黄河流域煤矿生态修复技术研究现状及展望

周金余，李 平，张 贺

(中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 210031)

黄河流域是我国的能源流域，水能、煤炭、石油、天然气储量丰富，煤炭的产量和可采量位居全国首位，煤种齐全、煤质优良，涉及9个煤炭基地、85个国家规划煤炭矿区，煤炭资源富集。2018年底黄河流域煤炭查明储量占全国的45.25%，从上游青甘区到下游鲁西区共有煤矿1 563个，占全国煤矿总数的36%[1]。黄河流域的煤矿开发是全国能源安全供应的重要保障，但流域内煤炭的大规模开采形成大面积采空区，导致土地塌陷，产生大量地表裂隙，破坏植被、土壤、水资源，带来一系列生态问题。同时，黄河流域又是连接中上游两大高原和下游华北平原的生态廊道、我国重要的生态屏障，所以亟需因地制宜、分区施策，恢复黄河流域因煤炭开发而破坏的生态环境。

黄河流域煤炭开采区域主要涉及高寒草甸区、风积沙区、黄土区、冲积平原区四大地貌[2]，不同地貌区由于其独特的环境条件造成煤炭开发中多样的生态环境问题，全面梳理流域内已展开的各项治理技术及研究、分析不足、明确发展方向，是保障黄河流域生态安全和煤炭可持续开发的重要举措，也是实现黄河流域高质量发展的重大需求。

1 黄河流域煤矿区主要修复技术现状

1.1 高寒区

高寒区地处黄河源头，海拔高、温度低、干旱少雨，大规模露天开采严重破坏了当地的植被、土壤及冻土层，由于生态环境脆弱，植被恢复困难，相比中下游地区大面积客土进行土壤重构成本高、人工建植草种选择较少、冻融环境复杂，生态修复难度较大。该区生态修复多以自然修复为主，为了在短时间内取得良好的效果，需以人工干预手段为自然修复创造条件。多年来，对高寒煤矿区的生态修复技术研究主要集中在大通煤矿、木里煤矿等矿区，针对人工建植草种的选择栽培、表层土壤的恢复保护、冻土保护和冻岩土稳定性的维护等开展的大量科研工作，取得了丰富的成果。

高寒矿区植被生长缓慢、生长期短暂，筛选合适的草种进行人工建植是成功进行植被恢复的关键技术之一。杨鑫光等[3]通过分析典型人工栽培种的生理生化抗旱机制，筛选出冷地早熟禾和垂穗披碱草是高寒矿区矸石山恢复的适宜草种，采取抗寒措施、施肥、覆土等措施可加快恢复进程，从而得到木里矿区高效的植被修复措施。人工建植后进行抚育管理，并引导环境逐步过度到近自然生态系统，实现自稳定，可以降低维护成本[4]。露天开采不仅破坏地表植被，更重要的是破坏了植被赖以生长的土壤，人工创造利于植被生长的土壤环境，是保障生态修复成果的另一关键技术。通过研究直接人工建植、覆土后人工建植和施肥后人工建植对土壤的改良效果和植被的生长情况，王锐等[5]得到了10 cm为理想的覆土厚度，明确了施肥等措施对高寒区客土来源不足这一缺陷的有效弥补能力；郑元铭等[6]提出通过对煤矿剥离物施肥有利于重建植被生长基质。天峻义海公司通过在木里矿区的探索，实现了低成本、低覆土厚度、保证有苗率的渣山复绿技术。

高寒区独特的冻土环境在露天开采过程中的破坏及其冻融变化，破坏了植被和地表水系，导致滑坡等地质灾害的发生。张大春等[7]、王锐等[8]通过分析高寒区煤矿开采对环境的影响以及高寒环境对煤矿开采的制约性，提出了在煤矿开发过程中通过采取长期监测、合理规划开采强度、季节性采煤方法和湿地保护等措施对冻土环境进行保护。高寒区冻融条件也对露天煤矿开采过程中边坡的稳定性造成极大影响；杨幼清等[9]发现了排土场堆载高度与边坡安全系数的函数关系，可用于指导边坡变形的科学防治；徐拴海[10]通过多年对木里煤田冻岩边坡的监测发现了边坡稳定性的主导因素及评价方法，提出了边坡防护的有效措施；张宝龙等[11]设计边坡监测方案并开展试验，用于边坡安全预警，具有一定的合理性。

随着技术进步，开始利用遥感技术从空间角度监测评价煤炭开发对大通矿区、木里矿区生态环境变化的影响，以便于更好地进行矿区的开发规划和生态修复。此外，基于遥感等技术建立了大通煤矿地质环境治理监测示范工程，实现工程实施前中后的地质环境变化可视化[12]，通过采取一系列措施进行集中连片的综合治理，带动了资源枯竭城市大通县的重生，为高寒矿区的生态修复起到了良好的示范作用。

1.2 黄土区及风积沙区

黄土区面积辽阔，占黄河流域总面积的85%[2]，分布着我国陕北、晋北、晋中、晋东、黄陇五个煤炭基地；风积沙区生态环境恶劣，干燥少雨，拥有我国神东、宁东两大煤炭基地。这两个区域生态环境脆弱、水资源短缺，大规模煤炭开采加之煤炭下游企业的发展，大量消耗水资源的同时也会造成地表塌陷裂缝、地下水位下降，水土流失和荒漠化加剧，使脆弱的环境雪上加霜。采煤活动导致水、土、植被的动态平衡受损，为了恢复、保护生态环境，同时保障煤炭资源的可持续开采，众多专家学者针对水资源的保护和生态环境的修复在陕北、神东、宁东等地开展了的大量研究。

黄土区和风积沙区在煤炭开采过程中为了井下安全会大量抽排地下水，一方面造成水资源的严重浪费，另一方面也会对环境造成极大的破坏，所以有效保护和高效利用水资源极其重要。针对陕北浅埋煤层开采过程中出现的巷道冒顶、地下水位下降、生态及地质环境破坏等问题，范立民[13]提出了保水采煤观，众多学者从理论、技术、工程等方面对采空区地面变形[14]、导水裂隙带发育规律[15-16]、煤层覆岩结构划分[17]、保障植被正常生长水位的合理埋深[18]、含水层水量损失[19]、隔水层稳定性[20]等开展了一系列研究，搭建了有关导水裂隙和岩层破坏等的物理模拟实验平台[21-22]，提出了条带跳采[23]、充填保水采煤[24]、采充并行[25]等保护含水层和定向注浆[26]等再造隔水层的采煤方法，初步构建了分区分级的保水开采技术体系[27]，为实现煤炭绿色开采奠定了坚实的基础。

实现保水采煤除了保护水资源不受或少受破坏外，还要注意通过合理抽排和储存矿井水，使之回用于工农业发展用水、生活用水和生态用水，在防治水害的同时实现矿井水的高效利用，创造经济、生态和社会效益。要利用矿井水，首先要解决大量矿井外排水资源的储存问题，为了减少对地面的侵占和解决地面存储蒸发量过大的难题，神华集团构建了将地下采空区作为地下水存储空间的地下水库技术体系[28]，并利用地下水库进行矿井水地净化处理，在神东矿区成功开展了大量示范工程。同时，该区域煤炭开采过程中大量地下水流入矿坑导致矿井水硬度和矿化度变高，造成矿井水利用率低，在国家生态文明建设和地方对矿井水外排的高要求下，研发大规模低成本的处理技术有利于矿井水的充分利用。矿井水净化处理技术众多[29]，在西部地区利用其丰富的太阳能、地热和工业余热对矿井水进行膜蒸馏技术处理，可大大降低处理成本，实现井下处理、井下封存，在宁东地区已有试验基地，为西部矿区高矿化度矿井水的处理指明了方向[30]。

为了恢复因大规模露天开采和井工开采导致的生态环境问题，保护好植被赖以生存的水资源的同时，还要进行地表植被的重建和土壤的修复。郭洋楠等[31]提出该区生态修复要以植被修复为主，辅以工程措施，分别总结了黄土区和风沙区选取适应型植被和工程措施进行采煤沉陷区治理的技术；史沛丽等[32]指出采煤对土地的损毁主要包括地形地貌改变和土壤质量下降两种，它们共同限制了区域的生态修复。对土壤结构的恢复主要分为两种方式：一是利用泥沙、矿山废弃物、矿区垃圾等对沉陷区和地表裂缝进行充填修复；二是对不同程度塌陷区进行挖深填浅、削高填凹等恢复为耕地或鱼塘等的非充填修复。对土壤质量的修复主要包括三方面：一是通过施肥、灌溉恢复土壤肥力；二是选择本地抗旱、防风固沙的优势种或先锋树种恢复沉陷区植被覆盖度，并借植被改善土壤结构、恢复土壤肥力；三是向植物根际接种微生物来改善土壤质量。王琦等[33]发现沉陷区土壤的性质有一定的自修复能力；胡振琪等[16]基于动态监测法对地表裂缝产生发育全周期进行观测发现，动态裂缝会自行修复，工作面边缘裂缝则会持续存在，所以在今后的煤矿环境修复实践中借助人工修复措施加快自然修复进程能更好地实现煤矿区生态修复。该区生态恢复典型案例就是神东集团在神东矿区成功构建了适宜大规模开发建设活动中的生态恢复技术体系，采取主动型防治策略，对矿区提出采前、采中、采后不同阶段的治理理念，保证了开发建设与环境保护的良性发展。

1.3 冲积平原区

冲积平原区位于黄河下游地区，分布着河南和鲁西两个煤炭基地，同时又是我国粮食主产区。煤炭大规模的井工开采原多采用全部冒落管理顶板[34]，造成大面积采煤塌陷、积水，土地、粮食、煤炭之间矛盾突出。为了保障区域可持续发展，缓解粮、地、煤三者的冲突，众多学者针对土地复垦[35-36]、湿地构建[37]、建设用地恢复[34,38-39]等方面的技术进行了大量研究。为了平衡煤炭开发、粮食产出、城镇扩张对土地资源的需求，已在高效低成本的土地复垦技术、采空区一体化工程建设、次生湿地构建等方面开展大量工程实践，成果显著。

平原区地下潜水位较高，井工开采和多煤层重复开采导致地面严重塌陷、沉陷积水，破坏优质耕地资源，为了保障粮食供应该区域亟需进行土地复垦。对于下沉较浅的地区主要进行挖深填浅恢复原土地价值，下沉较深的沉陷区则利用煤矸石、粉煤灰、湖泥等进行充填复垦，考虑到表土缺乏、充填材料不足、湖泥复垦时间长、矸石存在污染土壤风险等问题，胡振琪等[35]提出引黄河泥沙进行充填复垦的构想，同时为了解决充填厚度不足导致生产力较低的问题，提出了夹层式土壤重构技术，大大提高了土壤复垦质量，已在山东邱集、济宁等地开展试验，发现该技术可大大提高农作物产量。由于对已发生沉陷的区域进行土地复垦难度较大、效果较差，胡振琪等[36]提出了“边采边复技术”，以提高耕地复垦率，保证土地生产力，降低复垦成本，针对边采边复的原理、关键技术进行了系统研究，为井工矿采复协调的开采方案提供了技术指导，在济宁、菏泽等地矿区开展技术试验，与传统的破坏后复垦相比边采边复技术大大提高了土地复垦率，优化了用地布局及生态景观。

采煤塌陷后形成的深度大、积水深的沉陷区进行充填复垦物料不足，施工难度大，成本也高，适宜构建人工湿地，并根据沉陷区的面积、与矿区或城区的距离以及实际发展需求采取水产养殖、湿地公园、污水处理等治理方式，已形成了次生湿地生境和水质修复、植被景观和人工景观构建等技术，发挥湿地净化水质、美化环境的功能[37]。 目前在徐州潘安湖、山东邹城和济宁等地成功开展了采煤沉陷地改造为湿地公园的工程实践。 平原地区人口密度大、工业发达，对水资源的需求量很大，但水量时空分布不均，面积大、积水深的采煤沉陷地也可成为蓄水空间主动构建成平原水库[40]，既可解决水土资源不协调的问题，还可预先剥离表土提高浅沉陷区土地复垦率。

下游城市发展迅速，建设用地需求量大，煤炭大规模开采导致采空区大面积形成，破坏地面构筑物的同时又不利用后续利用，所以对采空区进行有效治理既能满足城市扩张、工业发展的用地需求，又能减少对农用地的占用，还能带来可观的经济效益。采空区的治理主要包括岩体裂隙发育特征的探测、地基稳定性的评价、利用注浆和充填等技术进行地基处理以及地表建筑物的抗变形处理等[34]，各项技术已在工程实践中不断地发展和完善，如在唐山市、焦作市等地采空区进行多层建筑物及构筑区建设，所有建筑保持安全使用，具有良好的推广应用价值。目前中煤科工集团正在济宁开展采空区工程建设项目。

2 生态修复技术研究不足之处

经过多年的研究和工程实践，众多学者已在黄河流域探索出较丰富的理论成果和修复技术，但仍存在一些不足之处。

2.1 治理方式、技术的单一性和治理范围的局限性

当前对煤矿区受损生态环境的修复多是利用客土、充填、人工建植、边坡防护等技术对水、土、植被、边坡等单一要素的治理或恢复，治理模式多是以实现景观美为目的建设成各类公园或恢复土地耕作、建设构(建)筑物的价值，对生态功能的发挥考虑不足。生态修复不能只是景观的美化，也不能将山、水、林、田、湖、草割裂开来进行单一修复，而是要基于“山水林田湖草”生命共同体的统筹治理实现矿区生态系统的健康和安全。同时，煤矿区生态修复多局限于对采煤沉陷区、排土场、矸石山等矿区场地内受损环境的微观治理，忽略与周围景观的连通性、与区域整体规划的融合性，缺乏对生态修复活动的宏观指导和中观控制，治理效果的区域总体性不佳。

2.2 缺乏长期监测和高新技术的应用

由于采矿活动的持续性、水的流动性、污染物的迁移性等，导致对环境的破坏持续进行、影响范围动态变化，但是当前缺乏对各要素的长期监测，难以全面掌握其发育和发展规律，从而及时进行预测、预警。由于人工监测工作量、投入高，必须引入人工智能、卫星遥感、传感器等技术，对植被、边坡、土壤、水资源、岩体等进行对全周期、多时相监测和科学研究，并能及时获取监测数据，有利于科学管理并合理完善煤矿区的生态修复工作。

2.3 治理理念和认识有待提高，环保理念与矿区规划融合不足

我国对煤矿区的生态修复多是以植树种草、充填客土、边坡防护等人工干预措施为主，忽略生态环境的自然修复能力，后期还需长期的人工管护，成本高且可能难以维持自我稳定，需要转变理念，将人工修复和自然修复有机结合，有自我修复潜力的生态系统要以自我恢复为主，可进行“再野化”修复，实现生态系统的自我持续和稳定。

我国的矿山生态修复理念已逐步由经济发展优先发展到如今的环保与发展并重，从先破坏再治理逐步走向采复一体化进行。但是诸多煤矿企业环保理念不足，所以多将生态修复视为负担，多在采煤活动后期在政府强力执法监督下进行被动治理，修复前对矿区本底环境认识不充分，没有将煤矿区生态修复设计与开采规划相结合，缺乏整体性认识和分区治理理念，与当地经济和社会发展协调不足。环评编制单位在文本中对环保理念和生态修复理念的融合不充分。此外，公众对煤矿企业的监督意识不足，难以充分发挥公众的监督作用。

2.4 专业参与度与融合性不充分

煤矿生态修复是一项长期而系统的工程，需要采矿、地质、生态、环境、土壤、植物、水文、环境等众多学科的通力合作，当前多是以采矿、地质、水文专业为主，以中国矿业大学等高校为代表展开，缺少多学科和有实力的高校、设计院的联合投入，环保专业及企业对煤矿区的生态修复活动的贡献不足。

3 展 望

煤矿生态修复是一项长期而系统的工程，需要采矿、地质、生态、环境土壤、植物、水文、环境等众多学科的联合研究，要基于“山水林田湖草”和“两山”理论进行统筹规划，联合政府多部门与煤炭利益相关者共同努力，才能保证黄河流域煤炭开发与生态安全的协调共存，实现黄河流域高质量发展。当前还需从以下几点进行加强。

3.1 充实理论研究

由于不同煤矿区所处的地质环境和煤层赋存条件的差异性，必须进一步明确煤炭开采对不同区域水、土、岩层等的影响机理才能更好地进行采煤调控。例如当前对导水裂隙发育规律的研究多针对不同地质条件或单一工作面展开，缺少采取不同采煤技术和多个工作面共同开采下裂隙的发育规律和对水土植被影响程度的研究；黄土区和风积沙区为了恢复地表植被，大量利用矿井水进行灌溉，这一举措是否会改变植被的生理特性，使之抗旱等能力减弱，导致未来减少或不进行灌溉时出现退化现象等，还需进一步研究。

3.2 优化采煤技术，利用高新监测技术，研发具有区域差异性的修复技术

为了适应黄河流域不同区域的环境和发展需求，已初步构建了保水采煤、土地复垦、微生物修复、采空区利用等技术，但充填开采、客土复垦等技术由于成本较高、使用区域受限等难以推广，亟需进行优化改进。研发具有区域差异性的技术，根据矿区生态损坏特征进行分区治理可减少采煤扰动、加快生态重建。同时，挖掘具有经济效益的矿山修复与其他产业的融合模式，促进煤矿企业对矿山的自发性修复，关注修复活动与国家安全格局的配合，从而实现黄河流域的高质量发展。

由于采煤活动及其影响的持续性，导致地表沉陷、植被和土地的破坏、水资源减少等生态问题均处于动态变化过程中，必须开展采煤前中后全周期的宏观监测、地下水位和导水裂隙等部位的精细监测以及地质环境问题的预警监测，保证采煤活动的安全性，并及时掌握煤矿区生态修复的效果，以便适时进行调控。

3.3 加大采前基础工作

对矿区环境先破坏再治理不仅难度大、投资高，而且可能导致修复后效果差，所以从采前开始修复规划对实现煤矿区的高效生态修复极其重要。对即将进行开采的煤矿，要进行地质、水文、土壤、生物、土地各要素的全面调查，明确采煤活动可能带来的影响，结合城市发展规划和国土空间规划等提前谋划受损要素及矿区修复方向，保证采复活动一体化进行。

3.4 加强优秀工程技术的推广

为了进行矿区生态修复、保护区域生态环境，煤炭行业探索了诸多生态治理技术，开展了成功的工程实践。如神东集团的地下水库技术和“三期三圈”主动治理的生态修复模式、唐山等地在采空区上建设大型建(构)筑物技术、徐州潘安湖的生态修复模式以及邹城的太平国家湿地公园等等，可为同类煤矿区的生态修复树立良好的示范，亟需大力推广。

3.5 深化普及环保及生态修复理念

政府、煤矿企业、环保企业、公众等都是煤矿开采的得益者，同时也要为矿区带来的生态破坏承担相应的责任，单纯依靠政府的执法监督难以实现煤矿的可持续利用和高质量发展。一方面需要加大对煤矿企业环保监督，落实到采煤活动的整个周期，使修复活动与煤矿开采规划相融合；另一方面需要环保企业的努力，将优秀的环保理念、修复技术融入环评报告编制过程中，做好对矿区生态环境的监测和修复活动的监督。同时，公众作为庞大的监督群体，进行环保理念的普及、环保意识的加强能充分发挥其对煤矿企业的监督作用。