論煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù)

胡振琪,龍精華,王新靜

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083)

論煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù)

胡振琪,龍精華,王新靜

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083)

煤炭開采不可避免導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞,過去大多數(shù)研究和實(shí)踐都是側(cè)重人工修復(fù),如何區(qū)分和合理選擇及應(yīng)用自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù),對(duì)經(jīng)濟(jì)合理地修復(fù)礦區(qū)環(huán)境具有重要意義。在闡述礦區(qū)生態(tài)修復(fù)概念的基礎(chǔ)上,分別對(duì)人工修復(fù)、自然修復(fù)和自修復(fù)及其相互關(guān)系進(jìn)行了討論和分析,提出成本效益型礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)戰(zhàn)略。研究表明：對(duì)礦區(qū)損毀的生態(tài)環(huán)境通過人工或自然的力量恢復(fù)的過程分別稱之為人工和自然修復(fù);生態(tài)系統(tǒng)的自修復(fù)、自我修復(fù)都是依靠自然界自身的力量,統(tǒng)稱為自然修復(fù)。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)是指采礦驅(qū)動(dòng)力在對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成損毀的過程中,又自動(dòng)修復(fù)部分生態(tài)損毀的現(xiàn)象和過程?；陂_采沉陷學(xué)原理,揭示了煤礦區(qū)自修復(fù)的機(jī)理。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)該首先根據(jù)損毀的自然條件,分析是否存在自修復(fù)和自然修復(fù)的可能性并盡可能發(fā)揮自修復(fù)和自然修復(fù)的作用以節(jié)約修復(fù)成本;科學(xué)劃分自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù)的區(qū)域并采用相應(yīng)的修復(fù)對(duì)策;對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)尤其要重視自修復(fù)和自然修復(fù),盡量減少人工修復(fù),最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自然演替和平衡。

生態(tài)環(huán)境;自修復(fù);自然修復(fù);人工修復(fù);采煤沉陷

煤炭是我國最主要、最可靠的能源,但煤炭開采在為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮巨大作用的同時(shí),也不可避免地對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成破壞,如露天挖損導(dǎo)致的土壤和植被破壞以及景觀變化、井工開采導(dǎo)致大量土地沉陷和地表裂縫、水文地質(zhì)條件破壞導(dǎo)致地下水位下降和水資源流失、煤矸石山不僅占?jí)和恋剡€污染環(huán)境,此外礦山開采還污染地表水和土壤,因此,煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)就成為我國一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)[1],直接關(guān)系到綠色礦山建設(shè)和生態(tài)文明建設(shè)的成敗。

1999-01-01生效的國務(wù)院《土地復(fù)墾規(guī)定》的頒布,標(biāo)志著我國煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)走上了法制化的軌道。國土資源部耕地保護(hù)、地質(zhì)環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)部等行政管理部門高度重視礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作,分別從土地復(fù)墾、地質(zhì)環(huán)境、礦區(qū)環(huán)境等多個(gè)方面推動(dòng)和監(jiān)管礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)。國外早在20世紀(jì)初就開始對(duì)礦區(qū)(尤其是煤礦區(qū))生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù),在法規(guī)、監(jiān)管機(jī)制、修復(fù)技術(shù)等方面都取得了很多經(jīng)驗(yàn)和成功的案例[1-6]。國外對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)常用restoration,reclamation和rehabilitation表示,目前國外已經(jīng)將三者視為相同的含義[2,7],只是各個(gè)國家的習(xí)慣不同,采用不同的名稱,如美國常常用“reclamation”、加拿大和澳大利亞習(xí)慣用“rehabilitation”,英國則常常用“restoration”。我國的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)名詞和起源主要來自于國外,由于專業(yè)的角度不同以及政府管理職責(zé)不同,因而產(chǎn)生了多個(gè)翻譯的中文專業(yè)名詞,如“土地復(fù)墾”、“生態(tài)重建”、“生態(tài)修復(fù)”、“生態(tài)恢復(fù)”、“地質(zhì)環(huán)境治理”、“礦區(qū)環(huán)境治理”、“綜合治理”等等,對(duì)于礦山開采導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題的治理來說,這些不同名詞的實(shí)質(zhì)是一樣的,比如：在一個(gè)平原礦區(qū)因采煤形成了一大片沉陷地,這既可以講是“土地復(fù)墾”問題、也可以講是“地質(zhì)環(huán)境”問題、也可以講是“礦區(qū)環(huán)境”問題,因此,在名詞上去細(xì)究意義不大,對(duì)礦區(qū)應(yīng)視為相同的研究問題。由于不同管理部門和不同專業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同導(dǎo)致的名詞的不同也是合理的,可以從不同側(cè)重點(diǎn)的角度對(duì)待礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù),但我們必須理解其相同的內(nèi)涵和實(shí)質(zhì),本文的研究正是基于這一理念,因此,本文研究的“生態(tài)修復(fù)”也適用于“礦區(qū)土地復(fù)墾”、“礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境”、“礦區(qū)環(huán)境治理”等。

在國內(nèi)外礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的實(shí)踐中,由于礦山對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞的嚴(yán)重性,大量的研究都是放在人工修復(fù)措施上,如我國形成的采煤沉陷地修復(fù)技術(shù)主要包括平整法、疏排法、挖深墊淺法、充填法等,但隨著采煤向西部轉(zhuǎn)移,西部生態(tài)脆弱區(qū)采煤沉陷土地和生態(tài)的損傷特點(diǎn)與原先研究的東部礦區(qū)完全不一樣,上述沉陷修復(fù)技術(shù)已經(jīng)無法適用,此外,生態(tài)脆弱區(qū)人工修復(fù)過程中可能導(dǎo)致對(duì)脆弱生態(tài)的進(jìn)一步擾動(dòng)問題也得到了關(guān)注,于是許多學(xué)者認(rèn)為自然力的修復(fù)必須得到重視,對(duì)一些沉陷影響不大、具備自然修復(fù)能力的區(qū)域大量投資進(jìn)行人工修復(fù)提出了質(zhì)疑[8-9]。國外也非常關(guān)注修復(fù)的投入產(chǎn)出問題,重視成本效益型(cost-effective)技術(shù)的研發(fā)[10]。近年來在神華集團(tuán)的支持下,在神東礦區(qū)進(jìn)行了野外動(dòng)態(tài)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)了一些采煤沉陷損傷自修復(fù)的現(xiàn)象[8,11-12],但自修復(fù)的概念是什么、自修復(fù)與自然修復(fù)及人工修復(fù)的關(guān)系是什么以及如何應(yīng)用等問題還未得到深入的研究,而正確理解、區(qū)分和應(yīng)用自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù)對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的成敗和效益十分關(guān)鍵,為此,本文基于國內(nèi)外的相關(guān)研究和實(shí)踐,試圖闡明煤礦區(qū)自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù)的概念及相互關(guān)系,提出我國煤礦區(qū)成本效益型生態(tài)修復(fù)的戰(zhàn)略。

1 煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的人工修復(fù)

以往,煤礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)大都是人工修復(fù),如在許多文獻(xiàn)中介紹的美國最早開始進(jìn)行修復(fù)的案例是在20世紀(jì)20年代印第安納州在礦山廢棄地上植樹以及伊利諾斯在礦山廢棄土地上恢復(fù)植被的研究和實(shí)踐[13-14]。我國最早有組織的大規(guī)模的煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理是原煤炭工業(yè)部“六五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“塌陷區(qū)造地復(fù)田綜合治理的研究”,(1983—1986)并在安徽淮北和兗州礦區(qū)進(jìn)行實(shí)踐[5,15],該課題取得的主要成果是：①在岱河礦用殲石充填塌陷區(qū)造地復(fù)田11．9 hm2,并在其上建筑了試驗(yàn)樓(4層)、游泳池、燈光球場、游覽湖。②在相城礦用電廠粉煤灰充填塌陷區(qū),復(fù)田74 hm2、植樹造林6．7 hm2、農(nóng)作物種植試驗(yàn)10 hm2、建試驗(yàn)房358 m2,其余造田由農(nóng)民種植。③沈莊礦對(duì)淺塌陷區(qū)挖深墊淺綜合治理,將塌陷后鹽堿、瀝澇、荒蕪的塌陷區(qū)改造成稻田、魚塘,挖成魚塘6．9 hm2,農(nóng)田8．1 hm2,全由農(nóng)民使用[16]。經(jīng)過30 a的煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的研究與實(shí)踐,我國已逐步形成了采煤沉陷地、煤矸石山和露天礦3類生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)體系,其中采煤沉陷地的修復(fù)技術(shù)主要包括土地平整、疏排、挖深墊淺、充填等修復(fù)技術(shù),挖深墊淺技術(shù)又可以根據(jù)修復(fù)的設(shè)備不同分為泥漿泵、拖式鏟運(yùn)機(jī)、挖掘機(jī)等修復(fù)技術(shù);充填修復(fù)根據(jù)所用充填材料不同又分為煤矸石充填、粉煤灰充填、湖泥沙泥充填等修復(fù)技術(shù);煤矸石山生態(tài)修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是立地條件的診斷和整形整地、植物種類與種群的選擇與適宜的種植技術(shù)、科學(xué)的撫育管理以及針對(duì)酸性自燃煤矸石的防滅火技術(shù);露天礦的生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵是采用采礦-生態(tài)修復(fù)一體化、土壤重構(gòu)、地貌重塑和迅速恢復(fù)植被。這些煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)都是人工修復(fù)技術(shù),是我國30多年來取得成就的主要驅(qū)動(dòng)力,已在我國許多礦區(qū)成功實(shí)踐,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。為此,人工修復(fù)的概念與內(nèi)涵是不難理解的,即對(duì)煤炭開采造成損傷的生態(tài)環(huán)境,通過人工的整治措施,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)和功能的恢復(fù)或再生的活動(dòng)。

2 煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自然修復(fù)

自然修復(fù)在生態(tài)、水土保持等領(lǐng)域有大量的研究[17-19],它是指靠自然力量(營力)修復(fù)的一種過程或方法。自然營力是指自然界存在的雨、風(fēng)、重力及凍融等自然界本身存在的各種生物、化學(xué)和物理等作用,如氣候的變化、土壤天然種子庫和種子的自然傳播、土壤和植物的各種自然特性和生物化學(xué)及物理作用。國內(nèi)外的研究表明：生態(tài)的自我修復(fù)能力在大自然界是一種普遍存在的現(xiàn)象,但是又往往被人們所忽略[9]。自然界中土壤具有一定的凈化功能,它可以將污染物通過土壤中的物理、化學(xué)和生物作用進(jìn)行轉(zhuǎn)化、降解或遷移。蔣高明在《讓大自然修復(fù)創(chuàng)傷》一文中闡述了自然修復(fù)的重要性,進(jìn)行了案例分析,指出了當(dāng)前生態(tài)保護(hù)與修復(fù)中盲目人工修復(fù)導(dǎo)致生態(tài)進(jìn)一步惡化的弊端[20],強(qiáng)調(diào)我國西部退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮自然力,其核心是圍封,通過圍封讓自然界各類繁殖體自然繁衍。北美大平原采取棄耕還草的保護(hù)區(qū)計(jì)劃,恢復(fù)了生態(tài)、遏制了“黑風(fēng)暴”災(zāi)難。許多研究認(rèn)為：退化的草地,即使因過度放牧被嚴(yán)重破壞,通過禁止放牧,在10或20 a時(shí)間之內(nèi),仍可以得以恢復(fù)[21-22]。在我國河南魯山縣西部下湯鎮(zhèn)境內(nèi)紅雁城溝小流域治理中,流域總面積為13．78 km2,水土流失面積為10．49 km2。該流域經(jīng)2006年綜合治理后,全面封禁,截至2010年,完整的水土保持體系完成,自然修復(fù)后,水土保持林地面積、林草覆蓋度分別約是修復(fù)前的3．54倍和2．04倍;土壤侵蝕模數(shù)由原來的4 160 t/(km2·a)減少到486 t/(km2·a)[23]。目前水土保持治理專家倡導(dǎo)的一種主流方法,是提倡依靠自然力修復(fù)生態(tài)環(huán)境,既符合自然規(guī)律,又有利于人民、社會(huì)、國家。

近年來對(duì)于污染土地的修復(fù),一種受監(jiān)控的自然修復(fù)/恢復(fù)技術(shù)被歐美國家廣泛地用在治理場地土壤和地下水污染上[24]。根據(jù)監(jiān)控分析,自然修復(fù)是以逐漸恢復(fù)場地的生態(tài)功能為目的,主要通過化學(xué)降解(化學(xué)轉(zhuǎn)變)、生物降解(降低污染物的遷移性和生物可獲取性)和物理降解(物理封隔、擴(kuò)散)3種機(jī)制來以去除場地土壤和地下水的污染物,最終消除對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

由以上分析可以看出,自然修復(fù)是一種在生態(tài)修復(fù)中必須堅(jiān)持的原則和理念,也是一種經(jīng)濟(jì)有效的修復(fù)方法,它遵循自然規(guī)律、依靠自然營力,特別適宜于生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)修復(fù)。

3 煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)

人工修復(fù)和自然修復(fù)在國內(nèi)外都有很多研究,對(duì)他們的理解還是相對(duì)容易的,但對(duì)“自修復(fù)”的概念就存在很多不同的理解,如劉晉在《準(zhǔn)噶爾盆地荒漠區(qū)梭梭灌木林的自我修復(fù)能力研究》一文中把梭梭灌木林采用封禁措施實(shí)現(xiàn)灌木林的自我修復(fù)更新、天然更新稱之為自我修復(fù)[25];駱永明將持久性有機(jī)污染物在土壤-植物系統(tǒng)降解凈化功能的作用下的修復(fù),稱之為自修復(fù)[26]。實(shí)際上,這些“自修復(fù)”、“自我修復(fù)”都是依靠自然界的自然營力——自然的氣候變化、種子庫以及物理、化學(xué)和生物作用實(shí)現(xiàn)的,因此,這些實(shí)質(zhì)就是自然力量驅(qū)動(dòng)的“自然修復(fù)”,是生態(tài)系統(tǒng)本身的自我修復(fù)或自修復(fù)。因此,以生態(tài)系統(tǒng)作為研究對(duì)象,系統(tǒng)內(nèi)部因素的作用就是自然修復(fù)(自修復(fù)),外部人工力量修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)就是人工修復(fù)。既然生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)、自我修復(fù)和自然修復(fù)是相同的意思,那為什么還要研究煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)?其原因是在神東煤礦區(qū)進(jìn)行土地?fù)p傷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測中,發(fā)現(xiàn)了與原有這些描述不同的“自修復(fù)”現(xiàn)象,即不依靠自然營力,而是在采煤驅(qū)動(dòng)力的前提下,地表形變和裂縫等地表物理特征在開采過程中呈現(xiàn)先損傷后自動(dòng)恢復(fù)的過程。

監(jiān)測區(qū)設(shè)在神東補(bǔ)連塔礦,位于晉、陜、蒙3省接壤處,屬風(fēng)積沙區(qū),其煤層賦存條件呈現(xiàn)出淺埋深、厚煤層以及近水平等特點(diǎn),地表松散層厚度8～35 m,工作面長280～300 m,推進(jìn)長度達(dá)3 500 m以上,煤層埋深190～230 m,煤厚4．9～7．3 m,采用一次性采全厚、綜采放頂煤開采,全部垮落法管理頂板,推進(jìn)速度達(dá)12 m/d左右,屬于典型的高強(qiáng)度、超大工作面開采的范疇。在礦山的一個(gè)工作面上方布設(shè)地表移動(dòng)觀測站和地表環(huán)境損毀監(jiān)測區(qū)域[12,27],在開采前、開采中和開采后進(jìn)行定位動(dòng)態(tài)觀測,發(fā)現(xiàn)地表生態(tài)環(huán)境的損毀主要表現(xiàn)為地表變形和地表裂縫,在開采結(jié)束后,地表形成了下沉盆地,在盆地邊緣存在不均勻沉陷變形和裂縫,但在盆地中部(即工作面上方)的沉陷變形和動(dòng)態(tài)裂縫呈現(xiàn)了“自修復(fù)”現(xiàn)象[25]：工作面上方地表的變形隨著開采的不斷推進(jìn)而向前遷移,不均勻沉陷的地表逐漸恢復(fù)原有的地形;這些區(qū)域的動(dòng)態(tài)地裂縫也自動(dòng)閉合,這些裂縫自修復(fù)的周期約18 d(圖1)。這種自修復(fù)現(xiàn)象是采礦驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致的地表損傷,同時(shí)也是采礦驅(qū)動(dòng)力使其自動(dòng)恢復(fù),是開采過程中產(chǎn)生的,符合開采沉陷學(xué)原理的[28]。

圖1 采煤沉陷動(dòng)態(tài)地裂縫的自修復(fù)周期Fig．1 Self-healing cycle of dynamic ground fissures due to coal mining

地下煤炭開采出來后,地下應(yīng)力平衡發(fā)生變化,上部巖層垮落、斷裂、彎曲,傳遞到地面就導(dǎo)致了地表的下沉變形,由于開采是不斷向前推進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程,地表的變形也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,以工作面開采主斷面下沉曲線的變化為例闡明自修復(fù)原理(圖2)：當(dāng)工作面推進(jìn)到a處時(shí),地表形成了W(a)下沉盆地,A區(qū)域?yàn)樽畲蟮姆蔷鶆虺料輩^(qū),地表變形最大(形成的附加坡度較大);當(dāng)工作面進(jìn)一步向前推進(jìn)b,c,d時(shí),地表影響范圍在擴(kuò)大,分別形成了W(b),W(c),W(d)沉陷盆地,原有變形最大的A區(qū)地表變形逐漸減小,當(dāng)推進(jìn)到d時(shí)地表A區(qū)域達(dá)到最大下沉值,即恢復(fù)為原有的地形(坡度),實(shí)現(xiàn)了自修復(fù)。由于工作面上方的地表裂縫常常出現(xiàn)在地表變形較大的區(qū)域,如在W(a)下沉盆地的A區(qū),因拉伸作用導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫;而在W(b),W(c),W(d)下沉盆地的A區(qū),拉伸力減小、壓縮作用加大,裂縫逐漸減少,直至閉合。

圖2 地表變形自修復(fù)原理示意Fig．2 Schematic map of self-healing principles of ground deformation

基于野外裂縫觀測的實(shí)際,可以發(fā)現(xiàn)裂縫位置的不斷變化(圖3),工作面推進(jìn)方向的正上方的前端不斷出面地表非均勻沉陷導(dǎo)致的地裂縫,但又不斷自修復(fù),如開采推進(jìn)到a處地表出現(xiàn)裂縫的位置為La(圖3(a));當(dāng)開采推進(jìn)到b處時(shí),原先La處的裂縫自動(dòng)閉合,在前端Lb處出現(xiàn)新的裂縫(圖3(b));Lb處的裂縫又在以后的推進(jìn)中自動(dòng)閉合,最終的非均勻沉陷變形和裂縫就分布在工作面的開采邊界(圖3(c))。工作面的邊緣裂縫,往往無法自修復(fù)。

圖3 工作面上方地表裂縫發(fā)育過程示意Fig．3 Schematic map of ground fissures development process on coal face surface

基于以上分析,不難發(fā)現(xiàn),煤礦區(qū)的自修復(fù)是采礦驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致地表損傷,在開采過程和結(jié)束后,又導(dǎo)致?lián)p傷自動(dòng)修復(fù),因此,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)是指采礦驅(qū)動(dòng)力在對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成損毀的過程中,又自動(dòng)修復(fù)部分生態(tài)損毀的現(xiàn)象和過程。

4 煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境自修復(fù)、自然修復(fù)與人工修復(fù)的關(guān)系及生態(tài)修復(fù)戰(zhàn)略

我國最早開始煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的是原煤炭工業(yè)部于1983—1986年立項(xiàng)組織的采煤沉陷地綜合治理,提出了泥漿泵挖深墊淺、煤矸石充填、粉煤灰充填等治理技術(shù)并在淮北礦區(qū)成功實(shí)踐。對(duì)于東部礦區(qū)損毀程度明顯、土地價(jià)值高的特點(diǎn),往往采用人工修復(fù),盡可能多地恢復(fù)土地和加快生態(tài)環(huán)境修復(fù)的時(shí)間,取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著煤炭開采的戰(zhàn)略西移,西部煤炭開采的土地和生態(tài)環(huán)境的損傷特點(diǎn)與東部有顯著差異,依靠自然力量修復(fù)已經(jīng)被許多生態(tài)學(xué)家證實(shí)為經(jīng)濟(jì)有效的方法,尤其是被破壞生態(tài)環(huán)境通過自然修復(fù)往往能夠與修復(fù)區(qū)域的生境特性逐漸匹配,使被干擾的生態(tài)系統(tǒng)由逆序演替向正常演替發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)自然修復(fù),最常用的方法是進(jìn)行封閉,禁止任何干擾進(jìn)入已經(jīng)損毀的區(qū)域,讓自然的力量自行修復(fù)。

人工修復(fù)和自然修復(fù)都是對(duì)已經(jīng)損毀的生態(tài)環(huán)境采取的積極的修復(fù)措施。人工修復(fù)與自然修復(fù)相輔相成,要因地制宜,宜自然修復(fù)則自然修復(fù),宜人工修復(fù)則人工修復(fù),有主有次,主次結(jié)合。同時(shí),自然修復(fù)是一種最高境界,即使人工修復(fù),實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我維持能力才是最終目的。

近年來,隨著超大工作面開采技術(shù)在西部風(fēng)積沙區(qū)的推廣與應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)采煤驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致土地生態(tài)環(huán)境損毀的同時(shí)也存在上述的自修復(fù)現(xiàn)象,開采沉陷盆地表現(xiàn)如下特征：下沉系數(shù)偏小,一般在0．5左右,塌陷程度較輕;下沉盆地陡峭,移動(dòng)變形值相對(duì)集中,移動(dòng)變形范圍進(jìn)一步縮小等;地表不均勻沉陷(附加坡度)以及地裂縫二者的分布高度吻合。從而使該類型煤礦損毀區(qū)域存在典型的“分區(qū)”特征,即自修復(fù)區(qū)域和非自修復(fù)的區(qū)域(圖4),它是開采過程中的自然現(xiàn)象,與采礦方法和過程有關(guān),是后續(xù)采取各種人工或自然修復(fù)措施的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究一般認(rèn)為水平變形大于2．0 mm/m時(shí)會(huì)導(dǎo)致基本農(nóng)田中度減產(chǎn)[29],對(duì)應(yīng)的附加坡度值為2．0×10-3～3．0×10-3。在我國西部煤礦區(qū)土地復(fù)墾方案編制以及采煤擾動(dòng)的土地?fù)p傷評(píng)價(jià)體系中,一般認(rèn)為附加坡度小于1°時(shí),采煤沉陷基本無影響,附加坡度為1°～3°,3°～7°以及大于7°時(shí),對(duì)應(yīng)的影響程度分別為輕、中、重[30-31]。故此,可將采煤沉陷地附加坡度小于1°的區(qū)域視為自修復(fù)區(qū)域(包含如下(1)和(2)),而其他地方則為非自修復(fù)區(qū)域(3)。并做如下定義：

圖4 煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損傷的分區(qū)特征Fig．4 Partition characteristic of ecological environment in coal mine

(1)完全均勻沉陷區(qū)(complete uniform subsidence region,CUSR)。充分采動(dòng)條件下,下沉盆地內(nèi)部連續(xù)盆底的區(qū)域定義為完全均勻沉陷區(qū),無附加坡度;

(2)相對(duì)均勻沉陷區(qū)(relative uniform subsidence region,RUSR)。下沉盆地盆底的邊緣以及塌陷邊界附近相對(duì)平緩的區(qū)域定義為相對(duì)均勻沉陷區(qū),附加坡度為0°～1°;

(3)非均勻沉陷區(qū)(differential subsidence region, DSR)。下沉盆地除(1)和(2)之外的區(qū)域。

綜合以上分析,西部煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的策略是：首先進(jìn)行采煤損毀的診斷,明確界定自修復(fù)的區(qū)域以及進(jìn)行非自修復(fù)區(qū)域損毀程度科學(xué)評(píng)價(jià),對(duì)自修復(fù)的區(qū)域?qū)嵭凶匀恍迯?fù),對(duì)非自修復(fù)區(qū)域采取人工修復(fù)為主、自然修復(fù)為輔的修復(fù)措施,避免盲目地對(duì)整個(gè)受損區(qū)域進(jìn)行人工修復(fù),最大限度地減少修復(fù)成本,獲取最大的效益,即實(shí)現(xiàn)成本效益型修復(fù)。以神東補(bǔ)連塔煤礦某工作面為例,該工作面長300．50 m,走向長3 592 m,以下沉10 mm為邊界線,開采沉陷預(yù)計(jì)表明,高強(qiáng)度開采形成的下沉盆地的總面積約為189．66×104m2,其完全均勻沉陷、相對(duì)均勻沉陷以及非均勻沉陷區(qū)的面積分別為34．50×104,94．75×104以及60．41×104m2,自修復(fù)區(qū)域面積占整個(gè)損毀面積的68．15%,說明,修復(fù)投資的重點(diǎn)為非自修復(fù)區(qū),可減少大量修復(fù)資金。

對(duì)于同一開采單元,采礦計(jì)劃、工作面設(shè)計(jì)以及接續(xù)工作雖然不會(huì)改變所有采礦活動(dòng)結(jié)束后地表沉陷與變形的最終布局,但對(duì)沉陷盆地的形成時(shí)間以及動(dòng)態(tài)過程確有重要的影響[32]。相比于傳統(tǒng)小工作面開采工藝,超大工作面易使地表達(dá)到充分采動(dòng),減少了重復(fù)擾動(dòng)的次數(shù),采空區(qū)上方地表僅承受動(dòng)態(tài)變形,使地表一次性出現(xiàn)大面積的均勻沉陷自修復(fù)區(qū)域,縮短了采煤擾動(dòng)的時(shí)長,因此,加大工作面尺寸是增強(qiáng)煤礦區(qū)自修復(fù)能力的有效措施。

5 結(jié) 論

(1)煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境損傷存在自修復(fù)現(xiàn)象,它是指采礦驅(qū)動(dòng)力在對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成損毀的過程中,又自動(dòng)修復(fù)部分生態(tài)損毀的現(xiàn)象和過程,是開采過程上覆巖層移動(dòng)變形的自然結(jié)果,擴(kuò)大開采工作面的尺寸可以增加自修復(fù)的面積,加快推進(jìn)速度可以加快自修復(fù)進(jìn)程,對(duì)節(jié)約修復(fù)成本具有重要作用。

(2)自然修復(fù)是自然界普遍存在的現(xiàn)象,它是指靠自然力量(營力)修復(fù)的一種過程或方法。自然營力如氣候的變化、土壤天然種子庫和種子的自然傳播、土壤和植物的各種自然特性和生物化學(xué)及物理作用,是生態(tài)系統(tǒng)本身的自我修復(fù)或自修復(fù),我們統(tǒng)稱為自然修復(fù)。

(3)自然修復(fù)往往需要適宜的自然條件,修復(fù)時(shí)間相對(duì)長,而人工修復(fù)可以按照人們的意愿快速修復(fù),但一般修復(fù)成本高。人工修復(fù)與自然修復(fù)應(yīng)相輔相成、因地制宜,宜自然修復(fù)則自然修復(fù),宜人工修復(fù)則人工修復(fù),有主有次,主次結(jié)合。同時(shí),自然修復(fù)是一種最高境界,即使人工修復(fù),實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我維持能力才是最終目的。

(4)西部煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的策略是：首先進(jìn)行自修復(fù)區(qū)域與非自修復(fù)區(qū)域的劃分和損毀程度的科學(xué)評(píng)價(jià),采取分區(qū)修復(fù)的戰(zhàn)略：對(duì)自修復(fù)的區(qū)域?qū)嵭凶匀恍迯?fù),對(duì)非自修復(fù)區(qū)域采取人工修復(fù)為主、自然修復(fù)為輔的修復(fù)措施,最大限度地減少修復(fù)成本,獲取最大的效益,即實(shí)現(xiàn)成本效益型修復(fù)。

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Self-healing,natural restoration and artificial restoration of ecological environment for coal mining

HU Zhen-qi,LONG Jing-hua,WANG Xin-jing

(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 10083,China)

Coal mining inevitably leads to the ecological damage in mining areas．Most of the researches and practices placed an emphasis on artificial restoration in the past research activities．However,the differences among self-healing, natural restoration and artificial restoration should be distinguished,which could benefit the cost and effectiveness of reclamation．Based on introduction of the concept of ecological restoration for mining areas,the interrelations of selfhealing,natural restoration and artificial restoration were discussed,and a cost-effective strategy for mining ecological restoration represented in this paper．The research shows that the progresses of the damaged natural environment repaired by artificial or natural power are called artificial restoration and natural restoration,respectively．The self-healing of ecosystem and natural restoration are both relying on the natural power,which are all identified as the natural restoration．The self-healing of mining ecological environment means that a part of damage is recovered automatically by mining driving force during the process of ecological damage,which is in the process of mining．Based on the theory of mining subsidence,the mechanism of the self-healing was revealed．Therefore,ecological restoration caused by coalmining should follow some principles：firstly,the damage characteristics must be analyzed and the possibility of selfhealing and natural restoration should be determined;secondly,the districts of self-healing,natural restoration and artificial restoration should be classified and corresponding restoration planes could be made;thirdly,self-healing and natural restoration should be paid much attention in fragile ecology region and artificial restoration should be reduced as much as possible,so the natural succession and ecosystem balance can be realized．

ecological environment;self-healing;natural restoration;artificial restoration;mining subsidence

TD167

A

0253-9993(2014)08-1751-07

2014-05-26 責(zé)任編輯：王婉潔

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-神華集團(tuán)有限公司煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1361203)

胡振琪(1963—),男,安徽五河人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：huzq@cumtb．edu．cn

胡振琪,龍精華,王新靜．論煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的自修復(fù)、自然修復(fù)和人工修復(fù)[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8)：1751-1757．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．9029

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