中德典型露天煤矿排土场土地复垦技术对比研究

郭义强，罗　明，王　军

(国土资源部土地整治中心 国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035)

绿色矿业

中德典型露天煤矿排土场土地复垦技术对比研究

郭义强，罗明，王军

(国土资源部土地整治中心 国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035)

摘要：本文以中国的平朔矿区和德国的维佐夫矿区为代表，系统对比研究了两国在露天煤矿排土场地貌重塑、土壤重构和植被重建等复垦过程中的主要技术措施。研究发现，中国较德国在露天煤矿采复理念、技术措施等方面存在一定差距，德国采用了“分层剥离、交错回填”采复一体化工艺，注重矿区复垦规划中区域空间协调性，从低碳发展理念引导复垦工程，开展了复垦前后生物多样性调查与保护工作，重视复垦后期的土地管护与资源可持续利用。研究认为，中国在露天煤矿排土场复垦中应该注意规划设计的区域协调性、加大生物多样性保护力度、促进复垦技术措施的可持续发展、强化复垦的后期管护，保障矿区经济、社会、生态健康持续发展。

关键词：中国；德国；露天煤矿；排土场；土地复垦

露天煤矿排土场是矿山采矿排弃物集中排放的场所，一般占矿山用地的50%以上。采矿产生的土石混合剥离物的堆放，压占了大量土地，严重破坏了矿区地形地貌、土壤结构、原有植被，带来土壤质量下降、生态系统退化、生物多样性丧失等一系列问题。

截至2009年，我国共有损毁土地约1.35亿亩，严重威胁着粮食安全和社会发展[1]。煤炭资源开采利用的同时，如何对露天煤矿的土地资源、生态环境进行恢复治理，保障资源可持续利用，已经成为国内外学术界研究的焦点之一。国外学者以露天煤矿为研究对象，开展了矿区土地复垦技术、植被重建、成本效益评价等方面的研究，为煤矿区土地复垦提供了技术参考。加拿大等学者通过研究煤矿区岩石物流系统自动管理模式、调查阿尔伯塔等省份不同群体对煤矿复垦的态度，为改善矿区土地复垦提供了技术支撑[2-3]。德国汉巴赫、印度加利亚露天煤矿采用排土技术、粉煤灰覆盖填充、综合生物技术等进行土地复垦[4-5]；美国等矿区选择不同树种组合种植、植物与草组配等方法，进行了植被重建，保障植物、动物等生物多样性[6-8]；通过露天煤矿复垦区案例对比、数学模型等方法开展复垦效益评价，表明露天煤矿的复垦采用密闭管理方式、自然演替方式是效果较好的复垦方式[9-12]。国内学者对德国土地复垦和整理的法律、做法以及景观生态重建等进行了研究，并提出我国矿区土地复垦和生态重建应健全法制、建立健全规划体系、注重生态保护等建议[13-14]。针对我国黄土高原区和草原区露天煤矿排土场复垦情况，一些学者开展了平朔露天煤矿排土场土地破坏与复垦动态变化、土地复垦土方量调配线性优化、废弃地复垦技术、复垦经济效益评价、草本植物组成及空间格局、生态重建技术的实施效果等研究，开展了内蒙古准格尔露天煤矿排土场复垦生态工程技术方法与效果、复垦模式及生态原理、野生植物侵入及对生态系统的影响等研究，分析了马家塔露天煤矿不同土地利用类型及复垦方式对煤矿复垦区土壤的水分运动过程的影响，为黄土高原区及同类型露天煤矿排土场土地复垦提供了理论基础与技术方法[15-24]。部分学者研究了内蒙古霍林河露天煤矿草原地区露天矿排土场植被恢复技术、排土场环境评价及复垦模式，伊敏矿区排土场不同复垦年限土壤质量动态演变规律，为草原生态脆弱矿区露天矿排土场土地复垦与生态恢复提供了理论依据[25-27]。

中国的露天煤矿大多位于干旱、半干旱的生态脆弱区，主要集中在山西、内蒙古境内。平朔矿区地处黄土高原东部晋陕蒙接壤的“黑三角”地带，本区煤炭资源丰富，地质储量127.5×108t，是1987年中美合资开发建成的超大型露天煤矿(1991年美方撤出、现为中方经营)，是我国重要的能源基地之一；平朔矿区属于典型的半干旱气候，生态系统抗逆能力较差，属于典型的黄土高原生态脆弱区露天煤矿[28]。德国是世界上褐煤储量最大的国家之一，褐煤埋藏浅、采用露天开采。维佐夫露天煤矿(Senftenberg)是德国褐煤生产和生态型土地复垦的典型代表之一，矿区位于勃兰登堡州(Brandenburg)东南、劳齐兹地区，靠近波兰边界，属于温带海洋性气候和温带大陆性气候间的过渡性气候，区内湖泊众多、煤炭资源丰富，年采煤量2000×104t，截至2011年复垦土地面积4671 hm2，复垦后的土地主要用于农业、林业、休闲、环境保护。

本文以中国的平朔矿区和德国的维佐夫露天煤矿为例，从露天煤矿排土场复垦的地貌重塑、土壤重构、植被重建等方面开展比较研究，以期为我国矿区土地复垦提供技术参考。

1露天煤矿排土场复垦技术

1.1地貌重塑

地貌重塑是指对被破坏的排土场地形地貌的恢复和重建，地貌重塑是土壤重构和植被重建的基础。

1.1.1中国平朔矿区地貌重塑

平朔矿区采用“单斗-卡车”剥离工艺、“单斗-卡车-破碎站-皮带联合运输”采煤工艺，排土场地貌重塑是矿山企业土地复垦工程的重点，排土场的排弃物料中一般岩石较多、土壤较少，复垦后的排土场一般适用于林业用地，少量复垦为耕地或其他用地。平朔矿区排土场地貌重塑主要包括排土场基底构筑、主体构筑、平台构筑和边坡构筑等。

1)排土场基底构筑。平朔矿区外排土场基底构筑的核心是形成“疏水型”的基底，确保基底地面排水通畅。基底多为40～80m的黄土状粉砂土，不利于基底排水，一般在一些重要区域应适当清除地表松散土层；另外，在外排土场基底压占土地尤其是沟壑部位充填高钙、低钠、难风化的大石块，充分利用原有排水系统，提高基底疏水、导水和排泄能力。内排土场基底不存在松软土层问题，必要时可在基底设置基柱、临时挡墙及抗滑桩等[28]。

2)排土场主体构筑。排土场主体构筑指从排土场基底构筑完毕后至排土场表层覆土前的空间范围。排土场主体构筑时，除按照扇形推进、多点同时排弃外，在满足地表厚层覆土的前提下，多采取岩土混排工艺，在排弃过程中，细颗粒的黄土可部分充填到岩块缝裂中，逐层堆垫、逐层压实，减轻非均匀沉降程度；在废弃的运输路面和皮带运输道等部位排弃岩土时，应选择难风化、粗粒级的岩石；对局部重金属等其他污染相对富集的岩层采取“包埋”，做好排土场周围的排水系统，防止在排土场内部浸入过多水分[28]。

3)排土场平台构筑。排土场平台指排土场中形成的基本水平台地。复垦主要用大型推土机推平，以田埂将复垦土地分成不同的地块，同时修建排水沟、道路。平台复垦一般采用堆状地面密排法，平台宽度一般在60～80m，坡度向内倾斜且不大于3°；内外排土场平台高度分别为30m、20～30m；复垦物料必须选择原表土层厚度为0～2.0m的不含石灰结核的黄绵土，保证复垦种植层厚度在1.0～1.5m，甚至达到2.0m。

4)排土场边坡构筑。按常规设计要求，复垦平台时采用自卸卡车自然倒土形成排土场边坡，边坡高度一般在30m左右，台阶坡面角在36～37°之间，坡长约为40～50m，边坡不再覆土，直接人工种植林草。一般平台边缘修筑挡水沟，阻止平台径流汇入边坡；坡脚堆放大石块，拦截坡面下移的泥沙，保护坡脚排水渠系[28]。内排土场最下平盘坡脚线与采掘场最下平盘坡脚线最小距离应保持在50m以上。

1.1.2德国维佐夫露天煤矿地貌重塑

维佐夫露天煤矿在褐煤开采中采用“分层剥离、交错回填”工艺，被破坏的土层顺序在复垦后基本保持不变，更适宜于作物生长。地貌重塑主要包括平台与边坡构筑、修建排水沟等工程，复垦后土地一般用作林业、农业。

1)平台与边坡构筑。维佐夫露天煤矿采用分层压实方式对平台、边坡进行复垦，一般将地面以下10～20m的土源作为复垦表土，20m以下的土石混合物作为充填物，形成平台面宽度在10～20m、平台高度约20～40m、坡长在20～30m、台阶坡面角在25～30°之间的工作面；根据土地利用规划和用地需求，一般平台宽度20m左右的作为农用地，宽度在10m的仅用作布设电缆、管线等。

2)排水工程。一般在平台内外侧分别修筑排水沟和挡水墙，用来防止田间径流和水土流失。维佐夫露天煤矿以沙土为主，一般修建上、下底宽分别为2.0m、1.0m，边坡1.5m的排水沟；修建上、下底宽分别为1.0m、1.5m，边坡1.0m的挡土墙。对于坡度较大的边坡，顺坡布置小型过水闸，减缓水流速度和过水量，降低水流过快冲刷边坡，防止水土流失。

1.2土壤重构

1.2.1中国平朔矿区土壤重构

平朔矿区排土场土壤重构的关键是合理开采工艺与复垦技术相结合的土壤剖面重构，重点对复垦土壤的母质类型、剖面构造等进行重构改良，构造一个与破坏前的土壤一致或更加合理的土壤剖面，主要包括：排弃过程中将有害物质的压埋、包埋，要求排弃作业终止前应保证地表覆盖0.5～1.0m的黄土，减少地表过度碾压，降低地表容重；采用堆状地面排土、生物措施及各种水保措施，拦蓄天然降水、减少水土流失；复垦后3～5年内采用种植苜蓿、沙棘等植物不断改良土壤，提高地力[29]。

1)“堆状地面”土壤重构工艺。在顶层平台上将每车覆土按计算得到的优化排列方式疏松堆积，不仅可利用松散黄土吸纳大量雨水并将其储存于土体内，最大限度地增加水分入渗，而且借助堆与堆之间形成的众多凹坑容纳雨水来分散暴雨径流。解决集中径流对排土场冲刷侵蚀的具体措施是：在堆状地面或排土场顶层平台边缘以密集堆积的方式设置土埂，用来拦挡可能出现的暴雨径流，也可以利用大方格状密集堆积方式分割区域，减少径流，达到更好的效果。在倒土方式上，应该使堆堆相连，以便凹坑下有一定数量的松散土壤来吸纳雨水，也有利于植被生长恢复[30]。

2)客土改良土壤技术。点状客土主要是用于客土量大、投资高、难度大，并且在植被恢复前容易造成客土流失、有机质淋失的排土场。对于采取坑栽或者石砾坡的林地复垦，一般坑内需放少许客土，覆土厚度一般在10～30cm以上，根据所选树种的立地要求一般树坑约为0.5～1.0m2，坑深在0.3～1.0m之间，坑面反向倾斜，以便蓄水保土[31]。

1.2.2德国维佐夫露天煤矿土壤重构

德国复垦中表土土源较少，一部分来自矿区剥离表土，一部分来自人工造土。复垦后土地，根据表土测试结果，制定不同的土壤改良配方，一般通过施用无机肥、有机肥等改良土壤。

1)无机肥改良。复垦为耕地的，一般每年施用一定量的N、P、K肥；复垦为林地的，一般每3年施用一次N、P、K肥，10年之内约施肥2～3次。

2)有机肥改良。通过施用一定量农家肥、生物碳同时结合植物轮作改良土壤，比如一般在前7年年通过种植不同植被逐年改良土壤，第1年种植豆科类植物固氮，第2年种植黑麦草等，第3～6年种植苜蓿、禾本科牧草，第7年开始种植土豆、小麦、玉米等农作物，同时在前7年间需要施用一定量无机肥。

1.3植被重建

1.3.1中国平朔矿区植被重建

1)植被筛选。平朔矿区植被选择要以先锋物种为主，起到迅速固土、蓄水作用，同时要选择具有较强适应脆弱环境和抗逆境能力的外来物种，达到重建人工生态系统的目标。平朔矿区适宜的植物包括油松、刺槐、榆树、杨树等乔木，云杉、沙柳、沙枣、柠条锦鸡儿、沙棘、紫穗槐、杨柴、驼绒黎等灌木，沙打旺、紫花苜蓿、羊草、红豆草、白花草木樨等草木，谷子、大豆、燕麦、马铃薯等农作物，华黄芪、连翘、甘草、枸杞等药用植物。

2)种植技术。一般采用直播和移栽技术。各种牧草、大部分药用植物与农作物均采用直播繁殖，柠条、杨柴和驼绒黎等部分灌木也采用直接法。移栽的苗木可较快封陇地面，同时把苗圃土壤中的有益菌带到复垦地内，促使植株健壮生长；平朔矿区移栽的苗木一部分来自矿区内部苗圃地，如沙棘、油松、樟子松、杏树、小黑杨、新疆杨、垂柳、沙柳等。

3)植被配置模式。根据复垦土地自然条件和用途，一般分为永久性林牧用地平台植被配置、过渡性林木用地平台植被配置、边坡林木用地植被配置等模式。不同种植模式具有不同的配置方式，如平台种植永久性杨树林，初植密度2m×2m，第5年株行距宜间伐至2m×4m左右，第10年株行距宜间伐至4m×4m左右；边坡种植刺槐×禾本科、豆科牧草，刺槐株行距1m×4m，行距间播1m宽红豆草、紫花苜蓿、披肩草等禾本科与豆科牧草混合带[28]。

1.3.2德国维佐夫露天煤矿植被重建

德国的植被重建工作通常由矿方委托专业复垦公司完成。从植被种植时间上，分为临时性或长期性复垦，对于暂时不确定土地利用方向的复垦地，通过播撒四叶草等使其尽快覆盖地表，减少土地裸露面积和碳释放量。

1)植被筛选。维佐夫露天煤矿平台、边坡复垦后，一般布设以乔木为主的林地，主要树种有刺槐、欧洲黑松、欧洲赤松、栎属乔木、椴树、白桦、桤木、杨树、柳树等。

2)种植技术。对于平台或坡度较缓的边坡林木种植，较多采用人工种植、机械播撒等方式；对于坡度较陡的边坡，一般采用人工挂带、微爆等种植方式。通常在幼苗林周边设置防护栏，防止野兔、小鹿等小动物破坏树木，提高幼苗成活率。

3)种植点配置。排土场平台或边坡复垦后一般采用正方形配置，边坡种植林木时通常林带方向要与边坡方向垂直，减少水土流失。阔叶林采用株行距2m×2m；针叶林株行距1m×1m；针阔叶混交林选择速生乔木(如桤木)与针叶林混交方式，一般依次选择种植3行速生乔木、1行针叶林、3行速生乔木的配置方式，有利于增加遮阴面积，减少水分蒸发，同时可以起到固土、增加有机质、防止水土流失的作用。

4)种植模式。矿区植被模式以乔灌草、农林复合种植为主。结合当地主风向，一般采用灌草地与乔木林相邻配置模式，依次种植灌草地、乔木林，既可减少风害，又能提高乔木林成果率。农林复合种植模式一般农田宽度在30～40m，用来种植小麦和玉米；两侧分别布设3～5排乔木林，如刺槐、杨树和柳树等，乔木林一方面起到防风固沙作用，一方面可作为生物质能源发电。

2中德露天煤矿排土场复垦对比分析

2.1土地复垦规划

中国偏重对单个排土场或矿坑的点状规划，缺少区域性规划，复垦规划中土地利用协调性有待提高，复垦区边界划定以行政界线为主；德国从国家、区域、矿区等层面将规划逐步细化，注重规划的系统性，如矿区复垦后水域相连，增加了水源的连通性和衔接性，复垦区边界划定以自然边界为主，并设置1～2km的缓冲区。

2.2采排工艺

平朔矿区煤矿埋藏较深，前期选用外排土方式，生产期主要以内排土方式为主，采用“单斗-卡车”剥离工艺、“单斗-卡车-破碎站-皮带联合运输”采煤工艺，表土分层剥离，土石混排；维佐夫露天煤矿埋藏深度较浅，主要选用内排土方式，采用“分层剥离、交错回填”的采复一体化工艺，较前者而言，排放工艺节省人工、效率高、易操作。

2.3地貌重塑

平朔矿区采用自卸卡车自然倒土形成内排土场平台和边坡，边坡较长、坡度较陡，平台宽度在60～80m之间，坡长约为40～50m，台阶坡面角在36～37°之间；维佐夫露天煤矿自排土场底部由下至上分层压实，形成螺旋状平台，边坡较短、坡度较缓，平台宽度一般在10～20m之间，坡长约为20～30m，台阶坡面角在25～30°之间，有利于复垦后种植。

2.4土壤重构与改良

平朔矿区内部土源可满足覆土需求量，复垦表土较厚，一般在1.0～2.0m之间；通过施用无机肥、农家肥、绿肥等改良土壤。德国一些矿区土源有限，矿区内部表土无法满足复垦需求，有时需要人工造土，覆土厚度较薄，一般在0.5～1.0m之间；通过施用无机肥、有机肥改良土壤。

2.5生态重建

中国制定了《中国生物多样性保护战略与行动计划》(2011～2030年)，但在露天矿开采复垦中尚未全面开展生物多样性调查，不利于生物多样性保护；德国制定了生物多样性保护手册，要求在采煤和复垦中做好生物多样性调查与保护工作，而且需要提供几种可供选择的方案和方法。平朔矿区气候干旱、降雨量小，植被重建过程需要先种植灌木和乔木，逐步种植禾本科和豆科草本，重建人工生态系统；维佐夫露天煤矿水量充沛，一般先草后树，构建人工生态系统，逐渐通过间伐形成近自然生态系统。

2.6后期管理

中国露天煤矿排土场复垦为耕地的，一般施工完成后或者3～5年后，与农村集体组织签订农用地管护协议，交给农民使用；德国在采矿复垦期间，采取矿区封闭、限制机制，一般复垦后对农用地管护7～10年后交给农民使用，对林地管护20年左右交给农民使用。

3借鉴与启示

德国露天煤矿排土场采用“分层剥离、交错回填”工艺，增加了开采与复垦效率，同时注重复垦前规划的区域协调性、倡导复垦中采用低碳技术、挖潜复垦土地的多功能性、强化复垦土地的后期管护等，保障了土地可持续发展。从资源禀赋状况、生态环境保护、土地可持续利用等方面来看，我国露天煤矿排土场复垦形势较为紧迫，在露天煤矿排土场复垦中应注意以下问题。

3.1注重排土场复垦规划设计空间协调性

露天采煤活动涉及空间区域大、部门行业多，因此排土场复垦规划需要注重与区域规划协调统一。通过跨区域、跨行业制定土地复垦规划，在空间范围和复垦内容上进一步深化，建立区域整体发展与复垦规划相结合的规划体系，减轻露天煤矿开采对自然、社会环境的不良影响，保障区域社会、经济、生态健康发展。

3.2注重生物多样性保护

露天煤矿排土场复垦的目标不仅是将复垦对象恢复到可供利用的状态，还应该在复垦中加强保护生物多样性，充分考虑生物多样性保护的要求，保护当地物种和生态系统，增强煤矿区退化生态系统的生态恢复能力，以保证恢复甚至提高耕地的生产力、达到矿区生态平衡。

3.3提倡低碳型采复方式

在露天煤矿排土场复垦过程中，注重采复工艺的可持续性，如尽量采用土石分排，避免土石堆放长期压占土地，降低土堆碳释放量；在覆土过程中，准确设计回填土方量和运输路径，尽量减少表土搬运过程中产生的碳排放量；土壤重构中，采用生物碳改良土壤，既能提高土壤肥力，又能增加土壤固碳量，促进排土场复垦向低碳可持续方向发展。

3.4挖潜复垦土地的多功能性

德国露天煤矿开采后一些矿坑直接复垦为人工湖泊或河流，通过增设冲浪、滑水等运动设施发挥土地利用的多功能性。我国在满足耕地保护和粮食安全需求的同时，应不断挖潜创新复垦土地的多功能性，如将水资源存储与水上旅游休闲相结合、将能源作物种植与观光农业相结合等，实现土地复垦在经济、社会、生态效益上的统一。

3.5加强复垦的后期管护

国土资源主管部门应当会同农业、林业等有关部门，建立健全露天煤矿排土场复垦土地后期管护相关规定，探索高效、可行的土地复垦动态监测和跟踪评价技术，加强排土场复垦后期管护宣传培训工作，保证排土场复垦农用地质量的稳定性，为耕地保护提供基础保障。

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Study on comparison of land reclamation technology in typical surface mine dump between China and Germany

GUO Yi-qiang，LUO Ming，WANG Jun

(Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation，Land Consoloidation and Rehabilitation Center,Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

Abstract:Based on the case study of Pingshuo mining area of China Coal and Senftenberg mining area of Germany，this study has done the sysmatical reseach work on major technical measures on reconstruction of land-forms，soil and vegetation etc.The study has found out，there is gap between China and Germany on surface mining and land reclamation.In Germany，surface mining and reclamation has been integrated as one.Regional planning，low carbon mining land reclamation，biodiversity survey and protection before and after land reclamaiton，post mining land monitoring and sustainable land use have been considered.The study concluded，China should pay more attentions on regional cosistent of planning in dump site reclamation of surface mine，enforce biodiversity protection and sustainable development on land reclamation，promote post mining monitoring，so as to guarantee the healthy and sustainable development in economic，social and bio-environmental aspects of mining areas.

Key words：China；Germany；surface mine；dump；land reclamation

收稿日期：2015-05-10

基金项目：国家自然科学基金青年项目资助(编号：41401201)

作者简介：郭义强(1980-)，男，河北邢台人，博士，副研究员，主要从事土地利用与土地整治方面的研究。E-mail：guoyiqiang2002@126.com。 通讯作者：罗明(1962-)，女，湖南益阳人，博士，研究员，主要从事土地整治与生态恢复研究。E-mail：helen0107@hotmail.com。

中图分类号：F301.24

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)02-0063-06