矿山生态修复有哪些新技术.doc

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1、矿山生态修复有哪些新技术1 仿自然地貌修复技术（一）人工地貌通常，在矿山开采破坏前，矿区原本的经过10年乃至百年自然形成的自然生态系统遭受破坏，继而促使了矿山地质环境生态修复的发生。矿山地质环境生态修复远远不可能使其完全恢复原本的状态，事实上，更多的时候它是人为地重建一个人工生态系统，这也是生态重建的名词在土地复垦中被广泛使用的原因。人工生态系统是指经过人类干预和改造后形成的生态系统，其易受人类社会的强烈干预和影响，且不稳定，易受各种环境因素的影响，并随人类活动而发生变化，自我调节能力差，并且系统本身不能自给自足，依赖于外系统，并受外部的调控。同时，生态系统运行的目的不是为维持自身的平衡，而是

2、为满足人类的需要。所以人工生态系统是由自然环境（包括生物和非生物因素）、社会环境（包括政治、经济、法律等）和人类（包括生活和生产活动）三部分组成的网络结构。人类在系统中既是消费者又是主宰者，人类的生产、生活活动必须遵循生态规律和经济规律，才能维持系统的稳定和发展。典型的矿区人工恢复地貌如经过人工重建的绿化煤矸石山、大型堆砌排土场等，其往往具有较重的人工痕迹，形状规则布局过于工整，且花费较大，但不易保持。人工生态系统需要长期的维护，在矿区尺度上，对于全国大量的大面积矿区来说，这种人工生态系统并不是最佳的选择。（二）景观表征对于矿山开采破坏景观的具体评价，现有研究通常通过分形理论或景观指数来表征。

3、分形理论大多应用于对宏观大尺度的地形和微观尺度的土壤颗粒分布进行表征，通过单一分维数表征地形复杂程度，如河道地貌（朱嘉伟等，2005）、土地利用结构（赵晋宝，2014）、侵蚀冲沟等；通过多重分形谱表征地形的变异特征，如土壤粒径分布规律（王金满等，2014）等。但分形理论对于露天煤矿排土场等中小尺度的受损土地景观表征研究相对较少（张莉等，2016）。另一种表示法为景观指数。利用景观指数可以表征矿区土地景现破碎化程度，其连接性与异质性、结构、空间排列等。其主要使用指数包括：分维数、多样性、优势度、斑块数目、景观类型面积比例、景观形状指数、蔓延度、破碎度、香农多样性指数与香农均匀度指数、分离度、均匀

4、度等（毕如田等，2007；李幸丽等，2009；万越，2015；张前进等，2006；韩武波等，2012），其表征意义可查阅相关参考文献。（三）景观重塑与再造由于矿山开采活动形成的人造景观与周围原有景观不协调，景观连接性差，造成生态系统的不和谐，导致了一系列生态问题，由此就衍生出仿自然地貌理论（张莉等，2016）。仿自然地面要求复垦后地形与当地自然景观相协调，统筹保护土壤、水源和环境质量，复垦土地应当达到当地原有的可持续发展的景观生态环境水平。仿自然地貌更加注重当地原有的生态系统，尽可能接近原有地貌。首先是基于景观生态学，根据斑-廊-基原理、景观格局优化原理、多样性与异质性原理等，在重建过程中增大

5、景观多样性与异质性，规划基质与斑块组成较优的景观格局。同时，仿自然地貌注重微地形对生态系统的影响。微地形是针对地理学中巨地形和大地形而言的小尺度的地形变化，可以反映景观整体形态特征（张莉等，2016）。日本学者对丘陵地区微地形进行研究并将其分为顶坡、上边坡、谷头凹地、下边坡、麓坡、泛滥性阶地和谷床7种类型，而露天煤矿区内的微地形主要指部分区域出现的切沟、浅沟、缓台、塌陷和陡坎等（邝高明等，2012）。其注重坡面、坡向、坡度对微地形的影响，据此对微地形改造，对土壤属性和微生境、降雨入渗和水蚀过程、植被恢复的效果及其生态服务功能等均有重要影响（卫伟等，2013），可以通过调节排土场边坡，继而构造出

6、适宜的微地形，改善植被立地条件，预防水土流失和阻止水土侵蚀，改善土壤有机质和调节矿区小气候条件。仿自然地貌更多的参考原地貌形态与景观、自然地貌形态特征。仿照自然地貌的设计能使重建和再造的土地景观更具协调性和稳定性，生态结构更加合理，视觉效果和经济型均有所提高。例如，我国山西平朔露天煤矿的排土场地貌在重塑时便运用该理论，仿照黄土高原丘陵山地的层层梯田，设计出相对高差一般为100150米，平台与边坡相间分布的景观格局，达到人工景观与自然景观相互协调的效果（陈晓辉，2015）。煤矿区周围临近成熟的、未扰动的地貌，同样可以为复垦区地貌设计提供便利，建设自然式缓坡地与自然河道可减少研究区地表侵蚀及水土流

7、失的可能性（胡振琪，1997）。2 边采边复技术（一）边采边复的概念产生与发展一种较为直接的看法认为，矿山地质环境生态修复是采矿的一部分。显然，采矿是复垦的源头，是生态修复的驱动因素，没有采矿并不会产生矿山地质生态环境修复问题。复垦为采矿的破坏结果提供解决方案，它作为“采矿-生态”平衡的一个重要手段出现在采矿过程中，并不应当只是闭矿后的补救措施。事实上，提早展开复垦或采复一体化给矿山地质环境生态修复带来了额外的收益。这种看法最早源于20世纪70年代美国学者在露天采矿过程中应用的理念。1973年，美国内务部组织编写的露天矿边采边复技术培训手册明确写有露天矿开采过程中复垦步骤的详细规范，1977年

8、颁布的联邦采矿与复垦法中也明确要求采矿与复垦同步。这种理念是较先进的生态修复理念。在我国，系统论述边采边复思想的时期较晚，由于我国多是井工开采，与露天开采的差异限制了国外采复一体化经验的引入，其理念与技术并不能较好地应用于国内。1992年平顶山矿务局首次施用了类似“超前复垦”的相关技术，对矿区即将沉陷的土地开挖水渠、降低潜水位，使沉陷后的土地不因高潜水位积水，如董祥林（2002）。之后，赵艳玲等（2008）、肖武等（2013）拓展了结合开采沉陷规律的动态预复垦。2013年，胡振琪等提出了边开采边复垦的概念，探讨了边采边复的内涵与关键技术（胡振琪等，2013，2013）。至今，边采边复研究仍然是

9、土地复垦的重要问题。（二）边采边复理念与概念的定义边开采边修复技术概念是采复一体化的体现。事实上，边采边复就是采复一体化的另一种说法，是充分考虑矿山开采与地面复垦措施耦合，规划开采措施、优选复垦时机与方案的一种思想（肖武，2012）。边开采边修复强调开采工艺与修复工艺的充分结合，以保证按采矿计划同步进行。其基本特征是以“采矿与修复的充分有效结合，也即采矿修复一体化”为核心，以“边采矿，边修复”为特点，以“提高土地恢复率、缩短修复周期、增加修复效益”为表征，并以“实现矿区土地资源的可持续利用及矿区可持续发展”为终极目标。边开采边修复的基本内涵为地下采矿与地面修复的有机耦合：一方面，基于既定的采矿

10、计划，在土地沉陷发生之前或已发生但未稳定之前，通过选择适宜的修复时机和科学的修复工程技术，实现恢复土地率高、修复成本低和修复后经济效益、生态效益最大化；另一方面，通过优选采矿位置、采区和工作面的布设方式、开采工艺和地面修复措施，实现土地恢复率高和地表损伤及修复成本的最小化。预复垦、超前复垦、动态复垦与边开采边修复既有联系，又有区别。预复垦、超前复垦和动态复垦往往仅针对一个采煤工作面或采区进行探讨，且主要是考虑既定采矿计划前提下的复垦措施，而边开采边修复技术从整个矿山开采过程的角度出发，不仅提出何时、何地、如何修复，而且指导整个采矿生产，是地上和地下措施的有机耦合。因此，边开采边修复的概念和内涵

11、比预复垦、超前复垦和动态复垦的更大、更深刻，但预复垦、超前复垦和动态复垦的已有研究为开展边开采边修复研究奠定了基础，也是边开采边修复技术体系的重要组成部分。现阶段边开采边修复主要还是基于井下采矿工艺和时序进行的修复方案的优选，未来将逐渐过渡到井下采矿与井上修复的同步进行。（三）露天采矿边采边复1.基本流程1）剥离表土。在开釆第条带前，用推土机超前剥离表土并推存于开釆掘进的通道上。一般剥离厚度为2030厘米，同时也应超前剥离23个条带，即第1，2，3条带。2）在第条带的下部较坚硬岩石上打眼放炮。3）用巨大的剥离铲剥离经步骤2）疏松的第条带的下部较坚硬岩石，并堆放在内侧的釆空区上（即第-1条带上）

12、。4）用可与剥离铲在矿坑内交叉移动的大斗轮挖掘机（BWE），挖掘第1条带上部较松软的土层（和层土），并覆盖在第-1条带内经步骤3）操作而形成的新下部岩层较硬岩层的剥离物。5）在剥离铲剥离上覆岩层后，第条带的煤层被暴露出来，用釆煤机械进行釆煤和运煤。6）用推土机平整内排土场第-1条带的复垦土壤剥离物，就构成了以第1条带上部较疏松土层（和层土）的剥离物为心土层、以第条带下部较硬岩层的剥离物为新下部土层的复垦土壤。7）用铲运机回填表土并覆盖在复垦的心土上。8）在复垦后的土地上种上植被（一般首先播种禾本科和豆科混合的草种），并喷洒秸秆覆盖层以利于水土保持和植被生长。2.关键技术露天矿边采边复的核心技术

13、是土壤重构技术。土壤重构即重构土壤，是以工矿区破坏土地的土壤恢复或重建为目的，采取适当的采矿和重构技术工艺，应用工程措施及物理、化学、生物、生态措施，重新构造一个适宜的土壤剖面与土壤肥力条件以及稳定的地貌景观的方法。土壤重构所用的物料既包括土壤和土壤母质，也包括各类岩石、矸石、粉煤灰、矿渣、低品位矿石等矿山废弃物，或者是其中两项或多项的混合物，只要在较短的时间内可恢复和提高重构土壤的生产力，并改善重构土壤的环境质量，就是有效的重构材料。对于土壤重构，动态的、有效的规划露天采矿的土壤重构方案可以缩短复垦周期，提高复垦效益。其实质是对不同重构材料，按照其材料特性，进行合理充填顺序与结构的合理规划。

14、上述“分层剥离、交错回填”的露天边采边复正是这种思想的体现。例如常见的泥浆泵复垦，泥浆作为充填材料，营养贫瘠持水过多，且沉淀时间过长，采用分层剥离、交错回填的思想，能够极大地优化其挖土与充填顺序，为泥浆沉淀获得更多的时间，具体见参考文献（胡振琪，1997；胡振琪等，2005；郑礼全等，2008）。（四）高潜水位井工矿区边采边复1.基本原理通过传统稳沉后非充填复垦和边开采边修复所恢复土地率的对比分析，阐述边开采边修复的基本原理。图3-5为下沉稳定后采用非充填复垦时土地恢复示意图，在不考虑外来土源的情况下采用挖深垫浅等措施，可在沉陷盆地的边缘区域复垦出部分土地，即与区。 图3-6为边开采边修复时土

15、地恢复示意图，其中图3-6为边开采边修复的动态过程，在土地即将沉入水中或部分沉入水中（仍存在抢救表土的可能性）时预先分层剥离部分表土与心土，交错回填至将要沉陷的区域，即图中的取土区与充填区。图3-6为边开采边修复的最终状态，通过边开采边修复可形成最终的复垦土地区，区。可见，边开采边修复较沉陷稳定后的复垦，可多复垦出区域，土地恢复率有较大提升。2.关键技术高潜水位边采边复思想的关键技术，在于动态的挖深垫浅。其中最重要的是开采沉陷的动态预计，只有掌握其塌陷的动态过程才能精准地规划边采边复时间与措施。前文曾阐述过井工开采沉陷过程的基本静态与动态特征，这里我们将简要介绍开采沉陷过程的数学建模。关于该过

16、程的模拟一直是矿山开采沉陷学的核心问题之一，长期以来涌现出多种方法，从主断面到整个塌陷场的研究对象，从实测参数函数拟合、岩体理论模拟到相似材料模拟，研究者一直尝试提高开采沉陷预计的精度。概率积分法因算法简单、结果可靠，足以快速应对大多数开采沉陷问题，是我国目前较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一，这里简述其下沉预计的基本模型：（1）单元开采的下沉预计单元是工作面的归一化无量纲表示。单元开采引起地表下沉与地表水平移动表达式为式中：为主要影响半径；为开采单元横坐标，为预计点横坐标（-实际为预计点到开采单元水平距离）。（2）单工作面开采的下沉预计地表任意点（x，y）的下沉值W（x，y）为其中式中：0（x）和0（y）为走向和倾向有限开采时，主断面地表下沉值；W0为充分采动