抚顺西露天矿西端帮内排土场生态修复技术

肖 平，王雪峰，冯 萍，张千宇，张 博，李海福

（1.抚顺矿业集团有限责任公司 西露天矿，辽宁 抚顺 113000；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.沈阳农业大学 水利学院，辽宁 沈阳 110161）

自工业时代开始，煤炭开采对世界经济发展起到了至关重要的作用[1]。但在露天开采的过程中，煤炭上层的岩土及劣质煤会不断堆积在矿区周边形成不同类型的排土场，随着开采的进行，排土场不仅占据了可观的土地资源，在风蚀和雨蚀的作用下岩石内部的重金属会不断溶出进入土壤环境中，对土壤和地下水造成污染的同时破坏土壤中微生物群落结构使生态环境变的更加脆弱[2-3]。

近年，越来越多的科研工作者开始探究露天矿区的生态修复技术。生态修复以生态原理为指导，以生物修复为基础，结合物理、化学和工程技术措施，通过优化组合，达到最具性价比的综合性环境污染修复方法[4-9]。

抚顺西露天矿位于抚顺煤田西部，开采于1901年，1914 年转为露天开采，历经百余年开采，形成了东西长6.6 km，南北宽2.2 km，垂直深度距地表420 m（海拔-340 m），面积为10.87 km2的矿坑，是国内露天开采史上最长的国有大型露天矿。2019 年6月，西露天矿进入由采转治新的历史阶段。通过对矿区西端帮内排土场土地的理化性质及有机污染物的检测分析，利用内梅罗污染指数法进行生态风险评价，开展了矿区废弃地的生态修复技术研究和工程示范，构建了矿坑山水林田湖草和谐统一的生态修复体系。为西露天矿综合治理与整合利用总体方案的全面实施、实现矿坑生态环境绿色重构和生态效益最大化，发挥了重要技术支撑和示范作用。

1 抚顺西露天矿区自然条件概述

1.1 气象与水文

西露天矿矿区属北中温带大陆性季风气候。年日照时间2 255～2 517 h，四季分明。年平均气温4.8～6.6 ℃，最低气温-40.5 ℃、最高气温40.3 ℃。无霜期132～152 d，结冰期130～140 d。最大冻结深度1.50 m，标准冻土深度1.20 m，每年10 月下旬土壤开始冻结成为冻土层，次年4 月下旬逐渐解冻开化，从冻结到化冻大约需要6 个月时间。

西露天矿区水资源充足，年均降水量750～850 mm，多集中在每年汛期7—9 月。矿坑附近地表水系发育，北有浑河，距离西露天矿坑边界1.2～1.5 km；西有古城子河，距离西露天矿坑边界200～300 m；南有杨柏人工河，距离西露天矿坑边界200～400 m。矿坑涌水的来源主要有地下水补给和地表水补给。地下水补给主要包括第四纪、白垩纪、第三纪绿色泥岩含水层和基岩裂隙水，抚顺西露天矿各含水层相关参数见表1。

表1 抚顺西露天矿各含水层相关参数

地表水补给一部分来自大气降水，另一部分则为浑河、古城子河、杨柏人工河等河流的水沿第四系及大规模边坡岩体内赋存丰富的地下水沿层面、结构面、构造面渗透至坑下补给，矿坑汇水量约为2 500 万m3/a，矿坑不同水平建有截水沟和泵站，满足日常排水和汛期需要。

1.2 地层岩性特征

抚顺西露天矿地层岩性由新生界古近系（老第三系）抚顺群的老虎台组（E1l）、栗子沟组（E1lz）、古城子组（E2g）、计军屯组（E2j）、西露天组（E2x）、耿家街组（E3g）组成；煤田基底为太古代花岗质片麻岩（Ar）及中生界白垩系大峪组（K2d）地层；上覆第四系（Qh）砂砾石层。建矿以来，西露天矿先后经历了5次技术改造，形成了“分区开采，联合运输，内部排土”的总体设计，西露天矿按照总体设计方案，于1992 年开始从矿坑西端帮实施内部排土，从西到东从上到下依次布设28-7、28-6、28-5、28-3、28-2、28-1、负6-1、负6-2、负38-5、负38-3、负38-2 和负38-1 共12 条排土线。推进强度80～100 m/a，平均高程为+70 m 水平。内排土场的排弃物料以绿色泥岩为主，另有油页岩贫矿、凝灰岩、油页岩废渣和少量的煤矸石等。矿坑西端帮28-7、28-6 排土线已于2019 年到界，目前，经过近2 年多的生态修复实践，效果显著。

2 矿区废弃地污染现状研究方法与评价

2.1 样品采集

1）采样点的选择。在矿区西帮端内排土场及周边土地确定4 个典型区域采样点，分别为WP-1～WP-4，采样点基本情况描述见表2。

表2 采样点基本情况描述

2）样品采集方法。2018 年10 月进行采样，按照均匀布点法布设定位调查样点，并通过实际勘测调查加以修正。在每个调查样点分别采集地表向下0～10 cm、10～20、20～30 cm 共3 个层次的土壤，每个采样点按“S”形线路重复取样3 次，并将多个样品混合成1 个土样。共采集土壤样品4 个，用无菌袋包装好后运回实验室。样品经自然风干后，剔除石烁、杂草、在植物根系等杂物用玛瑙研钵将土壤研碎，过250 μm 尼龙筛，并用四分法缩分到约1.0 kg，然后放置于自封袋以备进一步的物理化学性质分析。

2.2 样品分析

1）土壤养分分析。选取土壤pH、有机质、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾作为评价指标，各指标数据通过室内试验测定获取[10]。

2）多环芳烃污染分析。按照文献[11]、文献[12]的方法检测采土壤中的多环芳烃。

3）重金属含量检测。按照文献[3]的方法检测材料中各种重金属含量。

2.3 生态风险评价方法

根据GB 15601—2018 土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准（试行）中的农用地土壤污染风险筛选值作为评价标准值，采用内梅罗污染指数法对土壤环境质量进行风险评价[13]。

按照内梅罗污染指数的大小将土壤污染水平分为5 组：①内梅罗指数≤0.7，土壤清洁；②0.7＜内梅罗指数≤1，土壤为警戒限值；③1＜内梅罗指数≤2，土壤轻微污染；④2＜内梅罗指数≤3，土壤中度污染；⑤内梅罗指数＞3，土壤重度污染。

3 研究结果与讨论

3.1 土壤养分分析结果

依据土壤综合养分分级标准（表3）和采样点土壤综合养分系数（表4）可知：0～10 cm 层次上，综合养分系数范围2.103～3.212，介于Ⅲ级和Ⅳ级之间；10～20 cm 层次上，综合养分系数范围1.987～2.586，属Ⅲ级中等，20～30 cm 层次上，综合养分系数范围1.906～2.249，属Ⅲ级中等；0～30 cm 层次上，综合养分系数范围2.170～2.775，介于Ⅲ级和Ⅳ级之间。土壤养分质量处于中等水平，养分不够充足，需重点改善土壤养分中的限制性因子，优化生态修复措施，全面提升土壤养分质量，促进生态修复。

表3 土壤综合养分分级标准

表4 采样点土壤综合养分系数

3.2 土壤PAHs 的评价结果

西端帮内排土场土壤PAHs 的含量对比见表5。

表5 西端帮内排土场土壤PAHs 的含量对比mg/kg

由表5 可知，与GB 15601—2018 土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准（试行）中农用地土壤污染风险筛选值进行对比发现：在抚顺西露天矿西端帮排土场中的4 个点位中，PAHs 超标最严重的是茚苯（1,2,3-c,d）芘；此外WP-3 和WP-4 点位的苯并（a）芘含量分别为1.75 和4.3 mg/kg，远远大于农用地土壤污染风险筛选值（0.55 mg/kg），这2 个位点的PAHs 总量也达到了35 mg/kg 以上。而前2个点仅在13 mg/kg 左右。

3.3 PAHs 污染评价结果

采用内梅罗污染指数法对抚顺西露天矿西端帮排土场围岩风化土进行评价（未对无风险管控值的指标进行评价），土壤多环芳烃的评价结果见表6。

由表6 可知，西端帮排土场围岩风化土的内梅罗污染指数平均为2.09，故矿区风化土壤中PAHs多为中污染（2＜内梅罗指数＜3）。就单项指标来看，苯并（a）芘对矿区污染的贡献最大，其单因子污染指数均值为2.86，为中度污染（2＜单因子污染指数≤3）；其次为茚苯（1,2,3-c,d）芘，其单因子污染指数均值为1.80，属于轻微污染级别（1＜单因子污染指数≤2）。由此可见，西端帮排土场PAHs 特征污染物为苯并（a）芘和茚苯（1,2,3-c,d）芘，PAHs 总体水平属于中度污染，需通过治理措施减少土地中PAHs的质量分数，提高土地利用率，扩大土地适用范围。

表6 多环芳烃的生态风险评价

3.4 土壤改良新材料（OSM）研制

为解决西端帮排土线基底多环芳烃轻微污染，减少土地中多环芳烃的质量分数，和土壤养分不够充足，改善土壤养分中的限制性因子，全面提升土壤环境质量，促进生态修复。抚矿集团研发中心以油页岩工业副产品（油页岩半焦，OS）为主要原料，通过添加一定量的辅料，经煅烧、水淬、堆沤、调酸碱、烘干、破碎、筛分、混合搅拌等特殊工艺加工配制成改良土壤新材料OSM，具有供肥、保肥、保水、改土等功效，可用于防风蚀固沙、土壤改良、土地复垦、中低产田改造等，广泛用于西露天矿生态修复工程中。

1）OSM 的理化特性与肥力指标分析。OSM 利用了OS 中含有的丰富有机质（15%～ 30%）和植物生长发育所必需的营养元素，如：氮、磷、钾、铁、锌、钙、镁等，具有一定的黏结性、黏着性、可塑性和吸附性等，OSM 的理化特性及肥力指标检测结果见表7。

表7 理化特性及肥力指标检测值

2）OSM 保水保肥特性分析。该新材料具有多孔结构，拥有吸附性、保水性、保肥性，其中有机质含量为253.12 g/kg，阳离子代换量（CEC）15.23 cmol/kg。

3）OSM 重金属含量检测。新材料OSM 中重金属镉、汞、铅、铬、砷的含量均未超过国家及相关行业标准规定的标准值，新材料重金属含量与国家相关标准对照见表8。

表8 新材料重金属含量与国家相关标准对照mg/kg

将OSM 应用于抚顺西露天矿生态修复工程中，取得了显著的改善植物生长的土壤环境条件和提高植物长势的效果。

4 矿坑生态修复工程示范

4.1 生态修复原则

充分考虑地理气候等自然条件、资源禀赋和生态区位等特点，坚持“宜造则造、宜保则保、宜用则用，宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草、宜田则田”原则，增强生态治理的科学性、系统性和长效性。以多样化本土树种、草种为主，科学造林种草，合理配置林草植被，着力提高生态系统修复能力，增强生态系统稳定性，促进抚顺西露天矿排土场生态系统质量的整体改善与全面提升。采取人工干预与排土场自然修复相结合方式进行地貌改造，修复多元生态环境，提高生物多样性。

4.2 生态修复方案设计与工程示范

针对28-7、28-6 区域现状，依据土壤环境分析结果，综合矿坑生态安全、地质环境、土地性质、土壤性质、树种选择、景观营造、旅游发展、产业规划等因素，运用土壤调理修复技术和生态边坡修复技术，由外而内、由上而下逐步推进，进而形成“修复+景观+生态+产业”四位一体的排土场综合治理与整合利用体系。

1）西端帮28-7 区域生态修复设计与工程示范。28-7 区域土地以生态边坡修复技术，推动矿区特色景观建设，在满足游览功能的基础上，建设健步休闲廊道和观光矿坑休憩景观点。西端帮28-7 排土线到界区域全长1 900 m，为一坡到底单台阶。高差32 m、边坡角37°，坡度较陡，无法直接栽植植物。本次生态修复设计单台阶坡度为18°、高差8 m、平台宽度8～ 9 m，平台由外至内设置3°～ 5°的反向坡度，平台内侧设置截水沟，利于汛期排水。采用挖沟机、推土机联合作业将原有单一台阶改为退台坡地，坡面修整后，覆800 mm 客土，并进行压实，栽植本土水蜡、丹东桧、金叶榆、冷杉、云杉、刺槐苗、冷杉、紫叶稠李、红叶海棠等特色灌木、乔木和三叶草植被，形成台地花园，满足矿区土地生态修复及营造良好的景观效果。

2）西端帮28-6 区域生态修复设计与工程示范。28-6 区域土地采用土壤调理材料（OSM）强化植物生态修复技术。利用煤矸石铺设道路，设计环状通道，以竹柳、沙棘、钙果、野花组合、多季玫瑰、枸杞、向日葵、大豆、花生等为主进行特色种植，满足区域土地植被生态修复，采用OSM 材料改良土壤状态，充分利用其上述植物的固土、净化、绿化、药用价值，全面打造集生态观光、养生休闲等为一体的矿区土地生态修复技术实验示范区。

3）生态修复发展规划。①近期（2021—2023 年）。引入全新生态技术修复，完成到界区及回填储备区的生态修复工程建设；②中期（2024—2026 年）。形成较为完善的生态修复安全格局体系，生态修复产业体系得到合理统筹，完成除矿坑核心区外的生态修复工作；③远期（2027—2030 年）。形成完善的生态修复安全格局体系，引入光伏、水电新能源产业、文旅产业，实现产业体系和生态修复布局，完成全部生态修复工作。

5 结语

通过生态修复技术探索和实践，对西露天矿坑实施分层次分阶段生态修复，使西露天矿区域整体生态环境得到极大提升，生态文化意识得到全面提高，将促进矿坑空间资源合理利用，实现生态修复和可持续发展和谐统一，为西露天矿整合利用奠定坚实基础。通过生态修复全面实施，将促进百年矿山历史文化的保护和开发，通过新型产业和文旅、农林产业接续，使矿山企业文化、工业文化、历史文化和生态文化等特色文化得到发扬，非物质文化得到传承，有利于地区文化繁荣建设。