采煤塌陷区环境恢复治理措施研究

2022-04-08雷薪雍陈拓其张海荣

能源与环保 2022年2期

雷薪雍，陈拓其，张海荣

(榆林职业技术学院，陕西榆林 719000)

能源是社会经济发展的重要基石，煤炭资源是能源结构体系中非常重要的构成部分，为社会经济发展做出了非常重要的贡献[1]。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，每年都需要开采大量的煤炭资源。煤炭资源的开发利用虽然为我国各地区的经济发展注入了很大活力，但与此同时煤炭开采过程也给附近区域的生态环境造成了不良的影响[2]。轻则影响周围的空气、水质、土壤等生态环境，对于开采比较严重的地方已经出现了非常大的采煤塌陷区。塌陷区的形成会给地区的社会经济发展和人们的正常生活带来一系列问题，已经成为地区经济发展的重要制约因素[3]。党的十八大以来，中共中央越来越关注生态环境问题，因此各地区的政府部门越来越重视采煤塌陷区的治理工作，都在积极采取措施对塌陷区进行治理，取得了很大的成效[4]。本文在充分借鉴已有成功实践经验的基础上，对某地区采煤塌陷区的环境恢复治理工作进行了系统深入的研究，提出了对应的治理措施，并分析了产生的效益。对于生态环境保护、促进地区经济发展具一定的实践意义。

1 采煤塌陷区基本情况

1.1 塌陷区概述

经过前期的地质勘查，发现某井田存储的煤矿资源超过了20 000万t。矿井设计的生产能力为每年240万t，根据该开采速度，井田需要通过65年左右时间开采完毕。该煤矿已经经过多年的开采，为地区社会经济发展作出了非常重要的贡献。由于部分采区的煤矿已经开采完毕，受地质扰动的影响，很多采煤区域出现了塌陷的问题，给地区的生态环境造成了恶劣影响。经过前期测量发现整个矿井范围内超过2 667 hm2土地出现了塌陷问题，并且绝大部分没有得到妥善处理，塌陷区域内积累了大量的雨水。经过科学的预测，认为井田每年将会有400 hm2左右的区域发生塌陷现象。基于此，有必要采取措施对采煤塌陷区进行综合整治，避免对附近生态环境产生不良影响。

1.2 塌陷区主要特征

利用先进的RS/GIS塌陷信息识别诊断技术，可以对矿区内出现的塌陷情况进行识别判断[5]，塌陷区局部区域的遥感信息识别如图1所示。基于图像信息可以判断塌陷区的一些重要特征，比如水量不同对遥感信号的吸收程度不同，因此不同颜色可以代表不同位置水的储存量。目前矿区地表塌陷面积非常大，并且沉陷速度很快，通常情况下工作面推进60 m后，地表就开始出现了沉降的趋势，沉降整体上表现出很大的不均匀性，沉降速度每日最高可达60 mm。截至目前，采空区沉陷的深度平均值为3 m。

图1 遥感信息识别Fig.1 Remote sensing information recognition map

2 生态功能重构模式分析

目前针对采煤塌陷区的生态功能重构方面的研究很多，学者们提出了很多重建模式。对于塌陷区存在大量积水的情况，进行水陆交换几乎是所有重构模式的核心内容。目前人们讨论较多的模式主要有3种[6-7]：①旅游生态集镇配置模式。这种模式比较适合塌陷区面积非常大并且塌陷区存储了大量积水的区域，因为这些区域进行水陆交换难度较大，会受很多方面因素的制约。②农渔禽兽生态配制模式。这种模式充分遵循生物多样性的特点，按照食物链原理进行生物的配制。适合在塌陷面积相对较大但是深度不是特别大的区域。基于采煤塌陷区农渔禽兽生态配制模式的结构如图2所示，在此生态系统内部，消费者、生产者以及还原者之间实现了物质和能量的循环利用。比如禽类养殖中产生的粪便可以作为农业生产的肥料，而农业生产中产生的副产品可以作为鱼类的食物等。采用这种生态模式进行配制时，需要结合塌陷区不同塌陷深度合理选择不同的物种，不同深度需要配置的物种类型如图3所示。③农林渔配制模式。这种模式适合塌陷区面积较大但是塌陷深度非常浅的位置。因为浅的塌陷区可以通过回填的方式实现复垦，以扩大农业和林业的种植面积。

图2 农渔禽兽生态配制模式结构示意Fig.2 Schematic diagram of ecological configuration model structure of farming，fishery，poultry and beasts

图3 采矿塌陷区不同深度的物种配置情况Fig.3 Species configuration at different depths in mining subsidence area

3 塌陷区土地复垦适宜性评价分析

3.1 评价方向和单元划分

结合采煤塌陷区实际情况，拟在塌陷区中开展农业种植、林业种植和渔业养殖。因此，在对塌陷区复垦适宜性进行评价时，主要从以上3个方向进行评价。

在对整个塌陷区进行评价时，需要根据不同区域的特点进行单元划分。单元划分时需要基于GIS软件平台，充分利用该区域的土壤图、地形图以及地下水位图等。单元划分最重要的依据就是塌陷程度，本案例中可以将塌陷区划分成为4个单元，分别为塌陷深水区、塌陷浅水区、盆缘沼泽区、盆缘外缘区，采煤塌陷区单元划分情况如图4所示。为了方便描述，以上4个单元可以命名为深积水塌陷区、浅积水塌陷区、非积水塌陷区A、非积水塌陷区B。

图4 采煤塌陷区单元划分情况Fig.4 Unit division of coal mining subsidence area

3.2 评价指标及其权重的确定

采煤塌陷区拟从农业种植、林业种植和渔业养殖3个方向对其进行评价，不同方向评价指标存在一定程度差异，不同方向内部不同指标之间的权重也会存在差异，需要结合实际情况来合理确定[8]。在充分借鉴已有实践经验并考虑实际情况的基础上，3个方向上制定的评价指标及权重关系分别见表1、表2、表3。

表1 农业种植方向评价指标及权重Tab.1 Evaluation index and weight of agricultural planting direction

表2 林业种植方向评价指标及权重Tab.2 Evaluation index and weight of forestryplanting direction

表3 渔业养殖方向评价指标及权重Tab.3 Evaluation indicators and weights of fishery aquaculture direction

3.3 评价方法及结果

将以上3个方向上设置的指标等级分别赋予不同的分数。其中，一级、二级、三级、四级分别对应3分、2分、1分和0分，将每个指标所得分值乘以权重系数，然后将所有指标的结果进行相加，即可得到综合分数。根据综合分数大小可以将其分成4个适宜性等级，分数越高表示适宜性越好，等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对应的综合分数范围分别为2.25～3.00、1.50～2.25、0.75～1.50、0～0.75。基于以上数据可以计算得到采煤塌陷区4个单元在3个方向上的适宜性结果(表4)。

表4 采煤塌陷区4个单元在3个方向的适宜性结果Tab.4 Suitability results of four units in three directionsin coal mining subsidence area

从统计计算结果可以看出，此次拟治理恢复的总面积为641 hm2。其中，非积水塌陷区A和B适合进行农业种植，面积为508 hm2；浅积水塌陷区适合进行林业种植，面积为71 hm2；深积水塌陷区适合进行渔业养殖，面积为62 hm2。

4 塌陷区复垦主要技术研究

4.1 土方回填技术

土地如果想达到耕地的标准，有效土层厚度需要超过0.1 m[9]。在进行塌陷区土方回填前，需要结合实际情况确定合理的耕地标高，标高的合理确定不仅会影响农作物和林业种植的质量，也会影响整个工程的投资。在充分分析实际情况的基础上，最终确定的耕地标高为+34.3 m，与塌陷前的地面相比较降低了0.5 m。由于耕地标高比原有标高要低，为了防止土地在后续的使用过程中产生盐碱化现象，需要对排水系统进行科学合理设计。

对于耕地区域进行回填的同时涉及到取土问题，将取土深度设置为4 m，取土面积需根据回填实际情况确定。取土后考虑到该区域的美观性，将土坑坡比设置为1.0∶1.5左右，具体数值可以根据土壤性质微调。结合实际情况，最终确定的取土区域为椭圆形，椭圆形的长边和短边长度分别为720 m和470 m，取土后形成一个人工湖。经过计算，可以取得的土方量为103.5万 m3，而实际需要回填的土方量为99.9万 m3，可见取土量能够满足回填量。

4.2 塌陷区生物性复垦技术

对于塌陷面积非常大并且尚不是非常稳定的区域，可以不对其进行特殊处理加以直接利用[10]。比如可以利用网箱进行养鸭、养鱼或者在浅水区域种植水藕作物，通过生物方式实现塌陷区的缓慢修复。对于适合林业种植的区域，可以结合该地区实际情况，包括地理位置和气候条件等选择最适合的品种进行种植，提高存活率。在复垦区域适当位置修建人工湖，湖周围修砌环湖公路，公路可以利用煤矿开采中产生的矸石直接回填。研究中回填的矸石量达到了1.3万m3。公路的两侧种植杨树、柳树等，间距控制在3 m左右，形成环湖绿化带。采取多种措施提升整个复垦区域内的生物多样性，使之形成一个可以实现自我调节、环境优美的生态系统。

4.3 农田水利设计

完善的水利设施是实现复垦的基础和前提，在进行塌陷区复垦的同时，需要将地表中积累大量水进行排除，研究中主要采用的是疏排法进行治理，即通过修建大量的沟渠，将塌陷区的积水引入到附近的河流和湖泊中，部分区域采用水泵进行强排。通过对地表积水的控制，可以显著降低土壤中的含水量，进而促进农业作物和各种树木的健康成长。工程中修建了大量的斗沟、农沟和毛沟。其中，斗沟长1.5 ～ 3.0 km，间距1.0～1.5 km，沟深1.88～2.22 m，底部宽1.5～2.0 m，边坡为1.0∶1.5～1.0∶2.0；农沟长0.5～1.0 km，间距0.3～0.5 km，沟深1.5 m，底部宽1 m，边坡为1.0∶1.0～1.0∶1.5；毛沟长0.2～0.5 km，间距0.2～0.3 km，沟深1 m，底部宽0.5 m，边坡为1.0∶1.0。

5 塌陷区治理结果与效益分析

5.1 塌陷区治理结果

此次治理的采煤塌陷区整体面积超过了700 hm2，整个项目投资将近8 000万元。通过对塌陷区的综合治理，增加了耕地面积近470 hm2，养殖面积增加超过40 hm2，新建立的人工湖泊面积约为20 hm2，有将近140 hm2的面积可以用于工业建设和新农村建设。

5.2 产生的效益分析

通过对采煤塌陷区的综合整治，产生了非常显著的社会效益、经济效益和生态效益，以下主要从以上3种效益层面进行详细的介绍。

(1)社会效益。整个区域范围内增加了耕地面积470 hm2，在这些耕地面积上有超过92%以上的面积真正实现了农业种植，占据整个塌陷区面积的60%以上，塌陷区治理恢复用地占比情况如图5所示。农民获得了更多的土地种植农业，社会稳定性得到显著提升。另外，通过此次治理恢复新增了近60 hm2的水域面积，其中2/3的面积可以进行养殖，1/3的面积可以作为湖泊景观。水域面积的增加，不仅为当地居民提供了大量的养殖场地，而且极大地改善了生态环境。最后，还恢复了140 hm2的新农村建设以及工业建设用地，在一定程度上改善了人们的居住环境。

图5 塌陷区治理恢复用地占比情况Fig.5 Proportion of land used for treatmentand restoration of subsided areas

(2)经济效益。通过对塌陷区进行复垦产生了良好的经济效益，经济效益主要有2个方面的来源，第1为土地复耕，第2为渔业养殖，经济效益统计计算见表5。

表5 农渔业收益情况计算Tab.5 Calculation table of income from agriculture and fishery

上文已述，此次新增加的耕地面积达到了470 hm2，在这些土地上冬天可以种植小麦、夏天可以种植玉米，通过农作物的轮作可以最大限度地发挥土地的效果，实现一年两熟的目的。根据农作物的产量统计结果，平均每年可以生产的小麦和玉米质量分别为5 250、6 750 kg/hm2。进一步统计发现，整个复垦区域每年种植农作物的收入为768.45万元；在渔业养殖方面，养殖面积大约为40 hm2，每年可以创造的净收入为54.40万元，农业种植和渔业养殖每年创造的总净收入为822.85万元。此次采煤塌陷区复垦治理修复共投入资金8 000万元，10年内就可以收回投入的成本。

(3)生态效益。采煤塌陷区在治理前存在严重的环境问题，给该地区的生态环境治理造成了极大的困难。通过投入大量资金对塌陷区进行复垦修复治理之后，形成了新农村、生态景观、湖泊以及农田等多种形态的景观。此次复垦修复中将原本散乱分布的居民点全部搬迁重建，使居民聚集在一起，同时也确保了农田的连续性，产生规模效应。特别是在居民区附近建设的人工湖泊，使周围的居住环境得到极大改善，产生了非常好的生态效益。