采煤影響區生態恢復技術路線研究:以古交市為例＊

苑 鑫劉育萍

(1.太原煤炭氣化(集團)有限責任公司,山西太原 030024;2.太原煤氣化股份有限公司第二焦化廠,山西太原 030024)

采煤影響區生態恢復技術路線研究:以古交市為例＊

苑 鑫1劉育萍2

(1.太原煤炭氣化(集團)有限責任公司,山西太原 030024;2.太原煤氣化股份有限公司第二焦化廠,山西太原 030024)

隨著煤炭經濟的迅猛發展,古交市生態環境破壞問題日趨嚴重。本文分析了古交市采煤影響區生態環境現狀,根據礦區土地破壞、生態退化與環境污染等問題討論了相應的土地復墾、生態恢復等措施,最后根據現狀提出了具體的生態恢復技術路線,為古交市開展生態恢復工作提供了一個有益的參考,并為生態恢復技術的進一步應用研究提供了思路。

煤炭開采;生態恢復;技術路線

古交市位于山西省太原市西北部,地處北緯37°40′6″至38°8′9″,東經111°43′8″至112°21′5″之間,總面積1551km2,是全國最大的主焦煤生產基地。煤田面積7 54km2,儲量為96億t,可開采儲量50億t。隨著煤炭經濟發展,古交市生態環境破壞嚴重,本文針對古交市生態環境現狀,提出了采煤區生態恢復路線與措施。

1 煤礦建設和煤炭開采對生態環境的影響

1.1 對土地的影響

煤礦建設期間,所有工程的建設都會使土壤的理化性狀發生改變[1],而永久占地的存在更是直接造成土地的損毀。煤礦投入使用后,煤層開采形成采空區,地表土層穩定性被破壞,引起地面塌陷,出現地面裂縫,嚴重時可誘發土體崩塌、滑坡,使土壤遭受嚴重破壞。

煤炭開采對土地的影響同時也體現在煤矸石及其它固體廢棄物堆放需要占用土地,隨著矸石量的不斷增加,原有自然地形和地理景觀改變,農田生態環境、自然環境被污染。

1.2 對水環境的影響

采煤井巷系統及采空區誘發頂板巖體的開裂、剝落和位移造成淺中層地下水與礦井溝通,使地下水儲存空間轉為地下水漏斗滲入礦井。為了維持原煤的正常生產,必須把礦井涌水排出,排水必然要形成以礦井為中心的區域性地下水下降漏斗,使礦區內井水枯竭,泉水斷流,工農業生產和生活用水困難[2]。

長年堆放的煤矸石,經風化、淋溶作用,特別是煤矸石自燃后經雨水淋溶作用,可形成酸性水流入河道、滲入地下,使地表水系與淺層地下水資源受到污染。

1.3 對大氣環境的影響

煤炭在存儲、運輸過程中會產生大量煤粉塵,飄逸空中,污染大氣。大量燃煤鍋爐在礦區使用,產生大量煙塵和二氧化硫氣體,對大氣的污染顯然無法消除。更為重要的是,露天堆放的煤矸石和其它固體廢棄物處置往往只采取簡單的分層碾壓、黃土覆蓋措施,在長期日曬、雨淋的環境下,極易發生自燃,釋放大量的二氧化硫和氟化物等有害氣體,可對大氣環境造成嚴重污染。

1.4 對生物多樣性的影響

采煤對土地的占用與破壞往往伴隨著植被的毀損,而土地塌陷、地表裂縫、土壤退化與污染等諸多因素均導致礦區生物多樣性維系困難。而受損的生態系統的恢復則非常緩慢,通常要50-100年[3]。

2 采煤影響區生態恢復技術路線的確定原則

2.1 生態環境保護與生態環境建設并舉,避免二次破壞的原則

生態環境建設和保護,關系經濟社會可持續發展,關系人民生活和子孫后代的發展,因此必須堅定不移地堅持保護生態環境的方針,努力促進人與自然的和諧。同時,對于已遭破壞的生態環境,在按照“預防為主、防治結合、過程控制、綜合治理”的指導方針進行治理的過程中,應該避免環境遭受二次破壞。

2.2 穩定化方法與生物方法并重的原則

采煤生態影響區生態恢復方法大體可分為穩定化方法與生物方法兩種類型,穩定化方法多采用物理性措施進行加固處理,生物方法則依托原有生態系統進行一定程度的恢復或再造,兩者相輔相成,缺一不可。

2.3 因地制宜的原則

古交市地處黃土高原,土層深厚,透水性良好,本身并無植被恢復障礙性病因,年降水量460mm也可以滿足多種灌木樹種的生長要求,而且該市灌木樹種資源十分豐富,因此在制定生態恢復技術路線的過程中,要充分考慮這些因素,并選用適合本地情況的技術方案。

同時,針對不同的受影響區域,也應該按照因地制宜的原則,考慮小區域環境狀況,在技術方法、草木種類選擇等方面具體問題具體分析,以最大程度地恢復區域生態。

2.4 資源化利用的原則

在進行礦區生態恢復技術路線選擇時,盡可能變廢為寶,已成為當今社會的共識。特別是煤矸石的處理與處置,有著巨大的可利用空間,應予以充分的重視和考慮。

2.5 投入經濟化原則

采礦所導致的環境破壞是巨大的,修復其受損生態系統所需的花費亦是驚人的[4]。

3 生態恢復技術種類

3.1 土壤基質改良技術[5]

土壤基質改良技術主要包括地表土保存技術、廢棄地改造技術、土壤增肥改良技術等。其中廢棄地改造技術是指在進行表土改造之前,設法灌注粘土泥漿,以便讓泥漿包裹固體廢物表面,然后再鋪上一層粘土并壓實,造成一個人工隔水層,盡量減少地面水下滲,降低其淋溶水中有毒元素的含量。

3.2 植被恢復技術[6]

植被恢復技術主要有植生卷鋪蓋法、掛三維網植草、液壓噴播、生態多孔混凝土綠化法、漿砌空心磚培土種草和噴混植草、噴混植草、高陡巖石王邊坡綠化的新型防護結構體系等方法。

植生卷鋪蓋法適用于較緩的、低矮的需要迅速得到防護或綠化的土質邊坡。

掛三維網植草適用于較緩的土質及部分沙石土邊坡,不能用于陡坡和巖石邊坡。

漿砌空心磚培土種草和噴混植草適用于不太陡的巖質邊坡或土少的巖、土混合邊坡。

噴混植草適用于所有巖質坡面,可防止邊坡局部的小滑移。

高陡巖石邊坡綠化的新型防護結構體系是由中國地質科學院探礦工藝研究所組織成都理工大學參加共同完成的科研成果,主要是利用農民廢棄的秸桿,制作固土的板狀結構,同時針對不同地質條件選擇不同植物種子,最終形成植被。

3.3土地復墾技術[7]

土地復墾技術主要有疏干法、挖深墊淺法、充填復墾法、直接利用法和生態工程復墾法。

疏干法適用于少量的采煤塌陷地的緩坡地段,主要通過開挖溝渠形成有效的水利系統達到將塌陷地復墾成良田的目的。

充填復墾法是將無污染或污染可以經濟有效防治的充填物(如粉煤灰、煤矸石等)充填塌陷地。

直接利用法是指對于大面積的塌陷地,根據現狀因地制宜地直接加以利用,或充當養殖地,或改造成為景觀點,等等。

生態工程復墾法是將土地復墾與生態工程技術結合起來,在復墾的土地上發展生態農業。

3.4 微生物修復技術

微生物可以分解自然界中多種有機物,它們通過參與碳、氮循環使自然界中各類元素及物質可被周而復始地循環利用,從而在一定程度上維護生態平衡。而微生物聚集最多的地方是土壤,因此土壤微生物同時也是構成土壤肥力的重要因素。此外,微生物與微生物之間,微生物與其它生物之間彼此聯系,相互影響存在互生、共生、拮抗和寄生等多種關系,對整個生態系統而言意義重大。

4 采煤影響區生態恢復技術路線確定

4.1 土地復墾

古交采煤影響區發生地表塌陷不同于平地塌陷,其深陷量和坡度變化與地面原有高差和坡度相比要小得多,多表現為地表裂縫和滑坡等現象,故而在進行土地復墾時,主要采取的技術手段可以是疏干法、充填復墾法、直接利用法和生態工程復墾法。

應用疏干法時按照先進行裂縫消除,后進行適當平整,最后建立簡單排水系統的步驟予以實施,并注意平整坡度的控制,坡面梯田應有2-5°的內傾角,以較好地防范水土流失,而頂部或谷地則可直接整為平地,同時注重排水系統排布的合理性和有效性。

應用充填復墾法時要預先對充填物進行淋浸分析,根據分析結果采取相應的防滲措施,如采用特殊防滲材料鋪底或鋪墊粘土后壓實。充填后表面覆土可就近取用,但應保持覆土層厚度在50 cm以上。

少數可以直接利用的大面積塌陷地在使用時也要適當修整并進行一定程度的植被恢復后才可以使用,如改造成為景觀用地,最好根據現場地貌營造人工湖或分散的小型觀賞水池。

生態工程復墾法是一個復雜的系統工程,涉及到多種學科的交叉和綜合應用,需要進行專項規劃與設計。根據古交市的特點,在設計中應把握以下方面:

復墾范圍內建立人工初級生態系統,要全面考慮食物鏈延續及各相關子系統主導功能和相互配合問題,根據區域現狀及周邊環境進行綜合設計,并在建成后進行跟蹤與生態經濟分析,并根據分析結果進行適當調整和修正;

種植業要保持較大比例,首先滿足養殖用青貯飼料供給,之后考慮經濟作物(如果樹、蔬菜等);

養殖業以旱地養殖為主,條件允許的情況下適當布置水產養殖,旱地養殖要考慮有機肥料的綜合利用比率控制問題;

要充分考慮原有野生動、植物生存條件的營造,盡量滿足其生存棲息需要,并合理控制其數量;

注重平衡生態效益和經濟效益的關系。

4.2 邊坡防護與植被恢復

發生滑坡或有滑坡傾向的邊坡首先應進行穩定化處理,常用方法主要有砌擋墻、漿砌護坡和格構式護坡等。古交黃土層較為疏松,一般宜采用擋墻結合護坡的方式來進行穩定化處理。陡坡應先進行削坡處理,坡度放緩到1:1.5-2為宜。

坡面植被恢復是區域生態恢復的重要組成部分,相比平整后復墾地而言,坡面上植被恢復難度較大,適合古交采煤影響區的植被恢復措施以植生卷鋪蓋法、掛三維網植草和漿砌空心磚培土種草最為經濟合理。特別是不太陡的巖質邊坡或土少的巖、土混合邊坡,采用漿砌空心磚培土種草方法可有效解決植被穩固問題。

如存在較陡巖質邊坡,可在坡底植種喬、灌木進行掩蔽性防護處理,然后采用廖心北等[8]發明的“邊坡生物生態防護方法”。該方法包括以下步驟:清理坡面—安裝錨桿—掛復合材料網—噴射邊坡專用基料—噴射邊坡植物種子—蓋無紡布—后期養護,其典型特點是:邊坡專用基料由以下組份構成(重量百分比):菌渣50%-60%,泥炭20%-30%,農作物秸稈5%-10%,農家肥10%-20%,添加劑組合物5%-10%。

草木選擇在植被恢復措施中也需要因地制宜,進行優化選擇,根據古交市地處北緯37°40′6″-38°8′9″的地理特征,結合其年均降水量460mm、年平均蒸發量1 025 mm的氣候特征,草木選擇可按表1進行。

4.3 矸石山治理

采煤棄矸堆積量大是古交礦區重大環境問題,對于堆積量在200萬t以上或已發生自燃的的矸石山,應經由甲級以上有資質專業機構設計,再依照審批后的設計進行規范化處置。

矸石山治理主要包含滅火、削坡處理、擋護設施建設、排水/澆灌設施建設、植被恢復/綠化等內容。

矸石山滅火采取鉆孔注漿方式,根據煤礦企業具體情況,可采用如下方式進行設計、論證和操作:鉆孔深度應根據溫度探測結果下延2-3m,鉆孔間距控制3-5 m,鉆孔直徑45-75 mm。滅火漿液用黃土(或粉煤灰)與熟石灰過篩配制,配比1:1,水固比控制在0.7:1-0.8:1,特殊著火區可采用水泥、白灰、黃土、粉煤灰來調配滅火漿液,相應配比調整為1:3:3:3。注漿采用間隔工作方式,以確保灌注的滅火漿液耦合作用達到最大,間隔時間控制在30-60min內。

削坡處理按照常規操作方式進行,削坡后同時采取防護措施,可以采用漿砌石框架網格或鋼制格構梁進行防護,框架網格的方式進行防護。漿砌石框架網格尺寸可采用2m×2m,漿砌石寬度為0.5m,厚度為0.5m;格構鋼梁采用40×40cm、節點中心3m的方形格構,節點處設置鋼筋錨桿,所有格構梁完全嵌入坡體。

擋護設施除上述坡面防護外,主要是攔矸壩或擋矸墻。根據測量資料、按照國家相應規范進行設計施工即可。需要注意的是,特殊地質條件下,應進行深度地質勘測,并按照國家地質災害防范最高等級進行考慮。

排水或澆灌設施主要通過以下方式來實現:在矸石場四周布設截洪溝,平面臺階上設馬道,馬道上布設橫向、縱向排水溝,均采用漿砌石結構,截洪溝斷面為梯形,排水溝斷面為矩形。同時,攔矸壩或擋矸墻均應設置泄水孔。

植被恢復、綠化所采用的技術方法與前述邊坡防護中植被恢復措施類似,只是在矸石上頂部平臺上,一般覆土厚度要達到2m以上,并栽種喬木,喬木選擇按表1。

除有效治理外,矸石山處置還可以考慮綜合利用,如發熱量在300至1 000大卡的煤矸石,可以全部或部分代替黏土,生產煤矸石空心磚、矸石水泥等新型建材,在進行土地復墾時充當填充物或充當路基,也可以用煤矸石就地充填廢礦井。

表1 植被恢復草木技術指標

4.4 水資源保護

在進行土地復墾或是矸石山治理過程中,為保護水資源必須采取的措施:

首先,凡有揭露和穿透水層的勘探工程,必須按照有關規定嚴格做好分層止水和封孔工作,從而防止水資源被污染;

其次,生態恢復工程用水使用處理后的礦井水,同時通過改造、系統優化等措施提高礦井水重復利用率;

第三,進行矸石等固體廢物處置時做好防滲工作,避免污染地下水,同時注重保護人工湖或觀賞性水池不受污染。

4.5 微生物修復技術綜合使用

無論是土地復墾還是植被恢復,微生物技術的利用都可以作為重要輔助技術手段。

土地復墾過程中,表土遷移或覆土造田后,通過人工接種方式確立特定菌類的勢地位可以較為快速地恢復土壤墑值、逐漸提高土壤營養成分,為下一步作物耕種或林木栽種打下良好基礎。微生物的利用技術重在生態環境中原始菌群的分離、純化和培養以及投入使用時的馴化。

5 結 語

采煤影響區生態環境恢復治理是一項復雜的、系統的工作,項目實施必須在詳盡調查煤礦基礎環境的基礎上,精心規劃設計,預先考慮到所有能考慮到的不確定因素。古交市采煤企業眾多,采煤影響區域占到其行政轄區的50%以上,在進行生態恢復規劃設計時,技術路線的確定是重中之重。而礦區生態恢復項目往往存在著長遠利益與暫時利益、全局利益與局部利益、環境效益與經濟效益等一系列矛盾,因此在進行技術路線確定時,要綜合考慮,以環境效益為衡量的標尺,兼顧經濟投入與地方因素。

(編輯:王愛萍)

[1]卞正福.我國煤礦區土地復墾與生態重建研究[J].資源·產業,2005,7(2):18-24.

[2]時紅.山西煤礦的生態環境問題及其對策[J].重慶環境科學,2002,24(2):11-13.

[3]Dobson A P,Bradshaw A D,Baker A J M.Hopes for the Future:Restoration Ecology and Conservation Biology[J].Science,1997,277:515-522.

[4]夏漢平,蔡錫安.采礦地的生態恢復技術[J].應用生態學報,2002,13(11)∶1471-1477.

[5]秦高遠,周躍,郭廣軍,等.礦山生態恢復研究進展[J].云南環境科學,2006,25(4):19-21.

[6]吳和政,鄭薇.我國礦山生態環境及生態恢復技術的現狀[J].探礦工程:巖石鉆掘工程,2008,7:46-47.

[7]常秋玲,康鴛鴦.河南采煤塌陷區土地復墾與生態恢復淺析[J].中國礦業,2006,15(11):43-45.

[8]廖心北,馬海天才.邊坡生物生態防護方法:中國,03117393.4[P].2004-09-08.

AbstractAs the rapid development of coal economy,the ecological environmental destruction has become increasing serious in Gujiao.This paper analyzes the present status of the ecological environment in the coal mining effected area in Gujiao,discusses some correspondingmeasures on land reclamation and ecological restoration based on land destruction,ecological degradation,and environmental pollution inmining area,and advances some concrete technological rout for ecological restoration according to the present status.This paper provides a beneficial reference for the practice of ecological restoration in Gujiao,and also provides the way of thinking for the further application and research of ecological restoration technology.

Key wordscoalmining;ecological restoration;technological rout

Technological Rout of Ecological Restoration in the CaolM in ing Effected Area Taking Gujiao as an Example

YUAN Xin1L IU Yu-ping2
(1.Taiyuan Coal Gasification(Group)Corporation,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024,China;
2.No.2 Coal Coking Plant,Taiyuan Coal Gasification Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024,China)

X171.1

A

1002-2104(2010)03專-0146-04

2009-10-27

苑鑫,碩士,工程師,主要研究方向為礦山生態環境保護與恢復。