煤矿区环境地质问题及林业复垦对策研究

杜金龙，郝汉舟

（1.中国煤炭地质总局勘查总院，北京 100039；2.咸宁学院 资源与环境学院，湖北 咸宁 437100）

1 引言

煤炭一直是我国能源主体，占一次性能源消费的70%。但长期以来，煤矿开采以破坏环境为代价对经济发展做出贡献［1］。矿区采煤及相关活动，产生了一系列环境地质问题，导致耕地与林地毁损，大气、水与土壤污染，造成生物圈与岩石圈破坏。

矿区土地复垦方式包括农业复垦、林业复垦、自然保护复垦、水利资源复垦与建筑复垦等［2］（表1），前两种在实践中已得到广泛运用，是最主要的复垦方式。而林业复垦更是因为环境治理功能强、土地质量要求低，成为发达国家矿区复垦的首选［3］。我国过去主要基于经济效益考虑，对矿区复垦偏重于农业复垦方式。当前应改变传统观念，加大矿区林业复垦比重，以应对多发的矿区环境地质问题。

表1 矿区主要复垦方式及其用途

2 环境地质问题

煤矿区因开采方式、程度及所处区域的不同，会产生类型各异、程度不等的环境地质问题。如井工开采导致地面变形，露天开采造成土壤与植被损毁；西部生态脆弱矿区因疏排地下水导致土地荒漠化，东部平原矿区因采空沉降造成土壤盐渍化；以及矿坑水排放、煤矸石堆积导致大气和水土污染。

2.1 地面变形

煤矿区地面变形主要包括地面沉降、地裂缝和地面塌陷3种，是因煤炭井下采空导致上覆岩层应力失衡而产生。我国煤炭产量95%来自井工开采，多利用垮落法管理顶板，地面变形可达煤层采出厚度的65%～95%。据统计，我国因煤炭开采形成沉陷区累计40万hm2，年增1.5～2万hm2／年［4］。

矿区地面变形将导致耕地与植被破坏、地貌景观改变、房屋路基失稳及河水断流等，并引发次生灾害，包括山地及丘陵诱发山体滑坡及泥石流，平原区地面沉降导致土壤大面积盐渍化。

2.2 土壤损毁与污染

矿区土壤损毁主要来自露天煤矿剥土行为，其导致表层土壤理化性质改变、养分流失、生产力部分或完全伤失。我国露天煤矿产量虽不大（占总量5%～10%），但万吨煤的土地损毁率可达0.02～0.18hm2，截止2001年［5］毁地约8800hm2。

土壤污染主要由煤矸石堆放淋滤造成，包括土壤酸化与重金属污染（Hg、Cd、Pb、Cr、As生物毒性显著）。据不完全统计，我国煤矸石累计存量约30亿t，年排放约1.5亿t［6］，大部分露天堆放。煤矸石含大量硫化物和重金属，堆放过程中发生风化和氧化，降雨淋滤后形成含重金属元素的酸性溶液（pH值可达4.0～5.0）污染土壤。霍州矿区土壤Hg、Cd含量为0.075mg／kg与0.278mg／kg，是山西土壤平均值的3.26倍和2.73倍［7］。重金属元素会降低土壤质量、转移营养物质、危害生物群落乃至生态系统、威胁食品安全。而土壤酸化既会限制植物生长，还会提高重金属离子溶解度，加剧污染。

2.3 土地荒漠化

土地荒漠化是干旱半干旱生态环境脆弱矿区最突出的环境问题之一，产生原因包括疏排地下水使区域地下水位下降，导致矿区周边植被缺水退化；采空区地面塌陷、地裂缝导致沙土结构破坏，植被退化；露天采区直接毁坏植被等。

中西部是我国能源重要输出地区，同时也是生态环境脆弱区，土地沙漠化现象十分严重。随着我国煤炭开发的重心西移，该问题将变得更加突出。

2.4 地下水环境恶化

煤矿区地下水环境恶化的主要表现为井下排水导致地下水位持续下降、水质污染；煤矸石堆积淋滤导致浅层地下水污染。

采煤时疏排地下水难以避免，这一行为将形成人工汇，改变地下水流场，轻则形成降落漏斗，重则疏干含水层，导致地下水功能退化，影响周边区域工农业、居民与生态用水。表2为我国中西部2005年矿井水排放量及利用率［8］，可见每采出1t煤就会排放0.6～1.0t地下水，且仅有10%～20%被循环利用。2000年全国煤矿排放矿井水23亿t，占煤矿总污水83.6%［9］。

表2 中西部矿井水排放量和利用率（2005）

浅层地下水污染主要为煤矸石堆放淋滤产生的重金属与酸污染。污染物沿土壤层或采煤裂隙进入含水层，使浅层地下水受到不同程度污染。

2.5 大气污染

矿区大气污染包括粉尘污染和废气污染。粉尘主要为煤矸石扬尘，含重金属等毒害物。废气主要为矿井瓦斯和煤矸石自燃气体。瓦斯主要成分甲烷是温室气体，增温效应为CO2的21倍。我国矿井年排放甲烷70～90亿m3，占全球30%［6］。煤矸石自燃释放SO2、CO2、CO等毒害气体，一来损害人类呼吸系统，二来形成酸雨破坏建筑与植被。2006年国有煤矿存在矸石山1500余座，长期自燃的就达389座。

2.6 其它环境地质问题

其它环境地质问题包括露天开采和基建形成的不稳定边坡；剥土及其它堆土、煤矸石等松散物受强降雨作用形成的泥石流；煤炭自燃导致的空气污染和烧变岩区（导水性强）矿坑突水等。

3 林业复垦优势

3.1 有效恢复矿区经济与生态功能

林业复垦投入成本低、回报较高，可有效恢复矿区经济与生态功能。陈新生等［10］在采煤塌陷区运用层次分析法，对农业、林业、渔业和旅游业等4种典型复垦模式研究后发现，无论塌陷区深浅、积水有否，林业复垦的生态效益均为最佳，综合效益也仅次于农业复垦（积水较深除外）。借鉴国外矿区复垦优先考虑生态功能的原则，塌陷区应以林业复垦为首选，并可推广至露天采区。

3.2 保持水土

地下水位下降和土壤贫瘠化所导致的植被退化，是西部干旱半干旱矿区土地荒漠化的直接原因。荒漠化地区常运用工程技术和生物技术恢复植被［6］。工程技术利用化学物质固结土壤后植树植草，成本高且难以长期保持、易造成次生污染，优势不如生物技术。生物技术通过培植根系发达、耐风蚀沙埋、固氮能力强、生长迅速的植物，来达到保持水土、治理土地荒漠化目的。

在地质灾害易发矿区，可通过植树来固结土壤、减少坡面流，以阻止泥石流和滑坡的发生。

3.3 促进煤矿污水利用

煤矿污水不仅是对地下水的极大浪费，而且易造成次生污染。但若用于林业复垦，则可事半功倍。煤矿污水含丰富有机物和多种矿质营养元素，可补充复垦区肥力和水分。美国学者Sopper［11］曾用城市污水淤泥进行矿区复垦，取得良好效果。因此可考虑将煤矿污水适当沉淀处理，用底部淤泥作为复垦肥料，上部清水用于灌溉。既可提高煤矿污水利用率，又节约复垦成本，一举两得。

3.4 修复和再造土壤

土壤重金属污染修复是矿区土地修复的重要内容。研究表明：生物修复技术是最有生命力的土壤重金属污染修复技术［12］，目前已发现400多种植物可超量富集重金属。农业复垦与林业复垦均可实现重金属的生物修复，但从食品安全角度出发，林业复垦更为合适。

露天采煤大量损毁土壤，导致其部分或完全伤失生产力。但是通过种植速生乔灌木、草本植物（尤其是豆科），可使剥土快速形成腐殖质层，重新恢复肥力。德国学者Katzur等［13］发现混植赤松、落叶松、欧洲栎等树种有利于土壤形成。另有研究表明，豆科植物复垦可快速稳定堆土表面、控制水和风力侵蚀、改善土壤理化和微生物性质、促进根系层水分与养分积累。

3.5 净化空气

森林可滞纳粉尘、吸收化学物质，固定毒害气体（CO2、SO2等）。森林滞纳粉尘能力是裸地的75倍，每公顷森林每年可滞尘数百吨。青杨、桑树、黄金树、榆树、刺槐等林木的树叶还可吸收粉尘中铅、镉，1kg青杨干叶可吸收铅616mg。

森林是自然界最丰富、最稳定的碳贮库，每年每公顷可吸收约400tCO2，20世纪80年代至今已吸收CO2工业总排量的24%～36%。每公顷森林每年还可吸收0.15tSO2以及大量致癌物质。

4 林业复垦途径

矿区复垦按工艺可分为有覆土复垦和无覆土复垦。有覆土复垦指因矿区土壤理化性质（粒度、孔隙度、酸碱性及水养盐含量等）不适宜植物生长而在地表覆土的复垦模式，多用于采空塌陷区、露天采坑、块状煤矸石堆放地复垦；无覆土复垦指矿区土壤适宜或经改良后适宜植物生长而无需覆土的复垦模式，多用于堆土场、松散状煤矸石堆积场复垦。目前一般采用有覆土复垦。

矿区复垦按阶段分为前期工程复垦和后期生物复垦（图1）。工程复垦先行，由矿企对破坏土地进行工程恢复，包括场地平整、表土覆盖（无土复垦不需要）和土壤改良等；生物复垦随后，包括树种选择、林木栽培、抚育和生态维护等。

图1 煤矿区林业复垦分阶段实施图

4.1 工程复垦

4.1.1 场地平整

矿区平整场地类型主要包括低洼区与堆积区，前者主要指采空变形区和露天采坑，场地平整宜采用挖深垫浅法，并修筑保水和排涝设施；后者主要指煤矸石堆放区和排土区，削减坡度后进行梯田化改造，之后覆盖有潜在肥力岩土。

4.1.2 表土覆盖

（1）机械覆土法。用碎土机粉碎土壤后，使用排土机撒布，最后用推土机推平。为防止覆土与基底存在光滑面，覆土前应粗糙化地面。

（2）水力覆土法。将土壤和水混合后形成泥浆，之后泵入复垦区，待土壤沉淀后排出水分。水力覆土法较机械覆土法快且经济，土壤孔隙性好，有利植物生长，曾在德国成功运用［2］，值得推广。

4.1.3 土壤改良

（1）客土改良是利用外区土壤改良本地岩土，如在具潜在肥力的岩土中掺杂外地细粒土，改良其机械组成。

（2）化学改良是加入化学物质以改良土壤，如在水土流失区加入沥青乳液和棉籽醇树脂乳形成水土保护膜；重土和轻砂土加入粉煤灰提高孔隙度和持水性；酸性土壤pH值较低时加入石灰、过低时加入磷矿粉；碱性土壤施用肥料及其他化学剂。

（3）生物改良是利用生物技术改良土壤，主要包括重金属污染修复和土壤固氮。重金属污染生物修复包括微生物修复和植物修复（植物提取、挥发、过滤、钝化等），植物提取技术最具前景；矿区土壤普遍缺乏营养元素，尤其缺氮，可利用固氮植物如豆科植物（草木樨、杂交苜蓿、野豌豆等）达到聚氮目的。生物改良还包括微生物改良和菌根接种技术等。

4.2 生物复垦

4.2.1 树种选择

应选择适合当地土壤、地形和气候条件的“乡土树种”，尤其是老矿区复垦。应选择抗污染、易获取养分、保水土、速生、郁闭快的“先锋树种”。固氮树种尤其是刺槐、胡颓子、锦鸡儿、灰赤杨、黑赤杨、沙棘等能适应严酷的立地条件，可作为复垦先锋树种。若将固氮树种与常绿松混植，则会有更好效果。

4.2.2 林木栽培

林木栽培包括树坑尺寸设计、造林密度设置和树种配置。树坑边长宜为0.5m左右，如黄檀为0.3m、赤桉0.45m、银桦0.6m。造林密度设置和树种配置应根据土壤适宜性、树种生物学特征、自然生态和经济条件等确定［3］，如土壤贫瘠区针叶树间距为0.8m×1.0m、杨树为4m×4m；树种配置倾向于主要树种+伴随树种+灌木混成，实践证明最佳配比为60%、20%和20%。

4.2.3 林木抚育

林木抚育是通过人工培育促进林木生长发育的过程，林业部门强调“三分种、七分管（抚）”。林木幼小期对环境适宜能力弱，尤其应加强抚育。

抚育工作包括灌排水、施肥、松土和除草等，其中尤以水肥调控最为重要。土壤水分不足或过多均会影响林木根系正常发育，干旱或水分渗漏区应注意灌水保墒，积水段或降雨期则应注意排水防涝。复垦地土壤养分和有机质较少，应增施化肥和有机肥。土壤形成硬壳时应注意松土。强风化土壤第一年须进行不少于4～5次除草。

4.2.4 生态维护

林地复垦的最终目标是建立覆盖充分、良性发展的森林，而保持稳定、善于自我调节的可持续林地生态系统是其关键［14］。根据生态学原理，物种多样性是生态系统稳定与发展的基础。因此，应在复垦区使用多物种，构建并维护乔、灌、草、藤立体生态系统。

4.3 林业复垦效益评价

林业复垦效益主要包括经济效益和生态效益。经济效益是土地复垦后的经济产出；生态效益指复垦后环境的改善和生物量的提高。生态效益难以定量评价，却是发达国家的关注焦点。目前澳大利亚等国［15］正致力于制定复垦质量检验标准尤其是生态系统建立及自我维持标准。

复垦成本也需要充分考虑。一般说来，复垦成本主要取决于工程复垦投入（比例可达90%），因此应通过发展工程复垦技术来降低复垦成本。

5 结语

煤矿区采煤及相关行为，产生了地面变形、土壤损毁与污染、土地荒漠化、地下水环境恶化、大气污染等一系列环境地质问题。

林业复垦因生态功能强、土地质量要求低成为国际矿区复垦首选，在恢复矿区生态与经济功能、保持水土、促进煤矿污水利用、修复和再造土壤、净化空气等方面具有巨大优势。

林业复垦分前期工程复垦与后期生物复垦两阶段，前者含场地平整、表土覆盖与土壤改良，后者含树种选择、林木栽培、抚育和生态维护。

（1）煤矿区应尽量减少环境地质问题的发生。如通过充填法缓解采空沉降，单独保存表土以减轻露采区土壤损毁，在干旱区实施地下水回灌、提高煤矸石和矿井水利用率以及抽采瓦斯等。

（2）我国矿区复垦现状不容乐观，受政策、资金、技术的多重制约。国家应考虑出台配套政策、法律、法规，畅通固定投资渠道，构建生产科研组织，并实施严格的监管。

（3）应加强煤矸石山无土复垦、土壤重金属生物修复、煤矿污水循环利用等专题研究。

（4）矿区复垦应加强生物多样性与生态系统研究，而不仅仅是关注单一物种的筛选与培植。

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