采煤沉陷对耕地的影响规律及其综合复垦技术研究

1、立项背景 矿产资源的开采在为国民经济发展提供原料和能源的同时，也造成了生态环境的严重破坏，其中对土地生态系统的破坏最为严重、直接。据不完全统计，我国累计采煤塌陷地40万公顷，每年还以2-2.67万公顷的速度递增。在华东高潜水位平原矿区塌陷地中有85%以上为可耕地，大面积的耕地破坏（或退化），使得矿区耕地资源严重不足，矿区社会经济和生态环境也遭到了严重影响，破坏了矿区人民原有的生产生活条件，阻碍了矿区社会的持续稳定发展。 采矿驱动下耕地的演变与复垦在我国是一个崭新的课题，有许多理论和技术问题急待解决，尤其在耕地演变机理、土地复垦与管理理论与技术等方面需要创新。 由于对开采沉陷造成的耕地资源的破坏规律和破坏程度没有充分的认识，对受沉陷影响敏感的地区未在采前采取积极的措施给予保护，部分耕地资源将永远失去其耕作条件和生产力水平，不得不改变其用地类型，使得耕地资源大量流失，严重地影响了矿区耕地的持续利用，对矿区农民的生产生活环境造成了不可估量的经济和生态损失。对于已受采动影响的耕地资源，分析其开采前后以及开采过程中耕地质量的变化，是合理选择复垦方向的重要依据。同时耕地破坏状况决定于地质采矿条件，所以分析开采沉陷影响因素与耕地破坏之间的关系，将有助于矿井开采的合理设计，避免对沉陷影响敏感的耕地造成难以恢复的破坏性影响。 尽管我国已在一些矿区进行了复垦的探索，但由于重工程实践，轻理论研究，且技术较单一，许多技术尚未进行理论加工和革新，致使治理效益低、推广困难。本项目的在研究开采沉陷对耕地的破坏机理、破坏规律和沉陷地破坏程度的分类方法，提出其复垦对策，在理论上将进一步丰富和完善土地复垦学的内容体系，在实践上将有助于从根本上实现煤矿开采与土地复垦的有机结合，最大限度地保护耕地资源和生态环境，促进矿区社会经济、生态环境持续发展。本研究为进一步进行其它类型沉陷区耕地破坏的理论基础研究和指导今后土地复垦工作具有重要的科学意义和现实意义。 2. 主要科学技术内容 本项目属于矿区环境与土地复垦研究。采煤沉陷对耕地的破坏规律及复垦技术，对实现矿区耕地动态平衡、改善矿区生态环境、实现矿区可持续发展具有重要意义。 本项目研究基于国家自然科学基金项目 “开采沉陷对耕地的破坏机理及复垦对策研究”（49401007）和“矿山复垦土壤重构的理论和方法”（49701010）以及若干横向课题，对开采沉陷对耕地的破坏机理、采煤沉陷地土壤重构方法与技术工艺、土地复垦的管理与技术模式等进行了系统研究与应用推广。主要科学技术内容如下： （1）初步探明采矿沉陷耕地生产力的下降机理和对耕地破坏规律，揭示了地表裂缝发育和分布规律，提出了塌陷土地复垦管理的基本理论和一般模式；阐述了企业参与复垦的必要性和特点，提出了“企业参与复垦的基本模式”和企业复垦项目管理办法与操作程序，在国内尚属首次；详细论述了皖北煤电公司两种实用的土地复垦管理模式的概念、操作管理方法和适用条件；提出了“参与型土地复垦”的概念与方法。提出了土地复垦规划设计的一般程序和方法，创造性地提出了企业土地复垦规划设计的内容、技术要求，填补了国内空白;同时提出了3维可视化规划设计技术。 （2）首次提出了土壤重构原理与方法并创立其数学模型，成为土地复垦独特理论；提出并阐述了复垦土壤重构概念，界定了土壤重构的内涵，并对土壤重构进行了分类；提出采矿工艺与复垦土壤重构有机结合的土壤剖面重构方法与技术工艺，更好地体现了矿山开采工艺与土壤重构工艺有机结合。 （3）根据不同的塌陷地自然条件探索出四种实用的工程复垦技术，揭示了泥浆泵和铲运机两种复垦技术所构成的新土壤的特征，指出了各自存在的问题和解决途径，为复垦工艺的革新和复垦土壤改良指明了方向。革新了沉陷地泥浆泵“挖深垫浅”复垦重构技术工艺，提出了拖式铲运机沉陷地土壤重构技术工艺，从而可以更为快速地重构出高质量的复垦土壤。论述了生态工程复垦的概念、基本原理，矿区生态复垦设计和矿区土地复垦的生态意义。 3.主要研究成果 （1）首次从宏观和微观两方面揭示采煤驱动下耕地演变机理与规律；揭示开采沉陷导致的农田地表裂缝分布规律和土壤质量的演变规律。 （2）首次提出了土壤重构原理与方法并创立其数学模型，成为土地复垦的独特理论基础。 （3）提出了采煤沉陷地复垦的综合技术：提出了复垦的综合技术体系，包括管理、规划、工程和生物四大技术；在采煤塌陷地耕地复垦技术上提出受损土地资源管理与复垦管理新模式、新颖的泥浆泵技术模式、拖式铲运机复垦新技术和生态工程复垦技术以及重建效果（质量）验收评价的关键技术问题如揭示复垦土壤特征、创立评价复垦土壤生产力的“模糊PI模型”，充填复垦的环境风险分析。 （4）提出了采煤沉陷地复垦规划设计方法和3维可视化规划设计技术。 （5）技术得到了推广应用且效益显著。 4. 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较 土地复垦是新兴的交叉学科，我国土地复垦起步晚、空白点较多。本项目与国内外研究相比有以下特点： （1）本项目设计了定位农业试验点，并进行了不同沉陷时间、不同沉陷部位连续三年的取样分析，揭示了高潜水位平原地区沉陷耕地生产力下降机理，在国内尚属首次。在取样的农业定位试验点设计上也有独到之处。 （2）国外从产量和经济影响上探讨了开采沉陷对耕地的影响，但未从耕地破坏的内在因素及破坏的土壤特性上加以研究。本项目将开采沉陷学的理论与土壤实测分析相结合，从而得出了许多新的规律和结论。 （3）本项目在沉陷耕地农业定位试验点的选择、沉陷耕地景观破坏特征与规律、土壤特性的时间、空间变化规律、地表裂缝发育与分布规律、沉陷耕地资源管理与复垦模式、泥浆泵复垦工艺及其经济评价方法等方面得出了一系列的结论，较国内外同类研究更系统和深入。 （4）地表裂缝发育与分布规律，特别是计算裂缝宽度和深度公式在国内外属首次提出。 （5）土壤重构是土地生态系统综合整治的核心问题，但理论研究较少, 本项目提出了土壤重构原理和数学模型（公式）,在国内外尚属首次，并在泥浆泵复垦工艺中予以应用。 (6)首次系统提出采煤沉陷地复垦的综合技术体系(包括管理、规划、工程和生物技术)，为高效、低成本的恢复治理奠定了基础，有实用价值。 (7) 国外侧重于露天矿复垦，采煤塌陷地复垦较薄弱,而我国的采煤塌陷地复垦往往注重工程实践，理论加工和革新不足。 （8）3维可视化规划设计技术也是国内外前沿性课题。本项目在这一领域有诸多创新如受损土地资源管理与复垦管理新模式、新颖的泥浆泵技术模式、拖式铲运机复垦新技术和生态工程复垦技术，而且应用效果好。 5. 成果应用与效益 本研究成果在河南、安徽、山东和江苏的推广应用中，成功复垦3万余亩采煤塌陷地，解决了10000多人的就业，获得7亿元的经济效益，使昔日杂草丛生的矿山废弃地变成了良田或得到再利用，使无地少地农民通过土地复垦改善了生活、逐步走向小康。取得了显著的经济、社会和环境效益。 6.推动科技进步的意义 矿产资源的开采在为国民经济发展提供原料和能源的同时，也造成了生态环境的严重破坏，其中对耕地生态系统的破坏是最严重的。加强煤矿区以耕地为中心的生态环境系统演变规律的研究，实施科学有效的土地复垦、整治与利用，优化矿区农田景观生态系统，改善矿区的生态环境质量，对矿区或工矿城市的可持续发展具有重大的深远意义。 该研究项目针对土地复垦这一多学科的交叉问题，开创性地综合运用土地学、土壤学、生态学、采矿工程学等理论与方法，进行煤矿沉陷耕地影响规律的动态监测以及综合复垦技术的研究。将多科技手段进行综合，宏观与微观结合，成果显著。因此，该项目成果丰富和完善了土地复垦学的理论和技术，并有很大的实用价值，对煤矿区环境保护和可持续发展以及国家有关土地复垦与生态重建的法规的建立与完善都起到了积极的推动作用。 2100433B

煤炭开采对生态的影响主要有两个方面:①是煤矿生产排污对生态环境的影响，主要表现为废气、废水、废渣排放对生态的影响，即污染生态影响;②是煤炭开采引起的地表沉陷对生态环境的直接破坏，即非污染生态影响。地表沉陷是地下采动破坏发育到地表的一种表现形式。在沉陷过程中，地表高度、坡度、水平位置发生变化。因此，对位于沉陷影响范围内的地下水、土地、植被、建(构)筑物等都将受到不同程度的影响。

(1)开采沉陷对土地资源的影响

采煤沉陷使地表变形，形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑，破坏了原有的地表形态。地表坡度的变化，使原有的径流发生改变，坡度大径流量大，引起的水土流失和土壤侵蚀也越严重。地表裂缝的产生，地表水与地下水向深部渗漏，使潜水位下降，导致土壤湿度减小，土地变得更加干燥。同时，土壤中的营养元素也会随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地，造成许多地

方土壤养分短缺，土地承载力下降。另外，当沉陷深度超过该区地表潜水位时，土地受淹而常年积水，处于沉陷边坡区域的土地，易发生盐渍化，造成土地质量退化。

(2)开采沉陷对植物的影响

地表大面积塌陷，影响植物的生长发育，甚至造成绿色植物的大幅度的减少。土地塌陷对植物的影响情况与矿区的地形、地貌、地质、区域气候、地下潜水位高低等自然要素和采矿条件有关，可按地形、地貌和潜水位高低大致划分为4个影响区类:

a.高潜水位的平原矿区。通常高潜水位平原矿区地面沉陷后，地表会出现积水。位于常年积水区的土地不能耕种，绿色植物大幅度减少;位于季节性积水的土地会减少种植茬数或造成严重减产。

b.低潜水位的平原矿区。在潜水位较低的平原矿区，由于开采沉陷使地势变低和抬高潜水位，一方面在雨季很容易出现洪涝，使土地沼泽化;另一方面，在旱季潜水蒸发变得强烈，地下水易于携带盐分上升到地表，使土地盐碱化。土地出现沼泽化和盐碱化，使作物生长明显受到抑制，在一些重盐碱土上甚至寸草不生。在草原地带，由于潜水位上升影响牧草的生长发育，积水区会变成沼泽地，使牧草绝产。

c.丘陵矿区。在丘陵地区，当地下开采使地表上凸部分下沉时，将减小地面凸凹不平的程度，有利于植物生长;当地下开采使地表下凹部分下沉时，将增大地面的凸凹不平的程度，不利于植物生长;另外，在干旱的丘陵地区，如果地下开采引起地表裂缝发育，将使地表水易于流失，土壤变得更为干燥，亦会影响植物的生长。

d.山区矿区。在山区，开采沉陷对植物的影响情况主要与区域气候和地质条件有关。一般情况下，山区开采沉陷对植物影响不大。但在某些干旱的山区，由于开采沉陷引起的地表裂缝、台阶、塌陷坑、滑坡等破坏形式，地表水流失严重，土壤微气候变得更为干燥，土地更容易被风、水等侵蚀，也严重影响植物生长，造成农作物减产。

(3)开采沉陷对水资源的影响

一方面由于开采沉陷，地表出现下沉、裂缝、塌陷坑等破坏形式，这些破坏在一定程度上改变了地面降水的径流与汇水条件，使地表水通过裂缝渗入地下，引起河流水系的流量减少，严重时地表水系甚至出现断流现象;另一方面沉陷过程中，煤系上覆岩层受到破坏，岩层裂隙增多，煤系上覆岩层的含水层在水位和流向上受到干扰，地下水沿着发育的裂隙加速向采空区或深部岩体渗漏，使水位降低，严重时导致地下水疏干，井泉干涸。由于水源的破坏，直接影响到矿区工农业生产用水和居民生活用水。

(4)开采沉陷对地表建(构)筑物的影响

沉陷对地表建(构)筑物的影响，一般有以下几种情况:

a.地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动，一般对建筑物影响不大，但当下沉量很大而地下潜水位又很高时，由于沉陷后盆地积水很深，排水困难，将使建筑物长期浸泡在水中而导致破坏;

b.地表倾斜使采动影响范围内的建(构)筑物产生歪斜，会使管道、公路和铁路的坡度改变。道路坡度的变化使车辆的运行阻力增大或减小，以致交通事故增加;

c.地表曲率变化破坏建筑物基础;

d.水平变形使建筑物表面产生裂缝，使地下管道被拉断，公路路面开裂，铁路的轨距和轨缝等发生变化。

除以上影响之外，开采沉陷有可能对野生动物也产生一定影响。这是因为野生动物的生长繁殖要有适宜的环境条件，由于开采沉陷使矿区的自然景观发生剧变，影响绿色植物的生长发育，改变了动物的栖息环境，因而，使一些野生动物由于不适应环境的变化或由于缺少食物而死亡或迁移。一般说来，开采沉陷会导致矿区原有野生动物的种群和数量下降。2100433B

在地表移动稳定后或矿口开采完毕、沉陷区必须复垦，以恢复自然生态环境 。2100433B