多年來，從山東肥城到安徽淮南的華東煤炭開采塌陷問題引起了廣泛的注意，不少專家對此進行了全面深入的研究，為減輕塌陷狀況和有效恢復耕地提供了極具科學價值的理論依據。現將其中的主要情況介紹如下。

1 采煤導致地面塌陷等生態環境問題　　

中國科學院地理科學與資源研究所以兗滕兩淮地區為樣本，對采煤導致較嚴重的地面塌陷等生態環境問題進行了研究。

煤炭和土地是工業與農業發展中同等寶貴的有限自然資源，也是長期制約我國經濟持續發展的重要因素。煤炭開發必然引起地面塌陷，而土地資源合理開發利用反過來又限制煤炭資源的大規模開發。從區域可持續發展的角度分析，采煤與塌陷是資源重疊區域資源、經濟與生態環境失調發展的必然產物。如何協調這些地區同位異類資源同時開發與持續利用的關系，做到既能最大限度地開發煤炭，又能保護耕地，促進同位異類資源同時開發，經濟持續穩定增長，生態環境良性循環，一直是煤炭分布地區走可持續發展之路所要長期奮斗的目標。　　

我國是世界上產煤最多、塌陷面積也最大的國家之一，每年因采煤造成塌陷面積約1.3×，其中一半以上集中于平原地區，尤其是兗滕兩淮地區。這一區域包括山東省兗州、濟寧、棗莊、滕州、臨沂、肥城和江蘇省徐州、安徽省淮南、淮北、宿州等地市，含煤地層北起山東肥城，南至安徽淮南，東自臨沂，西達菏澤，探明煤炭儲量占全國的7.14%。據實地調研統計，全區平均每采t煤約塌陷土地0.18～0.33，到2000年累計塌陷面積7.15×，2010年達到13.33×以上。　　

根據《棗莊市土地利用總體規劃》、《濟寧市采煤塌陷治理研究報告》、《肥城采煤塌陷現狀及治理規劃研究》和淮北、淮南、徐州等礦區發展規劃，濟寧(兗州)礦區、肥城礦區、棗滕礦區、徐州礦區、淮北礦區和淮南礦區采t煤塌陷面積分別為0.18、0.21、0.19、0.21、0.33和0.19；塌陷面積分別為0.31×、0.37×、1.13×、1.30×、1.17×和0.59×；下沉系數分別為0.8～0.9、0.8、0.8、 0.8、0.9和0.8；地面下沉深度分別為7～10m、3～5m、2～6m、5～9m、2.78m和4～7m；最大下沉深度9～11m、8～12m、9～10m、10～12m、5.44m和8～10m；塌陷速度分別為1466.67/a、133.33/a、55.00/a、666.67/a、 666.67/a和562.00/a。2000年塌陷面積1.0×、0.53×、1.47×、1.67×、1.47×和1.02×。

開發利用煤炭、土地資源與改變生態環境之間、資源再生、經濟發展與生態環境恢復之間存在著緊密的因果關系。當資源得到合理利用時，生態環境所遭受的破壞程度就會減輕、經濟就可得到快速穩定發展，當生態環境遭受嚴重破壞時，必然制約資源的開發利用。當資源獲得再生永續利用時，必然會促進生態環境恢復。兗滕兩淮地區未處理好資源開發與生態環境保護的關系，加之其處在人口稠密、村莊建筑物密布、路網水網電網星羅棋布的黃淮海厚層沖積平原，人地關系矛盾本來就很突出，因而造成塌陷對地表的破壞程度及經濟與生態環境損失比任何其他地區都更嚴重和巨大。　　

2 煤炭開采對農田景觀格局的影響　　

中國科學院地理科學與資源研究所和中國礦業大學研究了煤炭開采對農田景觀格局的影響。　

兗州市煤炭總儲量200億t以上，地下煤層地勢平緩，平均為15°左右，煤層厚度8～12m。地面平均高程4813m，地面地表潛水位一般3～5m，煤炭開采后最大沉陷深度6～8m，多屬常年積水。⑴地下開采區農田景觀一般演變過程。采礦區景觀格局變化范圍遠大于其對應的地下開采采空區范圍。礦區景觀過程及格局取決于采空區的形狀、采厚、采深、煤層傾角、地表潛水位和頂板管理方法等。積水、坡地、裂縫是農田開采后的主要景觀。　　

①水平煤層開采區。　　

地表潛水位較高、近似水平煤層開采區，地表充分沉陷后在采礦波及范圍內原有農田演變為積水、坡地等新景觀格局。一般積水景觀位于采空區正上方，其形狀與采空區對稱，坡地景觀與外圍區分界點大致與地下采空邊界正上方略有位移，受巖石下沉拉力作用，多數是向外擴展。水平煤層非充分開采區農田演變過程基本與上面相同，積水面積與坡地范圍小于充分采動。　　

②傾斜煤層開采區。　

傾斜煤層非充分采動時，地表沉陷中心位移與采空區不對稱性明顯加強，中心位置常偏向采空區下山方向，則積水景觀集中于上山方向，坡地景觀上山方面波及范圍較小，下山范圍較大。充分采動時景觀過程和格局基本上與非充分采動時相似，僅在范圍或邊界位置略有擴大。急傾斜煤層開采時，積水位置與采空中心偏移更加明顯。

⑵煤炭開采量對農田景觀變化量影響。

兗州礦區煤炭開采量和塌陷面積不斷增長，煤礦生產開始時塌陷率呈上升趨勢，穩產后塌陷率呈下降趨勢，但幅度較小、空間有限。兗州礦區屬薄煤層和厚煤層混合型礦區，年際塌陷率變化較大，但總的采煤塌陷率呈下降、穩定趨勢。地表塌陷相應導致地表農田景觀變化，煤炭開采引起的景觀變化范圍與塌陷率趨勢趨同，農田演變為積水與坡地景觀數量同樣表現出上述規律，但塌陷區中積水區比率比坡地相對增加。　　

⑶礦區農田景觀格局演變預測。

兗州礦區采深與采厚比值較大，地表空間形態變化一般是連續、漸變的。當采煤工作面推進到1/ 4～1/ 2 采深時，開采影響波及到地表，引起地表下沉。隨著工作面繼續推進，地表影響范圍和下沉量在一定范圍內繼續增大，從而形成一個比采空區范圍大得多的沉陷盆地。根據采動過程中地表移動與變形一般規律，水平開采穩定后地面點的位置并不在其起始位置正下方，而是略偏向工作面推進方向一側，一般位移較小，可忽略其影響。另外，塌陷后農田景觀的土地利用類型主要取決于地表沉陷深度，當其低于地表潛水位時為積水景觀，否則為坡地及其他陸地景觀。因此，采礦區農田最終演變格局主要取決于地面沉陷深度。　　

3 采煤塌陷地對區域經濟和生態環境帶來的負面效應　　

中國科學院地理科學與資源研究所以兗滕兩淮地區為樣本，對采煤塌陷地對區域經濟和生態環境帶來的負面效應進行了研究。　　

①生存空間遭到破壞。

隨著采煤量增加，煤層上覆圍巖開始下沉變形，當變形波及地表時就在采空區上方形成比采空區面積更大的地表移動盆地。當地表拉伸值超過3～6mm/m時產生斷裂帶及塌陷坑，所及之處大片農田被毀。在河流改道、降水等因素綜合影響下，塌陷地在物理性狀上呈長期積水地和沼澤地，在化學性質上表現為土壤酸化和營養物淋失，平原陸地生態環境變為水生生態環境。兩淮地區采煤塌陷地70%以上為2～20m深的水域；徐州礦區積水塌陷地9300，占已塌陷地71.79%，積水深度2.5～4m。即使如此，塌陷積水地還以平均333.33/a速度遞增，對糧棉油基地建設和生態環境構成嚴重威脅。　

②千里良田被迫荒廢。

我國平原地區因采煤毀掉良田400/a，兗滕兩淮地區更為嚴重，現有塌陷地中85%以上為可耕地。兗州礦區塌陷的3093.33土地幾乎全為耕地，肥城礦區塌陷3700土地85.78%為耕地；棗滕礦區共因采煤破壞耕地2.34×；兩淮礦區至2140年礦山服務年限結束時，將累計塌陷耕地17.67×，平均減少耕地1000/a、增加失地農民約1萬人，兗州、濟寧東、滕南三大礦區開采完畢后將形成8.4×塌陷地，平均減少耕地4000～4667/a，有100多萬人失地。

③農業生產結構在漸變中失調。

采煤造成土地塌陷，輕者地表起伏不平，影響耕種和灌溉，重者一則使地表下沉引起塌陷地積水，傳統高產旱作農業退變為低產乃至絕產水田；二則因地下含水層受損，又使傳統高產水田退變為低產旱地。水旱田在塌陷中交替互變。淮南礦區服務年限結束時，耕地面積將減少46.75%，水面增加173.14%，種植業產值比重將由目前45%降為10%，漁業產值比重由2.04%升至10%，鄉鎮企業產值比重由40%升為70%以上。農業結構巨變與水旱田交替加重了本區糧棉油征購任務。　

④地面設施嚴重受損。　　

淮南大通鎮、九龍崗鎮和淮北烈山鎮均因塌陷破壞而易地重建；淮南礦區謝李深部礦井(市中心)開采完畢后將在市區形成17.7深21.7m的水域，將淮南市區分成東、西兩塊，淮南鐵路望李段、淮河主航道二道河河床及河堤將分別下沉16m、5m和15m左右，并將有幾百個村莊約20余萬農民搬遷安置。淮北礦區已有209個村莊約12.63萬人、濟寧礦區已有14個村莊1.19萬人被迫搬遷。受物價指數上升影響，搬遷費用居高不下。兗州礦區每戶搬遷費用由1985年平均8千元增至現在近10萬元。即使如此，農民因遷離故土，提出一系列實際問題，導致搬遷矛盾重重，工農關系日趨緊張。由此可見，采煤塌陷造成的工農矛盾已在資源重疊的本區長期積結，代價是相當沉重的。　　

4 采煤塌陷地的動態演變規律　　

中國科學院地理科學與資源研究所以兗滕兩淮地區為樣本，對采煤塌陷地的動態演變規律進行了研究。　

受制于自然動力地質因素和人類工程活動的雙重影響，采煤塌陷地的動態演變機制和塌陷破壞程度，可運用開采沉陷理論和流體力學理論進行分析，這是通過改變開采方式，及時預警塌陷強度和破壞程度，進而采取工程與生物措施綜合整治的重要依據。　

①開采沉陷理論支持下采煤塌陷地動態演變的基本規律。　　

依據開采沉陷理論和兗滕兩淮地區煤炭地質賦存條件，當采煤長壁工作面離開切眼的推進距離大于0.45～0.55 (為平均采深)、開采面積大于或接近1300～1500時，地表開始移動變形，當深厚比介于150～200時，移動變形宏觀上呈連續態，否則為非連續的離散態；當地下采煤區的長寬尺寸都達到或超過開采深度1.4～1.8倍時，地表移動變形過程轉為塌陷過程；當塌陷最大深度為煤層開采厚度70%～90%時，稱其為充分采動塌陷。上述塌陷與變形臨界水平適于在采空區無任何支撐條件下，通常因地下留有各種煤柱用于支撐地層，使塌陷區呈凹凸不平的復雜形狀。從宏觀上看，一般地表塌陷容積約為煤層采出體積60%～70%，塌陷面積系數約1.2，積水率30%～50%，附加坡度1°～3°；從微觀上具體分析，由于兗滕兩淮地區地表塌陷過程基本呈連續狀態，因而地表任意點的塌陷下沉值可用概率密度函數中的積分表達式來表達和計算。根據兗滕兩淮地區實際情況，開采深度不同，上述參數取值不同。　　

②流體力學理論支持下采煤塌陷地動態演變基本規律。　　

利用流體力學理論可分析采煤塌陷地形態和大小。采用公式可求出地表采煤塌陷水平分量和下沉分量，也可直觀描述采煤塌陷地形態實際是一個不規則形狀的三維曲面。運用開采沉陷理論和流體力學理論分別從兩個切入點描述采煤塌陷地的動態演變規律，同時具有可行性和結論的一致性，只要確定采礦要素，如煤層傾角、煤層厚度、開采深度、長壁工作面長度、煤炭產量、層間距等，就可確定地表移動與塌陷參數，如下沉系數、塌陷面積系數、水平移動系數、影響傳播角、曲率、水平變形率、積水率、附加坡度等，進而求得地表任意點下沉值和下沉持續時間等。以這些計算與預測結果為依據，即可因地制宜采取生物與工程措施防患于未然。采用公式計算的地面任意點下沉值科學而精確。不少礦區為簡便起見，還采用一些經驗公式近似計算并預測塌陷面積。如肥城、淮北礦區采用萬噸煤塌陷率d=15ncosα/kmγ(n，α，k，m，γ分別代表影響系數、煤層傾角、水平回采率、開采厚度及煤的容重)求得兩礦區的d值分別為0.21/t和0.30/t。　　

5 兗州礦區復墾農田景觀格局演變過程研究　　

中國科學院地理科學與資源研究所和中國礦業大學研究了兗州礦區農田在采礦前后、復墾前后的景觀格局變化情況。

不論何種煤炭開采方式，均對礦區生態環境造成擾動，引起地面景觀格局發生變化，破壞地質結構，危害礦區生態安全與持續發展。礦區生態環境恢復主要途徑是土地復墾。復墾后土地70%為農田，其余多數為其他農用地。景觀格局是景觀過程的產物，不同景觀格局強烈影響景觀過程，而且景觀結構影響景觀功能。　

兗州市農田經方田化、條田化和設施配套建設后，形成“田成方、林成網、井配套、路相連、渠相通, 設施齊全、土地平整”的田園生態化格局。　　

⑴農田板塊。　　

兗州市將總面積42843140的農田劃為14個大的方形農田板塊，板塊面積約3333133。通過防護林、溝渠、道路、河流等廊道又細分為6464個小農田板塊。標準農田板塊面積約6167，農田形狀基本都呈方形，農田板塊長與寬均為250m左右。受風害影響，田塊方向與防護林走向相同，呈東西向。2000年后，標準農田板塊面積多為13133，長為500m、寬為250m左右，規模是原標準的2倍，以適應農業現代化的要求。　　

⑵農田廊道。　　

兗州市農田的廊道由防護林、道路和溝渠構成，廊道構成形式多為溝、渠、路、林等農田設施的組合，少量為單一林帶。從上述農田板塊與廊道發展趨勢看，農田景觀格局伴隨科學技術的發展，板塊擴大、土地利用率提高，廊道結構升級、數量減少，物流、能流、信息流等流暢通、保障率加強，農田生產條件穩定，生物量提高，形成新的大地園林景觀格局。

根據國家環保“十五”規劃，兗州礦區以土地復墾為重點，加強礦區環境綜合整治，建立各種類型的礦區生態建設示范基地，逐步形成與生產同步的生態恢復建設機制。所以，礦區土地復墾方向主要是生態重建，以生態農業為特色的農田景觀重建是多數礦區生態重建的必然選擇，景觀重建的核心是合理設計物流通道、物種棲息地，完善物種生態位，建立食物鏈，實現能量與物質良性循環。復墾農田景觀重建的理論研究還很薄弱，深入研究煤炭開采區景觀格局過程，充分認識開采對農田景觀擾動規律及規劃設計因素和復墾工藝對重建農田景觀質量的影響，可以科學指導沉陷區土地復墾，特別是生態預復墾，提高復墾農田質量，保護生物多樣性。實踐證明，合理的復墾農田景觀格局能協調社會、經濟、生態效益，保障礦區社會經濟持續發展，使農田景觀具有最佳的效用價值、功能價值、美學價值、娛樂功能和生態價值。因此，礦區在被破壞的土地上走生態農業復墾的道路，進行復墾農田景觀重建具有廣闊的發展前景。　　

6 兗州礦區復墾對農田景觀格局的影響　　　　

中國科學院地理科學與資源研究所和中國礦業大學開展了兗州礦區復墾對農田景觀格局影響的研究。

⑴規劃設計方向對格局的影響。　　

煤礦開采沉陷后雖然對景觀造成一定程度破壞，不利于農業高效生產，但同時增加了景觀異質性，為發展復雜農業生態系統創造了有利條件。兗州礦區特殊的沉陷景觀格局決定復墾景觀規劃設計方向為基塘格局。一般情況下塘或水面布置在塌陷積水深處，大小為塌陷積水面積減去墊土面積，形狀由不規則變成規則，并集中連片發展水產養殖或旅游生態園區。復墾規劃設計后的農田景觀異質性比沉陷時降低，但生產能力提高、形狀規則。復墾后農田景觀得到恢復，塌陷坡地和煤矸石山、閑散地等其他景觀轉化為農田，廊道得到恢復、完善，景觀結構趨于合理。　　

⑵復墾施工對農田格局恢復的影響。　　

地下采煤如不采取及時充填措施，將導致采空區上方幾倍于地下開采面積的程度不同地表沉陷，形成封閉式湖泊狀沉陷地。土壤介質和土地平整度是復墾農田景觀重建的關鍵，須對沉陷地采取適當的復墾措施。

①泥漿泵復墾工藝。　　

工藝簡單、投資少。泥漿泵復墾的農田景觀基質較差，如土壤養分損失多、上下土層混合、含水量大不易排出、易鹽漬化、微生物及動物受到破壞等，復墾后農田景觀恢復期較長，難以恢復的只能改為林地、居民點等其他景觀。　　

②推土機復墾工藝。　　

推土機重構土壤普遍存在上下土層混合及壓實問題，復墾后的農田景觀基質比泥漿泵復墾工藝效果有所提高，但機械嚴重壓實的復墾耕地表層土壤性狀不良，短時間內難以得到有效改良。復墾后須采取深翻、客土改良和增施有機肥等措施改良土壤理化特性，利于農田景觀的恢復。　　

③拖式鏟運機復墾工藝。

采煤沉陷地拖式鏟運機較推土機工藝更符合復墾土壤重構的要求，構造的土壤質量更高。采用預復墾效果更佳，可消除塌陷后土壤的潛育化影響、縮短農田景觀恢復時間、提高基質質量。從多年復墾土壤特性看，科學的復墾工藝有利于提高土壤質量、縮短達到目標生產力的時間、恢復原有農田景觀或更優的農田景觀。實踐證明，采取表土剝離技術的復墾農田質量明顯優于混合復墾，科學的預復墾優于沉陷后復墾。

⑶復墾農田景觀重建標準分析。

從農田景觀格局演變過程看，農田基質逐步均一化，原有零星景觀被整理為農田景觀，農田板塊規則、平整, 廊道相連、通暢，且功能提高、面積減少，整個農田景觀更加穩定、健康。復墾農田景觀重建標準包括：充分體現生產力保持穩定和提高，景觀格局與環境保持協調、適合，降低農田基質恢復期，滿足景觀現代化的要求，避免復墾中的“功能折舊”現象發生，保持農田生物多樣性，發揮農田景觀美學性等方面。

7 采煤塌陷地的綜合整治途徑　　

中國科學院地理科學與資源研究所以兗滕兩淮地區為樣本，對采煤塌陷地的綜合整治途徑進行了研究。　　

①調整采煤方針，堅定不移地實施限制性煤炭開發戰略。

在計劃經濟體制長期約束下，為緩和華東地區能源供應嚴重不足局面，兗滕兩淮地區自70年代以來一直采取“有水快流”的采煤方針，原有礦井一再擴建，生產能力成倍增加，塌陷面積與日劇增，一系列生態環境與經濟社會問題激化。面對這些問題，本區煤炭開發必須遵守國家提出的“優先盤活總量、嚴格控制外延”的投資總方針，從煤炭與土地同位同時協調開發長遠利益出發，必須變“有水快流”為“細水長流”的采煤方針，穩定老區，有計劃地建設新區，以煤為主，多種經營，深度加工，綜合發展。適時適度控制發展速度、強度與規模，將煤炭產量穩定在1.1×～1.2×t水平上。未來我國煤炭生產布局重點將由東部集中轉向山西、陜西、內蒙古西部地區；全國煤價放開將使煤炭生產通過競爭最終由市場需求決定；全國性運煤通道的陸續開通使更多耗煤大戶有機會尋求新的能源供應基地。這些都利于本區實施限制性采煤戰略，但毗鄰的華東地區2010年缺煤2.63×t，一部分仍繼續就近依靠本區補充。今后全區煤炭以穩產為主，并將限制性開采作為長期目標。　

②因地制宜采用多元化采煤方法，多渠道減少塌陷影響。

受本區煤層埋藏條件限制，全區煤炭產量96%以上采用豎井開采方式，今后煤炭開采在絕大多數地區只能采取豎井開采方式，但在開采方法上應有所改進。目前絕大部分地區采用長壁、分層、放頂等常規開采方法，本著因地制宜的原則，除繼續采用這些常規方法外，還可在合適的地區采用充填開采法、順序開采、協調開采、條帶開采、高壓注漿等采煤方法。對于建筑物下、路下、水下“三下”壓煤采用充填開采法；對地表村莊少、煤埋深小于400m礦井，采用條帶開采法；對于厚層煤采用分層開采法，并適當縮小分層厚度，以降低開采對地面的破壞程度；對多層煤采用順序開采法和協調開采法，使數個煤層按順序同時開采，但將工作面錯開一定距離，使開采一個煤層產生的地表壓縮區準確置于開采另一個煤層所產生的地表拉伸變形區內，保證地表變形應力相互抵消；對于上覆沖積層很厚的煤層，采用長壁與放頂等常規開采法。上述開采方法均可不同程度減輕塌陷影響或合理安排塌陷影響。　　

③推行政府、企業和農民三協合開發管理機制，因類制宜綜合治理塌陷地。　

采煤塌陷地綜合整治是一項復雜的社會系統工程，單靠土地部門顯然力不從心，需各級政府、企業和農民的通力協作。這就要求建立一個由政府牽頭、企業配合和農民自墾三協合開發管理運行機制，改變過去強調的“誰破壞、誰復墾”的原則，實行以補代征模式，只要治理后的土地經濟效益達到或高于相應農田即可征用，而只補償一定數額的復墾資金，這既利于企業降低生產成本，亦利于農民充分就業和安居樂業。在這種機制運作下，對塌陷地分類改造，綜合整治，宜農則農、宜牧則牧、宜林則林、宜漁則漁、宜建則建(材)。對已穩定塌陷地以造地還田、發展網箱網圍養殖為主，積極發展農業生產和基本建設；對不穩定塌陷地以因勢利導利用為主，隨高就低，能種則種、能養則養。通過分類整治與復墾，將有望在塌陷區形成田成方、樹成行、水路相通、橋涵閘電線網配套的良好生態環境與經濟發展格局。

④依據市場價值法則，超前預警采煤塌陷造成的生態環境與經濟損益，合理確定重疊資源開發時序與強度。

在市場經濟條件下，各類資源開發時序、強度及規模均由市場需求來調節，資源開發造成的環境破壞亦將通過繳納生態環境損失補償費彌補。按照市場價值規律，采煤塌陷對生態環境破壞造成的直接經濟損失、間接經濟損失、恢復費用和保護費用均由市場價格來計算。通過效益、費用與損失的計算、分析比較，可推知待塌陷地區采煤的經濟效益、采后對生態環境造成的經濟損失及治理費用大小，以便在環境費用效益分析中確定重疊資源開發時序、方式及強度；亦可推知已塌陷地對生態環境造成的經濟損益及恢復費用，以便將有限的資源預算最大限度用于恢復生態環境和塌陷復墾。這種超前預算采煤塌陷費用效益的方法利于采煤部門決策者把煤炭生產計劃與土地塌陷復墾計劃同時納入企業生產計劃，根據資金投量調整噸煤生產成本和煤價，既利于工農業生產的協調發展，又利于生態環境恢復與良化。

⑤成立采煤塌陷復墾工程局，制訂優惠政策，多方籌集塌陷治理與土地復墾資金。

采煤塌陷綜合整治耗資巨大，周期特長。區內平均每采1t煤需治理費6.7元。考慮物價上漲因素，未來噸煤治理費用若按8元算，則兗滕兩淮地區共需塌陷治理費千億元以上。籌措如此巨額資金須動員全社會力量，制訂各種優惠政策，多渠道吸納塌陷治理資金。一是根據市場規律，將塌陷治理費用全部攤入采煤成本，通過提高煤價向用戶換回治理資金；二是依據資源價值化理論開征資源稅，換取治理資金；三是建立專項治理基金；四是廣泛吸納社會零散資金和外國資金；五是調動農民積極性，以優惠政策鼓勵農民自力更生復墾。為了保證資金籌措和塌陷復墾工作順利進行，須改變過去政府、企業和農民間互相扯皮的現象，專門成立采煤塌陷復墾工程局，由主管市長兼任局長，所在礦區領導兼任副局長，土地管理局局長專任常務副局長并主持日常事務工作，形成關系理順、責任明確、目標統一、通力協作的管理與決策體系。