刘辉团队：高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构关键技术

创新点

（1）以我国东部典型高潜水位采煤沉陷区环境治理和生态修复为研究对象，基于开采沉陷原理和“采复一体化”理论，提出了地表沉陷积水动态预测方法，构建了沉陷区地形改造分区重构数学模型，为采煤沉陷区国土空间规划及修复治理奠定了理论基础。

（2）针对煤炭资源型城市发展中面临的水土资源撂荒、生态系统紊乱、人居环境恶化三大技术瓶颈，提出了城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化规划理念，研发了沉陷区边采边复施工和生态重构系列关键技术，构建了城中采煤沉陷区人与环境协调发展的空间格局，为践行煤矿区“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念提供了技术支持。 （3）基于安徽淮北绿金湖沉陷区生态地质环境改造重大工程，开展了工程实践，探索了生态修复与重大民生工程相结合的采煤沉陷区修复产业化模式，解决了沉陷区修复治理与长期运营脱节的难题，形成了“超前规划-动态修复-长期运营”于一体的城中采煤沉陷区可持续发展模式。

高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构关键技术

作者：刘辉1,2，朱晓峻1,2，程桦1,2，苏丽娟3，戴良军4，郑刘根1,2，方申柱5，姜春1,2，张琼5，孙庆业1,2，李玉1,2，李栋衍6

单位：1.安徽大学 资源与环境工程学院；2.安徽省矿山生态修复工程实验室；3.安徽大学 数学科学学院；4.安徽建工集团控股有限公司；5.安徽省交通航务工程有限公司；6.山东高速集团有限公司

背 景

我国中东部高潜水位矿区历经几十年大力开采，受到地下水渗流和大气降水的耦合影响，地表形成大量采煤沉陷积水区，以两淮矿区为例，目前已形成沉陷区面积580余km2，其中积水区域面积占60％～70％，最大积水深度达20m以上。沉陷积水灾害已成为高潜水采煤沉陷区面临的首要生态环境问题。采煤沉陷区治理亟须结合城市发展规划，人居环境改善和生态一体化重构成为城中采煤沉陷区治理必须解决的关键技术问题。

针对高潜水位矿区生态环境治理，国内外学者开展了大量理论与实践研究，主要集中在：①“源头减损”。通过改进开采方式来限制地表沉陷，以期达到减小沉陷土地面积、减少地表下沉和积水的目的，如充填开采、协调开采、条带开采、离层注浆充填减沉等。此类方法工艺复杂、成本较高，推广应用难度大；②“末端治理”。在沉陷区开展了大量土地复垦工作，如采用煤矸石、粉煤灰等固体废弃物进行充填复垦，重塑耕地等。此类方法须在地表充分稳沉后实施，土地闲置周期长，复垦率不高，损毁土地修复效果有限；③“边采边复”。针对前2者成本高、效率较低、复垦率不高等缺点，我国学者提出了以提高土地恢复率、缩短土地撂荒时间和修复生态系统为主要目标的“边采边复”绿色发展理念，并开展了大量理论与实践研究，取得了良好的效果。 然而，复垦时机的选取、复垦边界的确定、水陆复合生态系统重构等关键技术问题仍处于探索阶段。在复垦过程中，由于沉陷积水灾害的复杂性，诸如积水边界持续演变、复垦区再次淹没、生态系统连续受损等问题不断产生，给高潜水位矿区土地复垦与生态修复造成困扰。目前，相关研究工作仍相对滞后，难以系统解决煤炭资源型城市发展中的沉陷区人居环境与生态系统协调发展的科学问题和技术瓶颈。

摘 要

以两淮高潜水位矿区为代表的我国东部大量采煤沉陷积水区的形成，严重影响了煤炭资源型城市的可持续发展，特别是城中采煤沉陷区水土资源撂荒、生态系统紊乱、人居环境恶化已成为制约城市建设的三大瓶颈，严重阻碍了经济社会发展和生态文明建设。

为解决煤炭资源型城市生态修复与可持续发展问题，通过分析高潜水位采煤沉陷区地表沉陷积水演化规律和生态损害特征，基于开采沉陷原理和“采复一体化”理论，提出了地表沉陷积水动态预测方法，构建了沉陷区地形改造分区重构数学模型；研发了沉陷区边采边复施工、水循环与水资源调控、建筑分区设计、水土流失控制与基质改良、水陆复合生态系统重构等关键技术；探索了城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化治理新模式，并以淮北绿金湖沉陷区为工程背景，开展了工程实践。研究表明： ① 融合Knothe时间函数和水量平衡模型参数，可实现开采任意时刻地表沉陷积水深度、积水面积、积水体积和最大库容的精准预测，最大相对误差为9.7%。 ② 依据土方量平衡条件，建立了采前地形重构数学模型，将沉陷治理区划分为以地表沉陷盆地中央为中心、两侧对称的中央挖深、边界垫浅4个特征区域，土地闲置时间由14个月缩短至8个月，为高潜水位采煤沉陷区“挖深垫浅”超前治理提供了理论依据。 ③ 研发了环保疏浚退水及人工湿地尾水处理系统、底泥一体化机械深度干化系统、高填筑围埝多级装配式退水系统等成套施工关键技术，退水效率提高了17%，节约排泥场面积5260m2。 ④ 提出了“平整地建筑-斜坡地水土保持-浅水区水生植被-深水区生态渔业”沉陷区分区治理技术，实现了沉陷区水土资源的100%高效利用。 ⑤ 与引江济淮、生态走廊、绿金城市等重大民生工程相结合，探索了集市场运作、科学修复、可持续运营于一体的沉陷区综合治理新模式，为城中采煤沉陷区生态环境治理和可持续发展提供了理论依据和技术参考。

图 片

绿金湖采煤沉陷治理区

高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构技术方案

关键影响因素对沉陷积水演化影响

下沉盆地体积计算示意

预测积水面积与实测积水面积对比

时序多目标系统模糊优化决策模型

沉陷区建筑分区设计方法

绿金湖采煤沉陷区建筑分区规划

城中沉陷区人居环境与生态一体化规划效果

地形改造与分区重构模型

边采边复施工成套关键技术

陡坡定植块

沉陷区水体修复与生态重建

淮北绿金湖城市中央湿地现状

作者简介

刘辉，男，1982年4月22日生，山东肥城人，工学博士，博士后，副教授，硕士生导师，安徽大学资源与环境工程学院副院长，《煤炭学报》青年编委，担任中国煤炭学会土地复垦与生态修复专业委员会委员、国家煤矿开采损害技术鉴定专家、中国测绘学会工程测量分会委员、中国岩石力学与工程学会矿山采动损害与生态修复专业委员会委员等学术兼职。主持国家自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金、河北省高校青年拔尖人才计划项目等纵横向科研项目40余项，发表学术论文70余篇，出版著作8部，授权国家发明专利10余项，获陕西省科技进步一等奖、安徽省科技进步二等奖、安徽省专利优秀奖等省部级教学科研奖励8项。

研究方向

矿山开采沉陷、矿山与地下工程测量、土地复垦与生态修复

主要成果

致力于特殊地质条件下矿山地质灾害监测与治理研究，取得多项创新性成果，系统研究了我国东、西部矿区沉陷积水和采动地裂缝两种典型地质灾害的发育规律和致灾机理，构建了多个经验预测模型和力学机理模型，研发了西部黄土沟壑矿区地裂缝综合治理、东部高潜水位矿区沉陷积水综合开发与利用、城中采煤沉陷区人居环境与生态重构等多项关键技术，在神东、两淮、兖州等多个矿区推广应用，取得了显著的经济、生态和社会效益，为煤炭资源安全开采和地表生态环境修复治理提供了理论依据和技术参考，切实践行了煤炭资源金山银山和生态环境绿水青山和谐共生的绿色发展理念。

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[J]． 煤炭学报，2021，46(12)：4021-4032．

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