，地势较平坦，土壤类型以潮土为主，主要含煤地层为下二叠统山西组和上石炭-下二叠统太原组。

济宁市处于平原湖泊采煤塌陷区，地形地貌以高潜水位平原、湖泊为主，煤矿分布集中，煤炭开采历史较长，煤层厚，开采煤层多。煤炭开采后，地面形成大面积塌陷，且集中连片，由于多煤层开采的原因，塌陷深度大，最大塌陷深度达到10m以上。该区域地下潜水位埋深较浅，均小于4m，因此地面塌陷后，极易形成积水，且积水面积较大，累计形成采煤塌陷地41100.11hm2，占全省塌陷总量的52.30%，其中积水区面积5214.31hm2，已复垦面积9971.08hm2。

泰安市处于丘陵采煤塌陷区，地形地貌以丘陵为主。区域内煤矿开采历史长，随着各矿井煤炭资源枯竭及能源发展政策调整，产能逐年下降，多数煤矿已关闭，煤层厚度中等。泰安市煤炭开采后，地面形成塌陷面积不大，多为单一煤层开采，煤层厚度不大，地表塌陷深度较小。该区域地形以丘陵为主，地下潜水位埋深较大，地表塌陷后通常不会出现积水，累计形成采煤塌陷地16255.51hm2，占全省塌陷总量的20.68%，其中积水区面积454.73hm2，已复垦面积5139.29hm2。

菏泽市处于平原采煤塌陷区，地形地貌为高潜水位平原。区域内巨野矿区为现阶段山东省煤炭资源重点开发区域，矿井集中，产能大，多数矿井目前为单一煤层开采，多为厚煤层或特厚煤层，表土层厚、采深大。开采后，地面影响范围较大，所以塌陷面积大，塌陷后极易形成积水，但由于该区域煤炭开采历史较短，尚未出现连片的极大规模积水，随着矿井的不断开发，未来将形成大面积积水区域，且积水深度大。累计形成采煤塌陷地2893.62hm2，占全省塌陷总量的3.68%，其中积水区面积459.75hm2，已复垦面积1708.54hm2(表1，图1)。

表1 研究区采煤塌陷地塌陷现状面积汇总表

1—研究区范围；2—采煤塌陷影响范围

2 复垦模式对比分析

通过对研究区内已复垦或正在复垦的矿山土地复垦工程整理分析，研究区内复垦模式按照复垦时刻沉陷的状态可分为“先破坏，后治理”的传统复垦模式和“边采边复”的动态预复垦模式(图2)。

1—挖土区；2—充填区

“先破坏，后治理”的传统复垦模式保证了复垦工程质量，避免了二次破坏和重复复垦，但也存在一些不足之处，对于高潜水位地区的地下开采煤矿，地表塌陷容易形成季节性积水或常年积水，若待塌陷稳沉后复垦，土地将会长时间浸入水中，将损失大量珍贵的土壤资源，减少耕地面积。这部分原有正常耕种的土地复垦为可利用状态时，需要水下土方工程，施工难度和工程造价较大，后期土壤改良与生态重建系统的也需要增加投入。

“边采边复”的动态预复垦模式是在土地即将沉入水中且预测后续下沉深度较大的区域提前剥离表土，交错回填至将要积水但后续下沉量较小的区域，避免或减少积水区的形成，从而提前复垦出更多可利用的土地。但“边采边复”的动态预复垦模式其难点在于复垦时机的把握，对地表塌陷预测精准度要求高。

济宁市为多煤层开采，未来塌陷范围与现状塌陷范围重叠面积大；泰安市多为单一煤层开采且煤层厚度不大，形成塌陷面积小，地下潜水位埋深较大，地表塌陷后通常不会出现积水；菏泽市地处高潜水位地区，地势平坦，属于新型矿区，表土层深厚、开采深度大、煤层厚，煤炭开采后，地面塌陷严重、地表稳沉周期长，形成大面积积水区域。综合对比分析传统复垦模式和边采边复模式的优缺点，认为济宁市、泰安市采煤塌陷复垦适宜选用“先破坏，后治理”的传统复垦模式，菏泽市采煤塌陷复垦适宜选用“边采边复”的动态预复垦模式。

3 土地复垦技术措施探讨

通过对研究区内已复垦或正在复垦的矿山土地复垦工程所采用的土地复垦技术措施进行整理分析，确定传统复垦模式的土地复垦技术措施主要包括疏排法、直接利用法、削高填低法、挖深垫浅法、充填法等，而“边采边复”的动态预复垦模式的土地复垦技术措施多使用挖深垫浅法。根据复垦区地质环境条件选取适宜的土地复垦技术措施，对提高土地复垦利用率和生产潜力十分关键。

3.1 土地平整法

土地平整法适用于不积水而地表略显凸凹不平，但变化不大的塌陷地，土层并未发生较大改变，土壤养分状态无变化，可以通过沿用原来的田块、灌排设施和道路，就地土地平整，即可正常恢复土地耕种。

土地平整法在济宁市、泰安市、菏泽市井工煤矿土地复垦工作中应用非常广泛，对地表变形不大的耕地塌陷区，均选用了土地平整法，土地平整时尽量以实际地面坡度作为田块的设计坡度，平整时把握就近取土，就近填平，尽量减少土方移动距离。

3.2 疏排法

疏排法适用于潜水位不太高、地表下沉不大的塌陷区，正常的排水措施和地表整修工程能保证土地的恢复利用。这种方法多用在低浅水位地区或单一矿层和较薄矿层开采的高、中潜水位地区。它的优点是工程量小、见效快，且不改变土地原用途，但需对配套的水利设施进行长期有效的管护。

研究区内疏排法应用较少，仅在泰安市局部塌陷地的缓坡地段实施过，如翟镇煤矿通过疏排法复垦实施了宽5m、深3m、底宽1m(沟底高程165.0m)的排水沟与翟镇河(河底高程163.8m)连成整体；良庄煤矿通过疏排法复垦实施了疏排水沟。

3.3 直接利用法

直接利用法适用于大面积塌陷地，特别是积水面积大或积水很深的塌陷地，以及未稳定塌陷地或暂难复垦的塌陷地，常根据塌陷地现状因地制宜地直接加以利用，如网箱养鱼、养鸭、种植耐湿作物等。

直接利用法已应用于研究区内开采年份较早的井田煤矿，如里彦煤矿将塌陷积水区挖深，保持坑塘水面地类不变，用于养殖，垫高积水区周边土地，复垦为耕地；翟镇煤矿将区域内7000m2左右季节性积水的坑塘及数十个零星的常年积水坑塘，复垦成荷(藕)塘和鱼塘。

3.4 削高填低法

削高填低法适用于不积水或季节性积水的、地表凹凸变化较大的塌陷地，因地块保墒、保水、保肥效果差，不便耕种，可以通过划分田块，田块内削高填低进行挖补平整，保证整个塌陷区海拔标高基本一致。平整后的土地标高要高于季节性潜水位或滞水水位以上，以利于恢复耕种和植物的生长。塌陷地耕地区表层土熟化程度高，富含腐殖质和有机物，适宜耕种。通常在削高填低平整前，先剥离一定厚度的表土，充填后再将剥离的表土覆盖，恢复原有使用功能。

良庄煤矿、杨村煤矿对预测塌陷中地表凹凸变化较大且不产生积水的塌陷耕地，设计将数个田块划为一个平整单元，采用削高填低法进行平整(图3)。平整后要求田块田面纵坡方向与水流方向一致，保持在1∶2000～1∶1000；田面无横向坡度，纵坡斜面上局部起伏高差控制在±5cm内，相邻畦田横向高差控制在±3cm内。

图3 削高填低法及剖面示意图

3.5 挖深垫浅法

挖深垫浅法适用于局部的积水或季节性积水塌陷区，地表凹凸变化较大或地面坡度较大，对农田的正常耕作影响严重。主要运用机械作业将局部塌陷区下沉挖深，以适合养鱼、蓄水灌溉，把挖出来的泥土充填开采塌陷较小的地区，回垫到季节性潜水位或滞水水位以上。推平施肥使其形成耕地，可以种植农作物，从而达到水产养殖和农业种植并举的目的。治理前，坑塘区域要提前进行抽水，然后再对泥土开挖。这种方法操作简单、经济效益高、生态效益显著，被广泛用于采煤塌陷地的复垦工程中。

里彦煤矿、杨村煤矿、王楼煤矿、郓城煤矿、张集煤矿等，为了抢救更多宝贵的耕地资源，采用挖深垫浅法将预测塌陷中的塌陷较深、常年积水区挖深取土，将周边季节性积水区和部分常年积水区垫高至季节性潜水位或滞水水位以上；新安煤矿采用挖深垫浅法将塌陷积水区条状深挖，垫高至两侧，复垦成台田和鱼塘(图4)。梁宝寺煤矿因地面塌陷造成地表严重内涝，形成大面积积水，耕地变为废弃坑塘，通过采用挖深垫浅法复垦后形成2个鱼塘，恢复塌陷耕地6.4810hm2。张集煤矿采用动态预复垦模式，根据煤矿开采计划和地表塌陷损毁程度预测，超前对塌陷土地进行治理。通过表土剥离、挖深垫浅，将预计成为塌陷较深的潜在积水区域的土提前挖出，垫至预计塌陷季节性积水区域形成耕地。

图4 挖深垫浅法及剖面示意图

3.6 填充法

充填法适用于有足够的充填材料且充填材料无污染或污染可经济有效防治的地区。前提是充填物易经济地获取和充填物无其他更经济的用途，且充填物无污染。在充填法中，用煤矸石充填是目前较为普遍的方法。

研究区内在以往复垦工程中，对于塌陷深度较大的常年积水区，设计实施矸石充填复垦，分层碾压，达到设计高程后，覆表层耕土。如翟镇煤矿在塌陷地复垦工程治理时，先采用了剥离表土层，分层充填矸石，再覆土平整，复垦成可耕种土地。郓城煤矿利用黄河水中含土、砂量大的特点，采用现有水利设施(水闸)放黄河水或利用挖泥船、吸泥泵抽取黄河泥沙，通过管道远距离输送到采煤塌陷区，对采煤塌陷地进行充填治理。

3.7 生物修复法

生物修复法适用于塌陷区内搬迁后的村庄、工业场地等复垦目标为耕地的，建筑拆除结束后的土地很贫瘠，一般有机质和腐殖质较少，土壤的透气性偏低，保墒性差，不宜马上种植农作物。

研究区内对涉及塌陷损毁地类为工矿仓储用地、住宅用地的塌陷区，复垦设计对地表建筑物拆除清运、地表浅翻深松，土地平整、增施有机肥或豆科植物来改善土壤肥力。

4 结论

(1)在采煤塌陷整治的过程中，土地复垦模式及技术措施多种多样，通过对研究区内已实施或正在实施的复垦工程整理，分析了不同复垦模式的优缺点，研究了不同土地复垦技术措施的适用条件。认为济宁市、泰安市采煤塌陷复垦适用“先破坏，后治理”的传统复垦模式，菏泽市采煤塌陷复垦适用“边采边复”的动态预复垦模式。

(2)传统复垦模式下，对研究区内采煤塌陷程度较轻、满足农业复垦条件的，建议采取土地平整法、疏排水法、削高填低法、充填法、生物修复法等复垦技术措施，充分利用煤矸石、黄河泥沙等原料，实施农业复垦；对无法复垦治理为耕地的重度塌陷区，建议综合采取直接利用法、挖深垫浅法等复垦技术措施，以生态湿地、城市湖泊、环湖湿地或河岸湿地等为治理目标，大力推进生态治理，把地质灾害转化为生态红利，提升采煤塌陷地综合治理生态效益和社会效益。

(3)在动态预复垦模式下，采取土地平整法、挖深垫浅法等复垦技术措施，避免或减少积水区的形成，提前复垦出更多可利用的土地。