露天煤矿剥离物制备表土替代材料的影响因素

2020-02-28盛世博辛建宝

露天采矿技术 2020年5期

杨卓，盛世博，刘娜，辛建宝

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

表土替代材料作为新土源，对露天煤矿复垦具有重大意义[1]，露天煤矿表土替代材料是由于土地复垦的需要，通过对不同剥离物和废弃物的理化性质重新搭配，营造出的适宜植物生长的新环境[2]。现阶段由于露天煤矿以外排土场居多，地形重塑导致边坡增加，复垦需土量陡然增加，导致表土匮乏。目前国内解决露天矿土地复垦主要依靠客土技术，通过对客土比例的改变控制复垦效果[3-5]。对于表土丰富区域，客土一般选用露天矿剥离表土或当地表土，对于表土稀薄地区只能选用原有剥离表土，表土资源作为不可再生资源。通过对剥离表土的堆存，不可避免地会使表土肥力流失，导致复垦效果打折扣，因此客土技术并不一定是露天矿复垦的最优选择。我国从2000 年开始研究表土替代材料领域，取得了一定的研究成果[6-7]，但表土替代材料少有广泛应用，在研发、生产、使用过程中仍然存在诸多问题，为此，通过梳理其中关键问题，凝练制备表土替代材料的思路，为后续研究提供理论参考。

1 表土替代材料用料选取及制备过程

1.1 基质选取

1）基质从广义来讲是生命的载体，是维系生命的必要条件，就表土替代材料而言，基质是植物的扎根环境。对于植物生长只要孔隙度可以满足植物萌发的物质都可以作为基质，辅以营养液植物都可以生长，露天煤矿剥离物作为基质的条件应考虑：①剥离物的初始性状；②有一定营养价值；③无毒性。

2）大多露天煤矿的剥离物主要矿质组成为长石和石英，制备剥离物应充分了解各层剥离物性状和组分含量，在筛选剥离物时，一般不能选取较大粒径固体物质作为基质。尽管植物萌发阶段对养分和环境要求较低，但基质需为植物全生命周期提供生长环境，其保肥保墒能力同样是重要考核指标，选取时可以筛选初始团聚体含量较高或利于团聚的物质作为基质材料。

3）剥离物是否具有营养价值同样是选取的重要因素，优先选取有营养价值的剥离物作为基质可以促进植物生长，减少养分补充量。剥离物中很多成分是经过成百上千年才形成的，只有充分利用剥离物中的营养物质才能筛选出适宜的表土替代材料，一般评定剥离物养分的参数主要包括有机质、氮磷钾及其他微量元素等指标。

4）基质材料作为表土替代材料中含量最大、对表土替代材料性质改变最大的组成部分，毒性影响不容忽视。一般煤矿剥离物毒性检测主要为重金属（汞、镉、铬、铅、砷、铜、锌等）、多环芳烃和农药残留（六六六、滴滴涕等）。如果矿产资源开发前土地利用类型为非农用地，农药残留可以考虑不进行检测。对于露天煤矿基质选取应该根据露天矿实际情况，针对采坑各平盘从上至下逐次挑选。现阶段常用的剥离物一般包括表土、黄土、亚黏土、煤矸石等[8]，在煤矿附近有火电厂的情况下可选用粉煤灰[9]。

1.2 改良剂选取

1）改良剂的种类繁多，种类主要划分为天然改良剂，有机物、人工合成改良剂和生物改良剂。天然改良剂主要包括石膏、石灰、沸石、蛭石和膨润土等，主要用于改良土壤酸碱性和阴阳离子交换量。同时膨润土性状改良剂还可以作为性状改良剂使用[10]。有机物主要包括污泥、秸秆、绿肥和动物粪便等，主要用于提升肥力，改善土壤结构。人工合成改良剂主要包括聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和尿醛树脂等，它们在改善性状的同时增加表土替代材料吸附性，提升保肥和保墒能力。生物改良剂主要包括各种菌及菌根和蚯蚓等，主要提升表土替代材料微生物活性，提升表土替代材料生物含量。

2）改良剂的选取应本着与基质材料相辅相成的特点，改良剂的性质尽量不要与基质和其他改良剂相冲。同时所选取的废弃物改良剂应尽量选取成分可控的废弃物（秸秆、酒糟），不要选取磷石膏、污水处理厂的污泥等物质，以磷石膏为例，主要成分为二水硫酸钙（含量70%以上），但其他成分要根据磷矿石中杂质的成分确定，矿石品位不同，重金属含量不同，所以磷石膏的成分也无法确定。针对某矿山选用废弃物作为改良剂时，应先对其检测，确保不产生二次污染后再选用和施加改良剂。

1.3 表土替代材料制备方法限制因素

1）现阶段很多矿山存在缺乏表土的问题，但表土替代材料制备成本较高，现阶段制备过程中首先过2 mm 筛，取筛下物进行配置，颗粒物较大将涉及破碎问题。如果构建表土替代材料制造设备，将提高表土替代材料生产成本，同时制备工艺较复杂，形成集成设备成本更高。建立表土替代材料生产线，占用大量空间，提升人工成本和倒运成本。同时考虑制造设备的生产能力，如果生产能力过大将产生堆存问题，如果生产能力过小用途有限。

2）通过调整矿山生产流程，利用现有设备（或引进简易设备）可以实现在复垦区域制备表土替代材料要求，但难度较大的是表土替代材料必须随产随用，否则在矿山内难以长久堆存，仍然要产生二次倒运的费用，从而失去了在复垦区域内制备的价值。如果替代材料基质为深层剥离物，对于露天开采来讲，需要较为成熟的采排复一体化技术才可以实现表土替代材料的制备，这对于露天煤矿物流、剥采排顺序、表土替代材料制备方法等都是一种挑战。

2 表土替代材料性状控制

2.1 表土替代材料物理性质

表土替代材料物理性质主要决定2 方面性能：①是替代材料对植物生长的影响，例如土壤保肥、保墒能力、出苗率及植物长势等；②是替代材料自身性质，自身性质主要包括其侵蚀强度、抗剪强度等。制备表土替代材料应充分考虑表土替代材料的物理性质，土壤的物理性质大多取决于基质的物理性质，但某些物理性质也可以通过两种物质混合进行改良。表土替代材料物理性质主要包括土壤团聚体、孔隙度、土壤保水性、土壤空气、土壤内摩擦角（内摩擦力）、土壤团聚体等特性。

2.1.1 表土替代材料粒径选取及团聚体

粒径选取是表土替代材料物理性质的一个重要过程，配置表土替代材料时选择合适的粒径可以使表土替代材料级配组成和团聚体达到合理的水平。表土替代材料初始粒径应根据不同的基质选取合适的粒径范围，砂石粒径选取一般不能选取4 mm 以上的粒径，配置替代材料粒径范围应充分考虑壤土粒径的分布特征或目标地区表土的粒径分布特征。对于不易黏结团聚的基质材料，可考虑添加膨润土或类似性质的改良剂。露天煤矿剥离物的种类繁多，应挑选黏粒含量较小的剥离物作为主要基质，这样可以减小土壤板结，增加土壤松散程度，为形成团聚体打好基础。

土壤团聚体是侧面反映土壤肥沃程度的参数，是土壤经历长期的微生物作用、干湿交替以及冻融作用所形成的团粒，这也是表土替代材料所缺乏的。表土替代材料团聚体含量与土壤孔隙度、土壤保水性和土壤空气都呈正相关。矿山剥离物普遍存在孔隙度较小，团聚体较少的情况，土壤质地不够松散，保水保肥能力弱。对雨水截留能力过强，导致出现水蚀现象。只有合理搭配土壤粒径，通过植物和微生物共同作用，促成土壤团聚体形成，才能使表土替代材料趋于表土性状。

2.1.2 表土替代材料稳定性及持水性

表土替代材料抗蚀性和稳定性是表土替代材料推广应用的另一制约因素，主要反馈指标为土壤抗冲性、土壤抗剪强度和土壤黏着性等。露天煤矿主要以岩石居多，如果仅靠机械破碎所形成的固体物质性质类似于砂石，其抗冲、抗剪能力较弱，在外力作用下易产生强烈的水土流失，甚至滑坡产生危害。提升土壤抗蚀性及稳定性的方法目前主要通过施加土壤稳定剂及土壤固化剂的方式，土壤稳定剂的种类繁多，包括生物稳定剂，高分子稳定剂等等，主要就是通过提升土壤胶体的含量和质量、提高电解质浓度、使凝聚能力增强。

表土替代材料持水性是衡量干旱缺水地区表土替代材料适用性的重要指标，露天煤矿多分布于内蒙、新疆等干旱半干旱地区，降雨量较小。由于排土场面积过大，尽管实施轮灌但仍然要10～15 d 可以对每个地块进行灌溉，持水能力过差会导致复垦效果降低。一般反应表土替代材料持水性的指标包括最大田间持水量和凋萎系数这2 个指标，因此无论是实验阶段还是表土替代材料使用阶段都应有明确的最大田间持水量和凋萎系数，确保灌溉制度建立的准确性。

2.2 表土替代材料化学性质

2.2.1 表土替代材料pH 及养分

决定植物生长的重要因素就是化学性质，其中pH 值是表土替代材料所营造的基础环境。表土替代材料的初始pH 值是复垦植物选取的标准，通过对基质的选取和配置，营造适宜植物生长的pH 环境是表土替代材料配置的重要环节。可以通过施加缓冲溶液或者调整配比使pH 控制在一定的范围内。

表土替代材料的养分指标也是重要的化学性质，主要包括氮（全氮和有效氮）、磷（全磷和有效磷）、钾（全钾和有效钾）和有机质，根据目标植物的不同需要考虑钙、镁、硫及其他微量元素等。提升替代材料氮磷钾等元素的含量，现阶段肥料种类较多，易于提升改善。但表土替代材料与土壤最大的区别在于替代材料作为人工配置的物质，缺少微生物活动，生物量严重不足，有机质含量较低。在配置阶段优先考虑如何提升有机质含量，如何提升微生物量是决定表土替代材料能否使用的决定性因素。

2.2.2 表土替代材料化学性质改良方式

化学性质改良与物理性质相辅相成，提升化学性质方法可概括为“增”、“转”和“保”3 个过程，在合理的范围内增加某些元素含量，将这些元素尽可能转化为可以被植物吸收利用的速效态，要注重对土壤肥力的保存。“增”、“转”一般通过施加养料（改良剂）和微生物作用共同完成，“增”目前比较常用的方法为施加化肥，施加有机肥，添加生物改良剂等方法；“转”主要通过微生物硝化、固化、吸附和矿化等等过程实现；而“保”即要考虑土壤的团聚体性质，通过物理吸附和化学吸收两种形式保持土壤肥力。

2.3 植物对表土替代材料的响应

1）露天煤矿表土替代材料作为人工合成的物质，主要用途便是矿山的复垦，那么植物对于表土替代材料的反馈较为重要。一般表土替代材料微生物活动较弱。种植植物后，逐渐形成微生物物群落，在植物生长过程中，根际土壤和非根际土壤的微生物和养分变化是对表土替代材料优良的重要反馈。同时植物根系可以较好的改善渗透率、团聚体、抗剪强度等土壤物理性质[11]。

2）由于表土替代材料微生物活动较少，后期栽植植物对其微生物重构贡献较大，且不同的植物根系对土壤微生物的特异性影响较大[12]，不同植物对土壤养分含量、微生物含量和呼吸作用所造成的影响均存在显著差异。因此，表土替代材料可以适用于定向培养某种或某类适宜其土壤环境的植物。通过此类方法，可以对不同的区域、不同的矿山、不同的目标植物研制适宜的表土替代材料。

3）植物的地上部分对表土替代材料的影响同样不同，一般表土替代材料不宜直接复垦为等级较高的乔木，应选用先锋草树种提升土壤内微生物含量和养分转化能力后方可栽植乔木。对于冠幅较小的草树种，其对地表土壤的保护能力较强，可以减小降雨动能，减轻溅蚀和面蚀对土壤造成的危害。植物的枯落物可以有效的截蓄水源，减缓渗透效率，提升替代材料对水分的涵养能力。同时枯落物可以为替代材料提供无机物和有机物，以此增加提升替代材料肥力。