生态地质层理论及其在矿山环境治理修复中的应用

王佟，刘峰，赵欣，林中月,，李聪聪，王辉，李永红

(1.中国煤炭地质总局，北京 100038；2. 中国煤炭工业协会，北京 100013;3.中国煤炭地质总局碳中和研究院，北京 100039；4.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199；5. 广西煤炭地质局，广西 南宁 530000； 6. 青海煤炭地质局，青海 西宁 810001)

进入新时代，国家提出“大力推进生态文明建设”的新发展理念，环境保护成为生态文明建设的主阵地和根本措施。在矿山环境保护方面自然资源部先后颁布了《全国矿山地质环境保护与治理规划》和《全国“矿山复绿”行动方案》等方案，加大矿山环境的治理，加强对矿产资源开发地区地质环境治理和生态修复工作[1]。一些学者从不同方面开展了大量研究工作，在黄河流域煤矿区生态环境修复[2]，矿山环境治理修复模式理论、技术和治理模式[3-5]，矿山地质环境保护与恢复治理[6-8]，矿山开采后的覆岩移动垮落、采动裂隙分布与导水特征[9-11]，地表变形特征与规律[12-14]，矿山生态地质勘查[15-20]等方面取得了许多成果，推动了我国矿山环境和生态治理工作较大发展。

笔者从地球系统角度出发[21]，通过开展煤矿区生态地质勘查[22-23]，分析了煤炭开发造成煤炭资源裸露、土壤挖损压占、渣山堆积、水土流失、植被破坏、地形地貌和湿地破坏、冻土挖损与破坏等对某一区域地壳表层地层系统、生态地质环境变化的影响机理，提出了生态地质层的概念，形成了将生态与地质问题相结合的矿山生态环境修复思路，建立了包括风化带及土壤层、冻土层、煤层顶板及上覆岩层、含水层/隔水层等系列生态地质层构建方法，并以青海木里矿区煤炭开采造成局部大面积地质和生态环境严重破坏问题的研究与治理为实例，对破坏的生态地质层进行重建与修复，解决了高原高寒地区生态环境修复的难题，为大面积矿山生态环境治理工作提出了新的治理思路和方法。

1 煤炭开采引起的生态环境破坏类型与影响机理

1.1 煤炭开采引起的生态环境破坏类型

矿山开采无论是露天还是井工开采都会对矿区环境产生扰动和破坏，容易造成地貌景观破坏、植被破坏、土地挖损和压占、土地沙化与水土流失、不稳定边坡、水系湿地破坏与采坑或沉陷凹坑积水、矿产资源破坏、地下水含水层破坏等生态环境问题。高原高寒冻土地区生态环境十分脆弱，矿山开采还存在冻土层破坏问题，相较露天开采对生态环境破坏的修复难度更大。笔者将矿山开采造成的一系列生态环境问题，从地层剖面破坏与修复角度进一步归纳总结为5种破坏类型，即采坑、沉陷、渣山引起的土壤层破坏，地形地貌改变，煤层及上部岩层的破坏，水系连通系统的破坏以及高寒地区冻土层的破坏。

(1)土壤层破坏。矿区开采会挖毁或引起矿层上部覆盖的土壤层的沉陷等，破坏地表植被，破坏原始地表生态系统。导致土壤有机质的损失，土壤肥力下降，进而引起土地沙化与水土流失等严重环境问题，开采产生的煤矸石、渣石等固体废弃物长期暴露在大气中也会对周围大气、土壤水环境系统产生破坏影响。

(2)地形地貌破坏。矿山露天开采形成的采坑和渣山，容易造成采坑边帮基岩大面积出露，平台-坡面不规整，浮石散落，采坑坑底凌乱、凸凹不平、煤层暴露。井工开采造成地层断裂、塌陷等破坏。露天和井工开采改变了原始地层形态，引起地层结构的破裂、垮塌、沉陷，造成地表采坑或沉陷，使地形地貌发生破坏和改变。

(3)煤层及上部岩层的破坏。井工开采造成煤层上部岩层的变形和破坏，但相对隐蔽。露天开采对地层的破坏直接暴露，主要是对上部原始地层的破坏和开采后遗留煤层的裸露，开采形成的采坑边帮造成大面积基岩出露，受风化、冻融冻胀和雨水侵蚀等外动力地质作用使岩石层理面或节理面形成破裂面和崩落垮塌，基本上边坡上部或台阶顶部部位常表现为岩层剥落垮塌、下部形成碎石堆积。同时，开采后裸露的煤层，容易遭受风化自燃，成为新的污染源。

(4)水系连通系统的破坏。煤炭开采形成的采坑、渣山和地面沉陷等破坏地表地下水系统的连通，破坏了地表土壤层及其中由植被根系交织形成的能供给植被生长的水源涵养层，还破坏地表水系，渣山容易造成局部河道堵塞，改变河流自然流向，而流入采坑或在地势低洼处形成新的积水坑或水泡。采坑和沉陷还引起地下含水层断裂等破坏，造成地下潜水位(冻土地区冻结层以上)下降、原始地下水径流条件改变与排泄动态失衡，亦形成新的积水区，最终使水源涵养功能弱化，局部潜水位下降—地表水疏干—植被退化—土地沙化，原始地表生态和地下水循环连通系统破坏。

(5)冻土地区冻土层破坏。在高原高寒地区进行矿山开采，对冻土层会产生扰动等破坏问题。以木里矿区为例，地处青藏高原东北部，属于祁连山高寒山地多年冻土区。主要分布过渡型多年冻土，多年冻土整体为连续分布，永久性冻土厚度一般在43.08～136.00 m，具有一定差异性，埋深一般在1.5～5.4 m，平均地温在-1.5～-0.5 ℃[24-25]。采用遥感、钻探等空天地时一体勘查技术对破坏区冻土的特征进行勘查和现状分析[26-27]。综合解释得出，冻土层破坏主要表现为冻土季节性融化层增厚(多年冻土上限下移)、厚度减薄消失(下限上移)，采坑积水形成融区导致多年冻土的面积萎缩、退化现象等，木里聚乎更矿区7个采坑多年冻土活动层挖损面积累计1 272.86 hm2，冻土遭到洞穿性的挖损破坏面积为229.58 hm2，渣山内硫化物等氧化引起的异常高温导致冻土消融破坏的面积约3.38 hm2。如图1、表1所示。

图1 木里矿区8号采坑“小火山”自燃高温异常区Fig.1 Spontaneous combustion high temperature abnormal area of No.8 mine in Muli mining area

表1 木里矿区部分矿井多年冻土直接破坏情况

因此，采矿活动引起矿山环境的改变与破坏，归根到底是区域地壳浅层的变化。矿山生态环境治理，需要将地质学与生态学紧密结合，从地质条件的研究入手研究岩层的变化，寻求更为合理、经济的治理技术手段和治理方案。

1.2 煤炭开采对地质环境的影响机理

大规模矿山开采对区域地壳表层岩层扰动，形成的采坑、渣山、地面沉陷等容易造成地表沉降和塌陷、土地压占，进而阻断地表水系、破坏植被生长、影响生态系统乃至大气环境。

矿山开采造成生态环境破坏的根本原因是开采对原始地层系统产生扰动和破坏，引起地层形变、位移、破裂、垮塌，导致应力重新分布，对构造、水系、地表产生影响。由此引发地下水、气系统变化、运移和重新聚集，引起冻土地区永冻层破坏，造成地表上部或浅层的岩石发生变化，最终影响到地表土壤、生态环境的改变，乃至水圈、大气圈的变化。因此，矿山开采改变的是原始地层结构、地形地貌、水文地质结构等，相比地表环境治理，矿山地质环境破坏的治理和修复难度更大，如图2所示。

图2 煤炭勘查与开发对生态环境的影响机理Fig.2 Impact mechanism of coal exploration and development on the ecological environment

1.3 矿山生态环境修复思路

针对上述对矿山开采造成生态环境和地质问题，提出矿山生态环境修复思路：从地质条件研究入手，通过对区域原始地层剖面和产状、岩石结构构造研究，选用相似或相近的材料，构建出与原始地层具有相似地质属性作用的相似岩性层段，通过重新构建或修复破损部分，以恢复再造出类似的原始地层。笔者称为 “将今复古”的治理原则，与破损文物的修复方法相似，需选用与文物相似的材料，仿照原始文物的样子，再造出破损的部分，达到完整修复的目的。具体的矿山生态环境的修复思路与步骤流程，如图3所示。

(1)通过空天地时一体的生态地质勘查技术，调查矿山开采造成的环境破坏情况。首先，地形、地貌特征的调查研究。通过遥感监测与实地现场勘测，研究地形起伏与坡度、土壤资源调查、采坑深度与面积、渣山高度与坡角、河流水系特征以及地面建筑物等阻隔体的分布等，结合相关模拟计算得出采坑治理后的基本地形地貌特征、渣山修复地形的稳定坡角，水系连通范围等具体参数。其次，地质特征研究。特别是岩层层序剖面特征。通过分析岩石结构成分、构造与裂隙发育；地表风化特征、土壤层层序与特征；冻土地区冻土层特征等，弄清地层及地质构造的空间关系、产状要素，建立区域地质构造特征、地层风化与环境变化的耦合关系。最后，区域生态系统演变规律认识。重点研究环境背景(地球化学)、生物种群、水系与河流生态作用、土壤与冻土层的作用以及植被发育特征。

图3 采用地质方法治理修复矿山生态环境的思路Fig.3 Idea of geological methods for restoration of ecological damage in mines

(2)分析矿山开采引起的生态环境破坏类型。根据现场调研和研究的综合认识，分析评判出矿山主要的生态环境破坏类型，如1.1节。

(3)建立地层层序剖面。认识清楚矿区的地形地貌和地下地层特征，针对不同破坏的地质体，建立相对应的原始地层层序剖面，作为后续开展具体治理修复工作的对比依据和参照。主要包括：土壤层剖面、地层层序剖面、含水层/隔水层剖面、冻土层剖面等。

(4)分析不同类型的生态地质层。生态环境破坏的本质是对地表和地下地质条件的损坏和破坏。从地质角度开展矿山生态环境的治理，研究地层结构、构造，分析得出不同修复对象的生态地质层，并针对不同治理对象重点开展不同生态地质层的修复工作，2.2节将专门叙述。

(5)开展生态地质层破坏研究。分析地质特征与生态系统的耦合关系，研究生态地质层的破坏范围、破坏程度以及对相邻生态地质层的影响。重点是研究生态地质层的破坏机理以及破坏引起的地表环境效应，确定修复对象、范围和修复方法。

(6)构建生态地质层。尽管这种构建活动仍然形不成真正意义上的某一地层，但其对生态环境的控制作用与破坏前的某一地层具有相同或相似的属性，主要包括土壤层、特殊岩层(煤层顶板)、含水层、隔水层以及冻土层等。通过生态地质层构建技术，建立不同研究对象的地层剖面，再造出相似的地层。同时，还需要考虑采用什么材料，如何修复和修复到什么程度等具体问题。

2 生态地质层理论的提出

矿山开采对生态环境的破坏不仅对地表植被、土壤层和地形地貌产生破坏，还会对这一活动所能影响到的地下岩层等地质体产生扰动和破坏，造成含(隔)水层、煤层顶板、特殊岩层产生破坏，引起区域地表和地下生态环境系统发生变化。因此矿山生态环境的修复与治理既要考虑地表环境的破坏与效应，还要考虑地下地层系统的变化及其效应。尝试将地质学与生态学结合，从地质角度进行生态环境的治理修复，通过人工再造和重构的方式，构建出与破坏之前相似的地质和生态环境。笔者曾在文献[22]中提到“对覆岩关键层、含(隔)水层等重要关键层工程地质条件评价，能够为矿山开采对区域地下水和地面环境的影响、破坏提供相关灾害预防、工程改造、环境治理参数”，但只强调了重要关键层的作用，未给出具体明确的定义和解释，容易造成理解的歧义和偏差，为此，笔者进一步开展了深入细致的研究，厘定提出生态地质层概念、修复原理与思路、构建方法。

2.1 生态地质层

对区域生态环境具有控制属性作用的地层或地层组合层段，称为生态地质层。其范围指矿山勘查与开发及其他工程活动影响到自地表到地壳浅层范围的一段地层。人类活动对矿山生态环境的扰动和影响，其本质是破坏了生态地质层。矿山环境生态修复的核心问题是针对不同的破坏对象，重构和修复破坏的生态地质层。

2.2 生态地质层的界定

由于矿山生态环境治理过程中，根据研究对象和破坏程度的不同，治理对象和修复重点在不断变化，因此，生态地质层是一个不断变化的动态概念。某一层段地层破坏会引发一个或多个地质问题，当地层破坏范围小时，可能引发某一个地质问题，这一破坏对象就是生态地质层；当地层大范围破坏时，引发的地质问题可能是多个地质问题的联合或复合叠加，修复对象就可能包涵多个生态地质层，需要根据修复对象性质的不同，进一步详细划分不同对象的生态地质层，如图4所示。

图4 露天煤矿修复后的生态地质层重构剖面Fig.4 Reconstruction profile of ecological geological layer after restoration of open-pit coal mine

具体来讲，露天开采相对井工开采对矿山环境的破坏更为严重，采坑形成过程中可能对包括煤层、煤层顶板、煤层上部地层、含(隔)水层、土壤层、冻土地带冻土层等多个生态地质层产生不同程度的破坏。修复过程首先针对煤层的保护问题，需要进行煤层顶板生态地质层再造，防止煤层裸露风化。通常煤层的直接顶板基本以泥岩或砂泥岩为主，修复时需要构建一层与原始煤层顶板泥岩类性质相似的黏土层以保护煤炭资源和防止瓦斯气体溢散、煤火复燃等，如图4中煤层上部用红色黏土经过反复碾压形成一个厚度、强度和封闭性与煤层顶板泥岩层相似的生态地质层。

对于地形地貌的重构与修复，需要进行地形重塑层的构建。地形重塑层是指在渣山、采坑、岩石边坡、地表沉陷等矿山治理修复过程中，修复范围自地表及其地下一定范围内能够起到地形地貌轮廓骨架成形作用的地质重构层的总成，是一个十分复杂的不规则层面，是土壤重构与植被恢复的基础。由于地形地貌的重构与修复范围空间上比较广泛，对这一抽象的复杂地质重构层，为表述简洁命名为地形重塑层，也是一种特殊的生态地质层。

对于破坏的地表土壤层修复，就是仿造构建一个土壤层剖面。除构建类似原始表土层的最上部土壤外，再造的土壤层中要满足能为植被提供营养和发挥涵养生态水源作用的生态地质层，如图4中表土层下部的橘红色部分就是构建的土壤生态地质层。

对冻土层其破坏包括两部分，冻土层的厚度大小不等，但地质意义重大，对地下水、煤系气、土壤中CO2具有重要封存和隔绝作用，而且还是一层重要的隔水层。冻土层修复的关键是重新修复的冻土层与周边原始地层搭接处必须选择特殊的渣土通过特殊压实处理，形成一套与周边冻土层融为一体的生态地质层，防止后期在搭接处出现冻融。另外，如果冻土层段存在煤层破坏，煤层顶板的修复就属于煤层上部岩层和冻土层、隔水层3个生态地质层的叠加复合。其修复难度更大，既是修复煤层顶板生态地质层，也是修复冻土层和隔水层2个生态地质层。

水系破坏主要包括地表和地下2个部分。当地表水系、湿地被挖损或被阻隔体阻断后，周围植被生长受到影响，甚至一侧出现植被退化或死亡，这里被阻隔体破坏的土壤层及其岩层或季节性冻土层就是承载地表水系连通的生态地质层。地下含(隔)水层破坏时，需要构建相似岩性的地层，保证地下水渗流通道的畅通，这段相似岩性的地层就是地下水系连通的生态地质层，如图4中季节性冻土层中的蓝色砂岩层。

综合来说，生态地质层是一个动态变化的概念，生态地质层在地壳浅层剖面上有时是单独的，有时一个或多个呈相互嵌套或重叠关系，在不同地区其赋存空间、对生态环境的控制意义不尽相同。因此，准确界定生态地质层及其对生态环境的作用意义重大。

3 生态地质层构建原理和修复思路

笔者选取治理难度超难的高原高寒木里地区矿山修复作为生态环境治理的案例，在木里矿区煤炭开发方式多样，既有露天开采也有露-井连采的矿井[28]，这里矿山开采对原始基岩、冻土层、煤炭资源、地下含水层以及地表草甸湿地等不同类型的生态地质层产生了破坏。矿山环境治理中需要划分不同属性的生态地质层，针对各生态地质层的破坏程度构建修复出一个与开采破坏前的原始地层结构相似、成分相近的再造地层剖面。

3.1 土壤层

在祁连山木里矿区土壤主要为草甸沼泽土和分布面积较少的高山寒漠土。山地自然土壤土层厚度仅为20～50 cm，矿区开采使得天然沼泽湿地生态系统成为采矿废弃地，地表涵养水源的能力显著下降。土壤中的有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾、阳离子交换物、硫化物等有效养分的含量明显降低，酸碱度变化较大，由弱碱性(pH=7.16)变为碱性(pH=9.37)。工程开挖和回填破坏了原始土壤层，特别是土壤中的团粒状结构破坏后短时间内很难恢复。

土壤层构建的修复思路包括2部分：一是重构土壤。在其他土壤肥沃地区的重构土壤可以选取与土壤成分相似的客土进行回填，但在土壤贫瘠的木里地区，土壤层是风化带的一部分，主要为风化作用形成的大量渣石碎屑物、少量表层细土和细碎屑物，在客土方案不经济的情况下，就需要通过研究实验进行相似土壤再造，作为重构的土壤。二是建立土壤层剖面。对治理地区的土壤层，在纵向上建立自下而上不同分层和不同功能的土壤层剖面。

3.2 地形重塑层

地形重塑层是对地表形态的修复，是土壤层修复最外在和最直观的部分，也是后期植被种植的关键。治理目的是通过采坑和沉陷回填、边坡和渣山治理等，重塑矿山的地形地貌，达到与周边地貌与环境的协同统一。

木里矿区以露天开采为主，形成了11座采坑和19座渣山，采坑渣山占地总面积3 289.83万m2，采坑最大深度200 m，渣山总体积4.89亿m3。不但压盖了大片草地，对原始地貌景观和植被产生了严重破坏和影响，大气降水的冲刷还容易造成渣山周边环境污染，高陡的渣山本身还存在边坡失稳、滑塌等风险隐患，如图5所示。

修复思路首先是保证地貌形状的稳定、安全和与周边依形就势。土壤基底层的成形作用对地貌的形态和稳定具有控制作用，在治理时通过建立模型，计算边坡或渣山的稳定性外，更多的是测定当地地形地貌的特征变化，原始地形地貌是经过大自然不同季节风速、温度、气候变化、降雨侵蚀、风力侵蚀等多因素千锤百炼形成的稳定结构，也为人工修复地表最佳坡角等参数的确定提供了参照；其次，利于后期植被生长复绿和冻土保护。在渣土上构建土壤层时，关键是通过构建坚硬的土壤基底层，形成类似鸡蛋壳一样的渣山外壳，不但起到稳定地形地貌，防止上部水土流失、涵养水源的作用，而且还封存了下部地层或渣土层有害元素外渗污染周边环境。冻土地区还能保护冻土层减少冻融和热熔作用发生，如图6所示。

图5 青海木里矿区开采前后环境对比Fig.5 Comparison of environment before and after mining in Muli mining area,Qinghai Province

图6 地形地貌构建模式Fig.6 Topographical construction pattern

3.3 冻土层

在高寒冻土地区冻土生态地质层的破坏对地形地貌、河湖分布及植被分布等都有重要控制作用，生态效应明显。按照时间的变化可将冻土层分为季节性冻土和永久性冻土。永久性冻土相当于隔水层，季节性冻土层则受气温变化影响，需要考虑地下水渗流，热融作用等的影响。

修复思路是在对原始冻土层结构挖损面积和洞穿挖损面积勘查认识的基础上，建立冻土层层序剖面，确定冻土的层状结构特征，并注意剖面上冻土层与原始地层的搭建面处的有效衔接，形成仿冻土层结构，永冻层和季节性冻土层统称为冻土生态地质层。

(1)永久性冻土和季节性冻土的修复。永久性冻土层的修复是通过人工措施快速形成一定强度和压实度的渣土冻土层，恢复对水、气的封存和隔绝功能。季节性冻土层是植被的主要生长地层，修复时要选择尽量与周边原始地层岩性相似的渣土和碎石块，通过适度压实，使其形成一定的空隙，以恢复地下水的渗流场和与周围完好土壤层等生态地质层的联系，如图7所示。

图7 冻土层构建示意Fig.7 Schematic diagram of frozen soil layer construction

(2)冻土层与原始地层搭接面的修复。以往治理中未考虑原始地层与新建冻土层连接处的搭接面构建，后期在连接处往往发生冻融或出现热融，搭接面成为水流通道，形成和断层带一样的导通结构。因此冻土层修复时，搭接面的构建是冻土生态地质层修复的关键。要有意识挑选细碎屑岩渣土在搭接面处多次反复压实，防止搭接面成为导水通道，形成水串流发生热熔作用。

3.4 煤层上部岩层特别是煤层顶板

煤层上部岩层包括煤层顶板及其以上岩层，在矿区生态环境治理的过程中，如何有效地保护好煤炭资源，是一项十分重要的任务。露天煤矿预防煤层自燃一般采用覆盖密闭、填充等方法避免煤层暴露与大气接触氧化，但在高寒冻土地区鲜有报道，木里矿区修复阶段对暴露煤层通过构建煤层顶板生态地质层实现保护修复，无疑这是一项很有意义的创新。大多数井工矿井是在煤层采出后上部岩层形成垮塌、裂隙等形变。对沉陷范围的修复治理，只有部分矿井通过充填开采或顶板注浆加固等措施减少对煤层顶板及其上部岩层的破坏。

通过调查发现木里矿区7号采坑东段，采矿剥离形成长520～1 600 m、宽度30～80 m、高度5～18 m的2条煤墙；9号采坑剥露煤层约长500 m，宽约15 m。2处估算煤炭资源量约50万t，大量暴露的煤炭资源正在遭受不断风化破坏。

煤层顶板的修复思路首先是再造煤层顶板，仿煤层顶板泥岩岩石结构，选用细黏土等材料多次反复加水压实，达到一定强度和致密性，以防止煤层气体溢散与自燃；然后在再造构建好的煤层顶板之上进一步进行冻土层再造，和构建的煤层顶板一起顶部覆土复绿，如图7(c)所示 利用红黏土构建煤层顶板生态地质层。在冻土发育地区，在冻土带发育范围煤层顶板以上煤系遭到扰动破坏时采用冻土层修复方法修复。

3.5 水系连通系统

水系连通系统的构建包括地表水系和地下水系连通。水系连通是修复水源与湿地、湿地与河流、湿地与湿地等各水体之间阻隔水力联系的道路、场地、采坑等阻隔体，其分布范围的原始土壤层、季节性冻土层等功能受到破坏，这些破坏的土壤层、季节性冻土层就是需要修复的承载水系联通的生态地质层。

木里矿区地表水资源丰富，地表河流湖泊发育。矿山开采形成的负地形采坑，由于阻断了这里原始地表水、地下潜水和地下承压含水层的水力联系，使得不同水源的水容易汇聚到采坑中，形成采坑积水。据统计，仅木里聚乎更矿区开采形成的采坑总积水面积达130.08万m2，总积水量约1 476.51万m3。同时，露天开采形成的渣山，造成地表地形地貌条件改变，天然河道被人为截断、改道，破坏了地表水系、地表水径流条件，导致矿区湿地和植被退化，水源流通能力和水源涵养功能下降。

修复思路包括地表水系连通和地下水系连通2部分：地表水系连通是将阻隔体用中细碎屑岩通过一定的物理改性后置换，恢复地表水和地下水渗流功能，进而恢复植物根系之间的水力传输实现两侧水系连通。地下水系连通是建立水文地质剖面，选择相同或相似岩性再造出类似的含水层和隔水层，实现地下水力的连通，恢复含水层的储水功能和隔水层的隔水封闭功能[29]，如对砂岩含水层的修复，治理中仍然是选择不同粒径的砂岩渣块构建相似的含水层，如图7所示。含(隔)水层与原始含(隔)水层搭接带处也是构建修复的关键，同样需要进行特殊压实构建，以防止水串流进入其他岩层或沿搭接面流向地表。

4 生态地质层构建与修复技术方法

生态地质层构建技术是对已经破坏的生态地质层，通过人工干预或相似材料物理模拟，再造出具有与原始地层相似属性作用的类岩性层段。可用于井工开采、露天开采、露-井连采等矿山开发造成的矿产资源裸露、土壤层破坏、地形地貌破坏、渣山、冻土层破坏、地表水系阻断等不同层段破坏后的修复。实现对煤系变形、破裂、沉陷的主动预防和治理，地形地貌、土壤层、冻土层、地表水断流等破坏的治理和再造，达到资源保护和生态环境治理修复的目的。根据修复对象的不同，主要可分为土壤层与地貌重塑、冻土层、煤层顶板岩层、水系连通的构建。

4.1 土壤层的构建与地形重塑

土壤层的构建是在煤炭资源保护、冻土层再造、边坡和渣山治理、地貌重塑等基础上再造出的土壤层，是实现地表生态环境治理修复的关键[30]，因此对土壤层构建做重点叙述。

4.1.1 重构土壤的原理和方法

(1)重构土壤的物质组成。开展生态环境背景测试，研究原始土壤层剖面结构，模拟自然环境和植被生长条件，提出重构土壤方法。木里地区几乎无土壤，重构土壤选择就地取材，采用渣土改良的方式，利用矿区大量存在的渣石，充当土壤的碎屑物，起到颗粒支撑物的作用；利用羊板粪天然有机质肥料，补充土壤中有机质含量；羊板粪堆积过程中携带的当地大量表层细土和熟土，增加细碎屑物质含量。这样利用表层岩石风化形成的渣土颗粒，羊板粪本身的有机质和携带的表层细土，模拟出原始土壤组成结构。

(2)土壤成分的确定。主要分析原始土壤和渣土的化学成分和有机质组成[31]。通过多种不同结构的测土化验和物理模拟实验，模拟出与原始土壤层pH值、物理性质和化学成分相似的重构土壤成分配比[32]，见表2。

表2 木里矿区部分矿井原土壤与开采后土壤、重构土壤成分测试对比

4.1.2 土壤层剖面建立

通常土壤层的剖面可分为5层，包括最上部的腐植质层、中部的淋溶层、沉淀层、成土母质层和最下部的基岩层。而木里地区土壤层剖面为3层，上部的表层山地自然土壤层，厚度较薄，几乎无土壤资源，中部主要由细颗粒渣土、砾石及岩石碎块组成，厚度几米不等，下部基底为基岩层及其风化凹坑充填物(含冻土层)，如图8(a)所示。

经研究分析再造的土壤层类似于在风化层上部构建结构相似、成分相近的土壤层，根据原始土壤层的结构特点，构建的土壤层划分为人造土壤层、渣土改良层和土壤基底层3部分。由于土壤对生态环境具有重要控制作用，可进一步细分为3个生态地质分层，而土壤基底层的构建既是土壤生态地质层的核心，也是对修复后渣山地形重塑起稳定重要作用的控制层。如图8(c)所示。

图8 土壤层构建示意Fig.8 Schematic diagram of soil layer construction

(1)人造土壤层。选用筛选的渣土或就地翻耕捡石覆盖，形成厚度20 cm以上的人造土壤层(表土层)，其中下部约15 cm厚，利用渣土、含有机质的泥砂羊板粪、有机肥、牧草专用肥等形成的改良渣土，通过反复多次压实，达到压实度0.85以上(依据公路路基施工规范4.2.2中三、四级公路压实度应不小于0.85；通过测试相当于完整泥岩、砂质泥岩的坚实度)；上部3～5 cm为草种的播种深度，铺设混合有筛选出草种的改良渣土，不压实。

(2)渣土改良层。模拟原生土壤的心土层结构、物质组分、pH值，优选一定粒度的砂质土、黏土、渣土等材料，添加有机肥等土壤改良剂，通过机器重力镇压，形成渣土改良层，使之达到种草复绿的土壤条件。

(3)土壤基底层。模拟原生土壤母质层的基岩结构、物质组分，优选一定粒度的砂质土、渣土等材料，每回填5 m进行加水压实处理一次，因施工季节正值冬季，反复多次压实和冻结形成压实度0.85以上的保温保水土壤基底层。

4.1.3 不同类型土壤层的构建

木里矿区开采形成土壤层破坏分3类：浅坑、深坑和渣山。因此，土壤层构建修复对象分为：深坑土壤层、浅层土壤、渣山表面土壤层3种类型。

(1)深坑土壤层。对木里矿区开采形成的几十米大深坑进行土壤层构建。首先，构建最底部的冻土层，详见4.2节介绍；其次，构建土壤基底层，通过碾压、冻结形成基底层压实度大于等于0.85，相对能保水、保温、防渗的土壤基底层，是深坑类型土壤生态地质层构建的重中之重。再次，构建渣土改良层，分层回填含有机质的细渣土，厚度不小于10 cm。最后，构建最上部的人造土壤层，形成类似原始表土层的人造土壤层，厚度在3～5 cm。

(2)浅层土壤层。对开采破坏程度相对较小的山坡浅坑区进行土壤层构建。破坏部分仅是地表草甸，采坑深度通常在30 cm以浅，位于土壤基底层之上，构建的对象主要是部分渣土改良层和人造土壤层。

(3)渣山表面土壤层。以往对渣山的治理，仅是在表层进行简单压实和种草复绿，由于渣土形成的颗粒碎屑物，几乎无土壤，难以留存表层水分和施加的有机肥料，容易造成水分和营养流失，导致植物生长不易存活，如图9(a)所示。此外，高陡的渣山容易形成滑坡和垮塌，存在极大的安全隐患。

本次治理首先采用遥感、无人机正射飞行、现场勘测等多手段的综合测量，对高危渣山、边坡、活动滑坡体不同部位的变形、滑移速率进行监测，建立数字高程模型，模拟计算出合理的边坡稳定坡角应小于26°，再根据不同渣山的规模大小，确定出渣山稳定的高度(h)，对渣山采坑边坡和平台进行削坡卸载和整形，并通过多次反复碾压，使渣山表面压实度在0.85以上，构成一个类似像鸡蛋壳的稳定结构，以保证在蓄水状态下上部边坡的稳定，作为人造土壤基底层。其次，在上部覆盖渣土，构建渣土改良层。最后，在最上部构建人造土壤层，如图6,9(b)所示。

未经压实等工程措施治理的渣山，虽然密实度相对较低，但经过一定时段的重力作用和雨水、雪融水渗入，渣土内部已基本冰冻，2020年通过对木里矿区4号矿坑南渣山钻探取心，钻孔在32.4 m以下取到渣土与冰密实的冰块，这意味着渣山内部正在形成新的冻土层，如图10所示。因此，对渣山在重新构建渣山土壤基底层后，一定能起到更好的隔绝水渗流和涵养水源的作用，更有利于植物生长，同时也重构了地形地貌的样式，起到了地表骨架支撑作用。2021年青海省海西州发生过2次5级以上地震，震后现场无人机对治理后的渣山监测未发现变形、滑坡等问题；证明重构后的渣山实现了山体整体稳定。可见构建类似鸡蛋壳的稳定结构层并在其上进行土壤层重构是在渣土山上复绿成功的关键举措。

4.2 冻土层构建

冻土层厚度从几十米到上百米不等，露天采坑主要在垂向上对其造成挖损破坏，甚至在局部造成多年冻土层被挖穿。通过采坑回填即要实现对多年冻土层的直接恢复，同时回填后的采坑不能再次形成明显积水。

木里矿区永久性冻土在填埋过程中，根据地层岩性变化，按通常每5 m厚度进行分层回填压实，压实系数一般在0.85以上，再利用雨雪或洒水冻结，往复多次一层层覆盖，逐层构建再造出永冻层。季节性冻土层是根据周边地层岩性的变化，重新构建相同或相似的风化带剖面。原始地层与构建冻土层搭接面是修复的关键，连接处的压实系数通常在0.9以上，以保证更加密实，防止冻融发生，采坑回填阶段通过反复压实和加水等工程措施重构的冻土层，将能够形成像天然冻土层一样稳定，2022年7月通过对木里矿区4号、5号、7号采坑治理区域人工开挖检查，现场观测认为冻土层已经形成并坚硬完好。

4.3 煤层顶板岩层构建

由于露天大规模揭盖开挖，采坑常遗留部分煤炭资源，部分矿坑已剥离煤层顶板形成煤层暴露。因此需要构建煤层顶板生态地质层予以保护煤炭资源，防止煤层裸露、风化和自燃。

治理中首先将出露煤层挖至地表以下0.5～0.8 m，之后在煤层露头上部覆盖薄层红黏土或砂质黏土，进行回填封堵并压实，通过不断反复碾压，煤层顶部形成压实度达0.85以上的人造煤层顶板结构层；煤层顶板再造好后再在上部覆盖一定厚度的细渣土进行冻土层再造，按照该区季节性冻土最大融动深度3.5 m计算，回填后实现封填保护煤层和冻土层再造的目的，如图11所示。

4.4 水系连通的构建

木里地区由于存在冻土层，地下水渗流主要在季节性冻融层进行。因此，水系连通系统的构建重点是针对浅层和地表水系传输的修复，主要可分为水系阻断连通和截排水沟水源涵养两大类：

(1)水系阻断连通。水系连通是对煤矿开采造成截流、改道的河流与周边湿地重新连通，实现对破坏水文地质单元的重新修复，恢复与重塑原有的水源输送能力和水源涵养功能。如图12所示，地表水系连通的修复首先是通过渣山整形、清除水系阻断物，然后在破坏地带重新构建修复被破坏的对地表水系连通起关键作用的土壤层、季节性冻土层等生态地质层，形成新的地形重塑层，进一步在新构建的生态地质层基础上修建排水沟网，助力保水保墒加快植物根系相互连接固水和物质、能量传输。

图12 水系传输示意(据文献[23]修改)Fig.12 Schematic diagram of water system transmission(Modified by References[23])

(2)截排水沟水源涵养。对治理范围内地形起伏、汇水能力进行调查和划分区块，根据地形因地制宜设置截排水系统，在采坑边坡修筑形成外高内低和1°～2°倒三角形缓斜坡，使降水流向坡脚排水沟，分主沟、支沟和毛细沟，排水沟由渣土中较大的碎石块构成，平台上设置的排水沟可以在雨水较小时形成蓄水，雨水较大时及时排水；陡坡上设置的排水沟则可以减缓水的流速，减小雨水对排水沟的冲刷，不易形成垮塌，对局部出现的小范围塌陷时，周边石块也很容易因重力作用跌落实现自然填补；主沟和支沟还可以对冲刷带来的细小碎石，进行拦截沉淀，进一步增加排水沟的水源涵养能力，实现“排大水、留小水”的水涵养目的，并避免造成水的汇聚对地表的冲蚀破坏和防风护草的作用，如图13所示。通过上述地质工程措施，将相互阻断的水系、草甸和退化草地之间连通；进而利用雨水、土壤水潜流以及植物根系传输，实现湿地的无阻隔连通。

5 治理工程的应用

区别于以往矿山环境治理的原则和方法，本研究按照提出的生态地质层理论、构建原理与修复方法，从地质角度出发，在进行渣山削坡、边坡稳定和地貌景观改造的同时、进行类似原始地层再造，实现煤炭资源和冻土层的保护，地表土壤层的重构修复，最后通过水系连通修复，实现矿山生态环境的地质修复。如木里矿区7号采坑，经治理重塑的地形地貌实现了与周边自然景观浑然一体，如图14所示。2021年植被种植后生长茂盛，经过当年严冬后2022年已返绿，修复区植被恢复、水源涵养等自然功能得到提升。研究成果特别是在位于4 500 m以上的雪霍立矿区，以往多次治理效果均不明显，2022年应用生态地质层理论开展矿山生态环境治理取得成功。有力证明了从地质角度开展矿山生态治理和生态地质层理论及其生态地质层构建技术方法的正确性，能够从根本上解决矿山生态治理问题。

图13 坡面平台水源涵养和截排水系统Fig.13 Slope platform water conservation and interception and drainage system

图14 木里矿区7号采坑治理前后对比Fig.14 Comparison before and after the treatment of No.7 mine in Muli mining area

6 展 望

地球生态系统是多个部分长期交织形成的一个整体，矿山开采破坏改变了原始生态系统，造成了生态地质层破坏。对矿山生态环境的治理修复不同地区不同专家学者思路方法不径相同，笔者探索从地质研究角度提出采用地质方法开展矿山环境治理修复，想为众多的矿山环境治理修复走出一条地质新路。矿山生态环境治理修复的关键是通过生态地质勘查，查明生态地质层的破坏程度，通过人工干预构建与治理修复破坏的生态地质层，通过人工修复加速自然生态修复进程。其修复思路是采用“将今复古”的治理方法，对于矿山开采破坏的地层修复，以原始地层剖面岩层结构为参照，模拟破坏前地质条件，再造出相类似的地层结构。形成与周边生态条件一致的地质体，使其在剖面和平面上融入区域地质系统，达到与周围环境的相互融合。

(1)针对不同地区矿山生态环境破坏问题，划分了生态地质层修复的主要类型。薄覆盖层为主的矿山环境修复主要是对破坏的土壤和基岩垮塌陷落地貌修复和植被生长层构建；厚覆盖层地区主要是针对土壤层和地形地貌的修复工作；高原高寒等特殊地区还需对破坏的冻土层等特殊生态系统开展修复。在具体实践中首先要分析具体的地质问题，建立生态地质层剖面，分析破坏的地质层段与生态地质层的对应关系，构建与修复破坏的生态地质层。

(2)生态地质层理论的提出为矿山被动治理向主动性预防与科学治理提出了一条新的有效路径。矿山开采在对资源进行开发利用的同时，会对地表以下一定范围的地层或地下隐伏地层产生影响和破坏，造成地表和一定深度范围内地质结构的变化，表现为地表沉降、塌陷、地层断裂，水系阻断、植被破坏等，并进一步对地下矿产资源赋存条件和地质特征等产生影响，造成永久性破坏，最终影响生态环境的变化。因此，需要改变传统的矿产资源勘查开采方式，对生态地质层在采前、采中加强勘查与保护，减轻损伤，采后治理时既要考虑地表环境的修复，也要考虑一定空间地质功能修复。矿山勘探阶段对生态地质层如煤层顶板、含水层、裂隙破裂带等要进行重点勘探，为在矿山开发过程中做好生态地质层的保护提出地质依据；开采中及时采用充填支护、特殊地层加固等办法，实现工程措施有的放矢；开采后对遗留资源和破坏生态地质层进行系统修复，以最大化还原原始地层结构，实现地质系统和生态系统的有机统一。

致谢撰写过程中得到了中国矿业大学孙亚军教授、西安科技大学夏玉成教授和侯恩科教授、中国地质大学(北京)周伟教授的帮助，在此深表感谢！