露天矿硬岩边坡复绿技术现状及存在问题

高云峰，徐友宁，陈华清

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710064；2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

矿山地质环境是指曾经开采，正在开采或者将要开采的岩石圈表层的地质体，与大气圈、水圈、生物圈组分之间不断进行物质交换和能量流动的一个相对独立的环境系统，是人类赖以生存与发展的局部空间环境，是矿业活动的主要场所[1]。矿业开发为社会经济发展作出巨大贡献的同时，如果开发不合理，就会对矿山地质环境产生严重影响，导致矿区资源损毁(如土地资源、地貌景观资源、地下水资源、植被资源等的压占与破坏)、诱发地质灾害(如地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等)、污染水土环境(采矿及选矿的“三废”造成地表水、地下水和土壤环境污染)等一系列生态环境灾难，影响并制约社会经济发展[2]。

在所有的矿山地质环境问题中，露天矿开采所造成的硬岩边坡创面修复问题，相较于土质边坡和软岩边坡的修复工作而言，因其缺少植物生长所必需的水土生境及与岩面牢固攀附的力学条件，所以历来是矿山生态修复工作的难点和重点，尤其是干旱半干旱地区。例如陕西省安康地区石灰岩矿山开采形成的一片片灰白色岩石裸露区，离远望去犹如山体上的“牛皮癣”，严重影响了山体景观效果，造成视觉污染。而且有的边坡临空面高耸陡峭，有的乱石嶙峋粗糙不平，有的平滑如镜[3]。显然，这些都加大了边坡复绿工作的技术难度。近几年关于边坡修复技术类的文献中大多数研究对象为低缓的岩土边坡，且研究主体多为高速公路、铁路的沿线工程[4-5]，而有关露天矿山硬岩边坡修复技术的文献却少有发表。针对这一现状，本文归纳总结了目前国内常用的硬岩边坡复绿技术及其适用条件、存在的问题，旨在为类似的露天矿山硬岩表面复绿工程的设计、施工以及研究工作提供参考，为正在兴起的矿山生态环境治理工作提供技术支持。同时，探索性提出了适合西北地区不同气候与边坡特征组合地域的几种联合修复模式，旨在为相应地区开展露天矿硬岩边坡及高陡立面的复绿工作提供技术参考，促进干旱半干旱地区矿山边坡绿化工作。

1 研究现状

国内外针对矿山硬岩边坡以及高陡立面的复绿工作进行了持续不断的探索，积累了一些成功经验。王登峰等[6]针对杭州临平邱山采石场存在的高陡边坡问题，提出设计了岩锚种植槽技术，完成了该采石场的边坡生态修复工程，并作为杭州市生态环境治理的样板工程进行推广。王振宇[7]通过堆坡绿化、削坡平台绿化、清除危岩体+挂网喷播绿化以及岩壁打孔穴载等多种技术联合治理模式，完成了焦作市北部某灰岩矿山的高陡岩石边坡复绿工程。汤惠君等[3]在研究我国采石场分布现状及其特征的基础上，提出了采石场生态修复的原则和关键技术流程，探讨了适宜我国采石场生态修复的若干技术模式。由于同一地区的露天矿山，因其坡高、坡形、坡角、岩石坚硬程度等的差异，其复绿技术不尽相同；不同地区的露天矿山，由于气象、水文、各自特殊的表层地质环境条件等的差异，边坡植被修复手段也大相径庭[8]。这两点也就造成了恢复治理技术的局限性、地域性，进而决定了普适性技术大面积推广的现实难度。总体而言，目前国内矿山硬岩边坡常用的修复治理技术共分为两大类，11种方法。

2 露天矿植被复绿技术

土壤和水源是影响植被健康发育、持续生长的重要条件，也是决定硬质边坡及高陡立面的复绿工程是否成功的两个必要因素。无论采取以工程施工技术为主导的治理手段，还是采取以生态培植技术为主导的治理手段(表1)，究其本质，二者的技术核心都是科学高效的在硬岩表面营造一个“保水”与“保土”的植被生境、一个可持续发展的绿色空间。

2.1 以工程施工为主导的复绿技术

2.1.1 人工造坡复绿技术

人工造坡复绿技术是利用露天矿山采矿区产生的大量废石骨料，充填到高陡的开采面坡脚处，按照设计坡度逐步向上，分层压实，形成一个人工边坡，之后在坡面上覆土植树种草。坡脚前一般修筑挡土墙，防止堆土的流失。需要注意的是，由于废石骨料之间空隙往往过大，后期浇灌草木时，肥料和水容易流失严重，因此分层压实过程中，需要穿插着铺设黏性土层作为防渗漏处理。该法适用于砂石骨料较为丰富的矿山，如铜川市川口的水泥用石灰岩矿的矿山地质环境恢复治理项目中该法便得到了成功应用。

2.1.2 台阶爆破削坡复绿技术

台阶爆破削坡复绿技术首先需要开展边坡危岩清除，采取人工爆破及机械等方法削坡卸载，消除崩塌、滑坡隐患，保障修复边坡的稳定性。针对高差较大的边坡，需要分台阶削坡和减缓边坡，同时结合挡土墙等工程措施。在露天开采平台边部及靠近立面的地方，可分别挑穴坑或槽型坑培植营养土。为了遮挡裸露岩面，可栽植耐旱、耐瘠、耐寒及树冠稍大的本地树种，同时栽植爬藤类植被，通过上爬下垂，达到立体绿化的目的[9]。该技术对后期养护具有较高要求，需要人工定期巡视管理。何振邦[10]研究了在某矿区生态环境治理工程中爆破削坡及清坡工程，详细阐述了预裂爆破中的钻孔参数、爆破参数的选取和计算，并且通过计算爆破飞石安全距离，确定警戒清场范围和一般应急措施，为台阶爆破削坡复绿技术的成功使用提供参考依据。

2.1.3 格构护坡复绿技术

格构护坡是一种广泛应用于公路、铁路边坡和路堤防护中的手段，具有蓄水保土能力强、稳定边坡、植被恢复效果好、景观性强、施工效率高等技术优势。目前，主要是采用浆砌块石或钢筋砼在岩土质边坡上按一定形状砌筑成骨架，即格构梁，并利用锚杆或者锚索加以固定。在格构中间填充客土，施肥播种，培育植物。格构梁常见的形状有方形、菱形、人字形和拱形等[11]。该法适用条件较广，工程施工技术较为成熟，近年来在矿山地质环境治理项目中被普遍应用。技术难点为格构内部绿植的选择和养护。白建光等[12]研究了格构护坡复绿技术的特点及施工流程，以及在北方干旱-半干旱地区矿山边坡修复的应用，结合抗逆性强的本土植物及掺有表土的基质材料，大大地提高了植物的成活率。

2.1.4 鱼鳞坑客土培植复绿技术

鱼鳞坑为近似半月形的坑穴，坑面低于原坡面，保持水平面向内倾斜凹入。这种结构形式具有防止水土流失的功能。在硬质边坡上，用风镐挖掘坑穴(坑直径80 cm，深60 cm),并将取出的土石渣堆放在坑穴的下方，修筑成月牙形凹向坑内，并培土成硬埂状，或者砌筑堰体(堰体厚度不小于25 cm，高60 cm)。再向坑穴或者堰体内回填种植客土，选择适宜的植物种植[13]该法对植被后期养护以及当地降水量有一定要求，同时要求坡度不能过陡。郭鹏[14]对银川的自然地理特征进行分析，结合干旱气候区对边坡绿化的特殊要求，因地制宜，采用鱼鳞坑边坡防护，为西北干旱地区高速公路边坡绿化探索出一条可持续发展的途径。

2.1.5 人工槽板复绿技术

在硬岩立面上人工安装种植槽，营造一个可以存放土壤的空间，为植物的生长提供必要的环境。这种技术主要应用于坡度在80°在以上，壁面光滑，缺乏附着存土的石灰岩高陡的开采立面。具体施工时裸露岩石壁面高差每相距3 m建一排槽板，在石壁上以45°角打一排深20～25 cm的钻孔，插预制板并填注混凝土。槽内置营养丰富的生长基质，种植耐旱、根系发达、固土能力强的草本植物以及攀援藤本植物等[15]。该方法复绿效果快速，短期内植物可覆盖裸露开采立面，但是后期维护及管理成本较高，难以永续发展。高丽霞等[15]应用该方法针对广州南沙采石场中坡度大、石壁陡峭的裸露边坡开展植被生态修复工作，取得了良好的效果。

2.2 以生态培植为主导的复绿技术

2.2.1 植被混凝土挂网喷播技术

该方法主要适用于坡度大于55°的岩质坡面，首先对高陡开采立面进行坡面清理，对凹凸不平、间隙松动的坡面进行填平处理，清理出松动片石、碎石、泥土和杂草等，后用高压水枪清洗坡面。然后用塑料三维网或防锈镀锌铁丝网等锚固在坡面形成一个稳定的立体结构。最后将植物种子、水泥、沙、土壤、保水剂、混凝土添加剂、土壤基质、水等按一定比例混合，用高压喷播机按设计厚度将其喷播到挂网的岩石表面，在岩石表面形成一个植物能够生长的良好环境[16]。该法技术难点为砂浆和营养基质的配比问题。成功的案例如李辉等[17]对陕西省韩城市西山灰岩群采区岩质高陡边坡通过植被混凝土挂网喷播技术进行治理，治理工程实施后从根本上改变韩城市西山群采区的地貌景观，为陕西省灰岩矿山地质环境问题恢复治理提供示范和依据。

2.2.2 速藤屏生态修复技术

速藤屏岩质边坡生态快速修复技术是针对高陡岩质边坡的特点而开发的一种生态快速修复新技术。它既有工程防护的功能，又有绿化防护的效果。将藤本植物的生长基质放置于边坡坡脚与分级平台上修建的种植槽内，将工厂预先培育好的可牵引藤本植物容器苗移植到已安装罩面网的坡面，藤本植物与罩面网相互纠缠，在短期内形成屏风状植物板块结构,即为速藤屏。将培育好的速藤屏安装到种植槽内，绿化恢复效果即可显现，同时植物生长快速。从而实现岩质边坡一步到位的生态修复目标。具有近期效果好，远期效果更好的综合景观优势，后期可粗放型养护管理[18]。

2.2.3 生态植被袋技术

生态植被袋技术也称植生袋技术，是将植生袋平整的覆盖在已经处理过的硬岩边坡表面，岩石表面用风钻钻孔后再以紧固件加固。紧固件一般采用铁钉或者钢锚钉。植生袋下部需要砌筑挡土墙作为支撑。植生袋是通过生产线将种子、土壤、肥料、保水剂等按照一定的比例装入在可降解的无纺布材料或其他材料的袋子内，然后缝补形成的一定规格。由于无纺布袋等布料透水性好，所以只要适当地浇水，就能在坡面上面形成植被层，起到既绿化又固土的双重作用。它一般适用于坡度小于60°的边坡，具有搬运方便，绿化效果好，适用地区广泛，经济实惠等特点[19-20]。吴训虎[21]运用该技术对湖北省荆门市水上乐园西侧道路的陡峭石灰岩高边坡开展治理工作，待到项目完工五年后，该护坡随着更多不同植物出现，植物群落内的种间竞争变得激烈，并最终在边坡上形成一个共生稳定的植物生态群落，此阶段边坡景观效果与生态稳定效果均达到最好。

2.2.4 生态植被毯技术

生态植被毯护坡是国外近十几年开发出的一项集坡面加固和植物防护于一体的复合型边坡植物防护措施，是通过特殊工艺将植物纤维层和草种、保水剂、营养土混合物及木浆纸层聚合形成的三维复合草毯结构。植被毯的植物纤维层可以把植物种子和肥料、保水剂锁住，为植物的生长提供一个稳定的平台，从而使植被根系与泥土形成一个牢固的柔性保护层。植物纤维层由木质纤维、自然黏合剂和有机矿物催化剂组成，生物降解后增加土壤肥料，为植物提供丰富的生长基质，形成一个良性循环。将植被毯结合锚杆固定在坡面上，既可以保护岩石表面免遭风雨的侵蚀，还可以在播种初期稳固植物种子，保护植物在萌发和生长早期免遭雨水冲刷。植被长成后，其发达的根系与植被毯及边坡面形成一个牢固的复合体，可以有效防止边坡风化侵蚀。在岩质边坡方面使用效果显著。其施工成本低，工艺简单，施工后养护管理成本也较低，是国际上常用的边坡植被恢复措施[22]。

2.2.5 轮胎护坡复绿技术

利用废弃汽车旧轮胎，将其固定在坡面(通常小于45°)上，然后在上面覆客土，根据当地的生态环境选择植物种植。具体施工流程如下:第一步，清理坡面。清除坡面杂物和松动的岩块，削平突出部分，对凹陷处填埋客土。第二步，固定轮胎。将废旧轮胎排列在坡面上，用锚杆和铁丝固定，两两轮胎紧密相连。第三步，覆盖客土。将配置好的客土撒在轮胎内部，高出轮胎3～5 cm，然后压实。第四步，播种。选择适应当地气候环境的种子均匀播种在轮胎内部，并覆盖遮阴网。第五步，养护管理。播种后按情况适当浇水，保证土壤的含水量，种子发芽后去掉遮阴网[23]。这种废弃资源再利用技术，其固坡复绿效果已经在很多建设工程中得到验证。

2.2.6 绿色屏障遮挡技术

将乔木植物按排栽植在岩质边坡或开采立面前，利用高大的绿色乔木树体及其浓荫密实的枝干、树叶，遮挡裸露的岩石边坡表面。乔木下部可栽种低矮的灌木丛，填补乔木间的视觉空隙。边坡顶面到乔木树冠之间的绿色屏障“真空”地带，可种植藤蔓类植物，如爬山虎等，攀援附着岩壁。这样便可以形成一个下-中-上，三个空间高度均有绿植遮挡的立体复绿效果[22]。该法对当地土壤、气候条件具有较高要求，适宜南方大部分地区的露天矿应用。

3 适合西北地区的组合治理模式探索

所谓植被修复组合治理模式，就是因地制宜的考虑西北地区不同地形地貌、气候条件下的硬岩表面复绿工作的难点，同时根据每种技术的特点及其适用条件(表1)，结合其施工工艺难度和资金的投入量，最终得出的一种或多种技术协同治理的最优化策略(表2)。

表1 硬岩表面复绿技术方法总结表Table 1 Summary of vegetation restoration technologies for hard rock surface

表2 适合西北地区矿山边坡修复治理工程的技术组合表Table 2 Technical combination suitable for mine slope repair in Northwest China

注：规定低缓坡的线性斜坡斜长小于30 m,坡角小于45°;中-高陡坡的线性斜坡斜长大于30 m,坡角大于45°[25-26]。

3.1 西北典型干旱少雨、常见低缓边坡的丘陵地区

如宁夏北部毛乌素沙漠地区、陕西北部黄土丘陵地区。该区矿产资源多为井下开采的煤炭资源，露天矿相对较少。而露天采石场相对较多，为周边地区提供砂石等建筑材料，开采产生的硬岩边坡及开采面较为低缓，适合应用生态植被袋技术结合保水保土性能较好的格构护坡复绿技术、鱼鳞坑客土培植复绿技术等组合技术进行复绿工作，同时选育对当地干旱环境适应性强的本土草本或灌木植物作为先锋植物，构建坡面生态系统。这一模式的探索，较为成功的案例如青海省西塔高速“三区两线”范围内的露天采场边坡治理，通过客土改良、草-灌耐旱植物筛选，综合联用生态植被袋技术以及生态植被毯技术取得了良好的边坡恢复效果。施工恢复3个月以后，坡面植被平均覆盖度达到46%以上，长势良好。

3.2 西北典型水源充足、常见高陡边坡的灰岩地区

在黄河流经的沿岸地区以及陕南秦岭等地区，水资源较为丰富，气候也较为湿润，属于半干旱地区，个别属于半湿润区。该地区的露天矿岩质边坡复绿工作，因为有水源保障，高陡岩坡适宜采用植被混凝土挂网喷播技术结合台阶爆破削坡复绿技术、人工槽板复绿技术等组合模式，若追求短期内即可达到较好坡面复绿效果，也可以加入速藤屏技术。这一地区较为成功的案例如王金马[24]针对秦岭北麓圭峰山典型地段破损山体的硬岩边坡开展多技术组合治理研究，通过对台阶爆破削坡技术、鱼鳞坑客土复绿技术等的对比筛选，结合不同坡段的坡度、高度以及覆土特征，最终选择人工造坡复绿技术、植被混凝土挂网喷播技术以及台阶爆破削坡复绿技术组合联用，为该区矿山边坡成功地开展治理工作提供了科学策略和依据，为秦岭北麓其他破损山体的生态修复提供技术借鉴和理论指导，使整个秦岭的生态系统走上良性的循环轨道。

4 存在的问题

1) 技术本身不够完善，不够成熟，导致复绿失败。如人工槽板复绿技术，存在预制结构与岩石壁面是否长期稳定结合的问题。另外因为槽板面积的限制，土壤覆盖较少，基质养分有限，大大限制了草本、藤蔓等植物的后期生长。同时，雨水的不断冲刷会导致土壤的不断流失[14]。很难持续性发挥复绿效果。再如植被混凝土挂网喷播技术，其成功的应用便有一定的难度。因为混凝土混合喷播液中如果土壤有机质组分较多，混凝土成分较少的话，黏合、附着裸露岩壁的能力就差，容易导致整体剥落。相反，如果土壤基质组分较少，混凝土成分较多的话，建立草、灌、乔共生的立体生态系统便因缺少养分供给而显得捉襟见肘，无法持续。

2) 没有因地制宜选择合适方法，导致复绿失败。如在高陡硬岩坡面，选择植被混凝土挂网喷播技术，由于暴雨等触发因素导致生态网剥落；在干旱少雨的西北地区选择绿色屏障遮挡技术、人工槽板复绿技术等等。如果不认真考虑技术因地制宜，就会增加了工程施工的难度和造价，降低复绿的成功率。

3) 工法技术的选择上没有最优搭配，导致复绿工作高耗低效。矿山边坡复绿工程是一项系统、科学的工程，需要因地制宜综合考虑，最优组合。比如在高陡开采立面和低缓边坡共存的矿山，一味的选择分台阶削坡覆土植树复绿技术，工程量巨大，耗费大量人力物力财力。不如在高陡立面处采用植被混凝土挂网喷播技术，在低缓边坡处选用生态植被袋技术或者轮胎护坡复绿技术。

5 总结与展望

边坡生态修复技术在我国经历了几十年的发展和不断的完善，形成了目前常用的一批卓有成效的技术方法甚至完整的打包解决方案。近年来专家学者们将恢复生态学、高分子新材料和肥料学等新技术引进该领域，初步形成了我国的边坡生态修复思想[26]。但是，我们应该清醒地看到有关矿山岩质边坡的复绿技术的应用和研究工作目前总体上仍处于发展阶段，与发达国家相比还存在着不小的差距。硬岩表面复绿技术应当遵循“因地制宜，综合考虑，优化组合”的原则。对每种技术的适用条件、技术要点以及成功案例的充分研究，是矿区硬岩边坡治理修复工作的前提，这样做也更能保证复绿工作的成功以及经济效益的最大化。此外，多方法组合优化运用无论是在复绿成果还是在经济上看，效果往往更好。未来我国应大力关注和借鉴国外的先进经验，加强矿山生态环境修复的新技术、新方法、新材料等方面的研究工作。如耐旱耐寒植物的筛选和栽培、土壤改良剂的研发和试验、坡面生境重建和植物群落构建技术以及环境微生物技术的研发，以便更好地适应我国不同气候、不同地形地貌条件区域的露天矿山边坡的复绿工作。另外，考虑我国的现状，开展矿山边坡修复治理技术的规范化和标准化研究工作，对于我国生态文明建设具有重要的现实意义。