我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 .我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望李 树 志(中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司河北 唐山)摘 要:针对我国东部采煤沉陷区生态问题介绍了沉陷耕地损毁评价定级和沉陷区复垦耕地生产力评价方法提出了矸石充填复垦、就地取土复垦的剖面构建方法及区域农业景观再塑技术介绍了采煤沉陷区次生湿地生境、植被景观、人工景观构建技术与水质修复方法提出了采空区探测、采动地基稳定性评价、采空区地基加固、抗变形建筑的采煤沉陷区工程建设一体化技术 最后展望了采煤沉陷区生态修复技术的研究发展方向关键词:采煤沉陷土地复垦生态修复次生湿地建筑复垦中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:责任编辑:曾康生 :./.基金项目:“十二五”国家科技支撑计划重点资助项目()作者简介:李树志()男河北定州人研究员博士中国煤炭科工集团首席科学家享受国务院政府特殊津贴现任中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司矿山测量研究所所长、中国煤炭学会土地复垦与生态修复专业委员会副主任:.引用格式: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():.():.引 言 我国采煤沉陷损毁土地复垦技术的研究始于 世纪 年代主要侧重在采煤沉陷损毁土地的农业、林业、养殖、建筑等复垦途径、方法和工程应用研究进入 世纪后才开始从生态修复、农业生态景观构建和区域角度研究沉陷区的土地复垦理论和技术 历来国家非常重视此方面的研究从“十一五”期间的国家“”项目采煤塌陷区生态修复关键技术研究及示范到“十二五”科技支撑计划典型矿业城市受损生态系统恢复技术及示范等课题 笔者介绍了在采煤沉陷土地损毁与复垦评价、沉陷区农业生态景观与次生湿地景观构建、沉陷区工程建设一体化技术等方面取得的多项创新性成果展望了采煤沉陷区生态修复技术研究发展方向 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 采煤沉陷土地损毁现状与评价 采煤沉陷土地损毁现状 针对我国采煤沉陷土地损毁现状目前暂没有一个准确数量或国家权威部门发布数据 年煤炭科学研究总院唐山研究院曾受原煤炭工业部委托对全国重点煤矿及地方国有煤矿投产至 年底的采煤沉陷、土地复垦利用基本情况进行过专项调查 调查结果为:每采万吨煤地表沉陷(以下沉量大于 为标准)平均 全国重点煤矿及地方国有煤矿投产至 年底采煤沉陷总面积 万 其中造成减产或绝产的土地 万 占 据此测算至 年底全国采煤沉陷土地约 万(万亩)损毁土地约 万(万亩)年我国煤炭总产量约 亿 考虑 年调查结果为煤矿企业提供数据且以前采煤工艺多为分层开采现在为综放开采实际采煤沉陷土地面积应比调查结果大为此选择每采万吨煤地表沉陷土地面积 测算应新增沉陷土地面积 万 至 年底我国采煤沉陷土地面积约 万(万亩)损毁土地约 万(万亩)此数据与国土资源部的测算结果及一些专家的估算基本一致 采煤沉陷耕地损毁评价 采煤沉陷耕地损毁评价能为耕地损毁范围圈定、耕地损毁补偿和土地复垦方式的选择提供重要参考 笔者在历年从事采煤沉陷及土地复垦研究与实践基础上提出了可反映采煤沉陷耕地损毁机理与特征、评价参数易于获得、工作中易操作的评价定级方法见表 表 采煤沉陷耕地损毁等级损毁等级损毁程度/裂缝宽度/台阶高度/坡度/潜水位埋深/水利设施 注:损毁程度用土壤生产力降低量表征 采煤沉陷区复垦耕地生产力评价 采煤沉陷区复垦耕地生产力评价与正常耕地生产力评价有所不同评价指标的选取必须既体现复垦特点又符合耕地生产力的评价要求 笔者认为复垦耕地的生产力水平是外部环境和土壤本身肥力属性共同作用的综合反映因而提出了复垦耕地生产力密切相关的有机质、值、全氮、速效磷、速效钾等土壤养分指标及农作物生长密切相关的土层厚度、地下水埋深、农田水利、坡度等外部环境指标共同构建的复垦耕地生产力评价指标体系并建立了评价模型在兖州采煤沉陷区对该评价模型进行了实地验证评价结果与实测结果相关性显著 采煤沉陷区农业生态景观构建技术 我国早期的采煤沉陷区复垦主要侧重沉陷区农业、林业、养殖业的复垦利用近几年才注重从生态修复和景观构建土地复垦利用问题 采煤沉陷区农业生态系统演变规律 )通过对开滦矿区 年多时相遥感影像数据解译得到采煤沉陷区土地利用/覆盖变化规律:年间沉陷区面积达到 占区域总面积的 耕地数量下降呈现逐渐减缓趋势从 年的 减少到 年的 水域面积增长趋势不断加剧 年增加 年增加了 )通过高潜水位采煤沉陷区生态要素监测获得了沉陷区生态系统演变特征:采煤沉陷区土壤有机质和氮、磷含量从上坡到沉陷中心逐渐升高出现上坡土壤贫瘠化、中坡土壤盐碱化、下坡土壤沼泽化的分区现象沉陷区土壤退化明显(图)采煤沉陷区水域浮游植物总密度小于养殖水域香农多样性指数大于养殖水域表明采煤沉陷水域生境优于养殖区域采煤沉陷区土地利用类型发生变化、生态系统的建群物种改变由陆生型生态系统演替为水陆复合型生态系统图 采煤沉陷区土壤分区示意 采煤沉陷区土壤剖面构建与复垦技术 )研究了矸石充填土壤剖面构建技术解决了覆土厚度和耕作层土壤水分流失的技术难题矸石充填复垦土壤剖面构建方法如图 所示即按李树志:我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望 年第 期基层物料矸石(顶部矸石适当压实)生土层(下部压实后形成减渗层)耕作层分别构筑其中生土层和耕作层构成了覆土 选取不同减渗层厚(、)、不同减渗层密度(、/)、不同覆土厚度(、)进行组合试验得出结论:覆土厚度小于 时农作物生长受到影响特别是覆土 的处理农作物容易出现萎蔫缺水现象 结合复垦成本分析(图)确定矸石充填复垦的经济覆土厚度为 其中减渗层为 、密度 /能有效改变耕作层土壤水分通过矸石层快速流失的状况耕作层土壤水分含量提高了 农作物生长状况良好图 矸石充填复垦剖面构建示意图 矸石充填复垦成本分析 )通过调配不同土壤层次、质地优化了就地取土复垦土壤剖面结构和施工工艺降低了二次土壤改良成本 就地取土复垦土壤剖面构建:获取挖方深度内耕作层、过渡层和生土层的厚度、容重、质地等土壤信息据获取的土壤剖面信息和黏粒含量小于、砂粒含量不超 的土壤标准计算确定耕作层土壤调配系数按照分层剥离分层回填施工顺序将取土区和回填区分别划分成不同区块按确立的耕作层土壤调配参数进行挖填施工 )将井下开采与地表复垦有机结合提出了采煤沉陷区动态预复垦技术实现了“采煤复垦”一体化 动态预复垦技术与工艺步骤根据未采工作面的开采计划利用概率积分法预计下沉量根据下沉等值线进行施工田块划分按预计下沉量 分 种不同情况施工田块将划分的施工田块再细分为边长 的矩形或方形施工参数控制区域施工参数计算包括回填厚度、覆土厚度、充填标高按照施工区块和施工参数分区施工 采煤沉陷区农业生态景观再塑技术 )典型沉陷区农业生态系统受损特征分析采煤沉陷后地表出现裂缝、沉陷、积水、土壤盐碱化沼泽化等损毁特征农作物减产或绝收生境由单一的农田转变为耕地、林地、草地、水域、沼泽地、矸石场等多种生境并存物种由农作物为主演变为农作物、乔灌草、水生动植物等物种组合 )基于区域尺度的农业生态景观再塑技术通过土地利用类型选择斑块、廊道、基底景观要素合理组合多样生境条件构建确定了农业生态景观再塑原则和目标 对采煤沉陷复垦区水体、植被、地貌等景观要素分析规划治理区功能划分与景观空间结构设计提出复垦标准、复垦途径和施工工艺 )采煤沉陷区复垦景观格局分析 典型沉陷区复垦后景观斑块数目由 增加到了 景观类型增减变化明显总体由 种加到了 种路、沟、渠、堤坝、林网等廊道的增加提高了各景观类型间的物质和能量传输增强了农田生态系统的风险承受能力复垦前后空间格局分析表明景观多样性和优势度增加、均匀度降低提高了土地利用率改善了土地利用结构增加了农业生物多样性 采煤沉陷区次生湿地景观构建技术 我国属煤矿城市有 余座高潜水位地区采煤沉陷导致地表大面积积水土地、生态水、植被等生态环境要素破坏严重另外还有采矿和城市废物排放采煤沉陷区生态环境问题突出直接影响了矿业城市形象和市民的居住生息将采煤沉陷积水区开发建设成具有城市服务功能的次生湿地是实现国家提出的生态宜居城市以及矿业城市经济社会可持续发展的重要举措 采煤沉陷区次生湿地生境修复技术 )采煤沉陷积水区水体维系技术 根据唐山城市发展规划要求和次生湿地生态需水量对采煤沉陷形成的外形单一、面积较小的积水坑进行治理改造扩展水面、扩大蓄水量同时联通了湿地周围的青龙河与陡河水系形成了较稳定的水源补给保障了动态平衡 )采煤沉陷区次生湿地基底改造技术 针对开滦矿区采煤沉陷次生湿地水域的土壤特性以及采煤沉陷变形特征和稳沉程度对部分基底进行了分 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷区改造 稳沉区渗水基底改造方法:疏水、清淤、铺盖黏土、压实 急倾斜煤层开采与动态沉陷裂缝区采用土工膜防渗处理(图)图 开采沉陷裂缝区土工膜防渗处理工艺 )水域边坡水土流失控制技术 为形成采煤沉陷湿地水域良好护岸景观采取以水生植物、湿生植物和陆生植物为护岸主体、配植景观植物的护岸方法这种方法与传统的浆砌石、混凝土构件和植物相结合的护岸方法相比结构简单、成本低适应不均匀沉降施工和后续维护方便不仅优化了水生和湿生植物的生境同时也为一些鱼类及微生物创造了良好的生存空间 采煤沉陷区次生湿地水质修复技术 )生态浮岛试验 针对开滦矿区湿地局部区域富营养化的水质采用生态浮岛栽种水培植物的修复方法降解水中的、氮、磷的含量抑制水体中藻类的过度生长 选择的美人蕉、旱伞草、千屈菜、鸢尾、凤眼莲等植物对水体中的氮、磷有较强的吸收作用能够显著降低水体中总氮、总磷、等指标达到了净化水质的目的 )人工植物群落修复试验 开滦矿区研究了芦苇、车前草、酸模、石龙芮 种优势湿地植物对湿地水体富营养化景观水中氮、磷的净化能力湖水经过芦苇净化后水质变好 浓度降低了 溶氧量上升了 透明度提高了 降低了 降低了 采煤沉陷区次生湿地植被景观构建技术 )适生植物的筛选 针对开滦矿区采煤沉陷次生湿地状况从生态适应性的角度共选出耐干旱、瘠薄植被品种 种耐水湿植物 种抗盐碱性植物 种抗病虫害植物 种耐荫性植物 种从植物的观赏性角度筛选出了常绿乔木 种、花色植物 种、观花观果兼具的植物 种、具有秋色叶的植物 种 )植被景观构建与配置 在兼顾城市景观效应及生态效应的基础上建立了开滦矿区采煤沉陷区水体植物、园路植物、岛屿植物、地被植物、彩叶树种、建筑周边植物等 种湿地植物配置模式突显了城市湿地特点集绿化、美化、人文、休闲为一体形成了独特的、经典风景与自然生态相结合的城市湿地园林景观效果 采煤沉陷区次生湿地人工景观构建技术 )扩湖造景 在水系维持的基础上根据开滦矿区采煤沉陷积水现状进行了水域景观构建设计不同的湿地水深并在浅积水区进行堆山造景建设湖心岛 座 扩湖后水域面积达到 形成了滨湖生态环境实现了防洪排涝安全、水资源合理调配、水体自净、水景观秀美宜人的目标 )粉煤灰堆、矸石山造景绿化 将开滦矿区采煤沉陷区内的粉煤灰堆、矸石山进行造景整形和覆土绿化因地制宜地采取覆土、平整、修建排灌设施等措施选择根系浅、耐贫瘠的植物品种进行景观配置形成稳定的生物群落 )垃圾山封场造景绿化 原唐山市生活垃圾填埋场位于采煤沉陷区内占地 封场时已经运行了 年总填埋量约 万 堆放高度达 通过垃圾堆体坡面修整设置高低起伏的假山挡土墙铺设土工布、膜、网格及厚覆土层封闭设置扩展区防渗系统、渗沥液收集导排处理系统、填埋气体收集导排处理系统及环境监测系统封场道路建设植被景观绿化景观平台与楼阁建设等形成了沉陷区湿地景观核心与最佳观景地 采煤沉陷区工程建设一体化技术 我国采煤沉陷损毁了大量土地将采煤沉陷区开发为建筑用地是解决城镇建设用地瓶颈问题的有效途径 对采煤沉陷区城镇建设过程的“采空区探测采动地基稳定性评价采空区地基加固抗变形建筑”工程建设一体化技术进行了研究取得了许多创新性成果 采空区探测技术 钻探与钻孔电视研究结果表明采煤结束后虽然经过长时间的自然压实由于地下空洞、离层、裂隙和垮落带的欠压密、孔隙中饱水等现象仍长期存在地表新增荷载、地震活动、邻区开采、强排地下水等都可能打破原来的应力平衡状态使采空区岩体活化探明采空区岩体裂隙发育特征十分重要 采动地基稳定性评价技术 )临界荷载影响深度法评价模型 如采空区地表新建建筑物的荷载影响深度足以触及到开采所形成的垮落带、裂缝带就会破坏这两带已形成的平李树志:我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望 年第 期衡状态使覆岩重新移动从而使地表重新产生较大的沉降 采空区地表不再因新增荷载扰动而重新产生较大的沉降时的采空临界深度应满足下列条件:临界深度不小于裂缝带高度与荷载影响深度之和 )模糊综合评价模型 采动地基稳定性不仅与开采煤层和覆岩埋藏特性、地质构造、采煤方法等因素相关而且还与建筑物荷载大小、基础类型等密切相关采用模糊综合评价方法进行采动地基稳定性评价构建了包含 个一级指标和 个二级指标的评价指标体系(图)图 采动地基稳定性评价指标体系 采空区地基处理技术 当采动地基稳定性不能满足建筑要求时应进行采空区注浆处理 为降低采空区注浆处理费用根据()提出的有效区域理论构建了柱式注浆设计理论 注浆结石体的试验表明注浆结石体的强度大于一般煤层的强度因此还可以将充填区域看成是条带开采留设的煤柱将未充填区看成是开采区域其开采厚度等于未下沉的空间据此又提出了条带注浆设计理论 结合工程实践提出了采用“地面物探少量钻探钻孔电视”的注浆效果综合检测模式 采动区地表建筑抗变形技术 在采动区地表新建建筑物时由于考虑采动变形的影响其设计和构造主要考虑 种形式:采取刚性保护措施如构造柱、墙壁圈梁等提高建筑物整体或局部结构的强度和刚度以抵抗地表变形和所产生的附加内力 采取柔性保护措施如基础滑移层、结构变形缝等通过引导变形集中吸收大部分地表变形能提高建筑物抗变形能力 采煤沉陷区工程建设一体化技术应用 针对采取单项技术或措施解决采煤沉陷区建设利用难题存在的效果差、成本高等不足提出了应用多项技术的综合技术体系实现了“采空区探测采动地基稳定性评价采空区地基加固抗变形建筑”采煤沉陷区工程建设一体化技术集成 采煤沉陷土地复垦与生态修复技术展望 针对大型高效集约化矿区生态问题重点研究解决高效集约化煤矿区域性采煤沉陷与生态演变规律西部煤矿高强度开采沉陷区地表土壤水分特性及对植被的影响、干旱半干旱区当地适生优势植被品种的规模化培育技术、干旱半干旱区采煤沉陷前植被预治理技术及其生态效应、矿区生态水资源保护与多目标协调配置技术东部采煤沉陷区城市建筑群、大型线性工程建设与保护技术、矿区小城镇与资源开采协调建设技术、采煤积水沉陷区次生湿地重构技术煤矿区场地污染调查识别与综合防治技术、煤矿区环境恶劣场地微生物高效修复技术等为实现矿区绿色和谐发展、资源协调开发利用、集约化城镇发展的国家战略目标提供技术支撑参考文献:李树志周锦华张怀新.矿区生态破坏防治技术.北京:煤炭工业出版社.李树志.当前煤矿土地复垦工作中应重点研究的几个问题.中国土地科学():.李凤明.采煤沉陷区综合治理几个技术问题的探讨.煤炭科学技术():.李树志鲁叶江高均海.开采沉陷耕地损坏机理与评价定级.矿山测量():.李树志鲁叶江高均海.平原矿区采煤沉陷地复垦耕地生产力评价.矿山测量():.李树志高荣久.塌陷地复垦土壤特性变异研究.辽宁工程技术大学学报:自然科学版():.李树志高均海.采煤塌陷区景观生态再造技术.选煤技术():.郭友红李树志高均海.采煤塌陷区景观演变特征研究.矿山测量():.李幸丽高均海.基于 的采煤沉陷区景观格局动态变化研究.矿山测量():.高均海.开采沉陷 观测试验及技术方法研究.矿山测量():.鲁叶江李树志高均海.就地取土复垦土壤剖面构建技术研究.矿山测量():.滕永海张俊英.老采空区地基稳定性评价.煤炭学报():.白国良李树志高均海.老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究.煤矿开采():.李树志.煤矿塌陷区土地复垦技术与发展趋势.煤矿环境保护():.姜 升刘立忠.动态沉陷区建筑复垦技术实践.煤炭学报():.