采煤影响区生态恢复技术路线研究:以古交市为例＊

苑 鑫刘育萍

(1.太原煤炭气化(集团)有限责任公司,山西太原 030024;2.太原煤气化股份有限公司第二焦化厂,山西太原 030024)

采煤影响区生态恢复技术路线研究:以古交市为例＊

苑 鑫1刘育萍2

(1.太原煤炭气化(集团)有限责任公司,山西太原 030024;2.太原煤气化股份有限公司第二焦化厂,山西太原 030024)

随着煤炭经济的迅猛发展,古交市生态环境破坏问题日趋严重。本文分析了古交市采煤影响区生态环境现状,根据矿区土地破坏、生态退化与环境污染等问题讨论了相应的土地复垦、生态恢复等措施,最后根据现状提出了具体的生态恢复技术路线,为古交市开展生态恢复工作提供了一个有益的参考,并为生态恢复技术的进一步应用研究提供了思路。

煤炭开采;生态恢复;技术路线

古交市位于山西省太原市西北部,地处北纬37°40′6″至38°8′9″,东经111°43′8″至112°21′5″之间,总面积1551km2,是全国最大的主焦煤生产基地。煤田面积7 54km2,储量为96亿t,可开采储量50亿t。随着煤炭经济发展,古交市生态环境破坏严重,本文针对古交市生态环境现状,提出了采煤区生态恢复路线与措施。

1 煤矿建设和煤炭开采对生态环境的影响

1.1 对土地的影响

煤矿建设期间,所有工程的建设都会使土壤的理化性状发生改变[1],而永久占地的存在更是直接造成土地的损毁。煤矿投入使用后,煤层开采形成采空区,地表土层稳定性被破坏,引起地面塌陷,出现地面裂缝,严重时可诱发土体崩塌、滑坡,使土壤遭受严重破坏。

煤炭开采对土地的影响同时也体现在煤矸石及其它固体废弃物堆放需要占用土地,随着矸石量的不断增加,原有自然地形和地理景观改变,农田生态环境、自然环境被污染。

1.2 对水环境的影响

采煤井巷系统及采空区诱发顶板岩体的开裂、剥落和位移造成浅中层地下水与矿井沟通,使地下水储存空间转为地下水漏斗渗入矿井。为了维持原煤的正常生产,必须把矿井涌水排出,排水必然要形成以矿井为中心的区域性地下水下降漏斗,使矿区内井水枯竭,泉水断流,工农业生产和生活用水困难[2]。

长年堆放的煤矸石,经风化、淋溶作用,特别是煤矸石自燃后经雨水淋溶作用,可形成酸性水流入河道、渗入地下,使地表水系与浅层地下水资源受到污染。

1.3 对大气环境的影响

煤炭在存储、运输过程中会产生大量煤粉尘,飘逸空中,污染大气。大量燃煤锅炉在矿区使用,产生大量烟尘和二氧化硫气体,对大气的污染显然无法消除。更为重要的是,露天堆放的煤矸石和其它固体废弃物处置往往只采取简单的分层碾压、黄土覆盖措施,在长期日晒、雨淋的环境下,极易发生自燃,释放大量的二氧化硫和氟化物等有害气体,可对大气环境造成严重污染。

1.4 对生物多样性的影响

采煤对土地的占用与破坏往往伴随着植被的毁损,而土地塌陷、地表裂缝、土壤退化与污染等诸多因素均导致矿区生物多样性维系困难。而受损的生态系统的恢复则非常缓慢,通常要50-100年[3]。

2 采煤影响区生态恢复技术路线的确定原则

2.1 生态环境保护与生态环境建设并举,避免二次破坏的原则

生态环境建设和保护,关系经济社会可持续发展,关系人民生活和子孙后代的发展,因此必须坚定不移地坚持保护生态环境的方针,努力促进人与自然的和谐。同时,对于已遭破坏的生态环境,在按照“预防为主、防治结合、过程控制、综合治理”的指导方针进行治理的过程中,应该避免环境遭受二次破坏。

2.2 稳定化方法与生物方法并重的原则

采煤生态影响区生态恢复方法大体可分为稳定化方法与生物方法两种类型,稳定化方法多采用物理性措施进行加固处理,生物方法则依托原有生态系统进行一定程度的恢复或再造,两者相辅相成,缺一不可。

2.3 因地制宜的原则

古交市地处黄土高原,土层深厚,透水性良好,本身并无植被恢复障碍性病因,年降水量460mm也可以满足多种灌木树种的生长要求,而且该市灌木树种资源十分丰富,因此在制定生态恢复技术路线的过程中,要充分考虑这些因素,并选用适合本地情况的技术方案。

同时,针对不同的受影响区域,也应该按照因地制宜的原则,考虑小区域环境状况,在技术方法、草木种类选择等方面具体问题具体分析,以最大程度地恢复区域生态。

2.4 资源化利用的原则

在进行矿区生态恢复技术路线选择时,尽可能变废为宝,已成为当今社会的共识。特别是煤矸石的处理与处置,有着巨大的可利用空间,应予以充分的重视和考虑。

2.5 投入经济化原则

采矿所导致的环境破坏是巨大的,修复其受损生态系统所需的花费亦是惊人的[4]。

3 生态恢复技术种类

3.1 土壤基质改良技术[5]

土壤基质改良技术主要包括地表土保存技术、废弃地改造技术、土壤增肥改良技术等。其中废弃地改造技术是指在进行表土改造之前,设法灌注粘土泥浆,以便让泥浆包裹固体废物表面,然后再铺上一层粘土并压实,造成一个人工隔水层,尽量减少地面水下渗,降低其淋溶水中有毒元素的含量。

3.2 植被恢复技术[6]

植被恢复技术主要有植生卷铺盖法、挂三维网植草、液压喷播、生态多孔混凝土绿化法、浆砌空心砖培土种草和喷混植草、喷混植草、高陡岩石王边坡绿化的新型防护结构体系等方法。

植生卷铺盖法适用于较缓的、低矮的需要迅速得到防护或绿化的土质边坡。

挂三维网植草适用于较缓的土质及部分沙石土边坡,不能用于陡坡和岩石边坡。

浆砌空心砖培土种草和喷混植草适用于不太陡的岩质边坡或土少的岩、土混合边坡。

喷混植草适用于所有岩质坡面,可防止边坡局部的小滑移。

高陡岩石边坡绿化的新型防护结构体系是由中国地质科学院探矿工艺研究所组织成都理工大学参加共同完成的科研成果,主要是利用农民废弃的秸杆,制作固土的板状结构,同时针对不同地质条件选择不同植物种子,最终形成植被。

3.3土地复垦技术[7]

土地复垦技术主要有疏干法、挖深垫浅法、充填复垦法、直接利用法和生态工程复垦法。

疏干法适用于少量的采煤塌陷地的缓坡地段,主要通过开挖沟渠形成有效的水利系统达到将塌陷地复垦成良田的目的。

充填复垦法是将无污染或污染可以经济有效防治的充填物(如粉煤灰、煤矸石等)充填塌陷地。

直接利用法是指对于大面积的塌陷地,根据现状因地制宜地直接加以利用,或充当养殖地,或改造成为景观点,等等。

生态工程复垦法是将土地复垦与生态工程技术结合起来,在复垦的土地上发展生态农业。

3.4 微生物修复技术

微生物可以分解自然界中多种有机物,它们通过参与碳、氮循环使自然界中各类元素及物质可被周而复始地循环利用,从而在一定程度上维护生态平衡。而微生物聚集最多的地方是土壤,因此土壤微生物同时也是构成土壤肥力的重要因素。此外,微生物与微生物之间,微生物与其它生物之间彼此联系,相互影响存在互生、共生、拮抗和寄生等多种关系,对整个生态系统而言意义重大。

4 采煤影响区生态恢复技术路线确定

4.1 土地复垦

古交采煤影响区发生地表塌陷不同于平地塌陷,其深陷量和坡度变化与地面原有高差和坡度相比要小得多,多表现为地表裂缝和滑坡等现象,故而在进行土地复垦时,主要采取的技术手段可以是疏干法、充填复垦法、直接利用法和生态工程复垦法。

应用疏干法时按照先进行裂缝消除,后进行适当平整,最后建立简单排水系统的步骤予以实施,并注意平整坡度的控制,坡面梯田应有2-5°的内倾角,以较好地防范水土流失,而顶部或谷地则可直接整为平地,同时注重排水系统排布的合理性和有效性。

应用充填复垦法时要预先对充填物进行淋浸分析,根据分析结果采取相应的防渗措施,如采用特殊防渗材料铺底或铺垫粘土后压实。充填后表面覆土可就近取用,但应保持覆土层厚度在50 cm以上。

少数可以直接利用的大面积塌陷地在使用时也要适当修整并进行一定程度的植被恢复后才可以使用,如改造成为景观用地,最好根据现场地貌营造人工湖或分散的小型观赏水池。

生态工程复垦法是一个复杂的系统工程,涉及到多种学科的交叉和综合应用,需要进行专项规划与设计。根据古交市的特点,在设计中应把握以下方面:

复垦范围内建立人工初级生态系统,要全面考虑食物链延续及各相关子系统主导功能和相互配合问题,根据区域现状及周边环境进行综合设计,并在建成后进行跟踪与生态经济分析,并根据分析结果进行适当调整和修正;

种植业要保持较大比例,首先满足养殖用青贮饲料供给,之后考虑经济作物(如果树、蔬菜等);

养殖业以旱地养殖为主,条件允许的情况下适当布置水产养殖,旱地养殖要考虑有机肥料的综合利用比率控制问题;

要充分考虑原有野生动、植物生存条件的营造,尽量满足其生存栖息需要,并合理控制其数量;

注重平衡生态效益和经济效益的关系。

4.2 边坡防护与植被恢复

发生滑坡或有滑坡倾向的边坡首先应进行稳定化处理,常用方法主要有砌挡墙、浆砌护坡和格构式护坡等。古交黄土层较为疏松,一般宜采用挡墙结合护坡的方式来进行稳定化处理。陡坡应先进行削坡处理,坡度放缓到1:1.5-2为宜。

坡面植被恢复是区域生态恢复的重要组成部分,相比平整后复垦地而言,坡面上植被恢复难度较大,适合古交采煤影响区的植被恢复措施以植生卷铺盖法、挂三维网植草和浆砌空心砖培土种草最为经济合理。特别是不太陡的岩质边坡或土少的岩、土混合边坡,采用浆砌空心砖培土种草方法可有效解决植被稳固问题。

如存在较陡岩质边坡,可在坡底植种乔、灌木进行掩蔽性防护处理,然后采用廖心北等[8]发明的“边坡生物生态防护方法”。该方法包括以下步骤:清理坡面—安装锚杆—挂复合材料网—喷射边坡专用基料—喷射边坡植物种子—盖无纺布—后期养护,其典型特点是:边坡专用基料由以下组份构成(重量百分比):菌渣50%-60%,泥炭20%-30%,农作物秸秆5%-10%,农家肥10%-20%,添加剂组合物5%-10%。

草木选择在植被恢复措施中也需要因地制宜,进行优化选择,根据古交市地处北纬37°40′6″-38°8′9″的地理特征,结合其年均降水量460mm、年平均蒸发量1 025 mm的气候特征,草木选择可按表1进行。

4.3 矸石山治理

采煤弃矸堆积量大是古交矿区重大环境问题,对于堆积量在200万t以上或已发生自燃的的矸石山,应经由甲级以上有资质专业机构设计,再依照审批后的设计进行规范化处置。

矸石山治理主要包含灭火、削坡处理、挡护设施建设、排水/浇灌设施建设、植被恢复/绿化等内容。

矸石山灭火采取钻孔注浆方式,根据煤矿企业具体情况,可采用如下方式进行设计、论证和操作:钻孔深度应根据温度探测结果下延2-3m,钻孔间距控制3-5 m,钻孔直径45-75 mm。灭火浆液用黄土(或粉煤灰)与熟石灰过筛配制,配比1:1,水固比控制在0.7:1-0.8:1,特殊着火区可采用水泥、白灰、黄土、粉煤灰来调配灭火浆液,相应配比调整为1:3:3:3。注浆采用间隔工作方式,以确保灌注的灭火浆液耦合作用达到最大,间隔时间控制在30-60min内。

削坡处理按照常规操作方式进行,削坡后同时采取防护措施,可以采用浆砌石框架网格或钢制格构梁进行防护,框架网格的方式进行防护。浆砌石框架网格尺寸可采用2m×2m,浆砌石宽度为0.5m,厚度为0.5m;格构钢梁采用40×40cm、节点中心3m的方形格构,节点处设置钢筋锚杆,所有格构梁完全嵌入坡体。

挡护设施除上述坡面防护外,主要是拦矸坝或挡矸墙。根据测量资料、按照国家相应规范进行设计施工即可。需要注意的是,特殊地质条件下,应进行深度地质勘测,并按照国家地质灾害防范最高等级进行考虑。

排水或浇灌设施主要通过以下方式来实现:在矸石场四周布设截洪沟,平面台阶上设马道,马道上布设横向、纵向排水沟,均采用浆砌石结构,截洪沟断面为梯形,排水沟断面为矩形。同时,拦矸坝或挡矸墙均应设置泄水孔。

植被恢复、绿化所采用的技术方法与前述边坡防护中植被恢复措施类似,只是在矸石上顶部平台上,一般覆土厚度要达到2m以上,并栽种乔木,乔木选择按表1。

除有效治理外,矸石山处置还可以考虑综合利用,如发热量在300至1 000大卡的煤矸石,可以全部或部分代替黏土,生产煤矸石空心砖、矸石水泥等新型建材,在进行土地复垦时充当填充物或充当路基,也可以用煤矸石就地充填废矿井。

表1 植被恢复草木技术指标

4.4 水资源保护

在进行土地复垦或是矸石山治理过程中,为保护水资源必须采取的措施:

首先,凡有揭露和穿透水层的勘探工程,必须按照有关规定严格做好分层止水和封孔工作,从而防止水资源被污染;

其次,生态恢复工程用水使用处理后的矿井水,同时通过改造、系统优化等措施提高矿井水重复利用率;

第三,进行矸石等固体废物处置时做好防渗工作,避免污染地下水,同时注重保护人工湖或观赏性水池不受污染。

4.5 微生物修复技术综合使用

无论是土地复垦还是植被恢复,微生物技术的利用都可以作为重要辅助技术手段。

土地复垦过程中,表土迁移或覆土造田后,通过人工接种方式确立特定菌类的势地位可以较为快速地恢复土壤墒值、逐渐提高土壤营养成分,为下一步作物耕种或林木栽种打下良好基础。微生物的利用技术重在生态环境中原始菌群的分离、纯化和培养以及投入使用时的驯化。

5 结 语

采煤影响区生态环境恢复治理是一项复杂的、系统的工作,项目实施必须在详尽调查煤矿基础环境的基础上,精心规划设计,预先考虑到所有能考虑到的不确定因素。古交市采煤企业众多,采煤影响区域占到其行政辖区的50%以上,在进行生态恢复规划设计时,技术路线的确定是重中之重。而矿区生态恢复项目往往存在着长远利益与暂时利益、全局利益与局部利益、环境效益与经济效益等一系列矛盾,因此在进行技术路线确定时,要综合考虑,以环境效益为衡量的标尺,兼顾经济投入与地方因素。

(编辑:王爱萍)

[1]卞正福.我国煤矿区土地复垦与生态重建研究[J].资源·产业,2005,7(2):18-24.

[2]时红.山西煤矿的生态环境问题及其对策[J].重庆环境科学,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]夏汉平,蔡锡安.采矿地的生态恢复技术[J].应用生态学报,2002,13(11)∶1471-1477.

[5]秦高远,周跃,郭广军,等.矿山生态恢复研究进展[J].云南环境科学,2006,25(4):19-21.

[6]吴和政,郑薇.我国矿山生态环境及生态恢复技术的现状[J].探矿工程:岩石钻掘工程,2008,7:46-47.

[7]常秋玲,康鸳鸯.河南采煤塌陷区土地复垦与生态恢复浅析[J].中国矿业,2006,15(11):43-45.

[8]廖心北,马海天才.边坡生物生态防护方法:中国,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专-0146-04

2009-10-27

苑鑫,硕士,工程师,主要研究方向为矿山生态环境保护与恢复。