采煤沉陷對耕地的影響規(guī)律及其綜合復墾技術(shù)研究

1、立項背景 礦產(chǎn)資源的開采在為國民經(jīng)濟發(fā)展提供原料和能源的同時，也造成了生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞，其中對土地生態(tài)系統(tǒng)的破壞最為嚴重、直接。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國累計采煤塌陷地40萬公頃，每年還以2-2.67萬公頃的速度遞增。在華東高潛水位平原礦區(qū)塌陷地中有85%以上為可耕地，大面積的耕地破壞（或退化），使得礦區(qū)耕地資源嚴重不足，礦區(qū)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境也遭到了嚴重影響，破壞了礦區(qū)人民原有的生產(chǎn)生活條件，阻礙了礦區(qū)社會的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。 采礦驅(qū)動下耕地的演變與復墾在我國是一個嶄新的課題，有許多理論和技術(shù)問題急待解決，尤其在耕地演變機理、土地復墾與管理理論與技術(shù)等方面需要創(chuàng)新。 由于對開采沉陷造成的耕地資源的破壞規(guī)律和破壞程度沒有充分的認識，對受沉陷影響敏感的地區(qū)未在采前采取積極的措施給予保護，部分耕地資源將永遠失去其耕作條件和生產(chǎn)力水平，不得不改變其用地類型，使得耕地資源大量流失，嚴重地影響了礦區(qū)耕地的持續(xù)利用，對礦區(qū)農(nóng)民的生產(chǎn)生活環(huán)境造成了不可估量的經(jīng)濟和生態(tài)損失。對于已受采動影響的耕地資源，分析其開采前后以及開采過程中耕地質(zhì)量的變化，是合理選擇復墾方向的重要依據(jù)。同時耕地破壞狀況決定于地質(zhì)采礦條件，所以分析開采沉陷影響因素與耕地破壞之間的關(guān)系，將有助于礦井開采的合理設(shè)計，避免對沉陷影響敏感的耕地造成難以恢復的破壞性影響。 盡管我國已在一些礦區(qū)進行了復墾的探索，但由于重工程實踐，輕理論研究，且技術(shù)較單一，許多技術(shù)尚未進行理論加工和革新，致使治理效益低、推廣困難。本項目的在研究開采沉陷對耕地的破壞機理、破壞規(guī)律和沉陷地破壞程度的分類方法，提出其復墾對策，在理論上將進一步豐富和完善土地復墾學的內(nèi)容體系，在實踐上將有助于從根本上實現(xiàn)煤礦開采與土地復墾的有機結(jié)合，最大限度地保護耕地資源和生態(tài)環(huán)境，促進礦區(qū)社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展。本研究為進一步進行其它類型沉陷區(qū)耕地破壞的理論基礎(chǔ)研究和指導今后土地復墾工作具有重要的科學意義和現(xiàn)實意義。 2. 主要科學技術(shù)內(nèi)容 本項目屬于礦區(qū)環(huán)境與土地復墾研究。采煤沉陷對耕地的破壞規(guī)律及復墾技術(shù)，對實現(xiàn)礦區(qū)耕地動態(tài)平衡、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 本項目研究基于國家自然科學基金項目 “開采沉陷對耕地的破壞機理及復墾對策研究”（49401007）和“礦山復墾土壤重構(gòu)的理論和方法”（49701010）以及若干橫向課題，對開采沉陷對耕地的破壞機理、采煤沉陷地土壤重構(gòu)方法與技術(shù)工藝、土地復墾的管理與技術(shù)模式等進行了系統(tǒng)研究與應用推廣。主要科學技術(shù)內(nèi)容如下： （1）初步探明采礦沉陷耕地生產(chǎn)力的下降機理和對耕地破壞規(guī)律，揭示了地表裂縫發(fā)育和分布規(guī)律，提出了塌陷土地復墾管理的基本理論和一般模式；闡述了企業(yè)參與復墾的必要性和特點，提出了“企業(yè)參與復墾的基本模式”和企業(yè)復墾項目管理辦法與操作程序，在國內(nèi)尚屬首次；詳細論述了皖北煤電公司兩種實用的土地復墾管理模式的概念、操作管理方法和適用條件；提出了“參與型土地復墾”的概念與方法。提出了土地復墾規(guī)劃設(shè)計的一般程序和方法，創(chuàng)造性地提出了企業(yè)土地復墾規(guī)劃設(shè)計的內(nèi)容、技術(shù)要求，填補了國內(nèi)空白;同時提出了3維可視化規(guī)劃設(shè)計技術(shù)。 （2）首次提出了土壤重構(gòu)原理與方法并創(chuàng)立其數(shù)學模型，成為土地復墾獨特理論；提出并闡述了復墾土壤重構(gòu)概念，界定了土壤重構(gòu)的內(nèi)涵，并對土壤重構(gòu)進行了分類；提出采礦工藝與復墾土壤重構(gòu)有機結(jié)合的土壤剖面重構(gòu)方法與技術(shù)工藝，更好地體現(xiàn)了礦山開采工藝與土壤重構(gòu)工藝有機結(jié)合。 （3）根據(jù)不同的塌陷地自然條件探索出四種實用的工程復墾技術(shù)，揭示了泥漿泵和鏟運機兩種復墾技術(shù)所構(gòu)成的新土壤的特征，指出了各自存在的問題和解決途徑，為復墾工藝的革新和復墾土壤改良指明了方向。革新了沉陷地泥漿泵“挖深墊淺”復墾重構(gòu)技術(shù)工藝，提出了拖式鏟運機沉陷地土壤重構(gòu)技術(shù)工藝，從而可以更為快速地重構(gòu)出高質(zhì)量的復墾土壤。論述了生態(tài)工程復墾的概念、基本原理，礦區(qū)生態(tài)復墾設(shè)計和礦區(qū)土地復墾的生態(tài)意義。 3.主要研究成果 （1）首次從宏觀和微觀兩方面揭示采煤驅(qū)動下耕地演變機理與規(guī)律；揭示開采沉陷導致的農(nóng)田地表裂縫分布規(guī)律和土壤質(zhì)量的演變規(guī)律。 （2）首次提出了土壤重構(gòu)原理與方法并創(chuàng)立其數(shù)學模型，成為土地復墾的獨特理論基礎(chǔ)。 （3）提出了采煤沉陷地復墾的綜合技術(shù)：提出了復墾的綜合技術(shù)體系，包括管理、規(guī)劃、工程和生物四大技術(shù)；在采煤塌陷地耕地復墾技術(shù)上提出受損土地資源管理與復墾管理新模式、新穎的泥漿泵技術(shù)模式、拖式鏟運機復墾新技術(shù)和生態(tài)工程復墾技術(shù)以及重建效果（質(zhì)量）驗收評價的關(guān)鍵技術(shù)問題如揭示復墾土壤特征、創(chuàng)立評價復墾土壤生產(chǎn)力的“模糊PI模型”，充填復墾的環(huán)境風險分析。 （4）提出了采煤沉陷地復墾規(guī)劃設(shè)計方法和3維可視化規(guī)劃設(shè)計技術(shù)。 （5）技術(shù)得到了推廣應用且效益顯著。 4. 與當前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較 土地復墾是新興的交叉學科，我國土地復墾起步晚、空白點較多。本項目與國內(nèi)外研究相比有以下特點： （1）本項目設(shè)計了定位農(nóng)業(yè)試驗點，并進行了不同沉陷時間、不同沉陷部位連續(xù)三年的取樣分析，揭示了高潛水位平原地區(qū)沉陷耕地生產(chǎn)力下降機理，在國內(nèi)尚屬首次。在取樣的農(nóng)業(yè)定位試驗點設(shè)計上也有獨到之處。 （2）國外從產(chǎn)量和經(jīng)濟影響上探討了開采沉陷對耕地的影響，但未從耕地破壞的內(nèi)在因素及破壞的土壤特性上加以研究。本項目將開采沉陷學的理論與土壤實測分析相結(jié)合，從而得出了許多新的規(guī)律和結(jié)論。 （3）本項目在沉陷耕地農(nóng)業(yè)定位試驗點的選擇、沉陷耕地景觀破壞特征與規(guī)律、土壤特性的時間、空間變化規(guī)律、地表裂縫發(fā)育與分布規(guī)律、沉陷耕地資源管理與復墾模式、泥漿泵復墾工藝及其經(jīng)濟評價方法等方面得出了一系列的結(jié)論，較國內(nèi)外同類研究更系統(tǒng)和深入。 （4）地表裂縫發(fā)育與分布規(guī)律，特別是計算裂縫寬度和深度公式在國內(nèi)外屬首次提出。 （5）土壤重構(gòu)是土地生態(tài)系統(tǒng)綜合整治的核心問題，但理論研究較少, 本項目提出了土壤重構(gòu)原理和數(shù)學模型（公式）,在國內(nèi)外尚屬首次，并在泥漿泵復墾工藝中予以應用。 (6)首次系統(tǒng)提出采煤沉陷地復墾的綜合技術(shù)體系(包括管理、規(guī)劃、工程和生物技術(shù))，為高效、低成本的恢復治理奠定了基礎(chǔ)，有實用價值。 (7) 國外側(cè)重于露天礦復墾，采煤塌陷地復墾較薄弱,而我國的采煤塌陷地復墾往往注重工程實踐，理論加工和革新不足。 （8）3維可視化規(guī)劃設(shè)計技術(shù)也是國內(nèi)外前沿性課題。本項目在這一領(lǐng)域有諸多創(chuàng)新如受損土地資源管理與復墾管理新模式、新穎的泥漿泵技術(shù)模式、拖式鏟運機復墾新技術(shù)和生態(tài)工程復墾技術(shù)，而且應用效果好。 5. 成果應用與效益 本研究成果在河南、安徽、山東和江蘇的推廣應用中，成功復墾3萬余畝采煤塌陷地，解決了10000多人的就業(yè)，獲得7億元的經(jīng)濟效益，使昔日雜草叢生的礦山廢棄地變成了良田或得到再利用，使無地少地農(nóng)民通過土地復墾改善了生活、逐步走向小康。取得了顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。 6.推動科技進步的意義 礦產(chǎn)資源的開采在為國民經(jīng)濟發(fā)展提供原料和能源的同時，也造成了生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞，其中對耕地生態(tài)系統(tǒng)的破壞是最嚴重的。加強煤礦區(qū)以耕地為中心的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)演變規(guī)律的研究，實施科學有效的土地復墾、整治與利用，優(yōu)化礦區(qū)農(nóng)田景觀生態(tài)系統(tǒng)，改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，對礦區(qū)或工礦城市的可持續(xù)發(fā)展具有重大的深遠意義。 該研究項目針對土地復墾這一多學科的交叉問題，開創(chuàng)性地綜合運用土地學、土壤學、生態(tài)學、采礦工程學等理論與方法，進行煤礦沉陷耕地影響規(guī)律的動態(tài)監(jiān)測以及綜合復墾技術(shù)的研究。將多科技手段進行綜合，宏觀與微觀結(jié)合，成果顯著。因此，該項目成果豐富和完善了土地復墾學的理論和技術(shù)，并有很大的實用價值，對煤礦區(qū)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展以及國家有關(guān)土地復墾與生態(tài)重建的法規(guī)的建立與完善都起到了積極的推動作用。 2100433B

煤炭開采對生態(tài)的影響主要有兩個方面:①是煤礦生產(chǎn)排污對生態(tài)環(huán)境的影響，主要表現(xiàn)為廢氣、廢水、廢渣排放對生態(tài)的影響，即污染生態(tài)影響;②是煤炭開采引起的地表沉陷對生態(tài)環(huán)境的直接破壞，即非污染生態(tài)影響。地表沉陷是地下采動破壞發(fā)育到地表的一種表現(xiàn)形式。在沉陷過程中，地表高度、坡度、水平位置發(fā)生變化。因此，對位于沉陷影響范圍內(nèi)的地下水、土地、植被、建(構(gòu))筑物等都將受到不同程度的影響。

(1)開采沉陷對土地資源的影響

采煤沉陷使地表變形，形成地表移動盆地，產(chǎn)生地裂縫和塌陷坑，破壞了原有的地表形態(tài)。地表坡度的變化，使原有的徑流發(fā)生改變，坡度大徑流量大，引起的水土流失和土壤侵蝕也越嚴重。地表裂縫的產(chǎn)生，地表水與地下水向深部滲漏，使?jié)撍幌陆?，導致土壤濕度減小，土地變得更加干燥。同時，土壤中的營養(yǎng)元素也會隨著裂隙、地表徑流流入采空區(qū)或洼地，造成許多地

方土壤養(yǎng)分短缺，土地承載力下降。另外，當沉陷深度超過該區(qū)地表潛水位時，土地受淹而常年積水，處于沉陷邊坡區(qū)域的土地，易發(fā)生鹽漬化，造成土地質(zhì)量退化。

(2)開采沉陷對植物的影響

地表大面積塌陷，影響植物的生長發(fā)育，甚至造成綠色植物的大幅度的減少。土地塌陷對植物的影響情況與礦區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)、區(qū)域氣候、地下潛水位高低等自然要素和采礦條件有關(guān)，可按地形、地貌和潛水位高低大致劃分為4個影響區(qū)類:

a.高潛水位的平原礦區(qū)。通常高潛水位平原礦區(qū)地面沉陷后，地表會出現(xiàn)積水。位于常年積水區(qū)的土地不能耕種，綠色植物大幅度減少;位于季節(jié)性積水的土地會減少種植茬數(shù)或造成嚴重減產(chǎn)。

b.低潛水位的平原礦區(qū)。在潛水位較低的平原礦區(qū)，由于開采沉陷使地勢變低和抬高潛水位，一方面在雨季很容易出現(xiàn)洪澇，使土地沼澤化;另一方面，在旱季潛水蒸發(fā)變得強烈，地下水易于攜帶鹽分上升到地表，使土地鹽堿化。土地出現(xiàn)沼澤化和鹽堿化，使作物生長明顯受到抑制，在一些重鹽堿土上甚至寸草不生。在草原地帶，由于潛水位上升影響牧草的生長發(fā)育，積水區(qū)會變成沼澤地，使牧草絕產(chǎn)。

c.丘陵礦區(qū)。在丘陵地區(qū)，當?shù)叵麻_采使地表上凸部分下沉時，將減小地面凸凹不平的程度，有利于植物生長;當?shù)叵麻_采使地表下凹部分下沉時，將增大地面的凸凹不平的程度，不利于植物生長;另外，在干旱的丘陵地區(qū)，如果地下開采引起地表裂縫發(fā)育，將使地表水易于流失，土壤變得更為干燥，亦會影響植物的生長。

d.山區(qū)礦區(qū)。在山區(qū)，開采沉陷對植物的影響情況主要與區(qū)域氣候和地質(zhì)條件有關(guān)。一般情況下，山區(qū)開采沉陷對植物影響不大。但在某些干旱的山區(qū)，由于開采沉陷引起的地表裂縫、臺階、塌陷坑、滑坡等破壞形式，地表水流失嚴重，土壤微氣候變得更為干燥，土地更容易被風、水等侵蝕，也嚴重影響植物生長，造成農(nóng)作物減產(chǎn)。

(3)開采沉陷對水資源的影響

一方面由于開采沉陷，地表出現(xiàn)下沉、裂縫、塌陷坑等破壞形式，這些破壞在一定程度上改變了地面降水的徑流與匯水條件，使地表水通過裂縫滲入地下，引起河流水系的流量減少，嚴重時地表水系甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象;另一方面沉陷過程中，煤系上覆巖層受到破壞，巖層裂隙增多，煤系上覆巖層的含水層在水位和流向上受到干擾，地下水沿著發(fā)育的裂隙加速向采空區(qū)或深部巖體滲漏，使水位降低，嚴重時導致地下水疏干，井泉干涸。由于水源的破壞，直接影響到礦區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和居民生活用水。

(4)開采沉陷對地表建(構(gòu))筑物的影響

沉陷對地表建(構(gòu))筑物的影響，一般有以下幾種情況:

a.地表大面積、平緩、均勻的下沉和水平移動，一般對建筑物影響不大，但當下沉量很大而地下潛水位又很高時，由于沉陷后盆地積水很深，排水困難，將使建筑物長期浸泡在水中而導致破壞;

b.地表傾斜使采動影響范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生歪斜，會使管道、公路和鐵路的坡度改變。道路坡度的變化使車輛的運行阻力增大或減小，以致交通事故增加;

c.地表曲率變化破壞建筑物基礎(chǔ);

d.水平變形使建筑物表面產(chǎn)生裂縫，使地下管道被拉斷，公路路面開裂，鐵路的軌距和軌縫等發(fā)生變化。

除以上影響之外，開采沉陷有可能對野生動物也產(chǎn)生一定影響。這是因為野生動物的生長繁殖要有適宜的環(huán)境條件，由于開采沉陷使礦區(qū)的自然景觀發(fā)生劇變，影響綠色植物的生長發(fā)育，改變了動物的棲息環(huán)境，因而，使一些野生動物由于不適應環(huán)境的變化或由于缺少食物而死亡或遷移。一般說來，開采沉陷會導致礦區(qū)原有野生動物的種群和數(shù)量下降。2100433B

在地表移動穩(wěn)定后或礦口開采完畢、沉陷區(qū)必須復墾，以恢復自然生態(tài)環(huán)境 。2100433B