煤炭开采塌陷研究为科学治理提供理论依据

多年来，从山东肥城到安徽淮南的华东煤炭开采塌陷问题引起了广泛的注意，不少专家对此进行了全面深入的研究，为减轻塌陷状况和有效恢复耕地提供了极具科学价值的理论依据。现将其中的主要情况介绍如下。

1 采煤导致地面塌陷等生态环境问题　　

中国科学院地理科学与资源研究所以兖滕两淮地区为样本，对采煤导致较严重的地面塌陷等生态环境问题进行了研究。

煤炭和土地是工业与农业发展中同等宝贵的有限自然资源，也是长期制约我国经济持续发展的重要因素。煤炭开发必然引起地面塌陷，而土地资源合理开发利用反过来又限制煤炭资源的大规模开发。从区域可持续发展的角度分析，采煤与塌陷是资源重叠区域资源、经济与生态环境失调发展的必然产物。如何协调这些地区同位异类资源同时开发与持续利用的关系，做到既能最大限度地开发煤炭，又能保护耕地，促进同位异类资源同时开发，经济持续稳定增长，生态环境良性循环，一直是煤炭分布地区走可持续发展之路所要长期奋斗的目标。　　

我国是世界上产煤最多、塌陷面积也最大的国家之一，每年因采煤造成塌陷面积约1.3×，其中一半以上集中于平原地区，尤其是兖滕两淮地区。这一区域包括山东省兖州、济宁、枣庄、滕州、临沂、肥城和江苏省徐州、安徽省淮南、淮北、宿州等地市，含煤地层北起山东肥城，南至安徽淮南，东自临沂，西达菏泽，探明煤炭储量占全国的7.14%。据实地调研统计，全区平均每采t煤约塌陷土地0.18～0.33，到2000年累计塌陷面积7.15×，2010年达到13.33×以上。　　

根据《枣庄市土地利用总体规划》、《济宁市采煤塌陷治理研究报告》、《肥城采煤塌陷现状及治理规划研究》和淮北、淮南、徐州等矿区发展规划，济宁(兖州)矿区、肥城矿区、枣滕矿区、徐州矿区、淮北矿区和淮南矿区采t煤塌陷面积分别为0.18、0.21、0.19、0.21、0.33和0.19；塌陷面积分别为0.31×、0.37×、1.13×、1.30×、1.17×和0.59×；下沉系数分别为0.8～0.9、0.8、0.8、 0.8、0.9和0.8；地面下沉深度分别为7～10m、3～5m、2～6m、5～9m、2.78m和4～7m；最大下沉深度9～11m、8～12m、9～10m、10～12m、5.44m和8～10m；塌陷速度分别为1466.67/a、133.33/a、55.00/a、666.67/a、 666.67/a和562.00/a。2000年塌陷面积1.0×、0.53×、1.47×、1.67×、1.47×和1.02×。

开发利用煤炭、土地资源与改变生态环境之间、资源再生、经济发展与生态环境恢复之间存在着紧密的因果关系。当资源得到合理利用时，生态环境所遭受的破坏程度就会减轻、经济就可得到快速稳定发展，当生态环境遭受严重破坏时，必然制约资源的开发利用。当资源获得再生永续利用时，必然会促进生态环境恢复。兖滕两淮地区未处理好资源开发与生态环境保护的关系，加之其处在人口稠密、村庄建筑物密布、路网水网电网星罗棋布的黄淮海厚层冲积平原，人地关系矛盾本来就很突出，因而造成塌陷对地表的破坏程度及经济与生态环境损失比任何其他地区都更严重和巨大。　　

2 煤炭开采对农田景观格局的影响　　

中国科学院地理科学与资源研究所和中国矿业大学研究了煤炭开采对农田景观格局的影响。　

兖州市煤炭总储量200亿t以上，地下煤层地势平缓，平均为15°左右，煤层厚度8～12m。地面平均高程4813m，地面地表潜水位一般3～5m，煤炭开采后最大沉陷深度6～8m，多属常年积水。⑴地下开采区农田景观一般演变过程。采矿区景观格局变化范围远大于其对应的地下开采采空区范围。矿区景观过程及格局取决于采空区的形状、采厚、采深、煤层倾角、地表潜水位和顶板管理方法等。积水、坡地、裂缝是农田开采后的主要景观。　　

①水平煤层开采区。　　

地表潜水位较高、近似水平煤层开采区，地表充分沉陷后在采矿波及范围内原有农田演变为积水、坡地等新景观格局。一般积水景观位于采空区正上方，其形状与采空区对称，坡地景观与外围区分界点大致与地下采空边界正上方略有位移，受岩石下沉拉力作用，多数是向外扩展。水平煤层非充分开采区农田演变过程基本与上面相同，积水面积与坡地范围小于充分采动。　　

②倾斜煤层开采区。　

倾斜煤层非充分采动时，地表沉陷中心位移与采空区不对称性明显加强，中心位置常偏向采空区下山方向，则积水景观集中于上山方向，坡地景观上山方面波及范围较小，下山范围较大。充分采动时景观过程和格局基本上与非充分采动时相似，仅在范围或边界位置略有扩大。急倾斜煤层开采时，积水位置与采空中心偏移更加明显。

⑵煤炭开采量对农田景观变化量影响。

兖州矿区煤炭开采量和塌陷面积不断增长，煤矿生产开始时塌陷率呈上升趋势，稳产后塌陷率呈下降趋势，但幅度较小、空间有限。兖州矿区属薄煤层和厚煤层混合型矿区，年际塌陷率变化较大，但总的采煤塌陷率呈下降、稳定趋势。地表塌陷相应导致地表农田景观变化，煤炭开采引起的景观变化范围与塌陷率趋势趋同，农田演变为积水与坡地景观数量同样表现出上述规律，但塌陷区中积水区比率比坡地相对增加。　　

⑶矿区农田景观格局演变预测。

兖州矿区采深与采厚比值较大，地表空间形态变化一般是连续、渐变的。当采煤工作面推进到1/ 4～1/ 2 采深时，开采影响波及到地表，引起地表下沉。随着工作面继续推进，地表影响范围和下沉量在一定范围内继续增大，从而形成一个比采空区范围大得多的沉陷盆地。根据采动过程中地表移动与变形一般规律，水平开采稳定后地面点的位置并不在其起始位置正下方，而是略偏向工作面推进方向一侧，一般位移较小，可忽略其影响。另外，塌陷后农田景观的土地利用类型主要取决于地表沉陷深度，当其低于地表潜水位时为积水景观，否则为坡地及其他陆地景观。因此，采矿区农田最终演变格局主要取决于地面沉陷深度。　　

3 采煤塌陷地对区域经济和生态环境带来的负面效应　　

中国科学院地理科学与资源研究所以兖滕两淮地区为样本，对采煤塌陷地对区域经济和生态环境带来的负面效应进行了研究。　　

①生存空间遭到破坏。

随着采煤量增加，煤层上覆围岩开始下沉变形，当变形波及地表时就在采空区上方形成比采空区面积更大的地表移动盆地。当地表拉伸值超过3～6mm/m时产生断裂带及塌陷坑，所及之处大片农田被毁。在河流改道、降水等因素综合影响下，塌陷地在物理性状上呈长期积水地和沼泽地，在化学性质上表现为土壤酸化和营养物淋失，平原陆地生态环境变为水生生态环境。两淮地区采煤塌陷地70%以上为2～20m深的水域；徐州矿区积水塌陷地9300，占已塌陷地71.79%，积水深度2.5～4m。即使如此，塌陷积水地还以平均333.33/a速度递增，对粮棉油基地建设和生态环境构成严重威胁。　

②千里良田被迫荒废。

我国平原地区因采煤毁掉良田400/a，兖滕两淮地区更为严重，现有塌陷地中85%以上为可耕地。兖州矿区塌陷的3093.33土地几乎全为耕地，肥城矿区塌陷3700土地85.78%为耕地；枣滕矿区共因采煤破坏耕地2.34×；两淮矿区至2140年矿山服务年限结束时，将累计塌陷耕地17.67×，平均减少耕地1000/a、增加失地农民约1万人，兖州、济宁东、滕南三大矿区开采完毕后将形成8.4×塌陷地，平均减少耕地4000～4667/a，有100多万人失地。

③农业生产结构在渐变中失调。

采煤造成土地塌陷，轻者地表起伏不平，影响耕种和灌溉，重者一则使地表下沉引起塌陷地积水，传统高产旱作农业退变为低产乃至绝产水田；二则因地下含水层受损，又使传统高产水田退变为低产旱地。水旱田在塌陷中交替互变。淮南矿区服务年限结束时，耕地面积将减少46.75%，水面增加173.14%，种植业产值比重将由目前45%降为10%，渔业产值比重由2.04%升至10%，乡镇企业产值比重由40%升为70%以上。农业结构巨变与水旱田交替加重了本区粮棉油征购任务。　

④地面设施严重受损。　　

淮南大通镇、九龙岗镇和淮北烈山镇均因塌陷破坏而易地重建；淮南矿区谢李深部矿井(市中心)开采完毕后将在市区形成17.7深21.7m的水域，将淮南市区分成东、西两块，淮南铁路望李段、淮河主航道二道河河床及河堤将分别下沉16m、5m和15m左右，并将有几百个村庄约20余万农民搬迁安置。淮北矿区已有209个村庄约12.63万人、济宁矿区已有14个村庄1.19万人被迫搬迁。受物价指数上升影响，搬迁费用居高不下。兖州矿区每户搬迁费用由1985年平均8千元增至现在近10万元。即使如此，农民因迁离故土，提出一系列实际问题，导致搬迁矛盾重重，工农关系日趋紧张。由此可见，采煤塌陷造成的工农矛盾已在资源重叠的本区长期积结，代价是相当沉重的。　　

4 采煤塌陷地的动态演变规律　　

中国科学院地理科学与资源研究所以兖滕两淮地区为样本，对采煤塌陷地的动态演变规律进行了研究。　

受制于自然动力地质因素和人类工程活动的双重影响，采煤塌陷地的动态演变机制和塌陷破坏程度，可运用开采沉陷理论和流体力学理论进行分析，这是通过改变开采方式，及时预警塌陷强度和破坏程度，进而采取工程与生物措施综合整治的重要依据。　

①开采沉陷理论支持下采煤塌陷地动态演变的基本规律。　　

依据开采沉陷理论和兖滕两淮地区煤炭地质赋存条件，当采煤长壁工作面离开切眼的推进距离大于0.45～0.55 (为平均采深)、开采面积大于或接近1300～1500时，地表开始移动变形，当深厚比介于150～200时，移动变形宏观上呈连续态，否则为非连续的离散态；当地下采煤区的长宽尺寸都达到或超过开采深度1.4～1.8倍时，地表移动变形过程转为塌陷过程；当塌陷最大深度为煤层开采厚度70%～90%时，称其为充分采动塌陷。上述塌陷与变形临界水平适于在采空区无任何支撑条件下，通常因地下留有各种煤柱用于支撑地层，使塌陷区呈凹凸不平的复杂形状。从宏观上看，一般地表塌陷容积约为煤层采出体积60%～70%，塌陷面积系数约1.2，积水率30%～50%，附加坡度1°～3°；从微观上具体分析，由于兖滕两淮地区地表塌陷过程基本呈连续状态，因而地表任意点的塌陷下沉值可用概率密度函数中的积分表达式来表达和计算。根据兖滕两淮地区实际情况，开采深度不同，上述参数取值不同。　　

②流体力学理论支持下采煤塌陷地动态演变基本规律。　　

利用流体力学理论可分析采煤塌陷地形态和大小。采用公式可求出地表采煤塌陷水平分量和下沉分量，也可直观描述采煤塌陷地形态实际是一个不规则形状的三维曲面。运用开采沉陷理论和流体力学理论分别从两个切入点描述采煤塌陷地的动态演变规律，同时具有可行性和结论的一致性，只要确定采矿要素，如煤层倾角、煤层厚度、开采深度、长壁工作面长度、煤炭产量、层间距等，就可确定地表移动与塌陷参数，如下沉系数、塌陷面积系数、水平移动系数、影响传播角、曲率、水平变形率、积水率、附加坡度等，进而求得地表任意点下沉值和下沉持续时间等。以这些计算与预测结果为依据，即可因地制宜采取生物与工程措施防患于未然。采用公式计算的地面任意点下沉值科学而精确。不少矿区为简便起见，还采用一些经验公式近似计算并预测塌陷面积。如肥城、淮北矿区采用万吨煤塌陷率d=15ncosα/kmγ(n，α，k，m，γ分别代表影响系数、煤层倾角、水平回采率、开采厚度及煤的容重)求得两矿区的d值分别为0.21/t和0.30/t。　　

5 兖州矿区复垦农田景观格局演变过程研究　　

中国科学院地理科学与资源研究所和中国矿业大学研究了兖州矿区农田在采矿前后、复垦前后的景观格局变化情况。

不论何种煤炭开采方式，均对矿区生态环境造成扰动，引起地面景观格局发生变化，破坏地质结构，危害矿区生态安全与持续发展。矿区生态环境恢复主要途径是土地复垦。复垦后土地70%为农田，其余多数为其他农用地。景观格局是景观过程的产物，不同景观格局强烈影响景观过程，而且景观结构影响景观功能。　

兖州市农田经方田化、条田化和设施配套建设后，形成“田成方、林成网、井配套、路相连、渠相通, 设施齐全、土地平整”的田园生态化格局。　　

⑴农田板块。　　

兖州市将总面积42843140的农田划为14个大的方形农田板块，板块面积约3333133。通过防护林、沟渠、道路、河流等廊道又细分为6464个小农田板块。标准农田板块面积约6167，农田形状基本都呈方形，农田板块长与宽均为250m左右。受风害影响，田块方向与防护林走向相同，呈东西向。2000年后，标准农田板块面积多为13133，长为500m、宽为250m左右，规模是原标准的2倍，以适应农业现代化的要求。　　

⑵农田廊道。　　

兖州市农田的廊道由防护林、道路和沟渠构成，廊道构成形式多为沟、渠、路、林等农田设施的组合，少量为单一林带。从上述农田板块与廊道发展趋势看，农田景观格局伴随科学技术的发展，板块扩大、土地利用率提高，廊道结构升级、数量减少，物流、能流、信息流等流畅通、保障率加强，农田生产条件稳定，生物量提高，形成新的大地园林景观格局。

根据国家环保“十五”规划，兖州矿区以土地复垦为重点，加强矿区环境综合整治，建立各种类型的矿区生态建设示范基地，逐步形成与生产同步的生态恢复建设机制。所以，矿区土地复垦方向主要是生态重建，以生态农业为特色的农田景观重建是多数矿区生态重建的必然选择，景观重建的核心是合理设计物流通道、物种栖息地，完善物种生态位，建立食物链，实现能量与物质良性循环。复垦农田景观重建的理论研究还很薄弱，深入研究煤炭开采区景观格局过程，充分认识开采对农田景观扰动规律及规划设计因素和复垦工艺对重建农田景观质量的影响，可以科学指导沉陷区土地复垦，特别是生态预复垦，提高复垦农田质量，保护生物多样性。实践证明，合理的复垦农田景观格局能协调社会、经济、生态效益，保障矿区社会经济持续发展，使农田景观具有最佳的效用价值、功能价值、美学价值、娱乐功能和生态价值。因此，矿区在被破坏的土地上走生态农业复垦的道路，进行复垦农田景观重建具有广阔的发展前景。　　

6 兖州矿区复垦对农田景观格局的影响　　　　

中国科学院地理科学与资源研究所和中国矿业大学开展了兖州矿区复垦对农田景观格局影响的研究。

⑴规划设计方向对格局的影响。　　

煤矿开采沉陷后虽然对景观造成一定程度破坏，不利于农业高效生产，但同时增加了景观异质性，为发展复杂农业生态系统创造了有利条件。兖州矿区特殊的沉陷景观格局决定复垦景观规划设计方向为基塘格局。一般情况下塘或水面布置在塌陷积水深处，大小为塌陷积水面积减去垫土面积，形状由不规则变成规则，并集中连片发展水产养殖或旅游生态园区。复垦规划设计后的农田景观异质性比沉陷时降低，但生产能力提高、形状规则。复垦后农田景观得到恢复，塌陷坡地和煤矸石山、闲散地等其他景观转化为农田，廊道得到恢复、完善，景观结构趋于合理。　　

⑵复垦施工对农田格局恢复的影响。　　

地下采煤如不采取及时充填措施，将导致采空区上方几倍于地下开采面积的程度不同地表沉陷，形成封闭式湖泊状沉陷地。土壤介质和土地平整度是复垦农田景观重建的关键，须对沉陷地采取适当的复垦措施。

①泥浆泵复垦工艺。　　

工艺简单、投资少。泥浆泵复垦的农田景观基质较差，如土壤养分损失多、上下土层混合、含水量大不易排出、易盐渍化、微生物及动物受到破坏等，复垦后农田景观恢复期较长，难以恢复的只能改为林地、居民点等其他景观。　　

②推土机复垦工艺。　　

推土机重构土壤普遍存在上下土层混合及压实问题，复垦后的农田景观基质比泥浆泵复垦工艺效果有所提高，但机械严重压实的复垦耕地表层土壤性状不良，短时间内难以得到有效改良。复垦后须采取深翻、客土改良和增施有机肥等措施改良土壤理化特性，利于农田景观的恢复。　　

③拖式铲运机复垦工艺。

采煤沉陷地拖式铲运机较推土机工艺更符合复垦土壤重构的要求，构造的土壤质量更高。采用预复垦效果更佳，可消除塌陷后土壤的潜育化影响、缩短农田景观恢复时间、提高基质质量。从多年复垦土壤特性看，科学的复垦工艺有利于提高土壤质量、缩短达到目标生产力的时间、恢复原有农田景观或更优的农田景观。实践证明，采取表土剥离技术的复垦农田质量明显优于混合复垦，科学的预复垦优于沉陷后复垦。

⑶复垦农田景观重建标准分析。

从农田景观格局演变过程看，农田基质逐步均一化，原有零星景观被整理为农田景观，农田板块规则、平整, 廊道相连、通畅，且功能提高、面积减少，整个农田景观更加稳定、健康。复垦农田景观重建标准包括：充分体现生产力保持稳定和提高，景观格局与环境保持协调、适合，降低农田基质恢复期，满足景观现代化的要求，避免复垦中的“功能折旧”现象发生，保持农田生物多样性，发挥农田景观美学性等方面。

7 采煤塌陷地的综合整治途径　　

中国科学院地理科学与资源研究所以兖滕两淮地区为样本，对采煤塌陷地的综合整治途径进行了研究。　　

①调整采煤方针，坚定不移地实施限制性煤炭开发战略。

在计划经济体制长期约束下，为缓和华东地区能源供应严重不足局面，兖滕两淮地区自70年代以来一直采取“有水快流”的采煤方针，原有矿井一再扩建，生产能力成倍增加，塌陷面积与日剧增，一系列生态环境与经济社会问题激化。面对这些问题，本区煤炭开发必须遵守国家提出的“优先盘活总量、严格控制外延”的投资总方针，从煤炭与土地同位同时协调开发长远利益出发，必须变“有水快流”为“细水长流”的采煤方针，稳定老区，有计划地建设新区，以煤为主，多种经营，深度加工，综合发展。适时适度控制发展速度、强度与规模，将煤炭产量稳定在1.1×～1.2×t水平上。未来我国煤炭生产布局重点将由东部集中转向山西、陕西、内蒙古西部地区；全国煤价放开将使煤炭生产通过竞争最终由市场需求决定；全国性运煤通道的陆续开通使更多耗煤大户有机会寻求新的能源供应基地。这些都利于本区实施限制性采煤战略，但毗邻的华东地区2010年缺煤2.63×t，一部分仍继续就近依靠本区补充。今后全区煤炭以稳产为主，并将限制性开采作为长期目标。　

②因地制宜采用多元化采煤方法，多渠道减少塌陷影响。

受本区煤层埋藏条件限制，全区煤炭产量96%以上采用竖井开采方式，今后煤炭开采在绝大多数地区只能采取竖井开采方式，但在开采方法上应有所改进。目前绝大部分地区采用长壁、分层、放顶等常规开采方法，本着因地制宜的原则，除继续采用这些常规方法外，还可在合适的地区采用充填开采法、顺序开采、协调开采、条带开采、高压注浆等采煤方法。对于建筑物下、路下、水下“三下”压煤采用充填开采法；对地表村庄少、煤埋深小于400m矿井，采用条带开采法；对于厚层煤采用分层开采法，并适当缩小分层厚度，以降低开采对地面的破坏程度；对多层煤采用顺序开采法和协调开采法，使数个煤层按顺序同时开采，但将工作面错开一定距离，使开采一个煤层产生的地表压缩区准确置于开采另一个煤层所产生的地表拉伸变形区内，保证地表变形应力相互抵消；对于上覆冲积层很厚的煤层，采用长壁与放顶等常规开采法。上述开采方法均可不同程度减轻塌陷影响或合理安排塌陷影响。　　

③推行政府、企业和农民三协合开发管理机制，因类制宜综合治理塌陷地。　

采煤塌陷地综合整治是一项复杂的社会系统工程，单靠土地部门显然力不从心，需各级政府、企业和农民的通力协作。这就要求建立一个由政府牵头、企业配合和农民自垦三协合开发管理运行机制，改变过去强调的“谁破坏、谁复垦”的原则，实行以补代征模式，只要治理后的土地经济效益达到或高于相应农田即可征用，而只补偿一定数额的复垦资金，这既利于企业降低生产成本，亦利于农民充分就业和安居乐业。在这种机制运作下，对塌陷地分类改造，综合整治，宜农则农、宜牧则牧、宜林则林、宜渔则渔、宜建则建(材)。对已稳定塌陷地以造地还田、发展网箱网围养殖为主，积极发展农业生产和基本建设；对不稳定塌陷地以因势利导利用为主，随高就低，能种则种、能养则养。通过分类整治与复垦，将有望在塌陷区形成田成方、树成行、水路相通、桥涵闸电线网配套的良好生态环境与经济发展格局。

④依据市场价值法则，超前预警采煤塌陷造成的生态环境与经济损益，合理确定重叠资源开发时序与强度。

在市场经济条件下，各类资源开发时序、强度及规模均由市场需求来调节，资源开发造成的环境破坏亦将通过缴纳生态环境损失补偿费弥补。按照市场价值规律，采煤塌陷对生态环境破坏造成的直接经济损失、间接经济损失、恢复费用和保护费用均由市场价格来计算。通过效益、费用与损失的计算、分析比较，可推知待塌陷地区采煤的经济效益、采后对生态环境造成的经济损失及治理费用大小，以便在环境费用效益分析中确定重叠资源开发时序、方式及强度；亦可推知已塌陷地对生态环境造成的经济损益及恢复费用，以便将有限的资源预算最大限度用于恢复生态环境和塌陷复垦。这种超前预算采煤塌陷费用效益的方法利于采煤部门决策者把煤炭生产计划与土地塌陷复垦计划同时纳入企业生产计划，根据资金投量调整吨煤生产成本和煤价，既利于工农业生产的协调发展，又利于生态环境恢复与良化。

⑤成立采煤塌陷复垦工程局，制订优惠政策，多方筹集塌陷治理与土地复垦资金。

采煤塌陷综合整治耗资巨大，周期特长。区内平均每采1t煤需治理费6.7元。考虑物价上涨因素，未来吨煤治理费用若按8元算，则兖滕两淮地区共需塌陷治理费千亿元以上。筹措如此巨额资金须动员全社会力量，制订各种优惠政策，多渠道吸纳塌陷治理资金。一是根据市场规律，将塌陷治理费用全部摊入采煤成本，通过提高煤价向用户换回治理资金；二是依据资源价值化理论开征资源税，换取治理资金；三是建立专项治理基金；四是广泛吸纳社会零散资金和外国资金；五是调动农民积极性，以优惠政策鼓励农民自力更生复垦。为了保证资金筹措和塌陷复垦工作顺利进行，须改变过去政府、企业和农民间互相扯皮的现象，专门成立采煤塌陷复垦工程局，由主管市长兼任局长，所在矿区领导兼任副局长，土地管理局局长专任常务副局长并主持日常事务工作，形成关系理顺、责任明确、目标统一、通力协作的管理与决策体系。