废弃矿山采煤塌陷区土地复垦综合治理模式研究

毛旭阁

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

陕西省铜川市是一座因煤而兴、先矿后市的典型资源型城市，是西北地区重要的煤炭和建材工业基地，伴随着煤炭资源的大力发展，铜川市面临着资源耗竭、土地持续沉陷、废弃矿渣杂乱堆放、生态环境恶化和产业转型等一系列问题，这些问题已经严重制约了地方经济的发展，亟待解决。

目前我国对于资源枯竭型城市因采煤塌陷而形成土地复垦问题的治理模式研究案例较少，本研究通过实地调查因20世纪90年代开采废弃的铜川市衣食村和草滩村沉陷区，查明废弃露天采坑的范围、废弃堆渣场的空间分布形态及地面塌陷坑洞的大小和深度，总结采煤塌陷区矿山地质环境治理模式，对于指导废弃矿山采煤塌陷区矿山地质环境治理工作具有重要意义。

1 研究区概况

通过调查访问发现，铜川市衣食村和草滩村研究区煤炭开发历史悠久，明清时期已有小煤窑沿煤层露头开采，开采范围一般不大，深度不超过100 m，多因自燃、水害和瓦斯事故而停产关闭，形成大小不等的采空区；1990-2002年期间，在研究区有衣食村露天煤矿、衣食村第二煤矿、衣食村河西煤矿等小煤矿从事露天和井工开采，生产原煤约为20万t/a，开采对象为4-2#煤层，煤层厚度为3～5 m，较为稳定，地质构造和水文地质条件简单，开采投资少，共开采原煤超过600万t，巷道长度为50～150 m，有的巷道已与其余小煤矿贯通；截止到2008年该区的小煤矿全部报废，地下形成大小不等的采空区，并在露天开采地段残留和形成了多处露天采坑及堆渣场，致使该地区环境恶化又造成了资源的浪费。

铜川市衣食村和草滩村塌陷区属大陆性半干旱气候，四季冷热多变，昼夜温差悬殊，雨季集中，蒸发强烈，平均降水量为650 mm/a，7-9月降水量占全年降水量的65.8%，平均蒸发量为1183 mm/a。研究区内大部分由易渗透和大孔隙的各期黄土所覆盖，加上自然条件差、生态环境脆弱以及气候的变化致使煤矿采空区及各类斜坡地带的地质灾害屡屡发生，危害极大。

2 矿山地质环境问题及其危害

由于受到历史发展阶段环境保护意识的局限性，矿产资源的开发活动导致该矿区资源严重损毁(包括土地资源、地貌景观、地下水资源、林地资源等的占压与破坏)，诱发了矿山地质灾害(地面塌陷、地裂缝、滑坡、崩塌、泥石流等)，污染了该矿区的水土环境。

2.1 地面塌陷

根据现场调查及资料分析，衣食村和草滩村研究区塌陷始于20世纪90年代初期，大范围塌陷出现在20世纪90年代后期，每逢雨季塌陷形成的陡坡时有崩落，塌陷范围及地面裂缝不断扩大，采空区面积为82413 m2。在地面形成20余处塌陷坑，地裂缝10余条，许多塌陷坑裂缝长期冒烟，农田和植被遭到不同程度破坏，导致大量农田无法耕种和部分道路被毁坏。地面形成的采煤塌陷坑如图1所示。

图1 地面形成的采煤塌陷坑

2.2 地貌景观及环境破坏情况

草滩村废弃矿渣场长为1421 m，宽为190～416 m，南北两头高，中间低，落差近40 m，群采煤矿被破坏和压占土地约为102412 m2。沉陷的塌陷坑、突兀的塌陷陡坎、纵横的地裂缝、突出的煤矸石山及地面凹凸不平、矸石山烟雾弥漫、风起煤灰扬尘严重破坏了研究区视觉景观和城区环境。沟道深处已为农民复垦还田，沟口至荒草湾河流阶地仍有部分废弃场地，废弃场地成为该区域严重的水土流失区。废弃矿渣坑如图2所示。

图2 废弃矿渣坑

2.3 不稳定斜坡

矿山建设过程中，造成多级台阶状裸露陡壁构成不稳定斜坡隐患，衣食村研究区的斜坡体长约为80 m，平均高度为18 m，坡面风化严重，节理裂隙发育，整体稳定性较好，局部发生崩滑破坏，极不稳定，对当地居民及道路安全造成威胁。

2.4 环境污染

研究区内堆积大面积废弃矿渣，颜色为灰色和灰黑色，成分以煤矸石、煤渣和粉粒为主，颗粒粒径多介于0.5～2 cm之间，原岩成分以砂岩和泥岩为主，粉粒充填、较松散、局部胶结且废渣的级配良好，不均匀系数CU介于8～15之间，表层植被发育不良。这些废弃矿渣在占地的同时，矸石自然释放出CO、CO2和SO2等大量有毒有害气体，严重时矸石堆烟雾弥漫，现场气味刺鼻，严重影响周围居民的健康安全和城市环境。废弃的煤矸石场地如图3所示。

图3 废弃的煤矸石场地

3 治理思路

对于废弃采煤沉陷区的治理而言，不能仅对区内地质灾害采取工程措施而忽视生态环境的恢复治理，否则恶劣的生态环境将导致新的地质灾害的发生；也不能仅对区内生态环境进行恢复治理而无视地质灾害的威胁，否则地质灾害一旦发生，区内生态环境恢复工程将失去意义；区内生态环境恢复和地质灾害治理分开前后来做也是不可行的，前后分开治理的方案不仅会造成经济上的浪费，还会导致地质灾害的工程与生态恢复工程之间存在缝隙，不能和谐统一、共同发挥作用、起到事倍功半的作用。

废弃采煤沉陷治理工程应以安全可靠、技术可行、经济合理、施工方便、利于环保为总的原则，具体思路如下：

(1)据研究区地质环境条件的差异，遵循 “宜园则园、宜水则水、宜林则林、宜地则地”基本原则，因地制宜的实施地质环境综合治理工作。

(2)坚持增加耕地和可建设用地，促进保护土地资源。

(3)坚持技术上可行、经济上合理、运行上安全的原则，以最小的治理经费获得最大的防灾减灾效益。

(4)坚持矿山生态系统恢复与重建原则，做好矿山地质环境恢复和生物群落的恢复与重建，并与当地生态环境相协调。

(5)治理工程应处理好长远与当前、整体与局部的关系，促进经济效益、社会效益和环境效益的协调统一发展。

4 治理模式研究

4.1 地面塌陷的治理方案

4.1.1 塌陷坑开挖及回填

对塌陷坑及地裂缝进行开挖塌实，然后再回填处理。首先对塌陷区进行开挖，使其周围均匀沉陷下去，形成一个自然的“坑”状体，同时对塌陷区四周高陡边坡地段进行开挖剥离，保证坑体边坡稳定平缓，然后对塌陷坑回填，推平整修，作为农田或绿化用地。

4.1.2 塌陷落洞坑治理工程

由底部填入煤矸石或建筑垃圾至地表以下3.0 m，表层回填3.5 m厚粘性土(涵养水分恢复生态环境并有阻水作用)，在每个塌陷坑洞旁添加警告示意牌。塌陷洞填埋示意图如图4所示。

图4 塌陷洞填埋示意图

4.2 地貌景观破坏的治理方案

4.2.1 废弃矿井设施及建筑拆除

对煤矿开采遗留下的废弃矿井设施及地面建筑进行拆除，拆除废弃建筑，拆除基础深度取1.0 m，拆除地面硬化深度0.3 m，对拆除的废砖废瓦等建筑垃圾就地粉碎、掩埋，覆土厚度为0.6 m。

4.2.2 废弃矿渣治理

研究区地形起伏较大，矿渣排放杂乱，根据地形特点，在遵循最小挖方量的前提下，对矿渣堆进行推压整平，为绿化提供工程条件。

整修后坡面上采取撒播草籽(苜蓿)、自然生长的方式恢复植被。

4.3 不稳定边坡的治理方案

4.3.1 坡面整修

对研究区内的边坡进行整修工作，坡率为1∶0.75。整修后坡面上采取撒播草籽(苜蓿)、自然生长的方式恢复植被，播种密度为0.007 kg/m2。

4.3.2 修筑护面墙

蓝宝石那犹如深海般、澄净蔚蓝的色彩，正代表着地球生生不息的活力。古代波斯人相信：大地由一块巨大的蓝宝石支撑。当阳光洒落大地，经由蓝宝石的光辉反射，天空才能呈现出宁静迷人的蓝色。

在坡脚采取护面墙防护。修筑浆砌块石护坡，墙高为3.0～4.0 m，顶宽为0.5 m，墙面坡比为1∶0.25，基础埋深为1.4 m，基底采用3∶7的灰土夯实，厚度为50 cm。墙体采用M7.5浆砌块石砌筑，表面用M10水泥砂浆勾缝；墙顶用M10砂浆抹成3%外斜护顶，厚度取3 cm；墙身布设ø90 mm的PVC泄水孔，泄水孔间距为3.0 m，排距为3.0 m，呈梅花型布置，泄水孔坡度不小于5%，墙背设置厚度为30 cm的砂砾石反滤层，在最低的一个排泄水孔下部夯填30 cm的厚粘土隔水层。

4.4 环境污染的治理方案

对研究区内废渣堆、矸石山和沟道进行绿化，恢复生态环境。

对研究区内堆积的杂乱矸石山，主要是由推矸、碾压、覆盖黄土等综合治理措施整修而成的平地(或斜坡)，进行全面绿化，树类种植刺槐，种植间排距为3 m×3 m，刺槐采用采用挖“鱼鳞坑”的方法栽种刺槐，呈梅花状布置；草类苜蓿采用人工撒播法种植。该部分绿化主要采用人工撒播苜蓿为主，这样不仅能起到美化环境的作用，还具有良好的经济效益。废弃煤矸石重建后和生态环境恢复后如图5和图6所示。

图5 废弃煤矸石重建后的图

图6 生态环境恢复后的图

5 矿山地质环境治理成效

通过2011-2016年对塌陷区地貌重建、废弃建筑物拆迁、矸石清理填埋、土地复垦、边坡修正、植草绿化等工程的完工，消除了地面塌陷对周边居民生产和生活的威胁，促进了塌陷区社会的和谐与稳定。

5.1 社会环境效益

该工程的实施极大地消除了矿区地质灾害对矿区环境的危害，复垦的土地将会极大的改善矿区生态环境，将衣食村和草滩村研究区建成混采区治理恢复的典型；同时，针对采煤塌陷区毁损道路修补和毁损土地修复等，缓解了受灾村民的不满情绪，化解了矿山与村民、政府与村民之间十分紧张的社会矛盾，为铜川资源枯竭型城市营造一个安全的生存、生产环境，促进和谐社会的建设具有重要的社会意义。

5.2 经济效益

地质环境问题是实现矿区可持续发展的核心问题，对整个研究区而言，矿山地质环境问题已是影响、制约矿区环境与发展的关键。通过对铜川市草滩村和衣食村研究区废弃土地综合治理恢复工程的实施，将促使该地区生产、生活及生态环境得到极大的改善，为本区步入资源开发与环境保护、矿产开发促进其他产业发展良性循环的经济与环境共同发展之路，并逐步增加矿产自身的“免疫”能力，有效促进保护耕地0.032 km2，恢复被破坏的林地并植树种草0.417 km2，完成生态重建任务，提高矿区植被覆盖率程度，逐步恢复重建矿区生态群落，美化矿区人居环境，所获得的经济效益将是巨大而长远的。

6 结论

(1)采煤塌陷区内地质灾害的发育过程与生态环境的破坏状况并不是相互独立的，而是相辅相成、相互促进的。生态环境的破坏和地质灾害的发生往往同时存在，生态环境的破坏可以直接或间接导致地质灾害的发生，地质灾害的发生又会严重加剧生态环境的破坏。

(2)陕西省在进行大规模煤矿开采过程中，采煤塌陷区内地质灾害频发，生态环境恶劣，在对采煤塌陷区进行治理过程中，需要综合考虑地质灾害治理、生态环境恢复、经济转型发展以及社会需求等诸多因素。

(4)综合考虑地质灾害治理，生态环境恢复、陕西的经济发展战略及当地社会需求等4个因素，工程治理方案与生态环境恢复方案相互耦合、共同作用，形成一套完整的综合治理方案。

(5)治理方案能够消除废弃矿山采煤塌陷区内地质灾害的威胁，恢复研究区内原来的生态环境状况，符合陕西的旅游发展战略，满足社会需求，可以为其他采煤塌陷区的治理提供思路和思考。

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