木里矿区生态环境受损特征及治理方法研究

2021-10-26李凤明白国良韩科明

煤炭工程 2021年10期

李凤明，白国良，韩科明

(1.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；2.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013)

木里矿区位于青海海西蒙古族藏族自治州天峻县和海北藏族自治州刚察县境内，是青海省最大的煤矿区，也是西北地区重要的炼焦煤资源产地，由聚乎更区、江仓区、弧山区和哆嗦公马区四部分构成，其中聚乎更区和江仓区开发强度相对较大，对生态环境扰动和破坏明显。

木里矿区煤炭资源丰富，现已查明煤资源的矿区12处，查明储量33.39×108t。20世纪70年代在聚乎更区和江仓区开始小规模开采，20世纪80年代之后先后在江仓区和聚乎更区进行煤矿开采活动。2002—2012年，先后有8家相关企业单位进入木里矿区，在各个规划矿区进行了不同规模开采活动。目前，木里矿区共有12座矿井进行了露天开采，共形成11个露天矿坑、19座渣山，采坑总面积1433.04m2，采坑容积68242.94万m3(不含采坑积水)，渣山总面积1856.79万m2，渣山总体积48946.62万m3，采坑渣山总占地面积达3289.83万m2。煤炭资源开采带来了严重的矿山生态环境问题，致使地貌景观、植被资源、土地资源、水资源遭到破坏，水域涵养功能下降，加重沼泽草甸退化和水土流失。

1 木里矿区的生态特点

木里矿区地处黄河重要支流大通河的发源地，是祁连山区域水源涵养地和生态安全屏障的重要组成部分，生态地位极为重要。同时矿区地处高原高寒草原沼泽湿地地区，属于青藏高原典型的生态脆弱区，区内多分布大片冻土和高寒草甸等湿地植被，区域生态敏感脆弱，一旦遭破坏，就难以恢复。矿区为典型的高原、高寒，低氧、低气压地区。

1.1 气候特征

木里矿区具有典型的高原高寒气候特征。该矿区地处高寒地带，平均海拔高度4000m，主要以高原冰缘地貌类型为主，包括冰缘湖沼平原、冰缘剥蚀平原、冰缘低台地、冰缘平缓低丘陵、冰缘平缓高山等地貌类型。该区域高原大陆性气候特征明显，干燥寒冷，年平均气温-5.3℃，最冷月(1月)平均温度为-17.2℃，最热月(7月)平均温度为15.6℃，四季不明显，气候寒冷，昼夜温差大，西南部笔架山一带雪线4500m以上常年积雪，属典型的高原大陆性气候。年降雨量平均400～500mm，蒸发量最大1762.4mm，最小794.2mm，年平均1544.84mm。每年6月至8月为雨季，11月至来年5月以降雪为主。一年四季多风，12月至翌年4月风力最大，风速可达 21m/s和12级狂风。其含氧量为海平面含氧量的69%、大气压为海平面正常气压的60%。

1.2 植被条件

受山地气候垂直地带性的影响，区域植被呈现垂直地带性分布主要植被类型，常与高寒草甸类植被镶嵌交错，植被低矮、结构简单，草群密集生长，植物以矮生垫状，莲座状形态出现，生草层密实。

矿区植被由耐寒旱的多年生丛生禾草和根茎苔草为优势种所形成的植物群落为青藏高原典型的高寒植被类型，具有很强的耐寒、耐旱特性。但群落种类组成贫乏，群落结构简单，植被稀疏，对人类活动的抗干扰力较弱。木里矿区植被类型分为高寒沼泽类和高寒草甸类。其中高寒沼泽类为矿区主要植被类型，常与高寒草甸类植被镶嵌交错，植被低矮、结构简单，草群密集生长，覆盖度70%～90%。高寒沼泽类植被属隐域性植被，是由冷湿中生多年生草本植物为主要成分构成的植物群落。主要优势种为藏嵩草和圆囊苔草，伴生植物种有紫羊茅、羊茅、沙生蒿、垂穗鹅冠草、异叶青兰、黑穗苔草、粗喙苔草、海韭菜、水麦冬、三尖水葫芦等。高寒草甸类植被构成以寒中生、短根茎的蒿草属植物为主，具有植株低矮密丛、贴地面生长等耐害特征，层次分化不明显。主要优势种有小蒿草、线叶蒿草、矮蒿草等、垂穗披碱草等。

1.3 矿区土壤

矿区土壤类型主要以高山草甸土、沼泽草甸土为主；其母质为湖积、洪积物，土层厚度大于50cm，pH值7.5，有机质含量21.99%，碳酸钙含量4.5%，全氮1.126%，全磷0.114%，全钾2.16%，碳氮比12.4 此外，木里矿区位于高山严寒地带，区域内广泛发育冻土，下部土壤为常年不透水冻土层，冻土厚度为50～90m左右，最大融化深度小于3m。上部土壤因降水或冰川融雪补给致长期过湿而发育成沼泽，在高山带的中部地区主要分布有高山草甸土。介于沼泽土与高山草甸土之间分布有草甸沼泽土，因地表不积水或仅临时性积水，无明显的泥炭积聚。

沼泽草甸土零星分布3800m以上山区的沟脑部位，地势低洼、潮湿，喜水植物茂密，覆盖程度较好，多呈灰黑色，富含腐殖质，具臭味。

1.4 区内冻土发育

青藏高原多年冻土是我国冻土分布面积最广的冻土区。木里矿区地处青藏高原东北部，属于祁连山高寒山地多年冻土区是典型的高海拔多年冻土，区内冻土极为发育。

受地形地貌、大气对流、地质构造、地表水系、坡向等因素影响，木里煤田各矿区冻土分布厚度具有一定差异性，多年冻土整体为连续分布，局部为岛状分布。木里矿区冻土厚度为：聚乎更矿区多年冻土厚度40～160m，平均120m；江仓矿区多年冻土厚度30～86.7m；哆嗦公马多年冻土厚度35～84.1m。

在整个矿区域中，年均地温低于-3.0℃的稳定型多年冻土面积只占 22.38%，高于-3.0℃的其余类型的多年冻土所占面积为 77.62%。由此，木里矿区周边多年冻土具有高温的特征，对外界环境的变化也非常敏感。

2 木里矿区的生态环境受损特征

木里矿区共有12个矿井开采，一个井工矿开采。形成11个露天采坑，其中一个采坑由露、井联采形成，即江仓一号井。露天开采对地面的影响显而易见，但对生态的影响更加深远有些甚至是不可逆。

木里矿区地处高海拔地区，主要以高山高原冰缘地貌为主，包括冰缘湖沼平原、冰缘剥蚀平原、冰缘作用的低台地、冰缘作用的平缓低丘陵、冰缘作用的平缓高山。地表大部分被草甸湿地覆盖，植被较为发育。采矿活动主要发生在除高山和丘陵之外的平原和台地区。生态系统中高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒灌丛和河流生态系统是该区生态体系中具有维持和调控作用的成分，其面积比重最大，其生态环境状况直接影响到项目区生态系统的稳定性和环境质量的优劣。矿区生态环境受损特征表现为以下几个方面。

2.1 地表、地貌破坏

煤炭资源露天开采，共形成11个规模不等的采坑和19座渣山，另外，工业场地建设，地面上有大量的构(建)筑物和矿区道路，严重破坏了自然地貌景观、高寒沼泽草甸及原河流生态系统，采坑-渣山-工业场地等工程景观与周边自然景观显得极不协调。

露天开采产生大量的废石、废渣、冻土和矸石等，通常沿采坑周围分层堆放，矿区存在大量渣石山，占地面积巨大，高度从数米到数十米，最高可达四五十米，压占了大片草原，对地貌景观和植被破坏严重。

由于地处高原草甸，地表多为沼泽，给建设工程中的办公区、生活区、矿区道路等工程施工带来了极大的困难。因此，矿区的办公区和生活区大多是在渣堆上搭建的临时彩钢房，道路也多为渣石铺筑的简易公路，但地面建设工程破坏了地表植被，对地貌景观影响严重如图1、图2所示。

2.2 矿区植被破坏

高原高寒矿区露天开采直接对地表植被进行挖损破坏，渣山在排弃过程中的渣体对原有草原植被直接占压破坏，同时露天采场、渣山、工业场地、运输道路和生活服务附属设施等区域改变了周边毗邻区域内水文地质条件，导致草甸湿地破坏。

通过对木里矿区不同时间遥感影像的解译及对比分析可知，近年来因开采直接导致木里矿区约37km2草原植被消失殆尽，间接导致周边5km范围的草原出现不同程度的退化。

2.3 土地的损、毁、占

2020年7月25日北京二号高分遥感解译结果显示，聚乎更矿区主要土地类型为天然牧草地。矿山开发占损土地共计3798.29hm2，损毁土地类型为沼泽草地。其中采场1206.43hm2，有6个采坑，位于矿区的中部，沿北西方向展布；渣堆占地面积2105.96hm2，沿采坑两侧分层堆放；工业广场包括办公区、生活区、矿区道路等，面积485.90hm2。

2.4 冻土破坏

由于煤炭资源露天开挖，形成规模不等、深度不一的采坑，揭露并破坏了原有的冻融层和多年冻土层，导致多年冻土层上限下移和侧移；采坑内有大量积水时，会在坑底形成融区，从而阻碍冻土层的形成，造成冻结层下水失去隔水层，形成地下水“天窗”，地下水长期补给采坑，又维持了融区，使得坑底难以形成多年冻土(岩)层。渣石堆放形成渣山，改变了冻融层下限，破坏了原有的冻-融平衡。矿井工业场地建设和工程扰动，造成冻融层下限下移，打破了原有的冻-融平衡。

区内多年冻土层是冻结层上水和冻结层下水的重要隔水层，采坑(积水)-渣山改变了原有的多年冻土层埋藏深度、厚度、破坏原有的冻-融平衡关系。多年冻土退化主要表现为冻土季节性融化层增厚(多年冻土上限下移)、厚度减薄(下限上移)、面积萎缩、局部零星冻土岛消失等多年冻土的萎缩现象。冻土层的工程扰动改变原有的水生态系统，影响甚至破坏地表水水文和地下水文地质条件，打破了地下水原有的补径排条件和动态平衡，使得地表水、地下潜水和地下裂隙承压水发生直接水力联系，从而降低水源涵养功能和地表水源输送。

2.5 开采扰动造成边坡失稳

不稳定边坡主要位于采挖形成的高陡边坡和渣堆四周，边坡失稳直接导致地表植被破坏。坡度陡峻，基岩出露，加之物理风化作用和雨水冲刷产生裂隙，地表水下渗，易沿坡体形成危岩危坡，局部稳定性较差。开挖产生大量的废石、冻土和渣石等，在采坑附近层叠堆放，形成高达四五十米的渣堆，由于压实处理不到位、排水不及时，加之区内特有的冻胀融沉作用等原因，在重力作用下坡体产生拉张裂缝，形成边坡失稳采坑内边坡台阶顶部多处存在1m左右“伞岩”，随时可能崩落，采坑边坡顶部台阶还有冻土融冻层，夏季有台阶坍塌的现象发生。

3 木里矿区生态综合治理

3.1 治理理念与思路

青海木里矿区自然条件极为严酷，植被自然恢复缓慢，种草复绿土壤基底等立地条件差，客土十分困难，面临的技术难题多。木里矿区种草复绿的难点是地貌重塑、水土保持和表层土壤重构，一层30cm的土壤，自然形成需要3000～8000a，高山草甸形成需要千万年。矿区表层土壤已遭到破坏，要用科学手段模仿自然，对矿区土壤进行恢复。因此，整个矿区的治理原则是遵循“山水林田湖草”生命共同体理念，以“技术可靠、经济合理、边坡稳定、景观融合、贴近自然”为出发点，根据现场调查成果结合以往勘查资料，按照“一坑一策、水源涵养、冻土保护、生态恢复、资源储备、分区管控、以水代填；依法依规、经济合理、创新支撑、实现生态保护与节约优先，自然恢复与人工修复有机结合”的综合治理思路，因地制宜，分型施策。采用“三工程一保障”综合治理体系实施修复，其中“三工程”指采坑整治、边坡与渣山治理和水系自然疏通或水系修复重塑三类工程措施；“一保障”指矿区生态环境监测信息系统。

“地质+生态”治理思路：该区生态环境的破坏根源是水、土、气、植被等的不协调共生，其根源应以地学科学为基础，抓住生态环境破坏的根本问题，如该区因煤层开采导致的水源破坏问题、草甸破坏以及冻土层破坏问题，采坑千疮百孔仅是表象，因此，方案编制及治理均应坚持“地质+生态”的治理思路。

“自然恢复+工程治理”治理思路：根据调查情况，有的矿区进行了边开采边修复治理的开采修复方式，植被及地貌恢复有一定成效。加之该区本身为生态脆弱区，较大规模的工程措施可能对环境造成更大破坏。因此，治理应遵循“自然恢复+工程治理”的治理思路。借助大自然的自我恢复能力，能自然恢复的就不再投入修复治理工程，尽可能减少投入，节省经费。

3.2 治理案例

木里矿区江仓一号井属于新建矿井，由青海中奥能源发展有限公司于2009年8月开工，开拓方式为明斜井开拓，生产规模90万t/a。目前井下生产系统已经形成，生产设备也全部安装完毕。与木里矿区其他矿井为单一露天开采的方式不同，江仓一号井深部设计的井工开采的方式，露天回采下限为3670m水平，故设计将井工开采的上限确定为3650m水平，3650～3670m之间资源储量留设为露天坑保护煤柱。

2020年8月江仓一号井形成1个露天采坑，坑口长1.8km，宽0.39km，面积总计70.02万m2，采坑容积2727.34万m3，项目区1个渣山，总面积67万m2，总体积1414.18万m3，如图3所示。

图3 江仓一号井采坑、渣山位置图

江仓一号井的治理经多方案比较，构建了“采坑回填缓坡+边坡与渣山整治+土壤重构与植被复绿+湿地与岩壁景观塑造”治理模式。其工程内容为现场调查与工程测绘、渣山清除及采坑回填、采坑上部削坡、岩壁与湿地塑形。其治理区域划分如图4所示。

图4 治理区域划分图

应用三维软件3Dmine对青海省自然资源厅提供的一号井渣山现状图进行三维建模，根据方案设计，通过三维模型对渣山削方量及采坑回填量进行平衡，经过三维模型计算，渣山清除量为1000万m3，采坑削坡量为60万m3，岩壁景观区清方量为40万m3，渣山总量为1100m3填入采坑，采坑回填后标高为+3742m(图5)。为减少回填对井工巷道的影响，采坑下部有井工巷道区域85m×20m范围内回填至+3713标高后以单台阶高度10m，角度25°，平盘宽度13m的回填至+3742m(图6、图7)。此外，综合治理工程内容还有道路整修工程、截排水工程、矿井水与矿坑水处置利用、湿地修复与保护等。

图5 推荐方案断面图(m)

图6 井下巷道与采坑回填体位置关系Ⅰ-Ⅰ剖面图(m)

图7 井下巷道与采坑回填体位置关系Ⅱ-Ⅱ剖面图(m)

由图6、图7可知，采坑回填之后的回填体最低点与原采坑坑底垂直高差为24m。回填后一区段回风石门起坡点上方岩柱高度31.64m，回填体高度34.03m；一区段回风斜巷最小岩柱高度27.07m，回填体高度24.13m；+3650胶带和运输石门上方岩柱高度33.9m～76.7m，回填体高度0～35m。因此对回填体及车辆载荷对现有井巷的影响在考虑积水最不利的情况下按水体、回填体计算产生的最大附加应力影响深度及巷道稳定状态进行了评价，计算出一区段回风斜巷在H点以下都处于不稳定状态。为保证巷道安全，应采取巷道维护措施(图8)。

图8 回风斜巷加强维护段范围(剖面)(m)

针对高原高寒矿区天然表土缺乏、客土成本高、植被生境差等问题，进行立地条件治理分区，提出了基于原位表土、开采剥离表土、人工土的土壤重构方法，构建了“腐熟羊板粪基础增容+商品有机肥优化提升”为核心的快速土壤改良方法，通过对矿区及周边的植物群落调查、地理条件分析和经济效益的综合考虑，选择了同德短芒披碱草(Elymus breviaristatus Keng cv.Tongde)、青海草地早熟禾(Poa pratensis.Qinghai)、青海冷地早熟禾(Poa crymophila Keng cv.Qinghai)、青海中华羊茅(Festuca.sinensis Keng cv.Qinghai)4种高寒地区植物种，按照1∶1∶1∶1的比例进行混播。采取无纺布覆盖、围栏封育、禁牧等管护措施。