0926 矿山环境保护
收稿日期:20210926
修回日期:20211020
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LIU Hui，ZHU Xiaojun，CHENG Hua,et al. Key technology of human environment and ecological reconstruction in high submersible level coal mining subsidence area:A case study from Lüjin Lake，Huaibei[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(12):4021-4032.
长期以来,煤炭在我国一次能源消费中占比高达60%以上,煤炭的高效、安全开采是国民经济健康可持续发展的重要支撑。但煤炭资源开发与利用带来一系列生态环境问题，同时影响人居环境，发展与保护的矛盾在经济高速发展背景下冲突日益显著。在当前生态文明建设大背景下，煤炭资源“金山银山”与生态环境“绿水青山”的和谐发展面临巨大挑战，矿区生态环境保护与修复成为研究热点与焦点[1-3]。如何协调资源开发与持续利用的关系,做到既能最大限度地开发煤炭资源,又能保护人居环境,促进经济持续稳定增长和生态环境良性循环,一直是产煤区可持续发展所要长期奋斗的目标。近几十年来，随着我国经济的快速进步，城市迅速扩张，在一些资源型城市面临着新城建设与采煤沉陷区空间交叉等问题，城市中生态环境遭到严重破坏。
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20 m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[4]。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[5-7]。
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。
基于此，笔者及团队在分析高潜水位采煤沉陷区生态环境损害现状的基础上，提出了人居环境与生态重构系统解决方案；开展了沉陷积水区三维空间预测、水循环与水资源调控、沉陷区建筑分区设计、人居环境与生态一体化规划等理论研究；研发了地形分区改造重构、边采边复施工、水土流失控制技术和基质改良、水陆生态系统重构等“边采边复”关键技术；探索了“开采前预测规划、开采中边采边复、治理后管控运营”的采煤沉陷区可持续发展“三步走”策略，并以绿金湖沉陷区为例，结合淮北市重大民生工程，开展了沉陷区生态修复工程实践，形成了城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化治理新模式。
地下煤炭被采出后，周围的岩体失去原始应力平衡状态，应力重新分布，产生应力集中，上覆岩层的集中应力超过强度极限时，岩层产生变形、断裂和垮落，最终导致整个上覆岩层的移动和变形，在地表形成沉陷盆地，并产生大量地裂缝，在高潜水位地区，极易连通地下水形成沉陷区积水。沉陷区积水主要来自大气降水、地表径流及地下水渗流。
从全国煤炭资源的分布来看，我国共有23个省(市区)151个县(市区)分布有采煤沉陷区，形成采煤沉陷区面积20 000 km2，部分资源型城市塌陷面积超过了城市总面积的10%。中东部主要煤炭基地包括两淮、鲁西、徐州、冀中、河南等，由于该区域普遍具有潜水位高、埋藏深、地质结构复杂等特点，导致沉陷区地表大量积水，形成特有的采煤沉陷湖泊，生态系统由陆生演变为水生和水陆复合型，且地表稳沉时间长，给矿区可持续发展带来重大挑战[8-10]。
目前高潜水位矿区环境损害面临以下问题[4]：
(1)千里良田被迫荒废,数万农民失去土地。据预测，至2140年矿山服务年限结束时,两淮矿区将累计塌陷耕地 17.67×104 hm2 左右，平均每年减少耕地1 000 hm2，增加失地农民约10 000 人。
(2)水旱田在塌陷中交替，农业生产结构在渐变中失调。采煤造成的土地塌陷，轻者地表起伏不平，影响耕种和灌溉，重者则使地表下沉引起塌陷地积水，传统高产旱作农业退变为低产乃至绝产水田。
(3)生存空间遭到破坏，陆地生态环境退变为水生生态环境。随着采煤量的增加，煤层上覆的围岩开始下沉变形，高潜水位地区沉陷区逐渐积水撂荒，从而形成大面积积水区域。
(4)地面设施严重受损，村庄搬迁矛盾重重，采煤塌陷造成的工农矛盾已在资源重叠中长期矛盾积结。
随着人们对生存环境的重视，采煤沉陷区生态治理受到了广泛的关注，沉陷区生态治理技术的理论研究和实践也不断开展。煤炭开采造成的地表下沉是矿区生态破坏的直接原因，尤其在高潜水位地区，煤炭资源开采不仅造成地表下沉，同时受到高潜水位和地表降水的综合影响，塌陷区形成大量水域，原有陆生生态系统发生颠覆性变化，转变为水生生态系统和水陆复合生态系统，大量沉陷区土地撂荒，对生态环境造成巨大的破坏。
随着城市化的扩张，一些采煤沉陷区位于城市周边，城市生态环境遭到采煤沉陷的破坏。长期以来，采煤沉陷区治理仅局限于土地复垦和水土资源利用，鲜有关注人居环境与生态系统之间的协调发展[11-16]。由于城中采煤沉陷区具有新城与采煤沉陷区空间交叉、土地附加值高、治理周期短以及社会影响大等特点，因此，如何在沉陷区治理过程中兼顾人居环境改善成为难点。目前，相关研究工作仍相对滞后，难以系统解决人居环境与生态系统之间的协调发展等方面的科学问题和技术瓶颈，所以，高潜水位城中采煤沉陷区生态修复面临如下关键问题：
(1)沉陷区生态修复缺乏人居环境与生态系统协调发展的一体化空间规划理念指导。常规土地复垦通过复垦技术减小土地损伤，提高土地利用率，而由于城中采煤沉陷区的特点，其生态环境治理要求更高，需要综合考虑人居环境与生态环境的结合，将大量积水和撂荒土地的沉陷区规划成集生态修复、资源保护、旅游休闲为一体的城市综合片区。
(2)城中采煤沉陷区环境改善和土地价值提升面临技术瓶颈。常规采煤沉陷区稳沉时间长，大量土地撂荒周期长，导致治理时间滞后，而城中采煤沉陷区位于城市周边，要求治理周期时间短，常规的土地复垦技术难以满足城中采煤沉陷区生态环境治理需求。“采复一体化”理念提出：在土地沉陷发生之前或已发生，但未稳定之前，通过选择适宜的复垦时机和科学的复垦技术，实现土地复垦率高、成本低、经济效益、生态效益最大化[6]。然而，城中采煤沉陷区不仅考虑土地利用率问题，更多需要研究的是生态环境改善以及如何提升土地附加值等问题。
(3)城中采煤沉陷区新形成的水陆复合生态系统的服务价值有待提升。高潜水位采煤沉陷区一方面造成原有陆生生态系统发生颠覆性变化，转变为水生生态系统和水陆复合生态系统，另一方面煤炭开采产生的煤矸石、粉煤灰等固体废弃物含有大量氮、磷、铜、锌、镉等有害元素，通过地表径流、土壤渗透、大气扬尘等途径迁移扩散，进入沉陷区，造成环境二次污染，导致土壤养分流失，水体富营养化严重。常规沉陷区土地复垦和生态环境治理一般采用以下2种方式：一种是通过采用“表土翻出—深部充填—表层覆土”的传统土地复垦模式，其缺点在于：成本较高、工艺复杂、复垦周期较长，复垦区表层土壤板结、贫瘠及重金属污染严重等；一种是在积水区进行水生养殖、人工湿地构建等模式，其缺点在于生物结构单一，难以形成合理的生物链，积水区的过度养殖造成水体富营养化严重，且养殖成本较高，难以形成有效合理的生态系统。如何针对高潜水位沉陷区平整地、斜坡地、积水区进行系统的生态环境治理需要进一步研究。
笔者以淮北绿金湖采煤沉陷区为研究对象，绿金湖采煤沉陷区位于安徽省淮北市区中南部，隶属淮北矿区，东北部为朱庄煤矿，中南部为杨庄煤矿。所涉及的杨庄煤矿于1966年投产，主采3，5，6煤层，朱庄煤矿1961年投产，主采3，4，5，6煤层，两矿在该范围内累计39个工作面，平均开采深度为330～500 m，基岩以上覆盖56.1～86.4 m厚的第四系冲积层，地表无基岩出露，地势平坦，地面标高+29. 2～+33.2 m，如图1所示。
图1 绿金湖采煤沉陷治理区
Fig.1 Lüjin Lake coal mining subsidence area
由于朱庄、杨庄煤矿多年的采煤活动，已形成较大面积的采空区，受到多煤层开采的叠加效应，造成地表沉陷严重。该沉陷区属于我国东部典型高潜水地区，地下潜水埋深1～5 m，属暖温带半湿润季风气候区，降雨量丰富，因此，受大气降水与地下水渗流等多因素的综合影响，形成了大面积的永久性积水区和季节性积水区，总治理面积达11.5 km2，最大积水深度达5.0 m。同时，随着新城建设的不断推进，绿金湖采煤沉陷区四周已由城市干道围合，距离城市中心仅2.8 km。
绿金湖沉陷区的土地复垦工作面临以下重大挑战：① 如何将沉陷区治理与城市发展相结合，使之成为新城建设的重要组成部分；② 如何将煤炭资源开采与沉陷区改造相结合，在保证资源采出的同时，科学合理的进行土地复垦，避免再次沉陷和重复治理；③ 如何将新沉陷土地与老采空区进行统一规划，保证沉陷区范围内所有水土资源得到合理利用；④ 如何将水土流失控制与水陆复合生态系统重构相结合，改善沉陷区人居环境，已达到人与自然和谐发展；⑤ 如何解决沉陷区短期治理与长期有效利用脱节问题，探索一条集科学治理与长期运营于一体的沉陷区可持续发展道路。因此，如何根据城市与采煤沉陷区空间交叉复合、土地附加值高的特点，开展科学合理的采复一体化工作，是该沉陷区亟待解决的重大技术难题。
针对上述五大挑战，笔者及团队提出了高潜水位城中采煤沉陷区人居环境与生态重构技术方案，如图2所示。
图2 高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构技术方案
Fig.2 Technical scheme of human settlements and ecological reconstruction in coal mining subsidence area with a high groundwater level
具体思路为：① 结合研究区地质采矿条件、周边城市环境以及水文条件，通过研究沉陷积水区三维空间预测、水循环与水资源调控、沉陷区建筑分区设计方法，形成基于人居环境与生态一体化规划理念的技术方法，为工程施工提供理论依据；② 根据地表动态沉陷规律，研究沉陷区地形分区重构方法，结合水陆复合地形条件，研发适合该区域的疏浚退水、底泥处置及机械操作技术工艺，形成边采边复施工技术体系；③ 针对采复过程中的水土流失、土壤质量下降、生态系统演变等问题，研发采煤沉陷区生态重构关键技术。结合沉陷区整体规划，采用上述关键技术将绿金湖采煤沉陷区打造成集资源利用、生态修复、旅游休闲于一体的城市中央公园。
沉陷积水区作为研究区需重点关注的区域，沉陷积水的精准预测是首先要解决的关键问题。笔者采用遥感技术，通过解译2012—2017年的Landsat遥感数据，提取了五沟煤矿1031工作面(开采时间为2013年10月至2015年3月)上方沉陷积水边界，研究了采动过程中沉陷积水的时空演化特征，研究发现：高潜水位采煤沉陷区积水演化分为未形成期、同步增长期、残余增长期、相对稳定期4个阶段。未形成期，受采动影响，地表逐渐下沉，但地表积水区尚未形成；同步增长期，受大气降水、蒸发及地下水补给，地表积水面积随地下工作面采动范围扩大逐渐增大；残余增长期，地下采动结束，地表仍有残余沉降，地表积水也呈缓慢增长趋势；相对稳定期，地表沉陷与积水面积趋于稳定。积水演化主要受工作面采动、净降水量、地下水埋深等因素影响，大气降水、地下水补给分别占比84%,4%，在同步增长和残余增长期，积水增长量与工作面采动距离、净降水量呈明显正相关，与地下水位埋深呈负相关[17]，如图3所示。
图3 关键影响因素对沉陷积水演化影响
Fig.3 Influence of key influencing factors on the evolution of subsidence water
在此基础上，利用基于Knothe时间函数的概率积分法[18-21]对不同时间地表沉陷盆地进行动态预计，计算下沉盆地的容积，结合沉陷区的降水量、蒸发量等影响因素，根据水量平衡原理，建立水量平衡迭代方程(式(1))，计算出不同时刻下沉盆地内的积水体积，对沉陷盆地容积与盆地内积水体积之间的关系模型求解。
(1)
式中，
为沉陷盆地T+Δt时刻的积水体积，
为沉陷盆地T时刻的积水体积，m3，当T=0时，表示未积水状态；
为下沉量为10 mm的沉陷盆地边界等值线截面面积，m2；ΔP为日平均降水量，m；Δt为时间间隔，d；α为地表径流系数；
为沉陷盆地积水面积，
为地下水渗流量，m3；RΔt为地表河流与沉陷区积水交换量，m3；ΔE为日平均蒸发量，m；MΔt为人工取出量，m3。
由于地表下沉盆地是一个复杂的非线性曲面，难以直接进行计算求解，笔者采用网格法计算沉陷盆地的不同水平截面的面积与积水量。如图4所示，将下沉盆地沿水平面进行剖分，d为水平截面的高差；S为下沉量为10 mm的边界所围成的面积；S1,S2,…,Sn分别为下沉量为(10+d),(10+2d),…,(10+nd)mm的截面与地表移动盆地相交的水平截面面积；V1，V2，…，Vn分别为不同截面之间的体积。由于积水边界截面以下的体积之和等于式(1)预计下沉盆地内积水的体积Vw，故根据等式
即可求解出积水截面所在的编号k，从而进一步根据式(2)迭代求得沉陷盆地三维动态空间信息，包括沉陷积水体积、积水深度、面积、沉陷区最大库容等关键信息。
图4 下沉盆地体积计算示意
Fig.4 Schematic diagram of volume calculation of subsidence basin
(2)
式中，
为T时刻的沉陷盆地积水深度，m；Wm为T时刻的下沉盆地最大下沉值，
为积水边界等值线点坐标，
为沉陷区最大库容，m3。
工程应用效果表明[22]：该模型预测的地表积水范围与遥感图像实测地表积水范围演化趋势基本一致，与实测值相对误差为9.7%，如图5所示。
图5 预测积水面积与实测积水面积对比
Fig.5 Comparison between predicted ponding area and measured ponding area
沉陷区大量水资源亟须合理开发与利用，因此，基于平原湖泊水量补给与排泄平衡分析[22]，建立了沉陷区分布式水循环MODCYCLE模型，模拟分析并预测了不同水位和不同降水保证率条件下的平衡水量；在此基础上，基于模糊优化理论，结合淮水北调工程规划，构建了沉陷区时序多目标系统模糊优化决策模型，如图6所示。工程实践表明：沉陷区可提供3 680万m3调蓄库容，成为“引江济淮”工程重要节点；区域生态环境用水中降水和地下水占86%、客水占14%，生活用水中客水和地下水占92%、降水占8%。
图6 时序多目标系统模糊优化决策模型
Fig.6 Fuzzy optimization decisionmodel for sequential multi-objective system
针对城中未稳沉采煤沉陷区的特点，综合考虑采空区岩体活化、地表残余沉降、附加荷载以及饱和与非饱和填土固结沉降等关键因素对沉陷区地基稳定性的影响，建立了采煤沉陷区地基稳定性评价模型，提出了城中未稳沉采煤沉陷区建筑分区设计方法。
首先进行采空区岩体活化评价；然后针对采空区稳定区，采用概率积分法与土体沉降公式预计地表沉陷残余变形值，并计算采空区垮落带和导水裂隙带高度，以及地面建筑物载荷影响深度，从而对地标建筑物安全性进行评估，如图7所示。
图7 沉陷区建筑分区设计方法
Fig.7 Design method of building zoning in the subsidence area
根据淮北绿金湖沉陷区综合地表残余沉降(最大364 mm)、附加载荷、填土固结沉降(13.9 mm/m)等影响因素，将建筑区划分为不受影响建筑区、残余沉降影响区、限制建筑区、禁止建筑区4个区域。在此基础上，将不同区域划分为住宅生活区、商业活动区、休闲区，如图8所示。因地制宜在沉陷区开展城市道路连通、水系沟通、环湖道路、综合管廊建设与旅游码头等基础服务设施建设，为城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化规划提供理论依据。
图8 绿金湖采煤沉陷区建筑分区规划
Fig.8 Layout of building in Lüjin Lake coal mining subsidence area
在沉陷区稳定性评价基础上，针对城市与采煤沉陷区交叉融合的空间特点，基于“城市景观核心、文化创意中心、生态旅游中心”的功能定位，以沉陷积水区为核心区，规划建设人居与公共服务配套和湿地公园休闲两大功能区，形成一条跨湖中心轴，配套城市交通和生态绿道2个交通环。集成现代商务、文化会展、情景居住、生态休闲“四位一体”的特色风貌区，打造集资源利用、生态修复、旅游休闲于一体的城市中央公园，构建“一心、两区、一轴、两环”协同发展的空间格局，如图9所示。
图9 城中沉陷区人居环境与生态一体化规划效果
Fig.9 Integration planning of living environment and ecology in the urban subsidence area
基于水土资源空间等效置换和资源、生态效益最大化原则，提出了高潜水位采煤沉陷区“采前设计—地形改造—分区治理”采复一体化方案：① 开采前，采用概率积分法进行地表沉陷预计，设计地表“挖深垫浅”边界模型；② 地表积水前，构建“挖深垫浅”分区地形改造模型，设计与计算沉陷盆地内挖深垫浅区域与垫浅区域的挖填土高程与治理后的最终高程，进行工程施工；③ 地表稳沉后，进行平整地、斜坡地和积水区分区治理。
在开采沉陷三维空间坐标系及地表沉陷主断面方向上，以地表下沉边界(下沉量10 mm)为治理边界，基于挖填土方量平衡条件，将地表原始地表高程H0(x)减去地表下沉预计曲线W(x)及治理后的地表高程设计曲线H2(x)，得到地形重构分区设计曲线H1(x)，即将治理区划分为以最大下沉点为中心、两侧对称的中央挖深、边界垫浅4个特征区域，如图10所示。其中，Ⅰ,Ⅱ区域为“垫浅”区，Ⅲ,Ⅳ区域为“挖深”区；Ⅰ区域为自下沉边界(W(x)=0，H1(x)=H0(x))至治理后的地表斜坡上边界(H2(x)=H0(x))，Ⅱ区域为自治理后的地表斜坡上边界至“挖深垫浅”的分界线(H1(x)=0)，Ⅲ区域为自“挖深垫浅”分界线至治理后的地表斜坡下边界(W(x)为最大下沉值)，Ⅳ区域为治理后的地表平底区域(H2(x)=Wmax(x))。同时，构建了地形改造分区重构数学模型，结果见表1。工程实践表明[23]：单一工作面开采的沉陷区土地闲置时间由14个月缩短至8个月，沉陷边界范围内100%土地得到有效利用，实现了高潜水位采煤沉陷区的采复一体化和无空白化治理。
图10 地形改造与分区重构模型
Fig.10 Reconstruction model of terrain reconstruction zone
表1 沉陷区地形改造分区重构数学模型
Table 1 Mathematical model of reconstruction of terrain reconstruction in subsidence area
注：r为工作面主要影响半径，m；s1，s2为拐点偏移距，m；l为走向方向计算长度，m；L为倾向计算长度，m；Wmax 为最大下沉值，m；k为设计边坡方程的斜率；b为设计边坡方程的截距。
区域x坐标范围填土设计高程Ⅰ-r-s1<x<-b/kl+b/k<x<l+s2+rH0+W(x)Ⅱ-b/k<x<x0l-x0<x<l+b/kH0+W(x)-H2(x)Ⅲx0<x<(Wmax-b)/kl-(Wmax-b)/k<x<l-x0H0+W(x)-H2(x)Ⅳ(Wmax-b)/k<x<l/2L/2<x<l-(Wmax-b)/kH0+W(x)-Wmax
为了保证边采边复关键技术高效环保的实施，在施工过程中，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、模板悬吊支撑体系、大直径钢管冷弯制作系统等成套施工关键技术，如图11所示。实践表明：应用平潜表面复合流人工湿地处理环保疏浚尾水，水体中有机污染物去除效率提高了21%，增加湿地面积的同时改善周围环境；将各工作单元有机组成底泥一体化机械深度干化系统，相较自然沉淀的效率提高了3.7倍；采用高填筑围堰装配式多级退水井架，避免退水井使用后期底部水土压力过大，保证高填筑围埝结构安全，退水效率提高了17%，节约排泥场面积5 260 m2。
图11 边采边复施工成套关键技术
Fig.11 Key technologies for side mining and recovery construction
针对开采沉陷斜坡地及施工过程中微地形重塑形成的以生土为主的斜坡水土流失严重的问题，研发了以当地土壤、农作物秸秆和魔芋凝胶混合法植物定植块(捆)制备技术，形成了适宜两淮矿区土壤改良的“土壤-植物”关键技术，有效阻控了沉陷斜坡地和生土陡坡的水土流失，如图12所示。
图12 陡坡定植块
Fig.12 Transplantation block in the steep slope
种子层按土壤、营养土、稻草、魔芋凝胶、磷矿粉、生石灰适合比例混合，并添加定量固氮溶磷菌液(草螺菌属)配制。保水层按土壤、稻草、蛭石、植物堆肥、稻壳炭、魔芋凝胶、磷矿粉适合比例混合，并添加定量固氮溶磷菌液(草螺菌属)配制。种子层表层下0.2～0.5 cm内撒播有种子，一起压成块状，形成陡坡定植块。结果表明，在35°坡面上该技术的蓄水效益达到55.3%、保土效益为72.9%、坡面植被盖度达到90% 以上；表层土壤pH值平均降至7.75，有机质含量增加至0.55%～0.74%，平均增加150%，改良土壤中总氮、有效磷、速效钾等含量均比对照区增加20%以上[24]。
针对“表土翻出—深部充填—表层覆土”传统土地复垦模式与积水区水生养殖、构建人工湿地等模式中未考虑沉陷区边缘斜坡地利用的问题，基于高潜水位采煤沉陷区地表分区重构特点，研发了“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”分区治理技术，如图13所示。有效解决了沉陷区平整地、斜坡地、积水区综合生态环境治理的技术问题，水土资源利用率达100%。绿金湖工程实践表明：沉陷区内累计54.69%的土地改造为可利用平整地，31.55% 的土地作为斜坡地进行乔灌草种植区，13.76% 的积水区作为养殖区，有效提高了土地复垦效率。
图13 沉陷区水体修复与生态重建
Fig.13 Water body rehabilitation and ecological reconstruction in subsidence area
面对资源枯竭的压力和可持续发展的迫切要求，淮北市加快高质量转型崛起的历程，主城区“东扩南移”，全面启动东部新城建设、生态走廊、淮水北调等重大民生工程，积极打造“中国碳谷·绿金淮北”。绿金湖采煤沉陷区将沉陷区生态修复与引江济淮、生态走廊、绿金城市等重大民生工程相结合，项目形成了可利用土地27 413亩，为引江济淮工程提供中转蓄水库容达3 680万m3，构建了集建筑区(5 920亩)、绿地广场(10 531亩)、水域(9 203亩)、道路(1 759亩)四大系统于一体的采煤沉陷区湿地公园系统，如图14所示。
图14 淮北绿金湖城市中央湿地现状
Fig.14 Current status of the central wetland in Lüjin Lake City in Huaibei
经上述技术改造与系统施工，绿金湖采煤沉陷区被打造成淮北西部老城与东部新城的核心衔接带，成为“淮水北调”重大民生工程重要节点，扩大城市发展空间，提升城市土地利用潜力，形成了城中采煤沉陷区修复范式。
我国部分采煤沉陷区虽然进行了生态修复治理[25-26]，改善了当地的生态环境[27-28]，但是缺乏后期的维护[29]、生态环境监测[30]，导致治理好的生态环境恶化，治理成效大打折扣。针对沉陷区修复治理与后期有效利用脱节的重大难题，绿金湖采煤沉陷区摸索了社会资本参与生态保护修复的新模式，形成了政府主导、社会参与、市场运作、合作共赢的城中采煤沉陷区生态修复产业化模式。采用政府和社会资本合作模式(PPP模式)，充分发挥政-产-学-研-用合作优势，形成了政府和社会资本共享收益和承担风险的资本运作模式，累积完成项目融资22亿元，有效解决了采煤沉陷区治理资本投入。
基于“超前规划—动态修复—长期运营”的3步走战略，提出了开采前预测规划、开采中边采边复、治理后管控运营的采煤沉陷区可持续发展策略，形成了城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化治理新模式，促进了煤炭资源型城市人与自然和谐发展。绿金湖沉陷区，实现了从采煤沉陷区到城市“绿色金湖”的转变。3 a运营结果表明：水土资源利用率达100%，土地直接收益可达300多亿元，可容纳人口8万余人，发挥了良好的生态效益、经济效益和社会效益，项目成果入选2020年自然资源部《社会资本参与国土空间生态修复案例(第一批)》十大案例。
(1)针对我国中东部高潜水位矿区生态修复，提出了沉陷区积水三维空间预测方法，构建了沉陷区水土资源空间等效置换模型，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)基于城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化规划理念，构建了城中采煤沉陷区人与环境协调发展的空间格局，创新了沉陷区建筑分区设计方法。
(3)构建了采煤沉陷区水资源调控模型，研发了边采边复施工、生土陡坡地水土流失控制与土壤改良、生态重构成套关键技术。
(4)构建了市场化运作、科学性修复、可持续运营于一体的城中采煤沉陷区综合治理新模式，促进了煤炭资源城市人与自然的和谐发展。
(1)高潜水位采煤沉陷区的精准分区治理。采煤沉陷区环境复杂多变，单一或一个整体的生态环境治理难以满足不同区域的生态环境治理要求。虽然笔者构建了基于开采沉陷预计和土方量平衡条件的地表分区重构模型，但在采煤沉陷区稳沉之前，精确预测沉陷区地表开采变形量、残余变形量以及积水区演化成为地表精准分区改造与重构的关键，其涉及到采矿学、岩石力学、矿山测量、土地学等多学科交叉。沉陷区复杂的地质采矿环境和水文气候条件导致地表沉陷的精确预计难度较大。同时，针对不同分区、不同受破坏的对象，精准制定不同的生态环境修复措施，以及治理后针对不同区域实施精准的监测方案等方面，仍有待进一步研究。
(2)大气环境对沉陷区地表环境的影响及耦合关系。以中东部矿区典型高潜水位厚冲积层多煤层开采为背景，针对沉陷区一系列生态环境问题，需综合考虑水体、土壤、大气三大关键环境要素，同时结合地表沉陷、水循环、生态系统演化等开展理论研究，尤其是沉陷区大气环境的改变对地表生态环境的影响，以及“大气-水体-土壤-生态”之间的耦合关系仍需进一步研究。由于生态系统的演化是一个长期的过程，对采煤沉陷区生态过程变化的认识需要不断深化。
(3)采煤沉陷区生态修复多种关键技术的集成及综合利用。目前，针对采煤沉陷区生态环境治理，国外内研究者相继研发了采煤沉陷区地质生态环境灾害监测与预警技术、废弃物环境影响评价与利用技术、沉陷区生态修复与重构技术等关键技术，但在治理高潜水位沉陷区造成生态环境问题过程中，如何将这些关键技术有机的集成在一起，形成沉陷区生态环境综合治理技术体系仍有待于深入研究。
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