矿区土地复垦与生态环境恢复综述

黄丹勇

(湖南有色冶金劳动保护研究院,湖南长沙 410014)

矿区土地复垦与生态环境恢复综述

黄丹勇

(湖南有色冶金劳动保护研究院,湖南长沙 410014)

矿区土地复垦与生态恢复已成为矿业可持续发展的重要问题,综合我国有色金属矿、铁矿和煤矿土地复垦和生态恢复研究进展和实践,提出矿山环境治理的对策。

环境工程;土地复垦;综述;矿区;生态恢复

矿产资源是经济、社会发展的重要物质基础,但在矿产资源的大量开发过程中,不可避免地要破坏自然环境,造成大气、水体、土壤污染。矿山开采带来的最直接的环境问题是矿区生态破坏。我国是一个矿产大国,矿山开采造成的生态破坏和环境污染点多、量大、面广。随着人口的增长和经济快速发展,人均资源占有量快速下降,资源短缺、生态环境恶化,资源保护和经济建设之间的矛盾日益突出,资源与环境问题也将更加显著,已经成为制约我国社会、经济可持续发展的重要因素。随着经济的发展,预计今后每年仅国有煤矿开采破坏的土地就会以每年几万公顷的速度增加,其中露天采场、排土场和尾矿场占地量占其面积的70%左右,由于缺乏必要的复垦措施,加剧了当地水土流失程度,使矿区生态系统遭到破坏,地表水体污染严重,同时使部分区域地下水位下降,造成水源枯竭或河水断流,诱发地震。矿山开采不仅造成山体崩塌、地面沉陷,地形、地貌发生巨大改变,同时大量的废石、尾矿等固体废弃物数量越积越多,不仅占用大量土地,还成为严重的污染源。加强恢复利用矿山开采破坏土地,搞好矿山生态建设已成为矿业可持续发展的重要问题。

1 矿区开采对生态环境破坏的特征

1.1 有色金属开采对生态环境的破坏

有色金属矿由于品位低、提取工艺复杂,固体废弃物产量大,破坏和压占了大量土地。同时,我国2/3矿山处于中后期开采,随着开采深度增加,金属品位下降,废弃物产生量更大。多年来重开发、轻治理,历史“欠帐”积深,面临的土地复垦与生态恢复问题十分严重。有色矿山土地复垦涉及到尾矿库、排土场、废石堆、露采场、污染土地、塌陷地等。尾矿库是现今选矿工业中用于废水、废渣处理最常见形式,是重要的矿山生产设施。含有金属硫化物和混合硫酸盐的尾矿,在许多矿区引起了地表水和地下水的严重污染,尾砂干滩飞扬的粉尘也引起了严重的空气污染。据有关部门调查,危库、险库在30%以上。尾矿库坝坡的稳定已经成为矿山安全的重要课题,暴雨季节受到尾矿水土流失和泥石流的威胁,垮坝事故时常发生,造成人民生命和财产的巨大损失。我国有色金属以硫化物赋存于矿物中的比例很大,露天堆置条件下,这类矿山废弃物中残存含量相当高的硫化物,容易被空气氧化,遇降雨形成强烈的酸性水,并挟带大量的重金属离子。我国不少矿山多年来为这一污染问题所困扰,酸性污染十分严重。有的废石堆、尾矿库数十年仍呈强烈酸性,地表寸草不生,建立植被困难,有的甚至污染并影响到矿区周围的地表水、地下水以及土壤,造成了恶劣的环境影响,严重制约了矿区社会经济的可持续发展。赤泥是氧化铝工业的废弃物,每生产1 t氧化铝就需要排出0.9～1.3 t赤泥。赤泥污染问题突出,成为继矿山尾矿、电厂粉煤灰后的又一大社会公害。赤泥中含有高浓度碱及盐类,从而污染水体和农田,严重破坏了耕地动态平衡矿区生态环境,影响了人民的身心健康。

1.2 煤矿开采对生态环境的破坏

煤炭资源的大规模开采,一方面满足了我国经济建设的需要,另一方面也带来了一系列生态环境问题,其中土地破坏是最为明显的生态破坏。据不完全统计,平均每开采万吨煤地表塌陷0.2 hm2,露天矿每开采万吨煤要挖损土地约0.1 hm2,外排土场压占土地为挖损土地量的1.5～2.0倍,露天矿正常生产时每采万吨煤,排土场平均压占0.16 hm2土地。据此推算我国煤炭地下开采历年塌陷土地总量在66万hm2,露天开采挖损与压占土地总量在4.5万hm2左右。由于开采地表塌陷造成我国东部平原矿区土地大面积积水、受淹和盐碱化,不仅使区内耕地面积急剧减少,而且还加剧了人口与土地、煤炭与农业的矛盾。西部矿区的地面塌陷加速了水土流失和土地荒漠化。同时采煤引起的地表塌陷还诱发大量山体滑坡、崩塌和泥石流等自然灾害,严重破坏矿区的土地资源和生态环境。矿区的地表塌陷同时对地面的建筑物、道路、铁路、桥梁和输电线造成不同程度的破坏,特别是在村庄稠密的平原地区,土地塌陷使村庄破坏引起人口迁移,一般生产1 000万t煤炭需迁移约2 000人。采煤排放大量煤矸石,矸石排出量为原煤的15%～20%。据有关统计资料,全国工业固体废弃物最多的为煤矸石,全国历年累计工业固体废弃物约60亿吨,其中煤矸石约12亿t,每年全国工业的固体废弃物排放约5～6亿t,其中煤矸石有1亿多t,现有800多座矸石山占地约6 000 hm2,造成矸石山大量占地的局面。在干旱地区或旱季,矸石堆排放大量粉尘,在雨季,由于矸石风化产生的酸性物质被雨水淋溶,造成水体和周围土壤的酸污染和重金属污染,矸石山自燃问题也很严重。矸石虽可发电,用作建筑材料、化工原料,但限于经济技术等原因,综合利用程度不高,目前利用率还不到15%,采煤大省山西省利用的矸石仅占排出量的3%～5%。目前把矸石用作塌陷区复垦的充填物料,仅在淮北、徐州、唐山等矿区实现,且充填后主要用作建设用地,历史遗留下来的矸石堆仍占用大量土地。

1.3 铁矿开采对生态环境的破坏

我国钢铁工业的迅速发展带动了铁矿业的发展,但我国铁矿资源总体上属于贫铁矿,平均含铁量32.1%。据资料分析,我国探明的铁矿总含量中,贫铁矿占94.05%,富铁矿5.95%。因此,铁山矿具有采掘量大、排弃量大等特点,剥采比一般都在2.0以上。每生产1 t成品,平均需要采剥约8 t左右的矿岩,排弃7 t左右的废石、尾矿和5 t左右的废水。随着机械化开采程度的提高,易采资源的枯竭,促使露天开采的剥采比日趋增大,废石排弃量越来越大。我国铁矿排土场一般占地约占铁矿总占地面积的18%,有些矿山则高达40%～50%。我国铁矿尾矿占地平均占铁矿总占地11%左右,而有些铁矿则超过20%。随着铁矿资源的贫化,矿石越来越贫杂难选,选矿比越来越高,生产1 t精矿粉需要排弃的尾矿越来越多,采场、废石、尾矿、废水等占地越来越多,对环境的污染越来越大。据国外资料统计,每开采1万t金属矿石大约破坏333.3 m2的土地。由此可见,目前我国开采铁矿石对土地的破坏量远远高于国外水平。

2 矿区开采土地复垦及生态环境恢复技术方法

矿区开采分为露天采矿和地下采矿两种。其土地生态重建包括露天矿井和井下矿井的生态重建。

2.1 露天矿生态重建技术

2.1.1 生产过程中的优化控制和土地复垦

排土场的选位原则:(1)靠近采区,满足近距离排弃的要求;(2)遵循内外排土场相结合的原则;(3)在满足外排总量和边坡稳定的前提条件下,选择低洼地形高排,尽量减少占地面积的原则。

排土场的施工时序:其中排弃时序应符合水土保持“先拦后排”的要求,即先实施拦挡工程,后排弃剥离物。即在外排土场外围先修筑挡土围埂,然后在围埂内弃土,以减轻排土对周边的扰动。

施工工艺:排土场的排土方式尽可能采用内排土与复垦工艺相结合的内排土采矿工艺,减少排土场外排土,少占用土地。原则上只在基建期内剥离物全部排往排土场,投产后逐步转入内排。实行分区开采,将下一采区的表土,排至前采区的外部排土场的表层,进行土地复垦。

堆放方式:要合理选择排土场和尾矿场的堆放方式,对排土场进行削坡处理,确定其稳定的坡比,提高排土场高度,以减少占地面积。

2.1.2 废弃或临近闭坑露天矿山岗的土地复垦技术

废弃或临近闭坑露天矿山岗的土地复垦主要包括露天采场和排土场的复垦技术。

采场的土地复垦技术:露天矿剥离物实行土、岩分排,表土单独堆放。露天采场的复垦主要指采区内排土完成服务年限后,在岩土排弃物上覆50～100 cm的表土,形成可供农业或林业生产的用地,恢复植被。

排土场的土地复垦技术:排土场复垦主要包括排弃物料的分采分堆和土场的整治。分采分堆是根据土壤和围岩的物理化学性质,实现排弃物料的合理立体分布,形成符合农业或林业的土层。排土场整治主要指排土场的后期土地整平、削坡措施等。

生态农业技术:根据生态学、生态经济学原理,应用工程技术和生态工程技术,通过合理配置植物、动物、微生物等,进行立体种植、养殖和加工。

生物复垦技术:生物复垦包括土壤培肥、植被重建,其核心是迅速建成人工植被群落,即在建好的生态环境上建立人工植被,形成人工群落,关键技术在于解决土壤熟化和培肥问题,加速复垦地“生土”熟化过程。

微生物复垦技术:利用微生物活化剂或微生物与有机物的混合剂,对复垦后的贫瘠土地进行熟化和改良,恢复土壤肥力和活性。

2.2 采煤塌陷复垦技术

采煤塌陷区的土地复垦主要包括疏干法、挖深垫浅法、充填复垦法、生态工程复垦法。

2.2.1 疏干法

疏干法是指开挖大量排水渠,使塌陷区的积水排干,再加以必要的整修工程,使塌陷区不再积水,并得以恢复利用。

2.2.2 挖深垫浅法

挖深垫浅法是用挖掘机械将塌陷深的区域再挖深,形成水塘,取出的土方充填塌陷坑浅的区域,形成耕地,达到水产养殖和农业种植并举的目的。

2.2.3 充填复垦法

充填复垦法是将土地复垦技术与生态工程技术结合起来,综合利用生物学、生态经济学、环境科学、农业技术以及系统工程学等理论,运用生态系统的物种共生和物质循环再生原理,对破坏土地所设计的多层次利用的工艺技术。

2.2.4 生态工程复垦法

生态工程复垦法是在工程复垦的基础上,采取植物措施,以改善土壤的理化性质,达到改良土壤、恢复地力的作用。待地力恢复后,视具体情况,恢复其原有的用地方式。

3 矿区土地复垦与生态环境恢复研究进展和实践

3.1 尾矿库农业种植与生态恢复

1993～1997年原中国有色金属工业总公司和澳大利亚政府合作进行了长达4年的矿区生态复垦技术合作项目。合作项目取得了丰硕的成果,获得了国家科技进步二等奖和国家环保总局最佳实用推广技术。合作项目建立了铜陵有色公司五公里尾矿库无土植被示范场,提出了“兼绿地与建筑用地为一体”的复垦模式。无土复垦技术大大节省了土源和费用,使用了对豆科植物根瘤菌接种技术,直接在尾沙上种植各种具有观赏价值的树木、草坪草和豆科植物,控制了尾沙对环境的污染,恢复了生态环境。铜陵狮子山矿水木冲尾矿库边坡无土植被稳定技术研究,经过小型试验、扩大试验,已经成功地应用在后期坝的护坡上。在控制坝坡水土流失,特别是控制尾矿库边坡在汛期险情上,取得良好的效果。同时在抑制尾沙污染发挥了作用,大量节省了土源和工程费,减少了耕地的破坏,经济、社会、环境效益显著。无土植被护坡工程比覆土节约50%以上的资金投入。田间试验和示范工程结果表明,用少量黄土与尾砂混合覆盖,改良了尾沙结构,提高了田间持水能力,缩短了土壤熟化时间,复垦投入少、作物产量高,是一种经济有效的复垦方法。

3.2 露天煤矿土地复垦与生态重建

平朔露天矿区地处黄土高原东部、山西省北部的朔州市平鲁区境内,沟壑纵横、植被稀疏,对环境改变反应敏感,维持自身稳定的可塑性较小。平朔露天矿区是20世纪末我国最大的露天煤炭生产基地。大规模的露天煤炭开采,使原脆弱生态系统完全破坏。其土地复垦与生态环境重建的复杂性和艰难程度很大。山西省生物研究所、山西农业大学、山西省农业科学院畜牧研究所、山西省环境保护研究所、中国科学院地理研究所和安太堡露天煤矿合作,对平朔露天煤矿的土地复垦问题进行了十余年的研究,认为平朔露天矿区采煤废弃地的复垦重点是重建生态系统。平朔露天矿区采煤废弃地复垦与生态环境重建的技术框架包括土地重塑、土壤重构和植被重建。持久的植被重建模式是“草、灌、乔同时并举,合理配置”。控制水土流失有效的植被覆盖度应大于85%。实施“采掘、排弃、造地、复垦”一体化,减少岩土污染、重塑地形坡度、地表物质组成,使重塑的土地、重构的土壤符合水土保持、环境保护和土地复垦的要求,给后续的植被重建打好基础。平朔露天矿区采煤废弃地生态环境重建的效益可分为三个阶段,第一阶段为零效益或负效益为主的生态系统破损阶段。这阶段采矿可获得效益,但对土地、环境、生态是破坏。这阶段只能要求减少破坏、清洁生产。第二阶段以生态效益为主的生态系统雏形建立阶段。包括排土场的建设及水土保持、地面整理、土壤熟化、树草种植等。此阶段需大量投资,建成可利用的土地,主要是投资,而不是获得效益。第三阶段为生态效益、经济效益和社会效益高度统一的生态系统动态平衡阶段。此阶段土地已建成,树草已生长,农田已可种植农作物,此时才可真正获得稳定的效益。

4 矿区土地复垦与生态重建研究展望与对策

土地复垦是关系到国土整治、环境治理、造福后代的系统工程。国内外的研究实践证明。土地复垦与植被恢复是解决矿山环境保护和综合治理的最有效途径。综合目前该领域的研究现状和存在的问题,矿区土地复垦与生态重建研究的重点有三个方面:

1.土地复垦与生态重建的基础理论问题,包括矿区土地质量变化规律研究,矿区生态退化机理与修复等。

2.矿区土地复垦与生态重建实用技术,包括采矿控制土地与环境破坏的技术、土壤重构技术、景观重塑技术、植被恢复技术、固体废弃物资源化与无害化技术。

3.矿区域土地与生态环境管理的综合研究。从复垦的形式分,矿山的工程复垦技术分为充填和非充填复垦两种形式。结合复垦土地的利用方向和土地破坏的形式、程度,常用的工程复垦技术有:就地整平复垦、梯田式整平复垦、挖深垫浅式复垦和充填法复垦技术等。

我国目前的矿山生态环境问题是历史和当今矿业活动的综合产物,是过去环境意识不强和目前管理不严的双重影响结果。根据我国矿山生态环境的基本现状,目前的矿山生态环境恢复治理工作主要分为三类。一是废弃矿山,二是即将关闭的矿山,三是新上矿山。要从根本上遏制矿山生态环境进一步恶化的趋势,对这三种类型矿山的生态环境问题应区别对待,采取不同的措施。一方面需要国家加大投资力度,恢复治理历史遗留下来的老问题,另一方面需要加强矿山生态环境管理和执法监督,从源头断绝矿山生态环境问题滋生的根源,避免出现边治理边破坏、治理赶不上破坏的局面。

[1] 张梁.我国矿山生态环境恢复治理现状和对策[J].中国地质矿产经济,2002,(2):26-29.

[2] 卞正富,周连碧,崔龙鹏.我国煤矿区土地复垦与生态重建研究进展[A].卞正富,周连碧,崔龙鹏,等.土地整理与农村发展论文集[C].北京:中国土地整理与复垦分会,2004.47-50.

[3] 胡少伟,周跃.铁矿山土地复垦研究初探[J].矿山安全与环保,2004,31(1):34-37.

Investigation and Practice on Mining Land Rehabilitation

HUANG Dan-yong
(Hunan L abour Protection Institute of Nonferrous Metals,Changsha410014,China)

The mining land rehabilitation and ecological reconstruction isone of major problemsfor mining industry sustainable development.The research development and practice achievements on mining land rehabilitation and ecological reconstruction in nonferrous mine,iron mine and coal mine in China are reviewed and some counter-measures for improving mine environment are proposed.

environmental engineering;land rehabilitation;review;mining area;ecological reconstruction

X53

A

1003-5540(2011)06-0045-04

黄丹勇(1981-),男,助理工程师,主要从事环境工程、土地复垦、水土保持工作。

2011-11-10