0 引 言
山西是煤炭大省，长期的采矿活动造成了山西省土地和生态环境的严重破坏，地面塌陷、地裂缝、山体滑坡、泥石流、土地沙化、土地退化、地下水疏干、水均衡破坏等问题相当普遍。 在黄土丘陵地区煤矿地下开采扰动导致地面产生大量的地裂缝、地表塌陷、采动滑坡、泥石流等地质灾害，地下水资源、耕地、农用地等损害严重[1-4]。 调查研究显示，山西省地下开采每万吨煤炭平均造成1 333.34～2 000.01 m2 塌陷土地[5]。 农田耕地的大规模破坏，使矿区土地资源利用更加紧张。
山西大部分矿区具有典型的黄土丘陵地貌特征，多数地区黄土层厚度占采深的30%～70%，地形起伏多变，黄土沟壑地貌特征明显，地表形变破坏特征与基岩出露地表及平地破坏有明显的不同，因而土地复垦和生态修复的重点及方法也不同。 黄土层具有一定的黏聚力和抗剪强度，是一种亚稳定性结构，其土质均匀、结构疏松，对地下煤层的开采及地表水较为敏感。 黄土丘陵矿区受地表坡度较大的影响，其开采沉陷损害有特殊性，由于采矿形成的地表大面积沉陷，沟谷土体坍塌，不同的地形地貌上产生不同宽度的台阶状地表裂缝、槽形塌陷甚至是采动滑坡，进而导致水土流失、土地沙化、植被退化以及生态环境恶化，严重破环了地貌景观，因此认识黄土丘陵矿区地表移动变形破坏规律，探求黄土丘陵采煤沉陷区土地复垦及生态修复技术尤为重要。
黄土丘陵矿区的地面沉陷及生态修复引起很多学者的广泛关注，原一哲[6]对黄土丘陵地区地下开采引起的土体性质变化进行了研究，为山西黄土丘陵矿区煤炭开采引起的地表损害分析提供理论指导；康建荣等[7]就黄土丘陵山区地表变形，提出了当厚表土层或风化松散层覆盖区地表倾角较大时，采动地表会产生非连续性质的移动的破坏，其破坏的主要形式有塌陷坑、塌陷槽和采动滑坡。
矿区煤炭开采对生态环境造成的损害主要集中在对水资源及生态环境的损害方面，很多学者在矿区水资源保护及生态环境治理方面作了大量的研究。 张玉福[8]提出了生态环境治理的目标与任务，论述了开采后对生态环境保护的治理策略。 肖家乐[9]针对矿区生态环境造成的影响进行了分析，结合成功经验探索了环境保护对策。 邹知华[10]提出强化矿山环境保护的管理，建立矿山开采的可持续发展的系统理论。 赵丽娜[11]分析了采矿对矿区生态环境的影响与应对措施。 矿区土地复垦及生态恢复是一门涉及多学科交叉的应用性学科，经过国内外学者多年的研究与尝试，逐渐形成一套技术理论与技术，主要集中在土地复垦方法与适宜性方法的研究。 文献[12-13]研究废弃地和大型露天矿的适宜性研究，为煤矿土地复垦提供了依据。 文献[14-18]提出了采复一体化(边采边复)理念与技术原理、土壤重构原理与方法、地貌重塑理念等土地复垦与生态修复理论和技术。 朱丽等[19]对排渣场和塌陷区进行了研究，总结出草地林地的复垦适宜性程度。 采煤沉陷地的治理一直是煤矿区土地复垦与生态修复的研究重点，在采煤沉陷土地复垦高潜水位方面，由最初提出的疏排法、挖深垫浅法、泥浆泵法等非充填复垦的技术方法[20-21]，到使用煤矸石、粉煤灰、黄河泥沙作为充填材料的充填复垦技术[22]，黄河泥沙充填复垦技术同时解决了充填材料不足和黄河泥沙淤积的问题[23]。
目前全国范围内采煤沉陷地土地复垦及生态修复已形成较多的技术模式，但大都是适用于高、中潜水位地区的复垦模式，此类技术对于山西黄土沟壑和丘陵山区的适宜性及可复制性较差。 山西尤其是晋西北地区的煤炭开采大都处于黄土沟壑和丘陵山区，其采煤沉陷地表损伤的主要形式为地表裂缝、不同规模的槽形塌陷及采动滑坡等，因此，有必要总结、归纳和开发适宜山西地貌和气候特点的土地复垦与生态重建技术，构建山西省采煤沉陷地土地复垦用生态环境修复技术模式。
笔者针对山西省黄土丘陵地形地貌特征，结合多年的土地复垦及生态修复研究，依据矿区开采沉陷监测成果、理论研究及土地复垦的现场经验，分析研究黄土丘陵采煤沉陷区的开采损害特征及生态修复技术。
1 黄土丘陵采煤沉陷区生态环境破坏类型
1.1 山西黄土丘陵沉陷区采动地表破坏
黄土与基岩是2 种截然不同的介质，其物理力学性质差异较大，受到地下采煤的破坏形式也具有较大差别。 黄土丘陵沉陷区地表破坏的常见类型有地面裂缝、采动滑坡、槽型塌陷坑、崩落等，如图1 所示，其中多种形态的裂缝是最普遍最主要的地表破坏类型，其他3 种破坏类型受地层、地形、黄土性质、采矿条件等影响。 笔者主要分析采动裂缝的分类、形成机理及影响因素等。
图1 黄土丘陵采煤沉陷区采动地表破坏类型
Fig.1 Types of mining surface damage in mining-subsided loess hilly area
黄土丘陵采煤沉陷区的采动地表裂缝分类如图2 所示。 ①按发育时间，分为动态裂缝和永久裂缝。地表动态裂缝主要分布在工作面正上方，裂缝走向垂直于工作面推进方向，裂缝间距与工作面顶板的周期来压有关，在工作面推进过程中，有些动态裂缝会闭合或减小；永久裂缝主要分布在工作面边界上方，随着工作面停采，该类裂缝的大小及形态也趋于稳定。 从裂缝动态发育角度将其分为4 个不同发育时期，即岩层连续移动变形阶段(采动初期)，裂缝产生及缓慢发育阶段、裂缝剧烈发育阶段、裂缝稳定阶段[24]。 ②按裂缝形态，分为拉张裂缝和台阶裂缝。 黄土丘陵沉陷区，大多数的裂缝不但具有拉张，而且具有台阶；少数深厚比较大工作面上方地表仅有拉张裂缝；厚黄土层薄基岩开采可能会形成台阶裂缝。 ③按形成机理，分为水平拉伸裂缝和竖向剪切裂缝。 采动造成的覆岩结构变化，不但引起地表产生水平拉伸，而且由于覆岩在竖直方向的移动，形成竖向剪切裂缝。 以上3 种分类方法之间相互联系，从发育时间来看，动态裂缝和永久裂缝均有可能对应拉张裂缝和台阶裂缝。
图2 黄土丘陵采煤沉陷区采动地表裂缝类型
Fig.2 Types of surface cracks in mining-subsided loess hilly area
水平拉伸是形成拉张裂缝的主要原因，竖向剪切是形成台阶裂缝的主要原因，当水平拉伸和竖向剪切同时存在时，形成的裂缝同时具有裂缝宽度和台阶高度，其大小分别与水平拉伸和竖向剪切大小成正比。 采动坡体滑移是拉张裂缝与台阶裂缝形成的另外一种模式，因此也有将采动裂缝分为拉伸型裂缝、挤压型裂缝、塌陷型裂缝、滑动型裂缝等4 种类型[25]，其中挤压型裂缝多发生于沟谷区域，滑动型裂缝多发生在黄土覆盖的坡体区域。 在黄土丘陵沉陷区控制裂缝发育的主要因素有基岩厚度、黄土覆盖层厚度、开采高度、沟壑切割地形[26]，尤其是厚黄土薄基岩的大采高矿区，加上地形坡度的影响，地表裂缝及台阶十分严重。
1.2 地下煤层开采对矿区水资源的破坏
山西省煤系地层主要为石炭—二叠系太原组、山西组地层；其次为侏罗系大同组，主要分布于大同煤田。 根据煤田地质构造、沉积环境和水文地质条件等因素分析，煤层、含水层与隔水层三者共同赋存于一个地质体中，三者既有独立的成层特征，又有互层联系[27]。 山西省地下水主要赋存于六大煤田盆地、河谷地段以及太行、太岳、吕梁等山的山麓地区，岩溶大泉均位于山区与盆地间的断裂带和煤田边缘。 从垂向上分析，地下水主要赋存于煤系底部奥陶系灰岩中，为岩溶裂隙水，其厚度大、分布广、含水丰富。 煤系地层及其上覆岩层含水性微弱[28]。
地下煤层开采对水资源的影响主要是水量的减少和水质的污染，地下采煤造成的采空区及覆岩裂缝的发育，及地质体中原始存在的断层、陷落柱等为地表水、浅层水、深层水等提供了运移的通道，造成了水资源量的减少(图3)；同时采矿采排的矿井水将污染地表土地及水源，矿井水与煤层发生理化反应，形成矿井酸性水，尤其是长期在老采空区存储的矿井水，其污染更为严重。
图3 煤矿开采对水资源的影响
Fig.3 Impact of coal mining on water resources
煤矿开采排水变化规律受到地质构造、水文地质及开采技术条件的影响，其排水变化规律一般可分为初期增长、中期稳定、后期衰减和末期恢复4 个阶段[29]。 根据山西煤矿实际及水资源现状将影响程度分为3 类，即采煤对水资源影响轻微区、影响明显和影响严重区，主要根据：①矿区水文地质条件，地质构造复杂程度及矿床充水类型；②矿井排水量大小和采区附近井、泉、河水流量水位变化和污染程度；③矿井开采沉陷地面裂缝塌陷对水资源及建筑影响程度；④煤矿开采面积、产量、煤层埋深和区域主要含水层水位及三水转化关系。 其中当水文地质条件及构造简单、煤层位于当地侵蚀面以下100 m，地貌为丘陵、平原区时，影响轻微；当水文地质条件及构造中等、煤层位于当地侵蚀面以下100～200 m，地貌为低山或丘陵区时，影响明显；当水文地质条件及构造复杂、煤层位于当地侵蚀面以下200 m，地貌为中高山区或丘陵区，影响严重。
1.3 地下煤层开采对土地扰动及植被破坏
地下煤层开采形成的地表塌陷等造成了地表土壤退化、水土流失等，研究表明，地表坡度的变化是引起土壤侵蚀与退化的主要因素[30]。 当地表土体坡度超过25°，地表为砂质黏土、坡积物时，受到采动影响时，很容易出现裂缝、滑动，继而出现大面积的滑坡等。 另外，由于地表裂缝的产生，地表与地下水向深部渗漏，使得潜水位下降，导致土壤湿度减小。 在土壤侵蚀程度加剧与土壤湿度减小的情况下，土壤退化、沙化现象更为严重，土地质量下降而造成弃耕现象。 土壤和水分是植物生存的必要条件，采矿造成水土流失和土壤侵蚀，地下和地表水体受到破坏，必然对植被产生影响[31]。地下采煤由下往上造成了采场覆岩的破坏，在岩层内部形成了裂缝带，地表形成了裂缝，在黄土丘陵地区，采煤沉陷不但改变了土地的标高、坡度等，同时受到地形条件的影响会形成滑坡和崩落等地面灾害，如图4 所示。 采煤引起的覆岩及地表的各种破坏导致了地表水及地下水的流失，从而造成水土流失及土壤退化，最终影响到地表植被及农作物。开采沉陷对植物与农作物的直接影响是位于采动裂缝、崩塌和滑坡上的植物与农作物的根系被暴露或拉断，有的甚至直接被埋没或跌落在裂缝与塌陷坑中。 间接影响是由于采动地表的沉陷和裂缝，使土壤的结构、湿度和温度发生了变化，水土与肥料可沿裂缝流失，从而导致植物与农作物的生长环境恶化，并在一定时期内不同程度地影响植物的生长和农作物的产量[32]。
图4 煤矿开采对土壤及植被的破坏
Fig.4 Destruction of soil and vegetation by coal mining
2 山西黄土丘陵采煤沉陷区生态修复技术
山西黄土丘陵的矿区一般土层厚、地形起伏大、含水少，煤矿地下开采造成的土地损毁表现形式以地表移动盆地和裂缝为主，有些地区沉陷盆地在感官上不明显；在浅部开采和地面坡度较大的黄土沟壑区域，会出现非连续的地表移动变形，如台阶状的裂缝、塌陷坑及采动滑坡等。 针对沉陷影响的生态环境，必须采取一定的技术措施进行复垦，恢复土地的可利用状态[33-34]，在有条件的地区，可进一步形成“山水林田湖草生命共同体”[35]。
针对黄土丘陵采煤沉陷区生态环境破坏的类型，生态修复技术主要可分为地形修复、植被修复和水资源保护，如图5 所示。 地形修复和水资源保护是植被重建的基础，三类工程应互相配合、有序实施。
2.1 地形修复
黄土丘陵沉陷区的地形修复工作主要是对采矿造成的凹凸不平、裂缝分布及采动滑坡的土地进行削高填低，使其恢复为具有适宜坡度的田面，并改善田间灌排条件。
图5 黄土丘陵采煤沉陷区生态环境修复技术
Fig.5 Recovery techniques of ecological environment in mining-subsided loess hilly area
1)裂缝充填。 对于一些塌陷后仅出现裂缝而无其他损毁形式的破坏较轻区域，可简单地实施裂缝治理工程。 轻度及中度损毁直接将裂缝两侧的土填入裂缝即可，严重裂缝区域需先向裂缝中填土(石)，再将裂缝两侧表土填入。 有条件的矿区可利用矸石充填裂缝，实现矸石综合利用，流程如下：①先沿地表裂缝剥离表土，剥离土层就近堆放在裂缝两侧，剥离厚度可设置为表层土壤厚度；②矸石充填裂缝，平整土地：向裂缝中倒煤矸石，当充填高度距地表1 m 左右时，应开始用木杆做第1 次捣实，然后每充填一定高度(如20 ～40 cm)捣实一次，直至略低于原地表；③最后将之前剥离的表土覆于其上。
2)土地平整。 土地平整工程较为常用的方法有2 种，一种是生熟土混推，一种是分层剥离分层回覆。 混推实际上是一种简单推平的工程，不需要预先剥离表层耕植土，实施简单造价低[36-38]。 在山西的黄土丘陵采煤沉陷区，土层深厚，整地时可不保留表土，用人工或机械进行削高垫低、直接推平。 由于下部黄土养分含量很低，混推复垦后的土地质量不如破坏前，需施肥熟化恢复地力。 剥离复垦相较于混推技术工艺更复杂、造价更高，优点是土地质量较复垦前可基本保持不变。 有学者提出“分层剥离、交错回填”的复垦方式，实现复垦前后土层顺序基本不变。 简单来说，其工艺流程为：①剥离表土(耕植土)；②将下部土层分为若干层分别加以剥离；③交错回填之前分层剥离的土层。
3)坡改梯。 黄土丘陵区水土流失严重，坡改梯是广泛采用的一项工程措施，可减小田面坡度，保水保墒，提高土壤质量，达到“水不出地，水土不流失，肥不出田的三保田”[38]标准。 有研究发现与坡耕地相比，坡改梯3 年后农田的土壤容重变小，孔隙度增大，表层土壤和其他土层蓄水量增加，pH 值减小，有机质和氮磷钾含量均高于坡耕地，显示出了良好的保水保肥特征[39]。 进行坡改梯后，土壤经营和管理趋于科学化，土壤质量向良性方向发展[40]。 在设计坡改梯工程时，沿地形等高线将坡地修整成梯田，梯田主要为反坡田以拦水保墒；耕作时采用等高耕作，以利水土保持。
2.2 水资源保护
山西之优势在于煤，山西之短处在于水。 水资源(包括地表水和地下水)在煤矿开采中遭到的破坏通常不可逆、很难恢复[41]，因此对于水资源来说，应以保护性开采为主，辅以其他节水措施。
1)保护性开采措施。 现有的保水采煤技术主要有“限高开采”、“条带开采”、“充填开采”等部分开采方式，可对顶底板含水层起到保护作用，地面沉降也有明显减小，是保护水资源的有效方法。 但是，限高和条带等开采方式也不可避免地浪费了煤炭资源，而充填开采则增加了生产成本[42-43]。
对于一些煤层赋存条件简单的矿井，可以尝试采用大采区、大工作面和快速推进的开采设计，使采空区顶板整体切落，减少上覆含水层下漏，实现保水采煤[44-45]。 采空区上方地表如果出现的裂缝要及时回填(河道可考虑用隔水物料)，防治地表水的漏失。
2)污水处理和再利用。 矿区污水处理有2 个目的，首先是保证地表水、地下水不受、少受煤矿生产的影响，其次是将煤矿生产、生活用水(包括矿井水)处理后再利用[41-45]。 早期煤矿矿井水直排，使矿区附近的地表水及浅层地下水受到不同程度的污染。 应加强矿井水的科学管理，对矿井水的排放进行严格的监督管理，不达标不排放，防止造成新的污染。 山西本就是一个缺水地区，对达标的矿井水应充分进行再利用，提高废水净化利用率以节约水资源。 利用方向可以是除了饮用外的井上下生产用水、清洁用水等。
3)地下水库技术。 当导水裂隙带的发育高度贯通上覆含水层，含水层的水会流向采空区，造成大量积水。 为了煤矿安全生产，将矿井水外排至地表是一直采取的方法。 但是矿井水经处理、外排后很快蒸发或流走，某种意义上也造成了水资源的浪费。经过实践，现有一种将矿井水储存于井下的保水思路：顾大钊院士在神华矿区提出了煤矿分布式地下水库的概念，并研发配套技术，为矿井水井下储存创造了条件[42]。 当然，这种矿井水处理的新工艺，包括一系列复杂的物理、化学和生物过程[44]。
2.3 植被修复
在地形修复、水资源保护的基础上，对沉陷区土壤进行改良，最终实现植被重建的目的，并实施一段时期的管护。
2.3.1 土壤改良
黄土丘陵采煤沉陷区受采煤沉陷破坏影响，土壤质量明显下降，特别是表层土[46]，土壤中的含水量、物理性砂粒含量、土壤密度和孔隙度等都会受到影响[47]。 沉陷区土壤修复的目的是使损毁的土壤恢复到之前的质量水平或者相当于当地一般水平。在地形修复的基础上，对于沉陷区土壤，可采用土地翻耕、土壤培肥等方式提高其质量。
1)土地翻耕。 对耕地翻耕可以将一定深度的紧实土层变为疏松细碎的耕层，从而增加孔隙度，以利于接纳和贮存雨水，促进土壤中潜在养分转化为有效养分和促使根系的伸展；可以将地表的作物残茬、翻入土中，清洁耕层表面，从而提高耕作质量，翻埋的肥料则可调整养分的垂直分布；此外，将杂草种子、地下根茎、病菌孢子、害虫卵块等埋入深土层，抑制其生长繁育。 复垦中可采用机械或农具进行翻耕。
2)土壤培肥。 山西黄土丘陵区耕地土壤普遍有机质含量较低、肥力较差，且在复垦过程中，由于取土、运输、覆土作业等一系列工序使得土壤结构、农化特性和微生物特性等条件更为恶劣。 为保证复垦后土壤尽快恢复原有的生产能力，需要采取一系列措施改良土壤的理化性质，其中复垦土壤的培肥是复垦土地生产力提高的重要方法[48-49]，是建立植被过程中的人为辅助。 土壤培肥的主要方法有：①化肥法，可在翻耕过程中施氮磷钾肥、硫酸亚铁微量元素肥、三元复合肥等，随拌随播，施肥时采用犁底施或撒施后耕翻入土，或起垄包施等方法。 施肥深度一般6～10 cm，在无法深施的情况下，撒施要立即浇水随水施用，或结合降雨追肥。 ②有机肥法，可用有机肥或杂肥作为大规模覆盖土培肥地力的肥料，如城市污泥、河沟泥、生活污泥、人畜粪便、秸秆、木屑等，都是较好的土壤改良剂。 这些肥料既容易获得、成本又低，并能提供较多的有机质和土壤微生物，能提供较长时间的养分供应，还能起到地表覆盖和肥料的双重作用。 不仅可改良覆盖土，同时也为这些废弃物处理提供了一条较佳的途径。 ③绿肥法，绿肥是改良复垦土壤，增加有机质和氮磷钾等营养元素的有效方法，在最初复垦的几年内应多种一些多年生或一年生豆科草本植物，然后通过秸秆还田，增加土壤的腐植质含量，进而有效改善土壤的理化性质。 另外绿肥根系发达，能将深部养分积聚到耕作层，根系腐烂后还对土壤有胶结和团聚作用。
通过以上方法进行土壤培肥，一般可在1 ～3 年内使复垦耕地农作物达到当地产量水平。 另外，还有一些研究通过微生物技术(如菌剂)改良矿区复垦土壤的生态效应，取得良好的效果[50-52]。
2.3.2 植被重建
采矿破坏的生态系统的自我恢复通常较为缓慢，而人工恢复可在一定程度上改变生态系统演替的方向和速度，持久的植被重建模式是“草、灌、乔同时并举，合理配置”[53]。
1)植被品种优选。 植被对维持生态系统的平衡起着关键性作用，因此要在开采后及时恢复植被。幼林栽植经过1～3 年的成活期和5～10 年的幼林郁闭期，才可认为林地进入形成“森林环境”的阶段，即林地初成规模。 为保证植物复垦措施能顺利有效地实行，根据“因地制宜、因害设防”的原则，应按照立地条件和立地类型，参考当地的植被分布及当地的栽植经验。 对于大面积林(草)地复垦区域，为防止单一树种造成的病虫害，须采用混交林的种植方式。 选择的树种应具有以下特征：①应在生物学特征上有一定的差异，能够互补，应具有耐荫性或一定的耐荫性；②具有较强的抵抗自然灾害的能力，特别是耐火性和抗虫性，且不应与主要树种有共同的病虫害或是转主寄生关系；③有较强的繁殖能力，以利于进行自我恢复等；④有一定的经济和美学价值。
2)育苗与种植。 植物的种植是土地复垦的工作重点，在复垦条件成熟之后，及时对损毁的土地种植植物，恢复植被。 常用的植被恢复技术是：穴植技术、扦插技术、撒播技术(草地)。
穴植技术：种植前在坑穴内回填土壤，施基肥，并添加适量保水剂。 植物保证一定的株行距，种植植物的根系舒展，回填土要踏实。 种植后浇适量水，确保植物生长所需的水分。
扦插技术：一般在春季选择树木萌芽前硬枝扦插，也可选秋季采条，剪好后低温保湿储藏，次年春季扦插。 栽后注意使表土归坑，踏实，灌溉。
撒播技术：适用于草本种植，混播草籽宜选择3种以上。 散播后可用细齿耙轻轻拉平，形成2～3 cm的覆土层，覆土宜浅不宜深，不露种子即可。 应选在春夏土壤墒情好时播种，最迟不超过9 月底。
3)管护与监测。 植被管护工作是植被修复的最后程序，其实施效果如何最终决定了工程的成败。管护的对象为复垦的耕、林、草地，保证矿区农田数量不减少、质量不降低，提高土地复垦植被存活率，保证土地复垦效果。 管护工作应包括对复垦后的农田进行持续施肥，对复垦后的林地、草地进行补种，进行病虫害防治等，保证植被恢复效果。 植被管护时间应根据区域自然条件及植被类型确定，山西地区管护年限以3～6 年为宜。
监测是矿区土地复垦的保障手段之一，内容包括：植物生长势、高度、种植密度、成活率、郁闭度、产量(生长量)等。 监测方法可采用样方随机调查法。
3 山西黄土丘陵沉陷区土地复垦实例
3.1 山西采煤沉陷区土地复垦及生态修复基础及现状
山西省非常重视采煤沉陷区的土地复垦及生态修复工作，相继出台了大量的土地复垦及生态修复法规及标准性文件，建立了煤炭可持续发展基金及矿山环境恢复治理保证金，同时也启动了多项采煤沉陷区综合治理的项目，为土地复垦及生态修复提供了基础保障。
针对山西省采煤沉陷地的破坏特点，2006 年3月，山西省科技厅启动重大科技攻关项目“山西省工矿区土地沉陷防治、复垦与生态重建研究”，项目由山西省农科院主持，太原理工大学，山西农业大学、山西省生物研究所协作共同完成[54]。
项目根据山西省工矿区的特征及地表破坏实际情况，分为5 个专题进行研究，各专题主要研究内容如下：①矿区土地沉陷规律及对土壤质量的影响及评价；②丘陵工矿区林地植被恢复潜力及多样性动态研究；③工矿区土壤形成及快速培肥技术研究；④工矿区先锋植物选择及矿区复垦综合技术集成；⑤山西省工矿区土地复垦信息系统的建立与应用。
针对山西省工矿区生产过程中土地破坏严重、土地复垦率低、生态环境恶劣等问题，运用恢复生态学和土壤学、农学等理论，在工程复垦的基础上，引入生态复垦和生物复垦等技术，在山西省自然条件相对较好的地区选择工矿区，重点开展工矿区土地沉陷规律、复垦土壤进行快速熟化技术和林地生态系统植被恢复潜力及多样性动态研究，研制开发生土熟化专用肥和工矿区生态环境修复剂，引进土地复垦先锋植物，集成配套土地复垦综合技术，形成土地复垦综合技术模式，建立土地复垦信息系统，为山西省采煤沉陷地土地复垦及生态修复提供了技术保障。
各煤炭企业在煤炭可持续发展基金及矿山环境恢复治理保证金的支持下，针对本矿区的土地及生态破坏，制定土地复垦及矿山生态环境修复治理方案，积极开展土地复垦及矿山生态环境修复工作。
3.2 黄土丘陵采煤沉陷区生态修复实例
1)项目区概况及沉陷破坏。 针对山西黄土丘陵采煤沉陷区土地复垦及生态修复问题，在晋城地区某矿采煤沉陷区建立了土地复垦及生态修复示范基地。 项目区内大面积黄土覆盖，沟壑纵横，梁峁交错，属低山丘陵黄土覆盖区，间有河谷及小型盆地，地势总体北高南低。 区内含煤地层为山西组与太原组，地层总厚125 m，含煤11 层，煤层总厚约12 m，主采煤层为山西组底部3 号煤层，厚2.59 ～7.75 m，煤层倾角5°～10°，煤层结构简单，埋藏浅。 受地下煤层开采的影响地表破坏极为严重，地面形成错落不一的槽形台阶状塌陷，现场监测结果表明，地面最大下沉量达4.5 m，最大裂缝台阶高度0.8 m，裂缝最大宽度为0.5 m，地表破碎，地貌景观受严重破坏。
2)土地复垦及效果。 项目组通过采用地形修复、地貌重塑、生土熟化、快速培肥、植物优选等主要适用于黄土丘陵地区土地复垦技术，进行综合试验研究，使生态恢复后的采煤沉陷区土地面积增加、土地肥力增强，农作物长势良好，整体上地形地貌景观得到恢复，矿区生态环境得到明显的改善，如图6 所示。 结果表明，在山西黄土丘陵采煤沉陷区，采用地形修复技术结合生态修复进行土地复垦及生态重建具有较好的效果，起到了复垦示范作用。
图6 黄土丘陵采煤沉陷区开采损害及土地复垦效果
Fig.6 Mining damage and land reclamation effect in loess hilly area
4 结 论
1)山西黄土丘陵采煤沉陷区受地形坡度及黄土特性的控制，煤矿地下开采影响下的地表主要破坏形式为地面裂缝、采动滑坡、槽型塌陷坑等，多种类型的地面破坏及裂隙形成了水力破坏通道，造成了区域内的水土流失和土壤退化，影响植被生长，造成地面景观及生态环境的恶化。
2)根据山西黄土丘陵采煤沉陷区的采动破坏及立地条件，其生态修复工作的重点在于土、水、植被3 个方面的综合措施。 涉土工程主要包括地形修复和土壤改良；涉水工程主要包括保护性开采和水土保持；植被工程主要为植物优选，并实施长时间的管护。
3)以山西某黄土丘陵采煤沉陷区为基地，采用地形修复、生土熟化、快速培肥、植物优选等综合技术，使土地面积增加、肥力增强，农作物长势良好，整体上地形地貌景观及生态环境得到恢复。
4)实践表明，合理的开采与积极的生态修复可以有效解决开采对矿区生态环境的破坏问题，但目前山西黄土丘陵矿区生态修复工作仍存在许多亟待解决的难题，如开采对矿区生态环境的影响机理，开采对地下水的影响及目前生态环境修复方法单一化等问题。 因此应加大对山西黄土丘陵采煤沉陷土地复垦与生态重建模式的研究，处理好资源型经济和生态环境保护的关系，努力构建“山水林田湖草生命共同体”，使煤炭开采与环境保护及社会和谐相互协调发展。
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