西部干旱半干旱煤礦區生態環境損傷特征及修復機制

彭蘇萍 ， 畢銀麗

(1.中國礦業大學(北京) 煤炭精細勘探與智能開發全國重點實驗室, 北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 礦山生態修復研究院, 北京 100083)

西部地區氣候干旱半干旱，生態條件脆弱。西部(陜甘寧蒙青新)6 省原煤產量24.88 億t(2022 年)，占全國原煤產量55.30%。大多數礦區的煤層埋藏淺，上覆基巖及表土層厚度小，有利于一次采全高大規模井工開采或露天開采。在大規模的開采過程中，極易產生大規模(通天)裂隙和地表沉陷，造成地表水散失和地下水水位下降，使得原本就干旱少雨、蒸發量大的礦區更加干旱，加劇礦區植被枯萎，生態進一步惡化，土地沙漠化增強等不良生態反應[1]，嚴重制約了此類礦區煤炭開采與生態環境協調的可持續發展。因此，面向西部能源開發和生態環境保護高質量發展的國家重大戰略需求，亟需開展西部干旱半干旱區煤炭開采上覆土巖破損機理及生態環境演化規律研究，為西部煤炭資源開發與生態環境保護協調發展奠定理論基礎。

西部干旱半干旱煤礦區生態環境脆弱，水源涵養功能差，井工開采造成覆巖移動損傷，破壞含(隔)水層；露天開采表土剝離、堆疊，含(隔)水層需重新構建，影響了礦區的水源涵養功能。因此，西部煤礦區的生態修復需要以水為主線，在生態修復中最大程度地保護水資源。針對我國西部淺埋煤層高強度開采活動，筆者闡明井工和露天開采誘導上覆土巖破損機理、礦區水的循環變化規律；基于區域生態系統自然演化的背景、分區，研究和揭示煤炭開采導致的生態環境損傷機制；系統探究不同生態分區井工和露天煤炭開采水-土-生立體生態修復機理，構建人工與自然協同生態修復理論，為我國西部干旱礦山的生態修復提供基礎理論和技術方法，開發“金山銀山”，再造“綠水青山”，為踐行兩山理論貢獻科技力量。

1 國內外研究進展

1.1 煤炭開采誘致土巖結構及裂隙動態發育特征和規律

煤炭開采導致地表土壤損傷、上覆巖層破壞以及地質構造擾動，引起地表生態環境和地下地質條件改變[2-3]。高強度煤炭開采容易導致水土流失、土地損毀、植被退化，從而引發生態連鎖反應，加劇區域生態環境問題。針對煤礦開采前礦井上覆土巖層、含(隔)水層與地質構造等探查和識別難題，目前主要采用探地雷達、三維地震和高密度電法等勘探方法，并取得良好的應用效果[4-5]。時移三維探地雷達技術可獲得土層三維空間動態變化的細節特征和整體規律，但目前尚處于探索階段。時移地震探測技術主要集中在煤礦采空區動態監測[6]，針對上覆土巖層結構與裂隙變化情況的研究仍處于初始階段。采動裂隙監測主要分為現場實測、模擬分析和理論分析3 個方面。張華興等[7]利用EH4 電導率成像系統與鉆孔電視相結合，明晰了巖層裂隙具體分布特征。路軍等[8]通過物理模擬與數值模擬刻畫復雜地質條件下采動覆巖破壞時空演化特征，認為煤層頂板覆巖運動及采動裂隙發育是破壞關鍵隔水層性能和生態環境的直接原因。許家林等[9]提出煤層開采后上覆巖層中存在2 類裂隙，即橫向的離層裂隙和縱向的豎向裂隙。來興平等[10]運用多元分析方法，分析了厚松散層下三軟煤層開采覆巖運移規律、裂隙發育演化特征。上述研究主要聚焦開采階段巖層損傷特征，而采前巖層原生損傷規律、采后破碎土巖層修復過程力學行為等方面研究還較少。

采動地裂縫是“覆巖-地表”耦合運移的產物，主要是發生在土層中的裂隙或地表的裂縫。近年來，相關學者對表土層裂隙發育狀態和演化規律進行了大量的研究工作[11]。地表裂縫存在拉伸、壓縮、臺階和塌陷4 種類型，淺埋高強度開采地表裂縫呈“O”型展布[12]，裂隙具有“開裂—閉合”自修復特征。此外，山區及溝壑區更易形成滑動型采動裂隙和裂縫。風積沙地區地面塌陷程度小于黃土溝壑區，地表裂縫具有較強的自修復能力。而在土層-地表-生態與高強度采動的關聯性、不同開采階段土層裂隙發育狀態與土層介質特性和受控機制等方面缺乏系統性研究。針對采空區上覆土巖結構損傷與自修復過程，國內外學者開展了對高強度開采淺埋煤層上覆土巖結構損傷傳遞規律、工作面覆巖運移對地表裂隙的控制作用、淺埋煤層各層位覆巖損傷恢復效果、物理化學作用、采礦工程地質因素對巖層損傷恢復影響[13]等方面的研究，但在上覆土-巖層結構損傷動態演化受控機制與主控因素，不同生態分區土巖損傷模型等方面研究仍不夠系統，存在損傷受控機制不夠明確、模型不夠清晰的問題，需要進一步深入研究。

1.2 煤炭開采對水資源運移循環演化影響

煤炭資源與水資源的逆向分布使得我國西部煤炭開采水資源保護利用成為煤炭綠色開發的重大技術難題。如前所述，我國西部已成為煤炭的主產區，但該地區氣候干旱半干旱，水資源蒸發量大，煤炭開采中礦井水外排量大，礦區水資源損失嚴重，水資源保護成為礦區生態修復的重大難題[14]。長期以來，針對煤炭開采對地下水的影響問題，國內外進行了大量的技術研究和工程實踐,包括煤炭開采巖層移動“三帶”和地下水運移規律等[15]，形成了2 類技術途徑： 一是以“堵截法”為特征的保水開采技術； 二是以“疏導法”為特征的礦井水儲存利用技術。此外，也有研究通過引入以利潤為目標函數的最優控制理論，以煤炭價格和煤炭儲量為邊界條件，以WRCC 為約束條件，基于H-J-B 方程算法，得到了市場需求和WRCC 約束下的采礦規模決策方程，通過對比2 種約束條件下的開采規模，制定了“水基開采規?！蹦Ｊ?，以實現煤炭開采與生態環境發展的平衡[16]。

西部優質煤炭資源埋藏淺、厚度大，在大規模、高強度煤炭開采過程中，較少顧及生態環境容量，特別是水資源承載力，存在水資源破壞、地表植被死亡等嚴重的生態環境損害問題，這一現狀引起了國家高度重視。煤炭資源科學規模開發與生態環境特別是水資源保護相協調，已成為國家可持續發展戰略要求以及《國家中長期科技發展綱要》重點領域的優先主題。為此，在2015 年國家“973”計劃項目指南中將“我國西部生態脆弱區煤炭科學規模開發與水資源保護”列入“能源科學領域”資助研究方向之一。我國地質條件復雜，水資源分布不均，精確探測和掌握煤炭開采前煤層和覆巖賦存狀況以及含(隔)水層分布、地質儲水空間和地質構造發育特征，精細描述含(隔)水層空間組合與地下水流場分布特征，通過水巖時移監測[17]，研究煤炭開采全周期地下水、上覆巖層和含(隔)水層變化規律，模擬研究開采條件下地下水流場變化、導水裂隙帶發育高度和隔水層裂隙分布狀況，結合應力場-裂隙場-滲流場多場耦合、結構動態演化、覆巖移動破壞規律，剖析采動覆巖移動破壞、隔水層結構與采動變異特征，能夠揭示煤炭開采對地下水的影響和作用機理[18]。而針對大規模機械化開采方式下的生態環境損害問題，要以生態環境容量特別是水資源承載力為約束條件，重點研究煤炭開采中的水資源運移特征與循環規律，為實現從“被動恢復”向“主動保護”、從“重開采”向“重協調”的重大轉變提供理論基礎。

1.3 煤炭開采對生態環境損傷作用

煤炭開采導致生態環境變化的根源在于開采沉陷和巖土損傷。近年的研究已經認識到井工開采環境影響的傳遞過程是“基本頂破斷—關鍵層斷裂—地表主裂縫”，繼而導致水土流失和植被群落變化；而露天煤礦環境影響更為直接，主要是地表剝離引起植被移除和景觀破壞，露天礦開采還可能通過地下水變化、粉塵運移形成一定的擴散區域[19]。井工高強度開采以非連續、大變形損傷為主要特征，對地表及附屬物的影響較連續變形更為嚴重。開采導致的覆巖裂隙和地表裂縫改變了地下水資源系統的補、徑、排關系，造成地下水滲漏和水位下降，并致使地表土壤持水保墑能力降低、植物根系拉傷等地表生態要素的損傷[20]。特別是在典型生態脆弱區進行淺埋煤層的大規模、高強度開采使得這一矛盾更加尖銳。因此要根據國家生態文明礦區建設的要求，克服已有研究存在尺度單一、各生態子系統間互饋關系不清、采礦對生態的擾動機理不明、生態修復標準與評價體系不完善等的不足，從多尺度(特別是不同生態分區)定量研究西部礦區煤炭開采生態損傷形成機理，揭示煤炭開采影響生態系統結構和功能動態演化規律。

土壤環境是構成礦區生態系統的基本環境要素，采煤塌陷對土壤環境的擾動主要體現在：采煤導致采空區上方垂直入滲能力增強，改變潛水補給條件和土壤表面蒸發能力，最終影響土壤含水率[21]。而采煤塌陷后引起土體結構改變，進而對土壤理化性質產生影響，因此要進一步研究土壤水和土壤理化性質的變化特征。作為西部生態脆弱環境的重要組成部分，植被生長與覆蓋狀況直接影響整個礦區的生態環境質量，植被恢復是區域生態恢復的重要前提和核心內容。中國礦業大學(北京)的研究人員長期觀測了采煤塌陷抑制植物根系生長，破壞植物根際的生物活性特征，發現導致植物的死亡率增大，植被生長狀況與地表破損率呈負相關關系，而干旱缺水和開采導致的傷根是制約植被修復的關鍵[22]。研究還發現，采煤擾動對植被會產生雙重生態效應，即造成植物個體損傷、死亡和景觀破碎，但同時又增加了植物的多樣性。地裂縫的發育過程會使土壤產生開裂，周圍生長的植物根系難以承受地裂縫引起的應力變化而產生破損，出現拉斷、拉傷、扭曲、皮裂、抽離土壤等多種傷根方式，植物根系損傷會對植物生長和發育造成不利影響，降低植株生物量，擾亂植物根系內源激素水平，阻礙植物根系發育，降低植物營養吸收量。研究還發現，裂縫寬度、錯位差、距裂縫遠近是影響根系損傷程度的主要因素[23]。

1.4 井工和露天土地復墾及微生物修復機制

西部煤礦區氣候干旱、土壤貧瘠、生物種群單一，煤炭開采致使礦區生態環境更加脆弱。因此，煤礦區生態修復或生態重建要從修復生態系統的功能和結構角度出發，綜合考慮土壤生態系統的穩定性和可持續性，并需從本質上解決土壤生產力的恢復和生態群落的重建問題。筆者[24]研發了露天礦土壤重構、植被恢復和景觀再塑關鍵技術，形成了能促進植物根系生長發育、抗拉傷作用、改土提質的微生物修復技術，較完善建立了集約化開采源頭減損與地表生態修復一體化技術。但要從根本上研究其對沉陷區與排土場受損土地功能的修復作用與機理，還要利用微生物本身的活性來挖掘和激發土壤潛在肥力，協調干旱半干旱區土壤水肥供應，改善根系功能，刺激生物種群發育，突破原有土地復墾方法，為礦區沉陷地生態修復創造適宜的環境，保證生態系統的持續性和穩定性[25]。

隨著研究的深入，越來越多的學者逐漸認識到自然修復和人工修復并不矛盾，2 種修復模式各有所長，適用范圍不同。生態自我修復與人工治理都是促進人與自然和諧相處的重要手段[26]。在考慮煤礦區生態承載力較低的現實情況下，煤礦區生態可通過人工促進自然生態修復的方法，即以煤礦區生態自然修復中的植被分布、演替規律以及自然恢復能力評估等研究為基礎，分區分類實施低人工擾動為特征的人工促進生態自然修復工程。研究發現：采動覆巖導水裂隙在其產生后的長期演變過程中，會發生導水滲流能力逐步降低的自修復現象，因此要依據西部典型煤礦區的具體煤炭賦存特點與地質開采條件，研究制定適合含水層快速恢復其生態功能的理論與方法[27]。

微生物是自然界較為活躍的一類有機體，與植物共生關系緊密的微生物有根瘤菌與叢枝菌根真菌，自然界中80%以上的有花植物都能被叢枝菌根真菌(AMF)侵染，應用叢枝菌根真菌等微生物技術能加快生土熟化，加速植被恢復，已成為培肥礦區土壤和修復礦區生態的一個重要技術途徑[28]。AMF 通過根外菌絲在土壤中形成廣泛的菌絲網絡，能增加根系長度，改變根系形態，調節根系水力導度、影響根系水分吸收。叢枝菌根真菌的菌絲能夠分泌產生一類糖蛋白即球囊霉素，菌絲壁和孢子的降解能夠將球囊霉素釋放到土壤中，從而球囊霉素被認為是叢枝菌根真菌與土壤環境相互作用的重要媒介物質[29]。采煤沉陷區土壤結構被擾動，叢枝菌根真菌如何改善土壤結構，協調水肥供應，是生態修復需要深入探討的問題之一。畢銀麗等[3]研究表明，叢枝菌根真菌的侵染也會使寄主植物的根系生物量、根長等發生變化，叢枝菌根形成共生體過程中根系分生組織活性受到抑制，增加了不定根和側根的數量，改變植物根系形態，因而叢枝菌根真菌具修復傷根和水分利用調控等潛力。此外，深色有隔內生真菌(DSE)具有廣泛的宿主適應性，可作為土壤微生物的重要組成部分，其發揮的生態學功能也引起了學者們廣泛興趣。DSE 刺激植物生長的內源激素水平、提高植物養分吸收能力，DSE 還具有純培養優勢，菌劑可以規?；a，可為煤礦區大面積退化土地的快速修復提供充足微生物菌劑來源[30]。同時，土壤生物結皮作為一種生態修復新材料，位于土壤與大氣之間致密的界面層，是保護干旱、半干旱地區生態環境的最后一道防線，能顯著影響土壤和大氣的碳交換和碳平衡，對土壤碳循環有著重要影響[31]。研究表明，由于土壤生物結皮如藍藻、地衣、苔蘚等均含有大量的葉綠素，一方面通過光合作用固定大氣中的CO2，進而增加土壤碳儲量；另一方面，土壤生物結皮在生長演替過程中伴隨著分解分化、次生代謝物的產生(如蛋白質、多糖等)以及結皮自身的死亡腐解等，成為土壤有機碳的主要貢獻者[32]。在煤礦區損傷地表應用土壤生物結皮進行生態修復，將成為煤炭企業實現碳達峰、碳中和目標的重要技術措施之一。

2 西部煤礦區生態環境損傷特征與修復機制新研究方向

通過上述對我國西部淺埋煤層高強度開采引起的覆巖、裂隙、水資源、生態環境損傷特征及生態修復的國內外研究進展系統分析，發現煤炭開采全周期演變過程中，上覆土巖層、裂隙發育、水資源均呈現出自修復的特征和規律，裂縫發育過程正好作為生態修復楔入的最佳時機，加以人工適當修復干預，裂縫可以作為一種“松土”作用產生積極的正向效應，實現開采擾動過程與生態修復的有機耦合。

近年來生態修復技術和工程應用進展快，而機理研究相對滯后，急需從理論上探索煤炭開采過程地下巖層、上覆土層、水資源及生態環境的損傷演變機理及可持續生態自修復機制，以水承載力為約束，構建出生態脆弱煤礦區全周期覆巖-裂隙-水資源耦合損傷演變機制與成套生態修復理論，為西部煤炭資源開發與生態環境保護協調發展提供理論支撐。

2.1 研究思路

將西部煤礦區生態環境損傷特征與修復機制進行了邏輯梳理，在揭示覆巖損傷特征和裂隙發育規律的基礎上，研究水資源與生態損傷的主控因素及生態演變的閾值，揭示出生態修復機制，從井工開采生態修復保水和露天開采生態重建涵水2 方面揭示水-土-生耦合的修復機制，實現與自然協同的生態修復機制，技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線Fig.1 Technology roadmap

2.2 重點研究內容

2.2.1 煤炭開采誘致土巖結構及裂隙動態發育規律采用現場地質觀測、探地雷達、三維地震與高密度電法等手段，揭示開采全周期受損土巖層結構的修復特征；通過土巖層裂隙的多源監測與模擬分析，揭示高強度開采過程中不同生態分區地表與土層裂隙“開張—擴展”動態發育和采后“收縮—閉合”自修復規律，探究不同生態分區土層介質采動響應特性和裂隙演化的主控因素與受控機制；分析采中和采后上覆土-巖層耦合非線性損傷動態演化主控因素，闡明上覆土巖層采動損傷受控機制，揭示上覆土巖結構受損自愈合機理，構建采后土巖層結構自修復力學模型。

2.2.2 煤炭開采對水資源運移循環演化影響機制

闡明開采后地下水補、徑、排再平衡條件；研究煤炭開采全周期巖層裂隙場發育導致的滲流場變化規律，探索開采全周期覆巖裂隙貫通及裂隙場-滲流場耦合動態演化行為及定量關系模型，揭示不同采動應力路徑作用下地下水“采前滲流、采中平流、采后湍流和穩定期平-滲流”的4 個階段全周期演變規律，研究采動條件下含水層水體散失和富集機理；分析開采全周期內地表水—地下水—礦井水循環的動態變化，建立不同儲水空間水資源聯合調度模型和煤炭生產全流程水資源產排循環預測模型，形成水資源多途徑調用方法。

2.2.3 煤炭開采對生態環境損傷演變機理

解析煤炭開采條件-水文-植被耦合關系，分析煤炭開采與未開采、人工修復與自然恢復區的土壤水肥、植被生長發育、生態承載力演變規律；研究井工煤礦地表拉伸、壓縮、均勻沉降區土壤水肥及植被空間分異特征，識別井工煤炭開采過程中生態損傷和采后生態演變2 個階段的主控因素，揭示沉陷區生態系統正向/逆向演變機理；分析露天煤礦剝采排復生產工藝及其起塵滯塵對礦坑周邊土壤和植被的影響程度與范圍，揭示露天開采影響礦區生態系統正向/逆向演變機理；構建生態閾值體系，結合煤礦生態條件與開采參數，提出基于生態減損目標的煤炭開采優化方法。

2.2.4煤炭井工開采生態環境修復機理與方法

針對不同生態分區井工開采的表土損傷與發育特征，研究煤炭開采過程中沉陷裂縫對不同類型(草灌喬)植物根系、土壤性狀、生物種群分布格局的影響特征，探究微地形形態和規格發育對水-熱-生分配的影響作用，明晰井工開采微地形的土地環境變異特征，揭示開采全周期受損生態自適應機制；研究不同植物-微生物組合緩解裂縫拉傷植物根系的調控修復機制，厘清微生物及其代謝物對土壤團聚結構、保水增容、養分動力學的作用過程，揭示沉陷裂縫區微生物傷根修復、改土提質、水分涵蓄的耦合作用機理，構建人工與自然和諧的井工煤礦生態修復理論與方法。

2.2.5煤炭露天開采土層重構與生態重建機理與方法

針對不同生態分區露天開采的水資源與生態環境的損傷特征，研究露天開采全周期礦坑周邊地質結構與包氣帶含水層的空間分布、地表水運移、生態因子的演變特征；研究海綿土層結構與微地形重構參數對水熱鹽動態運移的影響規律；分析微生物修復對植物根系提水、根區土壤孔隙及土壤團聚膠結結構的影響，闡明微生物及其代謝物的提質增容機理；厘清土層重構與植物-微生物重建生態的高效涵水與促生機理，系統研究排土場涵水控鹽-表土提質增容-微生物植物立體配置的耦合作用，揭示微生物-植物生態重建的保水固沙改土促生機制，形成露天礦區土層重構與生態重建的理論與方法。

3 西部煤炭開發與生態修復相協調的新技術體系構建

(1)構建起降水-凝結水-土壤水-地下水“四水”耦合的水資源循環與保護技術，尤其是保護淺層地下水。裂縫發育期是生態修復補水的最佳時機，能提高生態修復植被成活率。研究采煤驅動下降水-凝結水-土壤水-地下水“四水”的演變機制及其對生態系統的反饋作用，發現凝結水對構建干旱區采損生態系統自維持具有積極作用。建立起識別生態演變閾值方法，實現對生態水文從被動損傷—主動自適應恢復—自維持主導演替的有效干預。

(2)創建出干旱煤礦區微生物-藻-草-灌-代謝物協調的立體修復技術體系，以微生物為楔點，研發出高效傷根修復方法，促進了人工與自然生態相協調的綜合修復。通過研究礦 區受損土地功能的修復方法，尋找出利用微生物深色有隔內生真菌(DSE)菌劑與代謝物高效聯合促進生根-抗拉伸-保水的協同修復技術。研制出系列代謝物土壤生物改良劑、便攜式DSE 菌劑及菌-藻組合修復劑，形成了優勢灌-草-藻+微生物組配的生物修復技術。實施后增強了植物抗旱、寒、熱逆境能力及土壤孔隙的連通性，使表土層增容涵水功能加強。

(3)發明了西部露天排土場3 層海綿結構固沙-改土-保水生態重建技術，通過微生物促根系發育吸水與提質耦合，促進了礦區從荒漠向綠洲的正向轉變與持續生長。在3 層結構中，采用表土層接菌方法刺激植物根系伸長發育到下層1 m 涵水層吸收更多水分，提高了植物成活率，改善土壤團聚體結構，增大根土復合體黏聚力和根系纖維素總量，提高了土體抗剪切力，增強排土場邊坡穩定性，實現了固沙-改土-保水的生態重建內在機理。

4 結 語

干旱半干旱區生態環境脆弱，煤炭開采造成的生態損傷極難恢復，國內外沒有成功修復的范例。因此在我國煤炭產能向西轉移初期便受到嚴重質疑，擔心大規模煤炭開采對該地區生態造成雪上加霜的效應，本文提出了開采生態損傷與生態自修復協調的新契機，將開采過程產生的裂縫發育抽象為農田松土作用，通過采礦導致水-土-生再分配時機，利用微生物修復技術，促進生態因子協同發展，踐行了西部脆弱生態區再造“綠水青山”的思維新轉變。