淮北闸河矿区采煤沉陷区环境综合治理与土地高效利用实践

2024年3月17日发(作者：航空管理)

淮北闸河矿区采煤沉陷区环境综合治理与土地高效利用实践

刘杰;李伟;严家平

【摘 要】针对淮北闸河矿区煤炭资源开采带来的环境和土地利用问题,结合矿区自

然环境条件和煤矿开采形成的环境现状,提出"宜城则城、宜乡则乡、宜地则地、宜

水则水"的矿区环境治理理念.通过开展矿山环境保护和综合治理技术研究与大量的

工程实践,转变煤矿开采区的环境固有效应,解决了矿业城市建设用地紧张、村庄发

展以及失地农民的生产生活问题,实现了矿区土地高效利用,达到资源开发与环境保

护并重的目的.所开展的有利于地面环境保护或治理的煤层开采前区域规划设计、

先进的开采工艺,显著减小了对地面环境的破坏和影响;采空区稳定性评价和注浆加

固技术,使一定区域内地面塌陷得到有效控制,实现了采煤沉陷区地面建设,缓解了矿

业城市建设用地紧张的局面;对采煤塌陷积水区,参照城市湿地标准要求开展湿地建

设,将采煤塌陷水域建设成为生态建设用地;实施的煤矸石充填复垦工程,既解决了矿

区固废处置处理问题,同时又实现了沉陷区土地复垦.通过塌陷区环境综合治理,实现

了土地高效利用,同时取得了良好的经济、环境和社会效益.

【期刊名称】《建井技术》

【年(卷),期】2018(039)002

【总页数】6页(P4-9)

【关键词】淮北矿区;采煤沉陷区;环境治理;土地高效利用

【作 者】刘杰;李伟;严家平

【作者单位】淮北矿业集团有限责任公司,安徽淮北 235000;淮北矿业集团有限责

任公司,安徽淮北 235000;安徽理工大学测绘学院,安徽淮南 232001

【正文语种】中 文

【中图分类】TD88

1 矿区概况

淮北闸河矿区主要分布于安徽省北部的淮北市及相邻的宿州萧县部分地区，总面积

约200 km2，属于淮北市煤炭资源开发历史最早的矿区之一[1]，区内包括杨庄矿、

朱庄矿、张庄矿、岱河矿、石台矿、朔里矿、袁庄矿、沈庄矿、孟庄矿和毛郢孜矿

等多个煤矿。矿区所在的淮北市是1座现代能源型工矿城市，与矿山相互交织，

市区面积34 500 ha[2]。

矿区地貌为低山丘陵和平原，地下水位较高。区内煤炭资源丰富，但地质断裂构造

十分复杂，煤层分布连续性差。由此造成区内所有煤矿规模不大，形成区内煤矿点

多面广的矿区局面。全区含煤地层上部普遍存在百米以上的第四系松散层，并存在

3～4个稳定的隔水层。区内潜水位埋深较浅，采煤形成的沉陷区极易成为积水区

[3-4]。截至2016年底，矿区地表塌陷区总面积已达9 000 ha，积水区域面积1

853 ha，占地表影响面积的40%[5]。矿区采煤塌陷导致耕地大量减少，失地农民

约13万人，对传统的农业耕作活动造成较大影响；同时沉陷区居民搬迁耗费大量

资金，新迁居民无地可耕。另外，采煤塌陷很大程度上改变了矿区自然景观格局，

除传统农田景观外，城市空间布局也受到较大影响。总之，由于采矿造成的土地压

占、毁损，使得矿区土地失去了原有功能；加之因开采造成的居民村庄搬迁、城市

建设发展需要，矿区土地利用问题十分突出。因此，开展矿区环境综合治理，实施

矿山环境治理工程，提高矿区土地利用效率，对于实现矿业城市可持续发展，具有

重大而深远的意义。

2 开采沉陷对矿区自然景观格局及土地利用的影响

高潜水位地区的煤炭地下开采造成了地表形态变化，改变了矿区自然景观格局。同

时，区内自然资源条件也会发生相应改变，如矿区水资源条件、土地资源条件等均

发生了一系列变化。

由于开采沉陷深度较大，矿区内大多数煤矿开采区地面积水。其中朱庄、杨庄、朔

里等煤矿开采区积水范围大，形成了人工塌陷湖。矿区内的南湖、中湖和东湖皆为

采煤塌陷水域，已构成淮北城市核心区城市景观。矿区地面塌陷积水,极大地改善

了矿区自然景观，改变了地区水资源条件，但也使该区失去了一部分耕地和城市建

设用地。另外，矿区每年的煤炭开采与煤炭洗选产生大量的煤矸石，燃煤电厂排出

的粉煤灰等固体废弃物堆积压占了大量土地。这些矿山废弃物堆积不仅占用土地，

还会产生大量粉尘，对周围空气和水体造成影响。因此，削减煤矸石堆存量、开展

煤矸石安全处理与处置技术研究，对于矿区环境保护和提高土地利用效率显得尤为

重要。

3 矿区环境综合治理技术实践

为解决矿区煤炭资源开采带来的环境和土地利用问题，淮北矿业集团数十年来联合

高校、科研单位，开展了具有针对性的科学研究与工程实践，实施了大量的工程。

对矿区土地损伤损毁、生态系统演变机理与规律的研究，攻克了采煤沉陷区地面建

筑、道路建设、复垦土壤重构与区域农业景观再塑、人工湿地城市功能构建等技术

难题，创建了采煤沉陷区土地功能恢复与提升技术体系，解决了矿业城市建设用地

瓶颈问题，改善了矿区生态环境，提高了复垦土地利用价值，实现了矿区土地高效

利用以及生态环境与自然人文景观和谐。

3.1 矿区资源开发规划设计与开采工艺

3.1.1 矿区资源开发规划设计优化研究与实践

矿区资源开发的合理与优化设计研究，主要是本着有利于减少对地面环境破坏和有

利于治理与保护的原则，在充分研究区内资源赋存地质条件、地形地貌、地下潜水

位、居民点及人口密集程度、各矿井塌陷区范围及程度等差异的基础上，制定合理

的规划设计，采用先进的开采工艺，以保护矿区环境及地表重要建(构)筑物，充分

回收区域内的煤炭资源。多年来，研究并实践了集中连片快速开采，优先开采城市

建设重要区域的办法，为城市建设预留空间与时间。另外，矿区内的部分井田靠近

城市中心地带，在矿区井下开采规划设计时，采用充填开采法或控制地表塌陷，对

居民点和重要建(构)筑物进行保护。

此外，对一些地质构造复杂矿井内的断层三角煤或一些开采条件差的残余块段，最

大限度地进行开采，使矿区内地表充分塌陷。这一开采设计理念的采纳，除可最大

限度地回收资源外，同时可使地面塌陷积水范围不断扩展，使原本不连续的塌陷水

域连通成片[6]。目前，淮北市区的南湖、中湖、东湖塌陷水域的形成，以及临涣

分矿区的平原水库，正是这一理论应用的成果。

3.1.2 覆岩分区隔离注浆充填开采工艺

淮北矿区地面建筑物密集，尤其是杨庄矿、朱庄矿存在严重的建筑物压煤问题。不

解决建筑物下压煤的开采问题，部分矿井就不能正常接替生产。为了减小地下开采

造成的地面建筑物破坏，同时又能将地下资源有效地开采，采用了覆岩分区隔离注

浆充填技术来减少地面下沉幅度，取得了良好的效果

采动覆岩分区隔离注浆充填采煤技术是利用采动覆岩结构的自承载能力，通过设计

合理的工作面开采宽度，并留设一定的隔离煤柱，控制相邻的工作面均处于非充分

采动状态；采用采动覆岩注浆充填技术来控制覆岩结构的弯曲下沉量，减少地表塌

陷，保护耕地和地面建筑物，达到合理、经济采煤的目的[7]。分区隔离煤柱与条

带开采留设煤柱不同之处在于，对分区隔离煤柱的宽度设计要求较低，只要起到隔

离离层空间作用并保持稳定就行。离层区及垮落区充填后的充填体能够起到支撑作

用，此时离层区及垮落区充填体承载了上覆岩层部分荷载，“离层区及垮落区充填

体+关键层+分区隔离煤柱”构成共同承载体，事实上形成了离层及垮落区充填与

条带开采相结合的综合减沉方案[8-9]。

3.2 塌陷水域湿地公园及生态环境功能建设

淮北矿区塌陷现状水系以塌陷湖泊、河流、湿地及池塘为主，形态多样，极具特色，

具备湿地的结构和功能，以及良好的湿地公园建设条件。根据国家湿地公园建设理

念，淮北市首先建成了南湖国家湿地公园。该公园占地面积5 200 ha，其中水面

333.5 ha，主要包括具有科普教育功能的生态降解、净化污水区，展示各类湿地

景观的生态观光区，以原水上公园为主的水上活动区，展示渔家生活的水上人家等

4种景观。同时，正在规划建设中的东湖湿地公园，延续与强化了淮北市总体规划

思路，进一步突出了山水城市特色和发展战略，充分发挥了采煤塌陷区特殊的景观

潜力，加强了湿地植被景观恢复培育，维护了生态良性循环，形成了具有独特风格

的城市公共活动空间。东湖湿地公园由三级保护体系组成，即“一级保护区矿区遗

址与风景游览，二级保护区风景游览与风景恢复，三级保护区外围防护”，充分体

现了湿地公园“湿地景观为主体，以湿地生态系统保护为核心，兼顾湿地生态系统

服务功能展示、科普宣教和湿地合理利用示范功能”的建设理念[10]。

3.3 土地复垦工程

从土地利用类型角度看，矿区土地主要为农业耕作用地和城市建设用地。在农业区，

由于区内人口密集，土地垦殖程度高，人均占有耕地面积不足1 000 m2。随着采

煤塌陷区域的增加，可耕地面积逐年减少，人多地少矛盾突出。如杜集区，现有人

均耕地面积仅300 m2。而杨庄、朱庄、岱河等煤矿完全位于城区，甚至位于城市

中心地带。因此，开展土地复垦技术研究与实践显得尤为重要，不仅能够减少农民

失地面积，而且通过充填恢复为建筑用地，可拓展城市发展空间。

3.3.1 煤矸石充填复垦

在塌陷区地形与地下水位条件允许的情况下，以煤矸石充填复垦为农林用地或建设

用地，不仅能够增加土地利用面积，还可以减少煤矸石和粉煤灰堆积引起的土地压

占与环境污染问题。充填复垦工艺主要由表层熟土剥离、边界与标高设计、基质分

层充填、平整碾压和表土还原等环节构成。充填复垦技术研究主要解决2个方面

的问题：一是根据复垦土地利用类型的不同，在考虑经济性的前提下，确定最小覆

土厚度，阻止煤矸石中微量有害元素通过暴露或植物根系吸收、累积迁移而对人体

产生危害；二是针对农林复垦用地植物生长对水分和养分的要求，揭示水分运动特

征，以促进降雨入渗与蒸发条件下，土壤水分和养分的植物有效性。经复垦后动态

监测，表层土壤与地下水中未发现污染迹象，煤矸石造地符合国家土壤质量标准。

众所周知，利用煤矸石充填复垦技术中，以耕地和林地为目标的土地复垦，表土厚

度设计是主要技术问题之一。不同矿区，甚至同一矿区不同开采阶段所产生的煤矸

石的理化性质差别较大。由于煤矸石理化性质不同，必然产生不同的土地复垦效应。

例如，颗粒细小的或以页岩为主的煤矸石在地表，不仅土壤化时间短，对地下水的

吸附能力强，同时保水持肥能力均较好；而大块的、砂岩含量较高的煤矸石则相反。

因此，根据煤矸石类型不同，确定煤矸石充填复垦表土厚度和标高设计是煤矸石充

填复垦的技术关键。笔者通过实验室试验和现场工程试验研究，提出了根据掘进矸

石岩石类型和块度结构不同来确定充填复垦表土厚度与标高设计的理论与方法。通

过大量的工程实践，在矿区煤矸石充填复垦工程方面，取得了良好的经济效益。

3.3.2 非充填复垦技术的应用

城乡结合部常年积水或部分季节性积水塌陷区域，因塌陷深度较小，交通便利，采

用“挖深垫浅”方法，进行非充填复垦[11]。这种非充填复垦工艺是根据塌陷后的

地形地貌和积水情况，将较深的区域再挖深，建设为精养鱼塘，发展淡水养殖或垂

钓等休闲娱乐产业，用挖出的泥土将浅部垫高，使其成为经济作物种植区。而且这

种复垦工艺还实现了采前复垦，即依据煤矿开采规划与设计，预测塌陷区稳沉后的

深部和浅部区域范围，提前将深部区域表土剥离，用以垫高浅部区域，简化了工艺

流程，大大节省了复垦成本。

采用“挖深垫浅”工艺治理塌陷区，积极推进经济发展转型，将传统的农业耕作生

产方式转变为渔业养殖与蔬菜水果种植，大力发展渔业和经济作物，实现水土空间

资源的重新配置，形成蔬菜、水果、水产、稻米为主的城郊经济区，有效解决了失

地农民的生存问题。仅淮北市城郊结合区，即建成经济作物种植面积168.2 ha，

精养鱼塘152.5 ha，每年可产生经济效益近千万元。同时，这种非充填复垦技术

的应用为城市发展空间的拓展、居民生活水平的提高，以及打造城市品牌等做出了

重要贡献。如杜集区被评为“全国土地复垦先进县(市)”，烈山区的洪庄被列为

“全国文明村镇”和“安徽省环境教育基地”。

3.3.3 建筑用地充填基质的稳定性评价

临近城市中心塌陷区，利用煤矸石和粉煤灰作为基质，充填恢复为建筑用地，发展

高标准、人居环境美好的城市多层或高层小区，用于塌陷区居民的搬迁住房。这不

仅可改善搬迁居民的住房条件，维护社会和谐，而且可解放大面积土地，以从事农

林生产，提高土地垦殖程度，实现资源的高效利用。随着时间的推移和地下空间环

境的改变，煤矸石和粉煤灰的物理化学变化促使充填基质层矿物组分、孔隙结构缓

慢演变，地基承载力发生变化[12-13]。在此过程中，矿山企业积极开展建筑用地

充填基质的稳定性评价关键技术研究，以保证多层或高层小区建筑的地基安全。

采用煤矸石对塌陷区充填复垦，既解决了地面塌陷对土地的破坏，又解决了压占土

地等问题。根据煤矸石性质不同，主要用于土地复垦、道路路基铺设或井下充填开

采，最大限度地处置与处理煤矸石。通过多年的努力与政策支持，企业最大限度地

解决了煤矸石堆积问题，并取得了良好的经济和环境效益。

4 矿区环境治理与土地高效利用综合效应

通过多年的研究和大量的工程实践，矿区在淮北城市规划区总面积285 km2中，

利用采煤沉陷区120 km2；城市规划建设用地96 km2，其中利用采煤沉陷地60

km2；生态用地95 km2，其中利用沉陷区次生湿地49 km2。到2016年底，城

市规划建成区面积达80 km2，其中利用采煤沉陷区42 km2，建设多层、中高层、

高层建筑物面积累计2 750万m2，累计效益达百亿元。通过采煤沉陷区的综合利

用，提高了土地价值，实现了土地的节约集约利用，使淮北市城市建设实现了由

“依山筑城”向“依山傍水”转变，引领了城市建设由“背湖”向“面湖、拥湖”

方向发展，形成了生态、宜居、精致的新型矿业城市，对于促进矿业城市经济转型，

实现城市可持续发展均具有非常重要的意义。

在沉陷区建设的高层建筑，有淮北矿业集团公司新办公大楼及高层住宅家属楼、相

南小区等，占地面积60 ha；仁和小区社区(多层建筑)，陈庄、李桥、代庄、光明

等6个压煤村庄搬迁，社区占地30 ha。通过评估，由于能够建设高层和小高层，

提高了土地容积率，土地增值收益可按60万元/亩计算。采用沉陷区建设小区方

式，实现了集中搬迁，顺利安置。杨庄矿和朱庄矿搬迁陈庄、李桥、代庄、光明、

郑岗子等8个村庄，解放压覆煤炭资源共计2 000万t。

通过土地整理与复垦，在原塌陷区内，新增农业用地和建设用地801.02 ha，恢复

园林绿地和城市交通用地734.02 ha。其中农业用地每年可产生经济效益数百万元；

园林绿地和城市交通用地作为公益性土地，可带来巨大的潜在经济效益。同时，在

塌陷区水环境治理基础上形成的丰富的城市水资源，也成为社会可持续发展的重要

基础。建成的平原水库，为附近工业和居民生活用水提供了保障。

在环境效益方面，由于矿区环境综合治理有效地改善了区域景观环境，早期破落单

调的塌陷区变成了山水相依、自然与人文景观内涵丰富的优美境地，为“三山六河

九湖”的淮北山水生态园林城市建设打下了良好的基础。而且由于塌陷水域园林绿

地面积的增加，城市大气和水体环境都一直保持较佳的状态，对照《国家环境空气

质量标准》、《地表水环境质量标准》、《地下水质量标准》和《城市区域环境噪

声标准》，淮北市近几年的大气、水体和城市噪声环境均符合上述标准要求，环境

质量良好；同时也促进了区域生物多样性，生态环境得到进一步改善。

在社会效益方面，良好的矿区环境吸引了更多国内外企业家前来投资，促进地方经

济发展，改变单一的经济结构，稳步提高就业率，为矿业城市发展转型创造了条件。

通过塌陷区水环境治理和污染控制，改变了区域水资源条件，使得矿区居民人均占

有水资源量急剧上升；而采空区又富含一定量的地下水，为矿业城市可持续性发展

提供了新的保障。另外，淮北矿山环境治理在历史演变中已成为一个象征，其所蕴

含的意义和淮北人民治理矿山环境的决心将世代流传。目前，淮北市业已建成“国

家矿山公园”、“国家湿地公园”。各项目的实施，丰富了矿区治理采煤塌陷区经

验，对同类矿山环境治理将起到示范性作用。

总体来说，淮北矿区环境综合治理研究与实践，改善了区域生态环境，实现了居民

生活水平提高，社会关系和谐，人民幸福感增强，对促进矿区社会稳定、和谐社会

建设及可持续性发展具有深远的影响。

淮北矿区在开展环境综合治理研究的基础上，对塌陷土地、地表水体和煤矸石等固

体废弃物进行了有效治理，既提升了矿区环境质量，也实现了矿区土地的高效利用，

取得了良好的经济效益和社会效益，实现了资源开发和环境保护双赢。

5 认识与展望

(1)煤矿开采引发的环境问题因地而异，总的来看，主要是对土地和自然景观环境

的破坏；但从另一个角度说，也是对自然环境的改造。对于某些自然环境原本不是

很优越的地区、水资源短缺的地区，通过对塌陷水域的治理，既可以改善地区水资

源条件，又可形成良好的水域景观，将塌陷区变成生态用地。

(2)矿山环境治理是一个涉及采矿、地质、环境、生态和经济学等多学科交叉的研

究领域，治理技术方法应多样化，应实现生态治理与工程治理相结合，生态恢复与

地质灾害预防相结合。但无论是生态治理或工程治理，针对矿区环境背景、矿区开

发规划、生态治理与土地复垦利用，以及其他专项治理等方面的研究是十分必要的。

只有在深入研究的基础上，有针对性地开展治理工作，才能收到较好的效果。

(3)矿区环境治理应本着社会效益与经济效益有机结合的原则，坚持因地制宜的土

地利用方向。经初步治理后的塌陷区在土地利用方面，已不再是以耕地为主，而是

在树立“废弃物资源化、废弃地生态化”理念的基础上，趋向于目标多元化，包括

建设用地、农林复合系统、景观游憩功能园区和生态湿地等。

(4)矿区环境治理必然涉及到煤矸石、粉煤灰处置处理，以及矿井水处理等问题。

除最大限度地将这类废弃物综合利用外，煤矸石与粉煤灰充填开采、采场地面与井

下注浆，以及塌陷区充填复垦等均是废弃物处置与处理的有效途径。在废弃物处置

与处理过程中，严格控制由废弃物再利用而导致的次生污染是需要研究和解决的重

点问题。

总之，淮北矿区环境背景十分复杂，沉陷区治理工程难度大、任务重。但是，矿区

沉陷区环境治理工作起步早、目标要求高，对早期矿区环境开展了大量的治理工作，

在治理工程技术研究方面，积累了丰富的经验。近年来，随着国家针对矿区环境治

理工作相关政策的不断出台，矿山企业开展治理工作的积极性进一步提高。目前，

企业与地方政府针对环境治理问题又开展了新一轮研究，继续本着“宜城则城、宜

乡则乡、宜地则地、宜水则水”的矿区环境治理理念，加强矿山环境保护和综合治

理技术研究与工程实践。可以预见，未来的淮北矿区将逐渐呈现山水相依的美好景

观，淮北市也必将变传统的“依山筑城”为“城市依山临水”，成为“半城楼台半

城湖”的宜居城市。

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