焦作采煤沉陷区土地综合整治与生态重建

来源:用户上传      作者: 王锐　蔡太义　张合兵等

　　摘要：采煤活动引起的地表沉陷和生态环境问题是制约矿区可持续发展的重要因素。以焦作矿区为例，开采沉陷面积达70.16 km2，最大沉陷深度超过8 m，导致一系列严重生态环境问题，如土壤侵蚀、土壤肥力下降、植被退化等。在低山丘陵沉陷区土地修筑梯田或改为缓坡地，在平原沉陷区采用排水、煤矸石或粉煤灰充填、挖深垫浅等工程措施。同时，采用种植大豆、花生等豆科植物或禾本科植物、增施有机肥等措施提高复垦土壤质量。
　　关键词：矿区；综合整治；生态重建；焦作
　　中图分类号：TD88 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）14-3283-03
　　我国90%左右煤炭产区生态环境十分脆弱，突出的生态与环境问题主要表现为地表沉陷引发土地资源破坏、煤矸石堆放压占土地及其在雨水淋溶作用下对周边生态环境的污染、矿井排水导致水资源破坏等。以煤矿开采区土地资源破坏为例，截至2007年，采煤沉陷区面积总计达8 000 km2，且新沉陷区面积仍以较快速度增加。由沉陷、污染等原因造成的土地退化严重影响了当地居民的正常生产和生活。
　　近年来，针对煤炭开采引发的生态与环境问题已经开展了大量的研究工作，一些土地复垦和生态恢复与重建工程也是卓有成效的。例如，开采沉陷预防及控制技术、沉陷区地表恢复及复垦技术、煤矸石山植被覆绿及景观重建技术、复垦土壤重构技术、矿区环境综合治理技术及其应用等[1-5]，对不同破坏条件下矿区土壤、植被、生物等进行了大量深入研究[6-8]。通过在不同矿区的实践表明，这些工程和生物技术措施能较好地改善矿区生态环境质量，一定程度上促进了矿区社会经济的协调发展。以河南省焦作矿区为例，在分析矿区土地退化状况的基础上，针对矿区自然地理条件差异和土地破坏特征，提出相应的生态重建和综合治理措施，为该矿区开展土地复垦和生态重建提供理论指导。
　　1 研究区概况
　　矿区位于河南省西北部，地处太行山脉与豫北平原的过渡地带，地势西北高东南低，面积达4 000 km2。主要生产低灰、特低硫、高发热量的优质无烟煤，是我国六大无烟煤生产基地之一，也是河南省特大型煤炭基地之一。矿区属暖温带半干旱半湿润区，年均降雨量610 mm，降雨主要集中于6～8月，占全年的55%，年平均气温14.2 ℃。矿区地下水资源丰富，主要有第三系、第四系砂砾层水，地下水埋深一般在1.6～21.2 m。
　　2 采矿对土地资源的破坏
　　2.1 采矿引起的地表沉陷
　　焦作矿区属于厚煤层和多煤层开采，具有矿井分布范围广，开采深度变化大，地表沉陷面积大，移动持续时间长等特点。矿区开采已百余年，原有13个矿井，其中6个矿井已关闭，现有生产矿井7个，多数进入残采期。
　　矿区生产活动形成了分布较广的沉陷区，据统计，13个矿井生产产生的沉陷总面积70.16 km2（表1），其中稳定沉陷区48.16 km2，非稳定沉陷区22.00 km2。矿区地表沉陷深度多在1.20～4.30 m，平均深度为3.10 m，最大下沉深度达8.19 m，最大地表水平位移达1.96 m。地表沉陷对土地的破坏程度多为轻度和中度，主要表现为部分土地易形成积水，使土壤盐渍化，土壤肥力下降；坡度变化，导致水土流失；在浅部开采区、急倾斜煤层露头开采区，地面出现沉陷坑、沉陷漏斗，导致水分丧失，影响农作物的生长；采空区边缘地表附近出现裂缝，其长度一般为30～150 m，宽度0.03～2.00 m，深度为2～3 m，最深可达几十米。
　　地表沉陷对农田的影响主要表现在灌溉条件受到破坏，但其耕作功能没有被完全破坏，大多情况下经过合理规划和必要整治，仍能恢复耕作能力和生产水平。地表沉陷对农田的破坏程度多为轻度和中度，其中，轻度主要表现为地面有轻微变形，不影响耕作，也不影响作物的生长，水土流失略有增加，主要集中在采区中央位置；中度主要表现为地面沉陷破坏比较严重，出现明显的缝、坡、坎等，影响农田耕种，导致减产，也影响作物生长，水土流失有所加剧，主要分布在下沉盆地的边缘部分。
　　2.2 开采沉陷对水体产生影响
　　地下开采导致覆岩及地表破坏，从而使地下、地面水体受到破坏，导致含水层水位下降、地面河流干枯，并破坏地下、地面水资源。由于开采沉陷使含水层水位下降，植被生长受到影响，土壤更干燥，加剧了矿区的土地退化。
　　焦作矿区矿井涌水量约1.7亿t/a，每吨煤排水量约60 t。矿井水综合利用水平低，大量水外排，造成水资源严重浪费；同时，排放的矿井水中含有大量煤粉、岩粉等悬浮物质以及其他污染物，污染周围土壤和其他水体。
　　2.3 采矿破坏植被引发水土流失加剧
　　北部低山丘陵区露天开采矿，地表物质的剥离、扰动、搬运、塌落和堆积，造成大面积的植被破坏和山体土体稳定性下降，土壤抗侵蚀能力降低，产生的废石、废渣等，在暴雨侵蚀下极易形成规模较大的水土流失。同时，采矿活动对林草植被的破坏，易使得水土流失加剧，也导致生态系统的服务功能持续下降。
　　3 沉陷区土地综合治理与生态重建技术
　　3.1 沉陷区工程复垦技术
　　3.1.1 低山丘陵沉陷区 主要分布在焦作矿区北部，为太行山前坡地，地表地势起伏较大，地下开采后引起地表下沉、塌陷、移动，塌陷区内裂缝遍布，高差变化较大[9]。低山丘陵沉陷区及积水沉陷区的边坡地带，可改造成梯田或缓坡地，重建为保水保土、农果相间的陆地农田生态系统。
　　梯田的水平高度应根据地面坡度的陡缓、土层的厚度、工程量大小、植被种类、耕作机械化的程度等因素综合考虑。一般在地形坡度小于5°的情况下，田面宽以30 m左右为宜；10°以上丘陵陡坡田面宽以不小于8 m为宜，最小不小于2 m。梯田边坡大小与田坎高度和筑埂材料有关，可以土坎为主。该区域土壤质地为壤土，田坎高度与田坎占地宽度比值一般取1∶0.3～1∶0.4，以保证田坎稳定和减少占地为原则。坡地田面坡度的大小和坡向，要以不冲不淤为原则。 　　根据沉陷区地面坡度，在坡度较小情况下修筑梯田施工可以采用条带法。具体是沿着坡面将之分为若干条带，施工顺序为间隔条带剥离堆放表土，再进行底土平整，修筑田坎，待其完成后将堆存于两侧条带内的堆存表土复填到该条带之上，并剥离两侧条带内表土堆存于已经平整好的条带上，进行平整后回填剥离的表土。
　　地面整治结束以后，以种植果树为主，间种花生、大豆等模式进行农业生产。由于施工过程中可能造成土壤养分损失或者贫化，可以增施发酵后的家畜粪便或者其他有机物料以增加土壤有机质含量，并施用氮磷等肥料满足作物养分需求。
　　3.1.2 平原沉陷区 在焦作矿区南部，地表地势较为平坦，地下大面积正规作业开采形成的塌陷盆地相对平缓，地表破坏程度较轻，塌陷区土地高差一般在3 m以内[9]。可以采取以下工程技术进行治理：
　　1）疏排水法。主要针对地表沉陷不大，且正常的排水措施和地表整修工程能保证土地的恢复利用，确保第一层煤开采后的浅沉陷区正常种植。
　　2）挖深垫浅法。将未来积水区表土预先取出，根据预测下沉等值线，平整周围缓坡地，所挖精养鱼塘一方面可以养鱼，另一方面又可泄洪蓄水，提高沉陷区防洪抗旱能力；同时，在积水前治理有利于机械化施工，提高治理效率，避免积水后给施工带来的困难。对于大面积的沉陷地，特别是大面积积水或积水很深的水域、未稳定沉陷地、暂难复垦的沉陷地，可直接利用，如网箱养鱼、养鸭、种植浅水藕等。在矿井工业场地附近利用积水沉陷坑修建小型水上公园，提供休闲场所。
　　3）废弃物充填法。利用煤矸石或锅炉灰渣进行复垦，但在复垦过程中要注意防止二次污染，并优先考虑迁村等的建筑复垦或近地重建，对于市区内或者周边沉陷区复垦后也可以考虑作为生态用地，建设森林公园或者其他休闲场所。
　　3.2 沉陷区生物复垦技术
　　在复垦区内种植花生、大豆等作物或者一年生豆科植物，以改善土壤理化性质。利用含硫较高的煤矸石作为充填物时，应防止其氧化后致土壤pH减小，可使用石膏、氯化钙、碱性磷酸盐等调节剂，改良土壤的酸碱性。将粪便、秸秆、有机废渣等发酵后施用到复垦后土壤中，增加土壤有机质的含量，改良矿区土壤结构，消除一些过黏、过沙土壤的不良理化特性。
　　3.3 其他整治保护治理措施
　　3.3.1 地面水体保护措施 随着井下煤层的开采，地面之上的水体可能遭受不同程度的影响和破坏。地面水体保护与治理应结合沉陷稳定后可能出现的沉陷积水区统一规划，制定措施。对于人工河堤及水利设施应加以维护、加固，保证其正常使用。
　　3.3.2 路、桥、管、线保护措施 井田范围内的公路、桥涵、高压线等设施因地表变形会遭受一定程度的影响，可采用地面维护、调整、加固、修复，必要时改线，以保证设施运行安全、不间断。
　　4 结论
　　1）根据地形地貌，沉陷区可简单分为低山丘陵沉陷区和平原沉陷区，分别采用不同的土地工程复垦和生物复垦技术。低山丘陵沉陷区以修筑梯田或缓坡地为主；平原沉陷区以恢复种植为主，可种植花生、大豆等作物同时根据情况因地制宜，发展水产养殖或者修建水上公园等。
　　2）在进行生态重建和综合治理过程中，既要科学规划，减少投资，变废为宝，又要考虑地区自然、经济、技术现状，还要遵循生态学原理，以求达到最大的社会、经济和生态效益。
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