礦山生態(tài)修復有哪些新技術

礦山生態(tài)修復有哪些新技術？1仿自然地貌修復技術（一）人工地貌通常，在礦山開采破壞前，礦區(qū)原本的經過10年乃至百年自然形成的自然生態(tài)系統(tǒng)患病破壞，繼而促使了礦山地質環(huán)境生態(tài)修復的發(fā)生。礦山地質環(huán)境生態(tài)修復遠遠不行能使其完全恢復原本的狀態(tài)，事實上，更多的時候它是人為地重建一個人工生態(tài)系統(tǒng)，這也是生態(tài)重建的名詞在土地復墾中被廣泛使用的緣由。人工生態(tài)系統(tǒng)是指經過人類干預和改造后形成的生態(tài)系統(tǒng)，其易受人類社會的劇烈干預和影響，且不穩(wěn)定，易受各種環(huán)境因素的影響，并隨人類活動而發(fā)生變化，自我調整力量差，并且系統(tǒng)本身不能自給自足，依靠于外系統(tǒng)，并受外部的調控。同時，生態(tài)系統(tǒng)運行的目的不是為維持自身的平衡，而是為滿意人類的需要。所以人工生態(tài)系統(tǒng)是由自然環(huán)境（包括生物和非生物因素）、社會環(huán)境（包括政治、經濟、法律等）和人類（包括生活和生產活動）三部分組成的網絡結構。人類在系統(tǒng)中既是消費者又是主宰者，人類的生產、生活活動必需遵循生態(tài)規(guī)律和經濟規(guī)律，才能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定和進展。典型的礦區(qū)人工恢復地貌如經過人工重建的綠化煤矸石山、大型堆砌排土場等，其往往具有較重的人工痕跡，外形規(guī)章布局過于工整，且花費較大，但不易保持。人工生態(tài)系統(tǒng)需要長期的維護，在礦區(qū)尺度上，對于全國大量的大面積礦區(qū)來說，這種人工生態(tài)系統(tǒng)并不是最佳的選擇。（二）景觀表征對于礦山開采破壞景觀的詳細評價，現有討論通常通過分形理論或景觀指數來表征。分形理論大多應用于對宏觀大尺度的地形和微觀尺度的土壤顆粒分布進行表征，通過單一分維數表征地形簡單程度，如河道地貌（朱嘉偉等，2005）、土地利用結構（趙晉寶，2014）、侵蝕沖溝等；通過多重分形譜表征地形的變異特征，如土壤粒徑分布規(guī)律（王金滿等，2014）等。但分形理論對于露天煤礦排土場等中小尺度的受損土地景觀表征討論相對較少（張莉等，2016）。另一種表示法為景觀指數。利用景觀指數可以表征礦區(qū)土地景現破裂化程度，其連接性與異質性、結構、空間排列等。其主要使用指數包括：分維數、多樣性、優(yōu)勢度、斑塊數目、景觀類型面積比例、景觀外形指數、擴散度、破裂度、香農多樣性指數與香農勻稱度指數、分別度、勻稱度等（畢如田等，2007；李幸麗等，2009；萬越，2015；張前進等，2006；韓武波等，2012），其表征意義可查閱相關參考文獻。（三）景觀重塑與再造由于礦山開采活動形成的人造景觀與四周原有景觀不協(xié)調，景觀連接性差，造成生態(tài)系統(tǒng)的不和諧，導致了一系列生態(tài)問題，由此就衍生出仿自然地貌理論（張莉等，2016）。仿自然地面要求復墾后地形與當地自然景觀相協(xié)調，統(tǒng)籌愛護土壤、水源和環(huán)境質量，復墾土地應當達到當地原有的可持續(xù)進展的景觀生態(tài)環(huán)境水平。仿自然地貌更加注意當地原有的生態(tài)系統(tǒng)，盡可能接近原有地貌。首先是基于景觀生態(tài)學，依據斑-廊-基原理、景觀格局優(yōu)化原理、多樣性與異質性原理等，在重建過程中增大景觀多樣性與異質性，規(guī)劃基質與斑塊組成較優(yōu)的景觀格局。同時，仿自然地貌注意微地形對生態(tài)系統(tǒng)的影響。微地形是針對地理學中巨地形和大地形而言的小尺度的地形變化，可以反映景觀整體形態(tài)特征（張莉等，2016）。日本學者對丘陵地區(qū)微地形進行討論并將其分為頂坡、上邊坡、谷頭凹地、下邊坡、麓坡、泛濫性階地和谷床7種類型，而露天煤礦區(qū)內的微地形主要指部分區(qū)域消失的切溝、淺溝、緩臺、塌陷和陡坎等（鄺高超等，2012）。其注意坡面、坡向、坡度對微地形的影響，據此對微地形改造，對土壤屬性和微生境、降雨入滲和水蝕過程、植被恢復的效果及其生態(tài)服務功能等均有重要影響（衛(wèi)偉等，2013），可以通過調整排土場邊坡，繼而構造出相宜的微地形，改善植被立地條件，預防水土流失和阻擋水土侵蝕，改善土壤有機質和調整礦區(qū)小氣候條件。仿自然地貌更多的參考原地貌形態(tài)與景觀、自然地貌形態(tài)特征。仿照自然地貌的設計能使重建和再造的土地景觀更具協(xié)調性和穩(wěn)定性，生態(tài)結構更加合理，視覺效果和經濟型均有所提高。例如，我國山西平朔露天煤礦的排土場地貌在重塑時便運用該理論，仿照黃土高原丘陵山地的層層梯田，設計出相對高差一般為100~150米，平臺與邊坡相間分布的景觀格局，達到人工景觀與自然景觀相互協(xié)調的效果（陳曉輝，2015）。煤礦區(qū)四周接近成熟的、未擾動的地貌，同樣可以為復墾區(qū)地貌設計供應便利，建設自然式緩坡地與自然河道可削減討論區(qū)地表侵蝕及水土流失的可能性（胡振琪，1997）。2邊采邊復技術（一）邊采邊復的概念產生與進展一種較為直接的看法認為，礦山地質環(huán)境生態(tài)修復是采礦的一部分。明顯，采礦是復墾的源頭，是生態(tài)修復的驅動因素，沒有采礦并不會產生礦山地質生態(tài)環(huán)境修復問題。復墾為采礦的破壞結果供應解決方案，它作為“采礦-生態(tài)”平衡的一個重要手段消失在采礦過程中，并不應當只是閉礦后的補救措施。事實上，提早綻開復墾或采復一體化給礦山地質環(huán)境生態(tài)修復帶來了額外的收益。這種看法最早源于20世紀70年月美國學者在露天采礦過程中應用的理念。1973年，美國內務部組織編寫的露天礦邊采邊復技術培訓手冊明確寫有露天礦開采過程中復墾步驟的具體規(guī)范，1977年頒布的聯邦采礦與復墾法中也明確要求采礦與復墾同步。這種理念是較先進的生態(tài)修復理念。在我國，系統(tǒng)論述邊采邊復思想的時期較晚，由于我國多是井工開采，與露天開采的差異限制了國外采復一體化閱歷的引入，其理念與技術并不能較好地應用于國內。1992年平頂山礦務局首次施用了類似“超前復墾”的相關技術，對礦區(qū)即將沉陷的土地開挖水渠、降低潛水位，使沉陷后的土地不因高潛水位積水，如董祥林（2002）。之后，趙艷玲等（2008）、肖武等（2013）拓展了結合開采沉陷規(guī)律的動態(tài)預復墾。2013年，胡振琪等提出了邊開采邊復墾的概念，探討了邊采邊復的內涵與關鍵技術（胡振琪等，2013a，2013b）。至今，邊采邊復討論仍舊是土地復墾的重要問題。（二）邊采邊復理念與概念的定義邊開采邊修復技術概念是采復一體化的體現。事實上，邊采邊復就是采復一體化的另一種說法，是充分考慮礦山開采與地面復墾措施耦合，規(guī)劃開采措施、優(yōu)選復墾時機與方案的一種思想（肖武，2012）。邊開采邊修復強調開采工藝與修復工藝的充分結合，以保證按采礦方案同步進行。其基本特征是以“采礦與修復的充分有效結合，也即采礦修復一體化”為核心，以“邊采礦，邊修復”為特點，以“提高土地恢復率、縮短修復周期、增加修復效益”為表征，并以“實現礦區(qū)土地資源的可持續(xù)利用及礦區(qū)可持續(xù)進展”為終極目標。邊開采邊修復的基本內涵為地下采礦與地面修復的有機耦合：一方面，基于既定的采礦方案，在土地沉陷發(fā)生之前或已發(fā)生但未穩(wěn)定之前，通過選擇相宜的修復時機和科學的修復工程技術，實現恢復土地率高、修復成本低和修復后經濟效益、生態(tài)效益最大化；另一方面，通過優(yōu)選采礦位置、采區(qū)和工作面的布設方式、開采工藝和地面修復措施，實現土地恢復率高和地表損傷及修復成本的最小化。預復墾、超前復墾、動態(tài)復墾與邊開采邊修復既有聯系，又有區(qū)分。預復墾、超前復墾和動態(tài)復墾往往僅針對一個采煤工作面或采區(qū)進行探討，且主要是考慮既定采礦方案前提下的復墾措施，而邊開采邊修復技術從整個礦山開采過程的角度動身，不僅提出何時、何地、如何修復，而且指導整個采礦生產，是地上和地下措施的有機耦合。因此，邊開采邊修復的概念和內涵比預復墾、超前復墾和動態(tài)復墾的更大、更深刻，但預復墾、超前復墾和動態(tài)復墾的已有討論為開展邊開采邊修復討論奠定了基礎，也是邊開采邊修復技術體系的重要組成部分?，F階段邊開采邊修復主要還是基于井下采礦工藝和時序進行的修復方案的優(yōu)選，將來將漸漸過渡到井下采礦與井上修復的同步進行。（三）露天采礦邊采邊復1.基本流程1）剝離表土。在開釆第i條帶前，用推土機超前剝離表土并推存于開釆掘進的通道上。一般剝離厚度為20~30厘米，同時也應超前剝離2~3個條帶，即第i+1，i+2，i+3條帶。2）在第i條帶的下部較堅硬巖石上打眼放炮。3）用巨大的剝離鏟剝離經步驟2）疏松的第i條帶的下部較堅硬巖石，并堆放在內側的釆空區(qū)上（即第i-1條帶上）。4）用可與剝離鏟在礦坑內交叉移動的大斗輪挖掘機（BWE），挖掘第i+1條帶上部較松軟的土層（B和C層土），并掩蓋在第i-1條帶內經步驟3）操作而形成的新下部巖層———較硬巖層的剝離物。5）在剝離鏟剝離上覆巖層后，第i條帶的煤層被暴露出來，用釆煤機械進行釆煤和運煤。6）用推土機平整內排土場第i-1條帶的復墾土壤———剝離物，就構成了以第i+1條帶上部較疏松土層（B和C層土）的剝離物為心土層、以第i條帶下部較硬巖層的剝離物為新下部土層的復墾土壤。7）用鏟運機回填表土并掩蓋在復墾的心土上。8）在復墾后的土地上種上植被（一般首先播種禾本科和豆科混合的草種），并噴灑秸稈掩蓋層以利于水土保持和植被生長。2.關鍵技術露天礦邊采邊復的核心技術是土壤重構技術。土壤重構即重構土壤，是以工礦區(qū)破壞土地的土壤恢復或重建為目的，實行適當的采礦和重構技術工藝，應用工程措施及物理、化學、生物、生態(tài)措施，重新構造一個相宜的土壤剖面與土壤肥力條件以及穩(wěn)定的地貌景觀的方法。土壤重構所用的物料既包括土壤和土壤母質，也包括各類巖石、矸石、粉煤灰、礦渣、低品位礦石等礦山廢棄物，或者是其中兩項或多項的混合物，只要在較短的時間內可恢復和提高重構土壤的生產力，并改善重構土壤的環(huán)境質量，就是有效的重構材料。對于土壤重構，動態(tài)的、有效的規(guī)劃露天采礦的土壤重構方案可以縮短復墾周期，提高復墾效益。其實質是對不同重構材料，根據其材料特性，進行合理充填挨次與結構的合理規(guī)劃。上述“分層剝離、交叉回填”的露天涯采邊復正是這種思想的體現。例如常見的泥漿泵復墾，泥漿作為充填材料，養(yǎng)分貧瘠持水過多，且沉淀時間過長，采納分層剝離、交叉回填的思想，能夠極大地優(yōu)化其挖土與充填挨次，為泥漿沉淀獲得更多的時間，詳細見參考文獻（胡振琪，1997；胡振琪等，2005；鄭禮全等，2008）。（四）高潛水位井工礦區(qū)邊采邊復1.基本原理通過傳統(tǒng)穩(wěn)沉后非充填復墾和邊開采邊修復所恢復土地率的對比分析，闡述邊開采邊修復的基本原理。圖3-5為下沉穩(wěn)定后采納非充填復墾時土地恢復示意圖，在不考慮外來土源的狀況下采納挖深墊淺等措施，可在沉陷盆地的邊緣區(qū)域復墾出部分土地，即A與B區(qū)。微信圖片_20200721142455.png圖3-6為邊開采邊修復時土地恢復示意圖，其中圖3-6a為邊開采邊修復的動態(tài)過程，在土地即將沉入水中或部分沉入水中（仍存在搶救表土的可能性）時預先分層剝離部分表土與心土，交叉回填至將要沉陷的區(qū)域，即圖中的取土區(qū)與充填區(qū)。圖3-6b為邊開采邊修復的最終狀態(tài)，通過邊開采邊修復可形成最終的復墾土地區(qū)A，B，C區(qū)?？梢?，邊開采邊修復較沉陷穩(wěn)定后的復墾，可多復墾出區(qū)域C，土地恢復率有較大提升。2.png2.關鍵技術高潛水位邊采邊復思想的關鍵技術，在于動態(tài)的挖深墊淺。其中最重要的是開采沉陷的動態(tài)估計，只有把握其塌陷的動態(tài)過程才能精準地規(guī)劃邊采邊復時間與措施。前文曾闡述過井工開采沉陷過程的基本靜態(tài)與動態(tài)特征，這里我們將簡要介紹開采沉陷過程的數學建模。關于該過程的模擬始終是礦山開采沉陷學的核心問題之一，長期以來涌現出多種方法，從主斷面到整個塌陷場的討論對象，從實測參數函數擬合、巖體理論模擬到相像材料模擬，討論者始終嘗試提高開采沉陷估計的精度。概率積分法因算法簡潔、結果牢靠，足以快速應對大多數開采沉陷問題，是我國目前較成熟的、應用最為廣泛的估計方法之一，這里簡述其下沉估計的基本模型：（1）單元開采的下沉估計單元是工作面的歸一化無量綱表示。單元開采引起地表下沉與地表水平移動表達式為3.png式中：r為主要影響半徑；s為開采單元橫坐標，x為估計點橫坐標（x-s實際為估計點到開采單元水平距離）。（2）單工作面開采的下沉估計地表任意點（x，y）的下沉值W（x，y）為4.png其中5.png式中：W0（x）和W0（y）為走向和傾向有限開采時，主斷面地表下沉值；W0為充分采動條件下地表最大下沉值；m為采厚；q為下沉系數；α為煤層傾角；l和L為走向和傾向有限開采時的計算長度（考慮拐點偏距后的長度）；r1，r2和r分別為下山、上山和走向的主要影響半徑。（3）多工作面開采估計對于多工作面估計，可分別計算每個工作面單獨的模型，直接等權相加。事實上，一個礦區(qū)的m（采厚）、l和L（走向和傾向有限開采長度）、α（煤層傾角）均可知，不考慮上下山與走向的差異，讀者可將概率積分法剩余部分看作5個參數r（主要影響半徑）、b（水平移動系數）、q（下沉系數）、s（拐點偏移距，用于校正工作面的實際垮塌長寬）、θ0（開采影響傳播角）即5個自由度的函數擬合問題，依據實測參數可以較輕松地擬合，估計下沉、傾斜、曲率、水平移動與水平變形等5個常用地表移動與變形因子。經過多年的實測討論，已經有足夠的數據證明和形成一些閱歷上的與地質采礦條件相關的定量關系，以關心模型使用者在沒有實測數據的條件下選取參數。盡管這種定量關系仍舊是不精確的，但依據這種閱歷關系已能處理部分工程問題。對整個礦區(qū)抽樣幾處工作面作為參數反演的實測數據來源，可在整個礦區(qū)獲得不錯的精度。（4）動態(tài)估計動態(tài)估計通過構造合適的時間影響函數與靜態(tài)下沉做乘積即可得到點位的動態(tài)下沉。時間影響函數多基于“塌陷從0開頭，增長到靜態(tài)下沉估計值”“單點下沉速度先增大后減小”“速度曲線連續(xù)，且關于最大下沉速度處對稱”3條規(guī)律構造。由于工作面開采并非一蹴而就，前后垮落時間為ti的兩塊不同單元明顯在時刻t的時間影響函數值不同，動態(tài)估計過程需要離散化塌陷區(qū)段。為了便利計算，我們通常將工作面的整個垮落離散成一系列足夠小的單元，分別按其靜態(tài)下沉與到計算時刻的時間計算動態(tài)下沉，最終加和全部單元。（5）復墾時機與土方依據前述計算獲得的動態(tài)下沉值，結合事先獲得的數字地形圖，可進行高潛水位邊采邊復布局。關于高潛水位邊采邊復的復墾時機選擇，有多種準則與實現方法，詳細與實際工程條件與需要相關，具有不同的施工土方量，在此不贅述。3植物與微生物修復技術自然修復在生態(tài)、水土保持等領域有大量的討論，它是指靠自然力氣（營力）修復的一種過程或方法。自然營力是指自然界存在的雨、風、重力及凍融等自然界本身存在的各種生物、化學和物理等作用，如氣候的變化、土壤自然?種子庫和種子的自然傳播、土壤和植物的各種自然特性和生物化學及物理作用。以生態(tài)系統(tǒng)作為討論對象，系統(tǒng)內部因素的作用就是自然修復（自修復），外部人工力氣修復生態(tài)系統(tǒng)就是人工修復。人工修復和自然修復都是對已經損毀的生態(tài)環(huán)境實行的樂觀的修復措施。人工修復與自然修復相輔相成，要因地制宜，宜自然修復則自然修復，宜人工修復則人工修復，有主有次，主次結合。同時，自然修復是一種最高境界，即使人工修復，實現生態(tài)系統(tǒng)的自我維持力量才是最終目的。在這種層面上考慮修復技術，目前已衍生出較新的修復方法，它們直接通過動植物、微生物進行礦區(qū)修復，在修復“材料”選取上與直接替換土壤、大量施肥等方法產生了區(qū)分。（一）植物修復植物修復是通過植物對土壤、空氣等生態(tài)修復對象的修復作用來實現修復的手段。礦區(qū)廢棄地的植物修復效益與恢復植物的選擇親密相關，恢復植物的選擇不僅要適應當地的地質、水文、土壤類型等自然條件，還要考慮因開采造成的詳細污染狀況，因地制宜選取植，才能對當地土壤起到較好的改良效果，生態(tài)演替效果良好。因此，礦區(qū)廢棄地土壤植物修復勝利的關鍵在于恢復植物的選擇與合理的配置模式。通常狀況下，使用較多的生物物種，特殊是將喬、灌、草、藤多層次配置結合起來進行植被恢復，建立起的植物群落的穩(wěn)定性和可持續(xù)性均比單物種或少物種的效果好得多（畢銀麗，2017）。1.常用植物種類恢復植物的選擇要適應當地的地質、水文、土壤類型等，還要考慮因開采造成的詳細狀況，因地制宜選取植物，對當地土壤起到較好的改良，并能進行生態(tài)演替，不同植物產生的恢復效益存在差異。豆科植物：有較強固N力量，改善土壤肥力，克服干旱脅迫，常用作先鋒植物。鹽生植物：能降低廢棄地土壤鹽堿的濃度，富集金屬元素。外來植物：生長快速，生物量大，能在相應的礦區(qū)廢棄地勝利定居，但要預防生態(tài)入侵。鄉(xiāng)土植物：能更好地適應當地氣候環(huán)境，在較為惡劣的生境以及簡潔粗放的管理條件下仍能表現出植物的生物學特性，但是生長緩慢。耐性草本植物：掩蓋率高，對根際土壤的改良效益較好，缺點在于植物單株生物量較小，恢復改良效益的時間較長。2.植物選擇準則現有的植物修復措施需要考慮眾多因素，如植物抗逆性、生態(tài)適應性、植物多樣性、先鋒植物持續(xù)穩(wěn)定性、鄉(xiāng)土植物與外來植物相結合、場地的分區(qū)以及功能合理性的原則等。首先，植物需要有足夠的抗逆性，只有具有肯定抗逆性的植物才具有較強的生命力，在后期無人養(yǎng)護的條件下才能夠實現自我維持。其次，植物需要能夠形成穩(wěn)定的目標植物群落，達到植被恢復、生態(tài)修復的目的，其對于整個目標生態(tài)系統(tǒng)需要具有生態(tài)適應性，它不能是孤立于整個目標生態(tài)系統(tǒng)的植物類型。同時，選擇植被需要更多樣。（二）微生物修復微生物修復技術是礦區(qū)土壤管理與改良的重要生物技術。利用微生物群落的優(yōu)勢，可以促進植物生長和植被掩蓋，削減或避開土壤侵蝕，從而達到生態(tài)恢復的目的。微生物修復技術可以利用植物根際微生物的生命活動來改善植物養(yǎng)分條件，并同時促進植物生長和發(fā)育。隨著植物修復和微生物修復的進展，礦區(qū)土壤的滲透性顯著提高，其改善的土壤調整和地表徑流轉化力量，可以防止土壤侵蝕，改善河流水文條件。微生物在有機物質的分解、合成和轉化，無機物質的氧化和還原過程中起著重要作用。它們是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要驅動力，可以提高土壤肥力，使生土熟化，縮短復墾周期。菌根技術是微生物復墾技術的一種應用，可以改善生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，促進礦區(qū)極端條件下植被的恢復，促進礦區(qū)環(huán)境的良性循環(huán)，形成互利共生的微生物，改善生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，加快二次生育的速度生態(tài)系統(tǒng)的演替，減輕根系對植物生長的影響，并施肥土壤，促進植物礦質養(yǎng)分。對礦區(qū)生態(tài)恢復和土地復墾汲取利用促進生態(tài)系統(tǒng)功能的改善具有重要的現實意義。其中，叢枝菌根真菌（AMF）是最常用也是土壤重要的微生物之一，能與80%以上的陸生植物形成互惠共生關系，提高礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，促進生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定與提高，在礦區(qū)復墾過程中得到廣泛的應用。我們在此主要談論最常用的叢枝菌根真菌修復。1.叢枝菌根真菌關心根系汲取叢枝菌根真菌的菌絲特別纖細