煤矸石充填对土地复垦化学性质与复垦技术的影响

杨彦生

(国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719300)

煤炭大约占全国一次能源总量的74%，是我国最重要的能源。我国在1989年成为了第一产煤大国，煤炭产量突破10亿t，到了2010年其产量突破30亿t。同时仍在以每年3.3万～4.7万hm的速度增加。煤炭开采造成了大量的土地破坏，同时也产生了大量的煤矸石。

1 土地填充的方法

1.1 煤矸石的填充

煤矸石作为矿区主要的环境污染物，是开采煤炭过程中产生的主要副产品。存放煤矸石会大量占用土地，还有可能对大气和土壤在成一定程度的污染。目前煤矸石的作用主要是用来填充塌陷地，这些经过煤矸石填充后的土地可以覆土后作为农业耕地使用，也能够直接作为建筑用地煤矸石的填充系统，如图1所示。

图1 煤矸石填充系统图

1.2 粉煤灰的填充

粉煤灰目前每年在我国的产量高达数亿吨，是火力发电的主要副产品。粉煤灰的存放也会浪费大量的土地，同时对周围的环境会造成严重污染。现阶段最常用粉煤灰处理手段就是用来填充塌陷地，这样即可以避免环境的污染，也可以减少土地的浪费。具体的方法是将掺土70%的粉煤灰填充到塌陷地区，然后再在上面附上一层80 cm左右厚的土壤，粉煤灰的填充复垦工艺流程如图2所示；这样就可以作为耕地投入农业生产了，当然也可以在填充后压实直接用作建筑用地。

图2 粉煤灰填充复垦工艺流程

1.3 河湖淤泥填充

当塌陷地区离河流湖泊较紧时，最简单的方法就是利用淤泥进行填充，但是这种方法有一定的限制因素，而且相比其他土壤淤泥较重，进而导致复垦地质过细，这样的地质不适合农业生产。

1.4 垃圾填充

上面提到的煤矸石填充、粉煤灰填充以及湖河淤泥填充等方法都因为原料的特质而受到一定的限制，局限性较大。如果以垃圾作为填充原料就能够很好的解决这些问题，垃圾的取用量大，不受地区限制，十分适用于填充塌陷地区，唯一的问题就是要对垃圾进行处理后在进行填充。

2 关于煤矸石充填复垦技术研究

在利用煤矸石进行填充前，首先要调查煤矸石是否有较为严重的水蚀现象，如果有塌方和沟蚀的现象，则需要进行水土保持工程。在采取水土保持措施时，还要考虑需不需要降低坡度。由于煤矸石风化壳较薄，因此并不提倡用其来平整地面，如果利用煤矸石平整地面，需要让其风化一段时间使其形成风化壳，这样才能便于复垦。自燃完的煤矸石也不宜平整地面，防止露出下层半燃烧的矸石。此外，在实施填充前应该对土样及煤矸石采样进行风化测定，同时对同土壤的理化性质进行测定，这对后面选择种植植被有只要意义。

2.1 覆盖方式

直接复垦

因为对煤矸石的风化度有一定要求，采取直接复垦方式其质数的成活率比植草要更高一些。对树木进行选择是要选择健壮些的树，并加以适当修剪，同时断根蹲苗一段时间，带土移植。这一类苗木体内蓄积了一定的养分，其根系可以在土球中快速生长，因此具有抗逆能力，更能够适应煤矸石充填复垦的土地。另外，复垦土地上应该移栽提前挖好一段时间的树坑，让坑内和掘出的煤矸石风化。进行栽种是还要对其进行施肥，移栽后浇水，移植季节早春优于秋季。如果选择种草，则可以进行直接播种，但是因为地面呈现黑色容易导致高温，致使草苗烧死，所以成活率不高。为了提高其成活率，可以进行营养体钵育后再进行移栽。

薄覆盖复垦

根据薄覆盖复垦对风化度和地面情况的要求，对煤矸石充填土地的覆盖要求就是让施加的黄土完全将黑色地面(即煤矸石填充地面)覆盖住即可(2～5 cm)。这种方式很好的结解决了直接播种草籽保苗难的问题，顺序是先将草籽播种下去，然后在薄薄地覆上一层黄土。当然也要对其进行施肥，入冬前需要对幼树或小草浇一次水。在进行复垦工作时，不仅要重视移栽、播种等方面的问题，对植物成活后的管理工作也要引起重视。

2.2 关于覆盖土厚度的讨论

在煤矸石表面盖土的厚度，关系到植物的立地条件，以及土源和复垦的投资问题，因此在进行复垦是，要考虑到这两个方面。直接复垦和薄覆盖复垦两种方式不仅考虑到土源和投资问题，也考虑到了植物根系的生长问题。煤矸石被土壤覆盖后，种植其上的植物绝大部分根系都扎于土壤中，只有很少的根系会深入到矸石中。所以,所盖土壤的厚度不宜太厚，尤其某些气候比较干旱的地区，土层很容易蒸发干旱，植物根系无法利用煤矸石中的水分，植物就会缺水，甚至萎焉，而根系扎于煤矸石中的植物就可以很好的利用煤矸石中的水分，因而不会出现缺水的症状。基于此提出了薄覆盖复垦和直接复垦。采用这两种要重视植物栽培技术，确保复垦动作顺利进行。

2.3 植物种类

在选择种植植物的种类时，会优先考虑当地可生长的植物。常见的是种植植物的种类有杜松、苜蓿、刺槐、芍药、榆树梅、小叶丁香、侧柏、红豆草、沙生冰草、无芒雀麦等等。随着煤矸石风化程度的加深，复垦土地表层物质的性状必然会发生一定程度的变化，进而对植物的生长发育产生影响，因此土地复垦是一件长期的工作，并且需要进一步的研究。

2.4 煤矸石的自燃及灭火

煤矸石自燃后其性状会发生很大变化，硬度会变大，粘结性不好，亲水性变小，且不易风化，此外，煤矸石在自燃过程中还会破坏硅铝酸盐结晶产生灰分，可溶盐达1%～2%，pH值5～3，有的可能还存在活性铝。因此与未燃烧的煤矸石相比，其性状存在很大差异，植物很难在自燃后的煤矸石上生长。

煤矸石自燃后其表层散热良好，因此其表面还会留存一些未燃烧的煤矸石风化层，性状和未自燃的煤矸石相同，因此自燃后的煤矸石只要还有黑色的矸石风化层，还是可以进行复垦的。煤矸石自燃后，会造成严重的大气污染，通常会用石灰乳灌浆，让煤矸石表面结成不透气层，以此来灭火，但是该方法不能完全的扑灭火源，通常会再度自燃。并且用石灰乳灌过的土地会形成一层几厘米厚的是灰层，植物无法生长，用石灰乳灭火并不利于土地复垦。用泥浆浇灌也可以起到较为彻底的灭火作用，所以在选择灭火方式是要结合整个复垦工程，进行全局考量。

2.5 煤矸石充填复垦对密实度的要求

煤矸石充填复垦工程中，采取的是“由低到高、自然衔接，分层排放、分层赌徒、分层碾压、分层平整”的作业模式，这里要求每层煤矸石的排放标高为5 m，每一层所覆盖的土层厚度为0.5 m，根据《土地复垦控制质量标准》顶层和坡面覆土厚度达1 m，密实度需要高于85%，以此防止煤矸石自燃。

2.6 复垦后边坡的防护

进行复垦工程后，为了保证过往行人的安全以及坡下农业生产，需要对边坡采取防护设计，生态防护和工程防护相结合的方法是目前最常采用的边坡防护方法。

工程防护。复垦后为了防止煤矸石的自燃，许多国家都采用了分层压实周边覆土的方式来填充煤矸石，煤矸石的分层压实堆积如图3所示；通过实践证明了这种方式能够有效应对煤矸石的自燃。在进行土地复垦时，都要采取一些防护措施，而比较常用的方法就是护面墙，即重力式挡土墙。采用护面墙的优点是强度高、效果好，缺点是石材的使用量过大，成本较高，并且护面墙很难形成植物覆盖，颜色单一，景观效果不佳，对环境保护不利。

图3 煤矸石的分层压实堆积

生态防护。近些年来生态防护越来越多的应用到工程实践中，因为其在保护坡面的同时还能改善环境，起到提升景观的效果。常见的生态防护形式有：第一种人工植草护坡，该防护形式比较传统，人为播撒草种，让坡面上形成大面积草坯，这样就起到了保护坡面的作用，这种防护方式比较适合土石混合边坡、土质边坡，其优点是造价低廉，施工简单；第二种网格生态护坡，该防护形式使用最为广泛，多用在道路工程中，这种防护方法是用砖、石等刚性材料在护坡表面形成网格骨架，形成刚性防护，然后再在形成的网格上种植植被，这样就能有效的保护网格内的土体，并且能够有效防止水土流失，网格和植被形成了一个综合护坡体系，很好的保持了边坡的稳定性，并且显著恢复了边坡的生态环境，对环境保护、防止水土流失有很大帮助，这种护坡的成本较高，更适用于大型复垦工程；第3种就是生态袋护坡，该防护形式是一种新型的护坡方法，在河道生态治理项目中应用较多，其是通过将植物装在有营养级的生态袋中，让植物生长繁育形成坡面植被覆盖的，以此实现边坡防护和环境修复的目的，这种护坡方式能够很好的适应水环境和潮湿环境，但是植物的生长较为依赖生态袋的营养级基，对植物的长期生长限制较大，具有较差的防护持续新。

3 复垦土壤的质量变化

3.1 物理性质的变化

复垦土壤会因为所采用的不同复垦方法而受到不同程度的干扰，这就会在一定程度上改变复垦土壤的物理化学性质。

密度的变化，如图4所示。由于复垦过程中对土壤施加了不同的工程措施，使土壤的密度发生变化。如在压实土壤时，土壤中的孔隙会因碾压变少，最终使土壤的密度增大。普通土壤的密度为1.35～1.53 g/cm，土壤密度增加为1.5～1.8 g/cm。由此可见，经过人工填充复垦后的土壤，其容重都会有不同程度的增加。

图4 某矿区复垦土壤密度变化曲线

土壤的透水率和孔隙度的变化，如图5所示 。因为机械的碾压等原因，土壤在复垦过程中会变得比较紧实，导致土壤孔隙变小，进而使得复垦过后的复垦土壤的入渗率降低，而含水率升高。当用泥浆泵复垦土壤时，水分会大量的进入土壤，而工程的排水系统还没建立完善，会使得复垦土壤的含水率增大，甚至会达到普通农业土壤的2倍，同时土壤的入渗率也会显著降低。而使用推土机对土壤进行复垦操作时，土壤将会被压实，孔隙明显减少，土壤的强度提高，导致入渗率降低。

图5 某矿区复垦土壤含水率变化曲线

水分变化，在对土壤进行复垦时，土壤会被重建，在此过程中会对土壤造成扰动，导致土壤的剖面层次发生较大的变化。有研究人员对经过填充复垦后的突然的水分竖直运动进行了研究，结果证明土壤颗粒级配和填充物颗粒级配的对比关系会影响到上层土壤的水分含量，使用煤矸石和粉煤灰进行填充复垦后的耕地水分条件不佳，主要是因为水分的渗漏，还由于煤矸石和粉煤灰对水分的吸持力不足导致的，它在一定程度上阻碍了水分的上升运动，此外田间土壤中的水分还会发生较强的蒸发蒸腾，使得上层覆盖土壤的水分流失较快，最终导致水土缺水。

3.2 土壤复垦后的化学性质变化

土壤营养成分化学性质变化，如图6所示。

图6 某矿区复垦土壤pH值变化曲线

当前更多的是采用粉煤灰和煤矸石作为填充原料进行土壤复垦，然后在其表面附上一层80 cm厚的土壤作为农用地，有研究采用不同复垦方法后土壤费力逐年的变化，也有一些学者对矿山复垦土壤的营养元素时间空间的变化进行了详细研究，最后的结果都显示：煤矸石和粉煤灰等所含有的营养成分都不高，因而经过复垦后的土壤中的有机质、全氮、速效磷等含量都比较低，但是其速效钾和全钾的含量十分充足，并且pH值都比8大，复垦土壤的碱性过强。随着时间的流逝，复垦年限逐渐增加，加上人为投入肥料等因素，复垦土壤的养分含量会适当的提高，尤其是其中的氮、磷、钾含量都显著提高，而土壤的pH值也慢慢的趋于中性。这说明随着时间的延长，复垦土壤会逐渐熟化，显著提高了复垦土壤的生产力，使复垦土壤慢慢的变得有利于农作物的成长。

复垦土壤的污染及修复。煤矸石中含有Cu，Gr，Zn，Cd，Pb，Mn等污染元素，在其堆放，搬运以及处理过程中，这里元素会回落到土壤中，而对土壤造成污染，甚至会随着雨水污染土壤和地下水。现阶段研究煤矸石填充复垦土壤的污染性还相对较少，更多的是研究复垦的方法，并且主要是研究如何增加耕地面积等，而对土壤性质的研究很少。这些年，逐渐有学者研究土壤的污染性，并分析了复垦土壤中重金属的分布规律，以及主要农作物的污染，还有一些研究人员研究分析了不同复垦时间的煤矸石复垦土壤的重金属污染，这些研究结果都表明：煤矸石中Cu、Hg、Pl、Cd等元素对复垦土壤的污染更严重，尤其是Cd元素的污染最严重，另外三种元素的影响相对较小。治理重金属污染土壤的重要手段之一就是植物修复技术，这种方法也被全世界各国的学者重点研究。

3.3 经过复垦的土壤生物活性分析

同原始土壤相比较，复垦土壤有其特定的环境，复垦土壤的生物物性有很大的差异，其会显著影响土壤中化学物质的转移和运输。与原始土壤相比，复垦土壤中的菌群、微生物数量、真菌、生物活性强度等优势种属都较低，此外对土壤生物活性行进比较可以发现，不覆土区低于种植区，禾本科种植区低于豆科种植区。

3.4 经过复垦后土壤生产力的变化分析

目前只有极少数学者分析评价了土壤的质量。科研人员研究分析了复垦土壤的耕作效果，还对其做了一定的评价，该研究中使用了模糊PI模型，以一个定量对土壤的生产力进行了评价，这个模糊PI模型使用耕作效果指数对其耕作效果进行评价。还有研究人员分析研究了影响土壤生产力的要素，还提出了复垦土壤生产力指数的修正模型。还有一些研究人员对徐州矿区复垦后土壤质量进行了评价，主要分析了两种指标，土壤环境质量和土壤生产力，而复垦土壤质量的高低则用土壤质量评价指数评价。此外，还有学者对山西平塑露天矿的复垦土壤及其环境质量进行了研究，主要是采用单项和综合污染指数对其做了评价，最后表明这个矿区的土壤有污染性；而土壤质量很大程度受到复垦方法的影响，且复垦后土壤的生产力逐年提高。采用煤矸石填充复垦土地，其有机物的含量会高于当地的土壤；而复垦土壤中的营养成分含量则会低于当地的土壤，因而土壤的质量会较低，具体理化指标如表1所示。

表1 某复垦区煤矸石的理化指标统计

4 煤矸石复垦技术的问题和研究方向

4.1 加强复垦土壤综合质量的研究

尽管已经有一些研究人员研究了复垦土壤的物理、化学、生物活性等性质，但是大多集中在特定的一个特性上，很少有对土壤的综合质量进行研究，对土壤质量动态变化的研究则更少。因此，未来应该重点开展这方面的研究，争取构建全面的土壤质量评价指标体系，并且确立完善的动态检测机制。

4.2 加强研究复垦土壤肥力提高和维持

在研究煤矸石填充土地复垦时，更多的是探讨怎样对土壤进行复垦，和如何修复环境等，即使也有少数研究人员对复垦土壤的某些性质进行了研究，但是目前国内很少看到关于如何使复垦土壤肥力提升的研究。而若是不重视复垦土壤肥力的提高，只是停留在整平土地的层面上，那么土地复垦就是去的其真正的价值。所以在今后的研究中，应该注重研究如何提高土壤的肥力，这也是土地复垦是否成功的重要因素，还要加强对合理土壤层次结构的构建研究，同时着力与解决土壤压实机理以及孔隙的控制问题，怎样提高土壤的肥力等等。

4.3 对复垦土壤质量用现代先进技术进行动态管理

目前大多采用传统的方法研究复垦土壤的性质，这样会耗费大量的人工和时间，不够及时，所以我们应该将现代先进的科学技术应用起来，这样可以更准确更快速的得到研究数据。例如，复垦土壤植被变化的数据可以用RS采集，这种方法能够反演土壤性质的变化情况，充分了解土壤性质的变化。另外，复垦土壤的质地、层次、有机质、含水率等可以用探地雷达进行观测，进而直接检测土壤的质量。为了实现对土壤质量的快速评价可以利用GIS强大的空间分析功能，这样能够实现对土壤质量变化的检测。

5 结语

据统计，国内耕地总面积的43%左右是煤炭资源区域。大量的煤炭开采让塌陷区域大面积过大，所以广泛的使用的复垦技术。过去的20多年，我国的复垦技术和方法已经有了一定程度的发展，而复垦土壤质量的研究相对较少，或者只有少数学者个别特征进行了研究分析，对复垦土壤质量的综合评价和标准研究相对较少，同时也少见有对土壤质量改良措施的研究。此外，利用现代先进技术对复垦土壤质量进行无损探测还在初始阶段，各种机理和方式都还需要进一步改进。因此我们对复垦土壤的研究，要重视利用现代技术对复垦土壤的质量进行改良、修复和评价。