李冬，嚴(yán)家平，徐良驥，喻懷君，董祥林

（1 安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南 232001; 2 安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院， 安徽淮南 232001;3 淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 安徽淮北 235000）

0 引言

耕地與煤炭資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要自然資源。煤炭資源的開發(fā)利用在社會(huì)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著就巨大的作用。但是，在煤炭資源的開采過程中，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問題和社會(huì)問題。隨著煤炭資源的大量開采，引起大面積的地表塌陷并且形成一座座大小不一的矸石山，使大量土地的生產(chǎn)能力下降，甚至失去生產(chǎn)能力。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)由于采煤活動(dòng)引起的地表塌陷面積已達(dá)110km2，使我國(guó)原本緊張的土地資源形勢(shì)變的更加嚴(yán)峻[1]。由此可見，我國(guó)土地整治工程迫在眉睫。

煤矸石充填復(fù)墾是現(xiàn)行塌陷區(qū)治理工程中廣泛運(yùn)用的模式，既可處理地表堆積煤矸石，減輕矸石對(duì)地表環(huán)境的影響，又能有效地治理地表塌陷區(qū)，提高土地增長(zhǎng)量，緩解土地資源緊張問題[2]。但目前煤矸石充填復(fù)墾效益較低且存在一定的盲目性。因此，本文通過對(duì)淮北海孜煤矸塌陷區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析了影響煤矸石充填復(fù)墾效益的三個(gè)主導(dǎo)條件[3]：塌陷區(qū)自然環(huán)境條件、塌陷區(qū)開采破壞程度條件和充填復(fù)墾材料—煤矸石條件，為海孜煤礦塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 海孜煤礦塌陷區(qū)概況

1.1 塌陷區(qū)地理概況

海孜煤礦塌陷區(qū)位于安徽省淮北市濉溪縣內(nèi)，北邊距離淮北市約40km，東邊距離宿州市35km。井田面積為33.745km2，區(qū)域內(nèi)地勢(shì)平坦，海拔標(biāo)高為+20.78～+28.58m，村莊稠密，人口密集，以種植業(yè)為主，是重要商品糧生產(chǎn)基地[4]。

1.2 礦井開采地質(zhì)條件

海孜煤礦井田范圍內(nèi)可采煤層較多，且煤層傾角平緩，一般為5°～15°，其中4、7、9、10煤層為主采煤層，煤層埋藏深度為277.0～677.0m。雖然井田范圍內(nèi)可采煤層較多，但是煤層穩(wěn)定性較差，煤層厚度分布不均勻，累計(jì)可采厚度局部差異性較大，平均開采厚度為8.34m。海孜煤礦現(xiàn)有采煤方法均采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法，炮采工藝，煤層開采順序?yàn)樽陨隙?，由淺往深，自南向北。

1.3 塌陷區(qū)現(xiàn)狀

海孜煤礦由采煤活動(dòng)引起的地面變形連續(xù)且平緩，形成盤形下沉盆地，分布較集中，面積相對(duì)較大，且陷區(qū)深度較小、下沉幅度普遍不大。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地表塌陷區(qū)總面積已達(dá)557hm2，其中由塌陷而產(chǎn)生的積水區(qū)面積為48.8hm2，僅地表下降而未積水的面積為478.2hm2。地表下沉范圍為0.2～3.5m，大部分區(qū)域的塌陷深度在2.0m左右，為沉陷緩坡地，地表不積水，生產(chǎn)力受到一定程度的影響。塌陷積常年積水區(qū)平均水深3m，最深積水區(qū)可達(dá)9m。塌陷區(qū)內(nèi)的土地遭到不同程度的破壞，生產(chǎn)能力下降，只有少部分的耕地仍在耕種，但產(chǎn)量較低。

根據(jù)海孜煤礦塌陷區(qū)現(xiàn)狀和實(shí)際生產(chǎn)情況，并依據(jù)“因地制宜，科學(xué)利用”原則，選擇1號(hào)塌陷區(qū)（海孜煤礦一采區(qū)）、2號(hào)塌陷區(qū)（海孜煤礦二、四采區(qū)）、3號(hào)塌陷區(qū)（海孜煤礦西部井三采區(qū)）、4號(hào)塌陷區(qū)（海孜煤礦西部井五、七采區(qū)）作為煤矸石充填復(fù)墾項(xiàng)目區(qū)(圖1)。

圖1 塌陷區(qū)分布圖Fig.1 The distribution map of subsidence area

2 煤矸石充填復(fù)墾條件分析

2.1 塌陷區(qū)自然環(huán)境條件

2.1.1 地形地貌條件

海孜煤礦塌陷區(qū)位于淮北平原中部，區(qū)域地貌屬淮北堆積平原，其微地貌類型為河間平原、河間洼地和泛濫微高地，地勢(shì)平坦，土壤條件好，地表水資源豐富。相反，如果在丘陵地帶，塌陷區(qū)土地復(fù)墾工作難度大，復(fù)墾效益低，一部分原因就是丘陵地帶地形地貌復(fù)雜，溝壑縱橫，交通不便?？傮w上，塌陷區(qū)的地形地貌條件有利于土地復(fù)墾工程的實(shí)施和復(fù)墾效益的提高。

2.1.2 水文地質(zhì)條件分析

塌陷區(qū)內(nèi)由于各隔水層(組)的存在，礦井無(wú)地表水漏失，也無(wú)泉井干涸等現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，受礦井井下不斷地疏排地下水及地表工業(yè)、農(nóng)業(yè)和居民不斷地抽取地下水，使地下水位（第四含水層和基巖裂隙水）呈下降趨勢(shì)，但也未發(fā)生地下水位超常降低，地下水資源枯竭現(xiàn)象。由此可見，塌陷區(qū)地下水水均衡總體上未被破壞，也未對(duì)鄰近區(qū)域地下水水均衡產(chǎn)生影響。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，海孜煤礦井田范圍內(nèi)地下水位埋深較淺，一般在2.8米左右。塌陷區(qū)高地下水位不僅可為復(fù)墾區(qū)的農(nóng)作物生長(zhǎng)提供充足的水分和養(yǎng)分，還可以加速煤矸石土壤化[5]。由于煤矸石充填復(fù)墾后的重構(gòu)土壤孔隙相對(duì)于毛細(xì)孔隙（0.002～0.5mm）較大，毛細(xì)力弱，從而形成的毛細(xì)水高度較低，必然要求塌陷區(qū)地下水位要有一定的高度。當(dāng)塌陷區(qū)地下水位較低，潛水面與覆土層之間的距離大于充填層基質(zhì)（煤矸石）的毛細(xì)水高度時(shí)，則煤矸石充填層不能有效地將水分和養(yǎng)分運(yùn)移至覆土層從而提供給地表農(nóng)作物，影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。當(dāng)?shù)叵滤惠^高，潛水面與覆土層之間的距離小于充填層基質(zhì)的毛細(xì)水高度時(shí)，充填層中的煤矸石在毛細(xì)水作用下易發(fā)生膨脹、崩解和軟化，改變了煤矸石的物理化學(xué)性質(zhì)且降低了煤矸石的強(qiáng)度[6]，從而減少了煤矸石土壤化所需要的時(shí)間。由此可見，塌陷區(qū)高地下水位，可以有效地提高復(fù)墾土地的利用質(zhì)量，減少充填層土壤化的周期。

2.2 塌陷區(qū)開采破壞程度分析

2.2.1 塌陷深度條件分析

海孜煤礦塌陷區(qū)總體上塌陷深度不大，一般為0.2～3.5m，部分塌陷區(qū)域深度大于3.5m，為常年積水區(qū)。對(duì)于塌陷深度小于3.5m，主要采取煤矸石充填復(fù)墾的方法進(jìn)行治理，并修復(fù)受損溝渠和道路，使其滿足農(nóng)業(yè)種植的需要。對(duì)于塌陷深度在3.5m以上的深層塌陷區(qū)，由于其常年積水，且積水面積較大，復(fù)墾難度較大，適宜改造成平原水庫(kù)或人工湖泊，一則可滿足海孜工業(yè)園區(qū)企業(yè)及周邊農(nóng)業(yè)灌溉用水；另一則也可發(fā)展養(yǎng)魚，養(yǎng)鴨等養(yǎng)殖業(yè)。同時(shí)，可結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展，利用大水面采空塌陷區(qū)可興建規(guī)模適當(dāng)?shù)牡V山地質(zhì)公園，作為礦山及周邊居民休憩娛樂用地?？傮w上，海孜煤礦塌陷區(qū)塌陷深度小，有利于復(fù)墾工程的順利進(jìn)行，且塌陷深度的差異性可促使多種復(fù)墾形態(tài)科學(xué)的結(jié)合，顯著提高復(fù)墾效益。

2.2.2 塌陷區(qū)穩(wěn)定性條件分析

按照“開采規(guī)程”中規(guī)定，下沉盆地內(nèi)任意一點(diǎn)在連續(xù)6個(gè)月內(nèi)下沉值累計(jì)不超過30mm時(shí)，即認(rèn)為地表移動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，地表已達(dá)穩(wěn)沉狀態(tài)。根據(jù)海孜煤礦地表塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，1、2和3號(hào)塌陷區(qū)已達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)，4號(hào)塌陷區(qū)由于煤層開采尚未完全結(jié)束，還存在一定的殘余變量。在1號(hào)塌陷區(qū)，由于其殘余變量最小，將其充填復(fù)墾為建筑用地，解決居民的居住問題，其余三個(gè)塌陷區(qū)全部充填復(fù)墾為耕地，且在4號(hào)塌陷區(qū)采用預(yù)填高復(fù)墾方式，解決地表繼續(xù)下沉問題。充填復(fù)墾項(xiàng)目區(qū)內(nèi)，已達(dá)到穩(wěn)沉的塌陷區(qū)面積占78.8%，還存在殘余變量的塌陷區(qū)面積占21.2%，絕大部分塌陷區(qū)已達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)，這對(duì)煤矸石充填復(fù)墾是有利的。

2.3 充填復(fù)墾材料—煤矸石條件分析

2.3.1 物質(zhì)基礎(chǔ)—煤矸石

煤矸石是充填復(fù)墾的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有充足的煤矸石才能保證充填復(fù)墾工程的順利進(jìn)行。海孜煤礦現(xiàn)存煤矸石25×104t，且海孜煤礦和臨渙選煤廠每年共排放矸石量共約630×104t，這無(wú)疑為海孜煤礦塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾提供了充足的基礎(chǔ)物質(zhì)。

2.3.2 煤矸石有害元素條件

若作為充填基質(zhì)的煤矸石中有害元素含量超標(biāo)，在風(fēng)化作用和大氣降水的長(zhǎng)期淋溶作用下，這些有害元素會(huì)滲入地下，污染土壤、地表水體及淺層地下水[7]。因此，煤矸石中有害元素含量是否超標(biāo)決定著煤矸石能否作為充填復(fù)墾材料進(jìn)行充填復(fù)墾。為了確定充填材料煤矸石中有害元素含量是否超標(biāo)，在海孜煤礦矸石山和臨渙選煤廠矸石山共取6個(gè)樣品，對(duì)其進(jìn)行有害元素分析。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)得煤矸石中有害元素銅（Cu）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎳（Ni）和鉻（Cr）的含量如表1所示。通過與表2所示的土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比分析可見，海孜煤礦和臨渙選煤廠的煤矸石中Cu、Cd、Pb、Zn、Ni和Cr的含量均符合我國(guó)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。換而言之，海孜煤礦和臨渙選煤廠的煤矸石作為充填材料進(jìn)行土地復(fù)墾時(shí)不會(huì)對(duì)地下水和土壤造成顯著的污染。

2.3.3 煤矸石塊度組合條件

煤矸石的塊度組合特征嚴(yán)重影響重構(gòu)土壤中含水量和水分的上移特征。當(dāng)煤矸石充填層中泥巖和粒徑小的顆粒含量高時(shí)，可提高重構(gòu)土壤的含水量和水分上移高度[8]。海孜煤礦塌陷區(qū)土地復(fù)墾所用煤矸石為煤礦矸石山的矸石和臨渙選煤廠產(chǎn)生的洗矸，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查矸石山發(fā)現(xiàn)，煤矸石主要由泥巖和泥質(zhì)粉砂巖組成。在地表環(huán)境下，煤矸石中的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等抗風(fēng)化能力較弱的巖石易風(fēng)化為細(xì)小顆粒，這就使得用于充填復(fù)墾的煤矸石混合體中細(xì)小顆粒所占比重較高（如圖2所示），適合用于充填復(fù)墾。

表1 煤矸石中有害元素含量（mg/kg）Table 1 Contents of harmful elements in coal gangues（mg/kg）

表2 土壤環(huán)境質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值（mg/kg）Table 2 Standard values of soil environment quality（mg/kg）

表3 復(fù)墾地經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)分析Table 3 Economic benefit forecast analysis of reclaimed land

圖2 煤矸石塊度組合Fig 2 The particle combination of coal gangue

3 海孜煤礦煤矸石充填復(fù)墾效益預(yù)測(cè)

3.1 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

根據(jù)淮北地區(qū)耕地、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)水平和現(xiàn)行市場(chǎng)價(jià)格，對(duì)充填復(fù)墾地進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析預(yù)測(cè)，見表3。項(xiàng)目區(qū)復(fù)墾后，建筑用地與耕地大約在3年后能有穩(wěn)定產(chǎn)值?？鄢a(chǎn)投入費(fèi)用，每年凈增經(jīng)濟(jì)效益約為835萬(wàn)元。

3.2 生態(tài)效益預(yù)測(cè)

土地復(fù)墾的環(huán)境效益是顯而易見的，如果不進(jìn)行土地復(fù)墾，采空塌陷積水區(qū)將棄耕絕產(chǎn)，旱季荒蕪，嚴(yán)重鹽漬化，基本不能利用。昔日的平原變成高低不平的塌陷區(qū)，肥沃的耕地變成低產(chǎn)地、沼澤地或蘆葦叢生的湖泊，加上矸石山的壓占和污染，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境將遭受嚴(yán)重的破壞。通過煤矸石充填復(fù)墾，使被破壞的耕地復(fù)原，增加土地利用率，改善生態(tài)系統(tǒng)。

3.3 社會(huì)效益預(yù)測(cè)

土地復(fù)墾關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的大事，不僅對(duì)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和煤炭事業(yè)有重要意義，而且是保證礦區(qū)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。由于大量耕地的損失，將會(huì)直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且也會(huì)給社會(huì)增加不穩(wěn)定因素。復(fù)墾后增加耕地資源，提高了土地利用率，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)。這不僅對(duì)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和煤炭事業(yè)有重要意義，而且對(duì)整個(gè)社會(huì)的安定團(tuán)結(jié)和穩(wěn)定發(fā)展也有重要意義，它將是保證礦區(qū)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。

4 結(jié)論

煤矸石充填復(fù)墾既修復(fù)了土地，又解決了礦區(qū)煤矸石占?jí)和恋氐葐栴}，是礦區(qū)土地利用的發(fā)展趨勢(shì)，也是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)重建和修復(fù)的重要內(nèi)容。從上述分析可以看出，海孜煤礦塌陷區(qū)的自然環(huán)境條件、開采破壞程度條件和煤矸石自身?xiàng)l件都有利于煤矸石充填復(fù)墾工程，可有效地提高復(fù)墾效益和土地利用率，并且復(fù)墾后形成重構(gòu)土壤的物理性狀與化學(xué)性質(zhì)易接近或達(dá)到國(guó)家頒布的土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。海孜煤礦塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾條件分析，為海孜煤礦及周邊礦區(qū)的塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

[1]郭高川,李慧．煤礦開采沉陷對(duì)環(huán)境的影響[J]．山西煤炭，2007,27(2):55～57．

[2]劉德兒,陶智翔．我國(guó)礦區(qū)土地復(fù)墾勢(shì)在必行[J].河南國(guó)土資源，2005，(3)：15～16．

[3]卞正富．煤礦區(qū)土地復(fù)墾條件分區(qū)研究[J]．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28(3)：237～242．

[4]馬榮振,章如芹,朱楠,等．海孜煤礦煤矸石充填復(fù)墾技術(shù)研究[J]．北京測(cè)繪，2013，(6)：86～88．

[5]王曦,嚴(yán)家平,喻懷君,等．礦區(qū)充填復(fù)墾地煤矸石層水分豎直上移特征試驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2013，45(11)：99～101．

[6]朱鳳賢,周翠英．軟巖遇水軟化的耗散結(jié)構(gòu)形成機(jī)制[J]．地球科學(xué)：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，34(3)：525～532.

[7]徐良驥,嚴(yán)家平,高永梅,等．煤礦塌陷區(qū)覆土造地綜合研究-以新莊孜礦為例[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(1)：56～58．

[8]王輝，韓寶平,卞正富．充填復(fù)墾土壤水分豎直運(yùn)動(dòng)模擬研究[J]．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(5)：690～695．