陕北采煤沉陷区治理技术研究与分析

孙江锋

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司西北分公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

神府矿区位于榆林市北部的神木和府谷两县境内，矿区煤炭储量大、质量高，是陕北榆林地区能源化工基地的优势矿种之一[1]。20世纪90年代以来，神府矿区快速发展，但由于地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原的交接地带，生态环境脆弱，干旱少雨，水土流失及荒漠化严重，植被种类单一，且成活率及覆盖率低[2]。随着神府矿区煤炭资源大规模持续开采，矿区地表及周边形成沉陷区，导致一系列地质环境问题，主要表现在：损坏地表建（构）筑物及道路等公共设施；破坏植被及耕地农田；加剧水土流失和土地荒漠化；污染地下及地表水环境；诱发地表沉陷、地裂缝、滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害[3]，威胁矿区人居安全。矿区生态环境日渐恶化，严重制约着区域经济的可持续发展。

加强矿区生态环境治理，尤其是采煤沉陷区治理技术的研究与分析，既关系到陕北地区经济的可持续发展，也关系到社会稳定。神府矿区的综合治理目标是采取工程措施对地下采空区塌陷所形成的地裂缝进行充填、夯实和植被恢复，对台阶状断陷、裂缝带进行修整和植被恢复[4]。实践证明，综合治理后神木县矿区生态环境状况得到明显改善，矿区人民群众的生产生活得到有力保障。

1 矿区基本概况

神木县、府谷县地处陕西省东北部，榆林地区东北角。神府矿区位于神木县西北部和府谷县西南部。县境地理坐标：东经109°37′30″~110°14′30″，北纬38°12′30″~39°35′53″之间。北与内蒙古自治区接壤，东与山西省隔黄河相望，南侧、西侧分别与佳县、榆林市相毗邻，总面积10 847 km2。神木县、府谷县位于陕西省榆林市西北地区内陆，属于典型的半干旱大陆性季风气候，春季气候干燥，降水少，温度回升快，沙尘天气多；夏季温差大，降雨多，初期易发生冰雹天气，七八月份多暴雨、雷阵雨；秋季温度适宜，凉爽湿润，逐渐变冷，温度下降快；冬季气温低，严寒干燥，降雪稀少。

神府矿区地处毛乌素沙漠南缘与陕北黄土高原北缘的交接地带，全区总体地势是西北高、东南低，海拔800 m~1 400 m。最高点位于府谷县大昌汉北部的郭家梁，海拔1 418 m，最低点位于东南部黄河谷地，海拔716 m，相对高差702 m。区内地貌类型主要有沙地地貌、黄土沟壑地貌、黄土梁峁地貌。区内西北部为风蚀为主的风沙草滩区，地势比较平坦；东南部为黄土沟壑、黄土梁峁区，沟谷发育，地形破碎。风沙草滩与黄土梁峁过渡地带为盖沙黄土梁峁区。

2 采煤沉陷区受损现状

神府矿区生态环境十分脆弱，现场调查表明，神府矿区煤层开采引起的环境地质问题表现在：1）地下煤层开采引起地面的沉陷变形，产生大量地裂缝；2）造成土地、植被破坏，加剧水土流失和荒漠化；3）破坏水资源，造成水污染；4）引发泥石流、滑坡、崩塌及边坡失稳等地质灾害。其中，以地下煤矿开采引起的采煤沉陷及地裂缝尤为严重。

3 采煤沉陷区综合治理技术分析

3.1 地裂缝充填

神府矿区地表受开采沉陷影响最显著的破坏特征是地表出现裂缝，严重时还有台阶状断陷产生。神府矿区地表主要为黄土层，抗拉伸变形及破坏能力小，煤炭开采过程中，极易扰动和破坏黄土层，导致垂直裂缝，造成地表破坏[5]。另外，黄土土质疏松，垂直节理发育，空隙大，钙质含量高，遇水后，部分碳酸钙被水溶解，小颗粒被水带走，空隙进一步加大，从而产生湿陷和地裂缝。而这些裂缝很难修补填充，如果直接用黄土填充，降雨后，裂缝会再次出现。

根据矿区黄土层地裂缝及沉陷特征分析，可以将矿山采空区上方的沉陷裂缝分为两种：闭合裂缝和张开裂缝。这两种裂缝都容易导致地表水灌入井下，引发进一步地质灾害。为防止地表水下灌，结合矿山地裂缝断面结构特征，采用防渗隔水层、黄土覆盖层充填裂缝。其中，防渗隔水层由两部分组成，分别为隔水层和衬垫层，黄土覆盖层主要采用熟黄土作为覆盖材料。

对于裂缝宽度小于100 mm、破坏程度轻、土层较厚的土地，裂缝尚未贯穿上下，可通过就地充填、碾压、平整等工程措施进行处理，即将裂缝挖开，填入黄土夯实平整。对于宽度小于100 mm的矿山采空区永久裂缝，可选择就地平整、碾压的措施，根据不同地形条件和裂缝结构，计算确定合适的标高和坡度，通过挖填平衡，减少土方运移，根据具体情况适当进行表土剥离，剥离后进行土地平整，使各地块的地面坡度、标高保持在规定的标准内。对于煤层群继续开采的地区，地表将一直受到扰动，黄土层土地处于变形期，所以可选择简单、经济的基本工程措施将其暂时处理，达到满足基本农业生产和林草生长要求，待其开采结束，土层变形稳定后再采取适当工程措施，进行进一步处理。

破坏程度中度及重度的土地，裂缝宽度一般大于100 mm，最宽的达400 mm以上，有时裂缝穿透土层，多条裂缝平行于开采边界，同时出现台阶（一般的，当水平变形大于10 mm/m时会出现），陡坡区域的地表裂缝还可能出现明显的滑移现象。如果采用直接充填的方法不能达到很好的效果，此时可用粒径较大的废石块先充填裂缝，起到反滤的作用，达到合适标高后再覆盖黄土，填土方法可根据实际情况采用人工或机械充填。

3.2 地表整修

根据沉陷地周围地形，将沉陷地整修成平地、台田、梯田等。根据现行《土地复垦技术标准》规定，开展林牧业土地坡度宜≤25°，地表整修时，对于坡度较大的地段，应采用装载机和推土机进行土地平整，对于土方量需求大的地块，可以优先就近选用矿山煤矸石等废弃材料进行回填。在矿产开采过程中机械设备的反复碾压，导致土层结构被破坏，土壤板结的土地，作物无法正常生长，可进行翻旋或覆土，确保形成耕作层，满足作物生长。覆盖土层的厚度不宜低于50 cm，覆土尽量避开雨季，运土、覆土尽可能选用轻型履带机械，避免对土壤结构造成二次破坏。考虑到项目区主要是黄土沟壑和梁峁地貌，为了有效控制水土流失，对于矿区内沉陷程度较轻、沉陷后地形坡度≤7°的耕地，只对地表进行整修。对于沉陷程度较严重，沉陷后地形坡度>7°的耕地，可以根据实际情况修筑梯田。

3.3 田块规划建设

1）田块划分设计：耕作田块大小的确定应综合考虑地形起伏情况、田间工程难易程度、是否便于耕作和排灌等方面的情况，方田的大小和形状受田间渠系和道路的走向控制。根据目前耕地、道路、渠系及地形坡度情况，拟确定方田长度为200 m，宽度为100 m，方向为东西向（长边顺等高线）[6]。

2）田块土壤设计：为保证耕作田块的土壤质量及当年增产，土地平整时应尽量保留耕层熟土，保蓄底墒，打碎土块，深耕细作。要重施有机肥，巧施速效肥，挖方部位的施肥量至少应为填方部位的2倍，并可使用污水处理站的污泥，用作农肥。要选种耐瘠作物，加强田间管理。采用保土保水蓄水耕作技术，防止水土流失和干旱。

3）田面坡降设计：耕作田块的设计必须遵循田块排灌畅通原则，确保耕地灌排调控方便，必须有一定的田面坡降，纵向（灌水方向）坡降应小于1/500，横向以水平为宜[7]。

3.4 植被恢复

植被恢复是矿区生态环境恢复与重建的基础和主体。恢复要坚持“从实际出发，因地制宜，循序渐进”的原则；适地适树，乔灌草合理配置；坚持以人为本，生态优先，造林绿化，改善生态环境，适当发展经济林，兼顾经济效益。治理区内植被恢复主要是沉陷区植被恢复工程，使治理区林草植被得到全面恢复，在最大程度上改观废弃矿区生态环境。为了给植物创造有利的生长条件，也为了沉陷地的植被恢复工程的施工安全和方便，一般要对沉陷区进行局部整地。另外，还要修建一定的灌排设施，借助离规划区不远的经过污水处理厂处理后的矿井水进行引水，引至规划区并配置滴灌设施种植适宜树种，造林绿化，恢复植被，建立良好的生态环境。

植被恢复时选择适宜的植物种类十分重要，尽可能选择耐受力比较强的植物，通过这些植物改善土壤结构和矿区环境，同时次生植物也能够正常生长。在选择植物种类时，优先考虑适宜当地气候环境的本地物种，再考虑对其他环境因素的广泛耐受性，如对重金属污染物的耐性、酸碱度耐性、盐渍化耐性等

在树种、草种的选择上，以当地优势品种为主。根据当地的种植经验及气候特点，推荐植物优选种类。草类目前主要选择苜蓿、沙打旺、黑麦草、沙棘等，这些草类是陕北地区的先锋植物种类，具有较强耐旱能力，生长速度快，有利于改良土壤结构、增强土壤固氮能力；灌木种类，首选适应性强的灌木，如红柳、沙柳、紫穗槐、柠条、梭梭树、沙棘等，这些灌木抗旱、抗污染、抗风沙、耐瘠薄，成活率较高；乔木种类，首选当地优良的乡土树种，如樟子松、侧柏、国槐、旱柳、新疆杨等，这些树木具有很强的忍耐性和可塑性。陕北地区降雨量小，干旱贫瘠，培育合适的外来植物种类难度较大，因此，建议优先选择当地优势植物种类。

初步选好植物品种后，还要通过经验类比、模拟种植试验、现场种植试验等方法筛选确定。筛选出的品种应具有较高的抗逆性和适用性，耐寒耐旱耐贫瘠，生长快，成活率高，尽量选用优良的当地品种，也可以尝试外来优良品种。植物措施施工工期往往视土壤墒情而定，一般放在春秋两季，严格按要求栽植，栽植完成后要定期进行施肥、浇水、修剪间伐、病虫害防治等措施，以提高苗木成活率，对死苗及早补植。

4 采煤沉陷区治理综合效益分析

4.1 社会效益分析

进入21世纪以来，我国工业化和城市化得到空前发展，人民生活水平不断改善，国家进入全面建设小康社会决定性阶段。随着经济和社会发展，对于煤炭等矿产资源的需求与日俱增，经济发展与生态环境建设之间的矛盾日益尖锐，矿区生态环境治理要求也更加迫切。因此，加强矿区生态环境治理，尤其是采煤沉陷区治理技术的研究与分析，这既关系到陕北地区经济的可持续发展，也关系到社会稳定，也是深入贯彻习近平总书记生态文明建设重要战略思想具体体现。因此，治理神府采煤沉陷区，为以后的矿山环境综合治理打下坚实的基础，具有巨大的社会效益。

4.2 生态效益分析

神府矿区采煤沉陷区的综合治理方案为以后实施的工程措施、生物措施和科学合理的管理措施来实现神府矿区采煤沉陷区的治理提供依据。采煤沉陷区的综合治理主要采取平整沉陷土地、土地复垦、植树种草、建设生态涵养林等措施，进行统一规划，统一实施，综合治理。

对神府矿区进行的生态防护林规划建设，起到了防风固沙、调节气温、减小风速、保持水土、减少土地荒漠化、控制地表径流、涵养水源、增加湿度、改善土壤结构的作用，项目区的林木覆盖率将大幅度提高，水土流失得到全面治理，矿区的生态环境得到极大的改善。

此外，土地复垦工程的规划，使矿区绿地面积增加，构成了稳定性强的复合农业生态系统，增强了对自然灾害的抵抗力，减少了水土流失，使区内生态环境得到改善，土地利用趋向良性循环，增强了农业生产的后劲。

采煤沉陷区综合治理后，矿区土地复垦率达60%，重点开发区的矿区生态环境恢复治量率达50%以上，这将使榆林矿区生态环境状况得到明显改善，矿区人民群众生产生活得到有力保障，具有良好的生态效益。

4.3 经济效益分析

采煤沉陷区的综合治理对企业和当地居民的经济效益是明显的，对地表沉陷区、采空区、地裂缝等破坏土地进行综合治理、复垦，这不仅使林地、耕地、草地及建设用地面积增加，而且使由于弃耕而造成荒废土地得到重新利用，对神府矿区的农业生产具有巨大的促进作用。