浅谈淮北市采煤沉陷区生态地质问题研究

王梅

［关键词］采煤沉陷区；积水区；地质环境；生态地质问题

淮北市是中国煤炭建设重点城市，1955年，地质勘探部门开始对淮北煤田进行普查。1958 年5 月5日，淮北煤矿筹备处正式成立，从而拉开了大规模开发淮北煤田的序幕。随着煤矿资源开采，压占毁损土地资源，同时对地形地貌景观造成程度不同的破坏。煤矿地下开采引发的采空塌陷，使大片肥沃平坦的土地沦为坑洼不平的荒滩、水塘等[1]。截至2022年底，淮北市采煤沉陷区面积279.54 km²。通过对现有采煤沉陷区资料分析研究，以往仅对采煤沉陷区范围及损毁情况进行了统计，未对采煤沉陷区所引起的生态地质问题进行系统研究，本次基于土地利用植被覆盖类型的多期遥感解译结果，着重分析沉陷生态地质问题演化规律，构建淮北市采煤沉陷区生态地质分区评价体系。以定性方法为主，开展区域生态地质分区评价，指出每个分区生态地质特征、存在主要问题和区域国土空间利用与生态保护修复建议。为深化资源枯竭城市和采煤沉陷区综合治理试点建设，加大凤栖湖、朔西湖生态环境修复力度，提升绿金湖、碳谷湖、乾隆湖、化家湖治理品质，打造“中心湖带”新风貌。加快推进绿色矿山和绿色矿业发展示范区建设，促进矿地和谐提供基础依据。

1 淮北市采煤沉陷区概况

淮北市是中国煤炭建设重点城市，自1958年开始进行大规模的矿区建设。淮北市共有煤矿47个，截至目前正在生产矿山有15个（杜集区2个，濉溪县13个）；其余的煤矿或受产能枯竭，或响应国家去产能政策号召，均已关闭，采煤矿山生产情况详见表1及淮北采煤沉陷区及矿权位置详见图1[2-4]。

采煤沉陷区总面积279.54 km²，其中耕地面积121.19 km²，林地面积10.37 km²，草地面积4.15 km²，其它地类面积143.83 km²；已治理面积138.55 km²，已修复耕地面积47.67 km²。全市采煤沉陷区分布较分散，各县区共有大小47个采煤沉陷区，采煤沉陷导致耕地资源锐减，加剧人地矛盾，因历史原因，采煤沉陷地存在未征先塌现象，采煤企业以支付青苗补偿费形式补偿，但失地农民无法办理养老保险，在企业关井闭坑无法支付费用时，失地农民长远生计无法保障，给社会稳定埋下了隐患。建设用地紧缺，城市发展受限，陷土地范围广、面积大，城市工业和非煤产业用地缺少发展空间，资源型城市转型发展受限[5-8]。

2 淮北市采煤沉陷区生态地质问题

2.1 土地损毁现状

淮北市采煤沉陷区涉及采煤矿山47个，矿区面积780.26 km²，采煤沉陷区总面积279.54 km²，采煤沉陷区积水面积为68.69 km²，水深0.5～15 m，局部深15 m以上，蓄水量较大，最大塌陷深度超过20 m。矿山开采煤层较多，部分重复塌陷，塌陷区已衔接成片，积水成湖[9，10]。采空地面塌陷的发生，不仅严重破坏土地资源及地形地貌，还造成大量村庄搬迁，民房、交通、供水、供电、水利等基础设施被损毁，（图2～图5）。矿区周边居民人身、财产安全受到威胁，生活环境质量下降等影响，经济损失巨大。

矿山均为地下开采，采用全面陷落法管理顶板，开采相对集中、规模较大、时间跨度长，且为多层重复开采，形成大体积的采空区。矿山地下开采不仅直接破坏碎屑岩类（含煤岩系）含水岩组，并在其上部形成冒落带、碎裂带和弯曲下沉带，使上覆松散岩类含水层结构也遭到一定程度的破坏，改变地下水赋存条件，导致含水层之间的串通，引起地下水水质变化。

2.2 生态地质问题现状

在采矿过程当中产生大量采空区，导致顶部岩层失去支撑，在自重作用下发生弯曲、张裂、冒落，并在地表形成塌陷坑或塌陷洼地，进而形成积水区。严重破坏各种建筑设施和土地资源[11-14]。

（1）煤炭资源地下开采造成采空区地面塌陷（采空塌陷）、毁损、占用土地资源尤其是耕地资源，毁损植被资源，毁损地形地貌景观，破坏土壤及微生物环境，存在耕地退化现象，破坏耕地生态系统，严重影响生态地质环境。

（2）地下开采直接破坏煤系地层及上覆地层的地下水含水层，矿井大量疏排抽采地下水间接引发区域地下水水力坡度变化、地下水流场改变、地下水水质变化和浅层地下水资源衰减或枯竭，严重影响生态地质环境。

（3）矿山废水（矿坑水、选矿水、洗矿水）、化工废弃物（废水）的排放，矿山废弃物（废土石、煤矸石）、火电和煤化工废弃物（粉煤灰、化工废渣、废料）堆放产生的淋滤液，致使地表水水质、地下水水质和土壤质量发生变化甚至污染，严重影响生态地质环境。

2.2.1地表水

根据数据分析，采煤沉陷区水质超标的项目主要有硝酸盐、汞、高锰酸钾指数、氟化物、化学需氧量（COD）和五日生化需氧量（BOD）。详见表2。

2.2.2地下水（浅层）

淮北市城市调查区内浅层孔隙水25件水样中，Ⅴ类水质7件，占28%，Ⅳ类水质13件，占52%，Ⅲ类水质5件，占20%。Ⅳ-Ⅴ类占水80%，大多数机（民）井水不能直接作为生活饮用水。

2.2.3土壤

淮北市境内东北部是剥蚀残丘地带，其余为平原。平原中部有一条东西向的古隋堤，其余为近代黄泛平原，其南为河间低洼平原，地下水位高，能参与土壤的形成过程。采煤沉陷区范围内土壤共划分为五个土类，分别是砂姜黑土、潮土、棕壤土、黑色石灰土、红色石灰土，土壤类型比较复杂，区域分布表现较明显，分布位置详见图6。

（1）砂姜黑土

分布于古隋堤以南的河间平原地区，系由黄土性古河流沉积物所发育，质地中壤粘土，为古老耕地土壤，面积84.97 km²，占土地面积的30.40%。

（2）潮土分布

于古隋堤及其以北的黄泛平原地区和浍河沿岸，系由近代黄泛沉积物所发育，具有强蚀性，其中一部分有盐化、碱化现象。按距泛滥河床的远近，依次分布为砂质、壤质、粘质土壤。面积192.76 km²，占土地面积的68.96%。

（3）棕壤

棕壤是境内唯一的地带性土壤，分布在石灰岩残丘外围缓坡地带，系由古河阶地上黄土性沉积物所发育。面积0.06 km²，占土地面积的0.01%。

（4）黑色石灰土分布于石灰岩残丘中、上部，系由石灰岩残积物所发育。所处地区石骨嶙峋，侵蚀严重，土层浅薄，系非耕作土壤。面积0.92 km²，占土地面积的0.33%。

（5）红色石灰土分布于石灰岩残丘的山麓地带，系由石灰岩残积、坡积物发育。面积0.83 km²，占土地面积的0.30%。

2.2.4土地盐碱化问题

杜集区采煤沉降治理区复垦后，土地盐碱化问题严重，土壤肥力下降，农作物产量下降。

3 采煤沉陷区生态地质问题发展趋势分析

3.1 生态地质问题分区

根据淮北市采煤矿山分布、沉陷区集中连片及现状治理情况，可将工作区生态地质问题分区分为淮北市北部闸河矿区生态地质修复工作评价区、淮北市南部临涣矿区生态地质问题调查区2个分区。

（1）淮北市北部闸河矿区生态地质问题区

该区内生态地质问题主要为采空塌陷损毁土地、植被资源和地形地貌景观。采煤沉陷区总面积194.79 km²，现状大部分地区已完成生态修复工作，修复面积122.69 km²，修复工作方法主要为挖深垫浅，深部沉陷区小范围的修复为鱼塘，大范围的修复为湖泊建设湿地生态公园，浅部沉陷区复垦为耕地[15-17]。

共涉及35个矿业权，其中有关闭矿山32个，生产矿山3个。生产矿山分别是张庄煤矿、朱庄煤矿和恒源煤矿，其中张庄煤矿、朱庄煤矿资源已枯竭，预计2025 年之前关闭。本区第四系厚度较薄，介于20～150 m，大部分缺失三含、四含含水层。二叠系砂岩裂隙水和石炭系灰岩岩溶裂隙水为矿坑水的主要补给源，新生界浅层孔隙水对矿床充水影响较小。

（2）淮北市南部临涣矿区生态地质问题区该区

内生态地质问题主要为采空塌陷损毁土地、毁损植被资源、毁损地形地貌景观。采煤沉陷区总面积83.75 km²，现状仅小部分地区完成生态修复工作，修复面积15.86 km²，修复工作方法主要为挖深垫浅，大范围沉陷区治理成湖泊，部分湖面布设光伏发电，浅部沉陷区复垦为耕地[18]。

淮北市南部临涣矿区共计12个矿业权，海孜煤矿大井于2016年关闭，西部井正在生产，其余11个矿山正在生产。随着矿山继续开采，影响面积逐步扩大，生态地质问题逐步加剧。本区第四系厚度较厚，达220～380 m，其三含、四含为本区煤系地层的间接充水含水层。由于本区新生界地层包含三个隔水性能较好的隔水层，因此，矿山抽排矿坑水仅影响到与开采煤系地层有水力联系的含水层，对浅层地下水资源影响不大。

3.2 生态地质问题发展趋势

（1）淮北市北部闸河矿区生态地质问题区

本区生产矿山仅张庄煤矿、朱庄煤矿和恒源煤矿，其中张庄煤矿、朱庄煤矿资源已枯竭，预计2025年之前关闭。随着矿山关闭，采煤沉陷区范围逐步稳定，目前治理区面积占采煤沉陷区面积的62.99%，随着治理工作逐步推进，因采煤沉陷造成的生态地质问题逐步减轻。

（2）淮北市南部临涣矿区生态地质问题区

该地区受采煤塌陷影响，土壤类型和微地貌变化大，地下水―地表水交互作用强，生态地质条件变化大，且矿山正在生产，采煤沉陷区范围逐步扩大，生态地质问题逐步加剧。

4 调查方法和综合评价

4.1 调查方法

以往工作的研究分别从基础地质、水工环地质、遥感地质、生态地质问题及生态修复等方面进行研究，多数是研究淮北矿区采矿活动引发的土地损毁，植被破坏，地形地貌的损毁，水、土污染等问题。为本次工作开采奠定了扎实的基础，但这些研究不够全面，且不够深入，也未从生态地质角度对淮北市采煤塌陷区生态地质问题类型、分布及发展趋势进行全面研究；未全面系统性地对采煤塌陷区生态地质进行综合评价，亦未开展生态脆弱地质性评价[19-21]。

本次针对采煤塌陷区所造成的生态地质环境问题进行系统的调查研究，首先通过多期多幅遥感影像对比分析，了解采煤沉陷区形成及发展过程；其次通过地面调查，对不同地形地貌（河漫滩―泛滥高低―扇形洼地―河间洼地―河间平地）、不同植被类型（水生植被―草本沼泽―农业植被），不同成土母质（近代黄泛沉积物、黄土性古河流沉积物）、不同土壤类型区（砂姜黑土―潮土）、不同地下水埋深区及地下水―地表水交互作用强，生态地质条件变化大的区域详细调查，分析生态地质问题现状及发展趋势；然后进行水文地质试验―渗水试验，为获取包气带渗透系数，分析地表入渗能力，从而明确污染源污染半径；最后通过采样测试分析，分别采取土壤、成土母质、地下水、地表水、底泥样、植物样、生物样，通过各种样品所含元素对比分析，了解元素的交换和循环过程。结合上述调查成果可以为提高生态系统与地质环境相互作用认知程度，提出国土空间利用与生态系统保护修复的合理化建议提供可靠依据。

4.2 综合评价

4.2.1采煤沉陷区积水溯源评价

淮北市采煤沉陷区积水区水源主要来源于大气降水、浅层地下水汇集和矿坑排水三个方面，根据水土测试分析结果，对采煤沉陷区水源进行溯源分析，以确定其污染来源及防治措施，为生态保护修复建设提供依据。

4.2.2北部闸河矿区治理效果评价

北部闸河矿区属于资源枯竭型区域，仅张庄煤矿、朱庄煤矿和恒源煤矿为生产矿山，张庄煤矿和朱庄煤矿预计2025年关闭，其余矿山均已关闭，大部分区域已治理，分别对已治理区和未治理区土壤取样，并通过测试数据、生物取样测试数据、植被测试数据、水测试数据结果及遥感解译数据进行对比分析，对已治理区治理效果进行评价。对采煤沉陷区国土空间利用和后期生态保护修复提出建议。

4.2.3南部临涣矿区生态问题发展评价

南部临涣矿区各矿山均处于生产状态，煤炭资源丰富，后续开采时间长，已治理区域范围小，采煤沉陷区范围逐步扩大，生态问题区域逐步增加，基于本区水土测试结果及遥感解译成果，结合历史数据分析，预测生态地质问题发展趋势，对国土空间利用和后期生态保护修复提出建议。

5 结论

基于土地利用植被覆盖类型的多期遥感解译结果，分析沉陷生态地质问题演化规律，构建淮北市采煤沉陷区生态地质分区评价体系。以定性方法为主，开展区域生态地质分区评价，指出每个分区生态地质特征、存在主要问题并为区域国土空间利用与生态保护修复建议提供基数依据。

（1）通过采煤沉陷区积水溯源分析，明确积水来源，对有污染的源头水进行处理后排放。

（2）通过对北部闸河矿区治理效果评价，明确采煤沉陷区的形成过程，对已治理区内治理方法、效果、生态环境恢复情况进行评价，从而为后期采煤沉陷区治理及全区生态环境恢复提供经验及基础数据。

（3）通过对南部临涣矿区生态问题开展评价，预测采煤沉陷区发展情况，对国土空间规划的影响程度，从而减轻采煤矿山引起的生态地质问题。