基于NbS自然解決方案的伊犁一礦采煤塌陷地生態修復

焦葉紅 于成 武靖雯

摘要：基于NbS自然解決方案用于采煤塌陷地生態修復，以新疆伊犁一礦生態修復為例進行礦山生態修復研究，聚焦多目標，形成多功能修復格局。進行排矸場生態修復、水土環境污染修復、含水層破壞修復、土壤植被一體化修復。采取管理、技術、經濟等綜合措施，形成包容、透明和賦權的治理過程，為開展西部生態脆弱區礦山生態修復提供一種新的治理理念和方法。

關鍵詞：NbS自然解決方案；伊犁一礦；采煤塌陷地；生態修復

中圖分類號：P694??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.10.012

引文格式：焦葉紅，于成，武靖雯.基于NbS自然解決方案的伊犁一礦采煤塌陷地生態修復［J］.山東國土資源，2023，39（10）：75-80. JIAO Yehong， YU Cheng， WU Jingwen. Ecological Restoration of Coal Mining Subsidence in Yili Coal Mine Based on NbS Natural Solution［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（10）：75-80.

0 引言

基于自然的解決方案（Nature-based So1ution，NbS）近十年來發展迅速，世界自然保護聯盟（IUCN）將其定義為在可持續發展理念指導下的重視自然生態系統自我修復能力，同時妥善處理經濟發展與生態保護的綜合解決方案［1-3］。從21世紀初開始，基于自然的解決方案才進入主流科學研究范疇，經歷了土地管理、礦山治理、水環境治理等不同學科的探索與發展，概念從原來的廣泛性逐漸精細到每個學科?；谧匀坏慕鉀Q方案是動態的、面向未來且具有很強的可持續性的解決方案，使生態建設成為一項人與自然相互作用的過程。NbS成為被廣泛采用的術語并且在學術研究和政策制定中得到了越來越多的關注，被認為是實現可持續發展全球目標的重要工具［4］。

本文基于NbS自然解決方案用于采煤塌陷地生態修復，以新疆伊利一礦生態修復為例進行礦山生態修復研究，為日后開展西部生態脆弱區礦山生態修復提供新的治理理念和方法。

1 研究區概況

伊犁一號煤礦（以下簡稱“伊犁一礦”）位于新疆察布查爾錫伯自治縣南部，行政區劃隸屬新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣瓊博拉鎮管轄。伊犁一礦井田面積118.5km2，礦井地質儲量約46.33億t，可采儲量19.98億t，設計生產能力1000萬t/a，設計服務年限142年，是伊犁礦區設計產能最大的現代化礦井，也是新疆首座獲得國家發改委核準的千萬噸級現代化井工礦井。

井田含煤地層為侏羅系中統西山窯組，煤層傾角較緩，一般5°～8°左右，共含煤12層，自上而下為1號煤層、2號煤層、3號煤層、4-1號煤層、4-2號煤層、5號煤層、6號煤層、8號煤層、9-1號煤層、9號煤層、10號煤層、12號煤層。其中3號煤層、5號煤層全區穩定分布，為主要可采煤層。各煤層埋藏深度及煤層厚度見表1。

近年來，伊犁一礦進行了首采區開采，輸送了大量煤炭資源，為我國經濟社會發展做出了巨大貢獻。由于伊犁一礦煤層埋藏淺，開采厚度大，采用綜采放頂煤開采后，地表塌陷劇烈，地表出現較大臺階、地裂縫、塌陷坑，造成區域農田塌陷、配套灌排設施損毀、道路塌陷，給當地生態環境造成較大影響。同時，部分地裂縫直接連通采空區，引發煤體自燃、地表水下滲，威脅礦井安全生產。

此研究課題是以“雙碳”戰略目標為引導，在基于綠色的新發展理念基礎上，嚴格依據煤炭資源、環境容量、水資源等因素，最大限度減輕對生態環境的破壞，對已形成的采煤塌陷進行生態修復，實現煤炭產業綠色和可持續發展。

2 研究方法與內容

NbS的核心在于用自然的方式應對社會挑戰，解決相關問題［5］?；谧匀坏慕鉀Q方案（NbS）并非回歸自然、回歸原始，自然只是一個既定目標，而基于自然的解決方案是實現目標的方法與手段，通過對生態系統及其規律的認知和運用，通過人工技術的介入，在灰色和綠色間找到理想平衡狀態［6］。在礦山生態修復實施的過程中，基于自然的解決方案會采用眾多的高新技術，為方案的運作提供幫助；作為引入自然并讓其做功的新興領域，基于自然的解決方案不僅僅依托傳統經驗的積累，還借助高新工程技術手段，利用其所具有的特性，服務于各類特定的需求。

2.1 礦山生態修復的自然解決方案準則

準則一：依據尺度設計NbS［7］。NbS認為要根據尺度設計項目，這項準則強調NbS的整體性，所有干預措施，包括在單個場地或較小空間尺度上實施的干預措施，都應在景觀規劃的背景下制定，以確保活動具有戰略意義。

準則二：包容性治理過程。適當的治理過程對于確定NbS給人類和自然帶來成效至關重要［8］。公平參與、權力共享、認可和保障權利以及明確責任，將確保人與自然在短期和長期同時受益。

準則三：目標與效益間公正地權衡。NbS要在社會、經濟、生態之間進行平衡和權衡，公平地權衡利弊。權衡具有空間、時間和可逆性的維度［9］?？臻g維度是指權衡效果可以在當地或遠處實現。時間維度是指影響發生的相對快慢。可逆性表示當擾動事件停止時，一個被破壞的生態系統服務可能恢復到其原始狀態的可能性。

準則四：進行適應性管理。這一準則表明了NbS是一個不斷發展、系統的過程，以初始的規劃方案和評估作為基礎［10］，在規劃過程中開展相應的長期監測并進行階段性的評估，根據各利益相關方對規劃的反饋不斷地調整規劃方案和完善規劃策略。

2.2 形成礦山塌陷區多功能修復格局

2.2.1 穩沉區土地整理修復

通過現場調查，將穩沉區分為D1（中、重度塌陷區）、D2（輕度塌陷區）兩個部分進行整治（圖1）。

D1地塊為中、重度塌陷區，面積342196.14m2，地形起伏較大，地裂縫發育，溝壑遍布。原有道路、水渠等遭到嚴重破壞，無法在利用；區內耕地無法耕種，防護林等樹木枯死。對該地塊進行表土剝離、挖高墊低、土方回填、土地平整、土地翻耕、新修道路、新修水渠、種植防護林等工程，使其恢復可利用狀態。

D2地塊為輕度塌陷區，面積74143.84m2（111.22畝），塌陷程度輕，發育有地裂縫。目前處于正常耕種狀態，周邊水利、道路等配套設施未遭到破壞，仍能正常利用。因此進行簡單的土地平整等工程即可恢復土地正常耕種，使土地達到可利用狀態。

2.2.2 排矸場生態修復

伊犁一礦礦區排矸場壓占土地面積約19.70hm2，場地平整后，利用南、北工業廣場前期剝離的表土對復墾區進行覆蓋，覆土厚度0.20m，根據周邊地形地貌坡度，土地平整地形坡度按5°計。根據區域植被類型，選用人工條播草籽，開溝深度10cm，寬度10cm，溝距30cm。種植時間選擇在春季或雨季前，待雨季時可為草籽提供生產所需水分，直接人工混播草籽，草種選擇針茅、披針葉苔草，均為當地常見草種。

2.2.3 水土環境污染修復

（1）水環境污染預防措施

生活污水排入生活污水處理池，處理后達到《污水綜合排放標準》（GB8978—2002）二級標準，用于道路灑水降塵，提高礦山生活污水利用率；礦井涌水排至地面沉淀池后達到井下灑水水質標準，回用于井下生產及巷道降塵，不外排，盡可能實現礦區水資源綜合利用最大化。在礦山開采過程中，矸石、生活垃圾、爐渣等不亂堆亂放，矸石統一回填采空區；生活垃圾堆放在生活垃圾池，定期運送至垃圾填埋場，以減少礦山固體廢棄物對水土環境的污染。

（2）水土環境污染修復措施

礦山產生的固體廢棄物和污水（廢水）按設計方式經綜合利用和凈化處理后，不會引發水土環境污染，礦山未來水土環境污染修復僅采取監測和預防工程措施，不采取治理修復措施。

（3）水土環境污染的監測措施

水監測點布設于礦區東部瓊博洛薩依溝（表2），了解掌握礦山開采水環境質量狀況和受污染程度，對生活污水進行監測。在生活區及南工業廣場污水處理池布置監測點，檢查水質是否達到排放標準。礦山生產活動集中位于辦公生活區、工業廣場等地，土環境會因礦山排放生活垃圾的影響而受到不同程度的污染。為了解掌握區內土壤環境質量狀況和受污染程度，在容易對土環境造成污染的辦公生活區、工業廣場設置土壤監測點。

2.2.4 地下水保護修復

地下儲水空間的合理開發利用可以利用地下含水層的調蓄功能、穩定地下水位、縮小地下水降落漏斗、控制地面沉降［11］。伊犁一礦首采區產生的地面塌陷和裂隙為地下水的存儲和徑流創造了良好條件，加強了與上覆含水層的水力聯系，并成為這些含水層水進入礦井采空區的通道，裂隙以及頂板冒落巖塊間的孔隙成為儲存地下水的巨大空間［12］。轉移存貯正是地下儲水空間在缺水礦區實施水資源保護性開采的關鍵體現。伊犁一礦新生代沖洪積孔隙潛水含水層包括第四系孔隙含水層和新近系孔隙含水層。侏羅系層間裂隙孔隙承壓含水層頭屯河組下部至1號煤層以上平均厚度16.88m、5～8號煤層之間平均厚度15.22m、10號煤層頂板上平均厚度22.27m等分布穩定可以考慮作為含水層的轉移存貯空間。

2.2.5 土壤-植被一體化修復

針對礦山復墾工作來說，表層土壤的覆蓋具有重要的意義［13］。表層土壤是經過多年植物作用而形成的熟化土壤，是深層生土所不能替代的，對于植物種子的萌發和幼苗的生長有著重要作用。表土臨時存放必然會影響到土壤的容重、水分等理化性狀以及植物、動物，尤其是微生物等生物學性狀。表層土壤是土地復墾時進行再種植成功的關鍵，在取土過程做好防護工作。為了保持土壤結構、避免土壤板結，應避免雨季取土。復墾植被的主要作用在于修復己損毀的土地，提高土壤的肥力，改善區域環境，因此在盡量選擇成活率高的鄉土植物的前提下，還應注意選擇有利于增加土壤肥力的草本等植被［14］。根據區域植被特征，選用耐旱牧草假木賊及針茅，1∶1混播，播撒密度為60kg/hm2。播種前要曬種2～3d，以打破休眠，提高發芽率和幼苗整齊度，每10kg種子用水10～20kg浸種催芽，浸種24h。播種期在當年雨期6月—10月實施，保障牧草成活率。

2.3 采取綜合措施預防塌陷形成機制

針對研究區監測結果，分析采煤驅動下覆巖與地表巖移特征、地質災害發生和發展特點，提出厚松散層薄基巖特厚煤層條件綜放開采覆巖與地表移動規律，揭示采煤引發的地質災害發展規律。

以伊犁一礦5號煤層1503W工作面煤層賦存條件為研究基礎，建立數值模型。分析開采過程中覆巖二維宏觀力學性質變化以及頂板移動變形特征（圖2），采用大型非線性二維數值計算軟件UDEC，對1503W工作面5號煤層開采后覆巖的垮落特征進行模擬研究（圖3），研究伊犁一礦厚松散層薄基巖條件下工作面推進過程中上覆巖層的破壞機制和位移形態，并將數值模擬結果與現場實測的相互驗證分析，為該礦區厚松散層薄基巖煤炭開采提供一定的理論支持。

2.4 進行礦區生態修復適應性管理

基于生態系統的復雜性和不確定性，需要對礦區進行持續監測［15］，通過對過去采用的管理政策和實踐措施來獲得經驗，并根據生態系統變化情況，修正、改進管理政策和實踐措施。在新時代背景下，實施適應性管理勢在必行，生態保護修復中強調山水林田湖草生命共同體是一種系統性、整體性和綜合性的治理理念［16］，是“皮—骨—肉—血”不可分割的生命共同體，生動闡述人與自然唇齒相依的關系，其根本體現是生態系統間相互關聯相互依存的關系。

實施的管理應基于其固有的生態系統特性，制定合理的區域生態系統適應性管理對策［17］。針對伊犁一礦厚松散層薄基巖特厚煤層條件下放頂煤開采引發的一系列礦區生態問題，進行地面塌陷區治理及復墾技術研究與應用，總結歸納該地質條件下開采覆巖與地表移動規律，研究形成地面塌陷的成因以及治理和預防控措施，以便指導礦井安全開采、礦山地質環境治理及土地復墾工作。

確定管理尺度及生態系統邊界（盡可能與行政區劃一致原則）［18］，分析礦區基本結構和基礎條件，以及生態系統所能提供的各種生態功能（圖4）。詳細調研、深入分析研究區地表損毀現狀，研究其產生原因及發生發展特點，研發地面塌陷預防技術；結合礦區周邊生態環境特征和景觀特點，研究地面塌陷治理技術措施。

山水林田湖草生命共同體具有反饋、適應、再生等能力［19］。將傳統管理方法修正為“預測—實施—監測—評估—調整—適應”［20］。伊犁一礦在生態修復過程中建立農業生態要素監測站，監測采煤沉陷區土壤、植被、農田灌溉排水系統、田間道路、土地利用布局等農業生態環境的變化情況，對該區土地利用進行適應性評價；研究采礦引起農業生態系統退化的主要因素；利用恢復生態學原理，優選復墾方法和復墾土地利用方向，研究塌陷區土地復墾與農業生態修復技術。

采用“理論方法—試驗示范—標準規程—推廣應用”互逆研究范式［20］，調查伊犁一礦土地損毀現狀，研究采礦引起農業生態系統退化的主要因素，分析地下資源開采對地表塌陷、臺階、地裂縫及農田灌溉排水系統、田間道路、土地利用布局等生態環境的影響，優選復墾方法和復墾土地利用方向［14］，研究厚松散層薄基巖特厚煤層條件綜放開采礦區塌陷地土地復墾與生態修復技術，更加注重生態系統權衡。

3 結論

基于NbS自然解決方案的伊犁一礦塌陷地生態修復的過程包括聚焦多目標，形成多功能修復格局；穩沉區土地整理修復、排矸場生態修復、水土環境污染修復、含水層破壞修復、土壤植被一體化修復；采取技術、經濟、管理等綜合措施，從源頭上分析采煤塌陷的原因，預防塌陷形成機制；在生態修復中分四個步驟，即“礦區基礎條件分析—問題診斷—管理目標確定—適應性管理措施”對伊犁一礦進行生態修復，明確不同干預措施權衡，進行礦區生態修復適應性管理。

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Ecological Restoration of Coal Mining Subsidence

in Yili Coal Mine Based on NbS Natural Solution

JIAO Yehong1， YU Cheng2， WU Jingwen3

（1.No.3 Exploration Brigade of Shandong Coal Geological Bureau， ShandongTai'an 271000， China; 2. Yantai Planning and Design Institute， Shandong Yantai 264003， China; 3. Shandong Experimental High School， Shandong Ji'nan 257000， China）

Abstract： Based on NbS snatural solution， taking ecological restoration of Yili mine in Xinjiang as an example， ecological restoration of coal mining subsidence land has been studied. Focusing on multiple objectives， a multi-functional restoration pattern has been formed. Ecological restoration of waste dump， remediation of soil and water pollution， remediation of aquifer damage， and integrated restoration of soil and vegetation have been carried out. Adopting comprehensive countermeasures， such as technology， economy and management， an inclusive， transparent， and empowered governance process have been formed. It will provide a new method for ecological restoration of mines in the western region.

Key words： NbS natural solution; Yili coal Mine coal mining; subsidence land;? ecological restoration