辽源市西安采煤沉陷区矿山地质环境生态修复方法和绿化方案浅析

张楠

辽源市沉陷区治理中心，吉林 辽源 136200

0 引言

矿产资源是促进生产发展和保障社会稳定的重要资源，始终在国民经济建设中占据基础地位。由于诸多历史原因，长期以来，包括煤炭开采在内的几乎所有矿产资源开采过程，都因过分注重经济效益，缺少规范管理措施，缺乏环保认识等，经历了粗放式的开采，严重破坏了矿山地质环境。近年来，随着可持续发展理念的提出和贯彻落实以及对生态环境保护工作的重视，矿山生态修复越来越得到诸多专家和学者的关注，成为矿山地质环境恢复治理研究与实践中的热点问题，国家不断加大了对采煤塌陷区等矿山地质环境恢复治理工作的支持力度，使采矿区废弃、污染的土地资源得到有效治理，为矿区的发展提供了用地保障，也使矿区的生态环境得到改善[1-4]。

1 项目概况

辽源市西安采煤沉陷区位于吉林省辽源市西北部，是原辽源煤矿集中所在地。辽源市自1911年发现煤田以来，先后经历上百年的开采，从二十世纪九十年代开始，煤炭资源逐渐枯竭，到本世纪初，部分煤矿企业相继破产，经济下滑的同时，采空矿井大量出现地面塌陷等地质灾害，致使辽源市西安采煤沉陷区逐步形成。沉陷区总面积34.03 km2，其中地面塌陷面积18.95 km2，影响波及区面积15.08 km2(1)吉林省地质环境监测总站，吉林省辽源煤矿灯塔地面塌陷矿山地质环境恢复治理工程设计[R].吉林省地质资料馆，2011.。近年来，辽源市开展了多项针对采煤沉陷区矿山地质环境生态修复改造的治理工程，因矿业开采严重受损的生态环境得到了一定修复。

2 区域地质背景条件

2.1 地形地貌

该区属河谷低山丘陵地形，海拔高度245～450 m。东辽河自东而西横穿全区过境，四周被低山丘陵所环抱，其间为东辽河谷及其支流冲洪积平原。按地貌形态成因分为：剥蚀构造低山丘陵、剥蚀构造丘陵、河谷漫滩阶地等。

2.2 地层岩性

辽源为中生代盆地，其地层以侏罗系上统含煤层为主，零星分布奥陶系上统石缝组变质岩、砂岩、大理岩等；市区西北角出露白垩系下统砂岩、砂砾岩和泥页岩；上第三系玄武岩分布于西北部一座英山、老道山、西猛虎亮山等地；沿东辽河及其支流漫滩阶地发育第四系松散堆积层。

2.3 地质构造

辽源位于天山—阴山东西向复杂构造带的东端，与新华夏构造体系张广才岭—那丹哈达岭隆起带相交汇地区。西北临松辽坳陷沉降带，伊舒华夏式地堑；东南与海辉桦华夏式盆地相接；西靠铁岭—四平新华夏系褶段带，东毗吉林帚状构造。受其影响东西向构造和北西向构造控制了区域构造格局，致使辽源煤系地层遭受挤压碎裂，北东、北西向断裂发育，并且控制了中生代沉积与新生代中基性岩浆活动等。

2.4 水文地质

辽源水文地质条件较简单，沿东辽河及其支流漫滩阶地埋藏有水量中等的松散岩类孔隙潜水；辽源中生代煤田盆地蕴藏有水量较贫的碎屑岩孔隙裂隙水；低山丘陵花岗岩区发育水量较贫乏的风化裂隙水。此外，零星分布水量丰富的奥陶系碳酸盐岩溶隙裂隙水等。

2.5 工程地质条件

区内工程地质条件大致可分为以花岗岩为主的硬质岩区，侏罗、白垩系砂岩、泥岩软质岩区及河谷地带松散土等性质不同的工程地质区。

2.6 主要问题及危害

2.6.1 地面塌陷

由于持续的采煤活动，地下矿物逐渐被掏空形成采空区，导致岩石结构和周围区域的应力平衡发生变化，导致地面塌陷。进而导致地面建筑物、道路、桥梁和其他城市基础设施受损。

2.6.2 地表积水

因为各矿井的含煤地质条件、开采工艺、开采规模、开采年限和开采深度的不同，形成了不同大小的采空区，造成不同大小的地面塌陷，导致地表积水、房屋和耕地被淹，居民被迫搬迁，无法耕种土地。塌陷幅度较大、破坏较严重的区域是太信、灯塔、西孟三大地面塌陷区，塌陷面积达600.73 hm2，塌陷幅度最大为15 m，其上共有大小积水池沼14处，积水总面积61.42 hm2。不仅土地无法耕种，因水源无法流动，水质极差，水生态环境破坏也十分严重。

2.6.3 土地资源被占用

首先，塌陷和积水造成大量土地资源被破坏；其次，废弃的厂矿因破产关闭，占用的土地未转化未使用；第三，洗煤产生的煤矸石堆积成山，占用大量土地(见图1)。

2.6.4 植被受损

由于采煤沉陷区长期开采过程中对生态环境和绿化工作缺乏高度重视，加上地面塌陷、积水等问题，部分原有树木遭到破坏，导致多年来该区植被多样性受损，绿化覆盖率低，生态系统稳定性差。

图1 治理前土地资源被破坏、占用Fig.1 Destruction and occupation of land resources before governance

2.6.5 生态环境恶化

因先前开采过程中始终追求经济效益，缺乏对生态环境保护的认识和重视，周边生态环境本就遭到破坏，加之大面积的工业废弃地和煤矸石堆放地侵占了大量土地资源，导致地质地貌景观受到一定影响。另一方面煤矸石的长期堆积，容易造成环境污染。煤矸石中含有硫、铁矿石等物质，随降水渗入，对土壤和地下水造成一定程度的污染。煤矸石山自燃产生的二氧化硫和烟尘形成大气污染，也加重了沉陷区生态环境的恶化，给周边居民日常工作和生活带来一定影响。

3 矿山生态修复方法

针对沉陷区存在的问题，治理工程一是采用工程修复，为植物提供有力的用地条件和生长环境；二是采用生物修复，主要是植物修复，通过种植各种绿色植物，改善土壤环境，也能够提高治理区绿植覆盖率，提高生态系统稳定性，改善受损的生态环境。

3.1 工程修复

3.1.1 场地整理

在生态修复治理中，治理项目资金十分有限，无法实施对采煤沉陷区的整体综合治理。因此，在治理区域的选择上，重点选择塌陷稳定区域，避免由于持续塌陷问题，影响治理效果，造成人力、物力和财力等资源的大量损耗。部分治理区域原为废弃的工矿厂房和居民宅基地，搬迁后形成了大量建筑废弃物，进行拆除处理之后对地形地貌造成极大的破坏，不利于后期的治理，因此对废弃地的整理需要清除大量的建筑垃圾，并采用机械挖填平整，尽可能恢复原地貌。

3.1.2 回填耕植土

为确保治理工程达到修复受损土地资源及生态环境的效果，必须对现场受损的地形进行科学回填和修整。采煤塌陷区土壤条件相对较差，多数情况下会存在重金属污染，利用天然物种进行土壤修复有成本低、不破坏土壤结构、无二次污染等优势[5]。但在污染严重的区域或土层较薄的区域，为了满足生产和种植要求，需要对土壤进行改良和回填处理，使土壤能够满足植物种植和生产的需要，提高绿化和后期生长管理水平以及植物成活率。治理工程选用了客土法改良土壤，所用回填土石方一部分采用煤矸石，能够节约成本，其他所需黏土及耕植土均取自运距范围在10km之内的取土场，在降低运输成本的同时，也能保证土壤质量符合植物生长要求。各类绿化植物生长的最小土层厚度见表1。

表1 植物生长的最小土层厚度

3.1.3 疏排水渠道

因采矿活动所形成的塌陷坑已基本趋于稳定，塌陷区的排水沟大多是自然形成的，在防洪排水渠道上，会出现排水不畅、渠道狭窄等问题。每到雨季，低洼地段常被积水淹没，造成树木涝害，甚至死亡。治理工程一般采用生态排水沟代替传统的砖混结构排水沟，先用吊钩机开挖疏通淤泥，疏通排水渠道，后在沟边种植紫花苜蓿护土护坡，这样不但可以实现排水效果，也能发挥生物绿化的作用。在地势低易积水的治理区域，根据现场地形和植物需水量，选择耐涝的树种，并起垄种植，在两条垄之间形成沟渠，及时排水，以防涝害。

3.2 植物修复

治理工程主要采用植物绿化方式实现矿山生态修复治理。在选择植物的过程中要坚持以下原则:首先，要坚持植物多样性原则，尽可能选择多种乔木、灌木、地被、藤本植物进行组合，营造适应性和稳定性强的植物群落；其次，要考虑植物的先锋性，因矿产开采对土壤造成一定污染，使土壤中缺少营养物质，在生态修复的过程中，选择豆科类等先锋植物可以提升土壤有机质含量，达到快速修复的目的；最后，要充分应用植物的抗逆性，如在低洼地区选择柳树等耐涝树种，在寒冷地区选择冷杉等抗寒树种，抗逆性决定了植物生存的能力，抗逆性强的植物能够在逆境中更好地生存，其影响着矿山生态修复长期的治理效果。治理工程在坚持适地适树,综合考虑以上原则的基础上，结合本地气候、水文、地质、周围生态环境等因素，为实现科学配置，选择了云杉、冷杉、白桦、蒙古栎、五角枫、山杏、花楸、山槐、垂榆、桃叶卫矛、暴马丁香、珍珠梅、紫丁香、连翘、金银冬忍、重瓣榆叶梅、紫花苜蓿等50多种植物，对土地进行覆绿处理,提高区域植物覆盖率，提升区域绿化系统的稳定性。

4 绿化方案

4.1 紫花苜蓿复垦煤矸石山

区内煤矸石山占用土地资源，造成环境破坏，产生视觉污染。在煤矸石山复垦环节中，对矸石山进行了削坡和平整。根据植物生长基本要求，处理后的坡度不得超过15°，有利于水土保持。受煤矸石理化性质的影响，植物存活难度大。因此，在矸石层上覆盖50 cm的黏土，以增加土壤的保水性。在此基础上，为了满足植物生长需要，覆盖30 cm的耕作土壤，通过覆盖黏土和耕作土壤，达到适合植物生长的土壤条件。除此之外，在煤矸石山复垦作物的选择上采用了紫花苜蓿，治理工程种植面积21.35 hm2，种子用量为15 kg/hm2。紫花苜蓿作为一种绿色肥料作物，具有很强的抗逆性，由于其根系展现出较强的渗透能力，可以促进土壤水稳性团聚体，改善土壤的理化性质,适合保护土地，用于绿化种植。苜蓿属于一种先锋栽种植物，有利于增加土壤肥力、成熟和稳定性。同时，绿肥植物可以改善生态环境，以丰富昆虫和微生物作为诱饵，促进复垦土地上生物的快速增长[6]。紫花苜蓿种植后，土壤可以达到复垦的效果。煤矸石山治理前后对比效果见图2。

图2 紫花苜蓿复垦煤矸石治理前后效果对比Fig.2 Effect comparison of alfalfa reclamation before and after coal gangue treatment

4.2 积水坑湿地化改造

在采煤沉陷区的生态修复设计中，发挥湿地的生态功能是及其重要的一环，对生物多样性保育、水源涵养、水质净化、雨洪调控都有着积极影响和重要意义[7]。治理区由于多年的地下采矿活动导致地面塌陷进而形成了大量的积水坑，形成了次生湿地。由于塌陷程度差异以及湿地发育阶段的不同，形成了河流、湖泊、沼泽等多种湿地类型。治理区沉降较为严重的是河谷漫滩地，利用河谷漫滩地恢复、创建湖泊和沼泽湿地生态系统，在采煤沉陷区治理中具有一定的典型性和代表性。治理工程对湿地以保护和恢复为主进行改造，减少人为活动，在湿地周边培育了大量芦苇、菖蒲等多年生水生植物，扩大湿地面积、改善湿地水系，涵养湿地，充分发挥湿地的生态功能(治理前后对比效果见图3)。同时围绕湿地设立保育区、恢复区，合理利用区等，加强对湿地的保护与恢复措施，提高群众对湿地生态系统重要性的认识，参与湿地保护，为湿地生物多样性营造良好条件。通过多年的治理，湿地周边水环境指标大部分达到国家3类水标准，湿地野生动植物种类及数量明显增加，动植物栖息环境得到有效保护，提高了湿地生态系统的质量和功能。治理后湿地类型较为丰富，景观多样，湿地生态系统较为完整，功能比较健全。

图3 积水坑湿地化改造前后效果图Fig.3 Effect picture of ponding pit before and after wetland transformation

4.3 打造园林景观

在采煤沉陷区打造园林景观可以恢复原场地被破坏的地形地貌，使其成为城市绿地的一部分发挥生态功能。因此，治理工程在提高植被覆盖率的同时，兼顾周边居民实际需求，在适当区域打造园林景观。如：在鹿鸣湖修建环湖路及湖边景观带(见图4)，在富国新村建造小型公园广场，通过建设凉亭、廊道、雕塑等，并按照苗木种植流程(见图5)，将各种绿化植物合理配置，形成可供居民休闲娱乐游憩的场所。在营造园林景观的过程中，坚持现状加保护的原则，充分利用地形地势和原有树种，减少成本支出。依托地势起伏，选择适宜的造景植物，如红松、云杉、白桦、五角枫、梓树、糖槭、山槐等，配以相应的点位种植等排列方式，使景观效果自然协调。在沉陷区生态恢复过程中打造园林景观可以在空间上合理安排景观格局，达到修复效果实用价值高和可持续的目的，并且能够与周边城市绿地形成协调、稳定的生态系统。

4.4 苗木密植

在治理区的部分地块由于土地面积有限，周边基础设施和配套设施条件差，难以形成景观，因此选用了大小适宜的金叶垂榆、钻石海棠、紫叶稠李、山樱、山杏、云杉、冷杉等树种，按照2 m×2 m的间距进行密植。一方面通过苗木密植可以快速形成绿地，绿化效果明显(部分区域治理前后效果见图4)； 另一方面， 在土地资源有限的情况下，能够储备大量的园林绿化苗木。密植苗木经过短时期生长，就可以根据景观规划需要进行科学合理的抽稀，而此苗木可以用于后期绿化工程建设从而节省投资。

图4 鹿鸣湖及湖边景观带Fig.4 Luming lake and lakeside landscape belt

图5 苗木种植流程图Fig.5 Flow chart of seedling planting

5 结语

辽源市西安采煤沉陷区的治理工程通过场地平整、疏排水及绿化工程，通过各种绿化树种、绿肥作物和湿地水生植物，充分利用了被压占、污染和荒化的土地资源、复垦了裸露的煤矸石山、有效保护了湿地资源，提高了区内植被覆盖率、改善了沉陷区受损的生态环境，生态系统的稳定性得到了提升，在一定程度上降低了矿山地质灾害隐患的发生，有效的保障了周边居民的生命以及财产安全。治理工程栽植各类绿化树种21万余株，完成治理面积为3.3 km2，为采煤沉陷区综合治理提供了示范，也为周边居民营造了休闲娱乐游憩的恬静场所，但其与沉陷区34.03 km2的总面积相比，治理任务，任重道远，还需要在实践中不断探索前行。

矿山生态恢复属于一项全面、系统的综合治理工作，在实际中，需要进行“山、水、林、田、湖、草、矿、村”统筹视角的有机整合[8]。同时，还要整合多学科专业技术，开展多系统集成，提高生态修复效果，实现矿山生态恢复的综合治理，让土地绿起来、矿区美起来、百姓富起来。