客土喷播技术在高海拔高寒露天矿山领域的实践与应用

付启刚

（甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司西沟矿，甘肃 嘉峪关 735100）

1 引言

生态环境是矿山企业生存和发展的前提，随着经济的不断发展，环境问题已经成为世界各国无法规避的重要问题，尤其我国矿山生态环境恢复治理问题更值得我们深虑。矿山作为环境恢复治理责任主体，当务之急必须对已破坏的生态环境开展修复，而在生态环境恢复中如何有效地对已破坏的危险陡峭的弃渣山坡面开展治理更是成为一项亟待解决的课题。由于矿山高陡边坡存在坡度陡峭、水土流失严重等恶劣地形地貌条件，导致山体表层植被难以在短期之内自然恢复并形成植物群落，采用工程手段对其进行治理，又受到气候、资金等多重因素制约，因此已成为矿山生态修复工作中的难题和焦点[1]。

酒钢西沟矿位于嘉峪关市西南方向约43 km处的祁连山北麓肃南裕固族自治县境内，平均海拔2 800 m，工业场地和采场分布于海拔2 000～3500 m的高寒山区。纵观全矿区的地势，具有东高西低的特点，西沟矿区内最高海拔3 588 m，最低海拔2 873 m，相对高差715 m，属温带大陆性气候带祁连山高寒半干旱气候，本地区多年平均气温7.0～8.1℃，每年10月至次年的5月为干寒期，极端最低气温-31.6 ℃；6—9月为干热高温期，极端最高气温38.6 ℃。多年平均降水量85.4～181.8 mm，降水多集中在6—9月，这个期间的降水量占全年降水量的81%左右。多年平均蒸发量2 205 mm，主要集中在6—9月，10月下旬至下一年5月上旬为冻结期，最大冻土深度1 400 mm。矿区气候主要特点是四季变化不甚明显，冬春季长而冷，夏秋季短而凉爽。植物的生长周期短，不利用被破坏历史遗留渣坡面的生态环境恢复治理。

2 试验材料和试验方法

2.1 客土喷播技术的应用

客土喷播技术是一种相对较为普遍且适用的植被恢复治理方法，在各绿化领域迅速推广和应用，目前已经成为道路边坡植被绿化防护、河岸生物防护、绿地重建、矿山地质环境治理等方面的有效植被种植方法。此方法可较好地用于无土、无岩土、无砂的有机土壤表面，也可用于运输、喷洒由土壤、种子、肥料等添加剂组成的混合物，是目前较为理想的生态修复方式。同时，客土喷播技术也有效解决了投入成本高、参与人员多、作业过程复杂等方面的缺点。

2.2 客土喷播技术的原理

客土喷播是当前矿山领域应用最快捷、最普遍、见效快、成本最低的生态环境恢复治理方法。原理就是通过专业的喷射机械，将搅拌均匀的“基层材料”（采用当地种植土，掺入一定量的种子、缓效性肥料、保水剂、黏结剂、pH调节剂、水等），喷射到经过处理后稳定的岩质坡面上，形成一定厚度的土层和绿化基质，为植被生长创造适宜的立地条件，从而实现裸露坡面植被恢复的目的[1-3]。在土壤被改良的同时，覆盖物借助水溶液的黏合性和纤维物的混合性相互作用并附着在坡面，这样既能够保证原渣坡面的水分和养分，也是种子生长发芽的基础，还有利于环境的恢复、土壤的改善、水土的流失、生态的变化，恢复被破坏生态区域的自然植被，如图1所示。

图1 客土喷播实施后效果图

2.3 客土喷播技术具体实施流程

首先对高陡的渣坡面通过挖掘机等设备自上而下进行预处理，开展刷帮、削坡减载、清理大块岩石、平整及分台阶等工作，改善边坡轮廓形状。然后，在修整好的坡面上开挖排水沟槽、挂网，加强坡体的疏水和排水。其次，在坡面上均匀铺垫腐殖土，并将选用好的草籽、黏合剂、保水剂、草纤维、羊粪、类壤土基质等（类壤土基质中包括上繁草、下繁草和高羊茅等草籽），通过与清水充分搅拌混合后，用喷播机的压力泵将其喷播在需要治理的坡面上。为了防止被雨水冲刷和阳光照射，再用稻草垫覆盖至已施工完毕的高陡坡面上。最后，通过输水管道引至修复后的渣坡面上进行微喷养护，从而实现对治理坡面自然植被的恢复生长，如图2所示。

图2 客土喷播技术工艺流程图

2.4 客土喷播技术的具体实施方法

2.4.1 坡面平整

为保证历史遗留高陡渣坡面的安全稳定，为后期的环境恢复治理提供条件，首先在客土喷播前对渣坡面通过挖掘机等设备和人工进行全面削坡减载，清除坡面所有突兀的岩石、碎石和其他可能使网在地面被顶起的障碍物，保证喷播挂网与坡面的平整[4]。

2.4.2 坡面稳定

坡面稳定有2种方法，根据实际情况合理选择，一是为保证历史遗留高陡渣坡面的稳定，进行放坡处理，利用两级马道的卸荷作用分散渣坡面的下滑力，同时减小历史遗留渣坡面的坡度，增强其稳定性；二是对渣坡面进行“削坡减载”，改善边坡轮廓形状，从而提高边坡的稳定性。

2.4.3 对较陡渣坡面实施挂网处理

通过挂网增加喷播基材附着稳定性。挂网主要采用高强塑料土工网或镀锌铁丝网，网孔的规格基本上选择100 mm×100 mm。坡面较硬的地方使用冲击钻按1 m×1 m的间距设置梅花形锚杆，锚杆长度为800～1 200 mm，锚钉长度约200～400 mm。挂网采用自上而下的方式进行，平行的两卷土工网或铁丝网通过绑丝相互连接，交叉的两网之间保持100～150 mm的重叠，每平方米不少于8只锚钉，坡面与网子之间还要留存间隙且布置均匀。对于陡坡面合理采用稻草绳编织在网子的表面，目的就是增加其附着力，使坡面土的厚度得到有效保证，这种方法可以使客土能够在渣坡表面形成永久的附着力和实现治理区域的条块管理。

2.4.4 修筑截排水沟

治理区若没有排水设施，每逢降雨特别是大雨天气，低洼处容易被雨水冲刷形成沟壑，水土流失严重。为防止雨水在坡面流动过程汇集对坡面的集中冲刷和土壤养分流失,在距坡顶边缘线1 m处设置种植池作为截水沟起到挡水作用，减轻大气降水形成的坡面流对坡面的冲刷[5]。同时，为了防止山体和坡面被雨水冲刷形成地表径流，要在废弃渣坡面的上方挖掘一条横向截排水渠或抬高坡顶的角度，使渣坡面上部的径流水向边坡面的两侧和底部流淌，避免坡面上的植被因雨水冲刷而影响正常的生长。

2.4.5 选择草籽

西沟矿地处祁连山北麓，高寒高海拔，冬长夏短，降水量少，植被的生存期较短，选择适合当地气候条件下易于生长的草种至关重要。通过对周边草本市场的比对化验以及市草籽供求方面的实地调查，最终选择了上繁草中披碱草籽和下繁草中的扁穗冰草籽、高羊茅，其优势就是不选土壤、不挑区域，具有较强的抗旱及抗寒性。

2.4.6 草籽播种前浸泡及晾晒

草籽浸泡是一种提高出芽率的方法，这样做的目的是激活种子，让种子更好地发芽。首先，将种子浸泡在温度为20～30 ℃的水中，浸泡时在水中掺加生根剂，浸泡时间为24 h。然后在室内控干水分进行晾晒一天，晾晒的温度保持在18～28 ℃。晾晒后的种子及草籽就可以做喷播使用了。

2.4.7 平整区腐殖土的选取

结合西沟矿业公司的土壤实际情况，选取了在采场开采过程中岩石夹含的土壤筛取后作为基土。对于腐殖土来说，粒径不应过大，应选择周边较肥沃的土质为宜，保证土壤的含盐量低于1%、pH控制在5～7，这样更有利于提高植被的成活率。对于颗粒较大的腐殖土需要用孔径为2 mm×3 mm筛土机进行筛选，保证土壤粒径适当，满足渣坡面覆土的要求。

2.4.8 客土喷播

客土喷播就是将上繁草、下繁草和高羊茅草籽按照3∶2∶1比例进行混合，再将草籽、灌木种子、锯末、黏合剂、保水剂、草纤维及羊粪等按一定比例搅拌均匀，通过喷播机的压力泵喷播在挂有铁丝网的坡面上。喷播的厚度可根据坡面的实际情况控制在100～200 mm。为保证喷播后的种子不被雨水冲刷，再使用稻草垫进行覆盖，这样即可保温保湿又可以避免太阳照射[6]。

2.4.9 喷淋系统安装

在坡面治理区域的上部架设水罐连接DN75PE管为主水管线，坡面铺设DN25PE管为支管，按照2 m间距安装配套的喷淋装置，对修复治理区域进行微喷浇灌。

2.4.10 坡面养护

种子从出芽到幼苗期间要微喷养护，保持坡面土壤的潮湿。通过井下裂隙水经过水池沉淀过滤，管道引至喷播后的渣坡面，同时借助时间继电器实现自动控制水阀门的启停，从而达到对恢复治理坡面的微喷洒水。从开始每天的早、中、晚各喷洒一次，幼苗生长至50 mm以上可逐渐减少微喷的频次，为了保证植被的正常生长速度，还要定期对坡面进行施肥（主要以化肥、有机羊粪为主）。在喷播完成后的一个月内，还应全面检查草种的生长情况，发现问题及时纠偏。如果植物出苗在2个月内的覆盖率未能达到75%，则必须进行补喷，确保整体生长率。一般养护期限满一年，植物的养护效果达到最佳[7]，如图3所示。

图3 坡面治理效果

3 试验结果

通过客土喷播技术完成了西沟矿2 880 m水平斜坡道硐口废弃渣坡面的治理，对坡面进行了削坡减载，最终形成了四层阶梯式稳定台阶，并在坡面和台阶上覆土、植被、覆盖稻草垫，架设喷淋系统进行人工养护；其次，实施了西沟矿采场3 242 m水平废弃渣坡面的治理，共客土喷播土方约430 m、喷洒羊粪锯末和草纤维共计3.85 t，播撒披碱草、扁穗冰草、高羊茅等草籽约300 kg，架设用于养护的喷淋管线约800 m，恢复治理面积约17 980 m2。最后，也完成了A系统回风平硐口废弃渣坡面的生态恢复治理，坡面通过削坡减载形成四层稳定式台阶，治理面积约7 525.71 m2。通过实践验证在高寒高海拔矿山实施渣坡面的客土喷播技术，保证了治理区域的植被成活率达到了82%以上。

4 试验结果分析

西沟矿地处高海拔高寒地区，生态屏障脆弱、自然环境恶劣，部分区域很难依靠自然修复原貌，所以绝大部分区域通过人为干预进行生态治理恢复。针对西沟矿废弃渣坡面区域实际情况，首先，对坡面进行预处理，开展对坡面的刷帮、平整、削坡减载及分台阶等工作，改善边坡轮廓形状。然后在坡面上开挖排水沟槽、挂网，加强坡体的疏水和排水。其次，在休整后的“一”字型坡面上将选用的草籽、黏合剂、保水剂、草纤维及羊粪等有机肥料，通过与清水充分搅拌混合后，用喷播机的压力泵将其喷播在需要治理的坡面上。类壤土基质中包括上繁草、下繁草和高羊茅等草籽。最后利用井下的裂隙水通过水池沉淀过滤、输水管道引至修复后的废弃渣坡面，同时借助时间继电器实现控制水阀门的启停，从而达到对恢复治理坡面植被的灌溉浇水。通过以上举措能够有效遏制生态环境持续恶化，恢复被破坏区域的自然植被，控制水土流失，使矿山地质生态环境改善步入良性循环轨道。

5 结论

通过实施削坡减载、改善边坡轮廓、植被恢复等措施，消除了雨季泥石流的影响，有效防止了渣堆边坡发生滑塌等地质灾害，提高了山体的稳定性和安全性，遏制了治理区域生态环境持续恶化，恢复被破坏区域的自然植被，控制水土流失，使矿区地质生态环境进入良性循环轨道。将西沟矿打造成为规划合理、景观别致、环境优美、具有良好的经济与社会效益的绿色矿山。

实施过程安全可靠、技术可行、施工简便、经济合理、效果良好，经实践适用于矿山各种类型的废弃渣坡面的生态恢复治理。修复后只需要1～2个周期的人工养护，便可形成长期稳定的生态环境系统。