廢棄礦山采煤塌陷區土地復墾綜合治理模式研究

毛旭閣

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

陜西省銅川市是一座因煤而興、先礦后市的典型資源型城市，是西北地區重要的煤炭和建材工業基地，伴隨著煤炭資源的大力發展，銅川市面臨著資源耗竭、土地持續沉陷、廢棄礦渣雜亂堆放、生態環境惡化和產業轉型等一系列問題，這些問題已經嚴重制約了地方經濟的發展，亟待解決。

目前我國對于資源枯竭型城市因采煤塌陷而形成土地復墾問題的治理模式研究案例較少，本研究通過實地調查因20世紀90年代開采廢棄的銅川市衣食村和草灘村沉陷區，查明廢棄露天采坑的范圍、廢棄堆渣場的空間分布形態及地面塌陷坑洞的大小和深度，總結采煤塌陷區礦山地質環境治理模式，對于指導廢棄礦山采煤塌陷區礦山地質環境治理工作具有重要意義。

1 研究區概況

通過調查訪問發現，銅川市衣食村和草灘村研究區煤炭開發歷史悠久，明清時期已有小煤窯沿煤層露頭開采，開采范圍一般不大，深度不超過100 m，多因自燃、水害和瓦斯事故而停產關閉，形成大小不等的采空區；1990-2002年期間，在研究區有衣食村露天煤礦、衣食村第二煤礦、衣食村河西煤礦等小煤礦從事露天和井工開采，生產原煤約為20萬t/a，開采對象為4-2#煤層，煤層厚度為3～5 m，較為穩定，地質構造和水文地質條件簡單，開采投資少，共開采原煤超過600萬t，巷道長度為50～150 m，有的巷道已與其余小煤礦貫通；截止到2008年該區的小煤礦全部報廢，地下形成大小不等的采空區，并在露天開采地段殘留和形成了多處露天采坑及堆渣場，致使該地區環境惡化又造成了資源的浪費。

銅川市衣食村和草灘村塌陷區屬大陸性半干旱氣候，四季冷熱多變，晝夜溫差懸殊，雨季集中，蒸發強烈，平均降水量為650 mm/a，7-9月降水量占全年降水量的65.8%，平均蒸發量為1183 mm/a。研究區內大部分由易滲透和大孔隙的各期黃土所覆蓋，加上自然條件差、生態環境脆弱以及氣候的變化致使煤礦采空區及各類斜坡地帶的地質災害屢屢發生，危害極大。

2 礦山地質環境問題及其危害

由于受到歷史發展階段環境保護意識的局限性，礦產資源的開發活動導致該礦區資源嚴重損毀(包括土地資源、地貌景觀、地下水資源、林地資源等的占壓與破壞)，誘發了礦山地質災害(地面塌陷、地裂縫、滑坡、崩塌、泥石流等)，污染了該礦區的水土環境。

2.1 地面塌陷

根據現場調查及資料分析，衣食村和草灘村研究區塌陷始于20世紀90年代初期，大范圍塌陷出現在20世紀90年代后期，每逢雨季塌陷形成的陡坡時有崩落，塌陷范圍及地面裂縫不斷擴大，采空區面積為82413 m2。在地面形成20余處塌陷坑，地裂縫10余條，許多塌陷坑裂縫長期冒煙，農田和植被遭到不同程度破壞，導致大量農田無法耕種和部分道路被毀壞。地面形成的采煤塌陷坑如圖1所示。

圖1 地面形成的采煤塌陷坑

2.2 地貌景觀及環境破壞情況

草灘村廢棄礦渣場長為1421 m，寬為190～416 m，南北兩頭高，中間低，落差近40 m，群采煤礦被破壞和壓占土地約為102412 m2。沉陷的塌陷坑、突兀的塌陷陡坎、縱橫的地裂縫、突出的煤矸石山及地面凹凸不平、矸石山煙霧彌漫、風起煤灰揚塵嚴重破壞了研究區視覺景觀和城區環境。溝道深處已為農民復墾還田，溝口至荒草灣河流階地仍有部分廢棄場地，廢棄場地成為該區域嚴重的水土流失區。廢棄礦渣坑如圖2所示。

圖2 廢棄礦渣坑

2.3 不穩定斜坡

礦山建設過程中，造成多級臺階狀裸露陡壁構成不穩定斜坡隱患，衣食村研究區的斜坡體長約為80 m，平均高度為18 m，坡面風化嚴重，節理裂隙發育，整體穩定性較好，局部發生崩滑破壞，極不穩定，對當地居民及道路安全造成威脅。

2.4 環境污染

研究區內堆積大面積廢棄礦渣，顏色為灰色和灰黑色，成分以煤矸石、煤渣和粉粒為主，顆粒粒徑多介于0.5～2 cm之間，原巖成分以砂巖和泥巖為主，粉粒充填、較松散、局部膠結且廢渣的級配良好，不均勻系數CU介于8～15之間，表層植被發育不良。這些廢棄礦渣在占地的同時，矸石自然釋放出CO、CO2和SO2等大量有毒有害氣體，嚴重時矸石堆煙霧彌漫，現場氣味刺鼻，嚴重影響周圍居民的健康安全和城市環境。廢棄的煤矸石場地如圖3所示。

圖3 廢棄的煤矸石場地

3 治理思路

對于廢棄采煤沉陷區的治理而言，不能僅對區內地質災害采取工程措施而忽視生態環境的恢復治理，否則惡劣的生態環境將導致新的地質災害的發生；也不能僅對區內生態環境進行恢復治理而無視地質災害的威脅，否則地質災害一旦發生，區內生態環境恢復工程將失去意義；區內生態環境恢復和地質災害治理分開前后來做也是不可行的，前后分開治理的方案不僅會造成經濟上的浪費，還會導致地質災害的工程與生態恢復工程之間存在縫隙，不能和諧統一、共同發揮作用、起到事倍功半的作用。

廢棄采煤沉陷治理工程應以安全可靠、技術可行、經濟合理、施工方便、利于環保為總的原則，具體思路如下：

(1)據研究區地質環境條件的差異，遵循 “宜園則園、宜水則水、宜林則林、宜地則地”基本原則，因地制宜的實施地質環境綜合治理工作。

(2)堅持增加耕地和可建設用地，促進保護土地資源。

(3)堅持技術上可行、經濟上合理、運行上安全的原則，以最小的治理經費獲得最大的防災減災效益。

(4)堅持礦山生態系統恢復與重建原則，做好礦山地質環境恢復和生物群落的恢復與重建，并與當地生態環境相協調。

(5)治理工程應處理好長遠與當前、整體與局部的關系，促進經濟效益、社會效益和環境效益的協調統一發展。

4 治理模式研究

4.1 地面塌陷的治理方案

4.1.1 塌陷坑開挖及回填

對塌陷坑及地裂縫進行開挖塌實，然后再回填處理。首先對塌陷區進行開挖，使其周圍均勻沉陷下去，形成一個自然的“坑”狀體，同時對塌陷區四周高陡邊坡地段進行開挖剝離，保證坑體邊坡穩定平緩，然后對塌陷坑回填，推平整修，作為農田或綠化用地。

4.1.2 塌陷落洞坑治理工程

由底部填入煤矸石或建筑垃圾至地表以下3.0 m，表層回填3.5 m厚粘性土(涵養水分恢復生態環境并有阻水作用)，在每個塌陷坑洞旁添加警告示意牌。塌陷洞填埋示意圖如圖4所示。

圖4 塌陷洞填埋示意圖

4.2 地貌景觀破壞的治理方案

4.2.1 廢棄礦井設施及建筑拆除

對煤礦開采遺留下的廢棄礦井設施及地面建筑進行拆除，拆除廢棄建筑，拆除基礎深度取1.0 m，拆除地面硬化深度0.3 m，對拆除的廢磚廢瓦等建筑垃圾就地粉碎、掩埋，覆土厚度為0.6 m。

4.2.2 廢棄礦渣治理

研究區地形起伏較大，礦渣排放雜亂，根據地形特點，在遵循最小挖方量的前提下，對礦渣堆進行推壓整平，為綠化提供工程條件。

整修后坡面上采取撒播草籽(苜蓿)、自然生長的方式恢復植被。

4.3 不穩定邊坡的治理方案

4.3.1 坡面整修

對研究區內的邊坡進行整修工作，坡率為1∶0.75。整修后坡面上采取撒播草籽(苜蓿)、自然生長的方式恢復植被，播種密度為0.007 kg/m2。

4.3.2 修筑護面墻

藍寶石那猶如深海般、澄凈蔚藍的色彩，正代表著地球生生不息的活力。古代波斯人相信：大地由一塊巨大的藍寶石支撐。當陽光灑落大地，經由藍寶石的光輝反射，天空才能呈現出寧靜迷人的藍色。

在坡腳采取護面墻防護。修筑漿砌塊石護坡，墻高為3.0～4.0 m，頂寬為0.5 m，墻面坡比為1∶0.25，基礎埋深為1.4 m，基底采用3∶7的灰土夯實，厚度為50 cm。墻體采用M7.5漿砌塊石砌筑，表面用M10水泥砂漿勾縫；墻頂用M10砂漿抹成3%外斜護頂，厚度取3 cm；墻身布設?90 mm的PVC泄水孔，泄水孔間距為3.0 m，排距為3.0 m，呈梅花型布置，泄水孔坡度不小于5%，墻背設置厚度為30 cm的砂礫石反濾層，在最低的一個排泄水孔下部夯填30 cm的厚粘土隔水層。

4.4 環境污染的治理方案

對研究區內廢渣堆、矸石山和溝道進行綠化，恢復生態環境。

對研究區內堆積的雜亂矸石山，主要是由推矸、碾壓、覆蓋黃土等綜合治理措施整修而成的平地(或斜坡)，進行全面綠化，樹類種植刺槐，種植間排距為3 m×3 m，刺槐采用采用挖“魚鱗坑”的方法栽種刺槐，呈梅花狀布置；草類苜蓿采用人工撒播法種植。該部分綠化主要采用人工撒播苜蓿為主，這樣不僅能起到美化環境的作用，還具有良好的經濟效益。廢棄煤矸石重建后和生態環境恢復后如圖5和圖6所示。

圖5 廢棄煤矸石重建后的圖

圖6 生態環境恢復后的圖

5 礦山地質環境治理成效

通過2011-2016年對塌陷區地貌重建、廢棄建筑物拆遷、矸石清理填埋、土地復墾、邊坡修正、植草綠化等工程的完工，消除了地面塌陷對周邊居民生產和生活的威脅，促進了塌陷區社會的和諧與穩定。

5.1 社會環境效益

該工程的實施極大地消除了礦區地質災害對礦區環境的危害，復墾的土地將會極大的改善礦區生態環境，將衣食村和草灘村研究區建成混采區治理恢復的典型；同時，針對采煤塌陷區毀損道路修補和毀損土地修復等，緩解了受災村民的不滿情緒，化解了礦山與村民、政府與村民之間十分緊張的社會矛盾，為銅川資源枯竭型城市營造一個安全的生存、生產環境，促進和諧社會的建設具有重要的社會意義。

5.2 經濟效益

地質環境問題是實現礦區可持續發展的核心問題，對整個研究區而言，礦山地質環境問題已是影響、制約礦區環境與發展的關鍵。通過對銅川市草灘村和衣食村研究區廢棄土地綜合治理恢復工程的實施，將促使該地區生產、生活及生態環境得到極大的改善，為本區步入資源開發與環境保護、礦產開發促進其他產業發展良性循環的經濟與環境共同發展之路，并逐步增加礦產自身的“免疫”能力，有效促進保護耕地0.032 km2，恢復被破壞的林地并植樹種草0.417 km2，完成生態重建任務，提高礦區植被覆蓋率程度，逐步恢復重建礦區生態群落，美化礦區人居環境，所獲得的經濟效益將是巨大而長遠的。

6 結論

(1)采煤塌陷區內地質災害的發育過程與生態環境的破壞狀況并不是相互獨立的，而是相輔相成、相互促進的。生態環境的破壞和地質災害的發生往往同時存在，生態環境的破壞可以直接或間接導致地質災害的發生，地質災害的發生又會嚴重加劇生態環境的破壞。

(2)陜西省在進行大規模煤礦開采過程中，采煤塌陷區內地質災害頻發，生態環境惡劣，在對采煤塌陷區進行治理過程中，需要綜合考慮地質災害治理、生態環境恢復、經濟轉型發展以及社會需求等諸多因素。

(4)綜合考慮地質災害治理，生態環境恢復、陜西的經濟發展戰略及當地社會需求等4個因素，工程治理方案與生態環境恢復方案相互耦合、共同作用，形成一套完整的綜合治理方案。

(5)治理方案能夠消除廢棄礦山采煤塌陷區內地質災害的威脅，恢復研究區內原來的生態環境狀況，符合陜西的旅游發展戰略，滿足社會需求，可以為其他采煤塌陷區的治理提供思路和思考。

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