郝园园，朱宗泽，郝成元

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454000;2.沁阳市国土资源局，河南 沁阳454550)

煤炭是我国现时最主要的能源，约占一次性能源构成的74%，且96%以上的煤炭产量来自于井工开采[1]。这种开采方式打破了煤层覆岩的自然平衡状态，导致顶板断裂、破碎、相继冒落。随着工作面的向前推进，受开采影响的岩层范围会不断扩大，当开采范围达到足够大时，岩层移动发展到地表，引起地表沉陷[2]。采煤沉陷是煤矿开采对土地资源最直接的破坏，采煤沉陷后，昔日平原变成了高低不平的沉陷地，肥沃农田变成了低产坡地、沼泽地或芦苇丛生的沉陷湖泊，导致矿区耕地面积减少及单产锐减，矿群关系恶化[3-4]。20世纪30年代，西欧及北美各国已经开始在矿区的植被恢复方面进行深入研究[5-6];自80年代开始，澳大利亚、新西兰等着重强调废弃矿地的恢复和治理[7-8]。我国自20世纪90年代才开始对矿山废弃地复垦及有毒有害物质污染后的植被修复问题进行研究[9-10]，虽然起步较晚，但是发展迅速，矿区土地复垦率已达12%，取得了显著的经济、社会和生态效益[2]。目前，我国的土地复垦与矿区生态重建主要集中于有毒有害物质防治、植被恢复及土壤基质熟化等方面[11-13]。本研究以潞安集团王庄煤矿为例，深度辨析矿区采煤沉陷的现状及预测、类型、影响等，分析了研究区采煤沉陷区充填复垦现状及不足，并提出了相应的改进措施。

1 研究区概况

王庄煤矿位于山西省潞安矿区北区的东南部，井田范围北与漳村井田邻接，南以二岗山北断层为界，东以石圪节井田煤层露头线、漳泽水库最高洪水水位线为界，西与常村、古城井田邻接。井田南北长平均为19.40 km，东西宽平均为4.6 km，面积79.45 km2。王庄煤矿建于1958年，1966年12月正式投产，经过两次改扩建，2008年实际生产能力接近750万t/a。

2 王庄煤矿开采沉陷现状及预测

2.1 王庄煤矿开采沉陷现状

截至2008年年底，王庄煤矿采煤已造成的沉陷土地面积约为1 145.89 hm2，其中稳定沉陷地面积为615.35 hm2(沉陷耕地、常年积水、季节性积水面积分别为539.90、27.35、48.10 hm2)，约占沉陷地总面积的53.70%;不稳定沉陷地面积为530.54 hm2(沉陷耕地、常年积水、季节性积水面积分别为465.77、30.54、34.23 hm2)，约占沉陷地总面积的46.30%(表1)。

表1 2008年年底王庄煤矿采煤沉陷地统计

2.2 王庄矿区沉陷土地预测

随着王庄煤矿投产规模的不断扩大，将会造成更大面积的土地因采煤而沉陷。依据规划，王庄煤矿最终生产能力将达到1 125万t/a。据不完全统计，平均每开采1万t煤，地表沉陷0.2 hm2，最多的达 0.53 hm2[3，14]。据此估算，在今后 10 年间，王庄煤矿每年将有数百公顷土地因为采煤而沉陷。另外，每年会增加矸石山占地1.77 hm2、粉煤灰堆场占地3.56 hm2。

3 王庄煤矿采煤沉陷的影响

3.1 对生态环境的影响

王庄煤矿开采沉陷以中度为主，中度沉陷面积约占总沉陷面积的92%。中度沉陷对生态环境所造成的影响并不是太严重，主要是在一定程度上对土壤、水体、植被和人居环境等人类赖以生存的环境要素造成损害。

(1)对土地的影响。在王庄煤矿，采煤沉陷破坏的土地主要为耕地，占87.76%。沉陷形成坡地或沉陷盆地，造成部分土地季节性积水，局部常年积水，农田不能耕作;采煤沉陷使地表变形不均衡，耕地变得起伏不平，水、土、肥流失，土壤肥力下降，农作物大幅减产;采煤沉陷造成土层松动，加速土地退化进程。

(2)对水环境的影响。王庄煤矿的3#煤层开采疏干了含水层，改变了地表水与地下水的循环方式，使地表水资源减少，影响区内生活和生产水源;地表沉陷和裂缝(隙)也在一定程度上改变了产汇流条件，造成个别村庄饮水困难。

(3)对动植物的影响。采煤沉陷导致大量耕地荒废，不能耕种，杂草丛生;少数浅部采区(深厚比小于20)和山区采动滑坡区的植被受到严重破坏;矿区内野生动物原有30多种，由于采矿活动的干扰以及栖息地的破坏与生境恶化，目前种类和数量均有所减少，食物的减少和人为干扰加速了动物多样性减少的速率。

3.2 对社会经济的影响

首先，采煤沉陷引起的地表移动，其方向多变，速度不均，导致房屋、公路、铁路、管道、塔杆等不同程度地遭到破坏，对矿区居民的生产、生活造成不便，也造成严重的经济损失。其次，采煤沉陷一方面使部分耕地不能耕作，减少了耕地面积;另一方面降低了土地生产力，作物单产减少，从而影响粮食生产和农民收入，农民一旦失去土地，收入减少，随时都可能出现影响煤炭生产、危及社会稳定的问题。

4 王庄煤矿沉陷区充填复垦现状及不足

截至2008年年底，王庄煤矿共治理了263.63 hm2采煤沉陷区，治理后土地交还原村民组使用，权属不变，用于耕种、栽树、盖房或发展水产养殖，社会效益、经济效益和生态效益显著。

4.1 充填工程治理措施

充填工程是在治理王庄煤矿采煤沉陷地过程中所采取的重要工程措施，它不仅处理了矿区内的固体废弃物，同时又治理了矿区内因采煤而沉陷的土地。

(1)煤矸石充填工程治理模式。利用累积煤矸石作为沉陷区土地治理的充填材料，既可复垦因采煤而导致沉陷的土地，又可减少矸石堆放占地，消除矸石山对环境的污染。

(2)粉煤灰充填工程治理模式。电厂的粉煤灰堆弃在野外，不仅压占大片土地，而且污染矿区生境。利用沉陷区的巨大容积解决矿区燃煤电厂粉煤灰堆放问题，不仅能治理两害(沉陷区、粉煤灰)，而且对三方(电厂、煤矿、农民)都有利。利用粉煤灰充填沉陷区覆土造地，不仅技术可行，而且经济、社会和生态效益良好。

4.2 王庄煤矿充填复垦工作存在的不足

(1)充填治理后土壤的酸碱性不利于作物的生长。王庄矿区属于高潜水位矿区，充填治理后，充填的煤矸石层或粉煤灰层位于潜水位之下，矸石或粉煤灰长期处于水浸泡环境之中会发生化学反应，由于煤矸石呈酸性，粉煤灰一般呈碱性，从而使充填后的土壤要么呈酸性，要么呈碱性。从土壤学以及植物对土壤的适宜条件看，一般最适宜植物生长的pH值在5.5～8.0之间，过酸或过碱的土壤都不利于作物的生长。

(2)充填治理过程中对土壤结构的破坏较大，治理后土壤比较贫瘠。矿区充填治理的一般方法是先将充填沉陷区内的表土剥离出来，充填煤矸石或粉煤灰到设计标高，然后压实，再回填剥离的表土进行农林种植。在施工的过程中，由于机械的扰动，使土壤原有的结构遭到破坏，治理后土壤孔隙、结构性、保水保肥性等理化指标发生较大变化，土壤中可供作物吸收的肥分较少，土壤的肥力与普通农田相比大大降低。

(3)煤矸石和粉煤灰充填物有害物质含量较高。由于矸石和粉煤灰本身含有许多有害物质，再加之王庄煤矿位于高潜水位，充填后矸石或粉煤灰长期处于水浸泡环境下而发生化学反应，释放出的有害物质会逐渐转移到地表土壤中，进而被植物的根系所吸收，并在果实中部分残留或积累。

(4)充填治理为建设用地时，对矸石地基的处理过于简单。王庄煤矿将采煤沉陷地充填治理为建设用地时，通常是将煤矸石自然倾卸一次充填到设计高度，然后做压实处理。因充填煤矸石的厚度不一致、压实程度不一样，其地基承载力也不一样，所以当建造高层建筑物时，建筑物可能会因其地基承载力的不同而遭到不同程度的破坏。

5 王庄煤矿充填复垦工作的改进措施

针对王庄煤矿采煤沉陷区充填复垦中存在的问题，建议采取以下几个方面的措施来改进:

(1)运用化学方法改变土壤的酸碱性。通过设计试验，对煤矸石或粉煤灰充填沉陷区后过酸或过碱的土壤，提前采取化学方法进行中和处理:对于煤矸石充填的土壤，可在施工时根据土壤的酸度施加少量的石灰、石粉等，将土壤的pH值调节至适合植物生长的标准;对用粉煤灰充填沉陷区的土壤，可施加少量的石膏以改善土壤结构，降低土壤的板结程度。另外，也可采用将煤矸石和粉煤灰混合的方法将pH值调节至合适大小。

(2)优化施工工艺，降低对土壤的破坏。王庄煤矿当前采用的充填法是:在剥离表土时，常常大面积剥离和堆放，当充填到设计标高后，再回填剥离的表土，推土机推土的距离过长，有时甚至超过100 m，严重破坏了土壤自然形成的结构。为了构建一个合理的土壤剖面，可以采用以下技术路线:首先，将充填区域划分为若干条带，分为填充条带和表土剥离条带，每一条带宽30 m，在填充第一条带之前，先将第一条带的表土进行剥离，存放到专门的土场;然后用煤矸石或粉煤灰充填至设计标高，剥离第二条带的表土覆盖在第一条带上，表土的剥离分为两层，表层土(30 cm)和底层土(60 cm)，在表土剥离区，适当划分若干个剥离块，实现分层剥离、交错回填，从而完成第一条带的土壤重构;最后再用煤矸石或粉煤灰充填第二条带，待充填至设计标高时，剥离第三条带的表土，将其覆盖在第二条带上，完成第二条带的土壤重构，以此类推，完成其他条带的土壤重构。

(3)优化充填工艺，防止煤矸石、粉煤灰中有害物质迁移及对周围环境造成污染。由于煤矸石、粉煤灰中含有有毒有害物质，这些有毒有害物质会直接或间接地污染土壤，而且可以通过各种联系(如贯通河道、农灌渠、地表裂隙等)发生转移，进而污染周围环境。所以，为了减少煤矸石、粉煤灰对土壤及周围环境的污染，在充填的整个过程中，应合理设计填充方案，减少有害污染物的迁移机会，可以在充填的煤矸石层上覆盖厚黏土层，并进行植树绿化或耕作养田，还可设置多层黏土隔离层，或类似于垃圾掩埋场采取在周围设置黏土衬层、导水沟等措施来减少污染。同时，最好少种或不种食用的农作物，以种植棉花、黄麻等经济作物和经济林木为宜，这样既能充分治理、利用因采煤而沉陷的土地资源，又能获得较好的经济效益，还能避免因农作物受到重金属等有毒有害物质的污染进而对人体健康造成不良影响等。

(4)优化充填方法，对作为建设用地的充填地基实施加固处理。为了避免建在压实处理不均匀的矸石回填层上的建筑物遭到破坏，应优化充填方法，对充填为建设用地的地基实施加固处理。在矸石充填时，建议采取分层充填、分层碾压的方法，即每充填一定厚度，一般以不超过0.5 m为宜，采用强夯法、振动压实法等进行压实，然后再充填再压实，直至达到设计标高，使充填为建设用地的矸石地基足够稳定。

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