黃河下游平原煤礦區采煤塌陷地治理的若干基本問題研究

胡振琪,袁冬竹

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083; 2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

2019年習近平總書記發表關于黃河流域的重要講話，把“黃河流域生態保護和高質量發展”上升為重大國家戰略[1]。黃河流域是我國重要的生態屏障，生態狀況關系華北、東北、西北乃至全國的生態安全。黃河流域也是能源流域，其煤炭、石油、天然氣資源豐富，具有突出的能源資源規模優勢[2]，尤其是煤炭資源，我國14個重點建設的大型煤炭基地中有9個分布在黃河流域[3]。流域生態環境保護和煤炭開采對區域的經濟發展、民生發展至關重要。

黃河流經9個省區，全長5 464 km，上中下游地形地貌、氣候差異極大，資源賦存條件不一，所面臨的生態環境問題也不同，流域生態環境保護與煤炭資源開采的協調發展，應當結合流域不同區段的特點及關鍵問題，因地制宜地提出不同舉措，實現黃河流域上中下游的高質量發展。

黃河下游始于河南鄭州桃花峪，流經河南、山東兩省，為典型沖積平原，地勢平坦，土層深厚，土地肥沃。黃河下游是中國高度集約化農區和重要糧食主產區[4]，近30 a來對中國糧食增產貢獻巨大[5]，為確保國家糧食安全發揮了重要作用。黃河下游同時擁有國家兩大煤炭基地:河南和魯西基地，煤炭資源豐富和優質，煤炭基礎儲量161.25億t，占全國基礎儲量的6.47%，是我國重要的能源供給基地，對保障我國南方經濟快速發展地區的國民經濟發揮了巨大作用。該區域廣泛分布著鄭州、焦作、鶴壁、平頂山、永夏、棗騰、兗州、濟寧、巨野、黃河北等諸多礦區，煤礦數量眾多，分布集中，開采歷史較長，礦井產能大，煤層厚，開采煤層多。因此，該區域是典型的煤炭和糧食復合主產區[6-7]，協調煤炭開采與耕地保護的矛盾十分艱巨。

平原礦區煤炭開采最主要的生態環境問題是地表塌陷積水，導致大量耕地損失、生態環境惡化。盡管我國已經進行了30多年的采煤塌陷地治理的研究和實踐，取得了一定成績[8]，但由于采煤塌陷地數量巨大、新塌陷地不斷涌現，治理理論遠遠落后于治理實踐，大量治理的基礎性難題沒有得到很好的解決，使得采煤塌陷地治理仍是我國礦區生態修復關注的焦點和難點。

國外礦產開發多為露天開采，人地矛盾不及國內尖銳，復墾技術相對成熟。近年來，國外對礦區生態環境治理的研究主要集中在礦區土地污染治理[9-12]、生態環境可持續發展[13-15]和新技術在復墾中的運用[16-18]。采礦與復墾政策方面，國外也傾向于探索可持續發展的戰略[19-21]。針對礦區塌陷地或廢棄地積水的問題，國外通過建立水文模型研究積水對土地的破壞機理[22-24]。

由于平原煤礦區潛水位高、多煤層開采，塌陷地受到多次擾動，因此，塌陷穩沉性的判別、治理范圍的確定、塌陷地積水的成因就至關重要，直接關系治理工程的投資、恢復耕地的數量和治理技術的選擇。此外，現有的塌陷地治理都是穩沉后再治理，導致耕地恢復率低，是否需要改變這種傳統的“末端治理”理念，也需要從治理戰略角度進行研究。因此，筆者圍繞黃河流域下游平原區煤礦開采造成的采煤塌陷問題，深入研究采煤塌陷地治理范圍、塌陷積水機理與損毀程度判別和穩沉性分析三大基礎性難題，同時對平原煤礦區采煤塌陷地治理戰略也進行了探討，以期為黃河流域生態保護以及礦區采煤塌陷地治理提供科學支撐。

1 治理范圍的確定

任何生態修復工程，治理范圍的確定至關重要，它直接決定治理的任務和工程投資。因此，采煤塌陷地治理范圍的確定是一個基礎性的問題，常常被忽視。

治理是針對損毀而言的。治理范圍取決于損毀邊界的確定。現實中常常存在2種方法:① 實地踏勘與農民協商確定，往往費力、費時，確定的都是損毀在地表顯現明顯的，因而確定的損毀邊界往往較小。② 采用開采沉陷學[25]中的沉陷邊界作為損毀邊界，即將下沉10 mm的地表移動盆地最外邊界點作為治理范圍，往往過大。在目前各地區的采煤塌陷地治理實踐中，也常常以此為依據作為復墾責任范圍或者治理范圍。然而下沉10 mm并未對耕地產生明顯影響，若按此邊界作為征地、補償邊界將極大加重企業經濟負擔;而若按此邊界進行治理方案規劃設計，將增加治理工程費用。因此，采煤塌陷損毀邊界一定是上述2種邊界之間的，實際上是一個隱伏的信息，難以精準確定(圖1)，與下沉情況、土地利用、土壤、植物生長、潛水位等多種因素相關，需要深入研究。

圖1 治理范圍示意Fig.1 Sketch map of control coverage

1.1 塌陷損毀邊界的定義

采煤塌陷主要影響建筑物和耕地，對建筑物的損害范圍是容易確定的，因為它有嚴格的標準，即常用臨界變形值：傾斜i=3 mm/m，水平變形ε=2 mm/m，曲率K=0.2 mm/m2來確定[26]。采煤塌陷主要影響的是耕地，因此，常常用耕地損毀邊界作為治理邊界。

為了準確合理地圈定耕地損毀范圍，定義耕地損毀邊界為:由開采沉陷引起的地表移動或變形對耕地生產力開始產生影響的邊界點所圈定的邊界，即為耕地損毀邊界。

下沉對耕地的影響主要為地表從原標高向下沉降，降低了地下水埋深，植物根系處的土壤含水量增加，容易導致根系腐爛，影響植物的生長，同時，土壤含水量增加還加劇土壤表層的蒸發，容易造成土壤鹽堿化，直接影響著農作物的生長和產量[27]。特別是地下水埋深較淺的區域，下沉量很大時容易產生季節性積水或常年積水，使耕地無法耕種或農作物減產、絕產。

水平變形對耕地產生的影響主要為，水平變形使地面產生裂縫，改變了耕地的密實度，加劇水土流失程度，擾亂了原本相對穩定的土壤結構和地質環境，水肥沿裂縫滲漏、流失，引起地面小氣候和水、熱、氣、肥等土壤肥力發生變化，使得土地的生產力下降，甚至喪失，影響農作物的產量，并且較大的裂縫影響了農作物的耕種及耕作[28]。

傾斜對耕地的影響主要原因為地表傾斜產生的附加坡度使農作物灌溉時的流水方向和速度發生改變，導致水的滲透性、土壤的含水性及養分發生改變。當傾斜方向與灌溉方向相同時，水流速度增加，土壤吸水性差，同時還會加劇土壤養分的流失，加劇土壤貧瘠，從而使作物減產。反之則灌溉速度減慢，不僅浪費水資源，還達不到灌溉的目的。除此之外，地表傾斜還容易導致水土流失，降低了土壤蓄水保墑能力，使耕地生產力下降，農作物減產[29]。

綜上所述，下沉、傾斜、水平變形是耕地損毀邊界的主要影響因子。對耕地開始產生影響的數值稱為耕地損毀臨界值，對應的3個臨界值為:耕地損毀臨界下沉值WP、臨界水平變形值εP和臨界傾斜值iP。

1.2 耕地損毀范圍獲取方法

開采導致的地表移動變形改變地表土壤結構、含水量等理化性質，使得土壤肥力下降，從而影響耕地的生產力。通過當地耕地及土壤現狀調查，分析作物生長剛開始受影響時對應的下沉、傾斜和水平變形的數值，再與該地質采礦條件下開采沉陷產生的地表變形最大值進行比較，判斷是何種變形最先對耕地作物生長狀況產生影響，再將相應的臨界數值統一轉換為下沉值，便于下一步圈定耕地損毀范圍。基于此，提出耕地損毀邊界獲取方法。

(1)進行現場調查，收集相關資料，根據耕地、土壤以及作物生長情況，確定耕地損毀邊界值。

臨界下沉值WP主要取決于地面標高、潛水位標高及耕地的地下水臨界深度，通常可使用式(1)進行估算[13]:

WP=WPF=H0-HqF-hL

(1)

式中，WP為耕地損毀臨界下沉值，m;WPF為豐水期耕地損毀臨界下沉值，m;H0為原始地表標高，m;HqF為豐水期潛水位標高，m;hL為土壤的地下水臨界埋深，m，它與土壤、植物、潛水位等有關。

臨界水平變形值εP和臨界傾斜值iP可通過實測法、經驗法等獲取，在已知當地土體的物理性質的情況下，εP可通過式(2)計算[30-31]:

(2)

式中，εP為耕地損毀臨界水平變形值，mm/m;E為彈性模量，N/cm2;μ為土壤的泊松比;c為土壤的黏聚力，Pa;φ為內摩擦角，(°)。

iP可通過厘清傾斜與附加坡度之間的關系來估算，下沉后地表坡度=原地表坡度±附加坡度。其中“±”表示產生坡度的方向，“+”表示與原坡度方向相同，“-”表示與原坡度方向相反[29]。附加坡度θ可由經驗公式求得：

θ=i(x)/18

(3)

式中，i(x)為開采塌陷對耕地所產生的傾斜量。

由此可得

iP=18θ

(4)

(2)為了耕地損毀邊界獲取簡單、便于操作、可應用性，將臨界水平變形εP和臨界傾斜值iP轉換為相應的下沉值。轉換公式可參考式(5),(6):

(5)

(6)

(3)確定耕地損毀邊界，所對應的下沉值為耕地損毀邊界下沉值，用Wg表示，Wg取3個臨界值中最小的值:

Wg=min{WP，WεP，WiP}

(7)

(4)根據耕地損毀邊界的下沉值，使用沉陷預計法或耕地損毀邊界角法[32]圈定耕地損毀范圍，即治理范圍。

2 平原煤礦區塌陷積水機理及損毀程度評價

黃河下游平原煤礦區礦井分布集中，煤層較厚，且多為多煤層開采，在地下煤層采出后，在地表形成的地表塌陷范圍廣，塌陷深度深，且極易出現積水，較高的潛水位為塌陷區積水提供了涵養環境。塌陷區積水使耕地土壤長期處于水淹狀態，抑制原有農作物等非水生植物的生長，造成農作物減產甚至絕產。塌陷區中部積水較深，土地更是無法繼續利用。因此，塌陷區積水是黃河下游平原煤礦區采煤損毀的主要特征和面臨的最大問題，分析礦區地表塌陷積水的機理及其一般性規律，是對塌陷區損毀程度評價、綜合治理和合理利用水資源的前提條件。

地下煤層被采出后，在地下形成采空區，采空區周圍巖體的應力平衡狀態被破壞，應力重新分布直到再次達到平衡。在此力學變化過程中，上覆巖層發生移動和破壞，當巖層移動發展至地表，使得地表發生移動和變形。受采動影響的地表從原有標高向下沉降，最終在地表形成一個比采空區面積更大的塌陷盆地[25]。后續受水文過程的影響，在塌陷盆地中出現積水，積水主要與地表下沉量、潛水位、氣候、土壤結構和質地等因素有關。其中地表下沉與潛水位的關系是影響積水的關鍵(圖2)，地表土壤質地及結構特征和降雨是積水的客觀條件。

圖2 地表與潛水位的關系Fig.2 Relationship between surface and groundwater table

圖2中H0為地表原標高;HQ為潛水位標高;h0為原始地下水埋深;Wt為地表某一點的下沉值;hQ為地表某一點的地下水埋深;Wm為地表最大下沉值。設塌陷后地表任一點的標高為Hx，與地表原標高的關系為:Hx=H0-Wt，與地下潛水位的關系為Hx-HQ=hQ，即可得:H0-Wt=HQ+hQ。由于H0-HQ=h0，可轉化為

H0-HQ-Wt=h0-Wt=hQ

(8)

若h0-Wt≥0時，塌陷后的地表位于地下潛水面以上，地表不會在地下水的作用下產生積水。但是由于土壤中有許多細小的孔隙，會產生毛管現象，水分沿孔隙上升，增大潛水面上方土壤的含水率，影響作物根系生長。在保證土壤不發生鹽漬化，不影響作物生長的情況下，要求潛水位埋深大于地下水臨界埋深[33]，即hQ≥hL。即可得

h0-Wt≥hL

(9)

其中,h0為原始地下水埋深，取決于原始地形和潛水位標高；hL為地下水臨界深度，主要受氣候(降水和蒸發)、土壤結構和質地、地下水礦化度、植被覆蓋情況等自然條件和農業生產條件的影響[34]。通常可使用土壤毛管水上升高度來計算地下水臨界深度[35]:

hL=hr+Δ

(10)

式中，hr為毛管水上升高度,m;Δ為安全超高，即作物根系活動層厚度。

若h0-Wt<0時，則表示塌陷后的地表位于潛水面以下，地下水會對地表進行補給。

Wt為地表塌陷的表征，是隨時間動態變化的。由于地表的下沉是一個緩慢的動態過程，因此塌陷盆地積水也呈現動態規律。塌陷區積水過程分析，就是要厘清塌陷后的地表與地下潛水位的動態位置關系，重點在于分析Wt和h0的關系。

(1)當地面剛開始出現下沉，下沉值遠小于原始潛水位埋深，即Wt

圖3 塌陷區積水過程Fig.3 Water-ponding process in subsidence area

地表產生小幅度的附加坡度，但是地表距離地下潛水位還有一定距離，地面塌陷對地下水位無影響，此時不會出現積水。當區域發生降雨，塌陷區的水文過程表現為降雨對塌陷地表進行直接補給，少部分降雨在附加坡度的影響下向塌陷坑中心匯入，坑底開始出現積水。另一方面，塌陷坑內積水一定程度上向下滲漏，對地下水進行補給，下滲速度及水量取決于土壤性質。若積水在經過較短時間的蒸發和下滲作用后排泄完畢，地表將不會出現積水;若積水時間超過作物的耐淹能力(一般為1～20 d，視作物及其生長期而定)[36]，作物將受澇減產，這種情況的積水可作為積水損傷的臨界積水標高，也可視為季節性積水。這種積水的主要原因是降雨量大、土壤質地較黏、下滲慢。

(2)當地面下沉到最大下沉值超過潛水面，即Wt>h0，如圖3(b)所示。

此時地下水水頭壓力高于塌陷坑底部，淺層地下水在重力作用下，沿著潛水面坡度最大的方向流動，地下水由地下徑流開始轉為側向補給，塌陷坑成為地下水的排泄區，潛水出露地表，地表出現積水。地下水補給量取決于含水層的巖性、厚度、結構、導水性和富水性等[37]。當區域發生降雨，塌陷坑坡度增大，更容易形成地表徑流，向塌陷坑底部匯入，增加了塌陷區的水量，將在塌陷區形成長時間積水，即常年積水。

(3)當地下煤層開采完，地面塌陷達到最終狀態時，Wt?h0，如圖3(c)所示。

黃河流域下游平原區煤層較厚，且存在多煤層開采，在地表形成的塌陷深度較深，往往達到4～10 m，甚至10 m以上。平原區潛水位埋深較淺，通常在2～4 m，一些區域甚至在2 m以下。因此，塌陷坑內的積水將達到數米以上。此時，塌陷區積水的補給為水面降雨、地下水豎向補給、地下水側向補給和未積水區產流，塌陷區積水的排泄為蒸發和滲漏。

塌陷區積水水位和地下潛水位的水位差是積水和地下水相互轉化的驅動因素[38]。冬季枯水期，地下水位有所下降，塌陷區積水水位高于地下水位，積水向地下水進行補給，積水區水位相對下降。夏季降雨較多，進入豐水期，淺層地下水水位上漲，地下水對塌陷區積水進行補給，積水區水位相對抬高。積水區水位的季節性變化，使得積水區的水量和積水面積發生變化，枯水期的積水區域為常年積水區，豐水期較枯水期多的積水區域稱為季節性積水區，如圖4所示。常年積水區積水較深，土地完全被水淹沒，無法耕種;季節性積水區在豐水期積水較淺，但農作物長期處于水淹的影響下，造成減產或絕產，土壤養分在坡度的影響下隨著地表徑流向塌陷區底部匯集[39];枯水期不再積水，表層土壤含水率逐漸下降，但土壤質地改變，土壤中有機碳、全氮等含量減小，耕地質量下降，即使恢復耕種，產量也將有所下降。

圖4 與潛水位有關的季節性積水區和常年積水區Fig.4 Seasonal and permanent water-ponding related to groundwater table

對損毀土地進行損毀程度評價是采煤塌陷地治理工作中至關重要的環節[40-41]。根據前述分析，塌陷區積水是黃河下游平原煤礦區耕地損毀的重要因素，因此，在進行區域性采煤塌陷地治理時，可將是否積水作為損毀程度評價的主要標準。不出現積水的區域，土地損毀形式為下沉，下沉值較小，地面破壞較小或者無破壞，為輕度損毀;出現季節性積水的區域，下沉值較大，豐水期積水，造成農作物減產，或者土地無法耕種，枯水期耕地可繼續耕種，但產量有所下降，為中度損毀;出現常年積水的區域，地面完全被積水淹沒，破壞嚴重，為重度損毀。

以山東省采煤塌陷地綜合治理專項規劃為例，在損毀程度評價時，結合山東省平原區豐水期和枯水期的淺層地下水等水位線，劃分各行政區差異化的評價標準，見表1。德州市和濟南市的礦區由于距離黃河較近，周邊地下水水位極高，塌陷0.6 m即出現季節性性積水，標準與其他地市差別較大，濟寧市由于礦井分布較多，各區域潛水位不同，導致地面積水情況不一，因此濟寧市共劃分了3個不同的標準。

表1 山東省平原區采煤塌陷地損毀程度評價標準Table 1 Evaluation standard for land damage of coal miningsubsidence in plain area of Shandong Province m

3 塌陷穩定性分析

地下煤層的采出會引起地表發生移動變形，最終形成穩定的塌陷盆地，這一過程是漸進且相對緩慢的。在進行采煤塌陷地治理規劃時，治理區域的穩定性決定了治理的時機以及技術的選擇。近年來，全國多地出臺的采煤塌陷地治理規劃中開始劃分穩沉塌陷地和未穩沉塌陷地分別安排治理任務。因此，在采煤塌陷地治理前，有必要進行科學的穩定性分析。

3.1 采煤塌陷地沉陷穩定過程

采煤塌陷地是隨著地下工作面的推進過程逐漸形成的。已有眾多文獻分析了地表動態下沉的變化特點和規律[42-44]，通常將下沉盆地任一點的地表移動過程分為3個階段:開始階段、活躍階段和衰退階段。開始階段從地表下沉值達到10 mm時起，到下沉速度小于50 mm/月止;活躍階段為下沉速度大于50 mm/月的一段時間;衰退階段從活躍期結束時開始，到6個月內下沉值不超過30 mm為止。在此基礎上，將采煤塌陷地從形成到逐漸穩定的過程劃分為下沉發展階段、下沉充分階段和下沉衰減階段[45]。

(1)下沉發展階段。一般情況下，當工作面推進到一定距離后，地表才開始出現下沉，這個距離稱為啟動距，為平均開采深度的1/4～1/2。其后，隨著工作面的繼續推進，地表塌陷盆地的面積不斷增大，下沉量和下沉速度也逐漸增大。這一階段持續到工作面的開采達到充分采動。

(2)下沉充分階段。當工作面推進距離達到平均采深的1.2～1.4倍時，達到充分采動，地表塌陷盆地的發展開始進入下沉充分階段。本階段，最大下沉值不再增加，最大下沉速度點的位置滯后于工作面某一固定距離，隨著工作面的推進，塌陷盆地沿工作面推進方向擴大。

(3)下沉衰減階段。當工作面停采后，塌陷盆地沿工作面推進方向擴大速度減慢，最大下沉速度迅速衰減，直至達到穩定狀態。

由于開采引起的地表移動變形是一個緩慢的過程，分析穩定性時不僅要考慮移動過程穩定后的終止狀態，還必須考慮地表移動變形隨時間的發展過程[46]。

地表移動持續時間是指在充分或接近充分采動的情況下，下沉值為最大的地表點從移動開始至移動穩定所持續的時間。影響地表移動持續時間的因素，主要是巖石的物理力學性質、開采深度和工作面推進的速度[47]。在其他條件相同的情況下，開采深度與移動持續時間之間的關系比較穩定，即深度越大移動總時間越長。因此地表移動的持續時間(t)可根據下式計算:

t=2.5H

(12)

其中，T為地表移動的持續時間，d;H為工作面平均采深，m。

另一方面，由于黃河下游平原煤礦區煤炭分布較為集中，存在多煤層重復開采，且煤層較厚，部分礦區采用分層開采，時間間隔在1 a或數年不等，前期已經形成的塌陷地，還可能受到后續重復開采或者周邊工作面或者采區開采的影響。

如圖5所示，W1為第1階段開采造成的塌陷地，塌陷總面積為S1。若該區域存在多煤層重復開采，當后續開采下層煤后，地面塌陷發展為W2，塌陷總面積為S2，重復陰影面積為S1-2,如圖5(b)所示。此時，地面的變化更多的表現為塌陷深度增加，塌陷面積變化不大。則S1區域均為不穩定區，在本階段可不進行治理或考慮未來塌陷量采取合適的措施進行超前治理。若該區域周邊工作面繼續開采，地面塌陷發展為W3，塌陷總面積為S3，如圖5(c)所示。此時，地面的變化表現為塌陷面積擴大，塌陷深度變化不大。S1與S3有重疊，面積為S1-3，表示該區域會受下一階段開采影響。則S1區域在本階段的各部分治理分析如下:S1-3為不穩定區，可不進行治理或考慮未來塌陷量采取超前治理措施進行治理，S1中扣除重疊部分(即S1-S1-3)，為穩定區，可直接進行治理。

圖5 地下煤層開采相互影響關系Fig.5 Interaction of underground coal mining

3.2 采煤塌陷地治理穩定性分區的方法

在采煤塌陷地治理規劃中，安排各個階段的治理任務時，需要劃分穩沉區和非穩沉區，有針對性地規劃各區的治理目標和治理工程。目前，全國以及各省出臺的治理規劃通常要求各個治理階段內穩沉塌陷地基本治理完畢，新增塌陷地達到同步治理。

對于穩沉區，地表移動變形過程已經穩定，且不再受未來開采的影響，要實現全面治理，可根據損毀程度評價結果，進行土地適宜性分析，合理規劃分區，直接采取工程措施對范圍內的塌陷地進行治理。

對于非穩沉區，地表移動變形過程尚未穩定，或已經相對穩定但還會受未來開采影響，要實現同步治理，可利用邊采邊復理念及技術，基于沉陷預計結果，選擇合適的治理時機，合理安排治理工程及時序，使已經塌陷的土地恢復到可供利用狀態，并降低未來開采對其造成的影響，以達到理想的治理效果。

為了在采煤塌陷地治理過程中更為方便地根據塌陷地穩定性安排治理任務，筆者基于治理階段性，提出一種考慮地表動態變化及未來開采影響的穩定性分區的方法。

(1)通過塌陷現狀分析，確定規劃基期的塌陷范圍;或者以塌陷現狀及預測分析，確定某一規劃階段的塌陷范圍，如圖6(a)所示。

圖6 穩定性分區方法Fig.6 Method of stability zoning

規劃階段的塌陷面積用Si表示，即:截止到i年，已經在地面形成的塌陷地面積(或預測得出的i年以前開采的工作面導致的塌陷總面積)，其中i為規劃或者規劃階段開始的年份。

(2)以工作面或者采區為單元，通過式(6)估算各單元的地表移動持續時間t。

(3)根據礦山開采接續計劃，選取各單元中(i-t)年以前開采的工作面進行沉陷預計，得出的沉陷范圍，即為截止到i年，已經相對穩定的塌陷地范圍，面積為Si-t，如圖6(b)所示。

(4)根據礦山提供的未來開采接續計劃，選取i年及以后將要開采的工作面，通過沉陷預計，圈定未來開采影響范圍，面積用Si-later表示，如圖6(c)所示。

(5)在該階段的相對穩定范圍Si-t中去除與未來開采影響范圍Si-later重疊部分Sol，得到最終的已穩定且不再受未來開采影響的范圍，即該階段的穩沉區Si0，則Si0=Si-t-(Si-t∩Si-later)。該階段非穩沉區的面積S′i=Si-Si0，如圖6(d)所示。

通過上述方法，可明確采煤塌陷地治理規劃中各階段的穩沉區面積和非穩沉區面積，便于進行分區治理。以《山東省采煤塌陷地綜合治理專項規劃2019—2030年》為例，規劃提出中期治理目標:到2025年，完成100%+30%的治理目標，即已穩沉塌陷地治理率達到100%，未穩沉塌陷地同步治理率達到30%。據測算，到2025年，山東省采煤塌陷地總面積超過9萬余hm2(包含已治理面積)，穩沉面積78 081 hm2，中期治理任務30 394 hm2，治理已穩沉面積3 773 hm2，治理未穩沉面積4 245.42 hm2，可基本達到“100%+30%”的目標。

4 黃河下游采煤塌陷區治理戰略

黃河下游平原區作為典型的煤糧復合區，承擔著國家糧食保障和煤炭資源供給的雙重職責。當2者發生沖突時，是選擇地上的“糧”還是選擇地下的“煤”，是黃河下游平原煤礦區亟待解決的重大現實問題。此外，傳統的采煤塌陷地治理方法是“先塌陷、再治理”，治理需要等待的時間長、耕地恢復率低、生態環境惡化，導致“舊賬未還、又欠新賬”。因此，必須要從理念和戰略上探索新途徑。

4.1 采煤與耕地保護協同發展戰略

黃河下游平原區“煤”和“糧”的關系，在過去其實是一種“零和博弈”關系，要開采煤炭必將造成耕地的損失，要完全保護耕地就要限制或禁止煤炭的開采。這樣的結果就是既無法實現煤糧復合區整體的利益最大化，也無法實現煤炭資源和耕地資源各自的最大效益。因此，需要改變“零和博弈”思維，積極推動實現“雙贏機制”。即:在保證煤炭開采的同時，盡可能地保護耕地，在煤炭與糧食之間尋找一個最優的平衡點，實現采煤與耕地保護的協同發展。

“協調”是國家的五大發展理念之一。煤炭與糧食協調發展正是踐行“協調”發展理念的重要任務。協同發展戰略的首要任務是正確理解平原煤礦區的耕地損失問題。黃河下游平原煤礦區由于其地質采礦特點，已經不可避免地對耕地造成損毀。在明確損毀耕地已經不可能100%全面恢復的情況下，應該面對現實，積極采取行動去處理，尤其是化害為利，將塌陷水域建設成魚塘或濕地，增加土地利用類型的多樣性和改善區域生態環境。首先需要摸清家底，科學地判斷損毀耕地的真實數量以及耕地利用效率，有助于加強對采煤塌陷地治理的監管以及耕地生產潛力的提升。逐步完善耕地報損核減制度可以真實客觀地反映采煤塌陷區耕地數量、耕地利用情況，及時變更采煤塌陷區耕地流轉數量，從根本上緩解地方政府保護耕地的壓力[48]。在客觀對待部分耕地損失的情況下，應要求礦山采取積極的、超前動態的修復治理措施，盡最大可能地恢復耕地，使恢復耕地率最大。同時，針對已經或可能嚴重損毀并積水的耕地，在進行治理規劃時，應當優化水陸布局[49]，改善塌陷區空間結構，協調水陸兩相生態系統，在復墾耕地的同時，合理構造人工濕地，提高區域生物多樣性，實現區域生態平衡。

4.2 邊采邊復戰略

傳統的采煤塌陷地治理都是“末端治理”的思想，污染損毀狀況持續很長時間，導致土地閑置荒蕪，資源浪費嚴重。尤其是黃河下游平原煤礦區，多煤層多次開采導致下沉大、積水深、損毀時間長，若塌陷完全穩定之后再開始治理，大量土地沉入水中，可恢復利用的土地不多，使得耕地恢復率低。因此，要改變現狀，真正實現“不欠新賬”，需要從理念上進行變革，擯棄傳統的末端治理的理念，立足當下，將“源頭控制”和“過程治理”作為礦區生態環境治理的新理念[50]。及早發現問題隱患，在“病灶”初期就開始“對癥下藥”，才是一種高效的治理思路。要實現礦區生態環境的“源頭和過程控制”，就應該在開采前或者開采過程中采取復墾或修復措施——即邊開采邊修復[51]。

邊采邊復的基本內涵是采復耦合，即基于精準的采礦損毀預測，將采礦與生態修復有機結合。主要包括過程耦合、時空耦合和技術耦合。過程耦合是指采礦工序與修復工序耦合;時空耦合是指開采位置、修復位置的時空耦合與優化;技術耦合是指開采減損技術與生態修復技術的耦合。

采復耦合包含3個層次:① 在采礦計劃不變的情況下，在地表沉陷之前或者過程中尋找一個時機去修復，即動態預復墾技術;② 基于地面保護的需求，地下采取相應措施，減輕地面損傷或者不損傷;③ 地上地下同步進行。動態預復墾技術已經相對成熟，在復墾范圍[52]、復墾時機[32,53-54]和復墾標高[55]等關鍵問題上已有相關研究。基于地面保護的邊采邊復主要在地下采礦減損和保護性開采方面進行突破。井上下耦合的邊采邊復技術仍需進一步研究，以實現井上下開采與治理的同步進行，最大限度的合理利用資源并保護礦區生態環境。

近年來，在生態文明建設背景下邊采邊復理念和技術逐步得到廣泛認可，在山東、安徽、河南等多地推廣應用。采用邊采邊復技術，基于沉陷預計結果，預測未來損毀情況，提前進行治理，減小地面損傷，提前搶救土壤，恢復更多的土地。

邊采邊復是采煤塌陷治理的治本之策，應當將邊采邊復作為采煤塌陷地治理的戰略，合理有序地安排地下開采與地上修復治理的工序，有效地保護耕地，實現區域煤炭開采和耕地保護的總體利益最大化。

5 結 論

(1)改變以下沉10 mm沉陷邊界作為治理邊界的傳統做法，提出了以塌陷對建筑物和耕地的損毀邊界作為采煤塌陷地治理范圍。定義了耕地損毀邊界，提出了獲取耕地損毀邊界的方法，即以耕地損毀臨界下沉值WP、臨界水平變形值εP和臨界傾斜值iP中的最小值圈定耕地損毀范圍，在采煤塌陷地治理工作實踐中具有現實意義。

(2)采煤塌陷地積水是平原礦區生態損毀的主要特征和優選治理技術的關鍵，它主要與地表下沉量、潛水位、氣候、土壤結構和質地等因素有關，本文以塌陷后的地表與潛水位的關系為切入點，分析了黃河下游平原煤礦區采煤塌陷地積水的機理及動態過程，發現地表下沉與潛水位的關系是影響積水的關鍵，地表土壤質地及結構特征和降雨是積水的客觀條件。潛水位隨季節的變化導致了塌陷區季節性積水，以積水情況作為土地損毀程度評價的標準，可用于黃河下游平原區區域性采煤塌陷地治理實踐。

(3)塌陷穩沉性直接關系治理的時機及治理技術的選擇，是采煤塌陷地治理的基礎性問題之一。首先應考慮塌陷滯后時間t=2.5H，獲取治理階段內塌陷穩定的區域，然后再減去未來塌陷影響區域與該穩定區域重疊的面積。依據精準預計和考慮階段性塌陷影響，科學劃分穩沉范圍和非穩沉范圍，為采取相應治理措施提供技術支撐。

(4)黃河下游平原煤礦區是典型的煤炭-糧食復合區，應摒棄“零和博弈”和“先塌陷后治理的末端理念”，踐行國家“協調”發展理念，采取“采煤與耕地保護協同發展戰略”和“邊采邊復戰略”，盡可能多地保護和恢復耕地資源，保障煤炭開采與生態環境的同步發展。