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基于N b S自然解决方案的伊犁一矿采煤塌陷地生态修复收稿日期:2 0 2 3 0 8 0 3;修订日期:2 0 2 3 0 8 1 7;编辑:曹丽丽基金项目:山东省煤田地质局科研项目,项目编号:鲁煤地科字2 0 2 23 4号作者简介:焦叶红(1 9 7 4),女,山东泰安人,高级工程师,主要从事煤田地质勘探、矿山生态环境修复工作;Em a i l:2 0 3 5 8 8 2 8q q.c o m*通讯作者:于成(1 9 6 8),男,山东烟台人,主要从事土地管理、自然资源信息化方面的研究;Em a i l:2 1 1 7 4 6 6 1 3 9q q.c o m焦叶红1,于成2*,武靖雯3(1.山东省煤田地质局第三勘探队,山东 泰安 2 7 1 0 0 0;2.烟台市规划设计院,山东 烟台 2 6 4 0 0 3;3.山东省实验中学,山东 济南 2 5 7 0 0 0)摘要:基于N b S自然解决方案用于采煤塌陷地生态修复,以新疆伊犁一矿生态修复为例进行矿山生态修复研究,聚焦多目标,形成多功能修复格局。进行排矸场生态修复、水土环境污染修复、含水层破坏修复、土壤植被一体化修复。采取管理、技术、经济等综合措施,形成包容、透明和赋权的治理过程,为开展西部生态脆弱区矿山生态修复提供一种新的治理理念和方法。关键词:N b S自然解决方案;伊犁一矿;采煤塌陷地;生态修复中图分类号:P 6 9 4 文献标识码:A d o i:1 0.1 2 1 2 8/j.i s s n.1 6 7 2 6 9 7 9.2 0 2 3.1 0.0 1 2引文格式:焦叶红,于成,武靖雯.基于N b S自然解决方案的伊犁一矿采煤塌陷地生态修复J.山东国土资源,2 0 2 3,3 9(1 0):7 5 8 0.J I AOY e h o n g,YUC h e n g,WUJ i n g w e n.E c o l o g i c a lR e s t o r a t i o no fC o a lM i n i n gS u b s i d e n c e i nY i l iC o a lM i n eB a s e do nN b SN a t u r a lS o l u t i o nJ.S h a n d o n gL a n da n dR e s o u r c e s,2 0 2 3,3 9(1 0):7 5 8 0.0 引言基 于 自 然 的 解 决 方 案(N a t u r eb a s e dS o 1 u t i o n,N b S)近十年来发展迅速,世界自然保护联盟(I U C N)将其定义为在可持续发展理念指导下的重视自然生态系统自我修复能力,同时妥善处理经济发展与生态保护的综合解决方案13。从2 1世纪初开始,基于自然的解决方案才进入主流科学研究范畴,经历了土地管理、矿山治理、水环境治理等不同学科的探索与发展,概念从原来的广泛性逐渐精细到每个学科。基于自然的解决方案是动态的、面向未来且具有很强的可持续性的解决方案,使生态建设成为一项人与自然相互作用的过程。N b S成为被广泛采用的术语并且在学术研究和政策制定中得到了越来越多的关注,被认为是实现可持续发展全球目标的重要工具4。本文基于N b S自然解决方案用于采煤塌陷地生态修复,以新疆伊利一矿生态修复为例进行矿山生态修复研究,为日后开展西部生态脆弱区矿山生态修复提供新的治理理念和方法。1 研究区概况伊犁一号煤矿(以下简称“伊犁一矿”)位于新疆察布查尔锡伯自治县南部,行政区划隶属新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州察布查尔锡伯自治县琼博拉镇管辖。伊犁一矿井田面积1 1 8.5k m2,矿井地质储量约4 6.3 3亿t,可采储量1 9.9 8亿t,设计生产能力10 0 0万t/a,设计服务年限1 4 2年,是伊犁矿区设计产能最大的现代化矿井,也是新疆首座获得国家发改委核准的千万吨级现代化井工矿井。井田含煤地层为侏罗系中统西山窑组,煤层倾角较缓,一般5 8 左右,共含煤1 2层,自上而下为1号煤层、2号煤层、3号煤层、4 1号煤层、4 2号煤层、5号煤层、6号煤层、8号煤层、9 1号煤层、957第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月号煤层、1 0号煤层、1 2号煤层。其中3号煤层、5号煤层全区稳定分布,为主要可采煤层。各煤层埋藏深度及煤层厚度见表1。表1 井田各可采煤层特征表煤层名称全区厚度最小最大平均(总数)结构稳定性可采性埋藏深度最小最大平均10.2 04.5 52.1 8(2 9)简单不稳定局部可采1 0 0.8 96 3 7.3 5 m2 8 5.0 9 m20.2 03.6 01.6 9(3 4)简单不稳定局部可采1 2 3.1 57 1 4.7 9 m3 3 0.2 8 m32.5 52 0.5 51 2.4 2(7 3)简单复杂稳定全区可采7 7.5 07 4 2.7 8 m3 3 5.8 3 m4 10.2 54.8 51.3 0(4 5)简单不稳定大部可采8 3.7 57 5 9.1 0 m3 2 0.3 8 m4 20.3 53.6 50.8 1(5 6)简单不稳定大部可采8 6.5 07 7 5.1 5 m3 3 6.9 9 m50.1 52 7.2 11 9.2 1(7 3)简单复杂稳定全区可采8 6.5 07 7 5.1 5 m3 3 6.9 9 m60.1 93.0 00.9 5(3 3)简单不稳定不可采5 4.5 78 2 1.3 5 m3 1 2.5 5 m80.2 52.6 70.9 9(2 9)简单不稳定局部可采9 0.6 55 5 5.2 7 m2 7 8.2 4 m9 10.9 51.8 01.2 9(4)简单不稳定不可采90.4 51.3 00.7 7(1 5)简单不稳定不可采1 00.8 03.9 02.6 9(2 3)简单较稳定全区可采1 6 0.2 55 8 6.7 5 m3 4 9.4 3 m1 20.4 06.3 02.6 9(4)简单不稳定局部可采3 6 7.7 55 9 3.1 0 m5 0 8.9 0 m 近年来,伊犁一矿进行了首采区开采,输送了大量煤炭资源,为我国经济社会发展做出了巨大贡献。由于伊犁一矿煤层埋藏浅,开采厚度大,采用综采放顶煤开采后,地表塌陷剧烈,地表出现较大台阶、地裂缝、塌陷坑,造成区域农田塌陷、配套灌排设施损毁、道路塌陷,给当地生态环境造成较大影响。同时,部分地裂缝直接连通采空区,引发煤体自燃、地表水下渗,威胁矿井安全生产。此研究课题是以“双碳”战略目标为引导,在基于绿色的新发展理念基础上,严格依据煤炭资源、环境容量、水资源等因素,最大限度减轻对生态环境的破坏,对已形成的采煤塌陷进行生态修复,实现煤炭产业绿色和可持续发展。2 研究方法与内容N b S的核心在于用自然的方式应对社会挑战,解决相关问题5。基于自然的解决方案(N b S)并非回归自然、回归原始,自然只是一个既定目标,而基于自然的解决方案是实现目标的方法与手段,通过对生态系统及其规律的认知和运用,通过人工技术的介入,在灰色和绿色间找到理想平衡状态6。在矿山生态修复实施的过程中,基于自然的解决方案会采用众多的高新技术,为方案的运作提供帮助;作为引入自然并让其做功的新兴领域,基于自然的解决方案不仅仅依托传统经验的积累,还借助高新工程技术手段,利用其所具有的特性,服务于各类特定的需求。2.1 矿山生态修复的自然解决方案准则准则一:依据尺度设计N b S7。N b S认为要根据尺度设计项目,这项准则强调N b S的整体性,所有干预措施,包括在单个场地或较小空间尺度上实施的干预措施,都应在景观规划的背景下制定,以确保活动具有战略意义。准则二:包容性治理过程。适当的治理过程对于确定N b S给人类和自然带来成效至关重要8。公平参与、权力共享、认可和保障权利以及明确责67第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月任,将确保人与自然在短期和长期同时受益。准则三:目标与效益间公正地权衡。N b S要在社会、经济、生态之间进行平衡和权衡,公平地权衡利弊。权衡具有空间、时间和可逆性的维度9。空间维度是指权衡效果可以在当地或远处实现。时间维度是指影响发生的相对快慢。可逆性表示当扰动事件停止时,一个被破坏的生态系统服务可能恢复到其原始状态的可能性。准则四:进行适应性管理。这一准则表明 了N b S是一个不断发展、系统的过程,以初始的规划方案和评估作为基础1 0,在规划过程中开展相应的长期监测并进行阶段性的评估,根据各利益相关方对规划的反馈不断地调整规划方案和完善规划策略。2.2 形成矿山塌陷区多功能修复格局2.2.1 稳沉区土地整理修复通过现场调查,将稳沉区分为D 1(中、重度塌陷区)、D 2(轻度塌陷区)两个部分进行整治(图1)。图1 1 5 0 2W、1 5 0 3W稳沉区土地整理工程布置图D 1地块为中、重度塌陷区,面积3 4 21 9 6.1 4m2,地形起伏较大,地裂缝发育,沟壑遍布。原有道路、水渠等遭到严重破坏,无法在利用;区内耕地无法耕种,防护林等树木枯死。对该地块进行表土剥离、挖高垫低、土方回填、土地平整、土地翻耕、新修道路、新修水渠、种植防护林等工程,使其恢复可利用状态。D 2地 块 为 轻 度 塌 陷 区,面 积7 41 4 3.8 4 m2(1 1 1.2 2亩),塌陷程度轻,发育有地裂缝。目前处于正常耕种状态,周边水利、道路等配套设施未遭到破坏,仍能正常利用。因此进行简单的土地平整等工程即可恢复土地正常耕种,使土地达到可利用状态。2.2.2 排矸场生态修复伊犁一矿矿区排矸场压占土地面积约1 9.7 0h m2,场地平整后,利用南、北工业广场前期剥离的表土对复垦区进行覆盖,覆土厚度0.2 0m,根据周边地形地貌坡度,土地平整地形坡度按5 计。根据区域植被类型,选用人工条播草籽,开沟深度1 0c m,宽度1 0 c m,沟距3 0c m。种植时间选择在春季或雨季前,待雨季时可为草籽提供生产所需水分,直接人工混播草籽,草种选择针茅、披针叶苔草,均为当地常见草种。2.2.3 水土环境污染修复(1)水环境污染预防措施生活污水排入生活污水处理池,处理后达到 污水综合排放标准(G B 8 9 7 82 0 0 2)二级标准,用于道路洒水降尘,提高矿山生活污水利用率;矿井涌水排至地面沉淀池后达到井下洒水水质标准,回用于井下生产及巷道降尘,不外排,尽可能实现矿区水资源综合利用最大化。在矿山开采过程中,矸石、生活垃圾、炉渣等不乱堆乱放,矸石统一回填采空区;生活垃圾堆放在生活垃圾池,定期运送至垃圾填埋场,以减少矿山固体废弃物对水土环境的污染。(2)水土环境污染修复措施矿山产生的固体废弃物和污水(废水)按设计方式经综合利用和净化处理后,不会引发水土环境污染,矿山未来水土环境污染修复仅采取监测和预防工程措施,不采取治理修复措施。(3)水土环境污染的监测措施水监测点布设于矿区东部琼博洛萨依沟(表2),了解掌握矿山开采水环境质量状况和受污染程度,对生活污水进行监测。在生活区及南工业广场污水处理池布置监测点,检查水质是否达到排放标准。矿山生产活动集中位于办公生活区、工业广场等地,土环境会因矿山排放生活垃圾的影响而受到不同程度的污染。为了解掌握区内土壤环境质量状况和受污染程度,在容易对土环境造成污染的办公生活区、工业广场设置土壤监测点。2.2.4 地下水保护修复地下储水空间的合理开发利用可以利用地下含水层的调蓄功能、稳定地下水位、缩小地下水降落漏斗、控制地面沉降1 1。伊犁一矿首采区产生的地面塌陷和裂隙为地下水的存储和径流创造了良好条件,加强了与上覆含水层的水力联系,并成为这些含水层水进入矿井采空区的通道,裂隙以及顶板冒落岩块间的孔隙成为储存地下水的巨大空间1 2。转77第3 9卷第1 0期 技 术 方 法 2 0 2 3年1 0月移存贮正是地下储水空间在缺水矿区实施水资源保护性开采的关键体现。伊犁一矿新生代冲洪积孔隙潜水含水层包括第四系孔隙含水层和新近系孔隙含水层。侏罗系层间裂隙孔隙承压含水层头屯河组下部至1号煤层以上平均厚度1 6.8 8m、58号煤层之间平均厚度1 5.2 2m、1 0号煤层顶板上平均厚度2 2.2 7m等分布稳定可以考虑作为含水层的转移存贮空间。表2 2 0 2 2年监测点监测地表水水质检测结果一览表序号项目琼博洛萨依沟地表水环境质量类标准检测值标准值(m g/L)达标情况1p H(无量纲)7.969达标2氨氮(m g/L)0.0 6 51.0达标3氟化物(m g/L)0.0 0 61.0达标4氯化物(m g/L)2.0 22 5 0达标5镉(g/L)0.0 0 10.0 0 5达标6铁(m g/L)0.0 30.3达标7硫化物(m g/L)0.0 0 50.2达标8汞(g/L)0.0 0 0 0 40.0 0 0 1达标9坤(g/L)0.0 0 0 30.0 5达标1 0六价铬(m g/L)0.0 30.0 5达标1 1挥发酚(m g/L)0.0 0 0 30.0 0 5达标1 2石油类0.0 50.0 5达标1 3粪大肠杆菌1 01 0 0 0 0达标2.2.5 土壤 植被一体化修复针对矿山复垦工作来说,表层土壤的覆盖具有重要的意义1 3。表层土壤是经过多年植物作用而形成的熟化土壤,是深层生土所不能替代的,对于植物种子的萌发和幼苗的生长有着重要作用。表土临时存放必然会影响到土壤的容重、水分等理化性状以及植物、动物,尤其是微生物等生物学性状。表层土壤是土地复垦时进行再种植成功的关键,在取土过程做好防护工作。为了保持土壤结构、避免土壤板结,应避免雨季取土。复垦植被的主要作用在于修复己损毁的土地,提高土壤的肥力,改善区域环境,因此在尽量选择成活率高的乡土植物的前提下,还应注意选择 有利于增 加土壤 肥 力 的 草 本 等 植被1 4。根据区域植被特征,选用耐旱牧草假木贼及针茅,1 1混播,播撒密度为6 0k g/h m2。播种前要晒种23d,以打破休眠,提高发芽率和幼苗整齐度,每1 0k g种子用水1 02 0k g浸种催芽,浸种2 4h。播种期在当年雨期6月1 0月实施,保障牧草成活率。2.3 采取综合措施预防塌陷形成机制 针对研究区监测结果,分析采煤驱动下覆岩与地表岩移特征、地质灾害发生和发展特点,提出厚松散层薄基岩特厚煤层条件综放开采覆岩与地表移动规律,揭示采煤引发的地质灾害发展规律。以伊犁一矿5号煤层1 5 0 3W工作面煤层赋存条件为研究基础,建立数值模型。分析开采过程中覆岩二维宏观力学性质变化以及顶板移动变形特征(图2),采用大型非线性二维数值计算软件UD E C,对1 5 0 3W工作面5号煤层开采后覆岩的垮落特征进行模拟研究(图3),研究伊犁一矿厚松散层薄基岩条件下工作面推进过程中上覆岩层的破坏机制和位移形态,并将数值模拟结果与现场实测的相互验证分析,为该矿区厚松散层薄基岩煤炭开采提供一定的理论支持。图2 工作面推进4 0 0 m覆岩破坏图图3 工作面推进4 0 0 m覆岩下沉曲线2.4 进行矿区生态修复适应性管理基于生态系统的复杂性和不确定性,需要对矿区进行持续监测1 5,通过对过去采用的管理政策和实践措施来获得经验,并根据生态系统变化情况,修正、改进管理政策和实践措施。在新时代背景下,实施适应性管理势在必行,生态保护修复中强调山水林田湖草生命共同体是一种系统性、整体性和综合性的治理理念1 6,是“皮骨肉血”不可分割的生命共同体,生动阐述人与自然唇齿相依的关系,其根本体现是生态系统间相互关联相互依存的关系。87第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月实施的管理应基于其固有的生态系统特性,制定合理的区域生态系统适应性管理对策1 7。针对伊犁一矿厚松散层薄基岩特厚煤层条件下放顶煤开采引发的一系列矿区生态问题,进行地面塌陷区治理及复垦技术研究与应用,总结归纳该地质条件下开采覆岩与地表移动规律,研究形成地面塌陷的成因以及治理和预防控措施,以便指导矿井安全开采、矿山地质环境治理及土地复垦工作。确定管理尺度及生态系统边界(尽可能与行政区划一致原则)1 8,分析矿区基本结构和基础条件,以及生态系统所能提供的各种生态功能(图4)。详细调研、深入分析研究区地表损毁现状,研究其产生原因及发生发展特点,研发地面塌陷预防技术;结合矿区周边生态环境特征和景观特点,研究地面塌陷治理技术措施。图4 矿区可持续发展图山水林田湖草生命共同体具有反馈、适应、再生等能力1 9。将传统管理方法修正为“预测实施监测评估调整适应”2 0。伊犁一矿在生态修复过程中建立农业生态要素监测站,监测采煤沉陷区土壤、植被、农田灌溉排水系统、田间道路、土地利用布局等农业生态环境的变化情况,对该区土地利用进行适应性评价;研究采矿引起农业生态系统退化的主要因素;利用恢复生态学原理,优选复垦方法和复垦土地利用方向,研究塌陷区土地复垦与农业生态修复技术。采用“理论方法试验示范标准规程推广应用”互逆研究范式2 0,调查伊犁一矿土地损毁现状,研究采矿引起农业生态系统退化的主要因素,分析地下资源开采对地表塌陷、台阶、地裂缝及农田灌溉排水系统、田间道路、土地利用布局等生态环境的影响,优选复垦方法和复垦土地利用方向1 4,研究厚松散层薄基岩特厚煤层条件综放开采矿区塌陷地土地复垦与生态修复技术,更加注重生态系统权衡。3 结论基于N b S自然解决方案的伊犁一矿塌陷地生态修复的过程包括聚焦多目标,形成多功能修复格局;稳沉区土地整理修复、排矸场生态修复、水土环境污染修复、含水层破坏修复、土壤植被一体化修复;采取技术、经济、管理等综合措施,从源头上分析采煤塌陷的原因,预防塌陷形成机制;在生态修复中分四个步骤,即“矿区基础条件分析问题诊断管理目标确定适应性管理措施”对伊犁一矿进行生态修复,明确不同干预措施权衡,进行矿区生态修复适应性管理。参考文献:1 崔治忠.习近平生态文明思想的核心论点J.湖南省社会主义学院学报,2 0 2 3,2 4(1):3 6 4 1.2 袁兴中,陈鸿飞,扈玉兴.国土空间生态修复:理论认知与技术范式J.西部人居环境学刊,2 0 2 0,3 5(4):8.3 崔君,魏海英,王晓军.基于N b S的矿山可持续性评价研究:以北岳恒山露天矿区为例J.中国矿业,2 0 2 2,3 1(5):6 9 7 1.4 卢风.论基于自然的解决方案(N b S)与生态文明J.福建师范大学报,2 0 2 2,2 2 4(5):4 5 5 3.5 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a t i o np a t t e r nh a sb e e nf o r m e d.E c o l o g i c a l r e s t o r a t i o no fw a s t ed u m p,r e-m e d i a t i o no f s o i l a n dw a t e rp o l l u t i o n,r e m e d i a t i o no f a q u i f e rd a m a g e,a n d i n t e g r a t e d r e s t o r a t i o no f s o i l a n dv e g e t a t i o nh a v eb e e nc a r r i e do u t.A d o p t i n gc o m p r e h e n s i v e c o u n t e r m e a s u r e s,s u c ha s t e c h n o l o g y,e c o n o m ya n dm a n a g e m e n t,a n i n c l u s i v e,t r a n s p a r e n t,a n de m p o w e r e dg o v e r n a n c ep r o c e s sh a v eb e e nf o r m e d.I tw i l lp r o v i d ean e w m e t h o df o re c o l o g i c a l r e s t o r a t i o no fm i n e s i nt h ew e s t e r nr e g i o n.K e yw o r d s:N b Sn a t u r a l s o l u t i o n;Y i l i c o a lM i n ec o a lm i n i n g;s u b s i d e n c e l a n d;e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n08第3 9卷第1 0期 山 东 国 土 资 源 2 0 2 3年1 0月