撫順西露天礦西端幫內排土場生態修復技術

肖 平，王雪峰，馮 萍，張千宇，張 博，李海福

（1.撫順礦業集團有限責任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113000；2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.沈陽農業大學 水利學院，遼寧 沈陽 110161）

自工業時代開始，煤炭開采對世界經濟發展起到了至關重要的作用[1]。但在露天開采的過程中，煤炭上層的巖土及劣質煤會不斷堆積在礦區周邊形成不同類型的排土場，隨著開采的進行，排土場不僅占據了可觀的土地資源，在風蝕和雨蝕的作用下巖石內部的重金屬會不斷溶出進入土壤環境中，對土壤和地下水造成污染的同時破壞土壤中微生物群落結構使生態環境變的更加脆弱[2-3]。

近年，越來越多的科研工作者開始探究露天礦區的生態修復技術。生態修復以生態原理為指導，以生物修復為基礎，結合物理、化學和工程技術措施，通過優化組合，達到最具性價比的綜合性環境污染修復方法[4-9]。

撫順西露天礦位于撫順煤田西部，開采于1901年，1914 年轉為露天開采，歷經百余年開采，形成了東西長6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深度距地表420 m（海拔-340 m），面積為10.87 km2的礦坑，是國內露天開采史上最長的國有大型露天礦。2019 年6月，西露天礦進入由采轉治新的歷史階段。通過對礦區西端幫內排土場土地的理化性質及有機污染物的檢測分析，利用內梅羅污染指數法進行生態風險評價，開展了礦區廢棄地的生態修復技術研究和工程示范，構建了礦坑山水林田湖草和諧統一的生態修復體系。為西露天礦綜合治理與整合利用總體方案的全面實施、實現礦坑生態環境綠色重構和生態效益最大化，發揮了重要技術支撐和示范作用。

1 撫順西露天礦區自然條件概述

1.1 氣象與水文

西露天礦礦區屬北中溫帶大陸性季風氣候。年日照時間2 255～2 517 h，四季分明。年平均氣溫4.8～6.6 ℃，最低氣溫-40.5 ℃、最高氣溫40.3 ℃。無霜期132～152 d，結冰期130～140 d。最大凍結深度1.50 m，標準凍土深度1.20 m，每年10 月下旬土壤開始凍結成為凍土層，次年4 月下旬逐漸解凍開化，從凍結到化凍大約需要6 個月時間。

西露天礦區水資源充足，年均降水量750～850 mm，多集中在每年汛期7—9 月。礦坑附近地表水系發育，北有渾河，距離西露天礦坑邊界1.2～1.5 km；西有古城子河，距離西露天礦坑邊界200～300 m；南有楊柏人工河，距離西露天礦坑邊界200～400 m。礦坑涌水的來源主要有地下水補給和地表水補給。地下水補給主要包括第四紀、白堊紀、第三紀綠色泥巖含水層和基巖裂隙水，撫順西露天礦各含水層相關參數見表1。

表1 撫順西露天礦各含水層相關參數

地表水補給一部分來自大氣降水，另一部分則為渾河、古城子河、楊柏人工河等河流的水沿第四系及大規模邊坡巖體內賦存豐富的地下水沿層面、結構面、構造面滲透至坑下補給，礦坑匯水量約為2 500 萬m3/a，礦坑不同水平建有截水溝和泵站，滿足日常排水和汛期需要。

1.2 地層巖性特征

撫順西露天礦地層巖性由新生界古近系（老第三系）撫順群的老虎臺組（E1l）、栗子溝組（E1lz）、古城子組（E2g）、計軍屯組（E2j）、西露天組（E2x）、耿家街組（E3g）組成；煤田基底為太古代花崗質片麻巖（Ar）及中生界白堊系大峪組（K2d）地層；上覆第四系（Qh）砂礫石層。建礦以來，西露天礦先后經歷了5次技術改造，形成了“分區開采，聯合運輸，內部排土”的總體設計，西露天礦按照總體設計方案，于1992 年開始從礦坑西端幫實施內部排土，從西到東從上到下依次布設28-7、28-6、28-5、28-3、28-2、28-1、負6-1、負6-2、負38-5、負38-3、負38-2 和負38-1 共12 條排土線。推進強度80～100 m/a，平均高程為+70 m 水平。內排土場的排棄物料以綠色泥巖為主，另有油頁巖貧礦、凝灰巖、油頁巖廢渣和少量的煤矸石等。礦坑西端幫28-7、28-6 排土線已于2019 年到界，目前，經過近2 年多的生態修復實踐，效果顯著。

2 礦區廢棄地污染現狀研究方法與評價

2.1 樣品采集

1）采樣點的選擇。在礦區西幫端內排土場及周邊土地確定4 個典型區域采樣點，分別為WP-1～WP-4，采樣點基本情況描述見表2。

表2 采樣點基本情況描述

2）樣品采集方法。2018 年10 月進行采樣，按照均勻布點法布設定位調查樣點，并通過實際勘測調查加以修正。在每個調查樣點分別采集地表向下0～10 cm、10～20、20～30 cm 共3 個層次的土壤，每個采樣點按“S”形線路重復取樣3 次，并將多個樣品混合成1 個土樣。共采集土壤樣品4 個，用無菌袋包裝好后運回實驗室。樣品經自然風干后，剔除石爍、雜草、在植物根系等雜物用瑪瑙研缽將土壤研碎，過250 μm 尼龍篩，并用四分法縮分到約1.0 kg，然后放置于自封袋以備進一步的物理化學性質分析。

2.2 樣品分析

1）土壤養分分析。選取土壤pH、有機質、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀作為評價指標，各指標數據通過室內試驗測定獲取[10]。

2）多環芳烴污染分析。按照文獻[11]、文獻[12]的方法檢測采土壤中的多環芳烴。

3）重金屬含量檢測。按照文獻[3]的方法檢測材料中各種重金屬含量。

2.3 生態風險評價方法

根據GB 15601—2018 土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準（試行）中的農用地土壤污染風險篩選值作為評價標準值，采用內梅羅污染指數法對土壤環境質量進行風險評價[13]。

按照內梅羅污染指數的大小將土壤污染水平分為5 組：①內梅羅指數≤0.7，土壤清潔；②0.7＜內梅羅指數≤1，土壤為警戒限值；③1＜內梅羅指數≤2，土壤輕微污染；④2＜內梅羅指數≤3，土壤中度污染；⑤內梅羅指數＞3，土壤重度污染。

3 研究結果與討論

3.1 土壤養分分析結果

依據土壤綜合養分分級標準（表3）和采樣點土壤綜合養分系數（表4）可知：0～10 cm 層次上，綜合養分系數范圍2.103～3.212，介于Ⅲ級和Ⅳ級之間；10～20 cm 層次上，綜合養分系數范圍1.987～2.586，屬Ⅲ級中等，20～30 cm 層次上，綜合養分系數范圍1.906～2.249，屬Ⅲ級中等；0～30 cm 層次上，綜合養分系數范圍2.170～2.775，介于Ⅲ級和Ⅳ級之間。土壤養分質量處于中等水平，養分不夠充足，需重點改善土壤養分中的限制性因子，優化生態修復措施，全面提升土壤養分質量，促進生態修復。

表3 土壤綜合養分分級標準

表4 采樣點土壤綜合養分系數

3.2 土壤PAHs 的評價結果

西端幫內排土場土壤PAHs 的含量對比見表5。

表5 西端幫內排土場土壤PAHs 的含量對比mg/kg

由表5 可知，與GB 15601—2018 土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準（試行）中農用地土壤污染風險篩選值進行對比發現：在撫順西露天礦西端幫排土場中的4 個點位中，PAHs 超標最嚴重的是茚苯（1,2,3-c,d）芘；此外WP-3 和WP-4 點位的苯并（a）芘含量分別為1.75 和4.3 mg/kg，遠遠大于農用地土壤污染風險篩選值（0.55 mg/kg），這2 個位點的PAHs 總量也達到了35 mg/kg 以上。而前2個點僅在13 mg/kg 左右。

3.3 PAHs 污染評價結果

采用內梅羅污染指數法對撫順西露天礦西端幫排土場圍巖風化土進行評價（未對無風險管控值的指標進行評價），土壤多環芳烴的評價結果見表6。

由表6 可知，西端幫排土場圍巖風化土的內梅羅污染指數平均為2.09，故礦區風化土壤中PAHs多為中污染（2＜內梅羅指數＜3）。就單項指標來看，苯并（a）芘對礦區污染的貢獻最大，其單因子污染指數均值為2.86，為中度污染（2＜單因子污染指數≤3）；其次為茚苯（1,2,3-c,d）芘，其單因子污染指數均值為1.80，屬于輕微污染級別（1＜單因子污染指數≤2）。由此可見，西端幫排土場PAHs 特征污染物為苯并（a）芘和茚苯（1,2,3-c,d）芘，PAHs 總體水平屬于中度污染，需通過治理措施減少土地中PAHs的質量分數，提高土地利用率，擴大土地適用范圍。

表6 多環芳烴的生態風險評價

3.4 土壤改良新材料（OSM）研制

為解決西端幫排土線基底多環芳烴輕微污染，減少土地中多環芳烴的質量分數，和土壤養分不夠充足，改善土壤養分中的限制性因子，全面提升土壤環境質量，促進生態修復。撫礦集團研發中心以油頁巖工業副產品（油頁巖半焦，OS）為主要原料，通過添加一定量的輔料，經煅燒、水淬、堆漚、調酸堿、烘干、破碎、篩分、混合攪拌等特殊工藝加工配制成改良土壤新材料OSM，具有供肥、保肥、保水、改土等功效，可用于防風蝕固沙、土壤改良、土地復墾、中低產田改造等，廣泛用于西露天礦生態修復工程中。

1）OSM 的理化特性與肥力指標分析。OSM 利用了OS 中含有的豐富有機質（15%～ 30%）和植物生長發育所必需的營養元素，如：氮、磷、鉀、鐵、鋅、鈣、鎂等，具有一定的黏結性、黏著性、可塑性和吸附性等，OSM 的理化特性及肥力指標檢測結果見表7。

表7 理化特性及肥力指標檢測值

2）OSM 保水保肥特性分析。該新材料具有多孔結構，擁有吸附性、保水性、保肥性，其中有機質含量為253.12 g/kg，陽離子代換量（CEC）15.23 cmol/kg。

3）OSM 重金屬含量檢測。新材料OSM 中重金屬鎘、汞、鉛、鉻、砷的含量均未超過國家及相關行業標準規定的標準值，新材料重金屬含量與國家相關標準對照見表8。

表8 新材料重金屬含量與國家相關標準對照mg/kg

將OSM 應用于撫順西露天礦生態修復工程中，取得了顯著的改善植物生長的土壤環境條件和提高植物長勢的效果。

4 礦坑生態修復工程示范

4.1 生態修復原則

充分考慮地理氣候等自然條件、資源稟賦和生態區位等特點，堅持“宜造則造、宜保則保、宜用則用，宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草、宜田則田”原則，增強生態治理的科學性、系統性和長效性。以多樣化本土樹種、草種為主，科學造林種草，合理配置林草植被，著力提高生態系統修復能力，增強生態系統穩定性，促進撫順西露天礦排土場生態系統質量的整體改善與全面提升。采取人工干預與排土場自然修復相結合方式進行地貌改造，修復多元生態環境，提高生物多樣性。

4.2 生態修復方案設計與工程示范

針對28-7、28-6 區域現狀，依據土壤環境分析結果，綜合礦坑生態安全、地質環境、土地性質、土壤性質、樹種選擇、景觀營造、旅游發展、產業規劃等因素，運用土壤調理修復技術和生態邊坡修復技術，由外而內、由上而下逐步推進，進而形成“修復+景觀+生態+產業”四位一體的排土場綜合治理與整合利用體系。

1）西端幫28-7 區域生態修復設計與工程示范。28-7 區域土地以生態邊坡修復技術，推動礦區特色景觀建設，在滿足游覽功能的基礎上，建設健步休閑廊道和觀光礦坑休憩景觀點。西端幫28-7 排土線到界區域全長1 900 m，為一坡到底單臺階。高差32 m、邊坡角37°，坡度較陡，無法直接栽植植物。本次生態修復設計單臺階坡度為18°、高差8 m、平臺寬度8～ 9 m，平臺由外至內設置3°～ 5°的反向坡度，平臺內側設置截水溝，利于汛期排水。采用挖溝機、推土機聯合作業將原有單一臺階改為退臺坡地，坡面修整后，覆800 mm 客土，并進行壓實，栽植本土水蠟、丹東檜、金葉榆、冷杉、云杉、刺槐苗、冷杉、紫葉稠李、紅葉海棠等特色灌木、喬木和三葉草植被，形成臺地花園，滿足礦區土地生態修復及營造良好的景觀效果。

2）西端幫28-6 區域生態修復設計與工程示范。28-6 區域土地采用土壤調理材料（OSM）強化植物生態修復技術。利用煤矸石鋪設道路，設計環狀通道，以竹柳、沙棘、鈣果、野花組合、多季玫瑰、枸杞、向日葵、大豆、花生等為主進行特色種植，滿足區域土地植被生態修復，采用OSM 材料改良土壤狀態，充分利用其上述植物的固土、凈化、綠化、藥用價值，全面打造集生態觀光、養生休閑等為一體的礦區土地生態修復技術實驗示范區。

3）生態修復發展規劃。①近期（2021—2023 年）。引入全新生態技術修復，完成到界區及回填儲備區的生態修復工程建設；②中期（2024—2026 年）。形成較為完善的生態修復安全格局體系，生態修復產業體系得到合理統籌，完成除礦坑核心區外的生態修復工作；③遠期（2027—2030 年）。形成完善的生態修復安全格局體系，引入光伏、水電新能源產業、文旅產業，實現產業體系和生態修復布局，完成全部生態修復工作。

5 結語

通過生態修復技術探索和實踐，對西露天礦坑實施分層次分階段生態修復，使西露天礦區域整體生態環境得到極大提升，生態文化意識得到全面提高，將促進礦坑空間資源合理利用，實現生態修復和可持續發展和諧統一，為西露天礦整合利用奠定堅實基礎。通過生態修復全面實施，將促進百年礦山歷史文化的保護和開發，通過新型產業和文旅、農林產業接續，使礦山企業文化、工業文化、歷史文化和生態文化等特色文化得到發揚，非物質文化得到傳承，有利于地區文化繁榮建設。