矿山周围生态环境修复与治理研究

尚红霞

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000)

煤炭主要用于发电、冶金作业、水泥和其他工业作业。燃煤发电厂的发电量占我国总发电量的70%以上。尽管煤矿开采提供了就业、收入，并对经济发展作出了重大贡献，但它也造成了严重的环境问题。目前，我国等主要的煤炭生产国依赖于浅层煤，93%以上的煤是通过地表开采方法产生的。地表采矿可能会引发一些环境问题，如土地退化、森林砍伐和区域生物多样性的丧失。我国大部分煤炭资源沉积在森林覆盖和河流流域下。土地退化和森林砍伐是不可避免的，煤矿开采还可导致大片贫瘠土地的形成。特定地区的采矿作业昼夜噪声强度高，造成生物多样性丧失，对附近社会造成干扰。同时来自矿区和煤炭储量的高酸性径流可能污染地下水，并可能对人类健康产生负面影响[1]。此外，我国地下煤矿火灾也通过排放有害气体对环境产生了负面影响。采矿活动的累积影响引起了世界各地的关注，有必要对煤矿周边生态环境修复保护与治理进行研究，指引煤矿开采朝向环保方向发展。

1 地表煤矿开采破坏与植被特征

地表开采方法被广泛应用于煤炭开采，其效率很大程度上取决于给定煤层的深度，该方法可以回收地表多达90%的煤。大规模的煤炭地表开采涉及面积巨大，需较多大型设施，如铲车、自卸机、拖曳线和输送机。在地表开采过程中，清除整个植被覆盖物，将土壤和底土分开储存。森林区域的表土、底土、煤层如图1所示。

图1 表层煤炭开采对环境的破坏示意Fig.1 Schematic diagram of environmental damage caused by surface coal mining

植被土壤的去除暴露了断裂的煤层和使用开采机械破坏的地表。在整个煤层被开采出来之前，所有的植被土壤都被倾倒在开采区域之外，通常称为外部倾倒。一旦这些倾倒场不活动，它们就会通过倾斜、弃渣堆的重新分级和表土覆盖来稳定[2]。周围外部垃圾场的设计是技术复垦的另一个重要方面。其中包括定期研究坡度，以测量坡度的角度和稳定性。

2 矿山修复工作程序及准则

2.1 工作程序概述

当地表采矿活动在森林或河谷发生时，生态系统遭到破坏。在恢复过程开始时，应该考虑影响生态系统功能的因素。有几个因素控制着退化生态系统的恢复，一些是自然的，另一些是人为的[3]。在进行某个矿区生态环境工作时，矿区环境保护研究的技术路线如图2所示。

图2 矿区环境保护研究的技术路线Fig.2 Technical route of mining area environmental protection research

(1)自然过程。恢复研究表明，有助于恢复退化生态系统的自然过程应该是首选的，因为它们是可持续的、成本不高，而且可以在更大规模上应用。自然演替过程表明，随着时间的推移，自然可以实现无需援助的恢复，并形成发育充分功能的土壤。在实际项目中，不能完全依靠自然演替来播种理想的物种，消除不理想的物种并管理实践。植物演替的自然过程需要时间。矿区土壤的大部分特征需要经过长期的自然过程才能形成，必须结合土壤管理工具，以加速矿区土壤的恢复[4]。

(2)物理和营养限制。采出的覆岩废弃物含有较大的碎石块和煤矸石，密度较大，含水量较低，阻碍了植物物种的建立。因此，需要采取机械措施来降低土壤压实度，提高矿区土壤的保水能力。矿区土壤没有土壤层，缺乏土壤理化性质和微生物活性，也缺乏结构化的发展。土壤结构是土壤功能和调节环境质量的关键因素，它影响水分入渗、土壤侵蚀、养分循环、根系生长和作物产量。此外，不良的物理化学性质、某些营养物质缺乏和矿渣的毒性，抑制了土壤形成过程和植物生长。盐度、酸度、保水能力差和有机质缺乏阻碍了自然演替的进程。煤矿废弃物的不利特性导致环境污染、营养循环及土地利用模式受扰。退化景观中良好土壤结构的形成可以通过添加有机质来加速。矿区土壤的理化性质是独特的，不同于自然土壤。入渗率(IR)影响矿区土壤的含水量和地表径流量[5]。矿区土壤由于其高容重和低孔隙度，红外线通常较低。

(3)物种多样性。物种组成是决定生态系统恢复轨迹的重要因素。外来物种被用来恢复退化的土地。尽管它们生长迅速，能够迅速适应恶劣的环境条件，但它们可能不像本土物种那样发挥生态系统功能。在开垦阶段，一些本土物种被自然聚集，增加了生物多样性和恢复生态系统的功能。树木可以通过有机物的积累、根际生长和改善土壤生物活性等过程，建立一个可持续的生物网络[6]。植树加速了矿区废弃物的土壤重新开发。土壤微生物群落也对土壤功能有重大影响，对于启动恢复过程(如凋落物分解)至关重要。

2.2 修复成功的准则

相关研究评估了煤矿山恢复成功的关键标准，通常的结论是生态系统结构和土壤功能的发展可以很容易在不同阶段的恢复地点进行监测[7]。

(1)生态系统结构。植物生长、物种组成和多样性是生态系统结构所依赖的最关键因素。新开发场地的物种组成应该是什么样的，生态系统之间的相似性是什么？这取决于生态系统的类型，并且在不同的生态系统之间可能会有所不同。新旧生态系统之间的物种相似度将达到90%。可通过图3所示的植被栽种方案进行实施。

图3 经济林植被设计示意Fig.3 Sketch map of economic forest vegetation design

(2)土壤功能。土壤是一个复杂的、动态的系统，结合了非生物和生物因素之间的相互作用。非生物因素(如风化、淋溶、冻结、解冻、湿润和干燥[8])以及生物过程(如能量的捕获、植物有机物质积累和微生物分解)加速了土壤的发育过程。土壤结构和功能通过支持生物量生产和养分循环以及调节环境相互作用来支配自我维持的生态系统的发展。开采后土地的不利土壤条件损害了土壤的物理和生化特性。为了抵消采矿对土壤的影响，使用了土壤改良剂，如生物炭、粉煤灰和堆肥。分解物的快速回收可以通过添加有机覆盖物和表层土壤以及实施植树造林来实现，土壤覆膜保护与防沙处理如图4所示。

图4 土壤表面的覆膜处理示意Fig.4 Schematic diagram of mulching treatment on soil surface

(3)时间限制。当设定恢复目标时，实现这些目标所需的时间不容易确定。生态系统属性的恢复取决于地质气候条件、植物种类、矿区废弃物的性质、后处理和维护以及人为活动的干扰程度。矿山退化地点的生态恢复产生自然演替过程，导致森林茂密。所有的植被类型都是在开垦的初始阶段建立起来的(在树木行之间播种草和种子)。随着时间的推移，草和豆科植物的覆盖提高了快速生长的树木和多用途树木的有机质和氮的产量，这些树木逐渐成长并发展为森林。

3 矿山生态修复方法探讨

3.1 林业复垦方法

相关研究过程始终强调了矿山复垦的经济视角，以及森林的产生、生物多样性和其他重要的环境视角。在快速栽培方法下快速生长的天然森林和再生矿场的典型视图如图5所示。包括矿山复垦的技术和生物方面，主要包括[9]：①通过中和高酸性或碱性土壤，创造一个适合树木生长的介质；②通过适当调整变质材料，保障地面不被压实；③管理与树木生长相容的适当地面覆盖条件；④创建多用途树木的种植园，包括本地物种、木材物种和灌木，以改善土壤性质；⑤使用适当的树木播种技术种植策略，保证幼苗存活率。

图5 矿场周边林业复种示意Fig.5 Schematic diagram of forestry multiplecropping around mine

3.2 使用草混合物、毛垫覆盖方法

使用草混合物修复煤矿倾倒场的方法得到了广泛认可与接受。在倾倒场开发草盖，为倾倒边坡提供了稳定性，干燥后作为覆盖材料提高土壤肥力。草—豆科植物的混合物有可能积累有机物并固定大气中的氮，从而增加微生物活性和矿山土壤肥力。随着时间的推移，根系的生长降低了体积密度，增加了土壤孔隙度，加速了土壤物理条件的恢复。

生长在煤矿倾倒场斜坡上的草—豆科植物混合物如图6所示。在我国气候条件下，一些广泛用于恢复矿山退化土地的草和豆科植物有：马尾草、山楂、柠檬草、花椒和木槿。土工织物可用于边坡稳定、植被管理和人为侵蚀控制受干扰土地。

图6 草类覆盖物对于边坡的生态修复示意Fig.6 Schematic diagram of ecological restoration of grass mulch on slope

煤矿倾倒场由于高度和连续倾倒而高度不稳定，增加了草豆材料和土壤损失的概率。使用合适的倾倒场土工布垫，有可能减少土壤侵蚀，特别是在斜坡上的土壤侵蚀来促进土壤保护。同样，覆盖物也可以用于保持土壤水分，调节土壤温度，并向倾倒表面提供有机物。国内部分矿场在赤土上铺合成土工布垫[10]，1年后发现土壤飞溅高度降低51%，飞溅侵蚀降低90%。

3.3 菌根定殖技术的应用

矿屑往往缺乏土壤营养物质，影响了植被覆盖层的建立。这些废料的生物回收旨在恢复微生物群落，并帮助继续进行营养循环，以发展一个自我驱动的生态系统。真菌菌根因其在植物和微生物间的生物相互作用而受到广泛关注。真菌和其寄主植物存在共生关系，真菌为植物提供营养和水，反过来又从植物中获得碳水化合物。丛枝菌丝真菌与许多菌丝宿主营养交换，也提供宿主植物抵御许多病原体的保护。真菌很容易吸收植物生长所必需的磷和氮等元素。

通过菌根定殖对玉米对采矿影响土壤的研究，发现与对照土壤相比，脱氢酶活性和叶绿素含量分别增加了40%和10%。同样，研究了丛枝菌根真菌对pH值的影响，土壤pH值酸性含量增加80%，脱氢酶活性增加30%。另一项对煤矿区的研究表明，干旱增加了菌根定殖率，降低了植物干重、养分含量、水分利用效率和复水化率。真菌孢子密度的差异可能与植物的特性和根际条件有关。真菌与植物根系的联系对植物生长至关重要，也有助于在矿井倾倒区建立自我维持生态系统的发展。菌根关联可通过提高植物的耐旱能力和磷的利用率来提高矿场的生产力。各种环境和土壤特性，如pH值、有机物、水分、温度和植物年龄，影响了真菌在根际的定殖。同时，还应当注意到具有菌根感染的寄主植物适合于降解位点的生物回收。

4 环境治理工程探讨

4.1 地面塌陷的治理工程

地面塌陷治理主要是针对地面塌陷坑和地表裂缝等进行充填、碾压、平整、 覆土、绿化[11]。

目前，我国最常用的治理塌陷的方法包括： ①充填复垦法。矿山开采过程中，会形成大量的废石弃渣等，将其作为主要的充填材料，对地表采空塌陷进行充填。该方法不但对塌陷区的复垦及生态环境的恢复等问题做出了处置，而且还处理了矿山废弃物的堆积问题，是国内目前最常用的治理方法。 ②压力注浆法。当发生地面沉降或地面塌陷以后，利用人工或机械的方式，将水泥砂浆灌入塌陷体之中，或者先进行回填然后再进行灌浆，用来改变围岩岩体的应力状态，从而防止沉降或塌陷的进一步恶化。 ③地下采空区充填法。通常是从开采的技术方法以及采矿工艺等多方面，对地面塌陷进行灾害的预防，充填采矿法主要包括了一边开采、一边充填以及先开采然后再集中进行充填2种方法。

地面塌陷治理工程方案如图7所示。

图7 地面塌陷治理工程方案示意Fig.7 Schematic diagram of the groundcollapse treatment project

4.2 矿井周围地质资源治理工程

矿井周围地质资源治理工程主要包括：①拆除。将建筑物拆除后的建筑材料和垃圾清理，并运至塌陷坑进行回填。未使用完的废弃物可用以铺垫矿区公路。建筑物拆除后，应将地面推平至原始状态。 ②覆土。考虑到矿区大多数属于丘陵地貌，地表熟化土层较宝贵，所以在工业场地建设期间，应注意保护地表熟化土层，地表熟化土层要单独剥离存放，有计划地直接用于工业场地治理覆土，解决了覆土的来源问题，节约了治理费用。覆土厚度不小于30 cm，覆土后用人工或机械方法进行整平(图8)。③植被恢复。根据矿山区域内植被类型，在适宜季节播撒草籽恢复植被，选择当地适生的植被种类。植被选取应该尽量与区域内原生的植物相一致。④井口封闭。对采矿工业场地内三眼井进行封闭。

图8 充填覆土施工示意Fig.8 Schematic diagram of filling and covering soil construction

4.3 修复现场的监测和事后治理工程

对于采矿后土地和利益相关者来说，建立土地管理者、生态恢复管理方和植被覆盖施工方是一项具有挑战性的任务。当在弃土表面进行播种或种植时，无论是否应用表土，都需要进一步注意建立植物物种，并确保所需的生态系统发展。不利的土壤条件，如极低的土壤湿度和高度压实的土壤表面，限制了种子的萌发和植物根系的发育。因此，持续监测各种限制参数和各种修正方案的应用对于支持植被生长至关重要，后期护理需要在最初种植后2～5年的时间内进行。

矿区场地后期处理的主要目标是确保在废弃场地建立植物，管理更好的植物—土壤关系，从而再生自然生态系统的属性。

在植被开发过程中监测场地特征对于确定恢复措施的成功至关重要。监测包括土壤物理化学和生物特性、植物多样性、土壤改良的影响、生物量生产、凋落物、土壤健康、养分循环、适当管理、控制侵蚀、排水和进一步的人为干扰。殖民化入侵物种也应该被监测，因为它会影响其他种植物种的生长。

5 结语

煤矿周围退化土地的生态恢复对于抵消土地利用变化的负面影响至关重要。采矿严重改变了场地特征，导致生物多样性的丧失、土壤侵蚀和土地退化。另一方面，生态恢复可以恢复矿山土壤质量，建立植物—土壤关系，有利于利益相关者和社会经济的发展。对采矿后场地的适当管理需要适宜技术和生物复垦以及持续的监测和护理，直到建立一个可以维持的生态系统。森林复垦方法可以成为恢复采矿后地点的可行形式，但是，它可能取决于预期的土地用途。土壤改良剂，如表层土、生物炭、化学和生物肥料、覆盖和草豆混合物播种，已被证明是成功的矿山恢复工具。虽然科学的评价系统被广泛用于评估废弃场地的恢复情况，但迫切需要一个全球土壤质量指标来确定恢复情况的成功程度。一个成功的恢复项目应包括生态功能、社会效益、经济效益、文化和传统接受，以及一个自我维持的生态系统。