平原地區(qū)高潛水位采煤塌陷綜合治理研究
——以兗州煤田為例

姬宗皓，高彥生，甄洪帥，趙永海，宋炳忠,4

(1.濟(jì)寧市采煤塌陷地治理中心，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272100；3.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)寧 272100；4.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局采煤塌陷地綜合治理工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

地下煤層被采出后，開采區(qū)域周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，采空區(qū)頂板巖層在自重力和上覆巖層的作用下，產(chǎn)生向下的移動和彎曲；當(dāng)?shù)叵麻_采范圍足夠大時，巖層的移動波及到地表，在地表形成一個遠(yuǎn)大于采空區(qū)的沉陷區(qū)域(即采煤塌陷區(qū))。采煤塌陷區(qū)的形成改變了地表原有的形態(tài)，對區(qū)域范圍內(nèi)的道路、建筑物、生態(tài)環(huán)境造成不同程度的影響。兗州煤田是典型的高潛水位平原區(qū)，地表下沉1.5m左右塌陷區(qū)域內(nèi)便可積水，嚴(yán)重影響土地的使用，造成礦區(qū)耕地大量減少；除積水區(qū)外，塌陷區(qū)其余部分均為坡地，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也會產(chǎn)生很大影響。此外，耕地的損毀也給礦區(qū)當(dāng)?shù)貛硪幌盗薪?jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境問題。因此，高潛水位采煤塌陷區(qū)的綜合治理，不僅可以保障農(nóng)民利益，對生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)、礦區(qū)社會的穩(wěn)定以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展也具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，隨著我國政府對生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重視和加強(qiáng)，采煤塌陷區(qū)治理成為當(dāng)前生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。針對采煤塌陷區(qū)的耕地恢復(fù)問題，肖武等人[1]基于地理信息技術(shù)對沉陷區(qū)表土剝離的策略進(jìn)行了研究；陳利生、李學(xué)良等人[2]在分析了皖北煤電集團(tuán)孟莊煤礦煤矸石物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，研究了煤矸石回填耕地復(fù)墾的可行性、規(guī)劃設(shè)計(jì)和工藝流程。根據(jù)淮南塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾的工程實(shí)踐，高曉云等人[3]對煤矸石充填復(fù)墾的自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析研究。大沉陷、常年積水采煤塌陷區(qū)是塌陷區(qū)治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)區(qū)域，矸石充填耕地復(fù)墾容易引發(fā)地下水污染，而客土回填復(fù)墾則存在經(jīng)濟(jì)成本較高的問題；在大沉陷、常年積水采煤塌陷區(qū)構(gòu)建人工濕地公園則可實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一[4]，我國唐山南湖城市中央濕地公園、徐州潘安湖國家濕地公園等項(xiàng)目的成功實(shí)施和運(yùn)營，證明這種治理思路的可行性和有效性[5-15]。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，采煤塌陷區(qū)也逐漸融入城市發(fā)展建設(shè)地塊之內(nèi)，對采煤塌陷區(qū)建設(shè)用地復(fù)墾中的殘余變形預(yù)測問題、建筑物附加應(yīng)力影響深度計(jì)算問題、采空區(qū)穩(wěn)定性評價問題及采空區(qū)殘余變形控制問題等也做了深入的研究[16-20]。

兗州煤田內(nèi)煤礦眾多，地質(zhì)采礦條件較為復(fù)雜，采煤塌陷區(qū)的種類形態(tài)各異。當(dāng)前，兗州煤田塌陷區(qū)的治理主要以耕地復(fù)墾為主，不能適應(yīng)多類型采煤塌陷區(qū)綜合治理的需要；此外，由于對采煤塌陷區(qū)現(xiàn)狀和土地?fù)p毀程度等信息掌握不充分，塌陷區(qū)治理中存在規(guī)劃不統(tǒng)一、不協(xié)調(diào)等問題。針對上述問題，文章首先分析了兗州煤田的地質(zhì)采礦條件；然后，在地表塌陷現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上研究了兗州煤田采煤塌陷的土地?fù)p毀特點(diǎn)；最后，通過對比分析不同治理模式的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了適合兗州煤田采煤塌陷區(qū)的綜合治理模式，對高潛水位平原區(qū)采煤塌陷地治理具有一定的指導(dǎo)和參考價值。

1 兗州煤田地質(zhì)開采條件

兗州煤田位于魯西南塊陷的東緣，東部、北部以嶧山斷層、時莊斷層為界，西南部以煤層露頭為界，為石炭-二疊系全隱蔽型煤田。東西長約16km，南北長約26km，總面積約449km2，探明煤炭資源儲量91億t。兗州煤田含煤地層為石炭紀(jì)太原組和二疊紀(jì)山西組，可采、局部可采煤層8層，平均總厚度約14m。山西組3煤層為主要可采煤層，厚度2.5～10.5m；太原組16，17煤層為可采或局部可采煤層，平均厚度1.2m。3煤層直接頂多為粉砂巖、細(xì)砂巖或泥巖，厚度變化較大，老頂以砂巖為主，抗壓強(qiáng)度變化較大。16煤層頂板為石灰?guī)r，全區(qū)分布穩(wěn)定，厚度2.5～11.0m。17煤層頂板為石灰?guī)r，最大厚度3.4m，不穩(wěn)定。

兗州煤田20世紀(jì)70年代開發(fā)建設(shè)，90年代后期進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)時期。井田總生產(chǎn)能力3050萬t/a，現(xiàn)有13對生產(chǎn)煤礦，已閉坑礦山3對礦井。煤層埋深在-300m以下，星村煤礦最大采深已達(dá)-1200m。豎井開拓，地下開采。采礦方法采用長壁走向采煤法、綜采放頂煤、綜采一次采全高，部分村莊建筑物下采用條帶開采。兗州煤田礦山地質(zhì)采礦條件見表1。

表1 兗州煤田礦山地質(zhì)采礦條件

2 兗州煤田采煤塌陷現(xiàn)狀

2.1 兗州煤田采煤塌陷地概況

兗州煤田地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境問題主要是采煤塌陷，以及由此引起的農(nóng)田損毀、土壤污染、水污染、農(nóng)民失地等。采煤塌陷是由于煤炭資源開采后，采空區(qū)在上覆巖土層重力作用下，發(fā)生彎曲變形，冒落形成地面塌陷。兗州煤田煤系地層被第四系及侏羅系所覆蓋，上侏羅系0～794m，第四系140m。研究表明，厚沖積層條件下，地表下沉系數(shù)普遍較大，下沉盆地影響范圍較遠(yuǎn)。兗州煤田屬于高潛水位地區(qū)，埋深一般在3～5m左右。開采塌陷使各采區(qū)地表形成相對獨(dú)立的塌陷盆地，最大下沉達(dá)9m。深塌陷區(qū)地表常年積水，淺塌陷區(qū)隨季節(jié)發(fā)生不同程度的積水。兗州煤田地處魯西南平原區(qū)，四季分明，光照充足，耕地質(zhì)量良好，生產(chǎn)力高，耕地多為高產(chǎn)的“噸糧田”。調(diào)查表明兗州煤田各礦區(qū)范圍和地上良田的重合率高達(dá)80%，地面塌陷后大面積良田遭到破壞。

兗州煤田采煤塌陷區(qū)主要集中在曲阜市西部、兗州區(qū)東部、鄒城市西部、高新區(qū)的東部，共涉及14鄉(xiāng)鎮(zhèn)、224個村莊。截至2018年底，塌陷地總面積約17529.51hm2，其中常年積水面積2611.61hm2，季節(jié)性積水1474.46hm2，積水區(qū)平均2～5m，最深處達(dá)9m。預(yù)計(jì)到2020年，兗州煤田采煤塌陷地將達(dá)到18563.78hm2，形成以鮑店、興隆莊煤礦為中心，北起兗州興隆莊，東至鄒城東灘，南至唐村，西至泗河的大面積塌陷積水區(qū)。兗州煤田采煤塌陷地分布情況見表2、圖1。

表2 兗州煤田煤礦采煤塌陷地統(tǒng)計(jì)

1—常年積水區(qū)；2—季節(jié)性積水區(qū)；3—未積水區(qū)；4—礦業(yè)權(quán)范圍；5—高速公路；6—鐵路；7—河流圖1 兗州煤田塌陷地分布圖

2.2 兗州煤田塌陷地分類

兗州煤田為平原地貌，根據(jù)塌陷下沉值、積水情況、地下潛水位深度綜合考慮，將塌陷程度劃分為輕度塌陷、中度塌陷、重度塌陷3種類型。輕度塌陷指地表下沉小于1.0m，地表不出現(xiàn)積水，地面村莊、道路、農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施等建筑物、構(gòu)筑物受到較小的破壞或無破壞，地表輕微起伏。中度塌陷指地表下沉大于1.0m小于3.0m，地面村莊、道路、農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施等建筑物、構(gòu)筑物遭到嚴(yán)重破壞。重度塌陷指地表下沉大于3.0m，或地表出現(xiàn)積水區(qū)域，地面村莊、道路、農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施等建筑物、構(gòu)筑物遭到徹底破壞。按地類劃分，塌陷土地原地類主要有耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地等，截至2018年底，兗州煤田塌陷地各地類面積如表3所示。

3 兗州煤田采煤塌陷危害

兗州煤田采煤塌陷使耕地保有量銳減，耕地質(zhì)量下降，交通水利設(shè)施遭到破壞，工廠村莊被迫搬遷，大量農(nóng)民失去賴以生存的土地。煤礦開采過程中廢水、煤矸石的排放，造成了水污染、土壤污染，對生態(tài)環(huán)境造成了破壞。

表3 兗州煤田損毀地類面積

3.1 生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重

采煤引起的地表沉降變形，形成了深淺不等、大小不一、各自封閉的塌陷盆地，由于兗州煤田地下潛水位較高，塌陷區(qū)常年或季節(jié)性積水，其中常年積水區(qū)面積13818.82hm2，季節(jié)性積水區(qū)面積4252.96hm2。礦區(qū)水利設(shè)施破壞后，原來的水系被打亂，積水排不出去，蘆葦眾生，沼澤一片，水質(zhì)惡化，形成一個個“死水”湖面。

3.2 耕地保有量銳減，耕地質(zhì)量下降

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年，兗州煤田因采煤造成耕地?fù)p毀10087.51hm2。采煤塌陷對耕地的影響主要表現(xiàn)在產(chǎn)生坡地、積水、凹凸不平、裂縫等，同時加劇了地表水土流失，導(dǎo)致耕地土壤退化，質(zhì)量下降，塌陷盆地底部土壤有鹽漬化趨勢。

3.3 社會不安定因素增加

兗州煤田人口密集，農(nóng)村人地矛盾突出，由于采煤塌陷造成耕地破壞，交通實(shí)力設(shè)施破壞，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平下降，農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入越來越少。隨著煤炭資源的開發(fā)，大量農(nóng)民失去賴以生存的土地，這將帶來更深層次的社會問題，形成社會不安定因素。

4 兗州煤田采煤塌陷治理

4.1 治理方向

圍繞濟(jì)寧都市區(qū)城市發(fā)展方向，優(yōu)化城市生態(tài)功能，構(gòu)建濕地的城市服務(wù)功能，建設(shè)蓄水、凈化、防洪、養(yǎng)殖功能區(qū)；發(fā)展生態(tài)立體農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、園林產(chǎn)業(yè)；圍繞泗河、白馬河治理，構(gòu)建旅游、休閑、體育、文化等經(jīng)濟(jì)與景觀復(fù)合區(qū)。構(gòu)建礦山文化-塌陷地治理技術(shù)展示-休閑娛樂-度假旅游為一體的生態(tài)旅游功能區(qū)。

4.2 治理布局

泗河、白馬河兩側(cè)塌陷地采取充填、挖深墊淺、植被綠化等治理措施，構(gòu)建帶狀景觀廊道，發(fā)展立體高效生態(tài)農(nóng)業(yè)，建設(shè)生態(tài)、休閑、觀光等多功能復(fù)合景觀帶。

兗州區(qū)、鄒城市、曲阜市城區(qū)附近的采煤塌陷區(qū)，重點(diǎn)實(shí)施治水、增綠。整合城市外圍“山水林田湖”生態(tài)要素，營造城市綠地、濕地公園、生態(tài)農(nóng)業(yè)用地，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村旅游等特色設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。

離城市較遠(yuǎn)的采煤塌陷區(qū)，主要位于濟(jì)兗曲鄒的中心地帶，積水深，面積大，分布集中。根據(jù)塌陷積水情況因地制宜綜合治理，塌陷較深、積水面積較大區(qū)域采取護(hù)坡、邊坡綠化、植被林帶建設(shè)等生態(tài)措施進(jìn)行生態(tài)濕地景觀建設(shè)，發(fā)揮涵養(yǎng)水源、雨洪調(diào)蓄利用功能；淺積水區(qū)域挖深墊淺，發(fā)展高效立體農(nóng)業(yè)和漁禽綜合養(yǎng)殖業(yè)；非積水區(qū)域劃方平整，發(fā)展蔬菜、瓜果等農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)“菜籃子工程”(圖2)。

1—礦業(yè)權(quán)范圍；2—城鎮(zhèn)用地；3—城市功能治理區(qū)；4—設(shè)施農(nóng)業(yè)治理區(qū)；5—生態(tài)農(nóng)業(yè)治理區(qū)；6—城市、人工濕地治理區(qū)；7—自然濕地保護(hù)區(qū)；8—城市建設(shè)治理區(qū)圖2 兗州煤田塌陷地治理布局圖

5 結(jié)論

兗州煤田現(xiàn)有13對生產(chǎn)煤礦，已閉坑礦山3對礦井，地質(zhì)采礦條件復(fù)雜。截至2018年底，塌陷地總面積約17529.51hm2，其中常年積水面積2611.61hm2，季節(jié)性積水1474.46hm2，積水區(qū)平均2～5m，最深處達(dá)9m；預(yù)計(jì)到2020年，兗州煤田采煤塌陷地將達(dá)到18563.78hm2。采煤塌陷使耕地保有量銳減，耕地質(zhì)量下降，交通水利設(shè)施遭到破壞，工廠村莊被迫搬遷，破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。根據(jù)區(qū)位位置、環(huán)境背景、地質(zhì)采礦條件和塌陷特征，對兗州煤田采煤塌陷地治理進(jìn)行分區(qū)，采取生態(tài)農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、新能源(光伏)產(chǎn)業(yè)、人工濕地、城市建設(shè)等治理模式進(jìn)行綜合治理與生態(tài)修復(fù)，對高潛水位平原區(qū)采煤塌陷地的治理具有一定的指導(dǎo)和參考價值。