黄土丘陵采煤沉陷区生态治理研究进展_张星.pdf

第 卷 第 期 年 月内 蒙 古 林 业 科 技 收稿日期：修回日期：资助项目：鄂尔多斯市科技重大专项（）；内蒙古农业大学优秀青年培养项目 作者简介：张星（），女，内蒙古乌海人，研究生，从事水土保持与荒漠化防治研究。：通信作者：党晓宏（），男，陕西合阳人，副教授，博士生导师，从事水土保持与荒漠化防治研究。：黄土丘陵采煤沉陷区生态治理研究进展张 星，党晓宏，蒙仲举（内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特；内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯）摘 要：煤炭开采推动我国经济和社会的发展，同时也带来了一系列的环境问题。由于早年大规模地开采，矿区生态环境受到多种损害，土壤结构受损、水资源匮乏和植被退化等现象频繁发生，地下水结构受到采动损害的持续性影响出现不同程度的瓦解。为了解当前采煤沉陷区地裂缝的演变规律、发生机制及生态治理进展，实现矿产资源开发与环境的协调、可持续发展，本文阐述了黄土丘陵采煤沉陷区生态环境现状，并从采煤沉陷区的环境现状入手，探究采煤沉陷区土地复垦与土壤改良、水资源保护及利用以及植被修复等生态治理技术，实现采煤的同时兼顾对生态环境的保护。分析认为，采动区的生态环境破坏主要是沉陷区的土壤损伤，而地下水、植被的破坏则是采动损害的持续性影响。不同地貌单元生态修复的重点也不同，要因地制宜地综合运用各种技术，以便于在采煤沉陷区生态治理过程中更好地实施一定效果的举措，为黄土丘陵采煤沉陷区采动损害防治及治理提供理论和技术支持。关键词：采煤沉陷区；采动损害；土地复垦；生态修复中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；内 蒙 古 林 业 科 技第 卷 内蒙古大部分矿区位于典型黄土丘陵区，沟壑纵横，丘陵峁梁交错，土壤以风沙土和黄绵土为主，土壤贫瘠，结构较疏松，土地坡度大，对地下煤层的开采和地表水非常敏感。由于地势起伏，黄土沟谷的特殊地貌，在开采的过程中产生了一系列地裂缝、塌陷、煤矸石和粉煤灰等固体废弃物的堆积等，并诱发崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害，从而导致水土流失、土地沙化、植被退化及生态环境恶化，严重破坏了地貌景观。由于黄土丘陵采煤沉陷区分布范围广、影响面积大、涉及人口多，矿区生态修复已成为环境治理的难点问题，从根本上有效预防与治理采煤塌陷区环境问题迫在眉睫。关于采煤沉陷区的土地复垦及生态治理研究，主要集中在单一气候和地貌条件，针对不同地貌单元的研究较薄弱。黄土丘陵区又较为特殊，坡度较大、水土流失严重、土质疏松，生态恢复的侧重点及措施也不同。本研究对黄土丘陵采煤沉陷区的地质环境现状进行了分析，并提出了一些生态修复措施，以期为黄土丘陵采煤沉陷区生态治理提供理论参考。黄土丘陵采煤沉陷区生态环境现状煤炭的开采推动了我国经济和社会的发展，但是随着人类对矿产资源的开发规模不断扩大，对矿区生态造成了不同程度的损害，受损区域主要表现为以下 个特征（图）：（）土壤结构受损。黄土丘陵区地形破碎、沟壑纵横，地表侵蚀强烈。人们在依靠井工技术大规模开采出地下煤层后，开采区域周边因地下采空导致岩体间的应力平衡被打破，应力集中在几个点上，当集中的应力超过岩体所能承受的最大值时，地下岩体的最顶层就会出现断裂和冒落，久而久之冒落区四周的岩层也开始断裂或弯曲，当煤炭开采得越多采空区域的面积越大，地表和岩层之间摩擦会产生能量形成降沉波，从而破坏地表形成裂隙、裂缝、塌落、沉陷。此外，由于地裂缝的出现，地表水渗入到土壤深层，造成营养物质淋溶，在复垦过程中，土壤侵蚀程度加剧与土壤湿度减小，土壤肥力下降的问题非常严重。（）水资源受损。黄土丘陵区水资源相对匮乏，因而水资源在煤矿开采中遭到的损害基本不可逆、难以恢复。在黄土丘陵区地下煤层开采对水资源的影响主要是水质的污染和水量的减少。一方面，随着采动强度的提高，采空区导水裂隙带波及含水层甚至导通地表，使得地表水与地下水沟通，从而引起地下水水质恶化，塌陷区的积水也遭到来自生产、工业等多方面的污染，对矿区工农业生产用水和居民生活用水带来了影响。另一方面，露天开采引起地面塌陷、裂缝、塌陷坑等多种破坏形式，影响了地表降水径流与汇水条件，引起河流水系流量的减少，严重时地表水系甚至发生断流。（）植被退化。地下采动对植物的影响可分为直接影响和间接影响。直接影响是由于地裂缝、崩塌和滑坡造成植物的根系被拉断或全部暴露，有些甚至被埋没或掉入裂缝中，直接对植被产生影响，造成植被的损伤或干枯死亡。间接影响是在采煤的过程中，水土与肥料沿裂缝流失，使得土壤肥力下降，再加上大量的矿山废水和污染气体，对地下和地表水体形成一定污染，恶化植物的生长环境，从而间接导致植物的生长和产量下降。黄土丘陵采煤沉陷区生态环境现状水资源受损土壤结构受损地面塌陷地裂缝滑坡崩塌土壤恶化水质污染水量减少根系直接被拉断或完全暴露植被退化直接破坏间接破坏生长环境恶化植被损伤图 黄土丘陵采煤沉陷区生态环境现状 第 期张 星等：黄土丘陵采煤沉陷区生态治理研究进展 目前，采煤沉陷区生态环境面临的问题很多，矿区地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、水资源破坏、地形地貌景观破坏等。因此能因地制宜地制定矿山生态修复的有效模式，最终消除采矿损伤并合理发挥土地价值实现生态功能才是我们应对矿山生态修复的硬道理。黄土丘陵采煤沉陷区生态修复技术 土地复垦与土壤改良技术我国的土地复垦与土壤改良技术在近 取得了突飞猛进的发展，很多学者在此方面做了大量研究。如胡振琪对我国土地复垦和生态修复 进行了研究，为我国土地复垦与生态修复做了回顾、反思与展望；王帅红等对黄土丘陵煤矿沉陷耕地复垦进行了研究，认为按照集中连片的原则对采煤沉陷破坏的耕地采取坡改梯复垦是有效的模式。基于煤炭开采过程中带来的环境问题，将黄土丘陵采煤沉陷区生态修复技术模式总结为 点：土地复垦技术、水资源保护及利用技术和植被修复技术（图），旨在为采煤沉陷区生态治理提供强有力参考。（）土地复垦技术。付梅臣等提出融合表土剥离技术及条带式充填复垦技术，将地裂缝周围的表层土进行剥离，剥离宽度为地裂缝两侧各，剥离深度 ，剥离后进行基地处理，再用煤矸石填充地裂缝，填充到覆盖层厚度，填充过程中每填充 压实 次，随后再向裂缝中填土，同样每 压实 次，直至填充到与地表平齐。最后用原剥离土覆盖平整，随后便可进行该地的具体规划。利用煤矸石进行充填复垦，既可以整治破坏土地，又能够处理固体废物，减少环境污染。治理黄土丘陵采煤沉陷区地表塌陷也可以采取充填复垦和挖深垫浅的综合措施，把生态环境与沉陷治理结合起来。根据周围的地形和景观进行规划，对那些周围条件适宜的塌陷土地直接挖深垫浅成鱼塘或湖泊进行治理；对不适宜挖成鱼塘或湖泊的采煤塌陷处可用煤矸石、粉煤灰、劣质土等采矿活动中形成的固体废物进行回填，回填后须与周边地形地貌景观协调一致，之后可发展为农业用地、居民用地等，以提高土地利用率和维持生态平衡，挖深垫浅的复垦技术优点在于操作简单、效率高且成本低，是目前我国矿区普遍采用的一种土地复垦方法。（）土壤改良技术。受采煤沉陷影响，黄土丘陵沉陷区土壤质量显著降低，尤其是表层土，土壤含水量、砂粒含量、密度及孔隙度等均有一定影响。为了尽快恢复土地的生产能力，需要采取一系列改善措施，其中土壤培肥是一种重要手段，在翻耕期间，可以施用氮肥、磷肥、钾肥、三元复合肥等肥料，可采用犁底施或撒施后耕翻入土等方法施肥。污泥、人畜粪便、木屑等也可作为覆盖土培肥地力的肥料，都是改良土壤的好方法。土壤培肥是改善土壤的养分状况、增加有机质和保肥能力的最有效方法。谢英荷等发现豆科牧草也是一项快速培肥沉陷区水资源开采影响评价植树带塑料薄膜覆盖技术黄土丘陵采煤沉陷区生态修复技术模式土地复垦与土壤改良技术水资源保护及利用技术植被修复技术土地复垦技术土壤改良技术充填复垦挖深垫浅土壤培肥保水采煤优化排水系统水资源净化处理水资源生态利用植物种类选择植被快速恢复技术优先选择本土树种适应环境培肥地力技术图 黄土丘陵采煤沉陷区生态修复技术模式 内 蒙 古 林 业 科 技第 卷的有效途径，可以在第 次复垦的几年内种植一些多年生或 生豆科草本植物，还可以利用秸秆还田，提高土壤中的腐殖质，从而提升其物理性能。水资源保护及利用技术对采煤沉陷区水体污染的研究应包括污染物的来源、途径、成因及运输扩散途径等方面；对水污染治理的研究则应该具备源头阻断、通道堵截、过程减量、末端处理、资源化利用和含水层保护等特点。对黄土丘陵采煤沉陷区的水资源进行针对性处理有利于提高沉陷区水治理效率、降低治理成本。目前，国内许多学者从不同角度研究沉陷区水资源保护及利用的问题，大体形成了以下技术。（）沉陷区水资源开采影响评价。对在生产过程中可能影响的矿区水资源进行评价，明确矿区可能开采的水资源，尽可能从源头减少对矿区水资源的污染，保护重要水源地。（）保水采煤。在缺水地区，采用限制煤层采高、优化工作布置、优化生产工艺等技术，防止采动导水裂隙带导通顶板含水层，有效保护水资源。（）优化排水系统。采用放水巷道、放水钻孔的方法，形成分离的排水系统；达到“清污分流”“分质分流”的效果。（）水资源净化处理。将水资源先在地下做预处理，然后再抽出地面做深度处理；开发低成本水资源处理设备。（）水资源生态利用。将污染较轻的水资源用于工农业的生产，包括农田灌溉、农业设施用水、水库补蓄水、水产养殖以及动物饮用。植被修复技术植被修复是黄土丘陵矿区生态环境恢复的基础和主要内容，并在矿山生态修复中应用前景较好。（）植物种类选择。黄土丘陵采煤沉陷区其土壤主要为风沙土和黄土，土壤较为贫瘠，生态环境脆弱。植被的修复能够平衡土壤，控制污染，美化景观，减轻污染对人体健康的威胁以及在很多情况下能进行农业经济生产。而在此过程中选择合适的植物种类非常关键，在采煤沉陷区选择植物应遵循以下原则：选择生长快、适应能力强的植物；要优先选择适宜当地气候的本土品种；尽可能选择固氮植物以便改良土壤条件；综合考虑植物的广泛耐受性，主要包括抗旱、抗风沙、抗污染、耐贫瘠、耐酸碱度；树种选择时还要注意选取的植物要有较强的繁殖能力，能在较短的时间内修复环境。（）植被快速恢复技术。现在比较常用的植被快速恢复技术主要有植树带塑料薄膜覆盖技术，它是通过覆盖种植来改变植被生长的土壤和气候条件，从而加速植被的生长；另一种是培肥地力技术，因为采煤沉陷区土壤有机质较少，保墒性差，通过土壤改良，来改善土壤肥力，使得植被快速生长。根据不同类型的沉陷地特征且服务于不同的社会经济发展需求，在植被配置模式上也存在差异，国内许多学者提出了不同的植被配置模式，并且在进行植被布设时应坚持“花草补位、色带搭配、四季成景”的规划原则，这样既可以有效地防止出现大面积的病虫害，又可以丰富生态系统的群落结构，营造良好的景观效果。将植物在春秋两季种植后，要严格按规定栽植，定期施肥、浇水、修剪，也能提高植被的生长速度。结论与展望（）黄土丘陵采煤沉陷区由于长时间的地下开采导致生态环境遭到破坏，主要包括地裂缝、地面塌陷等多种破坏形式，不同类型的地面破坏产生了水力破坏通道，导致区域内的土壤退化和水土流失，影响植被生长，致使地面景观和生态环境的恶化。采动区的生态环境破坏主要是沉陷区的土壤损伤，而地下水、植被的破坏则是采动损害的持续性影响。（）从黄土丘陵采煤沉陷区的环境现状和立地条件分析，其生态恢复的工作要从地形修复、水资源改良、植被恢复 个方面综合进行。地形修复主要在于土地复垦和土壤改良；水资源治理技术主要是水污染保护和利用；植被修复技术主要包括植物种类选择、植被快速恢复技术等。（）建议采煤沉陷区不采取单一模式进行治理。要从实际出发，因地制宜，循序渐进，统筹规划综合治理模式。（）不同地貌生态修复的重点不同，要根据不同区域的特点来明确生态修复的主要内容，促进沉陷区经济、社会、生态的可持续发展。参考文献：杨晓玉，苏立宁 采煤沉陷区综合治理研究综述与展望企业科技与发展，（）：，胡海峰，廉旭刚，蔡音飞，等 山西黄土丘陵采煤沉陷区生态环境破坏与修复研究 煤炭科学技术，（）：拜梦童，杜华栋，范鹏辉，等 黄土沟壑区采煤塌陷地不同土地利用类型土壤性质损害特征 土壤通报，（）：，：，（）：胡振琪，杨秀红，鲍艳，等 论矿区生态环境修复 科技导报，（）：第 期张 星等：黄土丘陵采煤沉陷区生态治理研究进展 ，（）：徐嘉兴，李钢，陈国良，等 矿区土地生态质量评价及动态变化 煤炭学报，（）：胡炳南，郭文砚 我国采煤沉陷区现状、综合治理模式及治理建议 煤矿开采，（）：王琼杰 打造永续发展的“金山银山”：内蒙古伊金霍洛旗绿色矿山揭秘 中国矿业报，（）宋世杰，杜麟，王双明，等 陕北采煤沉陷区不同沉陷年限黄土坡面土壤可蚀性的变化规律 煤炭科学技术，（）：张平仓，王文龙，唐克丽，等 神府东胜矿区采煤塌陷及其对环境影响初探 水土保持研究，（）：王佟，杜斌，李聪聪，等 高原高寒煤矿区生态环境修复治理模式与关键技术 煤炭学报，（）：杨利平，梁彦龙 神东布尔台采煤沉陷区光伏发电外围生态治理研究 能源与环境，（）：曹金亮 山西省煤矿开采对水资源的影响分析 华北国土资源，（）：张和生，郭坚，候满柱 采动对矿区生态环境的影响及治理对策 煤矿环境保护，（）：王冠儒，胡海峰 煤矿开采对矿区土地资源的影响分析山西农业科学，（）：胡振琪 我国土地复垦与生态修复 年：回顾、反思与展望 煤炭科学技术，（）：王帅红，孙泰森，周伟，等 黄土丘陵沟壑区煤矿沉陷耕地复垦 农业工程学报，（）：付梅臣，陈秋计 矿区生态复垦中表土剥离及其工艺 金属矿山，（）：刘立捷 采煤沉陷区综合地质环境治理：以忻州窑矿为例 华北自然资源，（）：王宏 我国采煤沉陷区综合治理技术现状与展望 中国煤炭，（）：孙江锋 陕北采煤沉陷区治理技术研究与分析 南方农机，（）：，胡振琪，肖武，赵艳玲 再论煤矿区生态环境“边采边复”煤炭学报，（）：张雅馥，王金满，祝宇成 黄土区采煤塌陷对土壤全氮和有机质含量空间变异性的影响 生态学杂志，（）：何金军，魏江生，贺晓，等 采煤塌陷对黄土丘陵区土壤物理特性的影响 煤炭科学技术，（）：谢英荷，洪坚平，金志南，等 山西矿区退化土地复垦途径的试验研究 自然资源学报，（）：张晓红 浅析煤矿矿区水污染现状及治理措施 当代化工研究，（）：孙亚军，徐智敏，李鑫，等 我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建 煤田地质与勘探，（）：孙亚军，陈歌，徐智敏，等 我国煤矿区水环境现状及矿井水处理利用研究进展 煤炭学报，（）：李凤明 我国采煤沉陷区治理技术现状及发展趋势 煤矿开采，（）：李树志 我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望 煤炭科学技术，（）：李凤明，丁鑫品，孙家恺 我国采煤沉陷区生态环境现状与治理技术发展趋势 煤矿安全，（）：王安 神东矿区生态环境综合防治体系构建及其效果 中国水土保持科学，（）：张建民，李全生，胡振琪，等 西部风积沙区超大综采工作面开采生态修复研究 煤炭科学技术，（）：苏学武，常晓华，张绍良，等 大同矿区采煤沉陷区综合治理难点与对策 中国煤炭，（）：姬宗皓，贾秋双，张红月，等 济宁采煤沉陷区现状及治理措施 资源环境与工程，（）：类磊 煤矿采空区沉陷引发的地质灾害综合治理：以孝义采煤沉陷区为例 华北自然资源，（）：