高潛水位平原區采煤沉陷防治技術研究進展

薄懷志

(1.山東省地質礦產勘查開發局第三水文地質工程地質大隊，山東 濟寧 272000；2.山東省地礦局采煤塌陷地綜合治理工程技術研究中心，山東 濟寧 272000)

0 引言

煤礦開采會造成嚴重的地質環境問題，主要包括開采沉陷、礦山“三廢”、礦區含水層結構破壞擾動誘發的排、供、生態環保矛盾等[1]。魯西煤炭基地是全國14大煤炭基地之一，擔負著華東經濟發達地區能源供應的重任。兗州礦區、棗滕礦區、濟寧礦區、巨野礦區等是典型的高潛水位煤糧復合平原區，開采沉陷造成積水嚴重。截至2015年，山東省采煤塌陷地面積6.74萬hm2(101.09萬畝)，其中濟寧市3.59萬hm2(53.89萬畝)、棗莊市0.53萬hm2(8萬畝)、菏澤市0.21萬hm2(3.16萬畝)，三地市采煤塌陷地占全省總面積的64.35%，且隨著兗州礦區、濟寧礦區、棗滕礦區的持續開發及巨野礦區開發利用強度的增大，采煤塌陷地面積將進一步增加。開采沉陷導致大面積的高質量耕地損毀、土壤特性變化、排灌系統及農田防護體系破壞等，造成農作物減產絕產、環境惡化、大范圍積水[2-4]，嚴重影響生態環境、威脅糧食安全[5]。

發展綠色礦業，建設綠色礦山，保護生態環境，是踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，促進生態文明建設，落實新發展理念的重要舉措。為切實加強采煤塌陷地綜合治理工作，國務院辦公廳印發了《關于加快推進采煤沉陷區綜合治理的意見》(國辦發〔2016〕102號)文件，山東省人民政府辦公廳印發了《山東省采煤塌陷地綜合治理工作方案》(魯政辦字〔2015〕180號)文件，明確了“防治并重、邊采邊治、先治后采、治理與利用相結合”的采煤塌陷地綜合治理機制。在高潛水位平原區，以保護生態環境為重點，以科技創新為支撐，構建長效發展機制，將采煤沉陷防治貫穿于礦業開發利用與保護全過程，對于推動形成礦地和諧、人與自然和諧發展的礦業新格局具有重要意義。

1 采煤沉陷防治技術及分類

武強[6-7]系統總結了開采沉陷導致的礦山地質環境問題和修復治理技術，并將修復治理技術劃分為消災修復技術、工程修復技術、生態修復技術、生物修復技術四類，根據修復后土地利用目標，將不同類型修復技術組合，構成修復治理模式。沉陷盆地治理修復技術及其劃分、常用治理模式組合見表1。

表1 沉陷盆地修復治理模式

在修復治理模式中，需要根據土地利用目標、區域周邊環境和修復治理要求，選擇生態修復技術或生物修復技術。武強等[6]以大雁二礦沉陷盆地治理工程(A2+F2+E3)和邢東煤礦沉陷盆地預控工程(B1+Be2)為例，對修復治理技術的選擇和模式組合進行了研究，為工程主管單位、設計單位“沉陷修復治理該用哪幾種技術、如何組合”提供了工程示范。

2 采煤沉陷防治技術研究進展

2.1 消災修復技術

2.1.1 回填技術

高潛水位平原區采煤沉陷形成常年積水區和季節性積水區，魯西南部分礦區積水深度可達8～10m，傳統的挖深墊淺技術、土地平整技術恢復耕地較少，充填復墾是提高耕地恢復率的最直接、最有效的方法。目前常用的充填復墾方法有矸石充填、引黃河泥沙充填、引湖(河)淤泥充填、粉煤灰充填等，在進行表土剝離存放后[8]，使用上述材質充填到設計標高，然后上覆剝離表土后復墾為耕地。

矸石充填復墾技術已經在兗州礦區、淮南礦區、徐州礦區等地得到了廣泛應用[9-10]，利用矸石充填復墾耕地的同時解決了礦區固廢堆放的環境影響問題。通過對充填煤矸石顆粒大小[11]、壓實程度[12]、充填深度[13]、充填覆土厚度及農作物產量[14]、重金屬影響[15]等進行研究，構建經濟、適宜、安全、環保的土壤剖面，取得了良好的經濟效益、社會效益和生態效益。

《濟寧市采煤塌陷地治理總體規劃》(2010—2020年)首次提出引黃河泥沙充填、引湖(河)淤泥充填復墾耕地的理念，將濟寧市采煤塌陷地治理區域劃分為北部引黃充填治理區、中東部生態治理區和南部沿湖湖泥充填治理區。胡振琪團隊綜合分析了引黃河泥沙充填復墾耕地的可行性[17]和適宜性[18]，進行了排水量預測和效益分析[19]；在濟寧市梁山縣、德州市齊河縣進行了實驗研究，提出了排走沉陷區積水并剝離治理區表土(0～20cm)和部分心土(20～50cm)堆積形成壩體，利用絞吸式挖沙船抽取水沙通過高壓管道輸送至治理區，沉淀排水后上覆剝離的心土和表土，平整后復墾為耕地的技術路線(圖1)[20]，并進一步優化為間隔條帶式充填[21]；綜合分析了充填治理后地形地貌景觀、土壤剖面重構、土壤理化性狀以及耕地地力，邱集煤礦間隔條帶式充填復墾后耕地與對照耕地在同等管理情況下，產量十分接近對照耕地，覆土層達到一定厚度后，復墾耕地可以滿足農作物生長，復墾當年基本達到了原耕地產量[21]。

圖1 引黃河泥沙充填復墾工藝流程圖(據胡振琪等[16])

對于南四湖周邊的采煤塌陷地，將航(河)道清淤淤泥經管道輸送至沉陷區，經排水固結后，覆土平整，并建設配套田間道路和農田水利設施，復墾為耕地，已經在大屯煤電姚橋煤礦得到了應用[22]。但是該方法也存在一定的問題，如湖(河)淤泥排水固結時間較長，多達數月甚至更長時間，且極易形成沼澤；可能會對湖(河)生態環境造成擾動，影響水生動、植物等[23]。

2.1.2 條帶開采

條帶開采是指將煤層區域劃分為條帶形狀，采一條、留一條，留下的煤柱支撐上覆巖層的載荷，從而控制地表沉陷，保護地面建筑物和生態環境[24]。目前條帶開采技術主要應用于村莊、建筑物下采煤，是村莊密集區深礦井開采的主要方式(如星村煤礦、唐口煤礦、安居煤礦等)，也是老礦挖潛及延長礦井服務年限的重要手段[25]。早期條帶開采研究主要集中在巖層與地表移動機理和規律、地表移動變形規律、條帶煤柱穩定性、條帶開采參數設計等方面[26]。近年來，條帶開采煤柱長期穩定性評價[27]、多煤層條帶開采參數設計及沉陷規律[28-29]等研究更加深入。條帶開采回采率較低，資源損失率較大，隨著充填開采技術的成熟，充填開采、充填條帶開采有取代傳統條帶開采的趨勢[30-33]。

2.1.3 充填技術

(1)充填開采

粗放型的煤炭開采引發了資源浪費和環境破壞等一系列問題，錢鳴高等[34]提出綠色開采的理念，建立了煤礦綠色開采基礎理論和技術框架。目前充填開采技術在控制地表沉降方面作用明顯，并得到了廣泛的應用，按照充填材料可分為矸石充填[35]、膏體充填[36]、高水材料沖填[37]等。目前充填開采研究多集中于長臂工作面采充一體化、綜合機械化充填采煤、充填開采巖層移動與地表沉陷測量等領域，并對充填材料進行了一系列的研究[38]。近年來超高水材料是充填開采研究的熱點，馮光明等[39]研發出水體積高達97%的超高水材料，主要成分為石灰、石膏、高鋁水泥、懸浮劑、速凝劑、解凝劑等，由A、B兩種主料與少量復合速凝劑(AA料)和復合緩凝劑(BB料)組成，通過外加劑添配方控制初凝時間(8～90min)和固結體抗壓強度。超高水充填在臨沂礦業集團田莊煤礦、邯鄲礦業集團陶一煤礦的應用過程中，不斷優化，研發了充填開采系統(圖2)，系統總結了開放式、袋式、混合式和分段阻隔式充填方式，并分析了每種充填方法的技術要點、優缺點和適用條件[40-43]；通過地面沉陷觀測[44]、物探[45]、鉆探[46]、相似材料模擬實驗[47]、FLAC3D模擬[48]等方法驗證了超高水材料充填效果和穩定性。

圖2 超高水材料充填開采系統(據馮光明等[39])

(2)采空區充填

采空區充填是指開采后一段時間或在已經廢棄的采空區內，回填采礦廢渣等物料，從而控制采空區誘發地表形變的技術[6]。與充填開采不同，采空區充填時間滯后于開采時間，且受到充填環境的限制，一般使用矸石等廢渣充填。

2.1.4 注漿技術

(1)覆巖離層注漿

覆巖離層注漿技術是指通過地面鉆孔，向煤層開采后上覆巖層移動過程中形成的離層空間內注漿液，加固生產礦山煤層頂板，從而控制覆巖下沉的技術(圖3)。常用的覆巖離層注漿材料有粉煤灰漿液[49]、超高水材料[50]等。主關鍵層理論[51]認為，主關鍵層是產生離層和離層充填注漿的主要控制因素，只有覆巖中存在典型主關鍵層，且軟、硬巖相間分布，才可能形成離層空間，進而注漿減緩沉陷；同時，確定主關鍵層后，才能準確判斷計算離層位置和空間，為注漿鉆孔布設及鉆探施工提供依據。覆巖離層注漿充填后，可以支撐覆巖并壓實巖層，膨脹擠壓圍層并膠結裂隙，從而減緩地面沉陷。覆巖離層注漿充填技術已經在撫順礦區老虎臺礦、開灤礦區唐山礦、新汶礦區華豐礦、大屯礦區徐莊礦、兗州礦區東灘礦、濟寧礦區濟寧二號煤礦等得到了應用，并成功在高壓線下、鐵路下開采煤炭資源，有效減緩地面沉陷[52-54]。朱衛兵等[55]提出了覆巖離層分區隔離注漿充填技術，離層充填后形成“離層區充填體+關鍵層+分區隔離煤柱”的共同承載體，地面減沉效果良好，滿足綠色開采要求。

(2)冒落矸石空隙注漿充填

該項技術主要是通過注漿固結采空區冒落帶矸石空隙，從而控制生產礦山地表變形。采空區冒落矸石具有碎脹性，體積大于原巖體積，由于空隙較大連通性好，便于注漿充填材料通過[56]。目前相關研究主要針對充填材料、充填體固結后強度、充填系統、充填后地表移動變形規律[57]。馮光明等[43]開展了超高水材料冒落矸石空隙充填研究，由于超高水材料在混合前，具有良好的流動性，便于對已經垮落的采空區充填，采空空間被充實和加固，垮矸空隙不再被壓實并穩定，從而控制上覆巖層活動。

圖3 超高水材料采空區充填作用機理(據馮光明等[43])

2.1.4 含(隔)水層修復技術

煤炭開采過程中，可能導致含(隔)水層破壞，引發一系列環境負面效應，主要表現在礦井水害、地下水位下降影響供水和破壞礦區生態環境3個方面[58-59]，具體為：①礦山開采過程中人為疏干和采動裂隙對含水層的自然疏干增加礦井涌水量，產生大量排水費用，災害性突水造成人員傷亡和財產損失；②大量疏排水導致地下水位下降，造成礦區及周圍人畜飲用水和灌溉用水短缺；③采煤引起的地下水位及流場改變、地表水徑流變化、水體污染等問題，生態環境遭到嚴重破壞。針對礦井水害問題，《煤礦防治水規定》[60]提出了礦井防治水“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字原則和“防、堵、疏、排、截”五字綜合防治措施。目前主要通過自修復[61]、隔水層再造[62]、水文地質條件人為干預(隔水層注漿加固改造、富水區注漿)[59]等方法進行隔水層修復。武強[63]系統分析了礦井水防治領域的基礎理論，水文地質(補充)勘探、井下水害超前探測(放)及其監測預測預警，礦井水害防治技術等最新科研進展；提出了“煤—水”雙資源型礦井開發理念，消除地下水“災害屬性”，挖掘其“資源屬性”，盡量避免破壞擾動與煤系同沉積的含水層結構，達到煤炭和水的“雙資源”共同開發的目的，從而實現礦區生態環境保護的協調、可持續發展；區分礦區水文地質條件，系統分析了“礦井水排、供、生態環保”、“礦井地下水控制、利用、生態環保”、“礦井水控制、處理、利用、回灌與生態環保”等多位一體的優化組合模式，通過水文地質條件人為干預，減輕礦區含(隔)水層引發的地質環境問題[59]。

2.2 工程修復技術

沉陷盆地工程修復技術主要包括坡形修整、平整覆土、挖深墊淺、土地壓實等，與土地整治技術基本類似。嚴金明[64]介紹了土地整治戰略頂層設計、理論基礎和研究現狀，系統研究了土地整治資源環境效應診斷與預警、功能定位判別、選址判別、節地節水型土地整治項目規劃設計、生態化土地整治設計等關鍵技術，并進行了具體的實證與示范；曹振環等[65]從采煤塌陷區農田整治田塊的平面規劃、田坎穩定性、灌排工程等角度，系統梳理了采煤塌陷區農田整治規劃設計研究進展；王自威等[66]針對采煤沉陷帶來的農田水利問題，提出了問題導向式的采煤塌陷地治理規劃理念和規劃設計方法，并從土地平整工程、農田水利工程、田間道路工程等角度對工程修復技術進行了研究，提出人與自然和諧的采煤塌陷地治理規劃設計方法；李新舉[67-69]建立模擬實驗區，分析了煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾充填覆土模式下不同施工機械(自卸汽車、履帶式推土機等)不同碾壓次數情況下的土壤顆粒組成變化，并分析了其對土壤質量的影響。

2.3 生態修復技術

沉陷盆地治理修復側重于生態功能時，更多使用生態修復技術。生態修復技術主要包括人工生態林、人工濕地、灌木林修復、基塘構建等。開采沉陷積水導致原防護林遭到嚴重破壞，治理時統籌考慮田、水、路、林，生態效益與經濟效益統一[66]。近年來，采煤塌陷地綜合治理強調生態農業、生態旅游發展模式，利用嚴重積水采煤塌陷地建設濕地成為研究的熱點之一[70-71]。濕地具有自然觀光、旅游、娛樂等美學功能，蘊含著豐富秀麗的自然風景和巨大的景觀價值，同時具有污水凈化、生態修復等功能。近年來，我國成功實施了一批采煤塌陷型濕地建設項目，主要有唐山南湖城市中央濕地公園[72]、濟寧太平國家濕地公園[72]、徐州潘安湖國家濕地公園[73]、平頂山白鷺洲國家城市濕地公園[75]、阜陽潁上迪溝國家濕地公園[76]、淮北南湖國家城市濕地公園[77]、淮南十澗湖國家城市濕地公園等，取得了良好的經濟效益、社會效益和生態效益。目前對于采煤塌陷型濕地的研究多集中于水域構建與水平衡[72]、水環境凈化治理[78]、濕地植被及土壤恢復[79]、景觀規劃設計[80-81]等領域。通過水系連通和基底改造，打造濕地水環境，維持水平衡；將沉水植物(苦草、金魚藻、黑藻等)、漂浮植物(大薸、水禾、浮萍等)、浮葉植物(睡蓮、中華萍蓬草、芡實、粉綠狐尾藻等)、挺水植物(荷花、菖蒲、花葉蘆竹、紅蓮子草等)、濕生植物(玉帶草、蘆葦、水松、垂柳等)合理搭配，配合仿自然型堤壩工程、人工浮島工程、景觀小品建設工程等，構建姿態多樣、色彩豐富、錯落有致、層次分明、環境優美、生態環保的園林景觀[82]，同時兼具水質凈化、生物多樣性保護等功能[83]，實現居民增收、礦地和諧，讓礦區群眾“望得見田，看得見水，記得住鄉愁”。

2.4 生物修復技術

沉陷盆地治理修復目標為農業用地時，更多使用生物修復技術，主要包括投菌技術、農耕技術、植物修復、土壤改良等。目前投菌技術多應用于污染土壤修復，微生物具有極強的分解能力，理論上可以分解自然界中存在的所有化合物，為生物修復提供了廣闊的發展空間[84]，由于微生物具有易繁殖、代謝快、適應性強等特性，是污染修復的極佳材料，目前已經在無機污染物修復[85]、有機污染物修復[86]中得到了廣泛的應用，并取得了良好的效果。采用淺翻深松、增施有機肥、食用菌廢料改良[87]等措施，改善土壤物理性狀和養分狀況，優化土壤水、肥、氣、熱之間的相互關系[64]；種植有根瘤和莖瘤的一年生豆科植物可以起到良好的固氮作用[88-89]，秸稈還田有利于改善土壤肥力。

3 高潛水位平原區采煤沉陷防治技術展望

用“礦地一體化”理念統籌資源開發和采煤塌陷地綜合治理。統籌考慮地下煤炭資源開采和地上城市建設等因素，采用協調開采、充填開采等技術手段，控制地面沉陷； 采用“礦井地下水控制、利用、生態環保”三位一體模式，減輕對地下含水層的擾動和破壞，做到礦井水綜合利用和生態環保；深入研究煤炭地下氣化開采、熱解開采、生物溶解開采等化學開采技術，改變傳統采煤工藝，實現地下無人、地面無煤、產品流態，達到開采零死亡、供能零排放、環境零損害的綠色、安全、清潔利用境界[90-91]；充分利用關停礦井地下空間，進行地下生態城市建設[92]、深地高落差型抽水蓄能[93]、地下農業種植、地下醫療療養[94]等，實現關停礦井的資源化利用、立體式開發和全面轉型升級。

采煤塌陷地復墾、生態環境修復、濕地景觀開發、城市和工業園區建設(地、環、景、城)四位一體的采煤塌陷地綜合治理模式。借助國家振興老工業基地、資源型城市轉型升級和新舊動能轉換的良好機遇，推進“地、環、景、城”四位一體的采煤塌陷地綜合治理，通過生態環境修復、濕地景觀開發、土地復墾和生態農業，打造環境優美、生態宜居的綠色空間，將采煤塌陷地棕地變公園[95-96]，對周邊地價帶來溢出效應[97-98]，實現“地、環、景、城”四位一體整治[99]，典范有唐山南湖、河南永城、徐州潘安湖、淮北南湖等，實現了經濟效益、社會效益、生態效益的最大化。

運用3S、大數據、云平臺技術實現采煤塌陷地動態監測監管。與土地利用現狀變更不同，地面沉陷是在垂向空間發生變化，綜合運用InSAR，GNSS測量等先進技術進行沉陷監測，適時更新數據；將礦山企業、煤炭管理部門、國土資源管理部門等海量多元異構數據整合，運用3S、大數據、云平臺技術，建立集地圖管理、業務管理、動態監測、預測分析、決策支持等功能于一體的采煤塌陷地動態監測監管系統，促進采煤塌陷地治理管理系統化、網絡化、科學化[100]。