平原地区高潜水位采煤塌陷综合治理研究——以兖州煤田为例

姬宗皓，高彦生，甄洪帅，赵永海，宋炳忠,4

(1.济宁市采煤塌陷地治理中心，山东 济宁 272000；2.山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100；3.自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东 济宁 272100；4.山东省地质矿产勘查局采煤塌陷地综合治理工程技术研究中心，山东 济宁 272100)

0 引言

地下煤层被采出后，开采区域周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，采空区顶板岩层在自重力和上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲；当地下开采范围足够大时，岩层的移动波及到地表，在地表形成一个远大于采空区的沉陷区域(即采煤塌陷区)。采煤塌陷区的形成改变了地表原有的形态，对区域范围内的道路、建筑物、生态环境造成不同程度的影响。兖州煤田是典型的高潜水位平原区，地表下沉1.5m左右塌陷区域内便可积水，严重影响土地的使用，造成矿区耕地大量减少；除积水区外，塌陷区其余部分均为坡地，对农业生产也会产生很大影响。此外，耕地的损毁也给矿区当地带来一系列经济、社会和环境问题。因此，高潜水位采煤塌陷区的综合治理，不仅可以保障农民利益，对生态环境的恢复、矿区社会的稳定以及当地经济的可持续发展也具有非常重要的现实意义。

近年来，随着我国政府对生态环境保护工作的重视和加强，采煤塌陷区治理成为当前生态环境领域研究的热点之一。针对采煤塌陷区的耕地恢复问题，肖武等人[1]基于地理信息技术对沉陷区表土剥离的策略进行了研究；陈利生、李学良等人[2]在分析了皖北煤电集团孟庄煤矿煤矸石物理化学性质的基础上，研究了煤矸石回填耕地复垦的可行性、规划设计和工艺流程。根据淮南塌陷区煤矸石充填复垦的工程实践，高晓云等人[3]对煤矸石充填复垦的自然环境和经济效益进行了分析研究。大沉陷、常年积水采煤塌陷区是塌陷区治理的重点和难点区域，矸石充填耕地复垦容易引发地下水污染，而客土回填复垦则存在经济成本较高的问题；在大沉陷、常年积水采煤塌陷区构建人工湿地公园则可实现生态效益与经济效益统一[4]，我国唐山南湖城市中央湿地公园、徐州潘安湖国家湿地公园等项目的成功实施和运营，证明这种治理思路的可行性和有效性[5-15]。随着我国城镇化进程的加快，采煤塌陷区也逐渐融入城市发展建设地块之内，对采煤塌陷区建设用地复垦中的残余变形预测问题、建筑物附加应力影响深度计算问题、采空区稳定性评价问题及采空区残余变形控制问题等也做了深入的研究[16-20]。

兖州煤田内煤矿众多，地质采矿条件较为复杂，采煤塌陷区的种类形态各异。当前，兖州煤田塌陷区的治理主要以耕地复垦为主，不能适应多类型采煤塌陷区综合治理的需要；此外，由于对采煤塌陷区现状和土地损毁程度等信息掌握不充分，塌陷区治理中存在规划不统一、不协调等问题。针对上述问题，文章首先分析了兖州煤田的地质采矿条件；然后，在地表塌陷现状调查的基础上研究了兖州煤田采煤塌陷的土地损毁特点；最后，通过对比分析不同治理模式的优缺点，研究了适合兖州煤田采煤塌陷区的综合治理模式，对高潜水位平原区采煤塌陷地治理具有一定的指导和参考价值。

1 兖州煤田地质开采条件

兖州煤田位于鲁西南块陷的东缘，东部、北部以峄山断层、时庄断层为界，西南部以煤层露头为界，为石炭-二叠系全隐蔽型煤田。东西长约16km，南北长约26km，总面积约449km2，探明煤炭资源储量91亿t。兖州煤田含煤地层为石炭纪太原组和二叠纪山西组，可采、局部可采煤层8层，平均总厚度约14m。山西组3煤层为主要可采煤层，厚度2.5～10.5m；太原组16，17煤层为可采或局部可采煤层，平均厚度1.2m。3煤层直接顶多为粉砂岩、细砂岩或泥岩，厚度变化较大，老顶以砂岩为主，抗压强度变化较大。16煤层顶板为石灰岩，全区分布稳定，厚度2.5～11.0m。17煤层顶板为石灰岩，最大厚度3.4m，不稳定。

兖州煤田20世纪70年代开发建设，90年代后期进入大规模开发时期。井田总生产能力3050万t/a，现有13对生产煤矿，已闭坑矿山3对矿井。煤层埋深在-300m以下，星村煤矿最大采深已达-1200m。竖井开拓，地下开采。采矿方法采用长壁走向采煤法、综采放顶煤、综采一次采全高，部分村庄建筑物下采用条带开采。兖州煤田矿山地质采矿条件见表1。

表1 兖州煤田矿山地质采矿条件

2 兖州煤田采煤塌陷现状

2.1 兖州煤田采煤塌陷地概况

兖州煤田地质灾害和地质环境问题主要是采煤塌陷，以及由此引起的农田损毁、土壤污染、水污染、农民失地等。采煤塌陷是由于煤炭资源开采后，采空区在上覆岩土层重力作用下，发生弯曲变形，冒落形成地面塌陷。兖州煤田煤系地层被第四系及侏罗系所覆盖，上侏罗系0～794m，第四系140m。研究表明，厚冲积层条件下，地表下沉系数普遍较大，下沉盆地影响范围较远。兖州煤田属于高潜水位地区，埋深一般在3～5m左右。开采塌陷使各采区地表形成相对独立的塌陷盆地，最大下沉达9m。深塌陷区地表常年积水，浅塌陷区随季节发生不同程度的积水。兖州煤田地处鲁西南平原区，四季分明，光照充足，耕地质量良好，生产力高，耕地多为高产的“吨粮田”。调查表明兖州煤田各矿区范围和地上良田的重合率高达80%，地面塌陷后大面积良田遭到破坏。

兖州煤田采煤塌陷区主要集中在曲阜市西部、兖州区东部、邹城市西部、高新区的东部，共涉及14乡镇、224个村庄。截至2018年底，塌陷地总面积约17529.51hm2，其中常年积水面积2611.61hm2，季节性积水1474.46hm2，积水区平均2～5m，最深处达9m。预计到2020年，兖州煤田采煤塌陷地将达到18563.78hm2，形成以鲍店、兴隆庄煤矿为中心，北起兖州兴隆庄，东至邹城东滩，南至唐村，西至泗河的大面积塌陷积水区。兖州煤田采煤塌陷地分布情况见表2、图1。

表2 兖州煤田煤矿采煤塌陷地统计

1—常年积水区；2—季节性积水区；3—未积水区；4—矿业权范围；5—高速公路；6—铁路；7—河流图1 兖州煤田塌陷地分布图

2.2 兖州煤田塌陷地分类

兖州煤田为平原地貌，根据塌陷下沉值、积水情况、地下潜水位深度综合考虑，将塌陷程度划分为轻度塌陷、中度塌陷、重度塌陷3种类型。轻度塌陷指地表下沉小于1.0m，地表不出现积水，地面村庄、道路、农田水利基础设施等建筑物、构筑物受到较小的破坏或无破坏，地表轻微起伏。中度塌陷指地表下沉大于1.0m小于3.0m，地面村庄、道路、农田水利基础设施等建筑物、构筑物遭到严重破坏。重度塌陷指地表下沉大于3.0m，或地表出现积水区域，地面村庄、道路、农田水利基础设施等建筑物、构筑物遭到彻底破坏。按地类划分，塌陷土地原地类主要有耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地等，截至2018年底，兖州煤田塌陷地各地类面积如表3所示。

3 兖州煤田采煤塌陷危害

兖州煤田采煤塌陷使耕地保有量锐减，耕地质量下降，交通水利设施遭到破坏，工厂村庄被迫搬迁，大量农民失去赖以生存的土地。煤矿开采过程中废水、煤矸石的排放，造成了水污染、土壤污染，对生态环境造成了破坏。

表3 兖州煤田损毁地类面积

3.1 生态环境破坏严重

采煤引起的地表沉降变形，形成了深浅不等、大小不一、各自封闭的塌陷盆地，由于兖州煤田地下潜水位较高，塌陷区常年或季节性积水，其中常年积水区面积13818.82hm2，季节性积水区面积4252.96hm2。矿区水利设施破坏后，原来的水系被打乱，积水排不出去，芦苇众生，沼泽一片，水质恶化，形成一个个“死水”湖面。

3.2 耕地保有量锐减，耕地质量下降

据统计，截至2018年，兖州煤田因采煤造成耕地损毁10087.51hm2。采煤塌陷对耕地的影响主要表现在产生坡地、积水、凹凸不平、裂缝等，同时加剧了地表水土流失，导致耕地土壤退化，质量下降，塌陷盆地底部土壤有盐渍化趋势。

3.3 社会不安定因素增加

兖州煤田人口密集，农村人地矛盾突出，由于采煤塌陷造成耕地破坏，交通实力设施破坏，农业生产水平下降，农民的农业收入越来越少。随着煤炭资源的开发，大量农民失去赖以生存的土地，这将带来更深层次的社会问题，形成社会不安定因素。

4 兖州煤田采煤塌陷治理

4.1 治理方向

围绕济宁都市区城市发展方向，优化城市生态功能，构建湿地的城市服务功能，建设蓄水、净化、防洪、养殖功能区；发展生态立体农业、特色农业、观光农业、养殖业、园林产业；围绕泗河、白马河治理，构建旅游、休闲、体育、文化等经济与景观复合区。构建矿山文化-塌陷地治理技术展示-休闲娱乐-度假旅游为一体的生态旅游功能区。

4.2 治理布局

泗河、白马河两侧塌陷地采取充填、挖深垫浅、植被绿化等治理措施，构建带状景观廊道，发展立体高效生态农业，建设生态、休闲、观光等多功能复合景观带。

兖州区、邹城市、曲阜市城区附近的采煤塌陷区，重点实施治水、增绿。整合城市外围“山水林田湖”生态要素，营造城市绿地、湿地公园、生态农业用地，发展设施农业、观光农业和乡村旅游等特色设施农业经济。

离城市较远的采煤塌陷区，主要位于济兖曲邹的中心地带，积水深，面积大，分布集中。根据塌陷积水情况因地制宜综合治理，塌陷较深、积水面积较大区域采取护坡、边坡绿化、植被林带建设等生态措施进行生态湿地景观建设，发挥涵养水源、雨洪调蓄利用功能；浅积水区域挖深垫浅，发展高效立体农业和渔禽综合养殖业；非积水区域划方平整，发展蔬菜、瓜果等农业经济，建设“菜篮子工程”(图2)。

1—矿业权范围；2—城镇用地；3—城市功能治理区；4—设施农业治理区；5—生态农业治理区；6—城市、人工湿地治理区；7—自然湿地保护区；8—城市建设治理区图2 兖州煤田塌陷地治理布局图

5 结论

兖州煤田现有13对生产煤矿，已闭坑矿山3对矿井，地质采矿条件复杂。截至2018年底，塌陷地总面积约17529.51hm2，其中常年积水面积2611.61hm2，季节性积水1474.46hm2，积水区平均2～5m，最深处达9m；预计到2020年，兖州煤田采煤塌陷地将达到18563.78hm2。采煤塌陷使耕地保有量锐减，耕地质量下降，交通水利设施遭到破坏，工厂村庄被迫搬迁，破坏了矿区生态环境。根据区位位置、环境背景、地质采矿条件和塌陷特征，对兖州煤田采煤塌陷地治理进行分区，采取生态农业、观光农业、渔业、新能源(光伏)产业、人工湿地、城市建设等治理模式进行综合治理与生态修复，对高潜水位平原区采煤塌陷地的治理具有一定的指导和参考价值。