中美草原区露天煤矿土地复垦技术对比案例研究

荣 颖，胡振琪，付艳华，李典谟，万旭生，Anna Waitkus

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京100083；2. 北京市东城区天恒可持续发展研究所，北京 100101；3. Environmental Consulting，Laramie 82070)

中美草原区露天煤矿土地复垦技术对比案例研究

荣 颖1，胡振琪1，付艳华1，李典谟2，万旭生2，Anna Waitkus3

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京100083；2. 北京市东城区天恒可持续发展研究所，北京 100101；3. Environmental Consulting，Laramie 82070)

中国露天煤矿多处于生态环境脆弱区，煤炭开采不可避免导致矿区生态环境的进一步恶化，草原区露天煤矿土地复垦已成为焦点。以美国的北安特洛浦/罗切尔矿区和中国内蒙古某露天煤矿为代表，系统对比两国草原区露天煤矿土地复垦在地貌重塑、土壤重构、植被重建等过程中的主要技术措施。研究发现，中国较美国在露天煤矿土地复垦技术上存在一定差异，美国比较注重近似原始地形的地貌重塑、本土植物的调查与保护、土地复垦后期的监测管护。研究认为，中国在草原区露天煤矿土地复垦过程中应该注重地貌重塑的区域协调性、提倡本土植物的利用和种植、减少抚育管理工作量、强化土地复垦后期监管，以保障矿区土地可持续利用。

美国；中国；草原区；露天煤矿；土地复垦

煤炭是中国的最主要的能源，占中国一次能源消费的70%左右。目前中国露天煤矿产量大约占总产量的15%，露天开采需剥离煤层上方的全部表土和岩层，不仅摧毁了地表土层和原有植被，同时其排土场压占了大量的土地，导致土壤质量下降、生态环境退化、生物多样性减少等一系列问题[1-4]。中国的大型露天煤矿大多处于干旱、半干旱的生态脆弱区，而这里又是中国重要的草原区之一，长期的资源开发势必会使已经十分脆弱的草地环境进一步恶化，生态系统和畜牧业经济的可持续性将受到严重威胁，露天煤矿土地复垦已成为我国亟待解决的问题[5]。中国矿区土地复垦工作起步较晚，且研究和实践的重点是井工矿，露天煤矿土地复垦技术处于探索阶段[6-7]。而美国露天煤矿土地复垦起步早，经过长期的研究与实践已形成相对成熟的法规和技术规范，是世界上土地复垦工作最为先进的国家之一。本文以美国的北安特洛浦/罗切尔矿区和中国某矿区为例，从露天煤矿土地复垦的地貌重塑、土壤重构、植被重建等方面开展比较研究，以期为我国草原区露天煤矿土地复垦提供技术参考。

1 美国草原区露天煤矿土地复垦案例简介

北安特洛浦/罗切尔露天煤矿(North Antelope Rochelle Mine，简称NARM)是美国褐煤生产和生态型土地复垦的典型代表之一。矿区位于美国怀俄明州吉列县境内，属温带半干旱大陆性气候[8]。区内煤炭资源丰富，煤炭热值19.9～20.4MJ/kg，含硫量小于0.5%，主采煤层厚度18.3～24.4m，该煤矿自1983年底投产以来已累计生产煤炭18亿t。目前矿区开采面积22880hm2，拥有矿工1500人，2015年生产煤炭达1.11亿t，是目前美国最大和产煤量最高的露天煤矿[9]。NARM矿区因行内领先的最佳复垦管理实践先后被授予了很多奖项，其中包括2011年怀俄明州环境质量局颁发的露天采矿卓越奖和2012年美国内政部颁发的露天采矿卓越奖。

1.1 地貌重塑

1977 年美国《露天开采管理和复垦法》规定露天矿采后地形恢复要近似原始地形(AOC)，即对土地地表综合布局，融合和补充完善周围地形和排水系统，仅在证明适宜的情况下可与原始地形有所差异[10]。采矿前矿业公司需要详细了解和调查扰动区或周边的气候、水文、地质、土壤、植物、生物、湿地等基本信息，并且将此部分基本信息作为采后地形设计的重要参考。另外，还需要明确开采计划、回填材料的数量和来源、土方平整量、客土量等信息，同时充分利用计算机模拟技术和相关软件(如Vulcan、AutoCAD、Quick Surface等)，来科学设计有利于生态恢复的采后地形，以此达到“自然平整”。采用吊斗铲无运输倒堆工艺及单斗-卡车间断工艺，地貌重塑主要包括边坡构筑和修建排水系统等工程，复垦后的土地利用类型主要为耕地、牧场、草地或作为野生动物栖息地。

1.1.1 边坡构筑

NARM采用分层剥离与分层压实的方式对边坡进行复垦。上覆岩层剥离时应进行适宜性评价，选择适宜的上覆岩层作为充填物，对局部重金属等其他污染相对富集的岩层采取特殊处理。自排土场底部由下至上分层压实，边坡坡长不超过150m，台阶坡面角在20～25°之间，形成边坡较短、坡度较缓、上凸下凹的边坡构型(图1)，使坡面长期保持稳定。边坡构筑完成后对其进行评估，统计分析采前与采后边坡数据，用最小边坡、最大边坡、边坡中值、边坡比例等4个指标来表示地形开采前后变化情况，并在地形图上予以描绘。

图1 边坡构型

1.1.2 排水系统

需建立与批准的采后地形匹配的排水系统，即依据地形设计的排水系统应接近自然排水系统的几何形态。排水渠道多沿坡面等高线开挖，同时布设连续的集水坑，以降低水流过快冲刷边坡，防止田间径流和水土流失。

1.2 土壤重构

根据怀俄州环境质量局土地质量处的《煤矿法规》和其他矿产资源法规，矿业公司在进行煤炭开采前，必须对采矿许可范围内所有受干扰区域的表土进行剥离，除非管理者允许的特殊情况。表土剥离作为一项专业化的活动，对矿区土地表土剥离过程严格控制，制定关于表土剥离的规划，且对表土的界定、表土的剥离技术、剥离深度、剥离后表土的存储及表土回填等都有很高的要求[11]。

1.2.1 土壤剥离

表土剥离前技术人员需要对土壤的颜色、结构、质地、盐分含量等进行专业的土壤调查，以识别所有适宜剥离的土壤。如果该土壤适宜剥离，还需确定其剥离的深度，用小土堆予以实地标记。通过保留一定数量的标有剥离土壤厚度的小土堆(一般是每0.8hm2或者是每150m一个)，以方便机械设备操作人员进行施工与监管人员核查剥离土壤的厚度。一般采用装载机+卡车+推土机；反铲挖掘机+卡车+铲运机；铲运机等方法剥离表土。为避免剥离过程中上下土层混合，应选择白天进行施工。

1.2.2 土壤存储

当剥离出的土壤层不立即使用时，则必须在规定的地点堆存，并与其他挖掘出来的上覆岩层加以隔离，以保证不会被破坏或侵蚀。通过种植临时植被或其他技术，使堆存的土壤快速覆盖植被。为尽量减少水土流失和土壤压实度，剥离土壤以缓坡的形式进行堆存，并在土堆四周修建截水沟。除此之外，需要在土壤堆存处设立木桩标记。

1.2.3 土壤回填

在剥离土壤回填之前对地基进行处理，以防止发生滑坡及促进植物根系生长。沿等高线方向进行1.8～2.4m深的翻松和0.6～0.9m深的耙地，或采取其他措施有效地抑制风力和水流对土壤的侵蚀。最小覆土厚度没有统一的标准，依据扰动区域地形设计不同的厚度，实际厚度不超过开采许可证中的±25%。为缓解覆土过程中机械碾压带来的土壤压实，最大限度地缩短机械设备的工作半径，并选择土壤较干燥时进行施工。另外，剥离土壤数量不足时，需要从煤层上覆岩土层中寻找与筛选适宜的土壤替代材料。土壤替代材料的筛选从上覆岩土层基础调查数据、勘探期间的历史采样及操作人员的经验等方面进行，尤其注意这些岩土层的污染、水土流失、泥沙能否得到正确处理。

1.3 植被重建

植被重建的目标是开采后植被覆盖率和生物量达到或高于开采前水平，植被群落组成和物种多样性能够满足采后土地利用的需要。美国的植被重建工作通常有矿业公司的复垦部门或者由矿业公司委托给植被恢复与管理公司完成。矿区植被重建一般考虑以下几点：苗床的准备；品种的选择；种植技术。

1.3.1 苗床

在干旱环境下，苗床对植物出苗、生长和水分利用率具有重要影响。苗床准备的常用方法有耕作、覆盖作物、地表覆盖、添加土壤改良剂、放牧等。

按照耕作作业次序，矿区扰动土地的耕作可分为最初耕作、二次耕作、末次耕作三个基本作业环节，因其作业对象、目的与内容不同而对耕作机具与耕作深度有不同的要求。基本要求为全面耕作、清除草根石块、平整土地、土壤细碎，并达到一定深度，从而打破犁底层、疏松土壤、增加水分入渗与蓄积，防止土壤压实与板结。

通过目标植物以外的、人为种植的牧草或其它植物，用以控制杂草或覆盖裸露地面，在正常植物没能形成覆盖层时，保护土壤免受风蚀与水蚀。覆盖作物可以是一年生的草本植物，也可以是不育的燕麦或者谷物。

通常选用秸秆、干草、木屑等各种有机生物体材料，通过粉碎、加工处理后进行地表覆盖，或者利用不同粒径的沙石进行铺设，以达到防止径流和土壤侵蚀、增加水分入渗、减少蒸发、抑制杂草等作用。掌握适当的覆盖厚度是地表覆盖中的重要环节，覆盖物厚度不应超于0.05m。

氮是美国北部草原土壤中普遍不足的元素。旱地环境下施氮的主要目的是提高一年生牧草和杂草的产量，减少植物的多样性。一般情况下，播种本地草种时不需要补充氮肥，如果需要，在播前或播种中，可以施加相应的肥料。

放牧是草地利用的主要方式之一，通过牲畜的践踏，采食以及排泄物影响土壤结构和植被特性。为避免过度放牧引起的草地生态系统受损问题，必须规定适当的放牧强度。

1.3.2 植物筛选

植物品种选择以本地物种为主，矿业公司提前规划好植被类型和种植位置，并在地图上予以标记。植被类型和种植位置由采前植被群落类型和采后地形决定。NARM矿区的本地植物主要有紫花苜蓿、格兰马草、野牛草、鼠尾草、紫云英、雀麦草、草木樨、红豆草等草本；山艾、盐灌、金花矮灌木等灌木；燕麦、黑麦、小麦等农作物。混播种植时综合考虑播种方法、播种位置、种子及幼苗的特点、预期的植株密度及混播结构等因素，确定合理的种子混播配比方案。不同配比的植物品种可直接向种子公司购买。同时尽量避免将本地品种与引进品种混合。

1.3.3 种植技术

采用撒播和喷播的方法进行植被种植，按照“耙地-镇压-液压喷播-滚压-机械撒播-滚压-覆盖地表”等程序进行操作。对于平台或坡度较缓的边坡草木种植，较多采用机械撒播、人工撒播等种植方式，人工撒播多适用于特定植物的小区域种植；对于灌木种植、坡度较陡或者铺设有覆盖物的边坡，通常采用液压喷播种植方式。

矿区新建植被区，必须进行严格的管护，对采前、中、后矿区植被群落的生产力、变化周期及其稳定性应进行调查、监测和评价。燃烧、刈割、放牧和有选择地施加肥料等管理措施，可以有效控制杂草的生长，以防止它们对群落结构产生影响。

2 中国草原区露天煤矿土地复垦案例简介

以位于内蒙古自治区呼伦贝尔大草原腹地的某露天矿为代表。该矿属温带大陆性气候，气温年、日较差大，年平均气温-1.9℃，年平均降雨量301.98～388.13mm，降水主要集中在6～8月。该矿采区面积已达4235hm2，年生产能力2000万t，生产中低灰、特低硫、特低磷、发热量在12～13MJ/kg的优质褐煤。截至2015年，矿区土地复垦率达98.55%，绿化率为98.38%。

2.1 地貌重塑

该露天矿采用“单斗-卡车” 剥离工艺；采煤以“单斗-自移式破碎机-带式输送机”半连续工艺为主，以“单斗-卡车-半固定式破碎站-带式输送机”半连续工艺为辅。排土场地貌重塑是土地复垦工程的重点，排土场主要由开挖出的少量土壤、泥岩、粉砂岩、细砂岩等构成，复垦后的排土场多用于草地、林地。平台、边坡的稳定处理和排水设施的建立是复垦过程中必须注意的。

2.1.1 平台与边坡

该露天矿采用分层压实方式进行复垦，一般将开挖出来的土石混合物作为充填物放在底层，土石混合物上面覆盖0.5～1.0m的沙子后上覆0.3m的腐殖土。排土场平盘顶部、坡面达到设计排土要求后进行推进和平整，在排土场到达排土界限时一般要加固边坡，形成的台阶坡面高度约15～20m，台阶坡面角不超过35°。为防止大气降水时排土场顶部汇水直接流向边坡对边坡造成破坏，一般通过修建网格、植生袋法等工程技术达到稳定边坡、保存土壤水肥、截留种子等效果。

2.1.2 排水工程

对于影响矿山地质安全的坡面，要布置排水沟、挡水围埂、截流沟等水利工程，使地表径流不能直接冲毁坡面，防止坡面被破坏形成大的冲击沟。在排土场低洼处布置砌石排水沟，将排土场汇水引排至排土场底部。在排土场边坡顶部设置底宽3 m、高度 1m、顶宽 1 m的梯形挡水围埂。

2.2 土壤重构

该露天矿土壤重构的重点是对复垦土壤的母质类型、剖面构型等进行重构改良，主要包括土壤剥离与覆盖和土壤改良等两个方面。

2.2.1 土壤剥离与覆盖

为了实现排土场复垦利用，用推土机或反铲将地表0.1～0.3m的腐殖土进行收集，用卡车运输至固定场地单独存放，在堆放期间做好保护，防止水土流失和砂土混入。在生产过程中随时掌握采掘进度，及时把剥离的表土利用推土机和平路机均匀铺覆到已达到平整和压实要求的平盘顶部和坡面上，减少倒土覆土工序，覆土厚度一般为0～0.3m。另外，在排土场表面排弃泥岩位置覆盖0.5～1.0m的沙子后再覆盖0.3m的腐殖土，可以有效改善植被根系生长环境。

2.2.2 表土改良

该露天矿在土壤改良方面从土层、土质、土壤孔隙等多层次考虑，力求解决腐殖土数量短缺与腐殖土质量下降问题，使植被生长所需的水、肥、气三大条件得到满足，提高植被成活率及生长效果。一般通过施用农家肥、菌根等改良土壤，制定适宜不同植被的土壤改良配方。

2.3 植被重建

2.3.1 植物筛选

利用合适的植物进行植被恢复是重建稳定生物系统的重要环节，复垦植物的选择是否合理，需要综合考虑植被生长特性、植物的抗逆特性及植物对土壤的改良能力。根据该露天矿连续30多年的复垦绿化实践，矿区适宜的植物类型主要有沙棘、披碱草、羊草等。

2.3.2 种植技术

一般采用条播和移栽技术。沙棘采用移栽技术，披碱草和羊草均采用条播繁殖。在排土场顶部采用披碱草、羊草等进行混播，在排土场边坡采用沙棘(株行距3m×5m)与本地披碱草混交栽植。通常先在覆土后的边坡种植披碱草，一年后在披碱草地再栽植沙棘，披碱草在沙棘栽植前和栽植初期固持土壤，防治水土流失，沙棘具有固氮效果且能提升土壤肥力，二者共同形成绿化景观。

3 中美草原区露天煤矿土地复垦技术对比分析

通过对比中美两国在草原区露天煤矿地貌重塑、土壤重构和植被重建等土地复垦过程中的主要技术措施，可以发现中美两国草原区露天矿土地复垦技术存在一定的差异，除了在土壤重构技术方面中美两国都比较重视表土资源的剥离与管护外，其他方面的技术并不相同。

3.1 地貌重塑

目前，我国矿山企业多通过征收方式取得矿业用地使用权，为减少排土场额外占地费用，在地貌重塑时一般采用“水平梯形坡面，直渠排水”的地形设计，强调复垦为可利用状态及复垦的土地利用类型，矿区原有地形基础条件的恢复在复垦实践中却得不到应有重视，区域系统性与协调性不足。美国露天矿采后地形恢复尤其强调要近似原始地形，使景观地形各个构成要素间相互协调，并与周边景观相融合。矿业公司在开矿之前必须做好有关土地复垦工作的调查和勘测工作，将搜集和监测的地面、地下水、水生物、野生动物和植物等矿山环境基础数据作为采后地形设计的重要参考和验收标准。

3.2 植被重建

目前，我国可选择的复垦适生苗木种类单一，在表土不足的情况下，植被种子库保存较少，本土植物入侵较慢。另外，我国在植被重建过程中多选用外来的牧草，植被品种单一、组合简单，且多追求景观效果，从而导致人工植被生态群落系统稳定性差。美国的植被类型须与采前植被类型保持一致，且植物品种选择以本土植物为主。矿业公司通常设有专门的植被重建部门，或者委托给植被恢复与管理公司完成植被重建。同时，本地草种的种类和混播配比都有成熟的固定的搭配供其选择，不同配比的植物品种可直接向种子公司购买。

3.3 后期抚育管理和监测管护

目前，为了保护植物绿化成果，我国主要是通过签订绿化养护责任人的办法，定期进行补植、喷灌、剪枝、施肥、除草等工作，其中人工浇水是最主要的抚育管理措施。美国对于矿区新建植被区必须进行严格的管护，通过燃烧、刈割、放牧和有选择地施加肥料等管理措施，以达到有效控制杂草生长的目的，而不需要人工浇水。另外，美国设有矿山土地复垦监管部门，专门负责监督检查土地复垦计划执行和落实情况，监管人员主要通过矿山企业的年度自检报告资料审核，同时结合实地踏勘与调查的手段执行监管，部分地区已采用GIS系统来管理开采和复垦以及相关监测数据。

4 结论与展望

美国露天矿土地复垦历史悠久(20世纪初)，我国的土地复垦则开始于20世纪80年代，且主要是井工矿山、露天矿很少。美国露天矿土地复垦注重地貌重塑的区域协调性、倡导复垦中采用本土植物、减少抚育管理工作量、强化土地复垦后期监管等，以保障矿区土地可持续发展。借鉴美国土地复垦实践，我国在草原区露天矿土地复垦过程中应注意以下问题。

4.1 注重地貌重塑的区域协调性

地形稳定是矿区土地复垦与生态重建的首要条件，因此应改革矿区用地制度，注重地貌重塑的区域协调性。在矿区原有地形地貌、水文地质及径流情况等基础信息调查和勘测的基础上，制定地貌重塑的规划设计方案，使景观地形各个构成要素间相互协调并与周边景观相融合。另外，采后地形设计不仅要尽量使工程中的挖填方量均衡和土方调配优化，还要考虑后期的土壤重构和植被重建，以提高区域景观生态的稳定性。

4.2 提倡本土植物的利用和种植

根据露天矿土地复垦特殊的生态环境，应优先选用本土植物。本土植物物种接近当地植物群落，通过采取适当的管护措施可以促进其更快地向稳定化的植物群落发展，同时与未扰动的周围景观保持一致。同时需合理的引入部分先锋物种，为目标植物提供良好的种植条件。根据不同的立地条件要求、生态要求、景观要求、功能要求进行植物选择和搭配。

4.3 减少抚育管理工作量

由于我国大都未采用本土植物和修复为原始地貌，人工浇灌等抚育管理工作量很大，而且一旦不浇水，植物死亡率很高，导致土地复垦后很难通过验收和交付当地农牧民使用。因此，应借鉴国外的经验，通过植物群落的筛选和种植等措施，减少浇灌，降低抚育管理成本。

4.4 强化土地复垦后期监管

加强土地复垦监管责任制，设立专门的土地复垦监管部门，同时配备具有土地复垦专业知识的技术人员，设定明确的且可操作的技术监管指标，以强化土地复垦后期监管。建立年度报告制度，要求矿山企业在年度报告中对复垦过程中的土壤、水、植被等复垦要素提供详实的监测数据。政府监管人员应基于矿山企业的年度自检报告，结合实地踏勘与调查的手段执行监管，同时借助GIS系统来管理与复垦相关监测数据。

[1] 胡振琪,位蓓蕾,林衫,等.露天矿上覆岩土层中表土替代材料的筛选[J].农业工程学报,2013,29(19) :209-214.

[2] 王金满,郭凌俐,白中科,等.黄土区露天煤矿排土场复垦后土壤与植被的演变规律[J].农业工程学报,2013,29(21):223-232.

[3] 王金满,张萌,白中科,等.黄土区露天煤矿排土场重构土壤颗粒组成的多重分形特征[J].农业工程学报,2014,30(4):230-238.

[4] 胡振琪,龙精华,王新静.论煤矿区生态环境的自修复、自然修复和人工修复[J].煤炭学报,2014,39(8):1751-1757.

[5] 王金满,杨睿璇,白中科.草原区露天煤矿排土场复垦土壤质量演替规律与模型[J].农业工程学报,2012,28(14):229-235.

[6] 胡振琪,魏忠义,秦萍.矿山复垦土壤重构的概念与方法[J].土壤,2005,39(1):8-12.

[7] 胡振琪,肖武,王培俊,等.试论井工煤矿边开采边复垦技术[J].煤炭学报,2013,38(2):301-307.

[8] State of Wyoming[EB/OL]. http://www.wyo.gov.

[9] North Antelope Rochelle Mine[EB/OL]. http://www.peabodyenergy.com

[10] 王云凤,魏忠义.露天矿土地复垦的景观地形恢复综述[J].金属矿山,2012(9):146-149.

[11] 谭永忠,韩春丽,吴次芳,等. 国外剥离表土种植利用模式及对中国的启示[J].农业工程学报,2013,29(23):194-201.

Comparative study on land reclamation technology in typical surface coal mine in steppe region between China and USA

RONG Ying1, HU Zhenqi1, FU Yanhua1, LI Dianmo2, WAN Xusheng2, Anna Waitkus3

(1.Research Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083,China;2.South-North Institute for Sustainable Development, Beijing 100101,China; 3. Environmental Consulting，Laramie 82070, USA)

The surface coal mine of China is mostly in the ecological environment fragile zone, and coal mining inevitably leads to a further deterioration of the ecological environment in mining areas. China faces the task of land reclamation and ecological restoration, which becomes a focus of researches. Based on the case study of North antelope Rochelle coal mine in USA and a surface coal mine of Inner Mongolia in China, the study has done the systematic research work on major technical measures on reconstruction of landforms, soil and vegetation etc. The study found that America laid emphasis on approximate the original landform reshaping, the investigation and protection of the native plants, post mining land monitoring. The study concluded that China should pay attention to regional coordination of landform reshaping, promote plantation of native plants, reduce tending management, strengthen post mining monitoring of land reclamation in surface mine in steppe region, so as to guarantee the sustainable use of the mine-area land.

the United States of America; China; steppe region; surface mine; land reclamation

2016-09-01

国家自然科学基金煤炭联合重点支持项目资助(编号:U1361203)

荣颖(1988-)，女，河南商丘人，博士研究生，主要从事土地复垦与生态重建方面的研究，E-mail：rongying0626@126.com。

F301.24

A

1004-4051(2017)01-0055-05