我国采煤沉陷区生态环境现状与治理技术发展趋势

李凤明，丁鑫品，孙家恺

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；3.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013）

煤炭是我国的第一能源，虽然近年来太阳能、风能等发电技术得到较快发展，但到目前为止，煤炭在我国一次能源中的消费比例仍高居57.5%，随着国家“双碳”目标的提出[1]，煤炭在一次能源消费中的比例会有所降低，但未来一定时期内其主体地位仍然不会改变。煤炭工业在为我国经济社会发展做出巨大贡献的同时，也带来了一系列矿区生态环境问题和社会问题[2-4]。目前我国约有80 万座矿山，其中1/2 以上因生态环境破坏而需要整治或修复。就煤矿区而言，全国6 大聚煤区约200 万hm2的采煤沉陷区需要治理，该数据正以70 000 hm2/a 的速度继续增加[5]，我国矿山生态环境面临的严峻形势由此可见一斑。调查结果表明：全国范围内的煤炭资源型城市为63 座，以阜新为代表的资源枯竭型城市就占了38 座。山西省矿区面积共计约16 000 km2，采空区面积达4 200 万km2，采煤沉陷区在山西省各地市均有分布，面积约3 000 km2，占全国沉陷区面积的15%[6]，长期的大规模煤炭开发造成了严重的大气、土壤、水体资源污染及含水层破坏，城市转型发展由于生态环境问题解决不好而受限，经济发展缓慢、人才（口）流失等问题突出。党的十八大提出了将生态文明建设纳入社会主义现代化建设的总体布局，矿山生态、地质环境修复一系列相关政策法规的密集出台，充分体现了生态文明建设对社会发展的重要性。受地形地貌、采矿条件、工程地质和水文地质条件等因素的影响，全国范围内采煤沉陷区面临的生态环境问题各有特点，对应的生态环境修复模式与关键技术各不相同。山西、陕西等黄土沟壑和丘陵山区，煤系地层及上部含水层富水性弱，采煤沉陷区生态环境问题主要表现为地表裂缝、滑坡、潜水位下降及水质污染等，生态环境修复工作的重点为防止地表水漏失和滑坡等地质灾害发生[7-9]；山东、淮北等高潜水位平原地区，煤炭开采导致大面积平原下沉形成积水区，采用动态预复垦、充填平整和挖深垫浅等技术保障农业生产、打造生态旅游区、建设湿地公园是采煤沉陷区生态环境修复的主要措施[11-13]；青海、甘肃等高原高寒生态脆弱区，由于干旱、寒冷、土壤贫瘠，地表植被破坏后很难恢复，地形地貌重塑、土壤改良和植被复绿是生态环境修复的难点[14-15]。因此，矿区生态环境修复必须坚持“山水林田湖草生命共同体”理念[16-17]，结合当地实际情况，在充分掌握现状问题的基础上才能提出相应对策。针对我国露天矿区和井工矿区面临的不同生态环境问题，在工程实践的基础上，探讨了现阶段采煤沉陷区生态环境修复工作的难点，对比分析了现有生态修复技术在我国的应用现状及其优缺点，提出了矿区生态修复理论与技术未来主要发展方向，为我国采煤沉陷区生态环境综合治理提供了依据。

1 我国采煤沉陷区生态环境现状

我国煤炭资源主要采用露天和井工2 种开采方式。煤炭开采对矿区生态环境的破坏主要表现为挖损、压占、沉陷和污染等，地下矿物的大规模采出、地表的大范围剥离和固体废物的无序堆积不仅会导致土地退化和生态系统破坏，而且容易诱发地面塌陷、滑坡、泥石流等地质灾害问题。中国目前拥有约6 000 座煤矿，2019 年煤炭产量38.5 亿t，占世界总产量的47%，每采百万吨煤沉陷土地3～5 hm2、搬迁村庄约1 个。据相关资料，全国矿山开采占用损毁土地约36 000 km2。其中，正在开采的矿山占用损毁土地约13 300 km2、历史遗留矿山占用损毁土地约22 700 km2。大面积的采煤沉陷导致土地损毁、地面积水、植被破坏、基础设施受损，进一步加剧了水土流失、土地荒漠化、生物多样性减少等生态环境问题，使得居民生活受到严重影响、城镇发展受到严重制约。

1.1 露天矿区生态环境问题

晋陕蒙宁甘新地区资源丰富，是中国主要的煤炭资源富集区，2019 年煤炭产量占全国产量约70%。我国目前拥有露天矿区40 余个，露天矿400余座，大型特大型露天矿20 余座，主要分布在新疆、青海、内蒙和山西等省，这些区域多位于黄河流域上游，缺水干旱、地表植被稀疏、生态环境脆弱。煤层上覆土岩剥离后形成露天采坑，在采坑坡顶线以外产生一定范围的移动圈，原有岩层的稳定关系发生变化，经过一系列的作用达到新的平衡，致使原有应力场、温度场、水力径流场重新分布，区域生态环境发生不可逆的变化，最终失去原有土地的使用功能。露天开采年均破坏土地面积约330 hm2，且正以每年8%～9%的速度递增，同时，剥采作业产生的粉尘排放量巨大，严重影响空气质量；火区燃烧产生的有毒有害气体、排放的二氧化碳和大量烟气对露天矿周边的空气造成了污染；煤层以上含（隔）水层被爆破剥离，地下水补给路径中断，形成漏斗效应，对周边地下水资源破坏严重。露天开采对生态环境的破坏以青海木里煤田、抚顺西露天矿最为典型。

木里煤田地处黄河重要支流大通河的发源地，是青海省最大的煤矿区，作为祁连山区域水源涵养地和生态安全屏障的重要组成部分，生态地位极为重要，由于多年的煤炭露天开采，在430 km2范围内形成了11 个规模不等的采坑和19 座渣山，占地面积约30.47 km2。木里煤田属于祁连山高寒山地多年冻土区，植被类型分为高寒沼泽类和高寒草甸类，以前者为主，具有较明显的高寒地区形态特征，生态敏感脆弱[18-19]；植被低矮、结构简单，草群密集生长，植物以矮生垫状，莲座状形态出现，生草层密实，覆盖度70%～90%；受气象、水文、土壤等条件限制，植被对人类活动的抗干扰力较弱，一旦遭受破坏，恢复比较困难，需要采用人工种植且在受保护的情况下，通过长时间演替才能逐步过渡为自然植被群落；区内的多年冻土层是冻结层上水和冻结层下水的重要隔水层，采坑（积水）-渣山改变了原有的多年冻土层埋藏深度、厚度、破坏原有的冻-融平衡关系，打破了地下水原有的补径排条件和动态平衡，使得地表水、地下潜水和地下裂隙承压水发生直接水力联系，从而降低水源涵养功能和地表水源输送；同时，露天开采造成地表地形地貌条件的改变，天然河道被人为截断、改道，破坏了地表水系、地表水径流条件，水源输送能力和水源涵养功能下降；总之，大量的采坑-渣山-工业场地导致表土-基岩暴露、原生草甸千疮百孔，水资源、土地资源、植被资源遭到不同程度的破坏，由此引发的地貌景观破坏、冻土层减少、水系湿地破坏、河流改道、草甸退化、边坡失稳（滑坡、崩塌）、生物多样性锐减等生态环境问题亟待整治修复。青海木里矿区开采前后地形地貌如图1。

图1 青海木里矿区开采前后地形地貌Fig.1 The landform before and after coal mining of the Qinghai Muli Mining Area

抚顺西露天矿位于抚顺煤田西部，浑河南岸，千台山北麓，行政区划隶属抚顺市管辖。西露天矿最早开采于1901 年，1914 年转为露天开采，为新中国奉献出了第1 吨煤，是国内露天开采持续时间最长的大型露天煤矿，对国家经济发展和建设做出了重大贡献；历经百余年的开采，形成了1 个东西长6.6 km、南北宽2.2 km 的露天矿坑，最大深度为426 m，总面积为10.87 km2，矿山开采影响土地资源面积为3 323.605 6 hm2，土地损毁形式为挖损、压占和占用。抚顺煤田为1 套新生代古近系内陆沼泽相沉积地层，受浑河断裂活动形成的水平挤压与走向牵引控制，矿田褶曲和断裂构造发育，地层岩性和岩相复杂，岩体工程地质条件较差，滑坡灾害频发，滑坡灾害一直以来都是西露天矿地质灾害综合治理工作的重点[20]；此外，巨大的采坑导致含水层破坏，周边地下水位下降，坡面残煤自燃造成空气污染，相关生态环境问题突出；受资源枯竭、生态环境保护和经济社会可持续发展等因素的制约，相关部门于2019 年6 月做出西露天矿退煤闭坑的决定，正式进入由采转治的历史新阶段。抚顺西露天矿南帮大范围边坡滑移变形如图2。

图2 抚顺西露天矿南帮大范围边坡滑移变形Fig.2 The large-scale slope slip deformation at the south end of Fushun West Open-pit Mine

1.2 井工矿区生态环境问题

由于地质条件和开采方法的不同，井工开采对土地和基础设施的损毁程度也不尽相同，但就损毁类型和造成的生态环境问题及其特点而言，主要包括有如下几类：

1）对于我国东部平原地区地表潜水位较高的区域，如黄淮地区的徐州、淮北、淮南、枣庄、兖州、济宁等矿区，这些区域80%以上为高标准农田，为我国重要的煤—粮复合区，煤层开采后形成了面积大、积水深、分布集中的采煤沉陷区，采煤沉陷积水率约为30%左右，植被破坏后很难恢复，致使耕地绝产，村庄被迫搬迁[21]。仅淮南煤田的采煤沉陷区积水面积已达74.69 km2，其中65.3 km2范围内为农田和村庄，地面沉降的平均深度达到了6～7 m，积水较深，农田无法恢复耕种[22]。此类情况下，采煤沉陷不仅直接破坏土地，而且村庄异地搬迁又会压占新的耕地，对我国18 亿亩耕地红线构成较大威胁，同时基础设施、区域生态环境也遭到严重破坏。东部平原区采煤沉陷区地表积水如图3。

2）对于西部生态环境脆弱矿区，如宁东、神东、华亭、彬长、新疆等矿区，由于早期的无序开采以及资料的不完备，沉陷区地质灾害险象环生，地裂缝大量存在、突然坍塌和煤层自燃等现象时有发生，使得土地失去原有功能而另作他用的技术条件也不存在，生态环境恶化。同时，随着近年来开采强度的加大，采空区导水裂隙带波及含水层甚至导通地表，地表裂缝可能致使地表水与地下水沟通，最终导致地表水体流失并引起地下水水质恶化，居民生活用水和灌溉用水困难，地表植被生存条件恶化甚至枯死。煤矿开采活动规模大、强度高，对环境资源的不断索取导致生态环境及水资源承载力接近临界极限，尤其对于山西、陕西、内蒙西部等水资源相对匮乏的煤矿区，影响更为严重[23]。西部生态脆弱区采煤沉陷区地表裂缝和塌陷如图4。

图4 西部生态脆弱区采煤沉陷区地表裂缝和塌陷Fig.4 The surface cracks and subsidence of coal mining subsidence area in the west ecological fragile area

除了房屋开裂、地面积水、地表裂缝、地下水位下降、水体污染等之外，采煤沉陷对于基础设施的破坏如公路路面不均匀沉降、路面断裂、桥梁桥台破坏、供电、通讯、供气、供水、排水等管线基础下沉、杆路移位、错位等对当地居民的正常生产构成了严重影响，日常生活变得更加困难甚至是不可能。通过对我国19 个省86 个煤矿区的采煤沉陷区累计沉陷面积、受损建筑物面积等基础数据进行统计，其中沉陷面积为4 030 km2，而受损建（构）筑物面积达750 万m2。据统计，仅山西省2015 年采煤沉陷区治理覆盖全省11 个设区市48 个县区136 个乡镇440 个村，共搬迁安置74 966 户和209 769 人[7]。

2 我国采煤沉陷区生态环境治理的难点

在我国，矿山开采对于生态环境的破坏类型较多，沉陷区治理后的功能需求各异。由于缺乏对具体数据的全面掌握，同时存在治理统筹规划不明确、生态修复相关标准不完善的情况，导致国内从事生态修复的单位很多，生态修复效果层次不齐，且多数停留在工程层面，对于机理研究和功能需求实现尚待提高。自党的十八大把生态文明建设纳入“五位一体”总体战略布局以来，生态文明建设及美丽中国建设受到国家各级政府及有关部门的高度重视。十九届五中全会和十三届全国人大四次会议针对国民经济和社会发展第十四个“五年规划”和2035 年远景目标，提出坚持尊重自然、顺应自然、保护自然，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主，坚持山水林田湖草系统治理，着力提高生态系统自我修复能力和稳定性，守住自然生态安全边界，促进自然生态系统质量整体改善。我国土地复垦工作始于20 世纪50 年代，《土地复垦条例》（2011）由国务院公布施行，标志着我国土地复垦事业步入了制度化、规范化和法制化的新阶段。近年来，《关于加快推进采煤沉陷区综合治理的意见》、《关于加强矿山地质环境恢复和综合治理的指导意见》和《关于推进山水林田湖草生态保护修复工作的通知》等一系列方针政策的相继出台，表明了国家及各级政府部门对于矿区生态环境修复的态度和决心。现阶段，我国采煤沉陷区治理工作已经取得了一定成效，但至少仍存在以下2 个方面的问题亟需解决。

1）理论与技术层面。生态修复是一门多学科交叉的应用性科学，由于科研技术力量的投入相对不足，煤矿区生态环境恢复治理技术存在多领域融合程度不足、可操作性不强，现有技术和方法难以满足矿区绿色发展等问题。在许多方面需要突破，如大型露天煤矿综合治理与整合利用技术，东部平原矿区采煤塌陷地预处理技术、矿区复垦土壤改良技术，生态脆弱矿区生态修复技术，矿区生态修复与综合治理利用技术标准体系等。

2）政策与监管层面。主体责任不够明确、资金保障不到位、矿山生态环境修复方案的实施和验收没有严格的准入条件和标准，缺乏社会资本进入的激励机制。同时，监管机制不健全等方面的问题制约了矿区生态环境恢复治理工作的有效实施，对于有责任主体的采煤沉陷区，采取的是“谁损毁、谁治理”的策略，但由于我国煤炭开采历史久远，有大面积的采煤沉陷区属于无责任主体区域。沉陷区治理专项资金供给不足，资金落实不到位则难以开展治理工作，而已经落实的治理资金又缺少有效的管理机制。

3 采煤沉陷区生态环境治理技术现状与发展趋势

3.1 生态环境治理技术研究现状

据调查统计，在目前治理标准并不统一的情况下，我国采煤沉陷区损毁土地的治理率仅为30%左右，矿区生态环境和采煤沉陷区的资源破坏问题亟待解决。开展采煤沉陷区治理及矿区生态修复工作，彻底治理煤炭开采造成的环境破坏和污染，是落实党中央、国务院关于生态文明建设、生态环境保护的决策部署，全面做好我国矿区生态环境修复的重要举措，是推进全国矿区诸如山东济宁、兖州，辽宁阜新、抚顺等土地、生态破坏严重型、资源枯竭型城市转型发展的迫切需要。矿山生态修复工程具有多学科交叉、影响因素繁杂等特点，修复全过程应严格遵循“循环再生、和谐共存、整体优化、区域分异”等生态学原理，我国目前比较常用的矿山生态修复技术主要包括物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复技术[24]。

物理修复技术是通过隔离、电动力学、换土、覆盖等物理手段治理矿山开采带来的环境污染。隔离法是指利用防渗材料如水泥、石板等将受污染土壤或水土分开，阻止污染物扩散到周围环境中。电动力学方法是将电极插入受污染土壤中，通过输入电流，利用电渗析、电泳等原理使污染物迁移的过程，通常用于同时去除土壤中存在多种重金属的情况。换土或覆盖法通过将表层土0～60 cm 分离并存放，待开采结束后再取回覆盖，或者直接将异地未受污染的土壤运来使用，青海木里矿区表土匮乏，为了满足修复区植被生长的需求，首先采用改良后的土壤对开采破坏后的地表进行覆盖，覆盖层厚度为30 cm。物理修复法因其操作简单、不易引起其他消极影响的优点被广泛用于我国矿山修复，但也存在工程量大、成本高等局限性。

化学修复技术包括2 种类型：其一是通过水或者化学试剂浸出土壤中重金属，促进重金属的解析，使其从固相转移到液相；其二是通过添加固化剂等化学的方法抑制或降低污染物的水溶性、迁移性和生物有效性。最常用的浸出液包括酸溶液、盐溶液和表面活性剂等，最常用的添加改良剂包括石灰石、碳酸氢盐和磷肥等[25-26]。化学修复法见效快，受自然因素影响小，但容易影响土壤肥力，甚至可能对土壤或地下水造成二次污染，常作为辅助方法与其它修复技术联合使用。

生物修复技术主要包括植物修复、动物修复和微生物修复3 类。植物修复是露天矿山生态修复中应用前景最好的技术之一；植物修复的关键在于土壤改良、基质重构以及草种优选，该技术已在内蒙古霍林河、山西平朔、云南小龙潭等露天矿区得到成功运用，以植物修复为主的青海木里矿区采坑、渣山一体化治理工程项目正在实施中；动物修复技术是矿山废弃地基质改良的1 种新兴技术，主要利用土壤动物与其体内微生物的生命活动和生理代谢来改善贫瘠土壤的理化性质和营养状况；微生物修复技术是利用本土微生物或人工驯化的微生物，在合适的环境条件下通过自身的新陈代谢作用来降低土壤中有毒、有害污染物质的活性并改善土壤土质的修复技术。生物修复技术同样具有比较明显的局限性，植物修复技术适用于表层土壤修复，而且只对某种污染物具有较好的修复效果，动物修复技术和微生物修复技术因条件苛刻、所需周期长，故不适用于大范围生态修复。

受生态环境的多样性和生态修复工程的复杂性影响，单一的修复技术因存在局限性往往不能满足实际需求，需要通过研发多种修复技术集成的联合修复技术进行优劣互补，以达到更好的修复效果。常见的联合修复技术有物理-化学联合修复技术、植物-化学联合修复技术、植物-微生物联合修复技术和微生物-植物-动物联合修复技术等。通过2 种以上修复技术在同一区域联合使用，诱发协同效应，极大的增强了生态修复效果，联合修复技术已经在矿山废弃地的土壤基质改良中取得了一定成效，未来将成为生态修复的主流研究趋势。

3.2 生态环境治理技术发展趋势

结合我国采煤沉陷区现状与实际，矿区生态环境治理理论与技术未来或将在以下几个方面得到长足发展。

1）开采对生态环境破坏的监测与诊断技术。传统的矿区土地与环境监测手段包括大地水准测量、近景摄影测量、静态或动态GPS 测量等，主要关注地面下沉、积水面积、露天开采挖损、压占面积等土地的显性损毁信息的监测，存在监测数据不全面、工作量大、成本高且数据难以长期保存的不足。近年来，遥感技术、合成孔径雷达测量技术、无人机技术等新兴的矿区土地与环境监测手段逐渐趋于完善，更侧重于监测植被变化、景观变化、土壤变化等信息及损毁边界、自燃煤矸石山内部燃烧点、土壤裂缝等隐性信息，构建的“星-空-地-井”一体化生态环境监测体系真正实现了由局部到整体、由显性到隐性、由损毁监测到“损毁—治理”全过程生态环境监测。

2）采煤沉陷地治理技术与标准体系。包括东部地区高潜水位采煤沉陷地、西部干旱半干旱采煤沉陷地和高原高寒地区采煤沉陷地。在高潜水位采煤沉陷地复垦方面，由最初提出的疏排法、挖深垫浅法和泥浆泵法等非充填复垦的技术方法，到使用煤矸石、粉煤灰和黄河泥沙等作为充填材料的充填复垦技术，包括基于开采沉陷预测分区动态预取土预垫高的高潜水沉陷区预治理技术等，均需要开展进一步研究和探索。西部干旱半干旱采煤沉陷地生态环境因缺水而较难修复，受高寒、缺氧、土壤贫瘠等恶劣条件影响，高原高寒地区采煤沉陷地生态环境非常脆弱，以上2 类特殊条件下的采煤沉陷区修复技术与标准体系亟需开展系统的研究。

3）矸石山污染治理及煤矸石综合利用技术。随着国家和地方各级层面关于固废治理和综合利用相关政策的相继出台，矿山企业亟需解决矸石山自燃、渗滤液污染、植被复绿、矸石综合利用等问题，需要在矸石山污染治理及煤矸石综合利用方面展开系统研究。对于已经形成的矸石山，针对矸石酸性判断不准的难题，用“潜在酸性”计算方法代替传统的pH 值检测方法来判断矸石山酸碱度；对于矸石山着火点位置不易确定的难题，可采用热红外与测绘技术相耦合的表层燃烧情况定位技术及基于表面温度反演深部着火点位置模型；对于火点处置，可用表面喷浆与深部注浆相结合的安全灭火方法、生物化学抑制氧化和物理覆盖碾压相结合的抑氧隔氧防火技术；针对酸性煤矸石山治理后容易复燃的特点，可在煤矸石与覆盖土壤之间增加隔离层的方法。对于新产生的煤矸石，重点研究矸石不出井相关理论与技术，构建“井下充填+地面回填、塌陷区治理、生产建筑材料”等相结合的煤矸石综合利用技术体系。

4）露天矿土地复垦与生态修复技术。随着政策法规和复垦规划的不断完善，露天矿的复垦已从过去的以外排土场复垦为主，发展为采矿—复垦一体化的露天矿生态环境治理新模式，已经形成基于“削坡整形、回填压帮、土壤重构、植被重建”的一体化治理方法，在高原高海拔、干旱半干旱地区露天矿土地复垦与生态修复中取得了显著成效。基于GPS、GIS 及三维可视化技术，对露天矿采场、排土场复垦前的生态环境现状进行模拟，对复垦后的生态环境发展趋势进行预测，实现边开采、边复垦、边预控的目的是未来研究的趋势。

4 结 语

1）我国采煤沉陷区生态环境破坏类型多样，井工矿区和露天矿区生态环境问题各具特点，沉陷区治理工作重点和难点各不相同。山西、陕西等黄土沟壑和丘陵山区，生态环境修复工作的重点为防止地表水漏失和滑坡等地质灾害发生；山东、淮北等高潜水位平原地区，采用动态预复垦、充填平整和挖深垫浅等技术保障农业生产、打造生态旅游区、建设湿地公园是采煤沉陷区生态环境修复的主要措施；青海、甘肃等高原高寒生态脆弱区，土壤改良与植被复绿是生态环境修复的难点。

2）采煤沉陷区生态环境修复技术主要包括物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复技术，联合修复技术利于诱发协同效应，强化生态修复效果，在我国矿山废弃地土壤基质改良中取得了显著成效，将成为生态修复技术的主流研究趋势。

3）近年来，生态文明及美丽中国建设受到各级有关部门的高度重视，采煤沉陷区治理工作取得了显著成效，但仍需正视理论与技术、政策与监管层面存在的问题和不足，开采对生态环境破坏的监测与诊断技术、采煤沉陷地治理技术与标准体系、矸石山污染治理及煤矸石综合利用技术、露天矿土地复垦与生态修复技术将成为未来矿区生态环境修复的重点研究方向。