（环境科学专业论文）淮北矿区杨柳矿地表沉陷综合评价及沉陷区生态恢复研究.pdf

c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fs u r f a c es u b s i d e n c eo f y a n g l i uc o a l m i n i n gs i t ea n dr e s e a r c ho ne c o l o g i c a l r e s t o r a t i o no fs u b s i d e n c ea r e a a b s t r a c t i ti sh i g h l yn e c e s s a r yt ou n d e r t a k et h ec o m p r e h e n s i v ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t o ns u r f a c es u b s i d e n c eb e c a u s e l a r g ea r e a so fs u r f a c es u b s i d e n c ef r o mt h ec o a l m i n i n g a c t i v i t i e sb r i n gas e r i e so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s t h i sp a p e rs e l e c t e dy a n g l i uc o a l - m i n i n g s i t ea sar e s e a r c h o b je c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fr e l a t i v ei n f o r m a t i o na n dt h ef i e l d i n v e s t i g a t i o n ，t h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c es u b s i d e n c ea n dt h ed i r e c t e n v i r o n m e n t a l i m p a c t f r o mt h es u b s i d e n c ea r ed i s c u s s e d t h ea u t h o r d e s i g n e d t h e c o m p r e h e n s i v ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n ts y s t e mo fm i n i n ga r e aa n dr e s e a r c h e do n e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fs u b s i d e n c ea r e a t h i sp a p e ro f f e r sd i r e c t i o n sf o rt h ec o a lm i n ed e s i g n c o n s t r u c ta n dh e l p st or e d u c et h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c t t h i sr e s e a r c hi s i n s t r u c t i v et o p r o m o t et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nt h eh u a i b e im i n ea r e a ，a n dt h e r e f o r eah e a l t h y e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yi nm i n i n ga r e ac a nb er e a l i z e d t h en a t u r a lf a c t o r s ，t h es o c i a lf a c t o r sa n dt h e c o a lm i n ec h a r a c t e r i s t i cf a c t o r sa r e c o n s i d e r e d c o m p r e h e n s i v e l y i nt h i s r e s e a r c h a c c o r d i n gt oa n a l y s i s o ft h ea s s e s s m e n t i n d i c a t o rs y s t e ms t r u c t u r ea n di t s c o n s t r u c t i n gp r i n c i p l e ，t h ef u n c t i o na n dt h em e t h o d ， f o l l o w e dt h e p r i n c i p l e s o fi n d i c a t o r s s e l e c t i n g ，c o m p r e h e n s i v e e n v i r o n m e n t a l i m p a c t e v a l u a t i o ni n d i c a t o rs y s t e mo fs u r f a c es u b s i d e n c ei ny a n g l i um i n es i t ei se s t a b l i s h e d t h i s i n d i c a t o rs y s t e mc a nb eu s e di nt h ea s s e s s m e n to f c o m p r e h e n s i v ee n v i r o n m e n t a li m p a c tc a u s e d b yt h e s u r f a c es u b s i d e n c e o fc o a l - m i n i n gs i t e w i t h a p p l y i n g t h ef u z z ym a t h e m a t i c s k n o w l e d g e ，m e m b e r s h i pf u n c t i o no ft h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t so fm i n es i t ei n d e x e sa r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h ei n d i c a t o r sv a l u ea r ea l s of i g u r e do u tb ym e m b e r s h i pf u n c t i o n u s i n g e x p e r te v a l u a t i o nm e t h o da n da n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，t h ew e i g h to ft h e i n d i c a t o r sa r ed e f i n i t e t h ef a l lo fg r o u n do fy a n g l i uc o a l m i n i n gs i t ea r ef o r e c a s t e db yt h e p r o b a b i l i t y i n t e g r a t i o nm e t h o d b a s e du p o nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h ea u t h o rs y n t h e t i c a l l y a p p r a i s e st h es u r f a c es u b s i d e n c eo ft h ey a n g l i uc o a l m i n i n gs i t ew i t hf u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o d e v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo v e r a l li n f l u e n c ed e g r e ei sm e d i u m b a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h eo b j e c t i v e ，p r i n c i p l e ，t h e o r e t i c a lb a s i s ，m o d e l sa n dm e a s u r e so f e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fs u b s i d e n c ea r e a ，t h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h e s u b s i d e n c ea r e ao fy a n g l i uc o a l - m i n i n gs i t ea r ep l a n e da n dd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h e p r e d i c t i o nr e s u l t so fs u r f a c es u b s i d e n c ea n dr e l a t e df a c t o r s ，t h ef i n a ls u b s i d e n c ea r e ac o u l db e c l a s s i f i e da s3d i f f e r e n t a r e a s ：r e g i o n a l i z a t i o no ff a r m i n gr e s t o r a t i o n ，r e g i o n a l i z a t i o no f g a n g u er e f i l l ，r e g i o n a l i z a t i o no fa q u a c u l t u r e t h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i ss h o w st h a tt h ep l a n n i n g p r o j e c ti sa v a i l a b l e k e yw o r d s ：s u r f a c es u b s i d e n c e ；c o m p r e h e n s i v ee n v i r o n m e n t a li m p a c t ；i n d e x s y s t e m ；f u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n ；e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n 表格清单 l 地表沉陷综合环境影响评价指标分级标准26 2 定量指标隶属函数表2 7 3 矿区地表沉陷综合评价等级表及表现 29 4 杨柳井田煤炭储量汇总表35 5 地表形态变化预测参数36 6 走向主断面和倾斜主断面地表下沉及变形最大值36 7 地表下沉影响面积预测结果36 8 沉陷区积水量预测结果40 9 受地表沉陷影响的耕地面积预测结果41 l0 地表沉陷综合环境影响各指标值43 1 l 煤矿区地表沉陷综合环境影响评价指标模糊矩阵43 l2 地表沉陷综合影响评价各指标重要性统计44 l3 地表沉陷综合环境影响评价各指标的权重汇总4 4 l4 地表沉陷评价指标组合权重45 l5 煤矸石浸出毒性试验结果59 l6 杨庄煤矿采煤沉陷区水域水质检测结果60 17 煤矸石与土壤含量对比6l 表表表表表表表表表表表表表表表表表 插图清单 图l煤炭开采沉陷环境影响网络图2 2 图2采煤沉陷环境影响评价指标体系层次结构2 3 图32 0 l3 年地表下沉等值线图3 7 图42 0 2 8 年地表下沉等值线图3 8 图5 全井田地表下沉等值线图3 9 图6杨柳井田全井田土地利用结构变化预测结果4 2 图7杨柳矿地表沉陷环境影响综合评价结果图4 6 图8采煤沉陷区综合整治规划图5 8 图9浅沉陷区恢复农业耕作示意图5 7 图1 0 积水沉陷地复垦造地示意图6 0 图ll 积水沉陷区水产养殖示意图6 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导。卜进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。也不包含为获得 金旦巴! ：些厶堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同l ：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谓 意。 娩而洋 签字叫：岬年孕月咖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金艘：i ：些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒月巴些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学1 f 7 ：论文。 ( 保密的学位论文在解密后适川本授权 5 ) 学位论文作者签名： 砀垮乌 签字日期：必彳年4 - - 月钿日 j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 同蛾懒 签字日期功口? 年中月z o 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我的导师周晓铁高工和孙世群副教授悉心指导下完成的。本文 从选题、构思到具体写作环节，无不凝结着两位老师的心血。在校学习期间， 两位导师在学习、科研、工作、生活等各方面都给予我无微不至的关怀。两位 导师不仅学识渊博、治学严谨，而且诚恳待人、诲人不倦，在论文写作期间， 导师的耐心帮助和精心指导更使我受益匪浅，给了我诸多启发和莫大鞭策，在 此谨向他们表达由衷的感激! 同时，在学习和论文的写作过程中还得到汪家权老师、李如忠老师、石勇 同学以及合肥煤炭设计研究院的肖华山高工和刘士水高工的指点和帮助，在此 表示诚挚的谢意! 在实习期间安徽省环境科学研究院的王晓辉高工、方云祥工程师、关伟工 程师都给予我莫大的关怀，尤其是王晓辉所长他高深的专业知识给了我诸多教 益，这些都会使我受益终生。在此一并表示由衷感激! 在此，还要深深地感谢我的父母和朋友，正是他( 她) 们长期以来的无私关 心、爱护、帮助和鼓励才使我克服了重重困难，不断前进。感谢在我成长过程 中给予指导、帮助和关心的老师、同学和朋友。 最后对本论文的评阅人和答辩委员们的帮助和指导表示衷心的感谢! 何祥亮 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 选题背景 我国正处于工业化快速发展阶段，煤炭作为我国重要的战略资源，由于其 资源丰富、分布广、煤种全等特点，成为影响我国经济快速发展的重要因素之 一。据相关统计2 0 0 7 年我国的能源消费结构中煤炭占到了6 7 。这足以说明 我国经济发展对煤炭资源的依赖程度。但是煤炭资源开采过程中往往造成大面 积的地表沉陷，使得大量耕地、建筑物及部分景观被破坏，矿区地下水系统也 将受到很大影响。虽然国家一直实行严格的土地管理政策，要求“谁破坏，谁 复垦，占多少，垦多少 。但是由于历史的积累以及复垦技术的落后等一些因 素的影响，采煤沉陷后土地利用率还很低。据初步统计，我国因地下采矿造成 的地表沉陷每年达到约1 3 万h m 2 ，所以为了最大限度的减少由于开采沉陷引 起的影响，有必要在开采前就对开采过程中将会出现的沉陷状况做出一个准确 的预测，对开采造成的负面影响做出正确的预测和评价。而随着煤炭沉陷区的 产生和面积的扩大，将出现越来越突出的自然环境和社会问题，继而制约地方 经济的可持续发展，因此煤矿沉陷区的生态恢复工作也迫在眉睫。 本论文是在安徽省淮北矿区总体规划环境影响评价课题的支撑下完成。 淮北矿区主要由淮北矿业集团公司、皖北煤电集团公司、安徽省物资能源公司 及安徽煤化有限公司等企业共同开发建设。淮北矿区位于安徽省西北部，地跨 淮北、宿县、阜阳和毫州四市的砀山、肖县、濉溪、固镇、涡阳和蒙城等县。 该矿区煤炭资源极其丰富，其煤炭资源储量9 9 3 1 亿t 。杨柳矿位于淮北市临涣 矿区东北部，地处淮北市濉溪县境内，矿井地质储量为3 2 2 1 3 万t ，工业储量 为2 3 5 9 6 万t 。为了进一步完善淮北矿区总体规划，有效指导矿区的建设，促 进地区经济可持续发展，依据中华人民共和国环境影响评价法、关于加 强煤炭矿区总体规划和煤矿建设项目环境影响评价工作的通知等要求，矿区 总体规划必须开展环境影响评价，作为环保主管部门促进规划区合理开发、加 强环境管理的科学依据。安徽省环境科学研究院承担该规划的环境影响评价工 作，笔者参与了煤矿区开采引起的地表沉陷环境影响评价部分。 1 2 研究意义 安徽省淮北矿区煤炭资源极其丰富，其煤炭资源储量9 9 3 1 亿t 。2 0 0 4 年 淮北矿区生产原煤3 0 4 3 万t ，从事煤炭开采1 2 9 万人。由于淮北煤田可采煤层 多而厚，而且大多采用长壁冒落法采煤，导致地表大面积土地沉陷。截至2 0 0 3 年，淮北矿区已经沉陷土地1 6 0 0 5 公顷，2 5 万农民失去土地【l 】。目前，仍以每 年沉陷6 6 6 7 公顷的速度递增。预计到2 0 18 年，全市采煤沉陷土地面积将达到 2 0 0 0 0 公顷以上，每年新增的失地农民近万人【2 】。耕地的大面积沉陷，给本地 区农业造成极大影响。村庄搬迁、农村劳动力被迫迁移，原有的生态环境被完 全破坏。农民失去土地、失去工作等一系列社会问题随之出现。这些问题将严 重制约地方经济与社会的发展【3 】。据研究分析，如果由各种原因所造成的土地 破坏总量的一半能被恢复并用于农业生产，那么中国每年的粮食产量会提高4 0 x1 0 1 1 k g 【4 】。 因此，为了最大限度地减少煤矿开采对环境的影响，是合理开发利用煤炭 资源与环境和社会持续发展的共同要求【5 】，矿区沉陷程度的预测、沉陷对环境 的影响及煤矿区沉陷地的生态恢复研究就成为矿区开发、生产中的一项必不可 少的任务。这不仅是实现“耕地总量动态平衡 的重要手段，是实施土地利用 总体规划、落实土地用途管制的主要途径，也是保护矿区资源与生态环境、保 证煤炭资源开采与社会、环境协调发展的必然要求【6 】。 本次毕业设计与安徽省淮北矿区总体规划环境影响评价相结合，对淮 北矿区杨柳矿地表沉陷环境影响评价及沉陷区的生态恢复研究进行专题研究， 进一步提高对该领域的认识，了解杨柳矿地表沉陷的直接影响，正确预测、评 价矿区地表沉陷对环境带来的影响，探讨沉陷区的生态恢复工作。以期通过对 矿区地面沉陷规律的研究、其环境影响进行系统的评价以及生态恢复研究，实 现煤炭资源利用与生态环境、社会环境的可持续发展。 1 3 研究概况 ( 1 ) 矿区综合评价研究概况 目前在我国对矿区进行的一些综合评价主要集中在矿区的可持续发展综合 评价和矿区稳定性的综合评价上。对矿区环境的影响评价工作主要集中在对矿 区及周边地区的环境现状进行评价，其主要过程是通过对矿区进行环境调查与 监测，从地表水、地下水、大气、噪声和土壤等自然物理环境方面着手，按照 我国现行的环境质量指标和标准，确定污染因子，从而为矿区的环境规划和整 治提供科学依据。 经过多年的环境影响评价实践，我国己形成了一套较为完整的环境影响评 价体系。但是煤炭开采工程类环境影响评价技术导则却一直未有颁布，这对矿 区煤炭开采的环境影响评价工作带来了极大的不便，而对于煤矿区的塌陷综合 环境影响评价和生态恢复工作更是无明确标准可以参照执行。 目前大多数研究人员对煤矿区的影响评价工作主要倾向于对单因素的影响 评价。如李树志等【7 】研究人员研究了开采沉陷对耕地损坏的评价指标体系，以 便用来作为耕地损坏范围圈定、耕地损坏补偿和土地复垦方式选择的重要参考； 薛会岭等【3 】人结合g i s 空间分析功能和a r c v i e wg i s 的a v e n u e 语言编程技术， 利用沉陷区的公路损害评价指标对影响进行了分析评价；镡志伟等1 9 】人以重庆 某煤矿矿区地质条件为背景，应用适当的方法，在预测讨论了煤层开采后造成 2 的地面沉陷相关情况后，依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压 煤开采规程( 国家煤炭工业局指定，2 0 0 0 年版) 中的砖混结构建筑物损坏等 级标准对煤层群开采造成的地面沉陷对地表建筑物和工程建设的影响进行了评 价。 煤矿沉陷区涉及到的环境影响是多方面的综合的，它包括自然环境和社会 环境的多个方面。单从一个角度出发去评价煤矿开采沉陷给环境带来的影响是 不全面的，对煤矿开采规划和实施过程中的指导意义不大。本论文从矿区的塌 陷预测入手，通过对矿区塌陷程度的掌握，充分考虑涉及到的自然环境因素和 社会环境因素，继而综合评价采煤区地表沉陷带来的环境影响，同时研究沉陷 区的生态恢复工作。 ( 2 ) 矿区地表沉陷预测研究概况 1 ) 国外研究概况 对于矿区的地表沉陷预测研究方面国外进行得较早，已进行了大量的研究 工作，并取得了一些的研究成果。前苏联、波兰、德国、澳大利亚、加拿大、 美国等采矿业发达国家对开采沉陷的理论和实践都进行了较深入的研究。对于 采空区沉陷的成因机制，国外的学者提出了拱形冒落论和压力拱假说、悬臂梁 ( 板) 冒落论和冒落岩块碎胀充填论以及冒落岩块铰结论等多种理论【1 0 】。 针对这些理论，从2 0 世纪7 0 年代至今，随着科学技术的发展和研究手段 的提高，在实践应用中进行了不断的改进和完善，并且伴随其他相关学科理论 的渗透，采空区沉陷预测方法得到了进一步发展，用经典统计方法求解一般情 况下的岩层和地表移动已不再困难，但对于复杂条件，如存在断裂构造、地形 起伏变化很大及采空区不规则等情况时，采用传统方法进行预测，受到很大局 限。目前，采空区沉陷预测方法一般可以分为三类【l u ： 基于实测资料的经验方法( 典型曲线法、剖面函数法) ：是通过对大量的开 采沉陷实测资料的数据处理，确定预测各种移动变形值的函数形式( 解析公式、 曲线或表格) 和预测参数的经验公式。这种方法是目前技术上较为成熟的一种预 测方法。几十年来，我国、前苏联和英国等国家积累了大量的采空区沉陷实测 资料，建立了许多这一类的预测方法。我国常见的负指数函数法、双曲函数法、 典型曲线法及威布尔法等都属于这类方法。 理论模拟法：把岩体抽象为某个理论模型，按照这个模型计算受开采影响 岩体产生的移动、变形和应力分布情况。在大多数国家，为了达到观测开挖沉 陷过程的目的，使用小比例尺相似材料模拟地下空间开挖过程中岩层与地表移 动特征，并且都获得了程度不同的成功。制作物理模型的材料多种多样，但是， 最获成功的材料是沙、明胶和弱粘结状态的熟石膏。这类材料制作的物理模型 便于考虑到地质方面的参数，适用面广，并且很容易观测到开挖沉陷引起的裂 缝生长和传播过程以及其它主要移动变形特征，还能够结合特殊地质与地下空 间开挖条件进行试验，包括多层地下空间开挖或存在岩柱等情况。 影响函数法：其理论根据是在能够对特征点产生开挖沉陷影响的地下岩 层进行单元开挖后，则在该点处形成一个单元下沉盆地，因此，该点的总移动 与变形值应为在开挖沉陷影响范围内的所有单元地层开挖后对该点的开挖沉陷 影响叠加值。影响函数法的主要优点在于它能够预报任意形状地下空间开挖条 件下的任意特征点沉陷量。 2 ) 国内研究概况 我国学者在国外学者的基础上，发展了冒落岩块铰结论，提出了砌体梁平 衡说和“假塑性梁 理论【l1 1 ，砌体梁平衡说主张在工作面区，断裂带的影响比 较大。断裂带破断之后的岩块，形状如同砖石结构的砌体，所形成的平衡结构 称为“砌体梁，实际上是一种拱的结构。在开采之后，上覆断裂带的岩层分 为三个区，即矿壁支撑区、离层区和重新支撑区。每层的结构是靠各个破断岩 块之间，由于水平挤压力所引起的摩擦力来保持：“假塑性梁理论认为地下 煤炭的开采破坏了原有岩体中的应力平衡。随着开采工作面的不断推进，采空 区的面积增加，覆岩在自重的作用下，一般沿岩层面法线方向产生弯曲。当弯 曲岩层的底部悬露到一定跨度时，弯曲的量达到一极限值；这时，在靠近煤壁 端岩层的上表面首先产生开裂，继之，在跨度中央、岩梁( 层) 的下表面也发生 开裂，形成“假塑性梁”。当梁的最大下沉值超过了“假塑性梁”的许可沉降 值时，悬露部分便自行冒落。 我国采空区沉陷研究人员充分结合我国实际，经过几十年的努力，在实践 中引入、提出了多种各具特色的预测方法，包括概率积分法、负指数函数法、 典型曲线法、积分网格法、威布尔分布法、样条函数法、双曲函数法、皮尔森 函数法、山区地表移动变形预测法、三维层状介质理论预测法和条带开采预测 法等，并在工程实践中得到了广泛应用【l2 1 ，其中以我国学者刘宝深、廖国华等 在波兰学者李特威尼中( j l i t w i n s z y n ) 的随机介质理论基础上发展起来的概率积 分法使用最为广泛。 另外，还有许多与采空区沉陷预测方法相关的研究，如袁仁茂等【l3 】人提出 了利用e l m a n 神经网络建立地表岩移时序预报模型的方法；隋旺华等【1 4 j 于1 9 9 2 年研究了煤层开采沉陷土体变形机理及其对地表移动和变形的影响；狄乾生等 【1 5 】1 9 9 2 年就工程地质条件和水文地质条件对采空区沉陷的影响进行了深入研 究；王行风等【l6 j 在分析i d l 和v i s u a lc 撑的基础上，应用组件编程技术实现开采 沉陷数据的三维显示和动态模拟的可视化系统设计，探讨了系统集成的关键技 术。实现了地表塌陷盆地可视化表达。 ( 3 ) 国内外矿区生态恢复概况 生态恢复的定义通常是指受人类活动损伤的生态系统经自然恢复和人类改 造作用恢复到它原来的状态的过程。其中生态重建是人类有目的的将某一个地 4 方改建成为特定的生态系统的过程，是生态恢复中的重要措施。它是竭力仿效 特定生态系统的结构、功能、生物多样性及其变迁的一个过程【1 7 】。目前国内外 在生态恢复方面的研究已经进行了大量的工作。 1 ) 国外研究概况 最早开始生态重建的是美国和德国，美国在19 2 0 年矿山租赁中就明确 要求保护土地和自然环境，德国从1 9 2 0 年开始在煤矿废弃地上植树。1 9 6 0 年 开始许多工业发达国家加速重建法规的制定和生态重建技术集采矿、地质、农 学、林学等多学科于一体，发展成为一门牵动着多行业、多部门的系统工程。 生态重建技术的发展和生态重建法规的逐步完善，也使这些国家生态重建率明 显提高，如美国1 9 7 0 年以前平均生态重建率为4 0 ，1 9 7 0 年联邦土地生态重 建法规颁布，以及1 9 7 7 年美国国会通过了露天开采控制和生态重建法案 ( s m c r a ) 及其他一系列有关法令后，新破坏土地实现了边开采边重建，生态 重建率为1 0 0 ，同时又不断地对废弃的土地进行生态重建。民主德国1 9 世纪 6 0 年代末到1 9 世纪8 0 年代初，生态重建面积是露天采煤占用面积的9 2 ；联 邦德国的莱茵煤矿区，到1 9 世纪8 5 年代生态重建土地面积是露天采煤占地面 积的6 2 ：前苏联自1 9 世纪7 0 年代以来生态重建工作得到了很大程度的发展， 黑色金属矿山平均年重建率己提高到5 0 t 1 8 】。英国政府对采矿造成的土地破坏 的恢复工作也十分重视，1 9 6 9 年英国颁布了矿山采矿法，提出采矿者在开 矿时必须同时进行生态重建及生态重建地的管理工作，明确按国家农林标准进 行生态重建。由于生态重建政策及资金的保障，生态重建工作成绩十分显著。 截至到1 9 9 3 年仅露天矿就已重建了5 4 1 0 4 h m 2 的农林用地。林业生态重建主 要采用当地乔木树种和灌木，以及优良的无性系品种造林。造林一般选择一年 中的温暖季节，施肥或不施肥，整地或直接造林方式进行【1 9 2 们。 有关国际学术组织活动和有关文献的数量显示，2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年 代以来，国外对于地表沉陷区对环境的影响以及沉陷区的生态恢复工作进行了 大量的研究【2 1 2 4 1 。最近1 0 年国际上该研究领域较为活跃，除一些组织召开专 门的国际土地复垦会议以外，在矿山环境及矿山开采等国际会议中也经常将沉 陷地复垦列为主要的论题。近年来，较为活跃的研究领域及取得的主要研究成 果包括：矿山开采对土地生态环境的影响机制与生态环境恢复 2 5 - 2 6 】；c a d 与 g i s 在土地复垦中的应用 2 7 - 2 8 】，y u r ig o r o k h o v i c h 等2 9 1 将g i s 用于废弃矿区复 垦工程，并取得比较满意的效果。无覆土的生物复垦及抗侵蚀复垦工艺 3 0 - 3 1 ， 矿山复垦与矿区水资源及其他环境因子的综合考虑【3 列；清洁采矿工艺与矿山生 产的生态保护等 3 3 - 3 4 】。 国外矿区生态恢复的特点是：有健全的生态重建法规；有专门的生态重建 机构；有明确的生态重建资金渠道和生态重建基金；将生态重建纳入到开采许 可制度之中；实行生态重建保证金制度；建立严格的生态重建标准；重视生态 重建研究和多学科专家的参与合作以及有生态重建的学术团体和研究机构，学 术活动十分活跃【l 引。所有这些都在一定程度上保证了矿区生态恢复工程的有效 有序进行。这对于我国的生态恢复工作有很重要的借鉴和参考意义。 2 ) 国内研究概况 我国土地复垦工程技术起步较晚，始于1 9 世纪6 0 年代。5 0 年代末，一些厂 矿及科研单位开始考虑复垦问题。1 9 5 7 年，辽宁桓台铝锌矿将废弃的尾矿地采 取工程实施覆土造田：河北唐山骆庄铁矿从建矿开始，利用剥岩、填沟、平坑 造地和用尾矿砂充填河滩造地：一些科研单位，如有色冶金设计院，1 9 5 7 年， 就专门从事土地复垦的调研；煤炭、黑色冶金的设计单位为上地复垦事业的发 展也做了大量工作。从上世纪7 0 年代开始，矿区农民开始进行小规模的沉陷水 面的养殖、种植和以煤矸石充填作为基建用地的尝试。2 0 世纪8 0 年代以来，全 国人大常务委员会、国务院、国家计委、国家经委、水利部、财政部、煤炭部、 冶金部、环保局、土地局等有关部门先后制定了与矿区土地复垦、水土保持、 环境保护有关的法律、法规和规章3 0 余部，如中国2 1 世纪人口、环境与发展 白皮书( 1 9 9 4 ) ，中华人民共和国土地管理法( 1 9 8 6 ) ，中华人民共和国水 土保持法( 1 9 9 4 ) ，中华人民共和国煤炭法( 1 9 9 6 ) 以及土地复垦规定( 1 9 8 8 ) 等。这些规定使我国采煤沉陷地复垦工作步入了规范化阶段。目前，采煤沉陷 地复垦工作开展较好的主要集中在人地矛盾突出的安徽、江苏、山西、河南和 辽宁等地。而中国矿业大学、中科院水土保持研究所等诸多单位【3 ，_ 45 j 从采矿学、 环境学等角度出发对沉陷的形成机理、过程、生态复垦植被的演替、复垦模式 和经济利益进行了较多的研究。其中，中国矿业大学的顾和和1 36 j 提出了“煤 矿沉陷土地可持续利用”的概念，提出沉陷土地的可持续利用实质就是沉陷土 地的持续高效利用，其目的是矿区物质良性循环和高效利用，充分发挥沉陷地 生产力的同时，防止环境污染，保持复垦土地质量不下降，实现复垦土地生态 系统的良性循环。卢全生等【4 4 】提出了煤矿沉陷区土地复垦的原则和五种主要模 式( 农业复垦、林牧复垦、渔业复垦、旅游复垦、水源复垦) ，并以河南省永城 矿区为例，分析了土地复垦的综合效益。董祥林等【4 6 】对朱仙庄矿七采区地表沉 陷现状的反复研究和充分论证，提出对矿区沉陷地实施梯次动态复垦，不仅保 护了矿区的生态环境，保证了矿区安全生产形式的持续稳定发展，而且取得了 良好的经济和社会效益。刘景双等【47 】以抚顺矿为例，采用复垦还田与排矸相结 合，复垦高质量农田，既可减少占用土地面积，又能将沉陷区土地复垦还田； 同时也将剥离矸石等固体废物掩理，防止了环境污染。而汪红等【4 引提出从资金 管理制度、复垦土地产权、建立沉陷地复垦市场体系、完善政策法规着手，完 善采煤沉陷地复垦投资机制，继而保证和促进沉陷地的生态恢复工作不断开展。 目前我国采煤沉陷地复垦理论主要研究成果有：矿区土地复垦规划理论和 方法，高潜水位矿区生态工程复垦，矿山土地及复垦土壤的特征与改良，矸石 6 山植被与复垦i p 开采沉陷对耕地的破坏机理与对策，我国土地复垦政策与战略 研究，开采沉陷土地复垦工艺研究等【4 9 1 。 1 4 研究内容和方法 1 4 1 研究内容 论文依托安徽省环境科学研究院承接的安徽省淮北矿区总体规划环境影 响评价项目，以淮北矿区的杨柳矿为主要研究对象，对杨柳矿将要出现的地 表沉陷带来的综合环境影响进行研究，以期在一定程度上有助于指导煤矿设计 施工并减少地表沉陷给环境带来的影响，从而实现煤矿地表沉陷的环境质量的 全过程控制，为淮北地区的煤矿开采的可持续性提供科学依据。 研究的主要内容包括： ( 1 ) 分析、总结国内外煤矿区地表沉陷环境影响评价现状，以及矿区地表 沉陷的预测研究和矿区的生态恢复情况； ( 2 ) 分析、总结煤矿区地表沉陷的形态特征、煤矿区沉陷对环境一般影响、 沉陷形成规律；在分析总结目前煤矿区地表沉陷预测方法的基础上选择合适的 煤矿区地表预测模型，并分析相关预测参数的确定方法以及预测的内容； ( 3 ) 在分析煤矿区地表沉陷环境影响的基础上，通过对指标体系结构及其 构建原则、作用和方法的总结分析，建立适用于煤矿地表沉陷综合环境影响评 价的指标体系。 ( 4 ) 研究地表沉陷综合环境影响评价指标体系评价标准，并构建煤矿区地 表沉陷综合影响评价指标隶属函数对评价指标进行指标量化。 ( 5 ) 应用所建立的评价体系对杨柳矿地表沉陷进行综合环境影响评价，得 出地表沉陷综合影响度。 ( 6 ) 根据杨柳矿地表沉陷的预测结果，在总结分析矿区沉陷地生态恢复模 式及措施等的基础上，研究杨柳矿沉陷区的生态恢复综合整治方案，并进行可 行性分析和效益分析。 1 4 2 研究方法 论文的研究方法是在对淮北矿区杨柳矿开采建设资料及项目区域自然、社 会经济基础资料的收集、整理和理解的基础上： ( 1 ) 从地质学的角度研究地表沉陷的形态特征、般规律等，运用中国矿 业大学开发的以概率积分法为原理的矿区开采地表沉陷预测软件对淮北矿区杨 柳煤矿开采过程中将会出现的地表沉陷情况进行预测； ( 2 ) 从环境学的角度分析研究杨柳煤矿区地表沉陷对自然环境和社会环境 带来的各种影响，根据指标体系构建的原则和目的建立杨柳矿地表沉陷综合评 价指标体系，在了解杨柳矿将要出现的沉陷程度的基础上，利用模糊综合评价 7 方法评价地表沉陷将会对环境造成的综合影响； ( 3 ) 针对淮北矿区杨柳矿沉陷区的生态破坏情况，基于可持续发展理论和 循环经济理论，并总结分析煤矿沉陷区各种生态恢复模式和措施的基础上提出 了杨柳矿的生态恢复综合整治方案。 综合以上所述，把传统的思维观和近代科学技术结合起来，充分利用新的 理论方法和先进的计算机技术，最后通过开采沉陷情况对环境的影响进行综合 评价并设计沉陷区的生态恢复综合整治方案，以保障矿区可持续发展和矿区环 境保护的目标，研究地面沉陷的综合环境影响，提出预防和治理措施以及改造 利用途径，争取获得良好的经济、环境和社会效益。 1 5 研究区域概况 1 5 1 基本情况 淮北矿区位于安徽省西北部，地跨淮北、宿县、阜阳和毫州四市的砀山、 肖县、濉溪、固镇、涡阳和蒙城等县。矿区范围：东起京沪铁路和符离集一四铺 一任桥一线附近，西止豫皖省界；南自板桥断层，北至鲁皖和苏皖省界。东西长 4 0 , - - , 1 5 0 k m ，南北宽1 3 5 k m 左右，矿区面积约1 2 3 5 0 k m 2 。其中杨柳矿为新建矿井， 井田南北走向长约9 o k m ，东西倾斜宽3 - 9 k m 。位于安徽省淮北市临涣矿区东北 部，地处安徽省淮北市濉溪县境内，北距淮北市约4 0 k m ，距濉溪县城约3 0 k m ， 东北距宿州市约2 1 k m 。杨柳矿井地质储量3 2 2 1 3 万吨，工业储量2 3 5 9 6 万吨，可 利用地质储量1 9 9 9 0 5 2 万吨，可采储量1 5 4 8 7 4 万吨。 淮北矿区所在区域经济基础相对较薄弱，各矿井开发建设的巨大投入，不 仅可为地方财政增加收入，而且可以带动地方相关产业的发展，促进市场繁荣， 促进城镇建设，缓解就业压力，提高人民物质生活水平，矿区的开发建设对地 方经济的发展有重要意义。 但由于淮北矿区包括杨柳矿主要分布在江淮平原区，下伏岩层多为灰岩、 白云岩和砂岩互层，浅部岩溶发育富水。当地下水沿构造断裂带运动时，造成 上复地层沉陷，有时还引发其他地质灾害；其次淮北矿区汛期较为集中，多为 6 8 月，其降水量占全年的一半以上，短期内的高强度降水，使得大面积地表 径流涌入地下，促使地下水位迅速上升，导致松散土层处于饱和。一旦降水停 止，地下水迅速下泄，造成地面沉陷；再次，淮北矿区煤炭开采强度很大，过 度开采现象频繁出现，同时采煤过程中地下水大量疏排直接增加了大面积地面 塌陷的可能性，继而引发地质灾害；破坏地下水系统的均衡，导致地下水位下 降，形成大面积疏干漏斗，使地表水资源流失，井、泉干枯，影响矿区周边人们 正常的生产生活。p o j 杨柳矿为新建矿井，目前尚未出现地表沉陷现象，但淮北矿区其他开采矿 井均出现了不同程度的沉陷，各地政府及单位等均采取了一系列的缓解措施。 8 1 5 2 沉陷现状概况 安徽是产煤大省，淮北市因煤而生，因煤而兴。淮河两岸平原区分布有大量 煤田，含煤矿区面积约1 8 万k m 2 ，占全省国土总面积的1 3 ，区内地下水含量丰 富。其中淮北探明煤炭储量约8 0 亿t ，2 0 0 4 年年产原煤约3 0 0 0 万t 。自2 0 世纪5 0 年代开始，采煤沉陷区就已经产生并初具规模，只是当时煤炭开采量较小，沉陷 范围增长缓慢，年递增量为l 2 k m 2 。据统计，淮北煤田每采万吨煤沉陷土地面积 约3 2 0 0 m 2 。自2 0 世纪8 0 年代开始，煤炭开采量逐渐增大，沉陷区增长速度也随之 加快。目前淮北煤田地面沉陷总面积已达1 7 l k m 2 ，部分沉陷区已积水成湖，连接 成片，面积约5 l k m 2 ，沉陷中心最深为2 2 m ”j 。截至到2 0 0 5 年年底，皖北煤电公司 共塌陷土地4 2 k m 2 ，塌陷深度o 3 7 m ，积水深度0 4 m ，万吨塌陷率平均约为 4 0 0 0 m 2 ， 5 1 】这些都给矿区周围的生活环境带来了严重的危害，严重影响了当地 居民的生活和生产，由此可以看出煤炭开采区地表塌陷已经成为制约我省煤炭 持续发展的关键因素。 1 5 3 沉陷区生态恢复现状概况 淮北矿区现有开采矿井大多处于淮北市和宿州市境内，近年来两市相关单 位都采取了一系列的生态恢复措施。 近年来，淮北市对煤矿沉陷区进行了全面综合治理，申请设立了安徽省重点 项目一淮北市采煤沉陷区综合治理项目( 含1 4 2 个子项目) ，并已顺利实旅。至 2 0 0 6 年底，共完成投资2 6 6 亿元( 其中国家投资1 8 5 亿元) ，初步解决了煤矿沉 陷区主要的生态环境问题。淮北市针对不同类型沉陷区，采取了不同的治理方 法。如对浅层沉陷地以恢复耕种为主，建立造地种植模式；对中度沉陷地则挖深 填浅，建立粮渔综合模式：另外还建立了煤矸石充填沉陷区造地基建模式，粉煤 灰充填沉陷地人工造林模式，大水面沉陷区兴建水上公园等模式，使淮北煤矿沉 陷区的生态环境大有改观。为了从源头上遏制生态恶化，2 0 0 7 年淮北市开始实施 “地质灾害防治规划 ，规划在1 0 年内分二期投入2 7 亿元防治地质灾害，经费主 要由引发灾害的责任单位承担，实现“谁引发，谁治理 1 5 。 宿州市皖北煤电集团采取“原地复垦、一次复高到位，以复代征”模式和 “易地复垦、以地换地 的模式对塌陷地进行管理，同时根据各矿区不同表土 层地质条件及地表塌陷情况，有选择地采取泥浆泵复垦技术、铲运机复垦技术、 挖掘机和推土机联合复垦技术等工程技术以及复垦土地的农业种植技术、生态 复垦技术一水产和畜禽综合养殖等生物生态复垦技术对塌陷区进行有效治理，目 前也取得了很好的效果【5 。 杨柳矿位于淮北市境内，属新建矿井，目前尚未出现地表沉陷现象，矿井 范围内的生态植被较好。 9 第二章煤矿区的地表沉陷 我国是世界第一煤炭生产和消费国，煤炭占全国能源生产和消费总量的 7 0 。我国煤炭井下开采量约占原煤产量的9 7 ，开采方法以长壁工作面全陷法 管理为主，这就不可避免地导致地表产生大面积的沉陷【5 引。且采煤沉陷地大多 集中在黄、淮、海平原及东北平原、湘南、赣西南、山东、河南、陕西和山西 省的中部盆地及两侧山地，以及内蒙古东部等地区。大部分是平原地区的可耕 地，其采空区的地表均是耕地或可以开发利用的后