1.中国地质调查局武汉地质调查中心 湖北武汉 430074；
2.湖北省交通规划设计院股份有限公司 湖北武汉 430074
摘要：资源型城市的发展有鲜明的阶段性，面临资源枯竭，城市迫切需求转型。通过对国内外资源枯竭城市转型分析，认识到地质环境治理是资源枯竭城市顺利转型的重要前提。对于煤炭资源城市主要地质环境问题为采空区治理，并系统总结了近年来相关治理技术与方法。提出了在注重地表土地复垦的前提下进行生态重建，方可避免隐患，以期实现煤炭资源枯竭城市的可持续发展。
关键词：资源枯竭城市；地质环境问题；转型
Study on Transformation and Treatment of Exhausted Coal Resource City
ZHANG Ao1 HUANG Xuan2 Li Yue2
（1.Wuhan Center of Geological Survey，China Geological Survey，Wuhan 430074，China 2.Hubei Provincial Communications Planning and Design Institute Limited Company，Wuhan 430074，China）
Abstract：The development of resource-based cities has a distinct phase.Facing the depletion of resources，the city urgently needs transformation.Through the analysis of the transition of resources exhausted cities at home and abroad，it is recognized that geological environment governance is an important prerequisite for the smooth transition of resource exhausted cities.For coal resources city，the main geological environment problem is the treatment of mined-out areas.And the relative management techniques and methods in recent years are systematically summarized.It is suggested that ecological reconstruction should be carried out under the premise of land reclamation，so as to avoid hidden dangers and realize the sustainable development of the exhausted coal resources city.
Key words：exhausted resource city；geological environment problems；Transformation
1 引言
资源型城市为我国经济建设提供了大量的矿物原材料、拉动了地方经济发展、加速了城市化进程、增强了国家的经济实力，为社会主义现代化建设作出了重要贡献。美国地质学家Hubbert将一般资源型城市生命周期分为四个阶段：预备期或兴起期、成长期、成熟期、衰退期或转型期。在生命周期的后期，如果不实施转型，城市则会衰退、消失[1-2]。我国自2008年起国家分三批确定了69个资源枯竭型城市，支持资源枯竭城市转型。
资源型城市自身存在许多问题。一是资源采空过度造成后续资源来源短缺。目前全国因资源严重短缺面临关闭的大型矿山企业多达700多个，下岗工人增多，社会矛盾激化等问题影响到当地城市的经济发展和产业建设，部分资源型城市因为这些问题而衰竭甚至衰亡。二是产业结构较为单一，资源型城市主要产业为资源开采，形成产品的科技含量以及附加增值较低，矿产资源的突然枯竭造成城市主要经济支柱倒塌，产业结构不能顺利调整。三是长久的矿产开采造成的环境污染、自然生态破坏严重。国家环保总局近年公布的环境保护重点城市，空气污染指数综合排名中，资源型城市均在空气污染严重之列。四是地质灾害和矿难频发，维护社会稳定任务艰巨。据统计，全国因采空塌陷造成的土地资源占用、土地损毁累计达40万公顷；因开采矿产资源或者地下水而引起地面沉降、地面塌陷、地裂缝、滑坡及泥石流等地质灾害多达千余处[3]。不夸张地讲，矿业开发所引起的地质灾害和诱发的矿难成为制约一些资源型城市可持续发展及转型的痼疾。
2 资源枯竭城市转型现状
国外学者对资源型城市转型做了大量研究，总体来说，澳大利亚、美国和加拿大等发达国家的具有较多的研究成果，其中在资源型城镇研究领域中，加拿大学者的成果和理论最令人关注。早在20世纪30年代初，加拿大著名地理学家Innis（1930，1933）便对资源枯竭城市进行了实证研究[4]；Siemens（1976）在70年代中期通过对资源型城镇现状研究，认为可以采取行政规划手段来提高资源型城镇的生活环境与质量[5]；Lucas（1971）针对处于单一工业社区的居民，对其生活和工作模式进行了全面分析与评价[6]。
早期研究工作主要从经济结构转型、社会、人口特征三个方面着手，如加拿大著名地理学家布拉德伯里Bradbury（1988）[7]对澳大利亚和加拿大国家中大量资源枯竭型城镇转型的实证研究，提出了解决面临问题的对策，如：财政资助、培训再就业、整体迁移；建立预警防范系统；发展多元化地区经济基础产业；成立城镇及社区赔偿基金；建立专项保险机制；重新进行区域规划，组建结构关联等，是这一时期比较具有代表性的研究成果。美国著名经济学家Marsh（1987）从社会学角度对美国宾夕法尼亚州东北部的煤炭城镇研究发现虽然原矿区经济衰竭，大量人口外迁，但仍有一半居民停留，城镇归属感对城市转型起重要作用[8]。Bradbury（1984）则从人口迁移的角度，对加拿大魁北克——拉布拉多地区资源型城镇的人口特征研究，认为采矿工业具有强烈的周期性，对矿业城镇的人口数量及年龄结构具有深远影响[9]。20世纪80年代中期，大量学者开始意识到资源型城市的发展过程并不与早起形成的城市发展理论模式相符合。对资源型城市的研究在内容和方法也有了一定的创新。学者开始利用生命周期理论和可持续发展概念进行资源型城市转型研究。
这些学者对资源枯竭型城市转型进行的积极探索和实践，取得了显著的成效，为美国、加拿大、澳大利亚等国家典型的资源枯竭城市顺利转型起到重要作用。如位于美国宾夕法尼亚州西南部的匹兹堡因采矿造成严重的环境污染成为满目苍夷的烟城，通过政策扶持、环境治理、积极培育第三产业及发展高效技术，使其成功转型成工业、旅游、医院、电子的轻型和服务型城市。加拿大安大略省东北部萨德伯里像大多数的资源型城市一样，高度发的工业产业呆了环境破坏，原始森林遭到破坏，硫、铜、镍矿的开采冶炼产生了大量的二氧化硫及其他酸性废气，使得大面积的土地酸化；废气中的铜、铁等重金属也污染了环境，造成195平方公里成为不毛之地。安大略政府通过大气污染法案、土地改良工程、环境治理等手段使得城市逐渐改换新颜，成为划船、徒步旅行、钓鱼、滑雪等休息娱乐活动的重要旅游城市。
由此可见地质环境治理是资源枯竭城市顺利转型的重要前提，对于煤炭资源城市在其转型过程中面临的首要问题就是采空区的治理。针对采空塌陷治理技术主要集中在两个方面：地下采空区的治理技术与采空区利用技术。
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3 煤炭资源城市治理技术
目前，我国共118座资源枯竭型城市，其中煤炭城市63座。由于煤炭资源开发过程普遍存在对环境的不够重视以及煤炭开采以后缺乏完善的矿山关闭规划和设计，引发一系列地质环境问题，表现为采空塌陷、地裂缝、土地植被资源破坏、水资源浪费与破坏、水土环境污染，具体以采空塌陷造成的影响最为突出。总结国内外有矿山采空区治理的研究成果与方法，总得来说治理技术可具体分为五种：崩落法、填充法、支撑法、隔离法、综合法。
崩落法是指预先崩落顶板的不稳定围岩，一方面崩落岩块可填充开采空白区，另一方面防止顶板岩层的突然坍塌，造成更为严重的人员伤亡和经济损失。如李俊平（2002）应用控制爆破局部切割槽放顶技术处理采空区，保障了采空区安全[10]。魏锦平（2000）采用步距式双层扇形深孔对顶板进行预爆破，不仅形成了稳定岩层结构，提高了煤层回收率，同时也有利于矿区的安全维护[11]。
填充法是指借助外部条件，将大量的废石或煤矸石以一定的方式回填采空区，以形成稳定的地下结构和阻止围岩移动。1864年位于美国宾西法尼亚的煤矿矿区首次采用水砂的方式对地下采空区进行填充。在20世纪50年代初期，干式充填法仍在我国被采用，由于该方法填充强度大、工作效率低，并随着崩落法和其他治理技术的发展，这种方法逐渐被淘汰。
支撑法是指在开采过程中预留矿柱或者专门修建人工矿柱用以支撑采空区上覆岩层。1907年Danieis和Moore学者就开始研究了矿柱强度，1911年Bunting更是提出了有关矿柱强度的经验公式[12]。此后学者对矿柱强度理论和矿柱设计方法进行了逐步发展和完善。支撑法如若出现个别矿柱失稳，极易造成连锁反应形成大面积采空塌陷，如2005年我国河北邢隆石膏矿为了避免采空塌陷，顶板留10m后仍避免不了大规模变形活动，采场大面积坍塌，造成了极大的经济损失[13]。
隔离法为采用封闭和隔离的手段处理地下采空区。一般采用保留隔离矿壁、修筑人工隔离墙等方法。综合法为在一个地下采空区内同时采用两种以上的方法进行治理，该方法结合了几种处理方法，能充分利用各自的优点互补缺点。如于1973年我国盘古山钨矿首次提出了采用综合法对采空区进行治理，结果表明该方法控制顶板变形以及大规模岩移与地表移动具有良好的效果。
采空区利用技术主要表现在地下采空区处置、地表土地复垦和生态重建技术。我国目前尾矿库内存在大量的尾矿长期堆放在地表，尾矿不断的增高不仅带了安全隐患也造成水土污染。而地下采空区可以作为这些废弃料最优的放置场所，既提供处理废弃矿料的空间，又解决了采空区稳定性难题。例如我国安徽的铜官山铜矿、山东金岭铁矿已有具体的实例工程，建立地下尾矿库。在我国土地复垦起源较早，然而矿区土地复垦起步却较晚。自20世纪50年代，才出现个别的矿山企业为解决矿山占用耕地过多引发矿农的矛盾问题，从而开展了矿区的土地复垦工作。近年来许多研究者开发出了许多较为先进的土地复垦技术，为土地复垦工作提供了有力保障。如白中科等（2009）在我国山西安太堡、安家岭等黄土区露天矿区，开展了固体废弃物利用、土地复垦绿化技术、露天排土场植被重建及生产力恢复等多项土地复垦技术研究[14]。卞正富（2005）通过对我国煤炭资源的分布与开发布局进行研究，提出了土地复垦界面的生产力系统模型[15]。彭建等（2005）基于土地复垦的多学科特点，深入分析了矿区典型的土地复垦技术，并提出了具体的土地复垦技术流程，为矿区土地复垦应用技术的应用提供了指导[16]。生态重建通常与土地复垦同时进行，由于采空区废弃地具有土质差、微生物活性差、肥力薄、层薄等缺点，受损生态系统的自然恢复是非常缓慢而困难的，通过对退化景观的恢复，可以取得显著的生态、经济和社会效益。
4 结束语
综上所述，对于资源枯竭城市的转型与治理研究中存在问题和发展趋势体包括：
（1）对于资源枯竭型城市，地质环境问题的治理是转型过程中的趋势所需。不仅在国外有着丰富的实践，对于我国辽宁省阜新市、河南省焦作市等煤炭资源型城市，采空塌陷治理也是这些范例城市成功转型的关键环节。
（2）采空塌陷治理技术的综合使用。由地下采空区的治理技术到地表采空区土地复垦与生态修复，完整系统的解决了地质灾害隐患，改善了资源型城市的生态环境，提高了土地资源利用并缓解了资源城市枯竭之后带来的社会矛盾。
（3）采空区治理技术的研究取得了卓有成效的成果，但仅对采空塌陷区进行治理是不够的，还要加强对其上部既有工程结构加固与兴建建筑物设计的研究，才能更有效地保护采空区建筑物，达到治理与利用相互统一的目的。
（4）对矿区土地复垦，采用生态重建的方法需要以土地可利用能力恢复为基础。即使土地恢复生产力是依托条件，生态重建是其之后的发展与实践工作。但现阶段我国部分地区进行采空区治理时直接跳过了土地复垦而直接进行生态重建，土地没有得到恢复，生产力没有得到改良，对城市的可持续发展埋下隐患。
参考文献
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作者简介：张傲（1988-），男，博士，助理研究员，主要从事水文地质工程地质方面的研究。
论文作者:张傲,黄璇,李玥
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/21
标签：采空区论文; 城市论文; 资源论文; 土地论文; 矿柱论文; 技术论文; 矿区论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;