摘要：河南作為中原地區(qū)產(chǎn)煤和產(chǎn)糧大省，煤炭安全高效開采與耕地保護、糧食增產(chǎn)的矛盾較為突出。如何修復(fù)因開采煤炭導(dǎo)致?lián)p毀的耕地、保護礦區(qū)未損毀的耕地，同時穩(wěn)定煤炭產(chǎn)能，是中部礦糧復(fù)合區(qū)目前面臨的重大難題之一。本文在分析了中部礦糧復(fù)合區(qū)典型特征與其面臨的瓶頸問題基礎(chǔ)上，從采動覆巖與含(隔)水層破壞、采動地表沉陷規(guī)律與土壤退化、礦區(qū)耕地?fù)p毀及農(nóng)作物長勢、源頭減沉控?fù)p與土地?fù)p毀修復(fù)技術(shù)等四個方面分析了采煤沉陷及耕地?fù)p毀問題的研究發(fā)展歷程，包括采動覆巖含(隔)水層破壞及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、采動覆巖破壞充分采動定義及判據(jù)、采動地表沉陷與覆巖破壞整體響應(yīng)行為、地表沉陷對土壤退化與耕地?fù)p毀影響、沉陷區(qū)耕地?fù)p毀識別與農(nóng)作物長勢監(jiān)測、煤礦開采損毀土地修復(fù)技術(shù)等;在現(xiàn)有成果分析的基礎(chǔ)上，展望了中部礦糧復(fù)合區(qū)采煤沉陷及耕地?fù)p毀的四個發(fā)展方向：采動覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與含(隔)水層破壞傳導(dǎo)機理、采動地表沉陷規(guī)律與土地?fù)p毀作用機理、礦區(qū)耕地?fù)p毀及農(nóng)作物長勢時空演變規(guī)律與源頭減沉控?fù)p與耕地?fù)p毀高效協(xié)同修復(fù)技術(shù)，以便揭示“覆巖破壞地表沉陷耕地?fù)p毀作物響應(yīng)”傳導(dǎo)驅(qū)動機制，形成中部礦糧復(fù)合區(qū)源頭減沉控?fù)p與耕地?fù)p毀高效協(xié)同修復(fù)的綜合技術(shù)體系，為煤礦綠色開采與保障糧食安全提供理論和技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：中部礦糧復(fù)合區(qū);覆巖破壞;地表沉陷;耕地?fù)p毀;作物響應(yīng)

　　糧食安全和能源安全是國家安全戰(zhàn)略體系的重要組成部分。煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)的主體將在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)難以改變，2020年我國煤炭產(chǎn)量為39億t，煤炭消費量占我國能源總消費的58%。煤炭開采在促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展的同時，帶來覆巖(含水層)破壞、地下水位下降、地表沉陷、耕地?fù)p毀、土壤墑情與肥力下降等一系列問題，對區(qū)域糧食生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。我國人均占有土地面積約0.93ha，人均耕地面積0.087ha。據(jù)預(yù)測，我國受開采影響的土地?fù)p毀面積約為303萬ha，并以每年約7萬ha的速度增加[1]。

　　上述問題已引起政府、學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，習(xí)近平同志在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組研究我國能源發(fā)展戰(zhàn)略時，明確要求“對煤炭的關(guān)注度不能放松，要加強煤炭開發(fā)對水資源的破壞和地表生態(tài)影響的研究”。河南作為中原地區(qū)的主體，既是我國13個糧食核心區(qū)之一，也是我國8個超億噸產(chǎn)煤大省之一，屬于中部礦糧復(fù)合區(qū)，煤炭開采造成的地表沉陷、土地?fù)p毀與耕地產(chǎn)能提升矛盾突出。如何修復(fù)因采煤已損毀的耕地、保護礦區(qū)未損毀耕地，同時穩(wěn)定煤炭產(chǎn)能，是礦糧復(fù)合區(qū)目前面臨的重大難題之一。

　　目前對采動覆巖破壞與地表沉陷問題的研究較多，對采煤引起耕地?fù)p毀機理與控制修復(fù)需要進(jìn)行協(xié)同和系統(tǒng)性研究，在此基礎(chǔ)上，并將沉陷區(qū)內(nèi)作物響應(yīng)問題考慮在內(nèi)。因此，十分有必要回顧上述三方面的研究發(fā)展歷程，對以往有關(guān)采動覆巖與含(隔)水層破壞、地表沉陷與土壤退化、耕地?fù)p毀與作物長勢、土地?fù)p毀修復(fù)技術(shù)的研究內(nèi)容和方法進(jìn)行總結(jié)，本文就該領(lǐng)域目前研究存在的問題進(jìn)行了分析和展望。

　　1中部礦糧復(fù)合區(qū)概況

　　河南是我國唯一地跨長江、淮河、黃河、海河四大流域的省份，其地形地貌和水資源分布是中國的一個縮影。其糧食產(chǎn)量6828萬t(2020)位居全國第2，以全國6.6%的耕地產(chǎn)出全國10.2%的糧食，同時煤炭產(chǎn)量10490.6萬t(2020)位居全國第8，因此河南屬于典型的中部礦糧復(fù)合區(qū)。目前，河南省煤炭開采主要分布于豫北、豫西和豫東地區(qū)，擁有鄭州、平頂山、永夏(永城)、義馬(三門峽)、焦作、鶴壁六大礦區(qū)。

　　省內(nèi)埋深2000m以內(nèi)的含煤面積約189萬ha，約占全省耕地面積的23.2%。因煤炭開采造成土地?fù)p毀面積達(dá)16萬ha，其中耕地占70%以上，造成年減產(chǎn)糧食約73.5萬t，糧食安全保障和礦產(chǎn)資源供給矛盾日益凸顯，對我國的糧食安全和能源安全造成重大影響。 根據(jù)河南省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析近十年河南六大礦區(qū)煤炭產(chǎn)量與其所在市耕地面積變化，2009—2017年河南六大礦區(qū)煤炭產(chǎn)量、耕地面積變化趨勢一致，共同經(jīng)歷了快速下降、緩慢下降階段。

　　自2018年后，耕地面積呈現(xiàn)增加趨勢，一方面與煤炭年產(chǎn)量繼續(xù)減少相關(guān)，另一方面與近幾年政府相關(guān)部門加強采煤地表生態(tài)管控有關(guān)。因此可知，耕地面積受煤炭產(chǎn)量的影響，煤炭年產(chǎn)量減少，對耕地面積的增加有正面影響。盡管2018年河南省耕地面積呈現(xiàn)增加趨勢，但當(dāng)下采煤損毀耕地的整治修復(fù)主要以恢復(fù)生產(chǎn)條件為主，部分損毀耕地修復(fù)后質(zhì)量達(dá)不到中高產(chǎn)田標(biāo)準(zhǔn)，其根源在于覆巖(含水層)破壞及地表沉陷如何導(dǎo)致耕地?fù)p毀與耕地質(zhì)量下降、損毀傳導(dǎo)耦合驅(qū)動機制等科學(xué)問題認(rèn)識不清晰。

　　再者，煤炭開采因河南省礦區(qū)資源稟賦、煤層賦存、水文地質(zhì)條件不一，開采條件、管理方式迥異，煤炭開采對覆巖與地表的損毀方式、特征、機理各異，損毀耕地整治修復(fù)的重點、路徑、模式與技術(shù)有較大差異。河南省既要嚴(yán)守18億畝耕地紅線不動搖的強烈需求以提高糧食產(chǎn)量，又要穩(wěn)定煤炭產(chǎn)能，因此亟需從糧食安全和能源供給全過程視角，對以往有關(guān)采動覆巖與含(隔)水層破壞、地表沉陷與土壤退化、耕地?fù)p毀與作物長勢、土地?fù)p毀修復(fù)技術(shù)的研究內(nèi)容和方法進(jìn)行總結(jié)分析，為解決采煤沉陷導(dǎo)致的耕地?fù)p毀制約糧食增產(chǎn)瓶頸問題指明方向。

　　2采動覆巖與含(隔)水層破壞研究

　　2.1采動覆巖破壞及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

　　煤炭開采引起地層原巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致從頂板到高位巖層直至松散層都發(fā)生不同程度的損傷破壞，其中，采動覆巖結(jié)構(gòu)及其失穩(wěn)判據(jù)是巖層控制的核心問題之一。目前國內(nèi)外學(xué)者在采動覆巖破壞結(jié)構(gòu)模型方面開展了大量的研究，提出了“懸臂梁”、“臺階下沉”與“壓力拱”等理論和假說，分別從不同角度揭示了采場上覆巖層結(jié)構(gòu)的形成機理。錢鳴高等建立并分析了采動覆巖“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型的形成與失穩(wěn)條件，并提出了“關(guān)鍵層”理論，揭示了基本頂“OX”型破斷機理[2]。宋振騏通過研究受采動破斷巖層之間的接觸狀態(tài)，認(rèn)為破斷巖塊能向采空區(qū)內(nèi)垮落巖塊及煤壁傳遞水平相互作用力進(jìn)而形成“傳遞巖梁”結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上能保持自身穩(wěn)定性[3]。上述研究對采動覆巖破壞結(jié)構(gòu)的研究具有重要理論意義。

　　相關(guān)研究基于不同的采礦地質(zhì)條件，完善和發(fā)展了采動覆巖破壞結(jié)構(gòu)模型。李江華等基于河南趙固煤礦巨厚松散層薄基巖工作面，建立了硬巖復(fù)合破斷上覆巖層載荷傳遞力學(xué)模型，研究了覆巖載荷傳遞特征[4]。上述成果為采動覆巖結(jié)構(gòu)及其失穩(wěn)判據(jù)的研究做出了重要貢獻(xiàn)。采動覆巖破壞向上擴展至高位巖層，當(dāng)前對于采動裂縫帶高度的研究較為充分。SydS.Peng院士研究了美國中厚煤層開采裂縫帶高度與采厚和覆巖巖性的關(guān)系[5];我國《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中指出，裂縫帶高度主要與巖性和采高有關(guān)。

　　此外，裂縫帶高度同樣受煤層覆巖巖性組合特征的影響。基于此認(rèn)識，許家林等提出了一種基于關(guān)鍵層位置預(yù)計裂縫帶高度的方法[6];Rezaei等考慮了幾何參數(shù)和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，提出了一種基于應(yīng)變能平衡的長壁開采動態(tài)穩(wěn)定區(qū)的非時變分析模型，用于計算裂縫帶高度[7];Majdi等闡述了裂縫帶高度發(fā)育機理，提出了估算裂縫帶高度的方法，并與現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行了比較和驗證[8];張宏偉等提出了特厚煤層綜放開采裂縫帶高度的理論計算方法[9]。

　　2.2覆巖破壞充分采動的定義及判據(jù)

　　隨著工作面推進(jìn)距離的增加，由工作面頂板失穩(wěn)垮落傳遞至高層位巖層發(fā)生懸伸破斷，覆巖破壞高度增加，地表沉陷區(qū)逐步增大[11]。

　　2.3采動含(隔)水層破壞及其判據(jù)

　　煤炭開采導(dǎo)致包括含(隔)水層在內(nèi)的覆巖變形破壞，采動裂隙貫通隔水層并進(jìn)入含水層，引發(fā)地下水資源流失[13]，采動水資源流失將導(dǎo)致潛水位下降，給土壤墑情和農(nóng)作物正常生長帶來不利影響[1415]。對于高潛水位礦區(qū)，如河南永煤陳四樓煤礦，水資源補給充足，采后地表易形成沉陷積水區(qū)，導(dǎo)致農(nóng)田損毀[16]。

　　目前，許多學(xué)者針對采動含(隔)水層破壞機理展開研究，其中，采動隔水層裂隙發(fā)育規(guī)律及其貫通性得到了廣泛的關(guān)注。郭文兵等揭示了薄基巖厚松散層下充填開采覆巖裂隙高度及其變化規(guī)律，指出上行裂隙和下行裂隙綜合作用下隔水層的殘余厚度可作為保水開采安全性判定依據(jù)[17];黃慶享提出采動覆巖“上行裂隙”與“下行裂隙”，并指出裂縫帶的導(dǎo)通性決定著覆巖隔水層的隔水性[18]。

　　另外一些學(xué)者聚焦隔水層本身，重點研究采動覆巖移動變形過程中，隔水層的應(yīng)力、變形和損傷等參數(shù)的變化是否超過其破壞閾值，從而判斷隔水層的穩(wěn)定性[19]。上述研究主要以應(yīng)力、變形或裂隙作為隔水層的失穩(wěn)判據(jù)，實質(zhì)是判斷隔水層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但在量化分析采動水資源流失方面尚不準(zhǔn)確。在分析煤炭開采對糧食生產(chǎn)的影響時，不可忽視淺表水資源少量但長期的滲漏對地表農(nóng)作物和植被的破壞[2021]。基于此認(rèn)識，余伊河通過室內(nèi)三軸滲流實驗針對隔水層的滲透性開展了研究[22]。

　　另外，孟召平等指出采動巖體滲透性主要受應(yīng)變控制，采空區(qū)巖石滲透性則依賴于巖體破壞程度與裂隙開度[23];Adhikary等針對礦區(qū)地下滲透性的封隔測試結(jié)果表明，采空區(qū)上覆巖層滲透性增大3個數(shù)量級[24];Sato等研究了主應(yīng)力對滲透率各向異性發(fā)展的影響，指出砂巖和泥巖滲透率各向異性發(fā)展規(guī)律的區(qū)別[25]。

　　綜上所述，目前對采動覆巖與含(隔)水層破壞從靜態(tài)力學(xué)分析方面進(jìn)行了較為充分的研究。隨著工作面的推進(jìn)，采動頂板失穩(wěn)類型與基巖含(隔)水層界面處的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生改變，有必要進(jìn)一步開展采動頂板基巖含(隔)水層破壞的動態(tài)力學(xué)分析，揭示采動頂板失穩(wěn)類型轉(zhuǎn)化機制與基巖含(隔)水層破壞傳導(dǎo)機理(圖7)，為源頭控制采動地表沉陷與土地?fù)p毀提供理論基礎(chǔ)。

　　3采動地表沉陷規(guī)律與土壤退化研究

　　3.1采動地表沉陷規(guī)律

　　煤炭開采影響到地表，致使地表移動變形，改變了地表原有的形態(tài)。目前地表移動變形監(jiān)測方法主要包括建立地表移動觀測站、BDS采空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測基站、與“天空地井”一體化動態(tài)監(jiān)測等方法。不同地質(zhì)采礦條件下，地表移動和變形規(guī)律存在一定的差異。國內(nèi)外學(xué)者對地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。

　　AxelPreusse對美國東部的深部長壁開采、德國等地的硬巖開采下的沉陷規(guī)律進(jìn)行了分析[26];A.Malinowska等用GIS研究開采沉陷對地表建(構(gòu))筑物的影響[27];滕永海分析了綜采放頂煤下地表劇烈移動區(qū)的沉陷特征[28];徐乃忠等研究了正斷層對地表沉陷的作用機理及影響規(guī)律[29];郭廣禮等研究煤炭地下氣化地表移動變形[30];胡炳南分析了充填開采地表沉陷的主控因素及其對地表沉陷的影響規(guī)律[31];崔希民等以大同礦區(qū)特厚煤層重復(fù)開采條件為研究背景，開展了特厚煤層重復(fù)開采覆巖與地表移動變形規(guī)律研究[32];郭文兵等針對河南厚濕陷表土層礦井進(jìn)行了相關(guān)研究，得到了特定開采條件下地表沉陷特征[33]。

　　另外，國內(nèi)外學(xué)者對地表沉陷的預(yù)測方法和地表非連續(xù)變形破壞進(jìn)行了深入研究。GhabraieB分析了澳大利亞多煤層長壁開采的覆巖沉陷機理，給出地表沉陷預(yù)計方法[34];余學(xué)義等基于分層傳遞理論，修正了概率積分法模型，并成功應(yīng)用于厚黃土層煤層開采沉陷預(yù)測[35]。

　　波蘭學(xué)者AgnieszkaA.Malinowska利用PSInSAR技術(shù)對淺埋煤層開采產(chǎn)生的塌陷坑進(jìn)行了調(diào)查分析[36];吳侃等結(jié)合統(tǒng)一強度理論，推導(dǎo)得出了采動地裂縫極限發(fā)育深度計算方法[37];戴華陽等通過實測，確定了神東礦區(qū)上灣礦地表裂縫拉伸、壓縮、臺階、塌陷4種非連續(xù)變形的分區(qū)分布主要參數(shù)[38]。上述研究對采煤地表沉陷規(guī)律、建(構(gòu))筑物以及生態(tài)修復(fù)研究等發(fā)揮了重要作用。

　　3.2采動地表沉陷與覆巖破壞整體響應(yīng)行為

　　傳統(tǒng)的巖層移動主要關(guān)注在工作面上覆部分巖層移動規(guī)律，而開采地沉陷則關(guān)注地面移動變形問題，但是這兩個不同的研究方向本質(zhì)都涉及到工作面回采后上覆巖層和地面表土層的整體移動行為。因此，基于此認(rèn)識，相關(guān)學(xué)者針對工作面回采后上覆巖層和地面表土層的整體響應(yīng)行為進(jìn)行了研究。

　　4礦區(qū)耕地?fù)p毀及農(nóng)作物長勢研究

　　4.1沉陷區(qū)耕地?fù)p毀識別及時空演變規(guī)律

　　大范圍獲取礦區(qū)耕地?fù)p毀區(qū)域，長時序監(jiān)測沉陷影響耕地的范圍和程度，是進(jìn)行沉陷區(qū)耕地識別及時空變化規(guī)律研究的前提。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)及其衍生技術(shù)作為新型主動式地表形變監(jiān)測技術(shù)，以其大范圍、高精度、不受云雨天氣影響的技術(shù)優(yōu)勢，且能克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法的耗時費力、采樣率低、周期長、成本高等局限，已成為精準(zhǔn)監(jiān)測礦區(qū)沉陷變化的重要手段之一。近年來國外學(xué)者開展了大量基于InSAR衍生技術(shù)的礦區(qū)地表形變重構(gòu)和預(yù)計研究，發(fā)展了行之有效的方法[46]。

　　國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了有益的探索，如改進(jìn)多時相DInSAR的算法，實現(xiàn)了礦區(qū)尺度開采沉陷影響區(qū)監(jiān)測;進(jìn)一步利用SBASInSAR時序分析技術(shù)，從工作面尺度獲得了地表下沉的動態(tài)規(guī)律等[47]。沉陷造成的耕地退化、地表塌陷和積水還嚴(yán)重影響礦糧復(fù)合區(qū)耕地數(shù)量和質(zhì)量。精準(zhǔn)識別提取沉陷區(qū)耕地，是進(jìn)行農(nóng)作物長勢監(jiān)測和時空變化規(guī)律分析的前提。當(dāng)前，礦區(qū)耕地信息的提取方面，以最大似然、最小距離、決策樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等計算機識別方法從遙感影像上自動提取為主。

　　如Celik將遺傳算法(GA)用于最小化代價函數(shù)，對混合高斯模型的參數(shù)進(jìn)行估計，很好地解決了差值影像的二類問題[48];Bazi等運用層集理論尋找影像上對象的最優(yōu)全局輪廓，與常規(guī)方法相比，該方法能更精確地檢測對象的結(jié)構(gòu)和區(qū)域，進(jìn)而抑制虛檢誤差[49]。

　　然而傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)與模式識別方法往往受“同物異譜、異物同譜”現(xiàn)象影響，使得分類效果較差。亟需構(gòu)建并優(yōu)化多粒度掃描級聯(lián)隨機決策森林模型，在特征組合隨機森林的基礎(chǔ)上，改進(jìn)混合節(jié)點分裂;然后通過多輸入自適應(yīng)模型提高森林規(guī)模;級聯(lián)森林方面，將多層逐級學(xué)習(xí)思想引入到隨機森林中構(gòu)建深度隨機森林模型，提高森林魯棒性和泛化能力。

　　在沉陷區(qū)時空演變監(jiān)測方面，已經(jīng)有部分研究，如李晶等利用IFZ與NDVI進(jìn)行礦區(qū)土地利用/覆蓋變化研究，重構(gòu)礦區(qū)森林覆蓋與采礦擾動之間的關(guān)系[50]。劉培等基于CAMarkov模型對礦區(qū)土地覆蓋進(jìn)行了遙感動態(tài)變化監(jiān)測，分析了煤礦區(qū)熱環(huán)境與土地覆蓋變化耦合關(guān)系[51]。然而，目前研究主要側(cè)重于靜態(tài)、短期的沉陷區(qū)植被生態(tài)變化和土地景觀格局變化，礦糧復(fù)合區(qū)耕地變化及農(nóng)作物長勢監(jiān)測有待深入研究，長時序、高精度損毀耕地及農(nóng)作物的多時相遙感技術(shù)精準(zhǔn)監(jiān)測對耕地保護和糧食安全更具科學(xué)價值。

　　4.2采動影響下沉陷區(qū)農(nóng)作物長勢監(jiān)測

　　基于多光譜、高光譜、激光雷達(dá)、地物光譜儀遙感技術(shù)的采動影響研究，是農(nóng)作物抗逆研究的熱點。國外關(guān)于礦區(qū)重金屬脅迫和酸性礦井水脅迫導(dǎo)致植被反射光譜特征、紅邊響應(yīng)特征變化研究已取得一些進(jìn)展[52]。

　　國內(nèi)學(xué)者通過地面采樣實測分析，獲得了開采前后沉陷區(qū)土壤pH值、土壤養(yǎng)分、土壤物理性質(zhì)及其遷移特征[53];開采沉陷對土壤和農(nóng)作物根系損傷，造成土壤持水能力減弱，進(jìn)而形成斷根脅迫和干旱脅迫，導(dǎo)致光合作用能力變差，生產(chǎn)力下降等，也取得了研究進(jìn)展[54]。在此基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行沉陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中農(nóng)作物長勢關(guān)鍵指標(biāo)、土壤理化生特性的時空變化的研究，闡明耕地退化導(dǎo)致農(nóng)作物功能性損傷和生理指標(biāo)發(fā)生變異的機理，尤其是在土壤退化特征和農(nóng)作物長勢關(guān)鍵生理指標(biāo)間建立起有機聯(lián)系，為沉陷區(qū)損毀耕地修復(fù)提供理論支持。

　　根據(jù)以上研究成果分析可知：國內(nèi)外基于農(nóng)作物長勢關(guān)鍵指標(biāo)的采礦影響遙感機理研究相對薄弱，開采沉陷影響土壤退化及作物損傷的程度、范圍和時間尚需深入研究。亟需從區(qū)域尺度和工作面尺度分析采煤活動對地表農(nóng)作物的影響規(guī)律，研究農(nóng)作物長勢關(guān)鍵指標(biāo)的時空變化規(guī)律，闡明直接采損及間接影響下農(nóng)作物響應(yīng)機制。

　　5源頭減沉控?fù)p與土地?fù)p毀修復(fù)技術(shù)

　　5.1源頭減沉控?fù)p技術(shù)

　　煤炭開采引起的覆巖和地表移動是礦區(qū)耕地?fù)p毀的源頭。因此，源頭減沉控?fù)p技術(shù)是指采取井上下技術(shù)措施控制開采引起的覆巖和地表移動，從而在源頭上實現(xiàn)減沉控?fù)p的目的。如煤炭開采引起的覆巖和地表移動可以通過開采方法的選擇、開采參數(shù)優(yōu)化以及采用充填材料置換煤炭開采等，減緩覆巖與地表變形是實現(xiàn)源頭減沉控?fù)p的有效舉措。

　　國內(nèi)外學(xué)者在控制覆巖與地表變形方面進(jìn)行了大量研究。主要有協(xié)調(diào)開采、充填開采、部分開采、覆巖離層注漿、保水開采等。協(xié)調(diào)開采是通過調(diào)整工作面開采布置方式、開采順序等實現(xiàn)控制地表移動和變形;充填開采主要包括矸石充填、膏體充填、(超)高水充填、膠結(jié)充填等[55];部分開采主要有限厚開采、條帶開采、房柱式開采等，留下的煤柱用于控制上覆巖層。

　　覆巖離層注漿是在地表通過鉆孔將注漿材料注入到覆巖離層空間內(nèi)，可以對其上覆巖層起到支承作用，阻止和減緩上覆巖層繼續(xù)下沉，達(dá)到減緩地表沉陷之目的。郭文兵等提出了地下水原位保護技術(shù)的兩主要步驟：加固煤柱的條帶開采、留窄煤柱的置換煤柱充填開采[56]。上述這些方法各有優(yōu)缺點，在不同的條件下均有應(yīng)用。

　　5.2煤炭開采損毀土地修復(fù)技術(shù)

　　煤炭開采損毀土地修復(fù)技術(shù)可以分為人工主動修復(fù)與自恢復(fù)引導(dǎo)技術(shù)。自恢復(fù)引導(dǎo)技術(shù)立足生態(tài)系統(tǒng)本身的自恢復(fù)力，輔助適當(dāng)?shù)娜斯ふ{(diào)控，誘導(dǎo)損毀土地主動反饋，逐漸恢復(fù)到相對健康狀態(tài)，最終實現(xiàn)煤炭資源可持續(xù)開采與生態(tài)環(huán)境保護[57]。由于自恢復(fù)引導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)需要很長時間，甚至長達(dá)百年，因此它主要適用于自然生態(tài)區(qū)的損毀土地修復(fù)。對于中部礦糧復(fù)合區(qū)，采取自恢復(fù)引導(dǎo)技術(shù)修復(fù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)時效慢、耗時長，制約糧食增產(chǎn)。

　　人工主動修復(fù)能快速改善礦區(qū)土地的破壞，實現(xiàn)土地生產(chǎn)力的恢復(fù)，因此，一直以來都是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的研究焦點。對于糧食生產(chǎn)為主要功能的農(nóng)業(yè)區(qū)，特別是礦糧復(fù)合區(qū)，煤炭開采損毀土地修復(fù)技術(shù)較為單一，主要為挖深墊淺與充填復(fù)墾，修復(fù)的主要目標(biāo)是造地復(fù)田，緩解耕地減少導(dǎo)致的人地矛盾[58]。

　　挖深墊淺技術(shù)僅適用于中、高潛水位地區(qū)地表沉陷較深的耕地恢復(fù)。充填修復(fù)技術(shù)的實施又受限于充填材料的可獲取性，對于中部礦糧復(fù)合區(qū)而言，一方面，大多煤礦區(qū)潛水位較低，地表沉陷較淺;另一方面，充填材料獲取困難，因此，這兩項修復(fù)技術(shù)在區(qū)域內(nèi)的適用范圍有限。目前，區(qū)域內(nèi)的煤炭開采損毀土地絕大部分仍然處于未治理狀態(tài)，影響區(qū)域土地持續(xù)利用與糧食產(chǎn)能提升。從水土保持的角度，研發(fā)科學(xué)的土地修復(fù)技術(shù)是提升中部礦糧復(fù)合區(qū)沉陷耕地生產(chǎn)力與糧食保障能力的有效手段。

　　近期，河南理工大學(xué)煤礦區(qū)土地整治與生態(tài)修復(fù)團隊初步開展了損毀耕地修復(fù)研究，發(fā)現(xiàn)：沿采煤工作面走向在沉陷地表布設(shè)梯田+灌溉管理的技術(shù)模式能有效削弱傾向大坡度導(dǎo)致的水土肥流失，作物產(chǎn)量能夠達(dá)到甚至超過正常農(nóng)田水平[59]。此外，生物碳土壤改良作為近年來土壤修復(fù)的前沿技術(shù)，具有改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤水肥條件、防治土壤鹽堿化等優(yōu)勢，但該技術(shù)在沉陷耕地上的應(yīng)用研究尚未開展。以上兩種水土保持技術(shù)，對于中部礦糧復(fù)合區(qū)煤炭開采損毀耕地的高效修復(fù)具有重要參考價值。

　　綜上所述，礦糧復(fù)合區(qū)源頭控?fù)p技術(shù)主要側(cè)重于減緩地表沉陷、保護建(構(gòu))筑物或水體，需要從損毀耕地修復(fù)角度來開展有針對性的源頭控?fù)p技術(shù)研究。損毀土地修復(fù)技術(shù)主要側(cè)重于以工程措施(挖深墊淺、充填復(fù)墾等)為主的土地復(fù)墾，需從水土保持的角度來開展基于沉陷地形的耕地修復(fù)技術(shù)研究。從“地氣水土生”生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的視角，亟需開展井下源頭控?fù)p與土地修復(fù)相結(jié)合的高效協(xié)同修復(fù)技術(shù)研究，以此為礦糧復(fù)合區(qū)的煤炭綠色開采、土地可持續(xù)利用與耕地產(chǎn)能提升提供理論和技術(shù)支撐。

　　6問題與展望

　　6.1存在問題

　　綜合上述國內(nèi)外研究，圍繞采煤誘發(fā)覆巖破壞、地表沉陷、土地?fù)p毀及修復(fù)等方面已開展了相關(guān)研究，但針對中部礦糧復(fù)合區(qū)典型地質(zhì)采礦條件采煤沉陷規(guī)律、耕地?fù)p毀驅(qū)動機制及作物響應(yīng)方面的研究仍有以下幾方面不完善：

　　(1)河南典型地質(zhì)采礦條件下采動“頂板覆巖含(隔)水層”破壞傳導(dǎo)機制尚不明晰。目前對采動頂板失穩(wěn)類型的判斷主要基于靜態(tài)力學(xué)分析，在采動頂板失穩(wěn)類型的動態(tài)轉(zhuǎn)化機制及其對覆巖裂隙發(fā)育的影響方面研究較少;在采動含(隔)水層破壞機理的研究中，將含(隔)水層的變形直接等同于覆巖的變形，沒有考慮基巖含(隔)水層界面處的應(yīng)力傳導(dǎo)與破壞驅(qū)動機制，以及該機制對采后含(隔)水層滲透性自然或人工修復(fù)的影響。

　　(2)河南典型礦區(qū)采動地表沉陷與損毀耕地土壤退化的耦合作用機理尚需進(jìn)一步研究。不同地質(zhì)采礦條件地表沉陷規(guī)律、土地?fù)p毀退化類型、退化程度差異很大，對河南不穩(wěn)定煤層放頂煤開采、薄基巖厚松散層和高潛水位厚煤層開采礦區(qū)的開采沉陷規(guī)律分析不足，且缺少覆巖破壞對地表沉陷驅(qū)動機理的系統(tǒng)研究。目前研究側(cè)重于探討地表沉陷對土壤退化的間接影響，需要進(jìn)一步揭示地表沉陷土壤侵蝕土壤退化間的作用機理。

　　(3)中部礦糧復(fù)合區(qū)農(nóng)作物長勢時空響應(yīng)特征尚不明晰。農(nóng)作物生長對耕地的覆蓋度變化影響顯著，地表物候變化和開采擾動容易導(dǎo)致干涉測量失效，影響了土地沉陷區(qū)域的提取精度，傳統(tǒng)的遙感影像分類建模方法難以精準(zhǔn)識別損毀耕地，基于沉陷區(qū)土壤理化生特征變化，對地表農(nóng)作物的葉綠素、類胡蘿卜素、氮素等長勢關(guān)鍵指標(biāo)間的響應(yīng)關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

　　(4)中部礦糧復(fù)合區(qū)煤炭開采損毀耕地的高效協(xié)同修復(fù)技術(shù)研究亟需開展。源頭控?fù)p技術(shù)側(cè)重于地表減沉、建(構(gòu))筑物保護，欠缺耕地保護目標(biāo)導(dǎo)向的源頭控?fù)p技術(shù)研究。損毀土地修復(fù)技術(shù)側(cè)重于高成本工程復(fù)墾，推廣受限，欠缺基于沉陷地形高效利用的低成本、易推廣的耕地修復(fù)技術(shù)研究。從“地氣水土生”生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的視角，亟需開展井下源頭控?fù)p與土地修復(fù)相結(jié)合的高效協(xié)同修復(fù)技術(shù)研究，以此為礦糧復(fù)合區(qū)的煤炭綠色開采、土地可持續(xù)利用與耕地產(chǎn)能提升提供技術(shù)支撐。

　　6.2研究展望

　　本文通過對采動覆巖與含(隔)水層破壞、地表沉陷與土壤退化、耕地?fù)p毀與作物長勢、土地?fù)p毀修復(fù)技術(shù)的研究內(nèi)容進(jìn)行了簡要回顧，結(jié)合四方面的研究思路總結(jié)了中部礦糧復(fù)合區(qū)采煤沉陷及耕地?fù)p毀相關(guān)研究成果以及修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)，提出以下研究展望：

　　(1)基于河南典型地質(zhì)采礦條件，構(gòu)建采動頂板破斷巖塊結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)模型，闡明頂板破斷巖塊結(jié)構(gòu)時空演化規(guī)律，分析基巖頂部與含(隔)水層界面上巖土雙介質(zhì)破壞驅(qū)動與傳導(dǎo)機制，揭示頂板基巖含(隔)水層破壞動力學(xué)傳導(dǎo)機理。(2)厘清不同地質(zhì)采礦條件下覆巖破壞與地表沉陷之間的作用關(guān)系，揭示采動覆巖破壞地表沉陷傳導(dǎo)機理;研究不同類型沉陷區(qū)損毀耕地的理化和微生物特性之間的變化規(guī)律、土壤侵蝕特征及土壤理化特性變化規(guī)律，揭示中部礦糧復(fù)合區(qū)地表沉陷對耕地土壤退化的驅(qū)動機制。

　　(3)探索河南典型地質(zhì)采礦條件下多時相DInSAR干涉測量技術(shù)與方法，從工作面尺度識別沉陷區(qū)耕地/非耕地信息、提取采煤影響下農(nóng)作物關(guān)鍵生長期的遙感生態(tài)指標(biāo)，基于此，建立農(nóng)作物長勢時空變化模型，分析沉陷區(qū)損毀耕地農(nóng)作物長勢響應(yīng)特征及時空演變規(guī)律。(4)針對河南典型地質(zhì)采礦條件，優(yōu)化工作面開采參數(shù)，提出源頭減沉控?fù)p的開采方法，確定源頭減沉控?fù)p開采方法的有效控制范圍;研發(fā)不同損毀特征耕地土壤修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建具有針對性的丘陵、平原區(qū)損毀耕地修復(fù)模式，形成中部礦糧復(fù)合區(qū)源頭減沉控?fù)p與耕地?fù)p毀高效協(xié)同修復(fù)的綜合技術(shù)體系。

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　　作者：郭文兵1,2，趙高博1,3，白二虎1,2，馬超4，聶小軍4，陳俊杰4，張合兵4