喀斯特采煤塌陷区地质特征及生态环境修复治理研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：贵州省科技计划项目（）作者简介：杨绍章（），男（侗族），贵州天柱人，高级工程师，硕士，研究方向为水工环地质、岩土工程、生态修复及污染防治。引用格式：杨绍章 喀斯特采煤塌陷区地质特征及生态环境修复治理研究 能源与环保，（）：，（）：喀斯特采煤塌陷区地质特征及生态环境修复治理研究杨绍章，（贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州 贵阳 ；贵州荣源环保科技有限公司，贵州 贵阳 ）摘要：针对煤矿开采量增加、生态环境管理不当出现采煤区塌陷情况，造成生态环境破坏现象，提出喀斯特采煤塌陷区地质环境特征及生态环境修复治理方法。以某喀斯特地貌区某矿山作为研究对象，通过分析喀斯特采煤区域塌陷机理与地质环境特征后，利用 平台评价喀斯特采煤塌陷区地质环境，得到当前喀斯特采煤塌陷区地质环境评价等级，依据该评价等级提出工程修复、植被修复等生态环境修复治理方法。实验结果表明，该方法可有效评价喀斯特采煤塌陷区地质环境，应用该方法后，喀斯特采煤塌陷区地质环境评价等级均得到有效提升，植被覆盖率提升幅度较大，应用效果较为显著。关键词：喀斯特；采煤塌陷区；地质环境特征；生态环境修复治理；地质环境评价中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；我国地域广阔，煤炭矿产资源丰富，且煤炭资源也是我国能源结构的支柱。自现代工业技术发展以来，煤炭资源开采日益频繁 ，过度开采煤炭资源造成当地区域植被破坏、地面塌陷、水土流失等。该种现象在喀斯特地貌煤炭资源开采过程中非常明显，喀斯特也称为溶岩，碳酸盐岩、石膏等受到水流 年第 期杨绍章：喀斯特采煤塌陷区地质特征及生态环境修复治理研究第 卷冲击和浸泡，产生化学溶蚀现象，形成喀斯特地貌 。喀斯特地貌区域地下溶洞和裂隙较多，容易形成地面渗漏和地基不稳定情况，在喀斯特地貌区域开采煤炭资源时，其开采区塌陷风险较大。煤炭开采坍塌区域植被、水土等均会造成破坏 ，为修复区域生态环境，分析喀斯特采煤坍塌区域环境特征，并对其进行生态环境修复治理非常必要。现在也有很多学者对采煤塌陷区生态修复治理进行了专项研究，如唐丽伟等 提出采煤塌陷区治理模式，通过分析煤炭塌陷区地貌和植被等特征，按照因地制宜原则提出农业与渔业相结合的土地复垦治理方法。该方法区域针对性较强，无法大范围使用，因此其仅具备参考价值。童格军等 研究了高潜水位采煤塌陷区生态修复方法，依据采煤塌陷区地下水位情况，疏通水系和修复道路，再种植不同类型植被，实现采煤塌陷区生态修复。但该方法计算采煤塌陷区地下水位精度不足，导致其最终生态修复效果不佳。针对上述情况，本文提出喀斯特采煤塌陷区地质环境特征及生态环境修复治理方法，为采煤塌陷区生态环境恢复提供技术性指导。采煤塌陷区地质特征与生态修复治理方法 研究区概况以喀斯特地貌区域某矿山作为实验对象，该矿山开采时间为 年左右，年产煤量为 万 左右。该矿山长期开采，造成约 万 的塌陷区域，且随着时间增加，该区域受雨水和煤炭开采排水影响，其喀斯特情况愈加严重，每年以 的速度持续塌陷。该采煤塌陷区域地层与岩性主要为千海相沉积岩，漏出层为新老程度不同的石岩系（下统岩关阶、大塘阶）、石炭系（中统黄龙组、上统马平组）、二叠系（下统栖霞组、中统茅口组）等。依据含水层性质，该矿山区域内为碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水和第四系孔隙水。其中碳酸盐岩岩溶水分布范围较广，在该矿山区域水系内占比较大。其次是基岩裂隙水，其在地下溶蚀区域分布范围较广，且含水层水位较高，水埋藏较浅。第四系孔隙水则分布在该矿山区域的缓坡地带，其埋藏较深。喀斯特采煤塌陷机理与地质环境分析在喀斯特地貌区域，发生采煤塌陷情况最主要原因是地下水位发生巨大变化 。当地下水位低于煤炭开采巷道或者喀斯特洞穴水位线时，地下水无法补给土体，导致煤炭开采巷道顶板上方的土体干燥，土体干燥或产生干缩裂缝。随着时间的增加，土体裂缝贯穿地表 ，当该区域降雨时，雨水浸润造成土体强度降低，喀斯特洞穴处和煤炭开采巷道发生塌陷。采煤区发生塌陷情况，该区域水位大幅度下降，地下水动力条件丧失，部分区域水力坡度和流速加大 ，进一步增加该区域喀斯特情况，导致岩层内溶岩和土洞规模扩大，部分区域水动力降低，无法进行水循环，其为植被提供的水质量降低，土壤保水保肥能力降低 ，导致大量植物死亡，土地呈现贫瘠状态。同时，采煤塌陷也会导致周边农田开裂，农田区域土壤含水量降低，农作物无法生长。喀斯特采煤区发生坍塌后，导致周边河流内煤炭含量骤升，水体富养化严重，藻类生长较为迅速，水质污染严重且伴随恶臭气味 。当地表受到污染的水进入地下后，也会污染地下水，为人们生活带来极大不便。以上是从生态角度分析的喀斯特采煤塌陷区特征，下面从地质角度分析。当采煤区发生塌陷时，塌陷的地势会引起滑坡和泥石流等地质灾害，采煤区造成大量的塌陷坑，通常坑深为 ，出现较为陡峭的凌空面，且喀斯特区域岩层结构不够稳定 ，也极容易再次发生塌陷。喀斯特采煤塌陷区地质环境评价在修复治理喀斯特采煤塌陷区生态环境之前，需对其当前地质环境进行评价，依据评价结果制定对应的修复治理方法，在此使用 平台评价喀斯特采煤塌陷区地质环境。平台评价喀斯特采煤塌陷区地质环境流程如图 所示。图 喀斯特采煤塌陷区地质环境评价流程示意 在评价喀斯特采煤塌陷地质环境之前，通过实 年第 期能源与环保第 卷地调查方式获得喀斯特采煤塌陷区域的基础地理信息、生态地质信息、生态环境信息和地质灾害信息后，将该信息输入到 平台内，其将喀斯特采煤塌陷区地质环境信息划分为属性数据和图形数据，并录入属性数据，将图形数据转换为数字化后 ，得到喀斯特采煤塌陷区地质环境的空间数据，再依据地质环境评价指标体系，利用层次分析法评价模型输出喀斯特采煤塌陷区地质环境等级。利用 平台评价喀斯特采煤塌陷区地质环境时，需构建其评价指标体系，依据该评价指标体系，可得到喀斯特采煤塌陷区域地质环境综合评价。依据动态、可比、可量化等原则，设计喀斯特采煤塌陷区地质环境评价指标体系，见表 。表 地质环境评价指标体系 一级指标二级指标三级指标地质灾害发育程度地面塌陷规模塌陷深度塌陷面积土地裂缝规模裂缝深度裂缝长度地质生态环境绿化率绿地覆盖面积土地盐碱化程度碱斑率水土流失程度流失面积率平均流失厚度地下水位变化地下水位景观破坏程度景观破碎化碎片数量景观破碎化碎片大小矿业开发强度煤炭开采强度采高开采面积占比单位面积产量矿山废水排放强度废水排放量依据上述喀斯特采煤塌陷区地质环境评价指标体系，使用层析分析法构建评价模型，该模型对喀斯特采煤塌陷区地质环境信息进行归一化处理后 ，构建判断矩阵，再计算每个地质环境评价指标体系的影响值。采用分级方法将评价等级划分为 个等级，见表 。表 评价等级划分标准 分级标准评价等级解释 几乎无影响 影响一般 影响严重 影响非常严重利用层析分析法构建评价模型输出每个地质环境评价指标体系的影响值后，对照表 即可得到喀斯特采煤塌陷地质环境评价结果。采煤塌陷区生态环境修复治理方法依据喀斯特采煤塌陷区地质环境评价结果，针对塌陷区存在的不同问题，通过植被修复、改善土壤环境等方法，修复治理采煤塌陷区生态环境，其详细内容如下。（）工程修复。对于地质灾害发育程度较为严重的区域，采用工程对策进行修复治理。由于喀斯特采煤塌陷区域范围较大，且其生态环境修复治理专项资金有限，在修复治理喀斯特采煤塌陷区生态环境时，重点选择塌陷较为稳定区域进行治理，否则在生态环境治理过程中，塌陷区域不够稳定会产生再次塌陷情况，导致前期生态环境治理工作前功尽弃。划分出较为稳定的塌陷区域后，将该区域的废弃建筑物全部拆除，并清除建筑垃圾；再使用石块填补沉陷深度较大的塌陷坑，使用渣土对塌陷坑填充密实后，利用压路机对塌陷坑进行分层压实平整，直到塌陷坑与地表齐平，尽可能恢复地表原貌。对于耕地塌陷区域，需对其进行科学的回填与修正，以免影响后续农作物生长。由于煤炭开采区域土壤条件相对较差，其土壤内重金属超标严重，无法用该区域土壤对耕地塌陷区域进行回填。因此，在回填耕地塌陷区域时，尽量使用无污染或者污染情况较轻的土壤。回填耕地塌陷区域时，利用煤矸石、黏土和较远距离土壤经过科学配比后，对塌陷区域进行回填。当耕地塌陷区域回填平整后，则需要用客土法对土壤进行改良处理，使土壤满足生产和种植需求，提升该区域的植物成活率。当喀斯特采煤区塌陷趋于稳定后，塌陷区域的排水渠道均为自然形成，而防洪排水渠道多存在变形、断裂或阻塞情况。在雨季来临时，采煤塌陷区域坑洼地段会被水淹没，其喀斯特地貌土地结构不够稳定，也会造成滑坡或者二次坍塌。此时，需对该区域的疏排水渠道进行整改，并在疏排水渠道边坡上种植绿色植物。该治理修复方法不仅可有效进行疏排水，还可提升喀斯特采煤塌陷区域的植被覆盖率。（）植被修复。喀斯特采煤塌陷区域生态环境修复治理主要手段为植物绿化。在范围较大常年积水深度以上的塌陷区，应根据地形特点，建造供游览、休闲和养殖基地，充分利用水面资源。根据因地制宜的原则，对采煤塌陷地进行生态改造是一种有效的治理方式。其中，将采煤塌陷地改造成河流湖泊，并建立生态湿地，可以有效处理采煤塌陷区内的工业废水、生活污水以及农田退水等。对于缺少植被净化作用的塌陷区域，可以修复为养殖型构造 年第 期杨绍章：喀斯特采煤塌陷区地质特征及生态环境修复治理研究第 卷湿地，开发渔业养殖，具有良好的环境效益和经济效益。对于人类活动密集的采煤塌陷区，可以将其改造为景观优美的湖泊河流，并在周围引种一些观赏型植物，使其不仅具有观赏价值，同时也能发挥净化功能。构建景观型生态湿地，可发展旅游业并形成具有矿区特色的生态旅游区。对于受到污染的塌陷区域，可以构建净化型湿地，解决尾水资源化利用和土地复垦问题，实现其生态可持续发展，同时也能减轻环境压力，节省环境治理费用。在种植植物过程中，需遵循植物多样化原则，结合乔木、灌木、藤本类植物，打造多类型、强适应度的植物群落。由于煤炭开采区域土壤内有机质含量较低，可选择豆科类植物，以提升土壤内有机质含量，达到快速修复土壤能力。且依据植物生长特性，在山坡上种植耐旱类植物，在低洼区域种植耐涝类植物，以提升喀斯特采煤塌陷区植被的抗逆性。充分重视植物的生长环境，将水生植物与湿生植物合理分配在各个景域，保证植物景观的地域性，最大限度地发挥其生态效果。（）水污染修复治理。喀斯特采煤塌陷后，矿井水会排到地表，对居民生活用水造成污染。对于酸性的矿井水，以石灰作为主成分对矿井水进行中和处理，并通过疏通河道和排水渠方式，将其应用到植被灌溉、工业生产过程中。对于碱性的矿井水，则通过无机高分子絮凝剂和聚合铝铁净化剂对其进行过滤处理，得到纯度较高的生活用水。建立矿井水循环利用系统，将矿井水应用到植被灌溉、工业生产过程中，减少其对环境的污染和浪费，提高矿井水的利用效率。实例分析应用本文方法对该喀斯特采煤塌陷区域生态环境进行修复治理，分析本文方法实际应用效果。喀斯特采煤塌陷区地质环境评价指标体系构建是影响其地质环境评价效果的主要因素。在此以克隆巴赫系数作为衡量指标，以二级指标作为对象，验证本文方法构建喀斯特采煤塌陷区地质环境评价指标体系能力，结果如图 所示。分析图 可知，采用本文方法构建的喀斯特采煤塌陷区地质环境评价指标体系中，二级指标的克隆巴赫系数均高于 。依据克隆巴赫系数高于 方可作为团体比较的原则来看，本文方法构建的喀斯特采煤塌陷区地质环境评价指标体系效度和可信度均较好，可以用于喀斯特采煤塌陷区地质环境评价。图 指标体系克隆巴赫系数 以地质环境评价指标体系内的三级指标作为对象，使用本文方法评价喀斯特采煤塌陷区域未治理修复时的地质环境，评价结果见表 。分析表 可知，应用本文方法可有效评价喀斯特采煤塌陷区域地质环境，且从评价结果来看，该喀斯特采煤塌陷区地质环境较差，其对生态环境的影响程度大多数为影响严重和影响非常严重。表 喀斯特采煤塌陷区域未治理修复时的地质环境 三级指标地质环境评价结果塌陷深度塌陷面积裂缝深度裂缝长度绿地覆盖面积碱斑率流失面积率平均流失厚度地下水位景观破碎化碎片数量景观破碎化碎片大小采高开采面积占比单位面积产量废水排放量以研究区某个塌陷区域为实验对象，使用本文方法对塌陷区进行回填，并修复其周边植被，修复治理结果如图 所示。分析图 可知，应用本文方法修复治理后，其塌陷坑位置被填平，且对填平区域进行了划分，在不同分区处种植了不同类型的绿色植物，地表植被和土壤均被有效修复。综上所述，应用本文方法可有效修复治理喀斯特采煤塌陷区生态环境，其具备较好的应用效果。年第 期能源与环保第 卷图 塌陷区回填与周边植被修复治理效果 为进一步验证本文方法修复治理喀斯特采煤塌陷区生态环境能力，以该区域的植被覆盖率作为衡量指标，测试在应用本文方法修复喀斯特采煤塌陷区前后植被覆盖率变化情况，测试结果如图 所示。分析图 可知，该喀斯特采煤塌陷区域在应用本文方法前，其植被覆盖率最低为 左右，最高仅为 左右；而应用本文方法对该喀斯特采煤塌陷区域生态环境进行修复后，其不同塌陷区域的植被覆盖率均得到大幅度提升，其中最高植被覆盖率可达到 左右。综上所述，本文方法应用后，可有效提升喀斯特采煤塌陷区植被覆盖率，其应用效果较为显著。图 喀斯特采煤塌陷区植被覆盖率 以喀斯特采煤塌陷区地质环境评价一级指标为实验对象，测试本文方法应用后其一级指标评价等级变化情况，结果如图 所示。分析图 可知，该喀斯特采煤塌陷区生态环境修复治理前，其地质灾害发育程度、地质生态环境、矿业开发强度等指标评价等级均较低；应用本文方法对该区域生态环境进行修复治理后，地质环境一级指标的评价等级均得到有效提升，尤其是地质灾害发育程度、地质生态环境，分别由最初的影响非常严重降低到几乎无影响。综合上述结果，本文方法对喀斯特采煤塌陷区生态环境修复治理能力较好，可有效提升该区域地质环境评价等级。图 地质环境评价一级指标变化 结论喀斯特地貌区域地质结构稳定性较差，分布大范围溶洞、裂缝等，且在该区域开采煤炭时，煤炭排水、地下挖空，进一步降低了喀斯特地貌区域岩层的稳定性，其出现塌陷的概率大幅度提升。该区域出现采煤塌陷时，对当地生态环境造成不可逆的影响，经过对本文方法进行实际验证，本文方法具备较强的生态环境修复能力，应用效果显著。参考文献（）：胡振琪，袁冬竹 黄河下游平原煤矿区采煤塌陷地治理的若干基本问题研究 煤炭学报，（）：，（）：胡海峰，廉旭刚，蔡音飞，等 山西黄土丘陵采煤沉陷区生态环境破坏与修复研究 煤炭科学技术，（）：，（）：年第 期杨绍章：喀斯特采煤塌陷区地质特征及生态环境修复治理研究第 卷 田得龙 协庄煤矿煤矸石回填治理塌陷区的环境可行性 煤炭技术，（）：，（）：杨威，张婷婷，孙雨琛，等 淮北采煤塌陷区小型湖泊浮游植物群落结构特征 淡水渔业，（）：，（）：毕卫华，钱倬珺，王辉，等 基于 的采煤塌陷积水对生态环境的影响研究 中国矿业，（）：，（）：唐丽伟，焦玉国，徐飞，等 肥城市采煤塌陷区治理模式探索研究 山东国土资源，（）：，（）：童格军，庞建勇，姜子亮，等“两淮”高潜水位采煤沉陷区生态修复治理探究 建井技术，（）：，（）：刘辉，朱晓峻，程桦，等 高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构关键技术：以安徽淮北绿金湖为例 煤炭学报，（）：，：，（）：汤姚楠，周伟奇 废弃矿区生态修复的资源再利用价值评估 以徐州为例 生态学杂志，（）：，：，（）：申艳军，杨博涵，王双明，等 黄河几字弯区煤炭基地地质灾害与生态环境典型特征 煤田地质与勘探，（）：，（）：谢晓深，侯恩科，冯栋，等 榆神府矿区采煤地表裂缝发育规律及特征 工程科学学报，（）：，（）：张若扬，郝鲜俊，韩阳，等 不同有机肥对采煤塌陷区土壤氮素矿化动态特征研究 水土保持学报，（）：，（）：李学良，孙光，闫建成，等 典型高潜水位矿区采煤塌陷地损毁特征及复垦模式分析 煤炭技术，（）：，（）：邓睿，储凯锋 基于“”理念的景观修复设计在采煤塌陷区的应用研究 黑河学院学报，（）：，（）：，李汉卿，陈立强，竹涛 基于层次分析法的煤炭资源型城市生态环境质量动态评价 洁净煤技术，（）：，（）：徐艳，王璐，樊嘉琦，等 采煤塌陷区生态修复技术研究进展 中国农业大学学报，（）：，：，（）：周晓芳，高良敏，陈晓晴，等 杨庄煤矿区农田塌陷水域多介质 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